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摘要 利用鲁西地区8个台站1962—2015年逐月降水资料，计算了鲁西地区各月的标准化降水指数（SPI），在此基础上分析了全年及各季节的标准化降水指数，应用M-K突变检验、小波分析和ArcGIS空间插值方法分析了旱涝的时空分布特征。结果表明，春季SPI呈现增加趋势，其余各季节及全年SPI均呈减少趋势。空间分布，年尺度干旱分布中东部县干旱次数高于西部县；雨涝呈现南北分布，南部县次数高于北部县。季节旱涝分布，春夏干旱多发生在东部及南部县，秋冬干旱集中在西北部县；季节雨涝次数较多发生在南部及东部县。
关键词 旱涝；标准化降水指数；时空特征；鲁西地区
中图分类号 P426.616 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）06-0190-04
Analysis of Spatial and Temporal Characteristics of Drought and Flood in Luxi Area Based on Standardized Precipitation Index
LI Hui， LI Nan*， HAN Xue-lei et al
（Liaocheng Meteorological Bureau， Liaocheng， Shandong 252000）
Abstract By using monthly precipitation data of 8 stations in Luxi area during 1962-2015， standard precipitation index （SPI） in each month was calculated. On the basis of this， SPI of whole year and each season was analyzed. The spatial and temporal distribution characteristics of drought and flood were analyzed by using M-K mutation test， wavelet analysis， and ArcGIS spatial interpolation method. The results showed that： SPI in spring presented an increasing trend， and the rest of the season and the average annual showed a decreasing trend. In spatial distribution， drought times in eastern counties was higher than that of western counties， waterlogging presented south-north distribution， and the occurrence times in southern counties was higher than that in northern counties. As for seasonal drought and flood distribution， spring and summer drought occurred in eastern and southern counties， autumn and winter drought concentrated in northwestern counties；seasonal floods more frequently occurred in southern and eastern counties.
Key words Drought and flood；Standardized precipitation index（SPI）；Temporal and spatial characteristics；Luxi area
21世纪以来极端气候事件频发，我国生态环境具有复杂多变、敏感脆弱及人类活动影响显著的特点[1]。我国是世界上受气象灾害最严重的国家之一[2]。近年来，我国自然灾害发生的频率和造成的损失有明显增加的趋势[3]。为了定量表达旱涝程度，学者们先后提出了降水距平百分率、帕默尔干旱指数（Palmer Drought Severity Index，PDSI）、地表水分供应指数（Surface Water Supply Index，SWSI）和标准化降水指数（Standardized Precipitation Index，SPI）等[4-7]。基于降水资料的SPI指数具有计算简单、资料容易获取及多时间尺度的优势，已在国内外干旱监测中广泛应用。
