1961–2015年新疆区域SPEI干旱指数数据集 中华文库

摘要：新疆地处亚洲中部干旱区，地形复杂，生态环境脆弱，抵御灾害的能力较低，是全球气候变暖的敏感区和强烈影响区。随着全球气候变暖，新疆的干旱化问题引起了广泛关注。本文基于中国新疆区域55个气象观测站1961–2015年逐日气温和降水观测资料，经过数据质量控制和异常值剔除，计算得到每个站点1961–2015年1、3、6、12、24和48个月时间尺度逐月标准化降水蒸散发指数（SPEI）时间变化序列，整理出新疆干旱指数数据集。本数据集为分析新疆区域长时间序列不同时间尺度干旱变化趋势及变化特征提供了数据支撑，也可以作为基础数据来探索干旱事件对生态水文环境和农牧业生产的影响。

关键词：标准化降水蒸散发指数；新疆；干旱变化；气象站点

Abstract: Xinjiang is located in the Eurasian hinterland in northwestern China. With complex terrain and fragile ecological environment, Xinjiang is particularly sensitive to global warming. Indeed, drought in Xinjiang has attracted extensive attention under global warming. Based on daily temperature and precipitation observed at 55 meteorological stations over Xinjiang during 1961 – 2015, this study calculated a series of drought indices based on the Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI). The SPEI was calculated for each station with selected time scales of 1, 3, 6, 12, 24 and 48 months. This dataset is useful for research on the trends and spatial-temporal characteristics of drought events over Xinjiang. When used together with regional statistics, it helps reveal the impacts of drought on agricultural production and eco-hydrological environment.

Keywords: Standardized Precipitation Evapotranspiration Index; Xinjiang; climate change; meteorological stations

干旱是气象灾害中最为严重的灾害之一，它具有出现频率高、持续时间长、波及范围大的特点，因此备受科学界和社会的关注^[1][2][3]。近年来，随着全球变暖的不断加剧，极端天气气候事件频繁出现，干旱的发生频率和强度明显增加，不但给人类带来巨大的经济损失，还会造成水资源短缺、荒漠化加剧和沙尘暴频发等生态问题，对干旱区的影响更加明显^[4][5]。随着国家“一带一路”倡议的实施，新疆作为“丝绸之路经济带”核心区，备受关注。新疆地处亚洲中部干旱区，地形复杂，生态环境极其脆弱，抵御灾害的能力较低，是全球气候变暖的敏感区和强烈影响区^[6][7]。随着全球气候变暖导致水循环过程加剧，新疆气候有明显改变，引起了广泛关注^[7]。21世纪初，施雅风院士提出了西北干旱区气候呈现“暖湿化”特征，其中干旱区西部（新疆）更加明显。21世纪以来，新疆气候发生明显变化，表现为气温出现跃变式升高且维持高温波动，降水量呈微弱的减少趋势，这势必对区域干湿气候变化产生重要影响^[7]。干旱具有多时空尺度的特征。气象干旱是干旱的本质，其他干旱都是气象干旱引发的结果^[8]。气象干旱变化分析需气象观测资料作为基础数据。

目前，观测资料内容虽全面，涉及干湿气候表征的有降水、水汽压、相对湿度等要素，但单个要素并不能全面反映干湿状况，不利于直观分析干旱气候变化。基于气象观测资料，能够计算出一些可以综合表征区域干湿气候变化的指标，统称为干旱指数^[2]。降水和蒸发变化是影响干湿气候形成的两个最主要驱动因子，标准化降水蒸散指数（SPEI）综合考虑了降水和蒸发作用，且具有多尺度特征，能够在不同时间尺度上合理地评估干湿变化^[9]。利用SPEI指数不仅可以直观反映区域干湿分布与变化趋势，而且能够反映不同尺度的干旱变化情况^[10]。因此，提供支持新疆地区干湿气候研究的SPEI多时间尺度干旱指数数据十分必要。

本数据集为新疆区域不同时间尺度干旱指数数据。利用逐月气温和降水数据，建立1961–2015年1、3、6、12、24和48个月时间尺度逐月干旱变化时间序列，整理出干旱指数数据集，为进一步分析新疆区域长时间序列内不同时间尺度干旱变化趋势及变化特征提供了可靠的数据支撑。

1.1 站点分布

本文所采用的原始气象站观测资料来源于中国气象科学数据共享服务网（http://data.cma.cn/），气象观测站点主要分布于新疆维吾尔自治区主要绿洲区域，山区和沙漠腹地站点稀少，大部分气象观测站高程范围在200–1500 m，跨越了高原温带、暖温带、中温带和亚寒带等4个温度带。本文选取了55个地面气象观测站观测数据，选用的新疆区域气象站点及其空间高程分布如图1所示。

