基于SPEI的安徽省干旱时空变化特征分析_郑香悦.pdf

第 卷第期黑龙江工程学院学报 年月 ：基于 的安徽省干旱时空变化特征分析郑香悦，周亮广，黄骁力（滁州学院 地理信息与旅游学院，安徽 滁州 ）摘要：安徽省降水时空分布不均，可利用水资源量较少，干旱灾害频发，为此，对安徽省近 年的干旱时空变化特征进行分析，降低干旱灾害对区域的影响。选用研究区内 年的降水与气温数据，利用标准化降水蒸散发指数（）结合干旱站次比、干旱频率等方法对全省 年干旱时空变化进行分析。研究发现：时间上，年干旱整体呈小幅度下降趋势，春季、夏季与秋季季节性干旱无明显趋势性变化，冬季减弱趋势显著；空间上，安徽省境内的干旱发生以轻旱与中旱为主，淮河以北地区轻旱与特旱发生频率较高，淮河以南地区中旱与重旱发生频率较高，滁州市地区年际干旱减弱趋势显著，区域内季节性干旱趋势显著。指数在安徽省干旱分析研究中具有较好的适应性。关键词：标准化降水蒸散发指数；干旱趋势；时空特征；多尺度；安徽省中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，（），：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（）；安徽省高校优秀青年人才支持计划项目（）；安徽省大学生创新创业计划项目（）第一作者简介：郑香悦（），女，本科生，研究方向：地理科学通信作者简介：周亮广（），男，副教授，研究方向：水文水资源干旱在全球范围内广泛发生，常造成严重的损失，对区域的农业生产、生态环境、经济发展等多方面都产生重要的影响。近年来，受到全球气候变暖的影响，气候和环境也随之发生诸多变化，干旱灾害频发，但由于其时空的多变性、物理过程复杂，以及非结构性等特性，对干旱的识别和表征研究面临着严峻的挑战，正确认识干旱的时空演变特征，对于干旱灾害的评估和防灾减灾等都有着重要的意义。近年来，围绕干旱灾害，诸多专家学者利用不同指标对其进行了大量的研究，多利用干旱指数结合数学统计方法研究干旱发生规律与成因。大致可分为：通过计算干旱带来的多种损失率，综合分析干旱灾害的规律与成因；利用降水距平百分率（）、综合气象干旱指数（）等干旱指数研究区域干旱的变化 规 律 与 成 因；受 区 域、时间、极端事件等多种因素影响，不同干旱指数具有不同的适用性，为了进一步验证并推动干旱研究进展，专家学者通过对比研究不同干旱指数在同一区域的干旱结果分析得出相对适用该地区的干旱指数。郁凌华等 利用 指数分析滁州市地区的旱涝特征，从而进一步研究其对小麦产量的影响；曹博等 选用 指数对长江中下游流域干旱变化进行研究，分析发现流域内不同尺度下干旱的显著性特征，表明 指数在该区域的适用性。等在 指数的基础上，结合蒸发对干旱的影响，提出了标准化降水蒸散发指数（，）。基于降水和蒸散发进行指数计算得到的结果，不仅克服了 与 指数未考虑气温对干旱影响的不足，以及 指数计算繁杂的缺点，而且保留了 指数计算简便、可多尺度描述干湿变 化 的 优 点 与 指 数 对 于 气 温 敏 感 的 优势 。文中结合区域独特的地理位置与敏感多变的气候，研究采用标准化降水蒸散发指数（）分析安徽省近 年的干旱演变特征。安徽省是农业大省，对安徽省干旱特征演变规律的分析可为降低区域受灾风险、合理规避干旱灾害对农业带来的影响提供参考。数据与方法 研究区概况安徽省位于北半球的暖温带和北亚热带的过渡地带，横跨长江与淮河两大水系，但由于降水时空分布不均，干旱、风暴、暴雨洪涝、霜冻等气象灾害频发。可利用水资源量少，水土资源配置不均导致旱涝灾害时常发生，干旱灾害较为显著。数据来源通过中国气象数据网（：）获得研究所需的安徽省境内 年完整的 个气象站点的逐日降水与气温数据，将数据预处理后得到月降水量与月平均气温数据。剔除时间序列不完整与缺测的站点资料，最终选取序列完整、资料齐全的 个气象站点资料作为研究数据，研究区气象站点分布如图所示。