聊城地处中原腹地、山东省西部（35°47′～37°03′ N、115°16′～116°30′ E），是主要的粮食产区[8]。处于暖温带季风气候区，四季分明，夏季高温多雨，易出现局部内涝；冬季寒冷干燥，春秋季降水偏少、干旱多风[9]。该地区旱涝灾害频发，对农业生产造成严重危害。笔者根据聊城地区54年来的逐月降水数据，采用SPI分析了该地区的旱涝时间特征及规律，以期为减轻旱澇灾害损失和政府防灾减灾提供科学依据。
1 资料与方法
1.1 资料来源
选取聊城市气象局8个观测站（临清、冠县、聊城、阳谷、莘县、高唐、茌平、东阿）1962—2015年的逐月降水资料。四季划分为春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月—次年2月）。
1.2 分析方法
采用SPI结合气候倾向率分析聊城地区的旱涝时间特征[10]。基于1962—2015年8个气象站的年尺度及季节SPI指数分析得到各气象站点旱涝次数，利用ArcGIS空间插值法分析聊城地区旱涝灾害空间分布特征。 SPI是基于降水量的分布，一般不是正态分布，而是一种偏态分布[11]。在计算出某时段内降水量的分布概率后，再进行正态标准化处理，最终用标准化降水累积频率分布来划分旱涝等级[11]。该研究根据干旱等级标准（GB/T20481 气象干旱等级）规定了气象干旱指数的计算方法、等级划分标准、等级命名、使用方法等。旱涝指标划分为：-0.5 标准化降水指数的计算步骤：假设某时段降水量为随机变量x，则其分布概率密度函数如下：
f（x）=1βγΓ（γ）xγ-1e-x/β（1）其中，x>0；β>0、γ>0，分别为尺度和形状参数，可用极大似然估计方法求得：
γ=1+1+4A/34A（2）
β=/（3）
A=lg-1nni=1lgxi（4）式中，xi为降水量资料样本；为降水量气候平均值。概率密度函数中的参数确定后，对于某一年的降水量x0，可求出随机变量x小于x0事件的概率：
F（x 降水量为0时的事件概率由下式估计：
F（x=0）=m/n（6）式中，m为降水量为0的样本数，n为总样本数。对Γ分布概率进行正态标准化处理，即将（5）、（6）式求得的概率值代入标准化正态分布函数，得出：
F（x 对（7）式进行近似求解可得：z=St-（c2t+c1）t+c0[（d3t+d2）t+d1]t+1.0（8）
其中，t=ln1F2，F为（5）和（6）式求得的概率；S=-1，c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。
2 结果与分析
2.1 旱涝年变化特征
1962—2015年聊城全市年平均降水量为562 mm，年SPI变化呈较大的波动，最大值为1964年（特涝，2.11），最低值为2002年（重旱，-1.92）。其中重涝以上的年份有1964、1971、1990、2003年；重旱以上的年份有1992、1999、2001、2002、2006年；中涝的年份有1973、1990、2000、2010年；中旱的年份有1965、1968、1972、1986、1989、1995、1997、2015年。M-K趋势检验（图1）发现，年尺度SPI突变的年份有1965、1971、1973、1974、2008、2015年，1962—1965年UF大于零，说明降水有增加趋势；1965年后UF一直小于零，期间有所增加但整体处于零以下，说明降水呈减少趋势，但均未能通过显著性水平检验，表明减少的趋势不够显著。从图2可以看出，年尺度SPI中存在较为显著的3、4年低频主振荡周期和6、7、10年的中尺度周期以及44年未闭合的长周期，表明未来这一周期还将继续。
2.2 旱涝季节变化特征
1962—2015年聊城全市春季、夏季、秋季和冬季的降水量分别为88、354、103、17 mm，冬季、夏季、秋季降水呈现缓慢的下降趋势，春季降水呈现略微上升的趋势。
春季SPI突变检验（图3a）显示，中涝以上的年份有1963、1964、1983、1985、1990、1998、2003、2009年，其中SPI最大值为1964年（2.38），属于特涝；中旱以上的年份有1962、1965、1974、1978、1981、2001、2010年，最小值为2001年（-2.37），属于特旱。UF值大于零，表明春季降水量呈现增加的趋势，涝的年份多于旱的年份，但并未通过显著性检验，说明春季降水增加不显著，总体上呈现春旱减弱趋势。小波分析发现，近54年聊城地区春季旱涝交替呈现5年主周期和3、24年辅周期。
夏季SPI突变检验（图3b）显示，中涝以上的年份有1964、1971、1973、1990、2010、2013年，其中最大值为1971年（2.06），属于特涝；中旱以上的年份有1968、1972、1983、1992、1997、1999、2006年，其中最小值为1997年（-2.27），属于特旱。M-K检验中多数年份UF小于零，个别年份大于零，整体呈现下降的趋势，但并未通过显著性检验。夏季雨涝发生次数高于干旱的频率，但突发性特旱时有发生。小波分析發现，近54年聊城地区夏季SPI出现3年低频主振荡周期、15年中尺度、44年长周期。
