松花江流域干旱規(guī)律研究

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

干旱指因水分的收支或供求不平衡所造成的水分不足現(xiàn)象，包括氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱、社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱。干旱是一種不可抗拒的氣候?yàn)?zāi)害，它影響著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、居民生活、工農(nóng)業(yè)發(fā)展和社會(huì)公共安全。

目前，國(guó)內(nèi)外水文工作者使用降水距平百分率 (Pa)、降水Z指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI[1]、帕默爾干旱指標(biāo)PDSI、綜合氣象干旱指數(shù)CI、綜合氣象干旱指數(shù)DI等指標(biāo)來(lái)衡量不同類型的干旱程度。袁文平等[2]基于我國(guó)不同氣候區(qū)的7個(gè)氣象站1951—1995 年的月降水資料，將SPI 指數(shù)和降水Z指數(shù)進(jìn)行對(duì)比研究，得出在我國(guó)的氣象干旱研究中，SPI指數(shù)較優(yōu)于Z指數(shù)，前者能夠較好地反映各個(gè)區(qū)域和各個(gè)時(shí)段的旱澇狀況；安順清等[3]利用濟(jì)南(1919—1980年)、鄭州(1951—1980年)兩個(gè)氣象站的逐年逐月氣溫和降水等基本資料，在修正權(quán)重因子時(shí)選用北京、青島等12個(gè)氣象站的有關(guān)資料，對(duì)帕默爾旱度模式進(jìn)行了修正，建立了我國(guó)的帕默爾氣象旱度模式；鄒旭凱等[4]利用綜合氣象干旱指數(shù)CI統(tǒng)計(jì)分析了全國(guó)大江河流域近60年的干旱變化情況，從整體來(lái)看，近60年來(lái)中國(guó)干旱面積表現(xiàn)出較弱的增加趨勢(shì)；趙海燕等[5]通過(guò)研究我國(guó)西南地區(qū)的干旱情況，在用加權(quán)降水量改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)綜合氣象干旱指數(shù)進(jìn)行了修正，建立了新的綜合氣象干旱指數(shù)；閆桂霞等[6]通過(guò)總結(jié)對(duì)比已有氣象干旱指數(shù)，結(jié)合PDSI和SPI的優(yōu)點(diǎn)，提出了綜合氣象干旱指數(shù)DI；Ohlsson[7]提出用SWSI(Social Water Scarcity Inde x)反映社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱程度。但松花江流域并未作過(guò)基于MATLAB編程的干旱研究，因此本文利用松花江流域38個(gè)氣象站在1961—2013年的氣象資料，基于MATLAB編程計(jì)算各站點(diǎn)在各月的降水距平百分率Pa、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI、綜合氣象干旱指數(shù)CI，并與實(shí)際干旱情況相比較，最終選取適合松花江流域的最優(yōu)干旱指數(shù)，在此基礎(chǔ)上，分析松花江流域干旱的時(shí)空分布規(guī)律。

1 干旱指標(biāo)計(jì)算分析

1.1 資料的可靠性分析

本文采用的資料是由中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)提供的松花江流域有代表性的38個(gè)氣象站在1961—2013年逐月降水量、月最高氣溫、月最低氣溫、月平均氣溫、月平均相對(duì)濕度、月日照時(shí)數(shù)、10m處月平均風(fēng)速，各氣象站的緯度、經(jīng)度及海拔高度，及1991—2011年間各氣象站的災(zāi)害情況，數(shù)據(jù)具有可靠性、一致性和代表性。

1.2 干旱指標(biāo)

1.2.1 降水距平百分率Pa

降水距平百分率 Pa 是指某時(shí)段的降水量與常年同期降水量相比的百分率：

(1)

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI

假設(shè)某一時(shí)段的降水量為x，則其累積概率可表示為

H(x)=q+(1+q)G(x)

(2)

式中：q為降水量為0的概率。

(3)

1.2.3 綜合氣象指數(shù)CI

綜合氣象干旱指數(shù)CI的計(jì)算式為

CI=aZ30+bZ90+cM30

(4)

式中：Z30、Z90分別為近30天、90天的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI；M30為近30天相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)；a、b、c平均取值分別為0.4、0.4、0.8。基于MATLAB編程可計(jì)算出數(shù)列的CI值。

1.3 最優(yōu)指數(shù)選取

按照《氣象干旱等級(jí)》(GB/T 20481—2017)規(guī)定的降水距平百分率Pa、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI及綜合氣象干旱指數(shù)CI的干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，基于MATLAB編程計(jì)算SPI以及CI值，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可以看出，Pa劃分等級(jí)和實(shí)際干旱等級(jí)一致的有3次，SPI一致的有4次，CI一致的有7次，說(shuō)明綜合氣象干旱指數(shù)CI對(duì)于實(shí)際干旱情況的描述與其他兩種干旱指數(shù)相比更貼切一些。

在冬季，松花江流域無(wú)農(nóng)作物生長(zhǎng)，干旱對(duì)其無(wú)影響，實(shí)際旱災(zāi)中沒(méi)有冬旱的記錄。為統(tǒng)一計(jì)算，冬季也選取綜合氣象干旱指數(shù)CI作為其干旱指標(biāo)。綜上所述，最終選取綜合氣象指數(shù)CI作為評(píng)價(jià)松花江流域旱情的干旱指標(biāo)。

