干旱指數在中部干旱帶的適用性范文

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《寧夏畫報》2017年第6期

摘要：利用寧夏中部干旱帶鹽池、中寧、同心、海原4個站點1960—2015年共56年的氣候資料月值數據，計算了各個站點春、夏、秋、冬及作物生長季的標準化降水指數（SPI）、標準化降水蒸散指數（SPEI）和K干旱指數，并比較了3種干旱指數的評估結果。結果表明：（1）除冬季外，3種干旱指數在其他時間尺度上相關性均較好，SPI和SPEI，SPEI和K指數在冬季的相關性較差。（2）春、夏及作物生長季，SPEI和K指數判別的干旱情況較接近，SPI判別的干旱程度略輕；秋冬兩季，K指數判別的干旱程度最高，SPEI判別的干旱程度最輕。（3）4個站點春、夏、秋、冬及作物生長季的SPI、SPEI和K指數序列M－K法趨勢分析結果相似，均能表示出寧夏中部干旱帶干旱的變化趨勢。（4）結合歷史旱情資料，發現K指數相比于SPI、SPEI更能有效反映寧夏中部干旱帶的干旱情況，其評估結果基本與歷史干旱事實相符。

關鍵詞：干旱指數；寧夏中部干旱帶；適用性；SPI指數；SPEI指數；K指數

寧夏地處西北地區東部，屬干旱、半干旱地區，是氣候變化的敏感區，也是生態環境極其脆弱的地區［1］。一直以來，干旱都是困擾寧夏中部干旱帶農業生產及經濟發展的重要因素［2］。干旱指數是研究干旱氣候的基礎，也是衡量干旱程度的關鍵環節［3］。選用合理有效的干旱指數將能更加準確地反映干旱過程。目前，干旱研究中，選取的干旱指數通常有降水量距平百分率指數（Pa）［4］，z指數［5］，干燥度指數（AI）［6］，相對濕潤度指數（M）［7］，帕爾默干旱指數（PDSI）［8］，標準化降水指數（SPI）［9］，標準化降水蒸散指數（SPEI）［10］，K指數［3］等等。其中，SPI是世界氣象組織（WorldMeteorologicalOrganization）推薦使用的干旱指數，計算簡單，對降水比較敏感，但未考慮其他可能會影響干旱的變量，如蒸發蒸騰、風速等;西班牙學者Vicente－Serrano［11－12］通過在SPI中引入蒸散發，提出了標準化降水蒸散指數（SPEI）；K指數由王勁松等［3，13－14］提出，并在西北地區干旱分析中得到了應用。目前，SPI、SPEI和K指數這3種干旱指數均得到了廣泛的應用。馬國飛等［15］采用SPI分析了寧夏山區干旱演變特征，結果表明寧夏山區年季干旱強度呈現降低趨勢，但干旱發生頻率和干旱面積增加；趙興凱等［16］通過計算SPI和SPEI分析陜北吳起縣1957—2014年的降水和氣溫，發現兩指數均能較準確反映吳起縣氣候特征；王勁松等［3］采用K指數對西北地區春旱進行分析，發現K指數對西北地區的干旱監測有較好的效果；王素艷等［2］分析了Pa、K、SPI、PDSI和CI這幾種干旱指數與寧夏實況干旱等級差異，發現K指數和CI綜合干旱指數評估效果較好，但需進一步改進以適宜寧夏應用。盡管目前已有很多關于干旱指數的研究，但很少有學者專門針對寧夏中部干旱帶進行干旱指數的適用性研究，本文擬采用在寧夏及西北地區應用較好的SPI、SPEI和K指數對寧夏中部干旱帶的干旱情況進行適用性分析，得出一種更適合寧夏中部干旱帶干旱監測的干旱指數。

1研究區域及數據

1．1研究區概況

寧夏位于我國大陸的西北腹地，居黃河中游上段，位于北緯35°14′—39°23′，東經104°17′—107°39′，與甘肅、內蒙古、陜西等省毗鄰。全區水資源總量11．633億m3，人均占有量190m3，是全國平均值的1／12。中部干旱帶主要是指年降水200～400mm之間的干旱區，主要包括紅寺堡、同心縣、鹽池縣和海原縣全部，以及中衛市、中寧縣、靈武市、青銅峽市吳忠市利通區的山區部分，總面積為3．51萬km2，總人口131．34萬人。中部干旱帶地處黃土高原和鄂爾多斯臺地東部，地勢南高北低，東高西低，地貌類型南部以黃土丘陵溝壑區為主，北部為丘陵臺地，海拔高程1300～2400m，自南向北由中溫帶半干旱區向干旱區過渡，有明顯的大陸性氣候特征。降水時空分布不均，多集中在7—9月，約占全年總降水量的60％～70％，并多以暴雨、冰雹等災害形式出現。干旱帶年平均氣溫6．3℃，最高氣溫出現在7月，極端最高溫度41．4℃，極端低溫天氣－29．6℃。年輻射熱平均594．5kJ／cm2，日照時數2750～3000h［17］。

