基于SPI指数近57年肇庆市干旱特征分析

袁业溶，周义昌

（1.肇庆市高要区气象局，广东肇庆 526000；2.肇庆市突发事件预警信息发布中心，广东肇庆 526000）

干旱是全球最常见的气象灾害之一，在全球气候变暖的背景下，极端旱涝灾害事件发生频繁［1-2］。

近年来国内外学者根据不同干旱指标对干旱现象做了大量的研究工作，致力于从不同角度了解其成因及发生发展规律［3-4］。目前应用较为广泛的指标主要有Z指数、相对湿润度指数（M）和标准化降水指数（SPI）等［5］。广东省内较多使用逐日气象干旱指数（DI）和标准化降水指数（SPI）进行干旱特征分析，如王春林等［6］、郭晶等［7］使用DI指数分析了广东省的干旱特征，结果均表明广东省整体属于较湿润的状态且年平均干旱指数变化趋势不明显；江涛等［8］基于SPI指数分析认为广东省整体较为湿润，但局部干旱常有发生且干旱在空间分布上存在较大差异。由于不同区域对气候变化的响应具有差异性，郑彬等［9］认为在对广东省不同区域的气候变化进行分析时更应进行局地考虑。而标准化降水指数（SPI）消除了降水在时空分布上的差异，对不同水资源可用量具有多时间尺度的优势，计算简单，目前被广泛运用到区域性干旱的时空分析中［10］。

肇庆市位于西江流域下游。近年来西江流域干旱频发，影响范围广［10］，制约着肇庆的经济社会发展，目前对肇庆市干旱监测方面的研究较少，本研究通过运用SPI指数研究肇庆市干旱的时空变化特征，对当地农业发展规划、科学蓄水等具有重要的实用价值，为抗旱救灾提供参考。

1 数据与方法

1.1 资料选取及说明

本研究所用数据选自肇庆市6个国家基本气象站近57年（1962—2018年）的逐月降水资料，采用6个站的平均值代表肇庆市的整体情况。该数据时间跨度较大、连续且无缺值，在反映肇庆市降水变化情况上有很好的代表性。

1.2 研究方法

标准化降水指数 SPI是由 MCKEE等［11］于1993年提出的基于不同时间尺度内降雨量累积概率的干旱指标，可用于反映多个时间尺度的干旱特征，其所获取的降雨数据记录时间越长，SPI结果可信程度越高。本研究主要计算 SPI3、SPI12，分别用于分析肇庆市季节干旱特征、年际干旱特征和空间变化特征。以3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月—次年2月为冬季；季节尺度的干旱分别取5、8、11和次年2月的SPI3值进行分析。年际干旱特征和空间变化特征分析使用每年12月的SPI12值进行分析。其详细计算步骤及方法可参考文献［12-13］。

本研究参照文献引入干旱发生频率P［14］i，通过计算6个站点不同等级的干旱发生频率来评价肇庆市发生干旱的频繁程度。旱涝等级划分标准参照《气象干旱等级GB/T20481—2006》，如表1所示。

表1 标准化降水指数干旱等级划分

2 结果与分析

2.1 年际变化

1962—2018 年肇庆市SPI12呈震荡上升趋势，但线性趋势不显著（图1），年平均干旱频率为28.07%，其中出现轻旱、中旱、重旱和特旱的频率分别为10.52%、5.26%、10.52%和1.75%。SPI12最低值出现在1977年，为特旱级别，据广东省气象灾害大典记载，1977年广东省大旱，降雨量与同期相比减少40% ～70%，部分地区偏少70%～90%，属40～70年一遇，流经肇庆的西江低于历史最低水位［15］。

11年滑动平均曲线显示，SPI12在1999年之前波动平缓；在1999—2008年呈下降趋势；2009—2011年显著上升（图1）。从各等级干旱发生频率可以看出：1999年之前中旱以上发生频率为10.81%；1999—2011年中旱以上发生频率为46.15%，频率明显上升。由此可见，虽然肇庆市SPI12呈震荡上升趋势，干旱趋于缓解，但严重干旱事件发生更加频繁。

图1 1962—2018年肇庆市SPI12年际变化

对1962—2018年肇庆市SPI12值进行MK突变检验（图2），从图2可以看出，1964—2018年UF曲线均处于零值以上，表明SPI12整体是一个逐渐上升的趋势；在1972—1976年这种上升趋势超过临界线（α＝0.05），表明在此期间SPI12上升趋势显著，且 UF和 UB曲线在1964相交，因此可以确定肇庆市SPI12在1964年发生突变。1967年附近和1999—2009年间SPI12的UF、UB曲线存在多个交点，但由于UF曲线都位于临界线（α＝0.05）以内，因此此期间SPI12不存在严格意义上的突变点［16］。