图1 气象观测站点分布图

1.2 数据生产流程

数据生产流程共分为4部分：数据预处理、计算潜在蒸散发量、计算标准化降水蒸散发指数（SPEI）和整理干旱指数结果，整体流程如图2所示。

图2 干旱指数生产流程

1.2.1 数据预处理

原始气象观测站点数据来源于国家气象信息中心，选取新疆76个国家基准站1961–2015年逐日气温和降水数据。同时对逐日气温数据进行平均，对逐次降水量数据进行求和，获得逐月数据。另剔除了连续缺测3个月以上的台站记录，最终获得了55个气象观测站的观测记录。提取每个站点1961–2015年逐月气温和降水量的全部记录，并按年月依次排序，输出以55个站点名命名的ASCII 格式文本文件，便于满足后续计算干旱指数的数据需求。

1.2.2 潜在蒸散发量的计算

潜在蒸散发量（PET）是计算SPEI干旱指数的关键变量。本数据集采用Thornthwaite方法^[11]计算PET，具体如下：

\(PET=\begin{Bmatrix}0 & T< 0\\ 16\left ( \frac{N}{12} \right )\left ( \frac{NDM}{30} \right )\left ( \frac{10T}{I} \right )^{m} & 0\leqslant T< 26.5\\ -415.85+32.24T-0.43T^{2} & T\geqslant 26.5\end{Bmatrix}\) (1)

其中T为逐月平均温度，N为最大日照时数，NDM为逐月的日数，I为年热量指数，是用每年12个月的月热量指数求和得到。年热量指数的计算为：

\(I=\sum _{i=1}^{12}{\left(\frac{T}{5}\right)}^{1.514}\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{ }\mathrm{T}>0\) (2)

m 是与I有关的系数，利用式（3）可得到：

m =6.75×10-7I3 -7.71×10-5I2 +1.79×10-2I +0.492 (3)

利用Thornthwaite方法计算PET，所需的计算变量少，方法简单易行，因此应用广泛。

1.2.3 标准化降水蒸散发指数（SPEI）的计算

在全球变暖背景下，增温对干旱的影响日益明显，而SPEI指数考虑了气温变化对干旱的影响。SPEI指数的计算程序软件来自西班牙CSIC机构（http://digital.csic.es/），计算过程包括以下四个步骤^[9]：

（1）计算气候水平衡量：

气候水平衡量Di 即降水量Pi 与潜在蒸散发量PETi 之差，

Di =Pi－PETi (4)

其中PET用第1.2.2节中的Thomthwaite方法计算得到。

（2）建立不同时间尺度的气候水平衡累积序列：

\({D}_{n}^{k}=\sum _{i=0}^{k-1}\left({P}_{n-i}PET}_{n-i}\right) , n\ge k\) (5)

式中，k为时间尺度，一般为月，n为计算次数。

（3）采用log-logistic 概率密度函数拟合建立数据序列：

\(f\left(x\right)=\frac{\beta }{\alpha }{\left(\frac{\chi -\gamma }{\alpha }\right)}^{\beta -1}{\left[1+{\left(\frac{\chi -\gamma }{\alpha }\right)}^{\beta }\right]}^{-2}\) (6)

式中，\(\alpha \)为尺度系数，\(\beta \)为形状系数，\(\gamma \)为origin参数，可通过L-矩参数估计方法求得。因此，给定时间尺度的累积概率为：

\(F\left(x\right)={\left[1+{\left(\frac{\mathrm{\alpha }}{\mathrm{\chi \mathrm{\gamma }}\right)}^{\mathrm{\beta }}\right]}^{-1}\) (7)

（4）对累积概率密度进行标准正态分布转换，获取相应的SPEI时间变化序列：

\(SPEI=W-\frac{{C}_{0}+{C}_{1}W+{C}_{2}{W}^{2}}{1+{d}_{1}W+{d}_{2}{W}^{2}+{d}_{3}{W}^{3}},   \) (8)

式中，W是一个参数，其值为\(\sqrt{-2ln\left(P\right)}。\)P 是超过确定水分盈亏的概率，当P≤0.5时，P=1−F(x)；当P＞0.5时，P=1−P，SPEI的符号被逆转。式中其他常数项分别为C0 =2.515517，C1 =2.515517，C2 =2.515517，d1 =2.515517，d2 =2.515517，d3 =2.515517。

综上，SPEI指数不仅具有多时间尺度特征，而且考虑了气温的敏感性影响，在变暖背景下干湿分析中具有明显的优势^[9][7]。

1.2.4 时间尺度选择与结果整理

干旱具有多尺度特征，不同时间尺度对不同受灾体的影响存在差异。因此，选取不同时间尺度，可以反映不同类型的干旱状况。如3个月时间尺度可以反映气象干旱，6个月时间尺度可以反映农业生态干旱，而12个月时间尺度则反映水文干旱^[7]。因此，本数据集主要选取1、3、6、12、24和48个月时间尺度，来计算不同时间尺度各站逐月干旱指数。表1给出了国际上通用的基于SPEI指数的干旱等级划分标准。利用该标准，可以确定某一站点在某月发生干旱变化的程度^[7]。

