干旱指數(shù)在中部干旱帶的適用性范文

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《寧夏畫報(bào)》2017年第6期

摘要：利用寧夏中部干旱帶鹽池、中寧、同心、海原4個(gè)站點(diǎn)1960—2015年共56年的氣候資料月值數(shù)據(jù)，計(jì)算了各個(gè)站點(diǎn)春、夏、秋、冬及作物生長季的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）和K干旱指數(shù)，并比較了3種干旱指數(shù)的評(píng)估結(jié)果。結(jié)果表明：（1）除冬季外，3種干旱指數(shù)在其他時(shí)間尺度上相關(guān)性均較好，SPI和SPEI，SPEI和K指數(shù)在冬季的相關(guān)性較差。（2）春、夏及作物生長季，SPEI和K指數(shù)判別的干旱情況較接近，SPI判別的干旱程度略輕；秋冬兩季，K指數(shù)判別的干旱程度最高，SPEI判別的干旱程度最輕。（3）4個(gè)站點(diǎn)春、夏、秋、冬及作物生長季的SPI、SPEI和K指數(shù)序列M－K法趨勢分析結(jié)果相似，均能表示出寧夏中部干旱帶干旱的變化趨勢。（4）結(jié)合歷史旱情資料，發(fā)現(xiàn)K指數(shù)相比于SPI、SPEI更能有效反映寧夏中部干旱帶的干旱情況，其評(píng)估結(jié)果基本與歷史干旱事實(shí)相符。

關(guān)鍵詞：干旱指數(shù)；寧夏中部干旱帶；適用性；SPI指數(shù)；SPEI指數(shù)；K指數(shù)

寧夏地處西北地區(qū)東部，屬干旱、半干旱地區(qū)，是氣候變化的敏感區(qū)，也是生態(tài)環(huán)境極其脆弱的地區(qū)［1］。一直以來，干旱都是困擾寧夏中部干旱帶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素［2］。干旱指數(shù)是研究干旱氣候的基礎(chǔ)，也是衡量干旱程度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［3］。選用合理有效的干旱指數(shù)將能更加準(zhǔn)確地反映干旱過程。目前，干旱研究中，選取的干旱指數(shù)通常有降水量距平百分率指數(shù)（Pa）［4］，z指數(shù)［5］，干燥度指數(shù)（AI）［6］，相對濕潤度指數(shù)（M）［7］，帕爾默干旱指數(shù)（PDSI）［8］，標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）［9］，標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）［10］，K指數(shù)［3］等等。其中，SPI是世界氣象組織（WorldMeteorologicalOrganization）推薦使用的干旱指數(shù)，計(jì)算簡單，對降水比較敏感，但未考慮其他可能會(huì)影響干旱的變量，如蒸發(fā)蒸騰、風(fēng)速等;西班牙學(xué)者Vicente－Serrano［11－12］通過在SPI中引入蒸散發(fā)，提出了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）；K指數(shù)由王勁松等［3，13－14］提出，并在西北地區(qū)干旱分析中得到了應(yīng)用。目前，SPI、SPEI和K指數(shù)這3種干旱指數(shù)均得到了廣泛的應(yīng)用。馬國飛等［15］采用SPI分析了寧夏山區(qū)干旱演變特征，結(jié)果表明寧夏山區(qū)年季干旱強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢，但干旱發(fā)生頻率和干旱面積增加；趙興凱等［16］通過計(jì)算SPI和SPEI分析陜北吳起縣1957—2014年的降水和氣溫，發(fā)現(xiàn)兩指數(shù)均能較準(zhǔn)確反映吳起縣氣候特征；王勁松等［3］采用K指數(shù)對西北地區(qū)春旱進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)K指數(shù)對西北地區(qū)的干旱監(jiān)測有較好的效果；王素艷等［2］分析了Pa、K、SPI、PDSI和CI這幾種干旱指數(shù)與寧夏實(shí)況干旱等級(jí)差異，發(fā)現(xiàn)K指數(shù)和CI綜合干旱指數(shù)評(píng)估效果較好，但需進(jìn)一步改進(jìn)以適宜寧夏應(yīng)用。盡管目前已有很多關(guān)于干旱指數(shù)的研究，但很少有學(xué)者專門針對寧夏中部干旱帶進(jìn)行干旱指數(shù)的適用性研究，本文擬采用在寧夏及西北地區(qū)應(yīng)用較好的SPI、SPEI和K指數(shù)對寧夏中部干旱帶的干旱情況進(jìn)行適用性分析，得出一種更適合寧夏中部干旱帶干旱監(jiān)測的干旱指數(shù)。

