1. 引言
干旱是一种对人类的生存环境影响极大的自然灾害，在各类气象灾害中，由干旱引发的灾害占到了近六成，每年约有100亿公斤的粮食因干旱而损失 [1]。尤其在西北和华北等地干旱愈发严重，造成了巨大的经济损失，因此对干旱的研究、准确地评估干旱与监测干旱，研究干旱的发生发展及其变化趋势成为了一个重点课题。按气候来划分，山西属于半干旱气候区，山西最主要的气象灾害就是干旱，干旱发生频繁、范围广、且持续时间长，相比于洪涝等灾害来说，灾情也较为严重 [2]。在上世纪80年代以前，山西省每年约有20%~25%的耕地遭受到不同程度的旱灾，到了90年代以后，这个数字上升到了43.7%。因此，在山西的各类气象灾害中，干旱导致的灾害处于第一的位置，其他各类气象灾害造成的损失不及干旱的一半 [3]。晋城地区位于山西省东南部，同处半干旱气候区，干旱是其主要的气象灾害之一。干旱严重制约着晋城地区的农业经济发展，因此，十分有必要对晋城地区进行干旱灾害研究。
在2010年，经Vicente-Serrano等人的研究，提出了标准化降水蒸散指数(SPEI) [4] [5]，这一指数同时考虑到了降水量和温度变化引起的蒸散量变化，而且同时又有标准化降水指数(SPI)的诸多优点，一经提出就被各国学者争相研究，发现其在全球变暖的气候背景下，用于检测和监测干旱的发生及变化效果优异，现已被运用到了各方面的研究当中，本文利用SPEI指数研究晋城地区的干旱气候的变化特征。
2. 资料与方法
2.1. 数据资料
本文选用1967~2016年晋城地区5个气象观测站的月、季、年降水资料和气温资料。文中所用到的季节按常规方法进行划分，即：春季为3~5月份，夏季为6~8月份，秋季为9~11月份，冬季为12月到次年的2月份。
2.2. 研究方法
本文利用SPEI指数对晋城地区的干旱进行计算，然后进行Mann-Kendall突变检验，最后利用小波分析法对其进行分析。SPEI指数的计算方法采用中华人民共和国国家标准(GB/T 20481-2017)，其干旱等级划分标准如下(见表1)：
Table 1. Drought classification corresponding to SPEI
表1. SPEI指数对应的干旱等级划分
3. 结果与分析
3.1. 晋城地区的干旱年际变化特征
晋城地区的平均SPEI指数值的年际变化(见图1)所示，平均SPEI值是五个气象观测站年值的平均值，可以代表晋城地区的SPEI整体变化趋势。从中分析可知，晋城地区基于SPEI分析得出的干旱，主要始于上世纪90年代左右，在此后的三十年间，干旱发生频率增加，从1967年至2016年，晋城地区的年平均SPEI指数以0.083/10 a的速度下降，干旱呈现出增强的趋势。为了更好的分析晋城地区干旱的变化规律，并对未来干旱事件的发展趋势做出预测，对晋城地区的干旱进行了突变检验和周期性分析。
Figure 1. Interannual variation curve of average SPEI in Jincheng from 1967 to 2016
图1. 晋城地区1967~2016年平均SPEI指数年际变化曲线
利用M-K检验法对晋城地区1967~2016年平均SPEI值进行突变统计分析(见图2)，显著性水平α = 0.05 (临界值U0.05 = ±1.96)。从图中可以看出，UF曲线波动较大，在2000年以前，UF线基本都大于0，说明晋城地区在2000年以前，SPEI值呈现出上升趋势，干旱呈减轻趋势；2000~2002年，UF线小于0，说明在此期间SPEI呈减少趋势，晋城地区干旱加重；2002~2007年，UF线大于0，晋城地区干旱有所缓解；2007年之后，UF线小于0，SPEI值呈现下降趋势，说明2007年之后晋城地区干旱情况持续加重。根据UF和UB两条曲线交点的位置可见，UF和UB线在2007年、2009年、2012年和2015年相交，说明SPEI值在有交点的年份有波动，但都是在显著性水平α = 0.05 (临界值U0.05 = ±1.96)的临界线内，变化趋势不显著，不存在突变现象。
对于周期性的分析，采用了小波分析法，小波分析可以很好地研究与时间序列相关的问题，能够反映出时间序列中存在的周期性，充分反映出被分析数据在不同时间尺度下的周期变化，在气候趋势诊断分析方面以及多尺度分析方面都有很好的效果，分析1967~2016年这50年的晋城地区SPEI值的Morlet小波分析的结果(见图3)。图中横坐标是时间序列，纵坐标是以年为单位的周期。由图中分析可见，近50年来晋城地区的SPEI值存在两个明显特征时间尺度：2~4 a和8~12 a。其中以8~12 a尺度周期变化表现最显著，贯穿于整个研究时段中，其周期性表现较强，且中心强度较大，正负中心值分别达到±1以上。在8 a尺度的周期变化上，表现最明显的时段为1967~1970年的SPEI值偏大期、1971~1973年的SPEI值偏小期、1974~1977年的SPEI值偏大期、1978~1981年的SPEI值偏小期、1982~1985年的SPEI值偏大期、1986~1989年的SPEI值偏小期、1990~1996年的SPEI值偏大期、1997~2002年的SPEI值偏小期、2003~2006年的SPEI值偏大期、2007~2009年的SPEI值偏小期、2010~2012年的SPEI值偏大期及2013年之后的偏大期。
Figure 2. M-K mutation test of average SPEI in Jincheng
