拉萨市气象局 洛桑平措 洛松卓玛 德庆曲珍 德吉央宗 850000
摘要：干旱是成灾害最为严重的自然灾害，受其影响的人数比其他任何自然灾害都多。干旱是我国范围的重要自然灾害，在社会经济高速发展的影响下，干旱的频繁发生已成为最为严峻的环境问题之一，已经引起我国政府的高度重视。我国是个自然灾害频发的国家，据统计，气象灾害造成的经济损失约占所有自然灾害的百分之七十，其中干旱造成的算是又占了气象灾害的百分之五十以上。开展干旱的评估，监测与预测研究，已经成为正度和学术界高度重视点问题，且具有重大现实意义。针对干旱这一全球自然灾害，以我国西南地区为研究区。近年来我国西南地区发生干旱较为频繁，干旱强度和受旱区域不断增加，严重影响了农业生产和经济的发展。近年来我国西南地区发生干旱较为频繁，干旱强度和受旱区域不断增加，严重影响了农业生产和经济的发展。通过分析不同指示意义的干旱指数来探究我国西南干旱的时空格局和变化趋势，为全球变化背景下极端事件研究提供科学参考。
关键词：全球气候变暖、PDSI、SPI、干旱灾害
引言
受全球气候变暖影响，中国西南地区、东北南部以及华北平原地区的干旱受灾情况日益严重（黄荣辉等，2011）。40年来，中国国土范围内整体呈现出气候干旱的趋势，自东北向西南地区还存在一条显著的干旱趋势带，副热带和中低纬度地区的干旱日数呈增加趋势（Zhai et al., 2010；刘珂和姜大膀，2015）。21世纪以来，西南地区遭受数次严重的干旱灾害：2005年云南省发生严重的春季干旱、2006年川渝地区夏季发生特大干旱、2009年秋季至2010年春季的干旱波及贵州、广西、四川多地，为西南地区有气象记录以来最严重的干旱事件。已有研究显示，西南地区年极端干旱的发生次数增加，且干旱的区域性差异在显著减小。
1.研究区概况、研究数据与研究方法
1.1研究区概况
西南区（Southwest China）由四川省、云南省、贵州省、广西壮族自治区与重庆市组成，全区面积137.69万平方公里，占全国面积的14.34％。西南区南北距离和东西距离均在一千三百公里左右，略呈方形。南端点在广西北海斜阳岛，北端点在四川若尔盖县境之白龙江与洮河分水岭，东端点在广西贺县南乡，西端点在四川石渠与青海玉树交界处，毗邻青藏、甘陕、鄂、湘、粤，甚至接壤缅甸、老挝和越南。位于青藏高原东侧，西南区占有我国三大地阶梯各一部，地势西高东低、北高南低。桂南平原，海拔高度在4500 m与不足100 m之间。主要的地貌单元有：岷山山地与若尔盖高原、横断山地、四川盆地、云贵高原和广西丘陵、盆地。
1.2研究数据与研究方法
日平均降水、日最高气温、日最低气温、日平均相对湿度等基础气象数据来自于中国气象局整编的西南地区128个国家级标准气象站的，选取2000年1月至2011年12月的资料进行分析21世纪以来西南地区的干旱演变特征。气象站点在西南地区的分布如图1所示。PDSI数据空间分辨率为0.5°×0.5°，为2000年1月至2011年12月的月均值数据，采用自适应算法进行计算。
SPI指数由于其计算便捷、可检测时间段灵活、空间差异性小等特点而被应用到中国区域性干旱的各种研究中。本文分别计算窗口期为3、6、12月的SPI指数，分析西南地区的干旱演变特征，窗口期越长，则指数受到单次降水的影响越小。SPI6、SPI12与SPI3可分别代表农业干旱、水文干旱与气象干旱的特征。指数的具体计算方法见文献（McKee，1993），指数与干旱的等级如表1所示。
趋势检验采用非参数趋势检验Mann-kendall方法。非参数检验（无分布检验）不需要遵从一定的分布，受异常值的干扰也小。 Mann-Kendall检验法因其计算高效，在水文与气象领域得到了广泛的使用。其趋势MK值计算方法如下：
设目标序列Pn的时长为n，按大小进行排序得到统计序列Sk：
