王江濤

(中煤航測遙感集團(tuán)有限公司, 西安 710100)

干旱監(jiān)測在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有十分重要的現(xiàn)實(shí)作用，對干旱的發(fā)生發(fā)展進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，及時掌握其危害程度，便于各級政府和領(lǐng)導(dǎo)及時了解旱情程度和分布，從而采取積極有效的防、抗旱措施，科學(xué)指揮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對防御、減輕干旱災(zāi)害具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，近年來，加強(qiáng)干旱監(jiān)測和風(fēng)險評估成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)之一[1-2]。

旱情監(jiān)測的傳統(tǒng)方法是采用地面點(diǎn)的觀測記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，如氣象站點(diǎn)的時間序列降水資料或有關(guān)土壤水分的稱重法和中子儀探測法[3]等，而測站點(diǎn)的分布并不能完全遍布所有區(qū)域，數(shù)據(jù)不能完全或不能及時獲取，使得大范圍的旱情監(jiān)測和評估缺乏代表性和時效性，難以認(rèn)識到干旱發(fā)生的空間范圍分布，這對我們提出防災(zāi)減災(zāi)措施造成了一定的困難。

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)由Mckee等在評估美國科羅拉多干旱狀況時提出的，它是表征某時段降雨量出現(xiàn)概率多少的指標(biāo)之一[4]。許多研究表明[5-7]，SPI指數(shù)相對簡單、有較強(qiáng)的空間一致性和時相靈活性，考慮了不同尺度的水分盈虧，因而SPI指數(shù)比其他氣象指數(shù)有更大的優(yōu)勢。SPI具有多時間尺度[6](1,3,6,12,24個月等)的特征，如12個月時間尺度的SPI(即SPI12)比較清楚地反映干旱的階段性變化，而SPI3可以反映季節(jié)性干旱[8]。與農(nóng)業(yè)干旱關(guān)系密切，可以滿足不同地區(qū)、不同應(yīng)用的需求，為我國的水資源評估和不同時間尺度的干旱監(jiān)測服務(wù)，因而得到了廣泛應(yīng)用[9-12]。國家氣候中心也已經(jīng)將SPI指數(shù)運(yùn)用到干旱監(jiān)測的業(yè)務(wù)中，充分說明它的適用性。

本文針對華北地區(qū)近年來發(fā)生的嚴(yán)重干旱，在介紹SPI的計算原理與等級劃分基礎(chǔ)上，利用1998—2017年的降水資料，分別計算多尺度SPI值。采用從SPI的年、月時序變化和空間尺度的季節(jié)性干旱演變分析華北地區(qū)這20 a的干旱時空變化特征，為干旱動態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)化運(yùn)行提供數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，其理論意義明確。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究的華北地區(qū)位于96°—126°E，30°—53°N的地帶，包括內(nèi)蒙古、河北、山西、山東、河南5省及京津2市(圖1)。華北地區(qū)包括4個自然地理單元：東部的遼東山東低山丘陵，中部的黃淮海平原和遼河下游平原，西部的黃土高原和北部的冀北山地。華北地區(qū)氣候類型屬暖溫帶半潤濕半干旱季風(fēng)，大部分地區(qū)四季分明，寒暑相差懸殊，雨量集中，干濕期明顯，通常冬季寒冷干旱，雨雪稀少；春季冷暖多變，干旱多風(fēng)；夏季炎熱潮濕，雨量集中；秋季風(fēng)和日麗，涼爽少雨。年平均氣溫為5～20℃，年降水約400～800 mm，季節(jié)分配不均，年際變化大，旱災(zāi)發(fā)生頻繁。

圖1 研究區(qū)域

1.2 研究數(shù)據(jù)

本研究的氣象數(shù)據(jù)采用中國地面氣候資料日值、月值降水?dāng)?shù)據(jù)集(1998—2017年)，來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn/)。檢索下載的數(shù)據(jù)為華北地區(qū)的京津兩市、山西、河北、山東、河南、內(nèi)蒙古及周邊城市共148個氣象站點(diǎn)，在ArcGIS環(huán)境下將氣象站點(diǎn)與華北地區(qū)省級行政區(qū)劃圖疊加，得到華北地區(qū)內(nèi)部的氣象站點(diǎn)共121個，及各省的氣象臺站詳細(xì)分布情況(圖2)。

1.3 SPI的計算原理與等級劃分

由于降水量分布一般不是正態(tài)分布[6]，而是一種偏態(tài)分布，所以在進(jìn)行降水分析中，采用Γ分布概率來描述降水量的變化。標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI[6]就是將實(shí)測的降水量首先擬合成Γ概率分布，然后用高斯函數(shù)將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，最終用標(biāo)準(zhǔn)化降水累積頻率分布來劃分干旱等級。

圖2 華北地區(qū)氣象站點(diǎn)分布

假設(shè)某一時段的降水量為x，則其Γ分布的概率密度函數(shù)[6]為：

式中：α>0，β>0分別為尺度和形狀參數(shù)，可用極大似然估計方法求得。

對于某一年的降水量x，小于x事件的概率為：

由于gamma方程不包括x=0情況，而實(shí)際降水量可以為0，因此累計概率為：

P(x)=q+(1-q)G(x)

