本文采用标准化降水指数(Standardized Precipitation Index,SPI)来刻画西南岩溶区旱涝状况。SPI最早由McKee等^[15]提出,是在计算出某时段内降水量的Γ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干旱等级,详细计算过程参考文献[16]。

SPI具有多时间尺度特征,可用于不同时间尺度和地区旱涝特征的对比分析。本研究主要分析1,3,6,12个月和季节尺度SPI的旱涝演变特征。其中,春季为3—5月、夏季为6—8月、秋季为9—11月、冬季为12—2月。根据国家气象局制定的《气象干旱等级GB/T20481-2006》中的分级标准对旱涝等级进行划分(表1)。

表1 SPI旱涝等级划分

ANUSPLIN是澳大利亚科学家Hutchinson基于薄盘样条理论编写的针对气象数据曲面拟合的专用插值软件^[17],该软件可以引入多个影响因子进行气象要素空间插值,适用于长时间序列的气象数据插值^[18],已在不同区域的气象插值中得到广泛应用^[19-21]。因此,本文选用ANUSPLIN对1960—2019年的年际及季节SPI序列数据进行插值,样条次数为2,协变量为经度、纬度和高程,插值数据空间分辨率为1 km。

Sen-Median趋势分析与Mann-Kendall检验方法相结合,被广泛应用于气候变化和水文分析序列研究中,已成为长时间序列数据趋势分析的重要方法。两种方法用于SPI时间序列分析中,可以解释SPI长期变化趋势的显著性,详细计算方法参考文献^[22-23]。当Sen-Median趋势度β>0时,表示时间序列呈上升趋势,反之呈下降趋势,变化趋势的显著性用Mann-Kendall方法进行检验。对检验统计量Z,在给定α置信水平上,如果|Z|≥Z_1-α/2,表示研究序列在α水平上存在显著变化。本文判断α=0.05置信水平上SPI时间序列变化趋势的显著性。

Hurst指数是定量描述时间序列信息长程依赖性的有效方法。基于重标极差分析法(Rescaled Range Analysis Method,R/S)的Hurst指数最早由英国水文学家Hurst在研究尼罗河水文问题时提出,后Mandelbrot在理论上对该方法进行了补充和完善。具体计算原理参考文献[24-25]。

Hurst指数H取值范围为0<H<1,当H=0.5时,表明序列是完全随机序列,不具有持续性,对过去的趋势没有依赖性; H>0.5时,意味着未来的变化情况与过去一致,即持续性,H越接近1,持续性越强; 而0<H<0.5时,意味着未来的变化情况与过去相反,即反持续性,H越接近0,反持续性越强。

基于1960—2019年的气象观测数据,计算得到西南岩溶区不同时间尺度SPI序列值(图2)。从图2可以看出,不同时间尺度SPI值随时间变化的敏感性存在显著差异,时间尺度越小,波动幅度越大。

1个月尺度的SPI₁值在0上下频繁波动,表明受短期降水影响较大,旱涝交替比较频繁,并且以1 a为周期表现出周期变化的特点。这主要是因为SPI₁值在计算过程中没有考虑前期降水的影响,各月降水随机性比较强,因而时间持续性较弱。研究时段内,1963年1月为最旱月份,SPI₁值为-1.65,达到重旱等级; 2015年12月为最涝月份,SPI₁值为1.32,达到中涝等级。统计结果表明,1960—2019年1个月尺度的旱涝事件发生的频次为:重旱1次、中旱14次、轻旱300次、正常490次、轻涝306次、中涝39次,旱涝月份占研究总时长的31.94%; 其中,中旱主要发生在秋季,轻旱在四季发生的次数差异不大,轻涝在冬季发生的次数稍多于其他3个季节,中涝主要发生在冬季和秋季。

3个月尺度的SPI₃能够反映季节尺度的水分盈亏情况,可以较好地反映短期农业旱涝特征。从图2可以看出,SPI₃的波动特点与SPI₁相似,但波动频率较小。在研究时段内,2011年9月为最旱月,SPI₃值为-1.51,达到重旱等级。统计结果表明,1960—2019年季节尺度的旱涝事件发生的频次为:重旱1次、中旱17次、轻旱94次、正常509次、轻涝84次、中涝13次,旱涝月份占研究总时长的29.11%; 其中,中旱、轻旱和轻涝在四季均有发生,中旱在春季发生频率最高、夏季最少,轻旱在冬季和春季发生频率高、在夏季发生频率较低,轻涝在春季发生频率最高、在夏季最低,中涝主要发生在冬季和春季。

SPI₆能够反映半年尺度的旱涝情况,旱涝变化未表现出明显的周期性特点。研究时段内,2011年8月为最旱月,SPI₆值为-1.57,达到重旱等级,2016年4月为最涝月,SPI6值为1.41,达到中涝等级。此外,出现重旱的年份还有2011年9月、2010年2月。统计结果表示,1960—2019年半年尺度的旱涝事件发生的频次为:重旱3次、中旱16次、轻旱65次、正常555次、轻涝68次、中涝8次,旱涝月份占研究总时长的22.38%; 其中,重旱在夏、秋和冬季各1次,轻旱在春季发生的频率高于其他季节,轻涝在春、夏两季发生的频率略高于秋、冬两季,中涝集中发生在春季和冬季。

