馬景釗，郝 璐

（南京信息工程大學(xué)/江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044）

隨著全球氣候變暖加劇，干旱已成為人們密切關(guān)注的一種氣候現(xiàn)象。干旱的定義被分為多種[1-2]，其主要核心內(nèi)容為水分的缺失。干旱可分為4 種類型：氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱、社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱，具有發(fā)生頻率高、影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年的受旱面積大約為2 159.3 萬hm2，約占其他氣象災(zāi)害面積的60%[3]，對(duì)我國造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，因此干旱已然成為中國最主要的自然災(zāi)害之一。

干旱指數(shù)是研究干旱現(xiàn)象的基礎(chǔ)，是描述干旱的一種變量，是在特定的時(shí)空范圍內(nèi)建立出來的，所以在不同的地區(qū)有著相應(yīng)的時(shí)空尺度[4]。目前，常用的干旱指數(shù)達(dá)到55 種[5]，例如標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（standardized precipitation index, SPI)、標(biāo) 準(zhǔn) 化 降 水蒸散指數(shù)（standardized precipitation evapotranspiration index, SPEI)、帕爾默干旱指數(shù)（palmer drought severity index, PDSI)、綜合氣象干旱指數(shù)（comprehensive meteorological drought index, CI)、降水Z 指數(shù)等。其中由Mckee 等[6]提出的SPI 指數(shù)可以計(jì)算多種時(shí)間尺度上的干旱情況，可表征不同類型的干旱，計(jì)算簡(jiǎn)單，僅需降水量數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)在于僅考慮了降水這單一變量；Vicente-Serrano 等[7]在2010 年提出的SPEI 指數(shù)不僅擁有SPI 的優(yōu)點(diǎn)，而且在計(jì)算的過程中引入了潛在蒸散量這一變量，考慮了溫度對(duì)干旱的影響，在全球變暖的背景下他可以更準(zhǔn)確地識(shí)別出干旱事件，在大部分地區(qū)的干旱監(jiān)測(cè)中具有適用性。目前，已有眾多學(xué)者利用SPI 和SPEI 指數(shù)在不同地區(qū)進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)對(duì)比研究，徐一丹等[8]指出在評(píng)估東北地區(qū)旱澇情況時(shí)，SPEI 比SPI 具有更好的適用性；Qaisrani 等[9]研究指出SPEI 對(duì)極端干旱事件的監(jiān)測(cè)更加嚴(yán)重，說明了溫度在評(píng)估干旱時(shí)的重要性；Li 等[10]發(fā)現(xiàn)SPEI 所確定的干旱頻率比SPI低，但是SPEI 比SPI 識(shí)別到了更多的重旱事件。Pei等[11]研究發(fā)現(xiàn)SPEI 可能比SPI 更適用于內(nèi)蒙古地區(qū)的干旱監(jiān)測(cè)。已往研究表明，短時(shí)間尺度（1～6 個(gè)月)上的SPI/SPEI 可以反映氣象、農(nóng)業(yè)干旱；長(zhǎng)時(shí)間尺度（6 個(gè)月及以上)上SPI/SPEI 可以反映水文干旱[12-15]。綜合應(yīng)用不同時(shí)間尺度上的干旱指數(shù)可以更好地反映出當(dāng)?shù)氐母珊登闆r。

至今，前人大部分利用SPI 指數(shù)描述錫林郭勒盟草原的干旱特征[16-17]，利用SPEI 指數(shù)的較少。近幾年全球氣候變暖，只用一種干旱指數(shù)并不能很好地體現(xiàn)實(shí)際干旱情況，而SPEI 指數(shù)是否適用于錫林郭勒草原還有待研究。因此本研究選用SPI 和SPEI指數(shù)分析錫林郭勒盟草原年和四季尺度上的干旱時(shí)空變化特征，利用這兩種指數(shù)監(jiān)測(cè)該地區(qū)的干旱情況，并且根據(jù)《中國氣象災(zāi)害年鑒》[18]與實(shí)際干旱情況進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估兩種指數(shù)在該地區(qū)的適用性，為該地區(qū)提供一種干旱指數(shù)的選擇方案，以期為其未來防災(zāi)、減災(zāi)提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

