干旱指数在中部干旱带的适用性范文

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《宁夏画报》2017年第6期

摘要：利用宁夏中部干旱带盐池、中宁、同心、海原4个站点1960—2015年共56年的气候资料月值数据，计算了各个站点春、夏、秋、冬及作物生长季的标准化降水指数（SPI）、标准化降水蒸散指数（SPEI）和K干旱指数，并比较了3种干旱指数的评估结果。结果表明：（1）除冬季外，3种干旱指数在其他时间尺度上相关性均较好，SPI和SPEI，SPEI和K指数在冬季的相关性较差。（2）春、夏及作物生长季，SPEI和K指数判别的干旱情况较接近，SPI判别的干旱程度略轻；秋冬两季，K指数判别的干旱程度最高，SPEI判别的干旱程度最轻。（3）4个站点春、夏、秋、冬及作物生长季的SPI、SPEI和K指数序列M－K法趋势分析结果相似，均能表示出宁夏中部干旱带干旱的变化趋势。（4）结合历史旱情资料，发现K指数相比于SPI、SPEI更能有效反映宁夏中部干旱带的干旱情况，其评估结果基本与历史干旱事实相符。

关键词：干旱指数；宁夏中部干旱带；适用性；SPI指数；SPEI指数；K指数

宁夏地处西北地区东部，属干旱、半干旱地区，是气候变化的敏感区，也是生态环境极其脆弱的地区［1］。一直以来，干旱都是困扰宁夏中部干旱带农业生产及经济发展的重要因素［2］。干旱指数是研究干旱气候的基础，也是衡量干旱程度的关键环节［3］。选用合理有效的干旱指数将能更加准确地反映干旱过程。目前，干旱研究中，选取的干旱指数通常有降水量距平百分率指数（Pa）［4］，z指数［5］，干燥度指数（AI）［6］，相对湿润度指数（M）［7］，帕尔默干旱指数（PDSI）［8］，标准化降水指数（SPI）［9］，标准化降水蒸散指数（SPEI）［10］，K指数［3］等等。其中，SPI是世界气象组织（WorldMeteorologicalOrganization）推荐使用的干旱指数，计算简单，对降水比较敏感，但未考虑其他可能会影响干旱的变量，如蒸发蒸腾、风速等;西班牙学者Vicente－Serrano［11－12］通过在SPI中引入蒸散发，提出了标准化降水蒸散指数（SPEI）；K指数由王劲松等［3，13－14］提出，并在西北地区干旱分析中得到了应用。目前，SPI、SPEI和K指数这3种干旱指数均得到了广泛的应用。马国飞等［15］采用SPI分析了宁夏山区干旱演变特征，结果表明宁夏山区年季干旱强度呈现降低趋势，但干旱发生频率和干旱面积增加；赵兴凯等［16］通过计算SPI和SPEI分析陕北吴起县1957—2014年的降水和气温，发现两指数均能较准确反映吴起县气候特征；王劲松等［3］采用K指数对西北地区春旱进行分析，发现K指数对西北地区的干旱监测有较好的效果；王素艳等［2］分析了Pa、K、SPI、PDSI和CI这几种干旱指数与宁夏实况干旱等级差异，发现K指数和CI综合干旱指数评估效果较好，但需进一步改进以适宜宁夏应用。尽管目前已有很多关于干旱指数的研究，但很少有学者专门针对宁夏中部干旱带进行干旱指数的适用性研究，本文拟采用在宁夏及西北地区应用较好的SPI、SPEI和K指数对宁夏中部干旱带的干旱情况进行适用性分析，得出一种更适合宁夏中部干旱带干旱监测的干旱指数。

1研究区域及数据

1．1研究区概况

宁夏位于我国大陆的西北腹地，居黄河中游上段，位于北纬35°14′—39°23′，东经104°17′—107°39′，与甘肃、内蒙古、陕西等省毗邻。全区水资源总量11．633亿m3，人均占有量190m3，是全国平均值的1／12。中部干旱带主要是指年降水200～400mm之间的干旱区，主要包括红寺堡、同心县、盐池县和海原县全部，以及中卫市、中宁县、灵武市、青铜峡市吴忠市利通区的山区部分，总面积为3．51万km2，总人口131．34万人。中部干旱带地处黄土高原和鄂尔多斯台地东部，地势南高北低，东高西低，地貌类型南部以黄土丘陵沟壑区为主，北部为丘陵台地，海拔高程1300～2400m，自南向北由中温带半干旱区向干旱区过渡，有明显的大陆性气候特征。降水时空分布不均，多集中在7—9月，约占全年总降水量的60％～70％，并多以暴雨、冰雹等灾害形式出现。干旱带年平均气温6．3℃，最高气温出现在7月，极端最高温度41．4℃，极端低温天气－29．6℃。年辐射热平均594．5kJ／cm2，日照时数2750～3000h［17］。

