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干旱指數(shù)在中部干旱帶的適用性范文

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干旱指數(shù)在中部干旱帶的適用性

《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

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