基于SPEI的新疆干旱变化特征分析

摘要 以新疆55个国家气象站1961—2015年逐日气温和降水数据，采用季尺度下的标准化降水蒸散指数（SPEI），以国家划分的气象干旱等级为判别标准，分析新疆干旱过程。结果表明，近55年新疆轻旱次数呈西北多东南少的趋势分布;中旱次数呈西北和东北多、南部偏少的趋势;重旱次数呈准噶尔盆地、吐鲁番盆地和塔里木盆地东部干旱次数偏高，其余地区较低的分布趋势;特旱次数呈南多北少的分布趋势。近55年新疆干旱影响范围及干旱强度极差较大，且两者呈正相关。农作物平均受灾率与影响范围年际变化具有较高的一致性。通过REOF时空分布将新疆分成3个模态：第一模态呈北疆与南疆相反格局的特征;第二模态高值区位于北疆北部，负值区位于新疆西南部;第三模态表现为新疆东西部呈相反格局的状态。各模态干旱强度随时间变化趋势也不同。

关键词 标准化降水蒸散指数（SPEI）;干旱;REOF;时空分布特征

中图分类号 P429  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2022）11-0178-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.11.046

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Analysis of Drought Change Characteristics in Xinjiang Based on SPEI

Adila·Abudureheman1， ZAN Mei1，2

（1.School of Geography and Tourism， Xinjiang Normal University， Urumqi，Xinjiang 830054;2.Xinjiang Key Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Areas， Urumqi， Xinjiang 830054）

Abstract Based on the daily temperature and precipitation data from 55 national meteorological stations in Xinjiang from 1961 to 2015，the standardized precipitation evapotranspiration index （SPEI） at the seasonal scale was used to analyze the drought process in Xinjiang with the meteorological drought grades classified by the country as the criterion.The results showed that the number of light droughts in Xinjiang in the past 55 years showed a trend of more in the northwest and less in the southeast;the number of moderate droughts was more in the northwest and northeast and less in the south.The number of severe drought was higher in the Junggar Basin， Turpan Basin and eastern Tarim Basin， and lower in other areas. The number of special drought was more in the south and less in the north.The range and intensity of drought in Xinjiang in the last 55 years were significantly different， and the two were positively correlated. The average disaster rate of crops had a high consistency with the interannual variation of the affected area.Xinjiang was divided into three modes based on the spatial and temporal distribution of REOF. The first mode was the opposite pattern of northern Xinjiang and southern Xinjiang. The high value region of the second mode was located in the north of northern Xinjiang， and the negative value region was located in the southwest of Xinjiang. The third mode showed that the pattern of east and west of Xinjiang was opposite. The variation trend of drought intensity of each mode was also different with time.

Key words Standardized precipitation evapotranspiration index （SPEI）;Drought;REOF;Temporal and spatial distribution characteristics

干旱是自然界中频发的一种灾害现象，其影响范围广，持续时间长，造成的灾难性后果严重影响到我国农业生产、粮食安全与社会经济发展[1-2]。IPCC报告中指出，自20世纪以来全球普遍升温，蒸发量大幅度增加，干旱趋势增强[3]。我国干旱、半干旱区开展不同尺度的区域干旱检测与风险评估有利于改善地区干旱现象、提高地区生态系统的自我恢复能力。干旱指数是开展区域干旱检测与风险评估的有效手段之一[4]。

鉴于造成干旱现象的因素错综复杂，为了更好地研究干旱，也为了能更准确地表示干旱的严重程度，各国学者都提出了专门用于干旱监测的指标。当前关于干旱指标的研究较多，其中应用较广泛的气象干旱指标有标准化降水指数（SPI）、标准化降水蒸散指数（SPEI）、气象干旱综合指数（MCI）、帕默尔干旱指数（PDSI）等，各指标都有各自不同的优劣势[5-9]。Vicente-Serrano等[10]提出的SPEI指数，是在SPI指数的基础上，结合SPI、PDSI指数的优点，综合考虑了降水的蒸散发影响，且从多时间尺度角度比较分析，适用性更佳，逐步成为气象干旱监测中较理想的工具之一。目前利用不同干旱指标对新疆进行干旱变化特征的研究较多，但利用季尺度数据对研究区进行干旱时空变化特征及干旱灾情的研究较少，3个月时间尺度可反映季节干旱状况，12和24个月可分别反映年际、年代际干旱状况。新疆作为我国国土空间面积最大的区域，地处西北边陲，气候干燥、降水稀少且水资源十分匮乏，干旱现象频发，严重制约了当地社会经济发展，加大了与我国内陆地区的发展差距，基于此，笔者利用3个月尺度的SPEI指数，定量分析新疆干旱现象发生的时空演化规律，厘清新疆发生干旱的基本特征，为新疆的干旱监控、预警、防范与减灾工作提供理论借鉴和科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