1．2数据来源

研究区内盐池、中宁、同心、海原4个国家基本气象站1960—2015年的气候资料月值数据来自中国气象数据共享服务网（http：∥data．cma．cn／site／index．html），包括降水量（P）、平均温度（T）、最低温度（Tmin）、最高温度（Tmax）、相对湿度（RH）、日照时数（n）和平均风速（u），以及站点的经纬度及海拔高度。对少量缺测数据采用平均值法以及相邻站点插值法予以插值。

2方法

2．13种指数的计算

2．1．1SPISPI采用Γ分布概率来描述降水量的变化，将偏态概率分布的降水量进行正态标准化处理，最终用标准化降水累积频率分布来划分干旱等级［9］。

2．2干旱等级划分标准参考国家标准《气象干旱等级》［19］中提出的干旱分级指标。

2．3Mann－kendall检验法在时间序列趋势分析中，Mann－Kendall检验［20］是WMO推荐并已广泛使用的非参数检验方法。Mann－Kendall检验不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用于水文、气象等非正态分布的数据，计算简便。本文采用Mann－kendall检验法对降水和蒸发的时间序列进行趋势分析和突变分析。

3结果与分析

3．1P和ET0的年际变化趋势分析及突变检验

通过对4个站点P和ET0进行比较，发现中宁站P（205mm）最少，海原站P（376m）最多，后者较前者增加了约83％；海原站ET0（1071mm）最少，同心站ET0（1179mm）最多，后者较前者增加了约10％。可见，宁夏中部干旱带4个站点的P差异较大，ET0相对稳定。通过对4个站点的P和ET0的M－K趋势检验，发现除了盐池的P有增加趋势外，其他3个站点的P均呈减少趋势；盐池和海原的ET0有减少趋势，同心和中宁的ET0均呈增加趋势，且增加趋势通过了95％的显著检验。总的来说，宁夏中部干旱带P减少，ET0增加，干旱呈加重的趋势。用4个站点P和ET0的平均值代表宁夏中部干旱带的P和ET0，可见宁夏中部干旱带P和ET0的年际变化曲线及M－K突变检验结果见图1—4，图2和图4中二水平虚线代表置信度为95％，UF（K）为顺序时间序列统计曲线，UB（K）为逆序时间序列统计曲线。由图1可知，宁夏中部干旱带P多年平均值为285mm，波动范围为149～543mm，最大、最小值分别出现在1964年（543mm）和1982年（149mm）；1960—2015年，P随时间呈减少趋势，倾向率为－5mm／10a，无明显波动。由图2可以看出，宁夏中部干旱带P无显著突变点。由图3可知，宁夏中部干旱带ET0多年平均值为1132mm，波动范围为1002～1247mm，最大、最小值分别出现在1997年（1247mm）和1967年（1002mm）；1960—2015年，ET0随时间呈增加趋势，倾向率为5mm／10a，在2000年左右有较大起伏。由图4可知，1960—1970年宁夏中部干旱带ET0呈小幅减少模式，1971年之后开始增加，2000—2008年增幅达显著水平（p＜0．05）。其中，ET0突变开始于1969年。

3．23种干旱指数的对比分析

每年的3—10月是宁夏农作物生长发育和产量形成的关键时期［17］，故这个时间段的干旱情况尤为重要。所以本文在时间尺度上划分为春、夏、秋、冬及作物生长季（3—10月）对宁夏中部干旱带的干旱情况进行评估。

3．2．13种干旱指数在不同时间尺度的相关性分析为了衡量3种干旱指数之间的相关性，计算3种干旱指数在宁夏中部干旱带不同时间尺度的相关系数（表3）。可以看出，SPI和SPEI之间的相关系数除了冬季为0．2915以外，其他时间尺度的相关系数均在0．9～0．95；SPI和K指数之间的相关系数除了冬季为0．8483以外，其他时间尺度的相关系数均在0．95以上；SPEI和K指数之间的相关系数除了冬季为0．4024以外，其他时间尺度的相关系数均在0．95以上。由此可见，除冬季外，3种干旱指数在其他时间尺度上的相关系数均比较高。