降水量為0時的事件概率q由m/n估計，m為降水量為0的樣本數(shù)；n為總樣本數(shù)。

累計概率P(x)通過下式轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)：

c0=2.515517，c1=0.8028，c2=0.010328，

d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

本文利用氣象站月降水?dāng)?shù)據(jù)計算了1998—2017年SPI1，SPI2，SPI3，SPI6，SPI12時間尺度的SPI值，SPIi表示第i月和向前i-1個月降水量之和計算的SPI值(i=1，2，3，6，12)，分析華北地區(qū)1998—2017年干旱時空分布特征，按照國家氣候中心的劃分標(biāo)準(zhǔn)劃分干旱等級(表1)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)干旱分級

注：表中數(shù)據(jù)來源于國家氣候中心《氣象干旱等級》(GB/T20481—2006)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象干旱時間分析

2.1.1 時間序列年變化特征分析 分別對華北地區(qū)121個站點(diǎn)同一年12個月尺度的SPI(即SPI12)取平均值，提取1998—2017年SPI變化曲線(圖3)，可以看到2000年以后SPI負(fù)值的出現(xiàn)頻率較高，除2003年和2008年SPI為正值外其他年份都為負(fù)值，均有一定程度的降水虧缺。其中干旱較為嚴(yán)重的年份為2000年、2001年、2002年、2006年、2015年、2016年、2017年。近幾年來，干旱情況呈遞增趨勢。

圖3 華北地區(qū)年SPI變化曲線

從各省市干旱程度變化曲線圖(圖4)來看，從1998—2017年華北地區(qū)各省表現(xiàn)出相似的變化趨勢。在2000年、2001年、2002年、2006年、2015年、2016年、2017年大多省份均發(fā)生不同程度的干旱，甚至出現(xiàn)了2000年、2001年、2002年、2015年、2016年、2017年連續(xù)干旱的情況，總體以河北、內(nèi)蒙古、山西、河南干旱較為嚴(yán)重。而在2003年大多省份(除北京)年SPI值較高，均未發(fā)生干旱。

2.1.2 月平均值時間序列特征分析 對華北地區(qū)121個站點(diǎn)同1年內(nèi)的1個月尺度SPI(SPI1)取平均值得到華北地區(qū)1998—2017年月SPI值變化曲線圖(圖5)。從圖5中可以看出干旱較為嚴(yán)重(SPI<-1.0)的年份為2001年、2002年、2006年、2015年、2016年及2017年。由于時間尺度較短，干旱變化受短時間降水影響較大，SPI值頻繁地上下波動，并且呈現(xiàn)周期性(以1 a為周期)特點(diǎn)，大多每年的1月份出現(xiàn)峰值，6—8月份達(dá)到谷值。

圖4 華北地區(qū)各省年SPI變化曲線

圖5 華北地區(qū)1998-2017年月尺度SPI變化過程

對1998—2017年SPI值按月統(tǒng)計均值，得到了華北地區(qū)月平均SPI變化直方圖(圖6)，從圖中可以看出月平均SPI值變化趨勢為先下降后上升然后再下降再上升的過程。干旱的發(fā)生有著明顯的季節(jié)性變化，表現(xiàn)在植被生長的不同階段，冬季的12月、1月、2月SPI值較高，11月干旱嚴(yán)重；春季3月份出現(xiàn)谷值；在夏季7月、8月份SPI月均值達(dá)到最低，干旱最為嚴(yán)重。

2.1.3 季節(jié)多年平均變化特征分析 圖7為對華北地區(qū)1998—2017年121個站點(diǎn)3個月尺度SPI(SPI3)均值變化曲線圖。SPI3變化可較好地反映季節(jié)的干旱，1998—2017年發(fā)生春、夏旱較高。發(fā)生春旱的年份有2000年、2001年、2002年、2005年、2006年、2009年、2015年、2017年，其中2001年、2015年及2017年春旱最嚴(yán)重，SPI值達(dá)到-1.33；發(fā)生夏旱的年份有1998年、2000年、2001年、2006年、2009年、2015年、2016年、2017年；發(fā)生秋旱的年份有2002年、2006年，其中2002年秋旱最嚴(yán)重，SPI值為-1.15。而2003年為濕潤年、12個月SPI值均為正值，最大SPI值達(dá)到1.13，1999年、2004年、2007年、2008年、2010年、2012年、2013年、2014年為正常年。