秋季SPI突变检验（图3c）显示，中涝以上的年份有1964、1969、1974、1983、1985、1993、2000、2003、2005、2011、2014年，其中最大值为2003年（2.13）；中旱以上的年份有1963、 1966、1981、1988、1989、1998、2002、2006、2013年，其中最小值为1988年（-2.38）。1962—1977年UF值在零值线上下频繁波动，说明旱涝变化频繁，1977年以后UF小于零，降水呈现下降趋势，下降的趋势未通过显著性检验。秋季干旱次数及量级高于雨涝，整体表现为干旱趋势的增加。小波分析发现，近54年聊城地区秋季SPI出现3、10年的周期性变化，其中10年的中尺度周期最为明显。
冬季SPI突变检验（图3d）显示，中涝以上的年份有1974、1976、1979、1990、2001年，中旱以上的年份有1980、1988、1995、1996、1999年。1962—1971年UF小于零，降水呈现下降趋势，但下降的趋势未通过显著性检验；1972—1982年UF值大于零，降水呈现上升趋势；1983—2015年UF小于零，降水又开始有下降的趋势，但下降的趋势并不明显，未通过显著性检验。整体上，冬季旱涝交替明显，特旱极值发生概率较高。小波分析发现，近54年聊城地区冬季SPI出现3、14年的周期性变化，其中3年的周期最为明显。 2.3 旱涝空间变化特征
从图4可以看出，高唐县干旱发生次数最多，其次为阳谷县及东阿县，中西部县干旱发生次数相对较少；年尺度的雨涝呈现南北分布，南部的阳谷县、东阿及莘县雨涝次数高于北部县，其中位于中间位置的聊城市次数相对较少。
季节尺度干旱次数分布（图5）显示，近54年聊城地区春季干旱发生次数最多，为19次，夏季干旱相对少，冬季与秋季发生干旱次数相差不大，但量级上秋季略大于冬季。春季干旱：中部及東部县发生干旱次数多于西南部县；夏季干旱：北部县发生频率高于南部县；秋季与冬季干旱分布较为一致，都是西部县发生干旱次数高于东部县。
季节尺度雨涝次数分布（图6）显示，近54年聊城地区夏季雨涝发生频率最高且量级最大；春季雨涝次数较少，量级也最小，基本上处于轻涝的级别；冬季与秋季发生雨涝次数基本相当，量级上冬季的雨涝大于秋季，主要是聊城地区冬季降雪较为明显。空间分布，春季雨涝发生次数较多的集中在中部及东部县；夏季雨涝发生次数最多的为阳谷，临清及高唐次之；秋季雨涝次数最多的为临清，其次为南部几个县；冬季雨涝分布较多的为南部的莘县、阳谷，北部县发生雨涝次数相对较少。
3 结论
采用SPI作为旱涝评价因子，对1962—2015年聊城地区54年旱涝时空特征进行分析，结果表明，SPI年均值呈减少趋势，小波分析中年尺度SPI中存在较为显著的3、4年低频主振荡周期及44年未闭合长周期，表明未来干旱的趋势还将继续。
旱涝季节变化：春季降水呈现不明显的增加趋势，春旱趋势转弱；夏季降水整体趋势减少，但夏季突发性旱涝增加；秋、冬季节整体均呈现不明显的下降趋势，秋季干旱呈现增加趋势，冬季降水在近几年开始有增加的趋势，冬旱近几年及未来趋势会有所减弱。
年均旱涝空间变化：年尺度干旱分布中，高唐县干旱发生次数最多，其次为阳谷县及东阿县，中西部县干旱发生次数相对较少；年尺度的雨涝分布中，阳谷县及东阿县雨涝较多，聊城市次数分布相对较少。季节旱涝空间变化：春季雨涝发生次数较多的集中在中部及东部县，夏季雨涝发生次数较多的为北部及南部县；秋季雨涝次数最多的为临清，其次为南部几个县；冬季雨涝分布较多的为南部的莘县、阳谷。
旱涝是大气圈、水圈、岩石圈和生物圈共同作用的过程[12]，该研究仅从降水因素分析旱涝特征，没有考虑水文及灌溉等因素的影响，以后将结合其他旱涝指标进行深入分析，进一步研究鲁西地区旱涝时空演变特征。
参考文献
[1] 杜海波.全球气候变化背景下东北地区极端气候事件研究[D].长春：东北师范大学，2015.
[2] 章国材.防御和减轻气象灾害：2006年世界气象日主题[J].气象，2006，32（3）：3-5.
[3] 翟禄新，冯起.基于SPI的西北地区气候干湿变化[J].自然资源学报，2011，26（5）：847-857.
[4] 黄荣辉，蔡榕硕，陈际龙，等.我国旱涝气候灾害的年代际变化及其与东亚气候系统变化的关系[J].大气科学，2006，30（5）：730-743.
[5] 安华.华北地区旱涝时空变化特征及趋势判断[D].西安：陕西师范大学，2013.
[6] 林琳.近30年我国主要气象灾害影响特征分析[D].兰州：兰州大学，2013.
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王芝兰，王劲松，李耀辉，等.标准化降水指数与广义极值分布干旱指数在西北地区应用的对比分析[J].高原气象，2013，32（3）：839-847.
[8] 李楠，邱新法，纪凡华，等.鲁西平原参考作物蒸散量变化及气候影响分析[J].湖北农业科学，2015（8）：1852-1856.
[9] 孙泽龙.聊城市水资源评价与供需平衡分析[D].北京：中国农业大学，2005.
[10] 王媛媛，张勃.基于标准化降水指数的近40a陇东地区旱涝时空特征[J].自然资源学报，2012，27（12）：2135-2144.
[11] 黄晚华，杨晓光，李茂松，等.基于标准化降水指数的中国南方季节性干旱近58a演变特征[J].农业工程学报，2010，26（7）：50-59.
[12] 冯明.气候变化对水文水资源的影响研究[D].武汉：武汉大学，2004.
