标准化降水指数在黑河地区的适用性研究

第34卷第3期2017年9月黑龙江气象HEILONGJIANG METEOROLOGYVol.34 No.3Sept. 2017文章编号：l〇〇2-252X(2017)03-0019-02标准化降水指数在黑河地区的适用性研究起山山,王志国，孙波(黑河市气象局，黑龙江黑河164300)摘要：对黑河地区6个气象站1967-2015年的逐月降水数据资料计算标准化降水指数，分析了SPI指数的时间序列特征，探讨了 SPI指数的适用性。

结果表明：（1)SPI指数在不同时间尺度下，对降水量的敏感性各有不同，较长时间序列指数能够更好的表现阶段性的干旱与雨涝持续时间。

(2)在适用性方面，SPI在评价过程中比p a指数更加敏感，评价等级相对较高，而SPI指数和土壤墒情指数结合使用对判断旱涝分布评价效果会更好。

关键词：标准化降水指数;SPI;适用性1引言干旱指数，一直是干旱监测、预测和研究中的重 要工具。

黑河市气象部门目前主要采用降水距平百 分率和土壤田间持水量来表征各地区的旱涝变化情 况。

在土壤田间持水量测定过程中人为操作误差及 采样随机性都会对结果产生影响，因此，干旱监测容 易受到人力和物力等多种因素制约，难以大范围的 进行旱情评估。

而基于降水资料的S P I指数计算简 单，稳定性好，具有多时间尺度和时空适用性等优势[1]，且不涉及具体的干旱机理，在国内外的干旱监测 中广受应用。

2研究资料与方法2.1 研究资料表1旱涝等级划分标准等级类型降水量距平指数(％)Pa SPI指数值1极涝90<Pa 2.0<SPI2重涝80<Pa矣90 1.5<SPI矣2.03中涝60<Pa矣80 1.0<SPI矣1.54轻湿40<Pa矣600.5<SPI矣1.05正常-40<Pa矣40-0.5<SPI 矣0.56轻旱-60<Pa矣-40-1.0<SPI矣-0.57中旱-80<Pa矣-60-1.5<SPI矣-1.08重旱-90<Pa矣-80-2.0<SPI矣-1.59特旱Pa矣-90SPI矣-2.0通过对黑河地区6个气象站1967-2015年降水 资料的整理，建立逐月降水量时间序列。

根据（GB/ T20481-2006)国家气象干旱等级划分标准进行评价 (见表1)。

2.2研究方法2.2.1标准化降水指数采用《气象干旱等级》(GB/T20481-2006)中SPI 的计算方法，计算降水量距平（Pa)和不同时间尺度 下（1、3、6、12个月）的S P I值，分别记为S：P I1、SPI3、SPI6、SPI12。

将SPI1作为主要研究对象。

2.2.2 土壤墒情干旱指数由于墒情评价对不同作物不同生长阶段的评价 标准不同，本文采用《水利技术标准编写规定》(SL1—2002)标准中，小麦作物20 cm土壤深度为统 一标准。

土壤田间持水量按下式计算：0m= m2~mi x100%mi式中：0m—土壤田间持水量％ ;m u—烘干土质量gm2—湿样土质量g3结果与分析3.1 S P I指数变化特征不同时间尺度下的S P I指数能反映不同程度的收稿日期：2017-6-1第一作者简介：赵山山（1986-)，女，黑龙江省黑河市人，东北林业大学，硕士生，助理工程师.干旱过程和持续时间'在评价时，影响程度和时间 都是水分变化的影响因子。

本研究采用研究区内6 个站点S P I值的平均值来代表研究区域。

SPI1计算时，由于原理上不考虑前期降水的影 响，数值在0线上下波动性很强，随机性明显，时间 持续性很弱。

连续时间较长的干旱（为方便比较，取 连续3月为轻旱以上程度的时间段，以下同）发生在 1973 年 8-10 月、1976 年的 8-11 月、1992 年 3-5 月、2001年的9-11月、2005年的7-10月、2011年的2- 4月及8-10月。