圖6 華北地區(qū)1998-2017年月平均SPI變化

圖7 華北地區(qū)1998-2017年3個月尺度平均SPI變化曲線

2.2 氣象干旱空間分析

2.2.1 華北各省干旱變化分析 為分析方便，采用12個月尺度的SPI均值繪制華北地區(qū)內(nèi)蒙古、河北(包括北京、天津在內(nèi))、山西、河南、山東5省1998—2017年SPI12變化曲線圖(圖8)。華北各省份在1998—2017年都發(fā)生過不同程度的干旱。主要表現(xiàn)為：內(nèi)蒙古地區(qū)從1998—2017年干旱發(fā)生頻繁，除了2003年其他年份都出現(xiàn)了不同程度的干旱，甚至發(fā)生2000年、2001年、2002年和2006年、2007年、2008年及2015年、2016年、2017年3年連續(xù)干旱的情況，干旱最嚴(yán)重的發(fā)生在2001年的夏季6—8月份及2017年的3—5月，SPI值達(dá)到-1.17與-1.21。河北地區(qū)出現(xiàn)干旱(SPI<-0.5)的年份有2000年、2001年、2002年、2003年、2006年、2007年、2013年、2015年、2016年及2017年，干旱主要發(fā)生在春、夏季節(jié)，最嚴(yán)重干旱發(fā)生在2000年春季與2017年春季，SPI達(dá)到-1.56。山西干旱相比河北稍輕，主要發(fā)生在1998年、2000年、2001年、2002年、2005年、2006年、2009年、2010年、2015年、2016年及2017年，主要干旱發(fā)生在春季。河南干旱主要發(fā)生在1998年夏季、2000年的春季、2001年秋冬、2002年春季、2003年秋季、2008年秋季、2015年秋季及2017年春季時段。山東發(fā)生干旱的年份主要有2000年、2002年、2003年、2007年、2008年、2014年、2015年、2016年及2017年，發(fā)生嚴(yán)重干旱時段為2002年夏季到2003年初春，月SPI12值最低位-1.52，達(dá)到重旱程度。

圖8 華北地區(qū)各省1998-2017年12個月尺度平均SPI變化曲線

圖9為華北地區(qū)各省月尺度平均SPI變化曲線圖，可見，干旱主要發(fā)生月份為3月、7月、8月。河南、山東干旱主要發(fā)生在3月份，內(nèi)蒙古、河北、山西干旱主要發(fā)生在7月、8月份，在冬季的12月、1月、2月華北各省都沒有明顯旱情發(fā)生。

圖9 華北各省月尺度平均SPI變化曲線

2.2.2 華北各省干旱空間分布 考慮到華北地區(qū)農(nóng)作物生長發(fā)育和農(nóng)事活動的季節(jié)性特征，采用SPI3對華北地區(qū)1998—2017年干旱空間特征進(jìn)行分析。

對華北地區(qū)121個氣象站點(diǎn)1998—2017年SPI均值采用克里格內(nèi)插按照0.05°×0.05°進(jìn)行空間插值，然后將其轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，得到華北地區(qū)季節(jié)(3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12—2月為冬季)干旱分布圖(附圖4)。從干旱的空間分布來看，華北地區(qū)的干旱主要發(fā)生在春、夏、秋3個季節(jié)，但受地理位置、地形、植被等多方面因素的影響，各區(qū)域之間發(fā)生干旱的情況存在著較明顯的季節(jié)差異。春旱主要發(fā)生在山西、河南、山東西部及內(nèi)蒙古中東部一帶，其中河南、山西兩省發(fā)生春旱較為嚴(yán)重，干旱面積最大。華北地區(qū)夏季發(fā)生干旱的面積最廣，但各區(qū)域之間存在著較明顯的差異，其中內(nèi)蒙古、河北、山西夏季干旱嚴(yán)重。發(fā)生秋旱較重的主要區(qū)域為內(nèi)蒙古，河北、河南、山東也出現(xiàn)了輕微干旱現(xiàn)象。相比春、夏、秋3個季節(jié)，華北地區(qū)冬季干旱很少，幾乎沒有干旱現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

(1) 華北地區(qū)1998—2017年干旱發(fā)生頻繁，在年與年之間發(fā)生干旱的程度和范圍有所不同，干旱較嚴(yán)重的發(fā)生在1998年、2000年、2001年、2009年、2015年、2016年及2017年。

(2) 在時間尺度上，華北地區(qū)干旱主要發(fā)生在春、夏、秋3個季節(jié)：河南、山東干旱主要發(fā)生在3月份，內(nèi)蒙古、河北、山西干旱主要發(fā)生在7月、8月份，在冬季的12月、1月、2月華北各省都沒有明顯旱情發(fā)生。整體看來，整個華北地區(qū)春、夏旱發(fā)生頻率較高：在2—5月份旱情較輕，6—8月份旱情加重，9—10月份旱情有所緩解。

(3) 在空間尺度上，由于受地理位置、植被等多方面因素的影響，各區(qū)域發(fā)生干旱情況存在著較明顯的差異：河南、山西、山東部分地區(qū)春旱較為嚴(yán)重，內(nèi)蒙古西部地區(qū)旱情比較輕，其中春旱主要發(fā)生在山西、河南、山東西部及內(nèi)蒙古中東部一帶，內(nèi)蒙古、河北、山西夏季干旱嚴(yán)重，內(nèi)蒙古，河北、河南、山東的秋旱較重。