(河北省衡水水文水資源勘測局，河北 衡水 053000)

基于SPI指數(shù)的衡水市干旱時空變化特征分析

于曉彤

(河北省衡水水文水資源勘測局，河北 衡水 053000)

基于衡水地區(qū)1963-2013年降水數(shù)據(jù)，選取SPI指數(shù)作為干旱指標，通過SPI指數(shù)得到研究區(qū)干旱發(fā)生頻率，干旱站次比以及干旱強度，進而分析衡水市干旱時空變化規(guī)律。結(jié)果表明:衡水地區(qū)中北部、中部、中南部為干旱發(fā)生頻率較高的地區(qū)。該地區(qū)易發(fā)生全區(qū)域性干旱，而干旱強度主要為輕度干旱。

干旱；SPI指數(shù)；衡水地區(qū)

干旱作為地球上影響范圍最廣、持續(xù)時間最長、發(fā)生頻率最高、對社會經(jīng)濟以及自然環(huán)境危害最嚴重的自然災害之一。近年來，極端氣候事件頻繁發(fā)生，以極端干旱事件的發(fā)生尤為頻繁，在全球氣候變暖和人類活動的大背景下，全球范圍的干旱問題日趨嚴重。因此，干旱化問題目前成為氣象學界關(guān)注的熱點[1-2]。河北省作為干旱省份，人均水資源約占全國人均水資源的1/7，地處河北省東南方的衡水地區(qū)對干旱化的響應(yīng)尤為明顯。

衡水市處于河北省東南部平原，屬于溫帶大陸性季風氣候，四季分明，冬季干燥寒冷，夏季炎熱多雨。衡水作為嚴重缺水城市(供水率75%的保證率下，缺水率為67%，2003)，隨著我市工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出。近些年，對衡水地區(qū)水資源的研究主要集中在衡水湖濕地對生態(tài)系統(tǒng)和水環(huán)境的影響[3-6]，以及冀棗衡地區(qū)地下漏斗和節(jié)水壓采方面的研究[7-10]，而對本市干旱化問題的研究不多。目前，針對干旱問題的研究大多是從大尺度分析，如針對華北、河北、海河流域等典型干旱區(qū)的研究。因此，分析近幾十年來衡水地區(qū)干旱發(fā)生頻率、強度及干旱范圍對其應(yīng)對未來氣候變化具有重要意義。

目前，研究氣象干旱的指標主要有Z指數(shù)、相對濕潤指數(shù)、降水距平百分率、標準化降水指數(shù)(SPI)、帕默爾干旱指數(shù)等[11-14]，并利用這些指標對各地干旱情況進行研究。其中，SPI指數(shù)采用Γ分布來描述降水量變化，計算較為簡便，對干旱事件反應(yīng)靈敏[2]。因此，本文以SPI指數(shù)作為氣象干旱指標，通過計算干旱發(fā)生頻率、干旱站次比和干旱強度三個具體指標研究衡水地區(qū)近50 a來干旱的時空變化特征，為應(yīng)對在全球變暖的大背景下，旱情監(jiān)測、預警和抗旱工程提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

本文研究所需的氣象數(shù)據(jù)來自衡水11個雨量站的逐月氣象觀測資料，站點分布均勻，數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。

1.2 研究方法

依據(jù)《氣象干旱等級GB/T 20481—2006》，SPI指數(shù)是表征某時段降水量出現(xiàn)概率多少的指標，可對月尺度及以上的氣候干旱情況進行監(jiān)測和評估。SPI計算公式如下[15]：

(1)

當G(x)>0.5時，S=1；當G(x)≤0.5時，S = -1。G(x)由Γ分布函數(shù)概率密度積分公式計算：

(2)

式中：γ、β為Γ分布函數(shù)的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)；c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。根據(jù)《氣象干旱等級GB/T 20481—2006》中分級標準，SPI≤-0.5即為發(fā)生干旱。

1.3 干旱評價指標

本文從干旱頻率、站次比以及干旱強度三方面對衡水地區(qū)近50 a的干旱時空分布進行評價。

1)干旱頻率(Pi)

Pi= n/N×100%

(3)

式中：N為站點序列總長度，n為該站發(fā)生干旱的年數(shù)。

2)干旱站次比(Pj)

Pj=m/M×100%

(4)

式中：M為總雨量站數(shù)(本文M=11)；m為發(fā)生干旱的站數(shù)。Pj可以描述干旱發(fā)生范圍的大小，站次比評價等級見表1。

3)干旱強度(Sij)：

(5)