连续较长时间的雨涝发生在1972年 9-11 月、1982 年 8-10 月、1987 年 11-1988 年 1 月、1994 年 9-11 月、1998 年 4-6 月、2003 年 7-9 月、2004 年 1-3 月、2009 年 1-3 月、2012 年 9 月-2013 年3月、2014年9-12月、2015年8-10月。

结果表 明，SPI1序列中干旱主要发生在夏秋季，而雨涝在四 季均有可能出现，但主要出现在秋季和冬季。

其中，25个重旱以上（SPI矣-1.5)的月份，多发生在秋季 (28%)和冬季（36%)，春季和夏季分别占16%和 20%，19个重涝以上（SPI>1.5)的月份有7个月多发 生在春季(36.8%),其次是冬季(31.6%),夏季和秋季 出现的概率持平（15.8%)。

对不同时间尺度的S P I指数研究表明，例如对 1998年雨涝的起始和结束时间的判断，SPI1始于4 月，结束于6月；SPI3始于5月，结束于8月；SH6始 于5月，结束于11月；SH12始于6月，结束于次年4 月。

王莺、李耀辉等研究表明在不同时间尺度下SPI 值对降水量的敏感性各有不同，时间尺度越小，一次 降水过程的影响就越显著，会导致S P I值产生较大变 化，甚至会产生正负波动；随着时间尺度增加，一次 降水过程的影响变小，只有在持续多次降水的情况 下才能使S P I值发生波动，因此较长时间尺度的SPI 可以用于长期水分状况的监测，具有一定的稳定性，而旱期或涝期的起始和结束时间相应延后也充分反 映了前期降水变化的累积影响[1]。

因此，时间越长的 尺度对水分监测的判定越清晰合理，而短期尺度的 敏感性可以用于对短期水分状况的评估监测中。

3.2适用性分析2013年黑河地区遭遇了洪涝灾害，2015年夏季 有阶段性旱情，造成一定面积的农作物减产甚至绝 收。

本研究利用S P I指数法、降水距平法、土壤墒情干 旱评价法，对2013年和2015年5-9月的气象干旱 等级进行对比评定。

结果表明三种方法的评定结论不完全一致（表2-3中空白表示正常评定结果）。

为方便与另外两个指数对比评价，只对SPI1进行讨论。

表2三种干旱指数对2013年夏季洪涝期间旱涝评定2013年夏季洪涝5月6月7月8月9月Spi中涝中涝中涝爱辉Pa中涝轻湿中涝R轻湿轻湿轻湿重涝Spi极涝孙吴Pa极涝R轻湿轻湿轻湿极涝Spi轻湿轻湿极涝逊克Pa轻湿极涝R轻湿轻湿轻湿极涝Spi重涝轻湿中涝嫩江Pa极涝中涝R轻湿轻湿重涝Spi轻湿轻湿中涝五市Pa轻旱轻湿R中涝轻湿轻湿极涝Spi重涝重涝中涝北安Pa轻旱中涝重涝极涝R轻湿极涝表3三种干旱指数对2015年夏季干旱期间旱涝评定2015年夏季干旱5月6月7月8月9月Spi中涝中涝中涝爱辉Pa中涝轻湿中涝R轻湿轻湿轻湿重涝Spi极涝孙吴Pa极涝R轻湿轻湿轻湿极涝Spi轻湿轻湿极涝逊克Pa轻湿极涝R轻湿轻湿轻湿极涝Spi重涝轻湿中涝嫩江Pa极涝中涝R轻湿轻湿重涝Spi轻湿轻湿中涝五市Pa轻旱轻湿R中涝轻湿轻湿极涝Spi重涝重涝中涝北安Pa轻旱中涝重涝极涝R轻湿极涝如表2所见，从2013年5-9月6个县站共30 个月中，发生涝情的有25个月，其中S P I与P a评价 的等级结果一致的有14次，一致率56%，评估不一(下转第44页）电压是否在6-8 V正常工作电压范围之内，再用万 用表的通断档，将表笔分别接在雨量插头的两极，翻动雨量计的计数翻斗，看干簧管是否有通断状态，若 没有应及时更换。