关键词 旱涝；标准化降水指数；时空特征；鲁西地区
中图分类号 P426.616 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）06-0190-04
Analysis of Spatial and Temporal Characteristics of Drought and Flood in Luxi Area Based on Standardized Precipitation Index
LI Hui， LI Nan*， HAN Xue-lei et al
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Abstract By using monthly precipitation data of 8 stations in Luxi area during 1962-2015， standard precipitation index （SPI） in each month was calculated. On the basis of this， SPI of whole year and each season was analyzed. The spatial and temporal distribution characteristics of drought and flood were analyzed by using M-K mutation test， wavelet analysis， and ArcGIS spatial interpolation method. The results showed that： SPI in spring presented an increasing trend， and the rest of the season and the average annual showed a decreasing trend. In spatial distribution， drought times in eastern counties was higher than that of western counties， waterlogging presented south-north distribution， and the occurrence times in southern counties was higher than that in northern counties. As for seasonal drought and flood distribution， spring and summer drought occurred in eastern and southern counties， autumn and winter drought concentrated in northwestern counties；seasonal floods more frequently occurred in southern and eastern counties.
Key words Drought and flood；Standardized precipitation index（SPI）；Temporal and spatial characteristics；Luxi area
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聊城地处中原腹地、山东省西部（35°47′～37°03′ N、115°16′～116°30′ E），是主要的粮食产区[8]。处于暖温带季风气候区，四季分明，夏季高温多雨，易出现局部内涝；冬季寒冷干燥，春秋季降水偏少、干旱多风[9]。该地区旱涝灾害频发，对农业生产造成严重危害。笔者根据聊城地区54年来的逐月降水数据，采用SPI分析了该地区的旱涝时间特征及规律，以期为减轻旱澇灾害损失和政府防灾减灾提供科学依据。
1 资料与方法
1.1 资料来源
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1.2 分析方法
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f（x）=1βγΓ（γ）xγ-1e-x/β（1）其中，x>0；β>0、γ>0，分别为尺度和形状参数，可用极大似然估计方法求得：
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F（x
F（x=0）=m/n（6）式中，m为降水量为0的样本数，n为总样本数。对Γ分布概率进行正态标准化处理，即将（5）、（6）式求得的概率值代入标准化正态分布函数，得出：
F（x
其中，t=ln1F2，F为（5）和（6）式求得的概率；S=-1，c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。
2 结果与分析
2.1 旱涝年变化特征
1962—2015年聊城全市年平均降水量为562 mm，年SPI变化呈较大的波动，最大值为1964年（特涝，2.11），最低值为2002年（重旱，-1.92）。其中重涝以上的年份有1964、1971、1990、2003年；重旱以上的年份有1992、1999、2001、2002、2006年；中涝的年份有1973、1990、2000、2010年；中旱的年份有1965、1968、1972、1986、1989、1995、1997、2015年。M-K趋势检验（图1）发现，年尺度SPI突变的年份有1965、1971、1973、1974、2008、2015年，1962—1965年UF大于零，说明降水有增加趋势；1965年后UF一直小于零，期间有所增加但整体处于零以下，说明降水呈减少趋势，但均未能通过显著性水平检验，表明减少的趋势不够显著。从图2可以看出，年尺度SPI中存在较为显著的3、4年低频主振荡周期和6、7、10年的中尺度周期以及44年未闭合的长周期，表明未来这一周期还将继续。