錫林郭勒盟位于我國內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，處于115°13′ — 117°06′ E，43°02′ — 44°52′ N，總 面積20.3 萬km2，屬于溫帶大陸性氣候，主要特點(diǎn)為干旱、寒冷等。年平均氣溫在0～3 ℃；年降水量在200～400 mm，由東南向西北逐漸遞減，總體降水量偏低，發(fā)生干旱的頻率較高，故干旱災(zāi)害是該地區(qū)的主要災(zāi)害。錫林郭勒盟以高平原為主體，是具有多種地貌的地區(qū)，地勢(shì)南高北低。東、南部多為低山丘陵，而西、北部地形平坦，多為高原草地，主要草地類型從東向西依次為草甸草原、典型草原、荒漠草原，南部為沙地，海拔在749～1 816 m （圖1)。

圖1 錫林郭勒盟海拔及氣象站點(diǎn)分布圖Figure 1 Altitude and meteorological station distribution map of the Xilingol League

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用到的氣象資料是錫林郭勒盟地區(qū)9 個(gè)氣象站點(diǎn)1990－2019 年的逐月降水量、逐月平均溫度資料，均來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。本研究所利用到的數(shù)字高程模型（digital elevation models, DEM)數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/)，數(shù)據(jù)集為GDEMV2，空間分辨率為30 m。以DEM高程數(shù)據(jù)為輔助變量，利用Anusplin 插值法，對(duì)錫林郭勒盟地區(qū)的干旱指數(shù)等進(jìn)行空間插值，以便于監(jiān)測(cè)干旱在空間上的變化。Anusplin 插值法是一種利用普通薄盤和局部薄盤樣條函數(shù)對(duì)多變量數(shù)據(jù)進(jìn)行插值的工具，具有分辨率高、插值誤差小等優(yōu)點(diǎn)，適用于時(shí)間序列的氣象數(shù)據(jù)[19-20]。本研究計(jì)算3 個(gè)月和12 個(gè)月尺度上的SPI 和SPEI 值，對(duì)比分析錫林郭勒盟地區(qū)年和季節(jié)尺度上的干旱變化情況，分別用SPI12（SPEI12)和SPI3（SPEI3)來表示。四季按照春季（3 月－5 月)、夏季（6 月－8 月)、秋季（9 月－11 月)、冬季（12 月－次年2 月)進(jìn)行劃分。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)（SPI)是表征降水量出現(xiàn)概率多少的指標(biāo)，其采用Γ 概率分布來描述降水量的分布，然后再進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理求出SPI 值[21]，適用于月以上尺度的干旱監(jiān)測(cè)和評(píng)估。具體計(jì)算過程如下：

假設(shè)某一時(shí)段的降水量為x，則其Γ 分布的概率密度函數(shù)計(jì)算方程：

式中： α ＞0 ， β ＞0，α和β分別為形狀參數(shù)和尺度參數(shù)；x為降水量；Γ（α)是gamma 函數(shù)。參數(shù)α、β估計(jì)值可采用極大似然估計(jì)方法求得：

式中：n為計(jì)算序列的長(zhǎng)度；是站點(diǎn)降水量均值。故給定時(shí)間尺度的累積概率可計(jì)算如下：

由于gamma 方程不包含x= 0 的情況，而實(shí)際降水量可以為0，所以累積概率表示為：

式中：q是降水量為0 的概率。如果m表示降水時(shí)間序列中降水量為0 的數(shù)量，則q=m/n。累積概率H（x)可以通過下式轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。

當(dāng)0 ＜H（x) ≤ 0.5 時(shí)：

當(dāng)0.5 ＜H（x) ≤ 1 時(shí)：

式中：常數(shù) c0= 2.515 517， c1= 0.802 853， c2= 0.010 328，d1= 1.432 788， d2= 0.189 269， d3= 0.001 308。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)

SPEI 與SPI 的計(jì)算方法相似，但有一點(diǎn)不同的是，在計(jì)算SPEI 時(shí)考慮了溫度指標(biāo)，輸入變量為月降水量和月平均氣溫，其計(jì)算是基于潛在蒸散量（potential evapotranspiration, PET)和降水量的差額并進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理得出SPEI 值，其中潛在蒸散量的計(jì)算方法有Thornthwaite 方法和聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織推薦的Penman-Monteith 公式。本研究主要利用Thornthwaite 方法計(jì)算潛在蒸散量（PET)，該方法的優(yōu)點(diǎn)是考慮了溫度的變化，需要輸入的變量少，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，很好地反映了地表潛在蒸散量，計(jì)算具體過程[22]：