式中：m為發(fā)生干旱的站數(shù)。干旱強度等級見表2。

2 結(jié)果分析

本文基于衡水地區(qū)11個雨量站近50年的SPI指數(shù)所得到的各個雨量站的干旱頻率，干旱發(fā)生頻率在42%～58%之間。依據(jù)計算得到的各站點的干旱發(fā)生頻率，使用Suffer11.0中克里格方法繪制衡水地區(qū)的干旱頻率分布圖(見圖1)。由圖可知，衡水地區(qū)大部分地區(qū)干旱發(fā)生頻率相對較高，其中中部地區(qū)武邑干旱發(fā)生頻率最高，中南部地區(qū)、中北部地區(qū)干旱發(fā)生頻率較高，如故城縣、饒陽縣干旱發(fā)生頻率均在50%(含50%)以上；東部地區(qū)如景縣和阜城縣的東部地帶干旱發(fā)生頻率較低，但亦在42%以上。

表1 站次比等級

表2 干旱強度等級

圖1 衡水地區(qū)干旱頻率分布

從統(tǒng)計得到的干旱的站次比和干旱覆蓋范圍來看(見圖2)，衡水市近50 a中的干旱站次比年際變化劇烈，全區(qū)域干旱現(xiàn)象時有發(fā)生。根據(jù)干旱站次比的評判標準，全域性干旱發(fā)生年份有24年，分別是1965-1966、1968、1972、1975、1979-1980、1982-1983、1986、1988-1989、1992-1993、1997-1999、2001-2002、2004-2007和2010年，約占總序列年份長度的48%；區(qū)域性干旱幾乎各年代均有發(fā)生，分別為1967、1974、1984、1994和2011年；20世紀70年代和90年代以及21世紀初發(fā)生過部分區(qū)域性干旱，分別是1970、1978、1995、1996和2000年；局域性干旱共有6年，分別為1969、1981、1985、1997、1991和2008年。綜上所述，衡水地區(qū)經(jīng)常發(fā)生全流域性干旱，頻率接近50%，其中60、70年代各有3年，80、90年代各有5年，21世紀初發(fā)生了7年；區(qū)域性干旱、部分區(qū)域性干旱以及局域性干旱各個年代時有發(fā)生。從線性趨勢變化來看，近50年來，衡水地區(qū)干旱發(fā)生的站次比有輕微的上升趨勢線，但并不顯著，主要以全區(qū)域性干旱為主。

圖2 1964-2013年衡水地區(qū)干旱站次比

從干旱強度來看(見圖3)，近50年來衡水地區(qū)干旱強度值在0～0.910之間。根據(jù)0.5≤Sij<1為輕度干旱，因此，所有年份均屬于輕度干旱。從圖中可以看出折線上下波動較為頻繁，其中峰值出現(xiàn)在2013年(Sij= 0.910)，20世紀70年代以來，有7年(不包括2013)的干旱強度值超過0.850，分別為1971、1974、1981、1991、1996、2008和2009；而干旱強度為0的年份有6年，分別為1965、1968、1972、1992、2002和2006年。從線性趨勢變化來看，近50年，衡水地區(qū)干旱強度變化趨勢呈明顯的上升趨勢。

圖3 1964-2013年衡水地區(qū)干旱強度

3 結(jié)語

本文以衡水地區(qū)1964—2013年11個雨量站年降水量為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，計算SPI指數(shù)，從干旱頻率、干旱站次比、干旱強度3個指標分析了衡水地區(qū)干旱時空變化特征。結(jié)果表明：衡水中部武邑年尺度干旱發(fā)生頻率最高，中部及中南部與中北部干旱發(fā)生頻率高于50%(含50%)，而較低的地區(qū)分布在衡水東部，景縣和阜城地區(qū)。從干旱頻次上來看，衡水地區(qū)以全區(qū)域性干旱為主，并隨年際變化呈不顯著上升趨勢，進入21世紀以來，全區(qū)域性干旱愈發(fā)嚴重。從干旱強度來看，衡水地區(qū)主要以輕度干旱為主，變化趨勢呈上升趨勢。

通過上述分析，60年代雖有3年發(fā)生全區(qū)域性干旱，但是干旱強度并不顯著，從70年代開始雖然亦有全區(qū)域干旱和干旱強度次峰值，但發(fā)生年份并不重合，如90年代，1992、1997、1999年發(fā)生全流域干旱，但干旱強度的峰值(1971、1974、1981、1991、1996、2008、2009、2013)并未出現(xiàn)在以上幾年，說明干旱強度較高的站點僅為個別站點，全區(qū)域干旱強度并不大，同時也印證了年尺度強度為輕度干旱。利用SPI指數(shù)評價衡水地區(qū)干旱時空變化可以為其旱情監(jiān)測、預警和抗旱工程提供科學依據(jù)。然而該指數(shù)僅以降水為數(shù)據(jù)來源，未考慮氣溫、蒸發(fā)，土壤水分等因素對干旱的影響，因此有待加入以上因素共同研究。

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1004-1184(2017)06-0175-03

2017-06-27

于曉彤(1989-)，女，河北衡水人，助理工程師，主要從事水文水資源方面研究工作。