图2. 晋城地区平均SPEI指数M-K突变检验
Figure 3. Power spectrum analysis of SPEI wavelet transform in Jincheng
图3. 晋城地区SPEI指数小波变换功率谱分析
根据SPEI指数计算晋城地区各个县市、各个时段的干旱频率 [6]，进而可以分析晋城地区不同区域发生干旱的频繁程度。经计算得出(见表2)，晋城地区几个站点基于SPEI指数的干旱频率在30%~34%之间，平均为32%，其中发生中旱的干旱频率为10.4%，发生重旱的干旱频率为4%，发生特旱的干旱频率为2.8%。
Table 2. Drought frequency of counties (cities) in Jincheng (Unit: %)
表2. 晋城地区各县(市)干旱发生频率(单位：%)
3.2. 晋城地区干旱的月季分布特征
从季节变化特征来看，1967~2016年这50年间，晋城地区5个县市在各个季节均有干旱发生，其中，夏季干旱发生频率最高为45.2%，春旱次之，发生频率为44.0%，秋季和冬季干旱发生则相对较少。因此，晋城地区最容易发生干旱的季节是春季和夏季。统计了近50年来晋城地区4~10月干旱频率(见图4)，可知：从月度干旱情况来看，1967~2016年这50年间，晋城地区的干旱主要发生在4~10月，其中在5月份和6月份干旱频率分别达到了72.8%和78.4%，干旱发生情况严重。上述统计结果表明：晋城地区干旱发生频率高，最易出现干旱的时间为每年的春末夏初。
Figure 4. Annual variation chart of drought frequency in Jincheng
图4. 晋城地区干旱频率年内变化图
分析晋城地区四季的SPEI指数小波变换功率谱(见图5)，分析可以看出：
晋城地区春季SPEI值存在2个特征时间尺度，分别为4 a和6 a，这两个时间尺度的周期震荡在整个研究时段都比较稳定。在50年间，每4年发生一次轻度的干湿交替，每6年发生一次程度较重的干湿交替，部分年份中心值达到±1.5如1988年、1994年、2000年。
晋城地区夏季SPEI值存在2个特征时间尺度，分别为2~4 a和6~8 a，表现比较显著的是6~8 a时间尺度的周期震荡，其周期性强，贯穿整个研究时段，强度大，中心正负值基本都在±1以上。说明在50年间，夏季干旱波动较为稳定，且夏季干旱发生时，程度较重。
晋城地区秋季SPEI值存在3个特征时间尺度，分别为2~4 a、8~12 a和16 a，其中2~4 a的周期性相对春季及夏季较弱，8~12 a和16 a周期性显著，其中8~12 a时间尺度的干湿交替表现的较强(中心正负值基本在±1以上)，干旱表现最明显的是1976~1983年、1987~1992年以及1996~2001年。
晋城地区冬季SPEI值存在2个特征时间尺度，分别为2~4 a和12~16 a，其中2~4 a的周期性和秋季类似，12~16 a的周期性明显且稳定，干旱表现为1967~1972年、1979~1986年、1993~2000年以及2007~2013年。
Figure 5. Power spectrum analysis of SPEI wavelet transform in Jincheng during 1967~2016
图5. 晋城地区1967~2016年四季SPEI指数小波变换功率谱分析
3.3. 晋城地区连续干旱的分布特征
统计了晋城地区各气象观测站1967~2016年连续干旱发生次数(表3)。从中可以看出：晋城地区干旱持续时间在空间分布上不均，持续干旱时间达到3个月以上的最多的是晋城，在1967~2016年这50年间达到了24次，其次是沁水23次，阳城22次，高平22次，次数最少的是陵川16次；持续5个月以上的干旱，总计发生过12次，分别发生在高平1974年4月到8月、晋城1986年4月到8月、沁水1989年4月到9月、阳城1990年6月到10月、阳城1991年4月到8月、高平和陵川1994年5月到9月、阳城和沁水1997年4月到8月、晋城和沁水2001年4月到8月、阳城2015年5月到9月；最长的干旱持续时间为6个月，仅出现过一次，是1989年4~9月发生在沁水。经统计，晋城地区没有出现过连续超过7个月的干旱，说明晋城地区的干旱以阶段性干旱为主。
Table 3. The frequency of continuous drought in Jincheng from 1967 to 2016
表3. 晋城地区各站点1967~2016年连续干旱发生次数
4. 结论
本文利用SPEI指数对晋城地区的干旱天气特征进行了分析，发现晋城地区干旱的时空分布特征有以下几个方面：
1) 干旱发生频率高：晋城地区在1967~2016年这50年之间总计有28年出现了不同程度的干旱，全市干旱发生的频率高达56%，各站的平均的干旱频率为32%。
2) 季节性强：晋城地区干旱多发生在春季和夏季，最易出现干旱的时间为每年的春末夏初(5月份和6月份)，干旱以阶段性干旱为主，最长干旱持续时间为6个月。
3) 干旱的变化趋势：晋城地区的干旱呈现出增强的趋势，年平均SPEI指数以0.083/10a的速度下降；从干旱的发生情况来看，进入21世纪之后，干旱的发生情况要明显增多。
4) 干旱发生的周期性：晋城地区的干旱发生存在两个明显特征时间尺度：2~4 a和8~12 a，其中以8~12 a尺度周期变化表现最明显。