SPI₁₂代表了长时间内的水分盈亏情况,可以很好地反映降水量对于土壤墒情和地下水量变化的影响,能反映年尺度旱涝变化特点。从图2可以看出,2011年12月是最旱月份,SPI12值为-1.51,达到重旱等级; 2016年7月为最涝月,SPI12值为1.20,达到中涝等级。连续时间大于等于5个月的旱涝事件主要为:1963年1—12月(中旱—轻旱—中旱—轻旱),1968年7月—1969年3月(轻涝),1973年7月—1974年3月(轻涝),1983年7—12月(轻涝),1988年11月—1989年3月(轻旱),1992年11月—1993年6月(轻旱),1998年6—11月(轻涝),2002年12月—2003年4月(轻涝),2003年12月—2004年4月(轻旱),2009年9月—2010年8月(轻旱—中旱—轻旱),2011年7月—2012年6月(中旱—重旱—中旱—轻旱),2015年12月—2016年12月(轻涝—中涝—轻涝—中涝—轻涝)。统计结果表示,1960—2019年年尺度的旱涝事件发生的频次为:重旱1次、中旱20次、轻旱65次、正常554次、轻涝65次、中涝4次,旱涝月份占研究总时长的21.86%; 其中,中旱、轻旱四季发生频率基本相同,轻涝在冬秋两季发生频率略高于春夏两季,中涝集中发生在春、夏、秋三季。

图2 SPI1,SPI3,SPI6和SPI12时间变化特征

从图3可以看出,1960—2019年西南岩溶区年际SPI值波动频繁,呈不显著下降趋势,线性倾向率为-0.016/10 a,说明60 a来研究区干旱程度呈不显著增加趋势。对年际SPI曲线进行5 a滑动平均,可以看出明显的阶段特征,1989年、2002年和2013年SPI出现明显的转折,表现出下降—上升—下降—上升的趋势。研究时段内,旱涝事件发生的频次为:重旱1次、中旱1次、轻旱5次、正常46次、轻涝7次; 其中,重旱和中旱分别发生在2011年和2009年,SPI值分别达到-1.51,1.17; 轻旱主要分布在1960年、1963年、1988年、1992年、2003年。轻涝主要分布在1961年、1968年、1973年、1983年、2002年、2015年和2016年。整体看来,1960—2019年西南岩溶区呈现出由雨涝向干旱变化的趋势。

从季节变化特征来看(图4),春、秋两季SPI呈不显著下降趋势(p>0.05),下降速率分别为0.003/10 a和0.053/10 a; 夏、冬两季SPI呈不显著上升趋势(p>0.05),上升速率分别为0.000 8/10 a和0.04/10 a。

春季SPI在-1.17～0.70波动,旱涝呈交替发生的特点。旱涝事件发生的频次为:中旱2次、轻旱7次、正常42次、轻涝9次; 其中,中旱出现在1963年和2011年,SPI值分别为-1.12和-1.17; 轻旱主要出现在1960年、1969年、1979年、1986年、1988年、1991年和1995年; 轻涝主要出现在1961年、1970年、1973年、1975年、1978年、1981年、1990年、2002年和2016年。以上分析表明,春季干旱年份主要分布在20世纪60—90年代,雨涝年份主要分布在20世纪70年代。

图3 SPI年际变化特征

夏季旱涝波动明显,旱涝事件发生的频次为:中旱2次、轻旱5次、正常47次、轻涝6次; 其中,中旱发生在1972年和2011年,SPI值分别为-1.23和-1.15; 轻旱发生在1989年、1990年、1992年、2009年和2013年; 轻涝主要出现在1968年、1993年、1998年、1999年、2002年、2014年。以上分析表明,旱涝事件在20世纪90年代及21世纪初期发生频率较高。

秋季旱涝波动相对较小,旱涝事件发生的频次为:2009年发生中旱,SPI值为-1.38; 轻旱7次,发生年份为1974年、1992年、1996年、1998年、2003年、2005年和2007年; 轻涝7次,发生年份为1961年、1963年、1965年、1972年、1982年、1983年、2015年; 正常45次。以上统计表明,旱涝事件在20世纪60年代、90年代以及21世纪初期发生比较频繁。

冬季SPI在高低位之间震荡变化,旱涝交替显著。研究时段内,中旱1次,发生在2009年; 轻旱10次,发生年份为1963年、1969年、1974年、1979年、1986年、1994年、1996年、1999年、2010年、2013年; 中涝4次,主要发生在1983年、1993年、1995年、2016年; 轻涝7次,出现在1971年、1990年、1992年、1998年、2003年、2004年、2019年; 正常37次。通过以上统计数据可以看出,旱涝事件在20世纪90年代及21世纪初期发生频率较高。

图4 SPI季节变化特征