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2.研究结果
2.1西南区干湿变化特征
2.1.1年际变化
西南地区在季风期与非季风期的气候变化差异很大，季风期极端干旱频率有增加趋势，干旱发生区主要是四川盆地周边海拔较高的山区、广西大部和“帚形山脉”地带。非季风期干旱频率缓慢减少。年干旱发生频率是季风期和非季风期的突变叠加的结果， PDSI与SPI两种干旱指标对西南地区的年干旱演变特征有一定的相似性，总体来说：2000年至2003年西南区表现为气候湿润，2003年末至2004年初发生一次短期的干旱，2004年至2005年末气候没有明显地干湿转变，随后西南区进入了干旱气候，2006年至2007年、2009年至2011年两个时间段西南区遭受了持续的干旱灾害，2010年与2011年末期干旱的强度较大。2008年西南地区的长期的干旱气候发生突然转变，翌年有洪涝发生。年极端干旱存在准5年和准12年的周期变化。
前文说到，SPI的计算时间尺度越短，所反映的干旱状态越容易受到近期的降水变化影响。SPI3以三个月为窗口期，主要反映季节降水量对该地区的干湿变化影响，常用于气象干旱的特征描述；与其他几个干旱指标相比，西南地区SPI3的旱涝波动更加频繁，且相同时期的干旱强度也略大一些。如在2000年年底至2001年年初，SPI3指出这个时间段西南地区有严重的干旱发生；2009年的年初SPI又监测到西南区一次极端的干旱现象，上述时间段其他指标所监测得到的干旱强度均小于SPI3。但是SPI3也有和其他干旱指标结论一致的时候，如2004年、2008年以及2010年以后的干旱强度以及持续时间等特征四个指标就很相近。
SPI6以半年为窗口期，考虑半年内的降水量变化对当地干旱影响，6个月的时间已足够反映土壤湿度对降水的响应，而土壤湿度又紧密关联着农作物的生长健康状况，故SPI6常用于监控农业干旱情况。SPI6偶尔也会监测到其他指标忽略掉的干旱情况，如2001年的干旱。它滞后于SPI3指标3月左右，且强度相对较低，但SPI12或PDSI都没有对当年的干旱现象有反应，这可能是因为这次的干旱事件确实存在，但是因为降水不足引起的水分亏损，这种缺水状态可能通过其他的方式得到了弥补，使得少雨的天气并没有引发实际的土壤干涸。一般来说，SPI6的干旱强度会略小于SPI3，但是在2010年的干旱中，SPI6所检测到的干旱强度最大达-2.5，属于极端干旱范畴，而其他干旱指标均在中度干旱强度，这种现象的原因可能与干旱的成因有关，需要进一步深入研究。
SPI12以一年为窗口期，可描述由长期的降水不足造成的干旱灾害，这种干旱一般会表现为地下水干涸或径流降低等严重的破坏现象。西南地区SPI12监测到的干旱现象与PSDI所检测到的干旱现象特征吻合。2006年起，西南区进入干旱的气候状态，在2008至2009年这种干旱状态稍微得到缓解，但随后迅速遭到更严重的干旱侵蚀。西南地区气候的干旱状态有一定的周期变化，但SPI12的干湿突变转化频次较低且幅度不大。
西南区地处中国的亚热带季风气候区，四川盆地素以暖冬闻名全国，云贵高原冬季时间也较同纬度地区较短，冬季降雪或冰冻的现象较少，DPSI对于无冻土和无冰雪融化的温暖地区干旱监测较好，故在该地区的干旱监测误差在合理范围内。PDSI显示2003年以前西南地区均表现为气候湿润状态；2004年至2006年气候干湿交替，偶发轻微干旱，没有明显的洪涝迹象；除2008年有中等强度的洪涝外，西南地区2006年以后多发持续的干旱灾害，这种干旱的气候一直持续到2011年，并且干旱没有明显的减缓趋势。
