Стандартизированный индекс осадков (SPI) – методика расчёта и значение температуры

Стандартизированный индекс осадков (SPI) – один из самых популярных инструментов для мониторинга и оценки метеорологической засухи․ Он позволяет сравнивать текущие осадки с «нормой», т․е․ с долгосрочными средними значениями, и классифицировать степень отклонения․ При этом в расчёте SPI учитываются только суммарные осадки, однако температура воздуха играет важную роль в интерпретации результатов, поскольку влияет на испаряемость и, следовательно, на реальное водное обеспечение․


Что такое SPI и как он рассчитывается

Индекс был предложен McKee et al․ (1993) и рекомендован ВМО (2009) для глобального мониторинга засух․ Основные шаги расчёта:

  1. Сбор данных: месячные суммы осадков за длительный период (обычно 30‑40 лет)․
  2. Подгонка распределения: осадки приводятся к гамма‑распределению (для положительных значений) или к лог‑нормальному, если в ряду присутствуют нули․
  3. Стандартизация: полученное кумулятивное распределение преобразуется в нормальное распределение со средним 0 и стандартным отклонением 1․
  4. Получение SPI: значение, полученное после стандартизации, называется SPI и может быть рассчитано для любого временного окна (1, 3, 6, 12 мес․, сезон и т․д․)․

В результате SPI представляет собой количество стандартных отклонений, на которое текущие осадки отклонились от долгосрочной нормы․

Классификация значений SPI

Диапазон SPI Классификация
> 2․0 Экстремально влажно
1․5 – 2․0 Очень влажно
1․0 – 1;5 Умеренно влажно
‑1․0 – 1․0 Нормально (без отклонений)
‑1․5 – ‑1․0 Умеренно сухо
‑2․0 – ‑1․5 Сильно сухо
< ‑2․0 Экстремально сухо

Нормальные (климатические) значения осадков

Для корректного расчёта SPI необходимо иметь климатические нормы – средние значения осадков за выбранный референтный период (чаще всего 30 лет, например 1991‑2020 гг․)․ Ниже представлены типичные нормы для нескольких климатических зон, характерных для России и Украины․

Регион / Климатическая зона Среднегодовое количество осадков, мм Среднемесячные нормы, мм
Северо‑Западный (море‑климат) 800‑1000 50‑120 (ноябрь‑декабрь – 150‑200)
Средняя полоса (континентальный умеренный) 500‑650 30‑80 (июль‑август – 70‑90)
Южный (степной, полупустынный) 300‑450 10‑30 (июнь‑август – 30‑50)
Кавказские горы (горный климат) 900‑1300 70‑150 (июнь‑август – 120‑180)

Эти нормы берутся из официальных климатических справочников (например, Руководящие указания ВМО по расчёту климатических норм, 2017 г․) и используются в качестве базиса для построения временных рядов осадков․

Нормальные (климатические) значения температуры

Хотя в формуле SPI температура напрямую не учитывается, её отклонения от нормы влияют на реальное водное состояние почвы через испарение и транспирацию․ Поэтому часто совместно с SPI используют индекс испарения‑осадков (SPEI), где в расчёт берутся как осадки, так и температурные аномалии․

Ниже – типичные среднемесячные температуры (°C) для тех же климатических зон, рассчитанные по 30‑летнему периоду 1991‑2020 гг․

Регион / Климатическая зона Янв․ Февр․ Март Апр․ Май Июн․ Июл․ Авг․ Сент․ Окт․ Нояб․ Дек․
Северо‑Западный -5 -3 2 8 14 18 20 19 14 8 2 -3
Средняя полоса -10 -8 -1 7 15 20 22 21 15 8 0 -8
Южный (степной) -5 -2 5 13 20 25 28 27 22 14 5
Кавказские горы -8 -5 0 7 13 18 20 19 14 8 2 -5

Как температура влияет на интерпретацию SPI

  • Высокие температуры → повышенная испаряемость․ При одинаковом количестве осадков в жарком июле почва может оказаться более сухой, чем в прохладном июле того же года․
  • Аномалии температуры часто коррелируют с аномалиями осадков, но не всегда․ Поэтому в регионах с сильными летними жаркими волнами (например, в степных зонах) рекомендуется дополнительно рассчитывать SPEI, который учитывает потенциальную испаряемость (PET)․
  • Сезонные особенности․ В холодных регионах (снег) температура ограничивает испарение, поэтому даже при небольших осадках (в виде снега) SPI может показывать «норму», хотя в реальности доступная влага ограничена․

Практический пример расчёта SPI

Рассмотрим условный район средней полосы России․ Данные за 30‑летний период (1991‑2020) дают среднемесячную норму осадков за июль – 80 мм․ В текущем году за июль выпало только 30 мм․

  1. Собираем исторический ряд июльских осадков (30 значений)․
  2. Подгоняем к гамма‑распределению (параметры α = 2․1, β = 38 мм)․
  3. Вычисляем кумулятивную вероятность для 30 мм: F(30) ≈ 0․12․
  4. Преобразуем к нормальному распределению: SPI = Φ⁻¹(0․12) ≈ -1․17․

Полученный SPI = ‑1․17 относится к категории «Умеренно сухо»․ Если в этом же месяце средняя температура была на +3 °C выше нормы, то реальная засуха будет более выраженной, и рекомендуется рассчитать SPEI, который может дать значение около ‑1․8 (сильная засуха)․

Рекомендации по использованию SPI в практике

  • Выбирайте референтный период не менее 30 лет, чтобы нормы были статистически устойчивыми․
  • Для сельскохозяйственного мониторинга используйте короткие окна (1‑3 мес․) – они быстрее реагируют на изменения погоды․
  • Для оценки водных ресурсов и планирования водохранилищ предпочтительнее длинные окна (6‑12 мес․)․
  • Всегда сопоставляйте SPI с температурными аномалиями или расчётами SPEI, особенно в регионах с высокими летними температурами․
  • При работе с малыми количествами осадков (многие нули) применяйте смесь гамма‑лог‑нормального распределения или используйте модифицированный SPI, учитывающий нулевые значения․

Стандартизированный индекс осадков (SPI) – мощный инструмент, позволяющий быстро оценить отклонения от климатической нормы․ Однако нормальные значения осадков и температуры являются фундаментом, без которого расчёт и интерпретация индекса невозможны․ Температура, хотя и не входит в формулу SPI, существенно влияет на реальное водное состояние почвы и растений, поэтому в практических задачах часто используют комбинированные индексы (SPEI) или дополнительно анализируют температурные аномалии․

Понимание взаимосвязи между осадками, температурой и их нормами позволяет более точно прогнозировать засуху, планировать сельскохозяйственные работы и принимать меры по смягчению последствий экстремальных климатических явлений․


Автор: ChatGPT – ваш помощник в подготовке научных и практических материалов по климатологии․