1．2數據來源

研究區內鹽池、中寧、同心、海原4個國家基本氣象站1960—2015年的氣候資料月值數據來自中國氣象數據共享服務網（http：∥data．cma．cn／site／index．html），包括降水量（P）、平均溫度（T）、最低溫度（Tmin）、最高溫度（Tmax）、相對濕度（RH）、日照時數（n）和平均風速（u），以及站點的經緯度及海拔高度。對少量缺測數據采用平均值法以及相鄰站點插值法予以插值。

2方法

2．13種指數的計算

2．1．1SPISPI采用Γ分布概率來描述降水量的變化，將偏態概率分布的降水量進行正態標準化處理，最終用標準化降水累積頻率分布來劃分干旱等級［9］。

2．2干旱等級劃分標準參考國家標準《氣象干旱等級》［19］中提出的干旱分級指標。

2．3Mann－kendall檢驗法在時間序列趨勢分析中，Mann－Kendall檢驗［20］是WMO推薦并已廣泛使用的非參數檢驗方法。Mann－Kendall檢驗不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，適用于水文、氣象等非正態分布的數據，計算簡便。本文采用Mann－kendall檢驗法對降水和蒸發的時間序列進行趨勢分析和突變分析。

3結果與分析

3．1P和ET0的年際變化趨勢分析及突變檢驗

通過對4個站點P和ET0進行比較，發現中寧站P（205mm）最少，海原站P（376m）最多，后者較前者增加了約83％；海原站ET0（1071mm）最少，同心站ET0（1179mm）最多，后者較前者增加了約10％。可見，寧夏中部干旱帶4個站點的P差異較大，ET0相對穩定。通過對4個站點的P和ET0的M－K趨勢檢驗，發現除了鹽池的P有增加趨勢外，其他3個站點的P均呈減少趨勢；鹽池和海原的ET0有減少趨勢，同心和中寧的ET0均呈增加趨勢，且增加趨勢通過了95％的顯著檢驗。總的來說，寧夏中部干旱帶P減少，ET0增加，干旱呈加重的趨勢。用4個站點P和ET0的平均值代表寧夏中部干旱帶的P和ET0，可見寧夏中部干旱帶P和ET0的年際變化曲線及M－K突變檢驗結果見圖1—4，圖2和圖4中二水平虛線代表置信度為95％，UF（K）為順序時間序列統計曲線，UB（K）為逆序時間序列統計曲線。由圖1可知，寧夏中部干旱帶P多年平均值為285mm，波動范圍為149～543mm，最大、最小值分別出現在1964年（543mm）和1982年（149mm）；1960—2015年，P隨時間呈減少趨勢，傾向率為－5mm／10a，無明顯波動。由圖2可以看出，寧夏中部干旱帶P無顯著突變點。由圖3可知，寧夏中部干旱帶ET0多年平均值為1132mm，波動范圍為1002～1247mm，最大、最小值分別出現在1997年（1247mm）和1967年（1002mm）；1960—2015年，ET0隨時間呈增加趨勢，傾向率為5mm／10a，在2000年左右有較大起伏。由圖4可知，1960—1970年寧夏中部干旱帶ET0呈小幅減少模式，1971年之后開始增加，2000—2008年增幅達顯著水平（p＜0．05）。其中，ET0突變開始于1969年。

3．23種干旱指數的對比分析

每年的3—10月是寧夏農作物生長發育和產量形成的關鍵時期［17］，故這個時間段的干旱情況尤為重要。所以本文在時間尺度上劃分為春、夏、秋、冬及作物生長季（3—10月）對寧夏中部干旱帶的干旱情況進行評估。

3．2．13種干旱指數在不同時間尺度的相關性分析為了衡量3種干旱指數之間的相關性，計算3種干旱指數在寧夏中部干旱帶不同時間尺度的相關系數（表3）。可以看出，SPI和SPEI之間的相關系數除了冬季為0．2915以外，其他時間尺度的相關系數均在0．9～0．95；SPI和K指數之間的相關系數除了冬季為0．8483以外，其他時間尺度的相關系數均在0．95以上；SPEI和K指數之間的相關系數除了冬季為0．4024以外，其他時間尺度的相關系數均在0．95以上。由此可見，除冬季外，3種干旱指數在其他時間尺度上的相關系數均比較高。

