图1 云南省气象站点空间分布及其分区
王理萍1,2，王树仿3，王新华1，张刘东1，王福来1
(1.云南农业大学 水利学院，昆明 650201；2.河海大学 水文水资源学院，南京 210098；3.河海大学 水利水电学院，南京 210098）
摘 要：干旱指数是研究干旱的核心和基础，但其计算表达方式多样，并且不同的干旱指数具有一定的使用条件和范围，因此筛选适合云南省干旱监测的干旱指数，对干旱预警及该地区的干旱研究具有重要意义。利用云南省29个气象站点1960年1月—2014年12月降水和气温的月平均资料，在月尺度上计算并对比分析了5种干旱指数在不同地区、不同季节的适用性。结果表明，冬春季，在滇西北和滇东北地区，优先选择SPI；在滇中地区，建议选用SPI和Pa；在滇西南地区，Pa的适用性优于其他4种指数；在滇东南地区，CInew的监测效果较好。夏秋季，除在滇西北地区建议使用SPI外，在其他地区SPEI的适用性更强。SPI对2009年11月—2010年3月冬春连旱干旱演变过程的描述能力略优于其他4种指数。
关 键 词：干旱指数；月尺度；适用性；对比分析
干旱作为最常见、最严重的自然灾害之一[1-2]，是目前研究的热点。随着全球气候变化，重大干旱事件发生的强度、频率和范围逐渐加重，云南地处云贵高原主体，受其地形地貌条件、气候等因素的影响，已成为干旱灾害频发及多发的地区之一[3]，尤其是2009—2012年连旱，经济损失严重。干旱指数是研究干旱的核心和基础，是旱情的定量化表达，目前能对干旱事件进行描述的干旱指数已有近百种[4]。常用的气象干旱指数主要包括：降水距平百分率（Pa）[5]、标准化降水指数（SPI）[6]、帕尔默旱度指数（PDSI）[7]、相对湿润度指数（MI）[5]、综合气象干旱指数（CI）[5]和标准化降水蒸散指数（SPEI）[8]等。Pa、SPI指数仅考虑降水的影响，但计算简便，数据资料较易获取。PDSI、MI、CI和SPEI不仅考虑了降水，还兼顾了温度对干旱的作用。但PDSI的适用范围仅是干旱半干旱地区，计算需要的土壤资料较多，不易获取，且时间尺度单一，这些局限性导致该指数很难在实际应用中推广。CI适用性强，但存在干旱强度和范围比实际偏重，干旱开始和结束的时间与实际不符的问题。为此，通过对SPI的累积降水序列重新赋予权重，并将MI30分为3个逐旬进行优化计算后，得到改进的综合气象干旱指数，避免了原CI的不足[9]；通过改变权重系数并引入SPI60对CI进行改进后，在陕西省的适用效果较好[10]。SPEI具备了SPI的时间多尺度性，计算时兼顾了蒸发因素，是目前应用较理想的一个干旱指数，但对降水敏感度高，冬季应用性欠佳。
图1 云南省气象站点空间分布及其分区
为能客观反映不同地区的干旱变化特征，有必要验证干旱指数在特定区域的适用效果。以往研究多是针对我国北方、江淮、黄河流域等区域的干旱指数适用性分析[11-16]，以云南省为研究区的相关论述甚少[17-18]。因此，拟在现有研究基础上，分析比较5种干旱指数在云南省干旱过程中的适用性效果，以期为该地区干旱监测、预警及防灾减灾工作提供参考。
根据《中国气象地理区划手册》，将云南省划分为滇西北、滇西南、滇中、滇东北及滇东南5个地区分别进行研究。选取降水距平百分率（Pa）、相对湿润度指数（MI）、标准化降水指数（SPI）、标准化降水蒸发指数（SPEI）和改进后的综合气象干旱指数（CInew）共5种干旱指数进行对比分析。气象数据来源于国家气象信息中心提供的云南省1950—2014年月值数据集，综合考虑站点空间分布的代表性及资料序列的完整性、一致性、可靠性，经严格质量控制后，选取云南省1960年1月—2014年12月29个站点降水和气温的月平均资料。旱情资料[19-21]源自《中国气象灾害大典》（云南卷）、《云南水干旱灾害》等。研究区及站点分布见图1。
Pa、MI和SPI指数在国内外应用广泛，具体计算方法、物理意义及干旱等级划分标准见文献[5-6]。CInew指数在原CI计算式的基础上引入60 d标准化降水指数，并根据季节的不同变化对各变量的权重系数进行调整，具体计算及干旱等级划分标准详见文献[10]。SPEI指数采用三参数的Log-Logistic概率密度函数f(x)来描述月降水与月潜在蒸散量差值的变化，得到月水分平衡量的概率分布函数F(x)，经正态标准化处理后得到SPEI值，其计算过程及干旱等级划分标准见文献[8]。5种干旱指数均采用MATLAB R2010a编程求得。
表1 1960—2014年云南省干旱事件
