基于SPI的渭河流域干旱评估分析

黄　欢，王黎敏

(陕西国际商贸学院，陕西 咸阳 712046)



基于SPI的渭河流域干旱评估分析

黄欢1，王黎敏2

(陕西国际商贸学院，陕西 咸阳 712046)

随着生活、农业和工业需水量的增大以及全球气候的变化，干旱已经成为阻碍我国农业发展最严重的自然灾害。本文在评估渭河历史干旱的情况下，利用NCEP再分析资料与渭河流域13个气象台站的历史降水观测资料，根据渭河流域1960—2010年的月降水资料，计算不同的时间尺度上SPI的值，分析渭河流域气象干旱特征并经行评估。

渭河流域；干旱；NCEP；评估分析

1　绪　论

渭河流域是典型的干旱、半干旱地区，干旱、半干旱地区面积占80%以上，经济发展也很迅速，其生态环境问题十分严峻。时至今日，旱灾仍是该地区最常发生的自然灾害之一，由此也给该区域社会生活、工农业生产、生态与环境等造成很大的负面的影响。尤其随着全球气候变暖趋势的加剧，干旱灾害发生更加频繁，造成的影响也更为严重。该流域一般干旱形成原因概括为：①气候、水文等自然因素，比如降雨量的大小、常年气候情况、空间分布等；②人类的自然活动因素，比如自然植被的破坏、人为的破坏森林、土地荒芜等[1]。文章主要针对自然因素导致的干旱进行分析研究。

2　渭河流域水文气象

渭河流域降水南北差异很大，经研究发现，此流域总体变化趋势是从南向北降水量渐递减，一般平原小于山区。渭河之南秦岭之北的山地雨水充裕，年平均降水量能够达到890 mm，属于高降水区，且随海拔的增加雨量逐渐增大；关中平原降水量范围：520～710 mm，从西向东递增，西部达到最小东部达到最大值。其中水量平均在中值区域的是北洛河中上游和泾河的上游，其中年降水量达到310～420 mm。

渭河流域年平均蒸发水量为610～1090 mm。和降水量的不同之处在于蒸发量年际波动在一定限值，年内随气候变化蒸发水量数值也不同。5—8月随着气温的增高，蒸发量也逐渐增大，6、7月份为年内出现最大蒸发量的时期。相反，11—2月，年平均蒸发量小，通常在12月达到年内最小水量蒸发。统计发现，一般陆地的蒸发量基本位于510 mm左右，年平均蒸发量<水面蒸发，故因为地形的影响，平原区的蒸发量大于山区。

3　渭河流域干旱评估

3.1干旱评价指标

SPI又称标准化降水指数，此参数主要用来反映某流域的干旱强度和干旱持续时间，故同一数值能够表示出区域在不同时间节点的干旱特征，因此广泛应用于水文学科的各个专业[2]。标准化降雨指数推算的基本原理是先假设降水量服从Γ分布，前提是实际降水服从偏态分布，进而完成正态标准化处理。这样假设使求得的干旱数值能够代表不同时间尺度上的干旱状况，此计算方法被广泛应用到各个领域，求解过程如下：

(1)

(2)

式(1)、(2)中：α>0为形状参数，β>0为尺度参数；Γ(α)为代表伽马函数。求解α和β值使用极大似然法估算方法：

(3)

(4)

式中：

(5)

对上式进行积分得出：

(6)

(7)

伽马分布要求x>0，而实际降水量可能为0，而,故假设

(8)

H(x)=q+(1-q)G(x)

(9)

式中：m为实测降水为0时次数，n是降雨序列的长度。将(9)转化为标准正态分布，可得出相应的SPI值：

(10)

(11)

式中：a0=2.5151，a1=0.8029,a2=0.0103；b1=1.4328，b2=0.1893，b3=0.0013。

3.2同时间尺度的SPI比较

图1　渭河流域13个站点不同时间尺度SPI的变化

SPI反映了不同时间节点上各地的旱涝状况及旱涝持续时间。从图1中，1961—2006年渭河流域13个气象观测站收集的年、月降水数据分析，计算出各站季、半年、全年的SPI值。结论如下：

1)SPI3时间尺度最短，因为SPI3的时间特性决定，它在短时间内受降水量的影响大，容易引发旱涝。特别是波动剧烈的水文站点，SPI数值不停活动在0左右，它既反映短时间尺度上的旱涝变化特征，侧面表示了旱涝频繁发生的必然性[4]。