图2 1962—2018年肇庆市SPI12 M-K突变检验

从小波实部图（图3a）可以看出，肇庆市SPI12在近57年不同时间尺度的周期性震荡十分明显，存在多时间尺度特征。SPI12在演变过程中具有16～21、10～13和5～7年的3类尺度的变化周期，其中16～21年周期具有局部性，在1970—1997年间较明显，经历了“涝-旱-涝-旱-涝”交替的5次震荡；10～13年周期在近57年中具有全域性，但强度不稳定，其在1990年后趋于减弱，2006年后重新趋于明显加强，肇庆市正处于10～13年周期的干旱期；5～7年周期在1994年后开始趋于明显，并于2009年后逐渐减弱。

从小波方差图（图3b）中可以发现3个明显峰值，分别对应6、11和18年的时间尺度，其中18年为SPI12年际变化的第1主周期，11、6年分别为第2和第3主周期。

2.2 季节变化

结合广东省地理气候特征，一般认为当干旱达到一定程度才会对农业生产造成影响［15］，因此在分析干旱季节变化时主要统计重旱以上程度的干旱。对1962—2018年肇庆市SPI3值进行统计，结果显示，各季节重旱以上发生频率为春季10.53%、秋季7.02%、夏季5.26%、冬季3.51%，严重干旱事件主要集中在春、秋两季（图略）。近57年SPI3最低值出现在1963年春季，达特旱级别，广东省气象灾害大典描述1963年全省发生春旱且旱情长，大部地区冬春连旱，部分地区秋冬春连旱［15］。夏季干旱也常有发生，但干旱程度相对较轻，冬季旱情最轻。

图3 1962—2018年肇庆市SPI12 Morlet连续复小波实部（a）和方差（b）

由线性趋势看出，除春季SPI3呈下降趋势，干旱趋于加强外，其余季节SPI3均呈上升趋势，干旱趋于缓解。11年滑动平均显示，春季SPI3在1984—2000经历了较明显的波动下降；夏季SPI3呈“下降-上升-再下降”的波浪状变化趋势；秋、冬季SPI3滑动平均曲线波动较平缓。

2.3 空间变化

1962—2018 年肇庆市各县（市、区）重旱以上发生频率分别为德庆县14.04%、怀集县10.53%、高要区7.02%、封开县7.02%、四会市5.26%、广宁县5.26%，德庆县、怀集县极端干旱频率明显高于其他地区。从SPI12平均强度和倾向率分布（图4a）上看，肇庆市各县（市、区）平均SPI12均接近0，属于较湿润状态，其呈现出自东南向西北逐渐增强的分布特征，即西北较东南略湿润；中部SPI12上升趋势高于南北部，除怀集县倾向率为负值外，其余均为正值，表明怀集县干旱趋于加强。其余地区干旱趋于缓解。

对肇庆市各县（市、区）近57年的SPI12指数进行EOF分解，仅第1、2模态通过了North检验，第1模态方差贡献率高达73.9%，第2模态方差贡献率仅为7.5%，因此本研究只对第1模态进行分析。第1模态的空间特征向量场如图4b所示，表现为肇庆全市一致性的旱涝变化特征。第1模态的空间向量场正值中心位于怀集县，表明怀集县的旱涝变化相对其他县（市、区）较显著，属于旱涝敏感区。第1模态对应的时间系数变化特征（图略）与SPI12年际变化特征基本一致，时间系数的斜率为每年0.010 4（R2为0.006 6，未通过显著性检验），表现出一定的上升趋势，说明从长期趋势来看，该模态下肇庆市干旱趋于缓解，但趋势并不显著。

图4 1962—2018年肇庆市各县（市、区）SPI12平均强度（填色）和倾向率（等值线）分布（a）以及SPI12第1模态特征向量空间分布（b）

3 结论

1）肇庆市年平均干旱频率为28.07%，SPI12呈震荡上升趋势，但线性趋势不显著。

2）肇庆市SPI12值在1964年前后发生突变，且存在6、11、18年的周期变化，其中以18年为第1主周期。目前肇庆市正处于11年周期的干旱期。

3）肇庆市干旱主要发生在春、秋两季。春季干旱趋于加强；夏季SPI3呈显著波浪状变化趋势；秋、冬季变化不明显。

4）SPI12平均强度呈自东南向西北逐渐增强的分布特征。怀集县SPI12呈下降趋势且旱涝变化相对其他地区较敏感。未来需加强做好怀集县的干旱防御工作。