第1 步，計(jì)算潛在蒸散量（PET)：

式中：PET為潛在蒸散量；Ti為月平均溫度；H為年熱量指數(shù)；A為常數(shù)，A= 0.49 + 0.179H- 0.000 077 1H2+0.000 000 675H3。

第2 步，計(jì)算逐月降水量與蒸散量的差值 ：Di

式中：Di為 降水量與蒸散量的差值；Pi為月降水量；PETi為月蒸散量。

第3 步，由于原始數(shù)據(jù)序列Di中可能存在負(fù)值，故采用3 個(gè)參數(shù)的log-logistic 概率分布對(duì)降水蒸散差值Di序列標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)算每個(gè)數(shù)值對(duì)應(yīng)的SPEI：

式中：參數(shù)α、β、γ分別為尺度參數(shù)、形狀參數(shù)以及原始參數(shù)，采用線性矩的方法擬合獲得。計(jì)算如下：

式中： Γ為階乘函數(shù)； ω0、ω1、ω2為 數(shù)據(jù)序列Di的概率加權(quán)矩：

式中：N為月份數(shù)。

最后，對(duì)累計(jì)概率密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，計(jì)算得出SPEI：

式中：累計(jì)概率P≤ 0.5；與SPI 計(jì)算相同。

1.5 干旱程度劃分

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI)的干旱程度劃分采用同一標(biāo)準(zhǔn)（表1)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)干旱等級(jí)劃分Table 1 Drought grade for standardized precipitation index (SPI) and standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI)

1.6 Mann-Kendall (MK)檢驗(yàn)方法

1.6.1 MK 趨勢(shì)檢驗(yàn)H0n X1,···,Xn H1k，j≤n k≠j Xk Xj在Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)中，原假設(shè) 是 個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的時(shí)間序列數(shù)據(jù)（ )；備擇假設(shè) 是雙邊檢驗(yàn)，對(duì)于所有的 ，且， 和 的分布是不同的，檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量S 計(jì)算如下：

式中：sgn(x)取值范圍：S 為正態(tài)分布，其均值為0，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。當(dāng)n＞10時(shí) ，標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)統(tǒng)計(jì)變量Z：

因此，在雙邊趨勢(shì)檢驗(yàn)中，在給定的置信水平α上，若 |Z|≥Z1-α/2， 則原假設(shè)H0不 可接受，即在 α置信水平上，時(shí)間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢(shì)。對(duì)于統(tǒng)計(jì)量Z，當(dāng)Z＞0時(shí)，序列具有上升趨勢(shì)；當(dāng)Z＜0時(shí) ，序列具有下降趨勢(shì)。若正態(tài)統(tǒng)計(jì)變量Z的絕對(duì)值大于或等于1.28、1.64 和2.32 時(shí)，則分別表示通過了置信度90%、95%和99%的顯著性趨勢(shì)檢驗(yàn)，表示上升或下降趨勢(shì)顯著。

1.6.2 MK 突變檢驗(yàn)

對(duì)樣本量為n的時(shí)間序列x進(jìn)行突變檢驗(yàn)時(shí)，需構(gòu)造一秩序列：

當(dāng)xi＞xj時(shí) ，ai j= 1；當(dāng)xi＜xj時(shí)，ai j=0 ， 其中，j=1,2,3,···,i。

在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定條件下，定義統(tǒng)計(jì)變量：

式中：UF1=0 ，s-k和Var(sk)分 別為累積數(shù)sk的平均值和方差，在x1,x2,···,xn中相互獨(dú)立且有相同的連續(xù)分布時(shí)，則計(jì)算式如下：

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按時(shí)間序列x的順序計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，在給定顯著性水平 α，若|UFk| ＞Uα，則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化，將時(shí)間序列x按逆序排列，重復(fù)上述計(jì)算過程，并使UBk=－UFk(k=n,n-1,n-2,···,2,1)，UB1=0。UFk＞0則表示序列呈上升趨勢(shì)；UFk＜0則為下降趨勢(shì)，超過臨界線表明變化趨勢(shì)顯著。如果UFk和UBk所形成的這兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為突變開始的時(shí)刻。