注 *为重大干旱事件。
基于文献[19-21]，选取1960—2014年云南省的17个典型干旱年（表1），把每个典型年内干旱程度重，持续时间长，影响范围大的月份作为典型干旱月（共26个月），在月尺度上分析判断各个干旱指数监测到的干旱等级与干旱事实的吻合程度，以此评价5种干旱指数在研究区的适用效果。
以云南省实际旱情的记录为标准，对表1列出的17个典型干旱年，分别计算5个干旱指数在月尺度上的监测值，根据各指数对应的干旱等级标准，得到相对应的干旱等级[5-6,8,10]，然后再逐一和表1中所描述的实际旱情进行比较分析，从而得出适用于不同地区和月份的干旱指数。由于干旱月份较多，重点选取发生重大干旱事件的1979年5月、1993年12月及2010年2月进行分析。
图2是1979年5月5种干旱指数的干旱监测结果，对比实际干旱情况发现，Pa及MI监测结果基本一致，除在滇西北地区比实际旱情偏重外，其他4个地区均比实际旱情偏轻。SPI在滇西北地区与实际旱情基本吻合；在滇西南地区实际有干旱发生，但SPI未能监测到旱情，即在该地区记为漏监测；在其他3个地区均比实际旱情偏轻。SPEI除在滇西北地区比实际旱情偏重外，在其他4个地区均与实际旱情基本吻合。CInew在滇西南和滇中地区出现漏监测；在其他3个地区总体均表现为比实际旱情偏轻。
图2 1979年5月5种干旱指数监测结果
图3 是1993年12月5种干旱指数的干旱监测结果。对比实际旱情发现，Pa在滇西北地区比实际旱情偏重；在滇东北、滇东南和滇中地区比实际旱情偏轻；在滇西南地区与实际旱情基本吻合。MI在滇西北地区比实际旱情偏重；在滇东南比实际旱情偏轻；在滇西南、滇东北和滇中地区与实际旱情吻合。SPI在滇西北地区比实际旱情偏重；在滇西南比实际旱情略偏轻；在滇东北、滇东南和滇中地区与实际旱情基本吻合。SPEI在滇西北地区与实际旱情基本吻合；在滇东南及滇东北地区出现漏监测；在其他2个地区均比实际旱情偏轻。CInew除在滇西北地区比实际旱情偏重外，在其他4个地区与实际旱情基本吻合。
图3 1993年12月5种干旱指数监测结果
图4 2010年2月5种干旱指数监测结果
图4是5种干旱指数对2010年2月干旱监测的结果，与实际干旱情况进行对比发现，Pa在滇西北的德钦、贡山、中甸和维西均比实际旱情偏重；在滇西南和滇东南地区比实际旱情偏轻；在滇东北和滇中地区与实际旱情吻合。MI在滇西北、滇中和滇东北地区与实际旱情吻合；在滇西南和滇东南地区比实际旱情偏轻。SPI除在滇东北与实际旱情基本吻合外，在其他4个地区均比实际旱情偏轻。SPEI在滇中地区与实际旱情吻合；在滇东北地区出现漏监测，在其他3个地区均比实际旱情偏轻。CInew除在滇西南、滇中比实际旱情略偏轻外，在其他3个地区均与实际旱情较吻合。
综上所述，对表1中列出的除上述3个月以外的其余23个典型干旱月的干旱事件分别进行比较分析，由于文章篇幅所限，仅列出最后的对比结果（表2）。
表2 5种干旱指数在不同地区的干旱监测效果比较
注 (1)数字a/26表示该指数在该地区对26个典型干旱事件的监测结果；(2)加粗数字表示该指数在该地区监测效果最好。
由表2可知，针对每个研究区，选出在该地区吻合率最高，偏轻率、偏重率和漏率最低的指数，即为最适宜在该地区使用的干旱指数。滇西北地区，SPI的监测效果最好，其吻合率最高，偏轻率、漏率最低；尽管CInew偏重率最低，但其吻合率低，偏轻率高，且存在漏率，因此不建议采用该指数的监测结果。滇西南地区，SPEI的吻合率最好，漏率最低，其次是Pa；CInew的偏重率虽为最低，但其漏率、偏轻率最高，吻合率较低，不建议使用。SPEI的偏轻率主要发生在冬春季，而Pa的偏重率主要发生在夏秋季，故在该地区不同季节的干旱监测中最适宜选用SPEI和Pa。滇中地区，SPEI为首选，其次是SPI和Pa；SPEI的偏轻率主要发生在冬春季，SPI的漏率、偏轻率及Pa的偏轻率主要发生在夏秋季。因此该地区的夏秋季优先选择SPEI，冬春季选择SPI和Pa。滇东北地区，SPEI的吻合率最好，偏轻率最低，其次是SPI；CInew虽然未出现监测结果偏重的情况，但其吻合率较低，偏轻率和漏率最高，不适合在该地区使用。对比分析发现，SPEI的漏监测主要发生在冬春季；SPI的漏监测主要发生在夏秋季。由此在该地区不同季节的干旱监测中分别选用SPEI和SPI效果更好。滇东南地区，SPEI和CInew为首选，分析发现，CInew的漏率和偏轻率主要发生在夏秋季，SPEI的漏率和偏轻率主要发生在冬春季。因此在该地区不同季节中可分别用SPEI和CInew进行干旱监测。具体不同研究区不同季节所适宜的干旱指数见表3。