图安徽省气象站点分布 研究方法 标准化降水蒸散发指数（）指数综合考虑降水与蒸散发量对干旱的影响，能够较好地检测区域不同时间尺度下的干湿变化，且具有计算简便的优点，被广泛用于干湿变化分析研究。潜在蒸散发计算后的计算方法与 类似。目前，指数中潜在蒸散量的计算方法常用的有 法与 法 等，相 较 于 法，法 的计算更为简便，且基于 指数下的 法与 法在长江中下游地区进行干湿变化特征研究得出的结果显示二者 无 明 显 差 异，因 此，文 中 选 用 法进行潜在蒸散发量的计算。具体的计算步骤如表所示。干旱等级参考国家气象局制定的干旱等级划分标准进行划分，划分后得到 指数的干旱等级标准如表所示。干旱站次比研究区内发生干旱的站点数与所有站点数之比，多用来表征研究区内干旱影响的范围大小。第期郑香悦，等：基于 的安徽省干旱时空变化特征分析表 指数计算方法指标公式指数与参数含义潜在蒸散发量 （）表示逐月水分蒸发程度，式中：为尺度转换修正系数；为月平均气温，；为年热量指数；为常数水分盈亏量 表示逐月有效降 水量，式中：为月降水量，；为潜 在蒸散发量水分盈亏累积量 （）表示在不同尺度下的有效降水的累积量，式中：为时间尺度，月；为计算的次数，分布概率（）（）（）（）表示有效降水的概率分布状况，式中：为自变量；，和分别为利用线性矩阵法拟合得到的尺度、形状和位置参数累积分布概率（）（）（）利用线性矩阵法（）估计个参数得到有效降水的累积概率分布 指数 将（）进行标准正态化处理后计算得到 指数，式中：为某确定值被超越的概率，当 时，（）；当 时，替换为，即 为 得 到 的 的 相 反 数，常 数 ，（）式中：为气象站点数；为发生干旱的站数；下标为年份。表 指数干旱等级划分等级类型 无旱 轻旱 中旱 重旱 特旱 干旱频率研究区域内某站发生干旱的年数与研究选定的总年数之比，可用来表示该站点在某时段内发生干旱的频繁程度。.（）式中：下标为不同站点号；为研究选定的总年数；为该站点发生干旱的年数。趋势检验 检验方法对实验数据要求较少，受到异常值影响小，计算相对简便，能够以较为简便且高效的方式对研究的变化趋势进行突变检验和分析。水文、气候诊断与预测以及干旱频次趋势检测等方面常应用该方法。趋势分析对测量误差或离散数据具有较好的规避能力，故而文中选用 趋势分析法与 检验法相结合对 值的变化趋势进行分析。安徽省干旱时空变化特征分析 安徽省干旱时间变化特征分析 安徽省 年际变化特征选用 个站点 月为尺度计算安徽省 指数，描述安徽省 年的干湿变化趋势（见图）。由图可知，安徽省 年 呈现以平均每 年 的上升趋势，表明安徽省整体呈现干旱程度变弱趋势。其中，年 最小，为 ，达到特旱级别，据统计年鉴记载，安徽省 年由于“空梅”导致全省干旱灾害十分严重；年 最大，为 ，未发生干旱。的 变 化 趋 势 与 历 史 记 载 吻 合。采 用 趋势分析方法对安徽省年 进行显著性检验与突变分析，年际 变化趋势的突变检验曲线如图所示。由图可知，变化程度达到置信区间 的显著水平，与 统计量曲线分 别 于 年、年、年期间内多次相交，存在明显突变。为进 一 步 检 验 干 旱 的 变 化 趋 势，对 年安徽省干旱站次比进行分析，安徽省年干旱站次比趋势线呈下降趋势，表明安 徽 省 的 干 旱 减 弱 趋 势 不 显 著。年、年、年、年、年干旱站次比最低为，所有站点均未发生干旱；年站次比最高，达到 ，该年所有站点都发生干旱，与历史记载的 年发生全省特大干旱灾害相一致。因此，通黑龙江工程学院学报第 卷过该方法进一步验证分析了安徽省干旱的时间变化趋势，具体如图所示。图安徽省年 变化趋势图安徽省年突变检验曲线图安徽省年干旱站次比 安徽省 季节变化特征为了更好地了解安徽省各个季节的干旱变化特征，故而以个月为尺度计算安徽省各个季节的 值。按照气象部门四季划分法，将四季划分为月为春季，月为夏季，月为秋季，次年月为冬季。安徽省四季的 变化趋势如图（）（）所示，图（）（）分别为对应季节 的 突变检验曲线。由图（）分析可知，安徽省春季 以每 年 的变幅递减，年春季 介于 之间震荡波动，表明整体下降趋势不显著。