此外，还应检查雨量传感器是否水 平，如不水平则会造成雨量误差。

4.2温度传感器温度传感器是由传感线以及钼电阻组成的，温度 传感器是通过电阻的变化来对气温进行检测的，在对 其进行日常维护时首先需要对钼电阻的线缆进行检 查，一般钼电阻的电缆都是分为两组的并且没有明显的线序，维护过程中较为困难。

对温度传感器进行检 查是应当先对四脚的电阻值进行检测，由于温度不同 其电阻值也会随之变化，一般都在80-120 f t。

随着科学技术的进步，气象观测的准确性正在 不断上升，同时应用在气象观测方面的设备也在不 断升级，其精密程度也在不断加深，因此对于气象观 测设备的日常维护也就显得更加重要了。

气象观测 部门应当尽最大可能地对各类气象观测设备进行维 护从而使得其使用寿命和精准性方面能够得到保 证。

(上接第20页)致的11次结果中有10次都是S P I比P a重一个量 级，土壤墒情指数划分的等级与这两者中任意一个 一致的只有6次，不一致的有24次，且评价的轻重 程度不一。

另外，在汛情严重的8月份，6个地区中有 5个地区的S P I与P a评价结果一致，而土壤墒情指 数则显示评价结果偏高一个等级以上。

三种方法对2015年旱情的判定（表3)结果表 明，旱情主要发生在6月和7月，12个月中S P I指数 与P a指标的评定结果一致的有8个月，4次不一致 的结果中S P I都比P a评价结果高一个等级。

而土壤 墒情指数的评价结果高低并存。

根据民政部门的不完全统计，2013年7月和8 月受洪涝影响，爱辉和北安地区农作物减产3成左 右，而其他地区受灾面积在114847公顷以上，成灾 面积在80000公顷左右，绝收面积可达48000公顷。

2015年6-7月仅孙吴和逊克受干旱影响的成灾面积 就达5000公顷。

从2015年干旱评价结果中可见干 旱的影响程度逊于2013年洪涝灾害，重度灾害较 少。

通过上述对比发现，S P I在评价过程中比P a指 数更加敏感，评价等级相对较高。

此外，在S P I指数的 计算机理方面，是对降水量的标准化处理后转化为 正态函数，较长时间尺度的指数对降水量正态函数 的轴线附近不会有太明显摆动，因此，在短期内降水 过少或过多时，前期降水的累积效应对后期评价有 一定影响，能更连续性的反映土壤干湿状态。

而Pa，当本月降水为0或微量时，把评价结果判为特旱或 重旱，这就与S P I指数产生了明显差异。

另外，关于土 壤墒情指数，对于不同的作物在不同时期的发育进 程影响不同，不能用单一的指标进行判断，尤其在作物灌浆期或成熟收获期，对水分的需求也截然不同，短时期内差异可能比较大。

如果用单一的S P I指数或P a指数进行评价，对不同作物的评价结果是差距更明显的，而S P I指数可以对旱涝进行评估，再对作物利用土壤墒情指数进行评价，两者结合使用之后对农区的实用效果会更好。

4结论与讨论利用黑河地区1967-2015年的逐月降水资料对不同时间尺度的S P I指数进行了研究，并对其适用性进行了探讨，得出以下主要结论：(1) 不同时间尺度的S P I指数，对降水量的敏感 性各有不同。

随着时间尺度增加，一次降水过程对S P I的影响变小，只有在持续多次降水的情况下才能使S P I值发生波动，因此较长时间尺度的S P I可以用于长期水分状况的监测[1]，判断旱涝趋势变化的方向，实用性强。