表3 不同研究区不同季节适宜的干旱指数
2009年11月—2010年3月，云南省发生了罕见的特大持续性干旱，为进一步比较各指数对这次干旱事件演变过程的描述能力，选取大理、澜沧、昆明、会泽和屏边为代表站，用各站实际旱情与5种干旱指数所监测的干旱等级进行单站干旱演变对比分析。5个代表站点在空间上分属不同的研究区，且具有不同的气候特征，对计算结果的分析有重要意义。
图5为各代表站实际旱情与5种干旱指数对干旱程度的描述情况对比图。将表1中对干旱事实的描述转化为相对应的干旱等级，0是无旱，1是轻旱，2是中旱，3是重旱，4是特旱，若实际旱情为轻到中旱，在图5中以1～2的区间表示，以此类推。
图5 2009年11月—2010年3月代表站实际干旱等级及各种干旱指数干旱等级演变
由图5（a）可知，大理站（滇西北）SPI对干旱过程的监测与实际最吻合；CInew及SPEI在干旱发生、持续阶段监测的旱情较实际偏轻，SPEI偏轻程度更明显；Pa及MI的变化基本一致，均不能及时反映干旱的波动特征，具体表现为在干旱发生、持续阶段监测的旱情较实际偏重，在干旱加重阶段监测的旱情较实际偏轻。由图5（b）可知，在澜沧站Pa所反映的干旱过程与实际较接近；SPI、SPEI和CInew监测到的旱情仅在干旱发生阶段与实际相符，在干旱持续和加重阶段均较实际旱情总体偏轻。由图5（c）可知，在昆明站（滇中）SPI在2009年12月—2010年2月对干旱过程的描述与实际较吻合；SPEI监测到的旱情仅在干旱发生阶段与实际相符，在干旱持续和加重阶段均较实际旱情总体偏轻；CInew较实际旱情偏轻；Pa及MI的变化基本一致，监测结果较实际时而偏重或偏轻，不能真实反映干旱的变化特征。由图5（d）可知，在会泽站（滇东北），SPI对干旱过程的监测与实际最吻合；SPEI在干旱开始和结束阶段监测到的旱情与实际相符，但在2009年12月—2010年2月，较实际旱情偏轻，未反映出干旱的变化特征；MI的监测结果较实际偏重；其他2种指数较实际偏轻。由图5（e）可知，在屏边站（滇东南），CInew在2009年12月—2010年2月对干旱过程的描述与实际较吻合；SPEI监测到的旱情仅在干旱发生阶段与实际相符，在干旱持续和加重阶段均较实际旱情总体偏轻；SPI、Pa和MI的变化基本一致，均存在总体偏轻的情况。
综合来看，各指数在不同研究区对干旱演变过程的描述能力不相同，总体上SPI对干旱发展过程的描述能力略优于其他4种指数，在滇西北的大理站、滇中的昆明站、滇东北的会泽站SPI能较真实的刻画干旱变化过程。CInew在滇东南的屏边站2009年12月—2010年2月（冬季）对干旱发展变化过程的描述能力较强，对其他4个地区的干旱波动发展过程反映能力差。Pa和MI在滇西南的澜沧站对干旱过程的反映与实际较接近，对其他4个地区干旱发展过程的描述能力都较弱。SPEI仅在干旱开始和结束时监测到的旱情与实际相符，但在2009年12月—2010年2月（冬季）对降水的响应较慢，不能及时反映出各个研究区的干旱变化发展特征。主要原因在于不同季节、不同研究区对干旱指数的监测效果影响较大（表3），2009年11月—2010年3月发生的是冬春连旱，对照本研究表3中不同研究区在冬春季的适用指数，其适用性和单站旱情分析的结果一致。
1）从各干旱指数在不同研究区的监测结果来看，冬春季，滇西北和滇东北地区，SPI的干旱监测结果优于其他4种指数，与实际旱情吻合最好；滇中地区，SPI和Pa监测的干旱结果与实况最接近；滇西南地区，Pa更能真实监测到实际旱情；滇东南地区，CInew的监测效果较好。夏秋季，滇西北地区，SPI监测效果较好；滇西南、滇中、滇东北和滇东南地区，SPEI的监测效果优于其他4种指数。
2）从各指数对单个站点干旱演变过程的描述能力来看，SPI对干旱发展过程的描述能力略强于其他4种指数。SPI在滇西北、滇中及滇东北地区；CInew在滇东南地区；Pa和MI在滇西南能真实表征2009年11月—2010年3月冬春连旱的干旱发展变化过程。
每种干旱指数具有各自的优缺点，对比分析各指数在不同研究区不同季节的适用性，建立了适用于云南省分地区、分季节的干旱指数体系，为合理有效地开展干旱评估及干旱研究提供有效途径。但鉴于干旱形成过程的复杂性，且影响干旱的因素较多，各干旱指数所描述和表征的干旱情况和实际还有差距，因此仍然需要进一步对干旱指数的计算方法、阈值的确定及新指数的构造等方面进行深入研究。