分析图（）得知，春季 变化存在突变，突变年份为 年、年、年、年，但变化程度未达到 置信度水平，故春季 下降趋势不显著。由图（）可得，安徽省夏季 在 之 间 以 每 年 的 变 幅 递 增，故而增幅不显著，世纪 年代以后 呈波动上升趋势，相对较为平稳，明显干旱状况较少。分析图（）可知，夏季 变化存在突变，发生突变年份为 年、年、年、年、年，自 年以后 统计量均大于，但由于变化未达到 置信度水平，因此，年以后的上升趋势不显著。由图（）可知，安徽省秋季 以每 年 的降幅变化，下降趋势不显著，因此，安徽省秋季干旱趋势不显著，其中，年发生轻度干旱，年、年中度干旱，年特旱。由图（）分析得知，秋季 变化没有达到 置信度水平，存在突变，发生突变年份为 年、年、年、年、年。由图（）可得，拟合度较好，故而安徽省冬季 以每 年 的变幅显著增加，其中，重度干旱与中度干旱次数较多，在 来回波动，变化起伏较大，但整体呈现上升趋势。由图（）分析可知，冬季 变化通过 置信度的显著性检验，呈显著上升趋势，并在 年发生明显突变。综合分析，安徽省春季、夏季和秋季 总体变化趋势不显著，干旱没有呈现显著的趋势性变化；突变检验分析发现春季、夏季和秋季存在多处突变，但未通过显著性检验；冬季存在明显突变且通过 显著性检验，上升趋势显著，整体干旱程度呈现减弱趋势。安徽省干旱空间分布特征分析 安徽省 空间变化特征将计算得到的 用 趋势分析法进行分析得到 的变化趋势，再将得到的 趋势值使用 软件处理分析得到安徽省不同尺度下的 空间变化趋势，所有显著趋势均通过 置信度检验，如图所示。图是 年安徽省年尺度和季节尺度 变化趋势分布。图（）中，年安徽省各个站点年际 呈不显著上升趋势的比例为、不显著下降占 、显著上升占。第期郑香悦，等：基于 的安徽省干旱时空变化特征分析图安徽省季节尺度 变化趋势空间上以江淮分水岭为界，以南地区 年际值呈上升趋势不显著，以北地区部分站点存在下降趋势不显著，除滁州市地区 上升趋势显著，整体上升趋势不显著。图（）为安徽省春季 空间分布状况，由图分析可知，安徽省春季显著下降地区有六安市、合肥市、芜湖市、宣城市、马鞍山市，占比，江淮分水岭以北地区呈现变化趋势不显著，整体呈现出安徽省春季 下降趋势不显著。图（）为安徽省夏季 空间分布特征，由图分析可知，安徽省夏季 变化趋势中不显著下降占、不显著上升占比最高为、显著上黑龙江工程学院学报第 卷图安徽省不同尺度 空间变化趋势升 种趋势，其中，合肥市地区通过 显著性检验证明呈显著上升趋势。安徽省夏季 整体呈现变化趋势不显著。图（）为安徽省秋季 空间分布特征，由图分析可知，安徽省秋季 分为显著下降、不显著下降、不显著上升种趋势，各自占比、，池州市与宣城市地区呈现显著下降趋势，整体下降趋势不显著。图（）为安徽省冬季 空间分布特征，所有站点通过 置信度检验，由图分析可知，安徽省冬季 呈现显著上升趋势。综上所述，年尺度下，滁州市地区干旱显著减弱；季节尺度下，春季在宣城市、芜湖市、马鞍山市、合肥市、六安市地区干旱显著增强，夏季在合肥市地区干旱显著减弱，秋季在池州市和宣城市地区干旱显著增强，冬季安徽省所有站点地区干旱显著减弱。安徽省年干旱频率空间分布特征计算安徽省 个站点轻旱、中旱、重旱、特旱个等级的干旱发生频率，区域平均取站点算术平均值，将得到的干旱发生频率链接到 软件中进行分类空间插值分析，得到安徽省不同程度下的干旱发生频率空间分布状况如图所示。由图可 知，安 徽 省 轻 旱 发 生 频 率 最 高，达 ；中旱频率次之，为；重旱频率为 ；特旱频率最低，为 。分析不同程度下干旱频率空间分布状况得知，轻旱发生主要集中在淮河以北地区，最严重地区为滁州市北部地区，发生频率在 之间；中旱发生频率分布呈现南高北低趋势，最高达，主要集中在黄山市、池州市、安庆市、六安市、滁州市地区；重旱主要发生在安徽省中部地区、南部黄山市、宣城市地区与北部蚌埠市、阜阳市、亳州市、宿州市地区，在皖中与皖南地区重旱发生成面状分布，皖北地区重旱发生呈点状分布；特旱主