2.2 旱涝季节变化特征
1962—2015年聊城全市春季、夏季、秋季和冬季的降水量分别为88、354、103、17 mm，冬季、夏季、秋季降水呈现缓慢的下降趋势，春季降水呈现略微上升的趋势。
春季SPI突变检验（图3a）显示，中涝以上的年份有1963、1964、1983、1985、1990、1998、2003、2009年，其中SPI最大值为1964年（2.38），属于特涝；中旱以上的年份有1962、1965、1974、1978、1981、2001、2010年，最小值为2001年（-2.37），属于特旱。UF值大于零，表明春季降水量呈现增加的趋势，涝的年份多于旱的年份，但并未通过显著性检验，说明春季降水增加不显著，总体上呈现春旱减弱趋势。小波分析发现，近54年聊城地区春季旱涝交替呈现5年主周期和3、24年辅周期。
夏季SPI突变检验（图3b）显示，中涝以上的年份有1964、1971、1973、1990、2010、2013年，其中最大值为1971年（2.06），属于特涝；中旱以上的年份有1968、1972、1983、1992、1997、1999、2006年，其中最小值为1997年（-2.27），属于特旱。M-K检验中多数年份UF小于零，个别年份大于零，整体呈现下降的趋势，但并未通过显著性检验。夏季雨涝发生次数高于干旱的频率，但突发性特旱时有发生。小波分析發现，近54年聊城地区夏季SPI出现3年低频主振荡周期、15年中尺度、44年长周期。
秋季SPI突变检验（图3c）显示，中涝以上的年份有1964、1969、1974、1983、1985、1993、2000、2003、2005、2011、2014年，其中最大值为2003年（2.13）；中旱以上的年份有1963、 1966、1981、1988、1989、1998、2002、2006、2013年，其中最小值为1988年（-2.38）。1962—1977年UF值在零值线上下频繁波动，说明旱涝变化频繁，1977年以后UF小于零，降水呈现下降趋势，下降的趋势未通过显著性检验。秋季干旱次数及量级高于雨涝，整体表现为干旱趋势的增加。小波分析发现，近54年聊城地区秋季SPI出现3、10年的周期性变化，其中10年的中尺度周期最为明显。
冬季SPI突变检验（图3d）显示，中涝以上的年份有1974、1976、1979、1990、2001年，中旱以上的年份有1980、1988、1995、1996、1999年。1962—1971年UF小于零，降水呈现下降趋势，但下降的趋势未通过显著性检验；1972—1982年UF值大于零，降水呈现上升趋势；1983—2015年UF小于零，降水又开始有下降的趋势，但下降的趋势并不明显，未通过显著性检验。整体上，冬季旱涝交替明显，特旱极值发生概率较高。小波分析发现，近54年聊城地区冬季SPI出现3、14年的周期性变化，其中3年的周期最为明显。 2.3 旱涝空间变化特征
从图4可以看出，高唐县干旱发生次数最多，其次为阳谷县及东阿县，中西部县干旱发生次数相对较少；年尺度的雨涝呈现南北分布，南部的阳谷县、东阿及莘县雨涝次数高于北部县，其中位于中间位置的聊城市次数相对较少。
季节尺度干旱次数分布（图5）显示，近54年聊城地区春季干旱发生次数最多，为19次，夏季干旱相对少，冬季与秋季发生干旱次数相差不大，但量级上秋季略大于冬季。春季干旱：中部及東部县发生干旱次数多于西南部县；夏季干旱：北部县发生频率高于南部县；秋季与冬季干旱分布较为一致，都是西部县发生干旱次数高于东部县。
季节尺度雨涝次数分布（图6）显示，近54年聊城地区夏季雨涝发生频率最高且量级最大；春季雨涝次数较少，量级也最小，基本上处于轻涝的级别；冬季与秋季发生雨涝次数基本相当，量级上冬季的雨涝大于秋季，主要是聊城地区冬季降雪较为明显。空间分布，春季雨涝发生次数较多的集中在中部及东部县；夏季雨涝发生次数最多的为阳谷，临清及高唐次之；秋季雨涝次数最多的为临清，其次为南部几个县；冬季雨涝分布较多的为南部的莘县、阳谷，北部县发生雨涝次数相对较少。
3 结论
采用SPI作为旱涝评价因子，对1962—2015年聊城地区54年旱涝时空特征进行分析，结果表明，SPI年均值呈减少趋势，小波分析中年尺度SPI中存在较为显著的3、4年低频主振荡周期及44年未闭合长周期，表明未来干旱的趋势还将继续。
旱涝季节变化：春季降水呈现不明显的增加趋势，春旱趋势转弱；夏季降水整体趋势减少，但夏季突发性旱涝增加；秋、冬季节整体均呈现不明显的下降趋势，秋季干旱呈现增加趋势，冬季降水在近几年开始有增加的趋势，冬旱近几年及未来趋势会有所减弱。
年均旱涝空间变化：年尺度干旱分布中，高唐县干旱发生次数最多，其次为阳谷县及东阿县，中西部县干旱发生次数相对较少；年尺度的雨涝分布中，阳谷县及东阿县雨涝较多，聊城市次数分布相对较少。季节旱涝空间变化：春季雨涝发生次数较多的集中在中部及东部县，夏季雨涝发生次数较多的为北部及南部县；秋季雨涝次数最多的为临清，其次为南部几个县；冬季雨涝分布较多的为南部的莘县、阳谷。
旱涝是大气圈、水圈、岩石圈和生物圈共同作用的过程[12]，该研究仅从降水因素分析旱涝特征，没有考虑水文及灌溉等因素的影响，以后将结合其他旱涝指标进行深入分析，进一步研究鲁西地区旱涝时空演变特征。
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