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Feasibility Study of Five Drought Indices for Use in Yunnan Province
WANG Liping1,2,WANG Shufang3,WANG Xinhua1,ZHANG Liudong1,WANG Fulai1
（1.College of Water Conservancy,YunnanAgricultural University,Kunming 650201,China;2.College of Hydrology and Water Resources,Hohai University,Nanjing 210098,China;3.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）
Abstract：Drought indices are a critical parameter in drought research,but their calculation varies widely and the validation of every index is limited to certain conditions.In this paper,we analyzed the drought indices suitable for use in Yunnan Province.Five indices were examined,which are Pa,MI,SPI,SPEI and CInew,and their feasibility were analyzed based on precipitation and temperature measured monthly at 29 meteorological stations from anuary 1960 to December 2014 in different regions and seasons across the province.The results showed that in spring and winter,SPI was more suitable for northwest and northeast of the province.In contrast,SPI and Pa worked better for the central province,Pa was more appropriate for southwestern Yunnan,and CI newper formed better in southeast.In summer and autumn,SPI was more reliable in northwest,while the SPEI provided better results for other four regions.Our test also revealed that SPI predicted the serious droughts occurring in winters and springs in the province from December 2009 to March 2010 more accurately than other four indices.
Key words：drought indices;monthly scale;applicability;comparative analysis
中图分类号：P426.616
文献标志码：A
doi：10.13522/j.cnki.ggps.2017.07.020
文章编号：1672-3317（2017）07-0117-08
责任编辑：白芳芳
王理萍，王树仿，王新华，等.五种干旱指数在云南省的适用性分析[J].灌溉排水学报，2017，36（7）：117-124．
收稿日期：2016-11-09
基金项目：云南省应用基础研究计划项目（2013FD022）；云南省教育厅科学研究基金项目（2014Y207）
作者简介：王理萍（1987-），女，云南宣威人。讲师，博士研究生，研究方向为水文学及水资源。E-mail:wanglipingcg@163.com