2)从SPI3和SPI6的变化中得出，在已经发生的旱涝年份如1967年、1989年，其旱涝等级强度不同，随着时间的后延降雨蒸发量大于降水量，故干旱等级变化幅度很剧烈。

3)SPI12时间尺度长，对降水量的反映减缓，干旱或雨涝变化幅度区域定值，时间尺度上比较固定，13个站点发现重大旱涝的次数很少，干旱和雨涝之间的发生也趋于平缓，这得益于前期降水的累积。

3.2干旱趋势特征分析

由3.1章节的分析得知，SPI3对时间、气象反应比较敏感，它客观实际的反映出一定时间的降水量，但缺点是不能体现干旱的持续性，对时间节点的反应也不具体；SPI12较好的反映出长期旱涝的变化特征是趋于稳定的，时间尺度上也是比较固定。缺点是对短时间的降水影响响应慢。综合考虑，选择SPI6，因为它对时间的敏感程度折中，较好的反映渭河流域干旱的特性，表2为SPI6前提下渭河流域各年份的干旱Zs值。

表2　1960—2010年渭河流域干旱Zs值

由表1可知，13个站点在各年份大部分的Zs为负值，且随着年代的增大，Zs的绝对值也越大，Zs的变化幅度愈大。

70年代通过显著性检验的气象站中有6个站点的Zs值为正值，主要位于渭河干流上游的百分比为58.2%，70年代渭河流域的干旱概率逐渐降低，相应的降水量增多。

80年代各气象站中有4个站点的Zs为负，占有率为67.3%，表明SPI6持续减少，干旱增加的概率逐渐增高。

90年代各气象站Zs均为负值，SPI6数值均有所下滑，下降值最大的为西峰站Zs=-4.84，说明渭河流域大部分地区发生干旱，且随着时间的递增影响也越大。

00年代通过显著性检验的气象站Zs值正负均匀分布Zs值多数为正，表明降雨量大。反之，负值表示降雨量小。

4　小　结

本章采用标准化降水指数(SPI)作为研究干旱的指标，根据渭河流域1960—2010年的月降水资料，计算不同的时间尺度上SPI的值，分析渭河流域气象干旱特征并经行评估，总体上年均SPI呈下降趋势，气象干旱程度加剧。多时间尺度SPI标识的干旱有一定的滞后性，但SPI值与实际渭河流域的干旱情况较符合。

[1]崔冬林．近50年中国区域持续性气象干旱事件的客观识别及变化研究[D]．兰州：兰州大学，2010．

[2]刘燕，胡安焱．渭河流域近50年降水特征变化及其对水资源的影响[J]．干旱区资源与环境，2006(01)：85-87．

[3]刘向培，王汉杰，何明元．应用统计降尺度方法预估江淮流域未来降水[J]．水科学进展，2012(01)，29-37．

[4]范丽军，符淙斌，陈德亮．统计降尺度法对未来区域气候变化情景预估的研究进展[J]．地球科学进展，2005(03):320-329．

[5]来文立，宋进喜，章杰．近60 a渭河流域降水特征[J]．干旱区研究， 2013(06)：1106-1112．

[6]何毅，王飞，穆兴民．白渭河流域降水和气温的时空特征分析[J]．水土保持通报， 2012(04)，102-105．

Draught Estimation Analysis of Wei River Basin based on SPI

HUANG Huan and WANG Li-min

(Shanxi International Business School, Xianyang 712046,China)

With the increase of water demand for life, agriculture and industry and the change of global climate, the draught has become the most serious natural disaster that hinders agricultural development. According to the estimation on historical draught of Wei River, this paper used NCEP to analyze again the data and the historic precipitation observation data about 13 meteorological stations; based on the monthly precipitation data about Wei River from 1960 to 2010, the SPI values in different time were calculated to analyze and estimate the draught characteristics of Wei river basin.

SPI; Weihe river basin;draught;estimation analysis

1007-7596(2016)06-0010-05

2016-05-22

黄欢(1988-)，女，助教，黑龙江哈尔滨人，从事工程造价、工程项目管理教学工作；王黎敏(1966-)，女，副教授，陕西咸阳人，从事土木工程、工程造价教学工作。

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