新疆维吾尔自治区地处73°29′54″～96°23′03″E、34°20′11″～ 49°10′55″N，位于我国西北。全疆总面积为166×104 km2，占全国总面积的1/6[11]。新疆属于典型的温带大陆性气候，年均降水量远低于沿海地区。山脉与盆地相间排列构成了新疆“三山夹两盆”的地貌特征，由北至南分别是阿尔泰山、准噶尔盆地、天山山脉、塔里木盆地和昆仑山。以天山山脉为界形成了南北疆差异显著的气候特征。在全球气候变暖的背景下，加剧了新疆的干旱特征，进而造成干旱灾害频繁发生，严重威胁着新疆社会经济发展。

1.2 数据来源

该研究的气象站观测数据来源于中国气象科学数据中心（http：//data.cma.cn/site/index.html），选取了新疆55个国家气象站点的平均气温和降水等数据。数据来源准确、可靠性高、研究期数据完整。其中SPEI数据集及各站点经纬度、海拔等数据来源于相关文献[12]。该研究选用的新疆区域气象站点分布如图1所示。

1.3 研究方法

1.3.1

标准化降水蒸散指数（SPEI）的计算方法[13]。

（1）利用Thornthwaite方法，综合考虑气温因素的影响来计算潜在蒸散量（PET），公式如下：

PET=16.0× 10TiHa （1）

式中， Ti为月平均气温，H为年热量总和，a为常数。

（2）计算降水与潜在蒸散量的差值。计算公式如下：

Di = Pi -PET i （2）

式中， Pi 为月降水量，PET i 为月潜在蒸散量。

（3）对数据序列进行正态化处理，由于 Di 序列可能存有负值，采用log-logistic概率分布对 Di 进行拟合，并求累计函数。计算公式如下：

F（x）=1+αx-γβ-1（3）

式中，α、β、γ 分别为尺度参数、形状参数、Origin参数，均用线性矩方法拟合得到。

（4）利用正态逆变换求出SPEI。计算公式如下：

W =-2ln（ P ）（4）

SPEI= W-C0-C1W+C2W21+d1W+d2W2+d3W3（5）

式中，C0=2.515 517，C1=0.802 853，C2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。当P>0.5时，P值取1-P [14]。

1.3.2 干旱强度的运算。

据国家气候中心最新发布的气象干旱等级（GB/T 20481—2006）[15]中对干旱过程及强度的定义：当SPEI指数持续10 d为轻旱以上等级时，可被判定为一次干旱过程。干旱强度定义为一次干旱过程累计的SPEI指数之和，其值越小，干旱过程越强。SPEI指数具有多时间尺度的特征，SPEI-3即季尺度的数值，能够较明确地表示季节性土壤湿度的演变特征。统计新疆地区1961—2015年SPEI-3的数值，结合新疆特有地形地貌条件，以及前人的研究也表明SPEI 指数具有较好的区域适用性，因此SPEI 指数作为干旱评估研究标准是合理的，结果也是可参考的。SPEI指数的干旱等级划分见表1。

1.3.3 干旱影响范围的确定。

基于站点的SPEI对干旱影响范围进行计算。SPEI值达到轻旱及以上等级的台站数（ Ni）与总站数（N ）之比，即SPEI值≤-0.5时就表示有干旱的发生，作为不同级别干旱影响范围的指标，其反映干旱面积大小。将干旱影响范围超过90%的定义为大范围干旱。计算公式为：

Ri=NiN×100%（6）

1.3.4 正交函数方法。经验正交函数（EOF）和旋转经验正交函数（REOF）是分析气象要素时空分布特征时广泛使用的统计方法[16-19]。正交函数方法能将同时随时间及空间变化的某要素场进行分解，将其分解为仅随空间变化的空间模态和仅随时间变化的时间系数的线性组合。采用EOF方法，根据EOF原理进行分解，对任意标准化气象矩阵 X 可展开下列矩阵运算[20]：