表1 SPEI干旱等级划分

本数据集包含新疆区域55个站点、6个时间尺度的干旱指数结果文件。为了便于计算处理与应用，存储为xlsx格式文件，结果文件以时间尺度命名，例如 SPEI-3.xlsx。每个指数结果文件均包含4个属性值：年份、月份、SPEI值和对应站点WMO编号（如 51053）。其中第一列为年份，第二列为月份，第三列之后为对应站点的逐月SPEI干旱指数值；第一行是站点对应的世界气象组织（WMO）统一的气象站点编号，第二行之后为对应时间的逐站SPEI干旱指数值，如图3所示。

图3 SPEI-1数据样本

3.1 数据初步质量控制

数据质量控制是计算测站SPEI干旱指数的必要步骤，测站原始观测数据的异常值及错误会导致计算干旱指数错误，影响数据集后续应用分析。数据质量控制主要包括对原始数据的特殊值的处理，以及在干旱指数生产过程中通过软件自动识别和人工校检的手段，对数据进行严格质量控制。新疆气象信息中心对原始数据进行了初步质量控制。首先，检测每个站点逐日气温和降水量数据是否存在缺测，缺测超过3个月自动踢除；缺测不超过3个月的，缺测值用相邻月份的平均值代替；其次，进行了逻辑异常值的判断，日平均气温利用日最低和最高温度进行检测，降水量不能小于0 mm；逻辑异常值用相邻月份的平均值代替。经过数据质量控制，从76个国家基准站中选取了55个完整站点的1961–2015年逐日气温和降水数据来计算SPEI指数。

3.2 干旱指数产品评估

为了进一步直观显示本数据集内干旱指数反映出的干湿变化趋势，将各站点不同时间尺度的干旱指数时间变化序列和变化斜率的空间分布展示出来，从而进一步验证本数据集结果的可靠性。图4是各站点不同时间尺度干旱指数每10年的年际变化趋势，图5是1961–2015年1–24个月时间尺度逐月干旱指数时间变化序列可视化结果。

图4 不同时间尺度SPEI干旱指数变化趋势可视化结果

图5 不同时间尺度SPEI干旱指数时间变化可视化结果[6]

根据图4不同时间尺度干旱指数变化趋势可知，新疆西北部以变湿为主，东南部以变干为主，这与以往研究中西北地区西部（新疆西部）暖湿化的结果一致^[12][13]。图5的时间变化可知，新疆在20世纪80年代中后期至90年代有明显的暖湿化；但在21世纪以来，随着温度跃升，蒸发需求加剧，而降水量增加趋势减缓甚至微弱减少，导致较明显的暖干化趋势。其中干旱化区域主要在新疆南部、东部和天山山区，而在新疆西北部和西南部（帕米尔高原）增湿特征明显。这与马柱国等^[14]利用降水数据、自矫正的帕尔默干旱指数(sc_PDSI)及GRACE卫星反演的陆地水储量等多源资料得出的结果一致，认为近些年来中国北方和西北部有变干趋势。

干旱化也对农牧业灾害有重要影响。利用新疆区域农作物受灾面积数据^[15]来进一步验证本数据集结果的可靠性。从图6中农作物受灾面积和12个月尺度干旱指数对比发现，农作物受灾面积和12个月尺度干旱指数对应关系很好，相关系数在0.60以上，说明12个月尺度干旱指数能够很好地反映干旱对农业生产受灾的影响情况（图6、图7）。

图6 12个月时间尺度SPEI指数与农作物受灾面积对比

图7 12个月时间尺度SPEI指数与农作物受灾面积的散点图

干旱事件的发生频率、强度和变化趋势对区域气候变化和生态环境的分析及评价具有直接影响，本数据集可以和土壤湿度、植被覆盖、水文径流数据配合使用，用于探索新疆地区不同尺度干旱的发生频率、强度、变化趋势及空间特征。本数据集也可以用来与当地农业受灾面积、灾害损失等统计数据做关联分析，评估干旱事件对农牧业生产的影响。

本数据集共享了新疆区域55个气象站点1961–2015年不同时间尺度干旱指数的结果。数据文件按时间尺度分别存储，数据文件格式为xlsx，便于后续处理与应用，用户可根据实际情况选择性下载数据。

姚俊强, 毛炜峄, 胡文峰, 等. 1961–2015年新疆区域SPEI干旱指数数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2018-07-11). DOI: 10.11922/sciencedb.632.