1.7 干旱頻率

干旱頻率（Pi)是表示某研究區(qū)域在時(shí)間上干旱發(fā)生的頻繁程度，具體計(jì)算公式如下：

式中：N為樣本總年數(shù)；ni為i站出現(xiàn)干旱的年數(shù)。該方法可以計(jì)算不同干旱等級(jí)各自的發(fā)生頻率。

2 結(jié)果與分析

2.1 錫林郭勒盟氣候變化特征分析

近30 年錫林郭勒盟地區(qū)的年平均降水量為248.4 mm （圖2)。20 世紀(jì)90 年代是降水量豐沛時(shí)期，進(jìn)入21 世紀(jì)初之后，降水量開始明顯變化[23-24]。在近30 年中，年降水量遞減速率為1.078 2 mm·a-1，其統(tǒng)計(jì)量Z 值為-0.89，未通過顯著性檢驗(yàn)，因此該地區(qū)的降水量變化呈現(xiàn)出微弱遞減的趨勢(shì)；年平均溫度為3.73 ℃，其在20 世紀(jì)90 年代上下波動(dòng)，進(jìn)入21 世紀(jì)開始明顯增加，遞增速率為0.075 6 ℃·a-1，統(tǒng)計(jì)量Z 值為3.00，通過信度99%的顯著性檢驗(yàn)，說明在近30 年中，錫林郭勒盟地區(qū)的年平均溫度具有顯著上升的趨勢(shì)。

圖2 錫林郭勒盟年降水量、年平均溫度變化Figure 2 Annual precipitation and annual mean temperature change in the Xilingol League

2.2 SPI 和SPEI 指數(shù)年際變化

2.2.1 年尺度上SPI 和SPEI 指數(shù)時(shí)間變化規(guī)律

整體上，9 個(gè)站點(diǎn)SPI 和SPEI 的變化趨勢(shì)基本一致（圖3)。近30 年中，錫林郭勒盟濕潤(rùn)時(shí)期主要在20 世紀(jì)90 年代，從1998 年開始，SPEI12在大部分年份基本低于SPI12，往后兩種指數(shù)逐漸遞減，且SPEI 遞減速率比SPI 快，由此可知，二者均可以識(shí)別出干旱事件，但SPEI 監(jiān)測(cè)到的干旱程度比SPI 嚴(yán)重。

圖3 12 個(gè)月尺度上標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)時(shí)間演變規(guī)律Figure 3 Temporal changes in standardized precipitation index (SPI) and standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) on a 12-month scale

2.2.2 年尺度上SPI 和SPEI 指數(shù)干旱頻率

基于SPEI12計(jì)算出的年尺度干旱總頻率高于SPI12所計(jì)算出的年尺度干旱總頻率（表2)。30 年9 個(gè)站點(diǎn)均發(fā)生了不同等級(jí)的干旱，其中由SPI 監(jiān)測(cè)出來的干旱頻率，其輕旱、中旱頻率略高于SPEI，而重旱頻率低于SPEI，特旱頻率與SPEI 相同；由此說明，與SPI 相比，SPEI 監(jiān)測(cè)到的干旱頻率較高于SPI；SPEI 比SPI 識(shí)別出更嚴(yán)重的干旱事件，但SPEI 識(shí)別出的輕微干旱事件較少；SPEI 監(jiān)測(cè)到的干旱程度總體上比SPI 更加嚴(yán)重。因此，SPEI 可以檢測(cè)出SPI 無法識(shí)別的干旱事件以及重旱情況，所以SPEI 能夠更好地在全球氣候變暖的背景下監(jiān)測(cè)干旱。

表2 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)發(fā)生不同等級(jí)的干旱頻率Table 2 Drought frequency of different grades in standardized precipitation index (SPI) and standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI)

2.3 SPI 和SPEI 指數(shù)四季變化

根據(jù)SPI 和SPEI 計(jì)算原理，選取SPI3、SPEI3中的5 月數(shù)值作為春季的SPI、SPEI 值；8 月數(shù)值作為夏季SPI、SPEI 值；11 月數(shù)值作為秋季SPI、SPEI 值；次年2 月數(shù)值作為冬季SPI、SPEI 值。SPI3和SPEI3的整體變化趨勢(shì)基本一致（圖4)，由于短時(shí)間內(nèi)降水量和溫度變化幅度較大，所以短時(shí)間尺度上的SPI 和SPEI 值正負(fù)波動(dòng)頻繁，對(duì)該區(qū)域旱澇變化比較敏感。

