相對濕潤度指數(shù)在干旱易發(fā)區(qū)預(yù)測中的應(yīng)用
——以錦州市為例

劉 洋

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

1 研究背景

干旱是指某一地區(qū)長期無雨或高溫少雨，使得空氣與土壤水分缺失的現(xiàn)象，它是人類社會面對的最長期的自然災(zāi)害之一，具有出現(xiàn)頻率高、持續(xù)時間長、波及范圍廣的特點。干旱會給社會經(jīng)濟帶來巨大的損失，此外還會造成水資源短缺、荒漠化加劇、沙塵暴頻發(fā)等諸多生態(tài)和環(huán)境方面的不利影響[1]，因此干旱防治一直是人類的重點研究課題。干旱易發(fā)區(qū)的識別與預(yù)測有利于人們將有限的人力與物力資源集中在最需要的地方，從而可提高干旱防治工作的整體成效，對提高防旱抗旱水平、確保農(nóng)業(yè)安全具有重要意義[2]。但是，目前干旱易發(fā)區(qū)的識別研究大多只是基于歷史數(shù)據(jù)，但由于沒有充分考慮氣候變化的影響，這在以往的實踐中具有較大的實用性，因此在當(dāng)前全球氣候明顯變化的背景下則其可信度存在一定的問題。干旱易發(fā)區(qū)的識別可以采用不同的指標(biāo)[3]，其中相對濕潤指數(shù)是以降水量和蒸發(fā)量為主要計算參數(shù)，不僅機理明確、計算簡便，還可充分考慮氣候變化的影響，因此在干旱易發(fā)區(qū)的預(yù)測中具有較強的優(yōu)勢[4]。為此，本文驗證了4個不同大氣環(huán)流模式在預(yù)測錦州市氣象因子方面的適用性，并采用其中的最佳模型預(yù)測了錦州市2017～2050年間各地區(qū)的蒸發(fā)量與降水量，再采用相對濕潤度指數(shù)法判斷出該市的干旱易發(fā)區(qū)，為該地區(qū)的水資源規(guī)劃管理、防旱抗旱工作部署提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)域

錦州市位于遼寧省的西南部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)120°43′～122°36′，北緯40°48′～42°08′。南臨渤海，北依松嶺山脈，東接“遼中南”工業(yè)區(qū)，西連“京津唐”工業(yè)區(qū)，是環(huán)渤海經(jīng)濟圈、東北亞經(jīng)濟圈的交匯點，連接?xùn)|北內(nèi)陸與渤海的黃金走廊。錦州市總面積10301km2，海岸線124km，人口302.6萬，是環(huán)渤海經(jīng)濟區(qū)重要的沿海開放城市。錦州市地處暖溫帶半濕潤氣候，四季分明，降水集中、季風(fēng)明顯、風(fēng)力較大。年平均氣溫為7.8～9.0℃，年無霜期為144～180天，年平均降水量為567mm，降水四季分布不均，60%～70%的降水集中在夏季。源于境外流經(jīng)境內(nèi)而且流域面積大于3000km2的較大水系有小凌河、大凌河、繞陽河3條，錦州城郊有女兒河、百股河、小壩溝、觀音洞水、二郎洞水等河流。在錦州市干旱的分相關(guān)研究中，李研[5]采用了多標(biāo)量干旱指數(shù)對其干旱時空特性進行了分析，但該研究主要是基于歷史數(shù)據(jù)；據(jù)筆者所知，目前幾乎沒有基于相對濕潤指數(shù)法且考慮了全球氣候變化影響的錦州市干旱易發(fā)區(qū)預(yù)測成果。

2.2 相對濕潤指數(shù)

相對濕潤指數(shù)是反映某一時段降水量和蒸發(fā)量之間平衡的指標(biāo)，適用于作物生長的干旱監(jiān)測與評估，其公式為[6]：

(1)

式中,P—降水量，E—蒸發(fā)量。

由于全球變化條件下某一地區(qū)的降水量與蒸發(fā)量可通過大氣環(huán)流模式等方式來預(yù)測，因此采用相對濕潤指數(shù)可以對氣候變化情況下某地區(qū)的干旱易發(fā)區(qū)進行預(yù)測。

相對濕潤指數(shù)的干旱分級因地區(qū)而異，一般該指數(shù)值越高則干旱較不易發(fā)，根據(jù)錦州市的水資源具體情況，確定其干旱分級標(biāo)準(zhǔn)如下：

(2)

2.3 氣象因子預(yù)測

氣象因子的預(yù)測主要采用大氣環(huán)流模式[7]結(jié)合降尺度法[8]。目前，大氣環(huán)流模式的類型較多，且結(jié)果存在較為明顯的差異，因此需要對各模型在當(dāng)?shù)氐倪m用性進行分析[9]，本文主要對4個常用的模型進行了試驗，分別為PCM(Parallel Climate Model)， HadCM3(Hadley Centre Coupled Model，version 3)，CGCM3(the Third Generation Coupled Global Climate Model)，CNRM(Center National Water Research Model)。降尺度分析主要采用Quantile-Quantile法結(jié)合當(dāng)?shù)貙崪y資料，所采用的資料為錦州市1980～2016年間各地的逐日氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)主要來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)、各地氣象局、相關(guān)文獻等[10]。

3 研究結(jié)果

3.1 方法適用性分析

相對濕潤指數(shù)由降水量和蒸發(fā)量兩個變量決定，因此分析不同方法的適用性即是判斷其預(yù)測降水量和蒸發(fā)量的精確程度。采用不同模型對錦州市1980～2016年間的降水量進行模擬，按月進行匯總，并與實測值進行比較，結(jié)果如圖1所示。