据灾情资料显示，2005年春季云南有异常干旱情况，2006年夏季川渝地区发生特大干旱，2009年秋至2010 年春华南、西南地区以云南、贵州为中心的5个省份遭受长时间持续的特大干旱灾害侵蚀（尹晗和李耀辉，2013）。以上记录的灾情与本文用不同干旱指标分析出的西南地区干旱演变时间基本吻合。四种干旱指标中，SPI3所监测到的干旱强度同比其他指标最强，SPI6的干旱强度及干湿转化频率介于SPI3与SPI12之间，PDSI与SPI12倆指标监测到的干旱特征最为相似。
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PDSI的多年平均干旱强度空间分布显示，云南省东南部、贵州省西北部与四川接壤处、广西东部与广东接壤处均有极端灾害发生；云南、四川及贵州省大部分地区受到严重的干旱影响；广西壮族自治区与重庆市大部分地区为中等干旱；四川省西北角有极个别站点气候正常，没有干旱灾害发生。SPI3的多年平均的干旱灾害分析结果认为：贵州省西南角个别台站有监测到极端干旱灾害发生，西南地区整体处于中度至严重干旱影响范围之中；贵州省、四川省以及云南省严重干旱占比面积较大；重庆与广西两地的干旱强度相对较轻。SPI6与SPI12的多年平均干旱强度空间分布较相似：贵州与云南省交界处大部分地区主要受到轻微干旱影响，同时这片区域又有个别站点监测到极端干旱存在；同样仅受轻微干旱控制的地区还有广西壮族自治区的南部、云南省西北部、四川省中部以及重庆大部分地区。就中等干旱灾害影响范围而言，SPI6的影响范围略大于SPI12，尤其是在贵州省东部与广西等地。
2.1.2 季节变化
干旱灾害严重影响农作物的生长健康，而季节又紧密关系着农作物的生长周期，故分季节研究干旱特征有助于理解干旱对农作物的具体影响。PDSI、SPI3、SPI6、SPI12这四种干旱指标在2000年至2011年所检测到的四季干旱演变特征如4图所示。西南地区干旱频率季节差异大，表现为非季风气候期干旱多发，季风气候期干旱情况得到缓解：冬旱频率最高，春旱次之，秋旱较低，夏旱最低，而且干旱多发地区的干旱强度也大。2008年，西南区整体呈湿润转变，四季的干旱现象也都得到缓解。如图3所示，春季西南地区各干旱指标差异较大，夏、秋两季各指标的干旱特征则非常接近，冬季各干旱指数的干旱灾害发生时间大致相当，但是每次灾害的强度有所不同。所有指标共同指出西南区春季从2009年起发生干旱，2011年左右干旱的趋势才得到缓解；夏季，西南区2005年以前没有干旱发生，2006年及2009年之后当地发生中等程度乃至严重的干旱；秋季，西南区干湿气候变化特征与夏季基本类似，但是2003年、2009年、2011年该地区的干旱强度大于同年的夏季干旱；冬季西南地区自2000年至2003年表现为湿润气候，2004年起进入干旱，且干旱趋势逐年增加。但是冬季的干旱强度总体上小于其他三个季节，2006年、2007年与2010年冬季干旱比较严重。
春季，SPI3在2009年之前都没有检测到西南区有干旱发生，但自2009年以后该区的干旱趋势愈发严重，2011年出现严重干旱；SPI6的春旱趋势则在2010年以后增加，当年的春旱强度与SPI12一致，为极端干旱；SPI12在2003年以前为湿润气候，随后干旱趋势加重，2004年轻微干旱、2007年严重干旱、2010年极端干旱，2011年干旱趋势才有所缓解；PDSI显示西南地区仅在2007年与2010年发生春旱。
夏季主要有2006年至2007年、2009年及以后两个主要的干旱时间段。2000年至2004年西南区气候湿润。SPI3与SPI6显示西南地区的夏季干旱趋势增加。
秋季的干旱也主要出现在两个时间段:2003年至2007年、以及2009年。2010年西南区的干旱情况得到缓解，但随后的干旱灾害强度更强。相同年份秋旱的灾害强度略强于夏旱，且四个指标都显示西南地区的秋季干旱有加重趋势。