圖4 3 個(gè)月尺度上標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)時(shí)間演變規(guī)律Figure 4 The temporal evolution of standardized precipitation index (SPI) and standardized precipitatio evapotranspiration index (SPEI) at 3-month scale

因?yàn)榇杭窘邓烤徛?，春季SPI 值也緩慢上升，監(jiān)測(cè)出濕潤(rùn)化趨勢(shì)；春季溫度大幅上升，SPEI 值在春季呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，表明由SPEI 監(jiān)測(cè)出春季是干旱化趨勢(shì)（圖5、表3)。因?yàn)橛?jì)算SPEI時(shí)考慮了溫度變化，而在春季溫度大幅上升也可能造成干旱，所以利用SPEI 就可以監(jiān)測(cè)出干旱情況；夏季降水量顯著下降（P＜ 0.05)，溫度大幅上升，因此由SPI 和SPEI 均監(jiān)測(cè)出干旱化趨勢(shì)，且由于溫度顯著上升（P＜ 0.05)，SPEI 值下降速率比SPI 快，旱化趨勢(shì)比SPI 更加嚴(yán)重；秋、冬季降水量和溫度均呈上升趨勢(shì)，SPI 和SPEI 均監(jiān)測(cè)出濕潤(rùn)化趨勢(shì)，二者差異不大。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)四季演變規(guī)律Figure 5 The seasonal evolution of standardized precipitation index (SPI) and standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI)

表3 1990—2019 年錫林郭勒盟四季降水量、溫度變化特征Table 3 Seasonal changes of precipitation and temperature in the Xilingol League from 1990 to 2019

2.4 SPI 和SPEI 指數(shù)MK 趨勢(shì)、突變檢驗(yàn)

2.4.1 趨勢(shì)檢驗(yàn)

由近30 年SPI12計(jì)算得出的Z 值為-0.82，且未通過信度90%的顯著性檢驗(yàn)，SPI 數(shù)值呈下降趨勢(shì)，故由SPI 檢測(cè)到的干旱為不顯著的上升趨勢(shì)（P＞ 0.1)；近30 年SPEI12計(jì)算得出Z 值為-1.80，SPEI 指數(shù)呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)且通過了置信度95%的顯著性檢驗(yàn)，所以在近30 年錫林郭勒盟地區(qū)，由SPEI 檢測(cè)到的干旱具有顯著的上升趨勢(shì)（P＜ 0.05)，與上述分析相符合（表4)。

1990－2019 年錫林郭勒盟地區(qū)秋、冬季節(jié)均呈現(xiàn)出濕潤(rùn)化的趨勢(shì)；夏季的干旱程度越來越嚴(yán)重，有顯著干旱化的趨勢(shì)（P＜ 0.05)；而在春季，SPI 監(jiān)測(cè)出濕潤(rùn)化趨勢(shì)，SPEI 監(jiān)測(cè)出干旱化趨勢(shì)；在年尺度上，兩種指數(shù)均監(jiān)測(cè)出干旱程度逐漸增加，但由SPEI 監(jiān)測(cè)出的是顯著的干旱趨勢(shì)（P＜0.05) （表4)。二者的不同主要與該段時(shí)間的溫度變化有關(guān)。

表4 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)正態(tài)統(tǒng)計(jì)值ZTable 4 The normal statistic Z of standardized precipitation index (SPI) and standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) Mann-Kendall trends test

2.4.2 突變檢驗(yàn)

SPI12和SPEI12指數(shù)均無顯著突變點(diǎn)；20 世紀(jì)90 年代兩種指數(shù)的UF 曲線正負(fù)上下波動(dòng)，到21 世紀(jì)初往后均小于0，表明SPI 和SPEI 指數(shù)開始呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，研究區(qū)出現(xiàn)旱化趨勢(shì)。且SPI 和SPEI 的UF 曲線分別在2006－2011 年和2002－2014年超過臨界值-1.96，因此這兩種指數(shù)分別在這段時(shí)間內(nèi)具有顯著的下降趨勢(shì)，干旱程度加劇。SPEI 檢測(cè)出旱化程度加劇的年份比SPI 更多（圖6)。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)在年尺度上的Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)圖Figure 6 Mann-Kendall mutation test of standardized precipitation index (SPI) and standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) on an annual scale