觀察圖1可知，CNRM模型偏離實測值較大，尤其在降水量較大的月份；例如，其估算的7月份降水量明顯高于實測值，而又明顯低估了8月份的降水量。HadCM3模型相對于CNRM模型較為精確，但也明顯高估了8月份的降水量。PCM和CGCM3都能較為準(zhǔn)確的預(yù)測錦州市的降水量，但對圖1所示數(shù)據(jù)進行進一步的分析可知，PCM模型各月平均低估了3.5mm，而CGCM3模型各月份平均的低估值僅為0.8mm，因此可以認為CGCM3模型在錦州市的降水量預(yù)測中性能最好。

圖2 錦州市蒸發(fā)量實測與模擬值

同理，采用相同方法得到錦州市蒸發(fā)量實測與模擬值的比較圖(圖2)，觀察可知，HadCM3模型在5月份蒸發(fā)量的預(yù)測中出現(xiàn)較大的偏差；PCM模型相對HadCM3模型更接近實測值，但相對于其它兩種模型偏差較大；CNRM模型和CGCM3都能較為準(zhǔn)確的預(yù)測錦州市的蒸發(fā)，但由于CNRM模型在錦州市降水量的預(yù)測中精確度性較不理想，因此，總體而言，CGCM3模型可最為準(zhǔn)確地預(yù)測錦州市的氣象因子，在該市降水量與蒸發(fā)量的預(yù)測中具有最高的綜合適用性。

3.2 相對濕潤指數(shù)值

基于CGCM3模型模擬了錦州市市區(qū)、義縣、凌海市、北鎮(zhèn)市和黑山縣在2016～2050年間的逐年降水量P與蒸發(fā)量E。以E值為橫坐標(biāo)，P-E值為縱坐標(biāo)作圖，其斜率則為相對濕潤指數(shù)，同時做出M=-0.4、M=-0.5、M=-0.7、M=-0.8四項區(qū)間值的直線，如圖3所示。

圖3 錦州市相對濕度指數(shù)變量值

根據(jù)圖3數(shù)據(jù)可知，錦州市在未來33年間的最低年降水量為269mm，最高年降水量為1197mm，兩者相差較大，說明錦州市的降水量具有較大的時間變異性，增加了該地區(qū)防旱抗旱工作的難度，也強調(diào)了對該市干旱易發(fā)區(qū)進行預(yù)測的必要性與重要性。該地區(qū)的最低年蒸發(fā)量為1202mm，最高年蒸發(fā)量為2470mm，遠高于降水量，因此錦州市對境外流入水源依賴性較重，水資源穩(wěn)定性面臨較大威脅。計算市區(qū)、義縣、凌海市、北鎮(zhèn)市和黑山縣的平均相對濕潤度指數(shù)，結(jié)果分別為-0.5954、-0.6183、-0.6060、-0.6100和-0.6384，皆表現(xiàn)為中等的干旱程度；按平均相對濕潤指數(shù)由高到低排序分別為市區(qū)、凌海市、北鎮(zhèn)市、義縣、黑山縣，總體呈現(xiàn)由東南(沿海)至西北(山區(qū))逐漸降低的趨勢。

3.3 干旱易發(fā)區(qū)分析

平均相對濕潤指數(shù)只可以表征各地區(qū)的平均干旱程度，但不能表現(xiàn)其易發(fā)性。鑒于此，將錦州市各地區(qū)的相對濕度指數(shù)預(yù)測值進行排序，確定在2017～2050年間出現(xiàn)無旱、輕旱、中旱、重旱、特旱事件的年數(shù)，并將之轉(zhuǎn)化為不同程度干旱的發(fā)生頻率，結(jié)果如表1所示。

表1 錦州市不同程度干旱發(fā)生頻率 單位：%

根據(jù)表1結(jié)果可知，出現(xiàn)無旱事件最多的為凌海市，為20.59%，因此可以認為凌海市相對錦州市其它地區(qū)較不易出現(xiàn)干旱事件；義縣和黑山縣出現(xiàn)無旱事件的頻率皆為2.94%，是最容易出現(xiàn)干旱的兩個地區(qū)，但義縣的干旱事件中有17.65%為輕旱，而黑山縣的干旱事件中有88.24%為中旱及以上程度，因此可以認為黑山縣為錦州市最為嚴(yán)重的干旱易發(fā)區(qū)。各地區(qū)的特旱事件發(fā)生頻率較為接近，主要因為特旱事件影響范圍較大，各地基本保持一致；錦州市區(qū)蒸發(fā)量較大，因此當(dāng)降水量較少時，更容易出現(xiàn)特旱事件。綜上，錦州市各地區(qū)按照干旱易發(fā)程度由高到底排序分別為：黑山縣、義縣、北鎮(zhèn)市、市區(qū)、凌海市。

4 結(jié)論

CGCM3模型在錦州市氣象因子的預(yù)測中具有較好的適用性；各地按平均相對濕潤指數(shù)皆表現(xiàn)為中等的干旱程度，由高到低排序分別為市區(qū)、凌海市、北鎮(zhèn)市、義縣、黑山縣，總體呈現(xiàn)由東南(沿海)至西北(山區(qū))逐漸降低的趨勢；各地區(qū)按照干旱易發(fā)程度由高到底排序分別為：黑山縣、義縣、北鎮(zhèn)市、市區(qū)、凌海市。本文成果可為錦州市的水資源合理配置提供參考，但其中干旱等級的劃分還不可避免地具有一定的主觀性，在以后的研究中還應(yīng)該更為精細地探討錦州市干旱等級的客觀化確定方法。

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