3．2．23种干旱指数在不同时间尺度的干旱频率及干旱程度比较为了比较SPI、SPEI和K指数对干旱发生评定的差异性，分别计算这3种干旱指数在宁夏中部干旱带不同时间尺度的干旱频率，见表4。由表4可以看出，夏、春及作物生长季，SPEI和K指数判别的干旱情况比较接近，SPI判别的干旱程度略轻，发生的干旱类型主要为轻旱和中旱；秋季和冬季，3种指数判别的干旱情况差异较大，其中K指数判别的干旱程度最高，其次是SPI、SPEI判别的干旱程度最轻。可见，K指数对干旱强度判别的敏感性最强。根据中国气象灾害大典．宁夏卷［21］记载，宁夏中部干旱带春季大风扬沙天气频繁，每年都发生有不同程度的春旱，SPEI和K指数对春季干旱判别结果中轻旱及轻旱以上发生频率超过80％，而SPI判别结果仅为30％，由此可以看出SPEI和K指数比SPI更适合宁夏中部干旱带春季的干旱监测。为进一步了解SPI、SPEI和K干旱指数对宁夏中部干旱带干旱等级的判别差异，本文分析了这3种干旱指数在不同时间尺度的干旱等级差异年数，得出以下结论：春、夏及作物生长季主要表现为SPEI和K指数判别干旱等级比SPI高一级；秋冬季节主要表现为SPI和K指数判别干旱等级比SPEI高；总的来说，K指数判别的干旱等级比SPI和SPEI高。

3．2．33种干旱指数在不同时间尺度的趋势分析对宁夏中部干旱带4个站点在不同时间尺度的SPI、SPEI和K指数序列进行M－K法趋势分析，分析这3种指数的变化趋势。干旱指数序列若有增加趋势，则表明该区有逐渐变湿的趋势；干旱指数序列若有减小趋势，则表明该区有干旱化的趋势。由表5可以看出，4个站点在不同时间尺度的SPI、SPEI和K指数序列的M－K法趋势分析结果相似，均能反映宁夏中部干旱带在不同时间尺度干旱的变化趋势。春季，4个站点的SPI、SPEI和K指数均有减小趋势，说明春旱有增加的趋势，其中中宁站的SPEI，同心县的SPEI和K指数有显著的减小趋势。夏季，盐池、海源和同心站的SPI、SPEI和K指数均有不显著的增加趋势，说明这3个站点的夏旱有减少的趋势；中宁站的SPI、SPEI和K指数均有不显著的减小趋势，说明中宁的夏旱有增加趋势。秋季，4个站点的SPI、SPEI和K指数均有不显著的减小趋势，说明秋旱有增加趋势。冬季，盐池和中宁站的SPI和K指数有减小趋势，而SPEI有增加趋势；海原站SPI、SPEI和K指数均有增加趋势；同心站SPI、SPEI和K指数均有减小趋势。作物生长季，盐池站的SPI、SPEI和K指数均有增加趋势，另外3个站点的SPI、SPEI和K指数均有减小的趋势，其中中宁站的SPEI值有显著减小的趋势。

3．2．43种干旱指数的适用性验证现将SPI、SPEI和K指数对宁夏中部干旱带干旱的监测情况与当地历史灾情资料［21－22］联系起来，对3种干旱指数在宁夏中部干旱带的适用性进行验证。相关文献记载，1982年，是历史上少见的干旱严重年份，出现春、夏、秋连旱；1987年，全区各地P比常年平均值少1～5成，除6月偏多外，其余11个月均比常年少，出现冬、春、夏、秋连旱，是1949年以来第3个大旱年；2009年3月至7月末期，发生严重春、夏连旱。

4结论

（1）3种干旱指数在春、夏、秋及作物生长季对干旱发生及其等级的综合评价没有显著差异，在冬季的相关系数偏低，其中SPI和SPEI、SPEI和K指数在冬季的相关系数尤其低。（2）春、夏及作物生长季，SPEI和K指数判别的干旱情况比较接近，SPI判别的干旱程度略轻，秋季和冬季，3种指数判别的干旱情况差异较大，其中K指数判别的干旱程度最高，其次是SPI、SPEI判别的干旱程度最轻；综合来看，K指数对干旱强度判别的敏感性最强。（3）4个站点春、夏、秋、冬及作物生长季的SPI、SPEI和K指数序列的M－K法趋势分析结果相似，均能表示出宁夏中部干旱带干旱的变化趋势。（4）K指数是P、ET0等气象要素的综合反映，相比于SPI、SPEI能够有效反映宁夏中部干旱带的干旱情况，其评估结果基本与历史干旱事实相符。本文所得出的结论与王素艳等［2］用几种干旱指数在宁夏的应用分析结果相一致，但是本文中并未研究K指数是否放大了宁夏中部干旱带的干旱事实，其干旱等级划分标准是否需要修正还需进一步的研究。

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作者：关静1，梁川1，赵璐1，2，崔宁博1，2，王春懿1 单位：1．四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，2.南方丘区节水农业研究四川省重点实验室