冬季四个指标的干旱出现时间大致一样，但强度有所不同。西南区在2003年至2007年、2009年以后都有冬季干旱发生，2010年的冬季多个指标指出有严重干旱发生。总体来说西南地区冬季干旱的频率较高，但是强度较其他三个季节较弱，西南区冬旱的强度在轻旱至中旱之间。
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2.2各省干旱特征
贵州省、重庆市DPSI与SPI所描述的干旱特征虽并非完全一致，但对干旱的出现时间及干旱强度的监测效果相当，两类干旱指数在上述两地区都较适用；四川省与云南省的PDSI干旱时间与SPI的结果大致同时，但前者的干旱强度更强。据实际灾情资料显示，PDSI的极端干旱与实际情况吻合，而SPI在该时段的干旱强度稍弱，与实际情况不符，故上述两个省的PDSI更适用。至于PDSI是否可能夸张灾害强度的事实，需要再进一步研究。广西壮族自治区PDSI与SPI所监测的干旱灾害一致性较差，少数几年甚至有反相的现象，与实际灾情对比认为SPI对广西的干旱描述更符合事实。
贵州2000年至2011年的干旱主要出现在2004至2006年、2010年至2011年，其余年份干旱情况偶有发生但是强度较弱。2008年前贵州气候湿润，随后气候由湿润突然逆转成干旱，2009年年末至2010年遭受持续时间长的一次极端干旱。这种气候态的突变可能增加地质灾害风险。贵州地区属喀斯特地貌，山区与溶洞较多，夏季的暴雨引起山洪泥石流而冬季连春的长时间干旱则会导致山林火灾和土地风化。
四川省2004年至2006年、2009年至2011年都是干旱年份，而2003年以前四川地区多发生洪涝，PDSI的干旱强度略高于各种时间尺度的SPI干旱。2006年PDSI与SPI干湿变化特征正好相反，前者显示有干旱发生而后者认为气候仍然湿润。2010年四川发生干旱，PDSI的干旱强度更强。四川省以盆地地形为主，灾情资料记载2004年以来的伏旱致使成都、德阳和绵阳等地气象灾害增多，2009年至2010年的极端干旱致使土壤严重缺水，引发一系列农业灾害。PDSI的干旱强度与实际灾情更接近。
2000年至2011年间，云南省干旱期多于湿润期。2003年以来，云南省遭受了持续的洪涝天气，偶尔还有极端洪涝出现，2004年以后全省进入干旱期。PDSI指数干湿变化强度远高于所有时间尺度的SPI指数，据PDSI显示：2002年云南省有极端洪涝灾害，2003年至2008年该省受到有周期变化的干旱侵蚀，极端干旱多次发生，尤其是在2010年以后。SPI显示：2004年以前，云南省多为轻微洪涝天气，2005年至2007年气候主要为轻微干旱，2007至2009年没有干旱灾害发生。至2010年起，全省进入极端干旱天气，2011年以后云南省极端干旱趋势没有减弱迹象。
相比西南区其他省市，重庆市的干旱灾情更轻一些。四种干旱指标对重庆的干旱演变特征描述基本相当：在2003年有中等干旱发生，随后3年该区域主要为湿润天气控制，2007年发生一次中等至严重程度的干旱，随后气候又向湿润转变。重庆地区SPI3与SPI6的变化趋势几乎一致，SPI12的干旱发生时间较靠后一些，PDSI所检测到的旱涝发生时间与SPI一直，强度略大。在2010年值2011年，PDSI显示重庆地区为轻微湿润天气，而不同尺度的SPI指数显示重庆有轻微至中等程度的干旱发生。其中2010年SPI3与SPI6指示有中等干旱，2011年底SPI12显示由中等干旱。
广西壮族自治区PDSI与SPI的反向差异最大，PDSI显示，广西在2001年至2003年遭受了中等程度的干旱，2006年有极端干旱侵蚀，在此以后自治区再无干旱灾害发生；但不同时间长度的SPI显示，2010年前，广西地区少有干旱灾害发生，偶尔几次发生短期的中等干旱。2010年起，广西进入频繁遭到干旱袭击，2010年有严重干旱发生，2011年灾情恶化至极端干旱。据实际灾情资料记载，2006年8月以来广西壮族自治区78个县市严重干旱，对比四种干旱指标结果认为SPI的干旱监测结果更为合理。
