标准化降水指数在黑河地区的适用性研究

赵山山,王志国,孙 波

(黑河市气象局，黑龙江 黑河164300)

标准化降水指数在黑河地区的适用性研究

赵山山,王志国,孙 波

(黑河市气象局，黑龙江 黑河164300)

对黑河地区6个气象站1967-2015年的逐月降水数据资料计算标准化降水指数，分析了SPI指数的时间序列特征，探讨了SPI指数的适用性。结果表明：（1）SPI指数在不同时间尺度下，对降水量的敏感性各有不同，较长时间序列指数能够更好的表现阶段性的干旱与雨涝持续时间。（2）在适用性方面，SPI在评价过程中比pa指数更加敏感，评价等级相对较高，而SPI指数和土壤墒情指数结合使用对判断旱涝分布评价效果会更好。

标准化降水指数；SPI；适用性

1 引言

干旱指数，一直是干旱监测、预测和研究中的重要工具。黑河市气象部门目前主要采用降水距平百分率和土壤田间持水量来表征各地区的旱涝变化情况。在土壤田间持水量测定过程中人为操作误差及采样随机性都会对结果产生影响，因此，干旱监测容易受到人力和物力等多种因素制约，难以大范围的进行旱情评估。而基于降水资料的SPI指数计算简单，稳定性好，具有多时间尺度和时空适用性等优势[1]，且不涉及具体的干旱机理，在国内外的干旱监测中广受应用。

2 研究资料与方法

2.1 研究资料

表1 旱涝等级划分标准

通过对黑河地区6个气象站1967-2015年降水资料的整理，建立逐月降水量时间序列。根据（GB/T20481-2006）国家气象干旱等级划分标准进行评价（见表 1）。

2.2 研究方法

2.2.1 标准化降水指数

采用《气象干旱等级》（GB/T20481-2006）中 SPI的计算方法，计算降水量距平（Pa）和不同时间尺度下（1、3、6、12 个月）的 SPI值，分别记为 SPI1、SPI3、SPI6、SPI12。将SPI1作为主要研究对象。

2.2.2 土壤墒情干旱指数

由于墒情评价对不同作物不同生长阶段的评价标准不同，本文采用 《水利技术标准编写规定》（SL1—2002）标准中，小麦作物20 cm土壤深度为统一标准。

土壤田间持水量按下式计算:

式中：θm—土壤田间持水量%；

m1—烘干土质量g

m2—湿样土质量g

3 结果与分析

3.1 SPI指数变化特征

不同时间尺度下的SPI指数能反映不同程度的干旱过程和持续时间[1]，在评价时，影响程度和时间都是水分变化的影响因子。本研究采用研究区内6个站点SPI值的平均值来代表研究区域。

SPI1计算时，由于原理上不考虑前期降水的影响，数值在0线上下波动性很强，随机性明显，时间持续性很弱。连续时间较长的干旱（为方便比较，取连续3月为轻旱以上程度的时间段，以下同）发生在1973年8-10月、1976年的8-11月、1992年3-5月、2001年的9-11月、2005年的7-10月、2011年的2-4月及8-10月。连续较长时间的雨涝发生在1972年9-11月、1982年8-10月、1987年11-1988年1月、1994年 9-11月、1998年 4-6月、2003年 7-9月、2004年 1-3月、2009年 1-3月、2012年 9月-2013年3月、2014年9-12月、2015年8-10月。结果表明，SPI1序列中干旱主要发生在夏秋季，而雨涝在四季均有可能出现，但主要出现在秋季和冬季。其中，25个重旱以上 （SPI≤-1.5）的月份，多发生在秋季（28%）和冬季 （36%），春季和夏季分别占16%和20%，19个重涝以上（SPI＞1.5）的月份有 7个月多发生在春季（36.8%），其次是冬季（31.6%），夏季和秋季出现的概率持平（15.8%）。

对不同时间尺度的SPI指数研究表明，例如对1998年雨涝的起始和结束时间的判断，SPI1始于4月，结束于6月；SPI3始于5月，结束于8月；SPI6始于5月，结束于11月；SPI12始于6月，结束于次年4月。王莺、李耀辉等研究表明在不同时间尺度下SPI值对降水量的敏感性各有不同，时间尺度越小，一次降水过程的影响就越显著，会导致SPI值产生较大变化，甚至会产生正负波动；随着时间尺度增加，一次降水过程的影响变小，只有在持续多次降水的情况下才能使SPI值发生波动，因此较长时间尺度的SPI可以用于长期水分状况的监测，具有一定的稳定性，而旱期或涝期的起始和结束时间相应延后也充分反映了前期降水变化的累积影响[1]。因此，时间越长的尺度对水分监测的判定越清晰合理，而短期尺度的敏感性可以用于对短期水分状况的评估监测中。