四季的突變檢驗(yàn)均無突變點(diǎn)。四季的突變檢驗(yàn)結(jié)果與上述相同，春季SPI 指數(shù)UF 曲線隨時(shí)間尺度的增加而增加，SPEI 則相反。春季SPI 監(jiān)測(cè)出濕潤(rùn)化趨勢(shì)，而SPEI 監(jiān)測(cè)出旱化趨勢(shì)；夏季SPI 和SPEI 指數(shù)的UF 曲線均在21 世紀(jì)初開始小于0，二者均監(jiān)測(cè)出旱化趨勢(shì)；秋、冬季突變檢驗(yàn)顯示出該地區(qū)在這兩個(gè)季節(jié)呈現(xiàn)出濕潤(rùn)化趨勢(shì)。

2.5 SPI 和SPEI 空間演變特征變化

2.5.1 SPI 和SPEI 指數(shù)空間變化

從9 個(gè)站點(diǎn)的SPI12和SPEI12數(shù)值中選取4 個(gè)較為干旱的年份進(jìn)行空間插值，分別為2001、2005、2007、2017 年。SPI 和SPEI 的空間分布趨勢(shì)大致相似，但空間上SPEI 監(jiān)測(cè)到的嚴(yán)重干旱面積比SPI大。2001 年，在西邊二連浩特處均達(dá)到特旱程度，不同的是SPEI 指數(shù)干旱等級(jí)的空間分布范圍比SPI 高，干旱從二連浩特處往南邊延伸；2005 年，在西南朱日和、西部二連浩特、中部蘇尼左特和阿巴嘎旗處均有干旱現(xiàn)象；2007 年，中部蘇尼左特處比較濕潤(rùn)，這是由于在2007 年該站點(diǎn)年降水量普遍偏高，為259.9 mm，高于2007 年9 個(gè)站點(diǎn)的平均降水量180.12 mm；2017 年，與SPI 相比，SPEI 檢測(cè)到的干旱嚴(yán)重程度從西北處逐漸往東南處延伸（圖7)。綜上所述，SPEI 檢測(cè)到的干旱范圍比SPI 大。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)空間變化特征對(duì)比Figure 7 Comparison of spatial variation characteristics of standardized precipitation index (SPI) and standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI)

2.5.2 變化趨勢(shì)空間分布

圖8 是由近30 年9 個(gè)氣象站點(diǎn)的SPI12、SPEI12計(jì)算得出的MK 統(tǒng)計(jì)量Z 值空間插值分布圖。由SPEI 計(jì)算得出的Z 值從中部蘇尼特左附近往四周大部分地區(qū)均通過了顯著性檢驗(yàn)，該地區(qū)檢測(cè)到的干旱化趨勢(shì)比SPI 顯著，旱化加??；西邊二連浩特處SPI 和SPEI 的Z 值分別為正數(shù)和負(fù)數(shù)，SPI 指數(shù)呈上升趨勢(shì)，SPEI 指數(shù)則呈下降趨勢(shì)；SPEI 檢測(cè)出的顯著旱化趨勢(shì)范圍比SPI 大。因此，相比于SPI，SPEI 可以更好地檢測(cè)干旱趨勢(shì)的變化情況。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)在年尺度上的MK 統(tǒng)計(jì)量Z 值空間分布圖Figure 8 Spatial distribution of Mann-Kendall statistics Z values of standardized precipitation index (SPI) and standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) on an annual scale

2.6 SPI 和SPEI 檢測(cè)干旱事件與實(shí)際情況對(duì)比

根據(jù)《中國氣象災(zāi)害年鑒》[18]中記錄的災(zāi)害事件，提取錫林郭勒盟的典型干旱事件年份（表5)。利用本研究中計(jì)算的SPI 和SPEI 指數(shù)對(duì)干旱事件的識(shí)別與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，觀察哪個(gè)指數(shù)與實(shí)際相符，從而得出更適用于錫林郭勒草原干旱研究的干旱指數(shù)。