1研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

1．1研究區(qū)概況

寧夏位于我國大陸的西北腹地，居黃河中游上段，位于北緯35°14′—39°23′，東經(jīng)104°17′—107°39′，與甘肅、內(nèi)蒙古、陜西等省毗鄰。全區(qū)水資源總量11．633億m3，人均占有量190m3，是全國平均值的1／12。中部干旱帶主要是指年降水200～400mm之間的干旱區(qū)，主要包括紅寺堡、同心縣、鹽池縣和海原縣全部，以及中衛(wèi)市、中寧縣、靈武市、青銅峽市吳忠市利通區(qū)的山區(qū)部分，總面積為3．51萬km2，總?cè)丝?31．34萬人。中部干旱帶地處黃土高原和鄂爾多斯臺(tái)地東部，地勢南高北低，東高西低，地貌類型南部以黃土丘陵溝壑區(qū)為主，北部為丘陵臺(tái)地，海拔高程1300～2400m，自南向北由中溫帶半干旱區(qū)向干旱區(qū)過渡，有明顯的大陸性氣候特征。降水時(shí)空分布不均，多集中在7—9月，約占全年總降水量的60％～70％，并多以暴雨、冰雹等災(zāi)害形式出現(xiàn)。干旱帶年平均氣溫6．3℃，最高氣溫出現(xiàn)在7月，極端最高溫度41．4℃，極端低溫天氣－29．6℃。年輻射熱平均594．5kJ／cm2，日照時(shí)數(shù)2750～3000h［17］。

1．2數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)內(nèi)鹽池、中寧、同心、海原4個(gè)國家基本氣象站1960—2015年的氣候資料月值數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http：∥data．cma．cn／site／index．html），包括降水量（P）、平均溫度（T）、最低溫度（Tmin）、最高溫度（Tmax）、相對濕度（RH）、日照時(shí)數(shù)（n）和平均風(fēng)速（u），以及站點(diǎn)的經(jīng)緯度及海拔高度。對少量缺測數(shù)據(jù)采用平均值法以及相鄰站點(diǎn)插值法予以插值。

2方法

2．13種指數(shù)的計(jì)算

2．1．1SPISPI采用Γ分布概率來描述降水量的變化，將偏態(tài)概率分布的降水量進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，最終用標(biāo)準(zhǔn)化降水累積頻率分布來劃分干旱等級(jí)［9］。

2．2干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)參考國家標(biāo)準(zhǔn)《氣象干旱等級(jí)》［19］中提出的干旱分級(jí)指標(biāo)。

2．3Mann－kendall檢驗(yàn)法在時(shí)間序列趨勢分析中，Mann－Kendall檢驗(yàn)［20］是WMO推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法。Mann－Kendall檢驗(yàn)不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，計(jì)算簡便。本文采用Mann－kendall檢驗(yàn)法對降水和蒸發(fā)的時(shí)間序列進(jìn)行趨勢分析和突變分析。

3結(jié)果與分析

3．1P和ET0的年際變化趨勢分析及突變檢驗(yàn)

通過對4個(gè)站點(diǎn)P和ET0進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)中寧站P（205mm）最少，海原站P（376m）最多，后者較前者增加了約83％；海原站ET0（1071mm）最少，同心站ET0（1179mm）最多，后者較前者增加了約10％。可見，寧夏中部干旱帶4個(gè)站點(diǎn)的P差異較大，ET0相對穩(wěn)定。通過對4個(gè)站點(diǎn)的P和ET0的M－K趨勢檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)除了鹽池的P有增加趨勢外，其他3個(gè)站點(diǎn)的P均呈減少趨勢；鹽池和海原的ET0有減少趨勢，同心和中寧的ET0均呈增加趨勢，且增加趨勢通過了95％的顯著檢驗(yàn)。總的來說，寧夏中部干旱帶P減少，ET0增加，干旱呈加重的趨勢。用4個(gè)站點(diǎn)P和ET0的平均值代表寧夏中部干旱帶的P和ET0，可見寧夏中部干旱帶P和ET0的年際變化曲線及M－K突變檢驗(yàn)結(jié)果見圖1—4，圖2和圖4中二水平虛線代表置信度為95％，UF（K）為順序時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)曲線，UB（K）為逆序時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)曲線。由圖1可知，寧夏中部干旱帶P多年平均值為285mm，波動(dòng)范圍為149～543mm，最大、最小值分別出現(xiàn)在1964年（543mm）和1982年（149mm）；1960—2015年，P隨時(shí)間呈減少趨勢，傾向率為－5mm／10a，無明顯波動(dòng)。由圖2可以看出，寧夏中部干旱帶P無顯著突變點(diǎn)。由圖3可知，寧夏中部干旱帶ET0多年平均值為1132mm，波動(dòng)范圍為1002～1247mm，最大、最小值分別出現(xiàn)在1997年（1247mm）和1967年（1002mm）；1960—2015年，ET0隨時(shí)間呈增加趨勢，傾向率為5mm／10a，在2000年左右有較大起伏。由圖4可知，1960—1970年寧夏中部干旱帶ET0呈小幅減少模式，1971年之后開始增加，2000—2008年增幅達(dá)顯著水平（p＜0．05）。其中，ET0突變開始于1969年。