3.2 适用性分析

2013年黑河地区遭遇了洪涝灾害，2015年夏季有阶段性旱情，造成一定面积的农作物减产甚至绝收。本研究利用SPI指数法、降水距平法、土壤墒情干旱评价法，对2013年和2015年5-9月的气象干旱等级进行对比评定。结果表明三种方法的评定结论不完全一致（表2-3中空白表示正常评定结果）。为方便与另外两个指数对比评价，只对SPI1进行讨论。

表2 三种干旱指数对2013年夏季洪涝期间旱涝评定

表3 三种干旱指数对2015年夏季干旱期间旱涝评定

如表2所见，从2013年5-9月6个县站共30个月中，发生涝情的有25个月，其中SPI与Pa评价的等级结果一致的有14次，一致率56%，评估不一致的11次结果中有10次都是SPI比Pa重一个量级，土壤墒情指数划分的等级与这两者中任意一个一致的只有6次，不一致的有24次，且评价的轻重程度不一。另外，在汛情严重的8月份，6个地区中有5个地区的 SPI与Pa评价结果一致，而土壤墒情指数则显示评价结果偏高一个等级以上。

三种方法对2015年旱情的判定 （表3）结果表明，旱情主要发生在6月和7月，12个月中SPI指数与Pa指标的评定结果一致的有8个月，4次不一致的结果中SPI都比Pa评价结果高一个等级。而土壤墒情指数的评价结果高低并存。

根据民政部门的不完全统计，2013年7月和8月受洪涝影响，爱辉和北安地区农作物减产3成左右，而其他地区受灾面积在114847公顷以上，成灾面积在80000公顷左右，绝收面积可达48000公顷。2015年6-7月仅孙吴和逊克受干旱影响的成灾面积就达5000公顷。从2015年干旱评价结果中可见干旱的影响程度逊于2013年洪涝灾害，重度灾害较少。

通过上述对比发现，SPI在评价过程中比Pa指数更加敏感，评价等级相对较高。此外，在SPI指数的计算机理方面，是对降水量的标准化处理后转化为正态函数，较长时间尺度的指数对降水量正态函数的轴线附近不会有太明显摆动，因此，在短期内降水过少或过多时，前期降水的累积效应对后期评价有一定影响，能更连续性的反映土壤干湿状态。而Pa，当本月降水为0或微量时，把评价结果判为特旱或重旱，这就与SPI指数产生了明显差异。另外，关于土壤墒情指数，对于不同的作物在不同时期的发育进程影响不同，不能用单一的指标进行判断，尤其在作物灌浆期或成熟收获期，对水分的需求也截然不同，短时期内差异可能比较大。如果用单一的SPI指数或Pa指数进行评价，对不同作物的评价结果是差距更明显的，而SPI指数可以对旱涝进行评估，再对作物利用土壤墒情指数进行评价，两者结合使用之后对农区的实用效果会更好。

4 结论与讨论

利用黑河地区1967-2015年的逐月降水资料对不同时间尺度的SPI指数进行了研究，并对其适用性进行了探讨，得出以下主要结论：

（1）不同时间尺度的SPI指数，对降水量的敏感性各有不同。随着时间尺度增加，一次降水过程对SPI的影响变小，只有在持续多次降水的情况下才能使SPI值发生波动，因此较长时间尺度的SPI可以用于长期水分状况的监测[1],判断旱涝趋势变化的方向,实用性强。

（2）在适用性方面，SPI在评价过程中比Pa指数更加敏感，除去一致的结果后，不一致的结果表现出的评价等级相对较高，可以对旱涝实况更好的体现。土壤墒情指数，对于不同的作物在不同时期的发育进程影响不同，不能用单一的指标进行判断，而SPI指数和土壤墒情指数结合使用可能效果会更好。

（3）后期应加强对旱涝特征的空间差异或旱涝变率进行探讨，摸索其发展趋势，对于当地干旱监测预警、干旱指数改进和对防灾减灾工作具有重要的意义。

[1]王莺,李耀辉,胡田田.基于SPI指数的甘肃省河东地区干旱时空特征分析[J].中国沙漠,2014,34(1):244-253.

1002－252X(2017)03－0019－02

2017－6－1

赵山山（1986-），女，黑龙江省黑河市人，东北林业大学，硕士生，助理工程师.