基于SPEI指数的淮河流域干旱特征分析

论文总字数：15640字

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract. Ⅱ

1 引言 1

2 数据与方法 2

2.1 研究区概况 2

2.2 数据与方法 2

2.2.1 标准降水蒸散指数SPEI及气象要素资料 2

2.2.2 Mann-Kendall趋势检验 4

2.3 干旱发生频率 4

2.4 干旱面积覆盖率 5

2.5 干旱发生强度 5

3 结果与分析 5

3.1 淮河流域的SPEI指数年际变化 5

3.1.1 淮河流域平均的SPEI指数趋势变化 5

3.1.2 平均SPEI指数Mann-Kendall趋势突变检验 6

3.2 淮河流域轻度以上干旱面积覆盖分布特征 6

3.3 淮河流域轻度以上干旱发生频率分布特征 8

3.4 淮河流域中度以上干旱发生频率分布特征 10

3.5 淮河流域干旱强度分布特征 12

4 总结与讨论 13

参考文献 14

致谢 15

基于SPEI指数的淮河流域干旱特征分析

陈怡婧

，China

Abstract：The observed meteorological data of 26 weather stations measured from 1960 to 2013 were collected and the standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) was used. In the paper, based on the monthly SPEI values of each grid in recent 54 years, the drought processes of each grid were confirmed one by one and the annual, seasonal and monthly drought occurrence frequency, coverage and intensity over years were analyzed. The spatial and temporal evolution and the intensity of drought occurrence of the province were revealed. In recent 54 years, the research results show that the frequency of the drought in Huai River basin has slowly increased, but the drought area tends to reduce. In the Huai River basin, the drought occurred in the year, spring, summer, autumn, winter and the month scale. Among them, the most serious drought occurred in autumn. Both widespread drought and local drought occurred and drought occurred mainly in the north of Huai River basin, the north of Henan Province, and the east of Shandong Province and Jiangsu Province .The overall distribution characteristics of drought intensity from east to west presented the low-high-low situation.

Key words：Huai River basin; standardized precipitation evapotranspiration index; rule of drought evolvement; distribution characteristics of drought

1 引言

近年来，干旱已经成为了影响社会经济发展最严重的气候灾害之一，它具有发生几率高、灾害持续时间长、影响范围广等特点^[1]。近60年来，干旱灾害对我国的影响远超过其他自然灾害的影响^[2]，干旱发生的频繁性与长期持续的特点给国民经济尤其是农业生产造成了非常重大的经济损失。

据统计显示，我国1951-2006年每年农作物的受旱面积约为2175.4万hm²；常年干旱受灾面积大约占到气象受灾面积的60%以上^[3]。淮河流域位于南北方气候过渡地带：三面临山一面朝海，地势形态复杂并且气候多变^[4]；流域大多为平原地貌，面积广阔，人口众多，但是蓄泄条件差，加上黄河夺淮影响深远，严重的干旱事件和持续时间还可能增加。干旱灾害已经影响到淮河流域内的轻工业生产、农耕种植产业以及城乡水源供给、生态环境等等，制约了该区域社会经济迅速及可持续性的发展，因此有必要对淮河流域干旱进行研究。

干旱监测与预防可以减少干旱损失，也是气象界的研究热点。干旱可分为气象干旱、水文干旱、农业干旱，其中气象干旱是导致其余类型干旱发生的重要成因，掌握气象干旱的发生规律、产生原因和灾变原理，有助于其他干旱类型的研究，进而有效监测和预防各类干旱^[5]。当前常见的干旱监测指标包括Palmer干旱强度指数（PDSI，Drought Severity Index）、标准化降水指数（SPI，Standardized Precipitation Index）、标准化降水蒸散指数（SPEI，Standardized Precipitation Evapotranspiration Index）、复合气象干旱CI指数、Z指数以及作物水分指数等 ^[6]。其中SPEI，SPI和PDSI是使用最广泛的干旱指标。标准化降水指数SPI可用于时间与空间尺度上的对比，还能依靠多尺度的特点来辨别不同类型的干旱^[7]，但SPI的缺点在于其仅仅考虑了降水因素，却忽略了温度、蒸散等其他气象因素，无法反映因全球变暖或其他原因导致的干旱状况；Palmer干旱强度指数是PDSI在水分供给平衡的基础上，结合前期降水量、温度、蒸散发以及各类水文要素，实现对极端干旱的监测，能够用于监测全球范围的干旱趋势。尽管PDSI考虑到了多重因素，但不能评估不同类型干旱的多尺度特征。

2010年Vicente-Serrano^[8]等提出标准化降水蒸散指数SPEI，该指数以降水和蒸散为基础，具有PDSI结合考虑蒸散、温度等气象因子的特点，还继承了SPI在多尺度、多空间上得以进行比较的优势。标准降水蒸散指数SPEI适用于处在干旱演变特征的监测研究，故其被提出后，就广泛利用在干旱研究之中^[9]。Vicente-Serrano等计算1901-2013年的全球尺度SPEI数据集，以评估全球尺度的干旱分布。李伟光等^[10]采用SPEI指数对我国1951—2009年干旱趋势进行了研究分析，最终结论同采用其它干旱指数得出的结论相符；秦鹏程等^[11]应用SPEI指数方法对我国近50年东北玉米生长季干旱演变特征进行研究，分析在全球气候变暖背景下东北地区玉米生长季的干旱演变特征，与实际情况高度符合。

在参阅淮河流域近54年干旱灾害资料的基础上，本文基于SPEI指数在不同时间尺度（年际、季度以及月）上研究淮河流域的干旱时空分布特征，并评估淮河流域的干旱发生频率、持续时间及其干旱强度；采用Mann-Kendall无参数检验方法分析淮河流域的干旱趋势变化特征，本文研究成果可为旱情防御与灾害风险管理提供参考。

2 数据与方法

2.1 研究区概况

淮河流域位于我国东部（东经111.9°E~121.4°E，北纬30.9°N～36.6°N），处于长江与黄河之间，涵盖了江苏、山东、安徽、河南四省，整体面积约为27万km²，干流总长1000km，除流域西部和东北为山区与丘陵区外，其余均为平原[12]。淮河流域地处暖温带的半湿润季风气候区，是我国主要的农业生产地，也是轻工业最发达、人口密度最大的地域之一[13]。

冬春降水少易发生干旱，夏秋燥热多雨，冷暖与旱灾洪涝转变迅速剧烈。近55年来淮河流域干旱波及范围的扩大趋势明显，在1949-2010年的62年中，淮河流域累计旱灾受灾面积1.67亿hm²，成灾面积8730万hm²，损失粮食13.96亿kg，平均每年269.8万hm²农作物受旱，140.8万hm²农作物成灾（见表1）。

表1 淮河流域1949-2010年各时期干旱灾情面积统计（单位：万hm²）[14]

由表1可以看出，流域内各地区在70年代旱情略有缓解，流域内的旱灾成灾面积随着时间的发展呈现增长趋势，特别在90年代尤其突出，其增幅历年最大。由于淮河流域地区是我国经济产业快速发展重地，旱涝灾情对社会经济发展甚至人民的生命财产损害愈来愈大。

2.2 数据与方法

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