由上述空間尺度上的分析（圖7)可知，在2007 年東烏旗處SPEI 值為-2.25，SPI 值為-1.52，二者分別識(shí)別出不同的干旱等級(jí)，SPEI 指數(shù)與實(shí)際情況相符（表5)。其他年份的具體旱情如表5 所列，在2005－2017 年SPEI 能識(shí)別出干旱的年份比SPI 多，SPEI的準(zhǔn)確率大于SPI，因此在錫林郭勒盟草原上SPEI比SPI 更具有適用性。

表5 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)對(duì)干旱事件的識(shí)別對(duì)比Table 5 Comparison of standardized precipitation index (SPI) and standardized precipitation evapotranspiration index (SPEI) for drought event identification

3 討論與結(jié)論

基于多年氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算年和季節(jié)尺度上的SPI 和SPEI 指數(shù)，對(duì)錫林郭勒盟的干旱時(shí)空變化特征進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)利用旱災(zāi)歷史記錄進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，以確定干旱指數(shù)在該地區(qū)的適用性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，SPI 和SPEI 在不同的時(shí)間尺度上均可以檢測(cè)到干旱，二者整體趨勢(shì)相似，均無突變點(diǎn)，但SPEI比SPI 識(shí)別出更多的干旱事件。這是因?yàn)樵?0 世紀(jì)90 年代該地區(qū)是降水量豐沛期，而21 世紀(jì)初溫度開始急劇上升的緣故。

土壤水分主要受降水、溫度等氣象因素的影響，因此氣象干旱是引起土壤水分虧缺、造成農(nóng)牧業(yè)干旱的關(guān)鍵因素[4]。SPI3和SPEI3則可以很好地反映氣象干旱。張巧鳳等[16]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，錫林郭勒盟地區(qū)由SPI 檢測(cè)出的春、秋、冬季干旱呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，而夏季干旱程度越發(fā)嚴(yán)重；本研究發(fā)現(xiàn)SPI 和SPEI 在夏、秋、冬季的監(jiān)測(cè)結(jié)果與其一致，但在春季SPEI 則相反。這是由于在春季溫度是顯著上升的，而SPEI 考慮了溫度的變化，所以SPEI 可以檢測(cè)到SPI 無法識(shí)別出的干旱情況。因此利用SPEI 作為研究干旱的指標(biāo)可以更好地反映真實(shí)的干旱情況。相比于SPI，在判別干旱等級(jí)時(shí)SPEI 偏高，這與Li 等[10]、陶新娥等[25]結(jié)論相似，認(rèn)為二者總體上均能識(shí)別出主要的干旱事件，但是SPEI 檢測(cè)到的干旱事件比SPI 更嚴(yán)重。

SPI 和SPEI 在空間上識(shí)別到的干旱范圍有較大差異，基于降水量和溫度的空間分布會(huì)受海拔、地形地貌的影響，本研究發(fā)現(xiàn)由SPEI 檢測(cè)到的干旱范圍比SPI 大，這與Pei 等[11]研究結(jié)果一致。21世紀(jì)初，在錫林浩特和阿巴嘎旗均出現(xiàn)了嚴(yán)重的干旱現(xiàn)象，這和李春蘭等[17]結(jié)果相似，兩地出現(xiàn)的嚴(yán)重干旱均向南北兩側(cè)延伸?？偟膩碚f，由于SPEI考慮了溫度的變化情況，其識(shí)別到的干旱范圍優(yōu)于SPI。

合理選取干旱指數(shù)是研究某地區(qū)干旱變化的重要科學(xué)問題，從整體上看SPEI 優(yōu)于SPI。干旱指數(shù)的適用性也可能與地理環(huán)境相關(guān)，有研究表明，不同的地形地貌會(huì)導(dǎo)致降水空間不均勻，進(jìn)而影響SPI 和SPEI 對(duì)干旱的評(píng)估[26]。因此，在選取干旱指數(shù)時(shí)應(yīng)綜合考慮多種因素，可以更加準(zhǔn)確地檢測(cè)出實(shí)際的干旱情況。結(jié)合旱災(zāi)歷史記錄資料，該研究發(fā)現(xiàn)SPEI 比SPI 對(duì)干旱評(píng)估更敏感，具有更高的適用性，能更準(zhǔn)確地反映出錫林郭勒盟草原的干濕變化。本研究結(jié)果可為錫林郭勒盟地區(qū)干旱指數(shù)的選取和災(zāi)害評(píng)估提供依據(jù)和參考。