3．23種干旱指數(shù)的對比分析

每年的3—10月是寧夏農(nóng)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期［17］，故這個(gè)時(shí)間段的干旱情況尤為重要。所以本文在時(shí)間尺度上劃分為春、夏、秋、冬及作物生長季（3—10月）對寧夏中部干旱帶的干旱情況進(jìn)行評(píng)估。

3．2．13種干旱指數(shù)在不同時(shí)間尺度的相關(guān)性分析為了衡量3種干旱指數(shù)之間的相關(guān)性，計(jì)算3種干旱指數(shù)在寧夏中部干旱帶不同時(shí)間尺度的相關(guān)系數(shù)（表3）。可以看出，SPI和SPEI之間的相關(guān)系數(shù)除了冬季為0．2915以外，其他時(shí)間尺度的相關(guān)系數(shù)均在0．9～0．95；SPI和K指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)除了冬季為0．8483以外，其他時(shí)間尺度的相關(guān)系數(shù)均在0．95以上；SPEI和K指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)除了冬季為0．4024以外，其他時(shí)間尺度的相關(guān)系數(shù)均在0．95以上。由此可見，除冬季外，3種干旱指數(shù)在其他時(shí)間尺度上的相關(guān)系數(shù)均比較高。

3．2．23種干旱指數(shù)在不同時(shí)間尺度的干旱頻率及干旱程度比較為了比較SPI、SPEI和K指數(shù)對干旱發(fā)生評(píng)定的差異性，分別計(jì)算這3種干旱指數(shù)在寧夏中部干旱帶不同時(shí)間尺度的干旱頻率，見表4。由表4可以看出，夏、春及作物生長季，SPEI和K指數(shù)判別的干旱情況比較接近，SPI判別的干旱程度略輕，發(fā)生的干旱類型主要為輕旱和中旱；秋季和冬季，3種指數(shù)判別的干旱情況差異較大，其中K指數(shù)判別的干旱程度最高，其次是SPI、SPEI判別的干旱程度最輕。可見，K指數(shù)對干旱強(qiáng)度判別的敏感性最強(qiáng)。根據(jù)中國氣象災(zāi)害大典．寧夏卷［21］記載，寧夏中部干旱帶春季大風(fēng)揚(yáng)沙天氣頻繁，每年都發(fā)生有不同程度的春旱，SPEI和K指數(shù)對春季干旱判別結(jié)果中輕旱及輕旱以上發(fā)生頻率超過80％，而SPI判別結(jié)果僅為30％，由此可以看出SPEI和K指數(shù)比SPI更適合寧夏中部干旱帶春季的干旱監(jiān)測。為進(jìn)一步了解SPI、SPEI和K干旱指數(shù)對寧夏中部干旱帶干旱等級(jí)的判別差異，本文分析了這3種干旱指數(shù)在不同時(shí)間尺度的干旱等級(jí)差異年數(shù)，得出以下結(jié)論：春、夏及作物生長季主要表現(xiàn)為SPEI和K指數(shù)判別干旱等級(jí)比SPI高一級(jí)；秋冬季節(jié)主要表現(xiàn)為SPI和K指數(shù)判別干旱等級(jí)比SPEI高；總的來說，K指數(shù)判別的干旱等級(jí)比SPI和SPEI高。