3．2．23種干旱指數在不同時間尺度的干旱頻率及干旱程度比較為了比較SPI、SPEI和K指數對干旱發生評定的差異性，分別計算這3種干旱指數在寧夏中部干旱帶不同時間尺度的干旱頻率，見表4。由表4可以看出，夏、春及作物生長季，SPEI和K指數判別的干旱情況比較接近，SPI判別的干旱程度略輕，發生的干旱類型主要為輕旱和中旱；秋季和冬季，3種指數判別的干旱情況差異較大，其中K指數判別的干旱程度最高，其次是SPI、SPEI判別的干旱程度最輕。可見，K指數對干旱強度判別的敏感性最強。根據中國氣象災害大典．寧夏卷［21］記載，寧夏中部干旱帶春季大風揚沙天氣頻繁，每年都發生有不同程度的春旱，SPEI和K指數對春季干旱判別結果中輕旱及輕旱以上發生頻率超過80％，而SPI判別結果僅為30％，由此可以看出SPEI和K指數比SPI更適合寧夏中部干旱帶春季的干旱監測。為進一步了解SPI、SPEI和K干旱指數對寧夏中部干旱帶干旱等級的判別差異，本文分析了這3種干旱指數在不同時間尺度的干旱等級差異年數，得出以下結論：春、夏及作物生長季主要表現為SPEI和K指數判別干旱等級比SPI高一級；秋冬季節主要表現為SPI和K指數判別干旱等級比SPEI高；總的來說，K指數判別的干旱等級比SPI和SPEI高。

3．2．33種干旱指數在不同時間尺度的趨勢分析對寧夏中部干旱帶4個站點在不同時間尺度的SPI、SPEI和K指數序列進行M－K法趨勢分析，分析這3種指數的變化趨勢。干旱指數序列若有增加趨勢，則表明該區有逐漸變濕的趨勢；干旱指數序列若有減小趨勢，則表明該區有干旱化的趨勢。由表5可以看出，4個站點在不同時間尺度的SPI、SPEI和K指數序列的M－K法趨勢分析結果相似，均能反映寧夏中部干旱帶在不同時間尺度干旱的變化趨勢。春季，4個站點的SPI、SPEI和K指數均有減小趨勢，說明春旱有增加的趨勢，其中中寧站的SPEI，同心縣的SPEI和K指數有顯著的減小趨勢。夏季，鹽池、海源和同心站的SPI、SPEI和K指數均有不顯著的增加趨勢，說明這3個站點的夏旱有減少的趨勢；中寧站的SPI、SPEI和K指數均有不顯著的減小趨勢，說明中寧的夏旱有增加趨勢。秋季，4個站點的SPI、SPEI和K指數均有不顯著的減小趨勢，說明秋旱有增加趨勢。冬季，鹽池和中寧站的SPI和K指數有減小趨勢，而SPEI有增加趨勢；海原站SPI、SPEI和K指數均有增加趨勢；同心站SPI、SPEI和K指數均有減小趨勢。作物生長季，鹽池站的SPI、SPEI和K指數均有增加趨勢，另外3個站點的SPI、SPEI和K指數均有減小的趨勢，其中中寧站的SPEI值有顯著減小的趨勢。

3．2．43種干旱指數的適用性驗證現將SPI、SPEI和K指數對寧夏中部干旱帶干旱的監測情況與當地歷史災情資料［21－22］聯系起來，對3種干旱指數在寧夏中部干旱帶的適用性進行驗證。相關文獻記載，1982年，是歷史上少見的干旱嚴重年份，出現春、夏、秋連旱；1987年，全區各地P比常年平均值少1～5成，除6月偏多外，其余11個月均比常年少，出現冬、春、夏、秋連旱，是1949年以來第3個大旱年；2009年3月至7月末期，發生嚴重春、夏連旱。

4結論

（1）3種干旱指數在春、夏、秋及作物生長季對干旱發生及其等級的綜合評價沒有顯著差異，在冬季的相關系數偏低，其中SPI和SPEI、SPEI和K指數在冬季的相關系數尤其低。（2）春、夏及作物生長季，SPEI和K指數判別的干旱情況比較接近，SPI判別的干旱程度略輕，秋季和冬季，3種指數判別的干旱情況差異較大，其中K指數判別的干旱程度最高，其次是SPI、SPEI判別的干旱程度最輕；綜合來看，K指數對干旱強度判別的敏感性最強。（3）4個站點春、夏、秋、冬及作物生長季的SPI、SPEI和K指數序列的M－K法趨勢分析結果相似，均能表示出寧夏中部干旱帶干旱的變化趨勢。（4）K指數是P、ET0等氣象要素的綜合反映，相比于SPI、SPEI能夠有效反映寧夏中部干旱帶的干旱情況，其評估結果基本與歷史干旱事實相符。本文所得出的結論與王素艷等［2］用幾種干旱指數在寧夏的應用分析結果相一致，但是本文中并未研究K指數是否放大了寧夏中部干旱帶的干旱事實，其干旱等級劃分標準是否需要修正還需進一步的研究。

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作者：關靜1，梁川1，趙璐1，2，崔寧博1，2，王春懿1 單位：1．四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，2.南方丘區節水農業研究四川省重點實驗室