2.3干旱指标的对比
为研究各种干旱指数在西南地区的适用性，先分析各指标的干旱变化趋势，分别讨论其标准差、最大值与最小值，再分析干旱指标序列的稳定性，最后计算各指标的概率密度函数，分析各指标描述的干旱的合理性，结果如表2与图9所示。首先，通过Mann-Kendall检验结果表示2000年至2011年西南区有显著干旱趋势，PDSI的干旱趋势最严重，其次是SPI12，SPI3的MK值最小，即趋势增加最慢，但SPI3的干旱趋势也通过了95%的显著性检验。SPI时间尺度越大，干旱的趋势越严重，这可能说明西南地区的干旱主要是由长期而缓慢的水分缺乏过程造成，短期的降水缺乏不如长期不断减少的总雨量对干旱的影响深远。若西南区继续维持当前的干旱趋势，未来很有可能发展成干旱重灾地区。标准差是数据偏离平均数的距离的平均数，可以反映一个数据集的离散程度，干旱指标序列离散程度越低，说明旱涝突变越少。不同时间尺度的SPI标准差相当，而PDSI的标准差在四个指数中最小，说明PDSI最为集中。干旱是一种缓慢而相对稳定的自然灾害，它不像暴雨或雷击之类的灾害可以在短时间内快速发生并消亡，干旱的生命期较长，相对来说标准差更小的指数更适宜描述干旱。最后是最大、最小值的对比。最大、最小值是一个极值的概念，SPI3的最大值在四个指标中最大，最小值又是四个指标中最小的，说明该指数非常容易出现极端情况，可能序列的稳定性较差。
表2 全区指标对比
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四种干旱指数的概率密度分布如图4所示。PSDI的概率密度分布类似正太分布，西南区PDSI在零附近时的概率最高，即当地没有干旱或洪涝发生是最常见的情况；相比之下SPI3与SPI6稍有偏移，PDF在SPI强度落到[0,1]区间时最大；不仅如此，SPI的PDF左侧尾巴更长，当SPI<0的时，相同概率对应的SPI强度更小。这种分布说明SPI描述的西南区常态是轻微湿润的天气，与PDSI相比，相同重现期的极端干旱灾害，SPI的干旱灾害强度更强。
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结语
本文以西南地区为研究区，使用中国气象局整编的西南地区128个国家级标准气象站2000年1月至2011年12月的日平均降水、日最高气温、日最低气温、日平均相对湿度等基础气象数据计算帕尔默干旱指数与标准化降水指数，以分析21世纪以来西南地区的干旱演变特征，并对比两种干旱指标在西南地区的适用性。本文采用Mann-Kendall非参数趋势检验方法计算西南区的干旱变化趋势，研究发现：
1）2000年至2011年西南区有1个湿润期与2个干旱期：湿润期为2000年至2003年、2004年至2005年末，干旱期为2006年至2007年、2009年至2011年，其中2010年与2011年的干旱强度较大。西南地区在季风期与非季风期的气候变化差异很大，冬季干旱最频繁，但是干旱强度相对较低，夏季干旱频次最低，但是干旱灾害强度最强。
2）四川省中部、云南省西北部以及重庆大部分地区主要受到轻至中度干旱天气影响，四川省北部、云南省东北部与广西、贵州接壤的地方是严重灾害的高发区。
3）PDSI序列极端值较少、离散程度较低，适用于对西南地区全区的干旱监测，但干旱指标适用性具体到每个省（自治区）时又有所不同：PDSI与SPI同时在贵州省与重庆市适用，PDSI更适合四川省与云南省的干旱监测，而广西壮族自治区则更需要SPI。
参考文献
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