3．2．33種干旱指數(shù)在不同時(shí)間尺度的趨勢分析對寧夏中部干旱帶4個(gè)站點(diǎn)在不同時(shí)間尺度的SPI、SPEI和K指數(shù)序列進(jìn)行M－K法趨勢分析，分析這3種指數(shù)的變化趨勢。干旱指數(shù)序列若有增加趨勢，則表明該區(qū)有逐漸變濕的趨勢；干旱指數(shù)序列若有減小趨勢，則表明該區(qū)有干旱化的趨勢。由表5可以看出，4個(gè)站點(diǎn)在不同時(shí)間尺度的SPI、SPEI和K指數(shù)序列的M－K法趨勢分析結(jié)果相似，均能反映寧夏中部干旱帶在不同時(shí)間尺度干旱的變化趨勢。春季，4個(gè)站點(diǎn)的SPI、SPEI和K指數(shù)均有減小趨勢，說明春旱有增加的趨勢，其中中寧站的SPEI，同心縣的SPEI和K指數(shù)有顯著的減小趨勢。夏季，鹽池、海源和同心站的SPI、SPEI和K指數(shù)均有不顯著的增加趨勢，說明這3個(gè)站點(diǎn)的夏旱有減少的趨勢；中寧站的SPI、SPEI和K指數(shù)均有不顯著的減小趨勢，說明中寧的夏旱有增加趨勢。秋季，4個(gè)站點(diǎn)的SPI、SPEI和K指數(shù)均有不顯著的減小趨勢，說明秋旱有增加趨勢。冬季，鹽池和中寧站的SPI和K指數(shù)有減小趨勢，而SPEI有增加趨勢；海原站SPI、SPEI和K指數(shù)均有增加趨勢；同心站SPI、SPEI和K指數(shù)均有減小趨勢。作物生長季，鹽池站的SPI、SPEI和K指數(shù)均有增加趨勢，另外3個(gè)站點(diǎn)的SPI、SPEI和K指數(shù)均有減小的趨勢，其中中寧站的SPEI值有顯著減小的趨勢。

3．2．43種干旱指數(shù)的適用性驗(yàn)證現(xiàn)將SPI、SPEI和K指數(shù)對寧夏中部干旱帶干旱的監(jiān)測情況與當(dāng)?shù)貧v史災(zāi)情資料［21－22］聯(lián)系起來，對3種干旱指數(shù)在寧夏中部干旱帶的適用性進(jìn)行驗(yàn)證。相關(guān)文獻(xiàn)記載，1982年，是歷史上少見的干旱嚴(yán)重年份，出現(xiàn)春、夏、秋連旱；1987年，全區(qū)各地P比常年平均值少1～5成，除6月偏多外，其余11個(gè)月均比常年少，出現(xiàn)冬、春、夏、秋連旱，是1949年以來第3個(gè)大旱年；2009年3月至7月末期，發(fā)生嚴(yán)重春、夏連旱。

4結(jié)論

（1）3種干旱指數(shù)在春、夏、秋及作物生長季對干旱發(fā)生及其等級(jí)的綜合評(píng)價(jià)沒有顯著差異，在冬季的相關(guān)系數(shù)偏低，其中SPI和SPEI、SPEI和K指數(shù)在冬季的相關(guān)系數(shù)尤其低。（2）春、夏及作物生長季，SPEI和K指數(shù)判別的干旱情況比較接近，SPI判別的干旱程度略輕，秋季和冬季，3種指數(shù)判別的干旱情況差異較大，其中K指數(shù)判別的干旱程度最高，其次是SPI、SPEI判別的干旱程度最輕；綜合來看，K指數(shù)對干旱強(qiáng)度判別的敏感性最強(qiáng)。（3）4個(gè)站點(diǎn)春、夏、秋、冬及作物生長季的SPI、SPEI和K指數(shù)序列的M－K法趨勢分析結(jié)果相似，均能表示出寧夏中部干旱帶干旱的變化趨勢。（4）K指數(shù)是P、ET0等氣象要素的綜合反映，相比于SPI、SPEI能夠有效反映寧夏中部干旱帶的干旱情況，其評(píng)估結(jié)果基本與歷史干旱事實(shí)相符。本文所得出的結(jié)論與王素艷等［2］用幾種干旱指數(shù)在寧夏的應(yīng)用分析結(jié)果相一致，但是本文中并未研究K指數(shù)是否放大了寧夏中部干旱帶的干旱事實(shí)，其干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)是否需要修正還需進(jìn)一步的研究。

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作者：關(guān)靜1，梁川1，趙璐1，2，崔寧博1，2，王春懿1 單位：1．四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2.南方丘區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室