表1 各干旱等級(jí)對(duì)照情況

2 干旱規(guī)律分析

2.1 干旱時(shí)間分布規(guī)律分析

2.1.1 年內(nèi)分布規(guī)律

按干旱發(fā)生的月份將干旱分為4類：春旱(3—5月)、夏旱(6—8月)、秋旱(9—11月)、冬旱(12至次年2月)，每個(gè)季節(jié)若有1個(gè)月份發(fā)生干旱(CI等級(jí)值>1)，則認(rèn)為此季節(jié)出現(xiàn)干旱。統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)在1961—2013年間干旱發(fā)生的次數(shù)及概率，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各站點(diǎn)的春旱、夏旱、秋旱、冬旱的發(fā)生次數(shù)及頻率

由表2可知，松花江流域各站點(diǎn)春旱和冬旱發(fā)生次數(shù)最多，多為80%～90%；秋旱次之，一般為70%～80%；夏旱發(fā)生次數(shù)最少，一般為60%～70%。

2.1.2 年際變化規(guī)律

本文采用Mann-kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法分析松花江流域干旱隨年份的變化規(guī)律，當(dāng)k>0時(shí)，CI值呈上升趨勢(shì)，即干旱隨年份有加重的趨勢(shì)；當(dāng)k<0時(shí)，CI值呈下降趨勢(shì)，即干旱隨年份有減弱的趨勢(shì)。本文選取顯著性水平α=0.05對(duì)其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，當(dāng)結(jié)果Z的絕對(duì)值大于1.96時(shí)，表示此回歸方程是顯著的，否則為不顯著。

表3 各月份k>0和|Z|>1.96的站點(diǎn)個(gè)數(shù)

各月份k>0和|Z|>1.96的站點(diǎn)個(gè)數(shù)見(jiàn)表3，由表3可知，在1月、2月、3月、4月、5月、6月、12月大部分站點(diǎn)為k>0，說(shuō)明在這幾個(gè)月份松花江流域的干旱有加重的趨勢(shì)，但只有3月通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)較多，因此認(rèn)為松花江流域的干旱情況在3月呈現(xiàn)顯著加重趨勢(shì)，在1月、2月、4月、5月、6月、12月為不顯著加重趨勢(shì)。

7月沒(méi)有站點(diǎn)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，共有17個(gè)站點(diǎn)的k>0，這些站點(diǎn)多集中在松花江流域的北部和東南部，可認(rèn)為這些地區(qū)的干旱情況在7月呈現(xiàn)不顯著加重趨勢(shì)，其他地區(qū)則呈現(xiàn)不顯著減弱趨勢(shì)；8月僅有3個(gè)站點(diǎn)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，共有13個(gè)站點(diǎn)的k>0，這些站點(diǎn)集中于流域東南部的一小部分，則這些地區(qū)的干旱情況在8月呈現(xiàn)不顯著加重趨勢(shì)，其他地區(qū)呈現(xiàn)不顯著減弱趨勢(shì)；9月只有4個(gè)站點(diǎn)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，兩個(gè)站點(diǎn)的k>0，可認(rèn)為該流域的干旱情況在9月呈現(xiàn)不顯著減弱趨勢(shì)；10月、11月各有1個(gè)站點(diǎn)通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，k>0的站點(diǎn)集中在流域的東部，則該區(qū)域的干旱情況在10月、11月呈現(xiàn)不顯著加重趨勢(shì)，其他區(qū)域?yàn)椴伙@著性減弱趨勢(shì)。

2.2 干旱空間分布規(guī)律分析

在流域站點(diǎn)圖的基礎(chǔ)上點(diǎn)繪各站點(diǎn)在1961—2013年間發(fā)生春旱、夏旱、秋旱和冬旱的次數(shù)，見(jiàn)圖1。

圖1 各站點(diǎn)發(fā)生干旱的次數(shù)

由圖1(a)可知，在整個(gè)流域，各站點(diǎn)在1961—2013年間發(fā)生春旱的次數(shù)差別不大，說(shuō)明春旱在整個(gè)流域上分布較均勻，沒(méi)有明顯的空間差異。由圖1(b)可知，流域夏旱次數(shù)由西部向東部遞減，其中，流域東南部發(fā)生干旱次數(shù)最少，說(shuō)明松花江流域內(nèi)夏旱由西部向東部減弱，流域東南部夏旱程度最輕。由圖1(c)可知，流域西南部發(fā)生秋旱次數(shù)最多，其他區(qū)域發(fā)生干旱次數(shù)相對(duì)偏少，說(shuō)明松花江流域西南部秋旱最嚴(yán)重，其他區(qū)域稍輕。由圖1(d)可知，整個(gè)流域各站點(diǎn)在1961—2013年間發(fā)生冬旱的次數(shù)差別不大，說(shuō)明冬旱在整個(gè)流域上分布較均勻，沒(méi)有明顯的空間差異。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用松花江流域38個(gè)氣象站在1961—2013年間的氣象資料，計(jì)算各站點(diǎn)在各月份的降水距平百分率Pa、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI、綜合氣象干旱指數(shù)CI值，并由此劃分干旱等級(jí)。綜合3個(gè)指標(biāo)劃分的干旱等級(jí)與流域?qū)嶋H干旱情況進(jìn)行對(duì)比，選取CI作為松花江流域的最優(yōu)干旱指標(biāo)。但在最優(yōu)干旱指標(biāo)的選取過(guò)程中，只考慮了降水距平百分率Pa、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI、綜合氣象干旱指數(shù)CI 3個(gè)氣象干旱指標(biāo)，沒(méi)有考慮其他氣象干旱指標(biāo)，且在干旱規(guī)律分析時(shí)，選用的方法簡(jiǎn)單，對(duì)流域干旱規(guī)律分析不夠詳盡，因此后續(xù)有待進(jìn)行進(jìn)一步深入的研究。