哈密地区气象干旱监测指数研究

慕彩芸，程海涛，张治雄

（1哈密地区气象局，新疆 哈密839000；2.独山子气象局，新疆 独山子833600）

哈密地区地处新疆东部，地缘辽阔，土地面积13.7万km2，降水少而分布不均，是典型的干旱区，干旱是该区域最主要的气象灾害。天山山脉横亘东西，将哈密地区分割为气候完全相异的南北两部分，北部降水量100～250 mm，南部降水量30～50 mm，天山山区降水量可达500～600 mm，是当地的水源地和“水塔”，成了哈密地区主要的调节水源。哈密地区农业生产以绿洲灌溉农业为主，山区降水和冰雪融水是河流的主要水源补给。

在对干旱的研究过程中，人们制定了许多干旱指数来对干旱进行监测，例如有降水量距平百分率气象干旱等级（Pa），相对湿润度指数气象干旱等级（M），帕默尔干旱指数（X），标准化降水指数（SPI），土壤相对湿度干旱指数（R），综合气象干旱指数（CI），Z指数等[1-4]。这些干旱指数大致可归纳为单要素指数和多要素指数，前者考虑因素少，但计算和所需资料简单，便于应用；后者考虑因素多一些，但计算复杂，需要收集资料多，有些资料在实际应用中较难获得。干旱的形成和发展是水分亏缺缓慢积累的过程，一个好的干旱指数既要考虑某一段时间的水分亏缺量，又要考虑持续时间。目前较为流行的帕默尔气象干旱指数[5-11]考虑因子较为全面，有较好的时空比较性，但该指数涉及参数多，计算过程复杂，限制了它在实际干旱监测中的应用；而当前应用较广泛的Z指数只考虑降水一个因素，应用简便，但未考虑到干旱的累积性，且对于旱涝等级的划分人为性大。因此，尝试结合二者的优点，建立一个气象意义明显且应用简便的修正帕默尔气象干旱指数，以服务于该地区的干旱监测、诊断业务。

1 资料与方法

1.1 资料来源

考虑到该地区南、北气候差异明显，分南、北两个区域对哈密地区干旱指数进行研究。选取1961—2010年逐月降水观测资料，南部区域代表站为哈密、红柳河、十三间房，北部区域代表站为巴里坤、伊吾、淖毛湖。文中所用气象和旱情资料均来源于哈密地区气象局。

1.2 Z指数干旱指标

Z指数是假设某时段的降水量服从PersonⅢ型分布，而后对降水量进行正态化处理，这样可将概率密度函数PersonⅢ型分布转换为以Z为变量的标准正态分布，消除了不同地区和时期的气候差异，能够较客观地反映出降水量的正负异常状况。Z指数的计算公式如下：

其中，Cs为偏态系数且，标准差

1.3 修正帕默尔气象干旱指数

计算哈密地区各代表站点1961—2010年的标准化降水指数。依据帕默尔干旱指数的基本原理[5-11]，干旱强度是水分亏缺量与持续时间的函数，因此干旱指数应包括时间这个因子。分别选取两个区域历史时期中不同持续时期的最旱时段的累积Z值（表1），假定历史中的某些最旱时段达到极端干旱。

表1 历史最旱时段持续时间及累积Z值

将Z的累积值ΣZ（纵坐标）与持续时段t（横坐标）点绘于图1中，得到回归直线（实线），表示各种时间尺度的极端干旱，根据帕默尔对干旱等级的划分[6]，假定极端干旱情况下的旱度值X＝-4.0，图中右侧的纵坐标也可从正常到极端分成4等份。在图1中做出3条处于实线上方的直线（虚线），分别代表了轻旱、中旱和重旱的上限，旱度值Z分别为-1.0、-2.0、-3.0。

图1 哈密南部干旱指数与水分异常积累值和持续时间关系图

由图建立干旱指数xi与累积值Z和时间t的关系式，建立干旱指数模式：

南部：

北部：

方程（2）、（3）仅是不同时期指数值Z的代数和，这种线性关系并不能真正代表持续时间t和旱度值xi之间的关系，为了考虑每个月对干旱严重程度的贡献，对上式进行变换得到：

南部：

北部：

方程（4）、（5）即为哈密地区南、北部修正帕默尔气象干旱指数的计算公式，其中Xi为上月干旱指数，间接反映了时间因子的作用。

1.4 干旱结束的计算

根据公式（4）、（5）计算干旱指数时，要确定系列当中每个月当月结束旱段或湿润段的可能性，当月旱段或湿润段开始的可能性以及已经开始的干旱段或湿润段的严重程度等几个方面的信息，帕默尔以定量化的方式来确定旱段或湿润段的开始和结束，即X≤-0.5时，认为干旱期开始，X>-0.5时，就认为干旱结束，从而可以得到某月使干旱减轻到正常状态所需的水分即Ze，使干旱严重程度减轻的Z值即“有效增湿量”Uw。

南部：

北部：

计算干旱（湿润）结束的概率Pe为：

1.5 区域干旱指数的建立

公式（4）、（5）是计算单站修正帕默尔气象干旱指数的模式，要反映区域旱涝情况，就要建立区域干旱指数。通常情况下对于降水分布均匀的一个较小区域，如哈密地区的南、北部，某月的旱涝状况的分布相对也较均匀，其干旱指数的计算公式为：

式中，X为某月区域干旱指数，Xij为i月j站干旱指数，m为区域内的站点数。

计算哈密地区南、北区域1961—2010逐月修正帕默尔气象干旱指数，根据其分布的特点将其划分为7等级（表2）。鉴于哈密地区是极端干旱区，涝灾不是本区域的主要灾害，本文重点讨论干旱发生时该指数的表现情况。

表2 哈密地区区域干旱等级划分标准

2 结果与分析

2.1 修正帕默尔气象干旱指数验证

为使旱涝等级能真实地代表一个区域的旱涝状况，仍按照南、北两个区域分别计算其修正帕默尔气象干旱指数。由干旱指数变化图（图2）看出，哈密地区南、北区域在1961—2010年50 a中旱涝交替，南部较北部旱涝程度波动大，南部自20世纪60年代以来先后出现5次较明显的干旱，分别在1963年、1969年、1977年、1985年、1997年，北部 20世纪60—70年代干旱指数的振幅明显小于后期，较明显干旱主要集中在80年代至90年代初，分别为1982年、1985—1986年、1989年、1991年。

根据历史旱情发生记录对上述干旱指数进行验证：1963年，哈密南部干旱严重，5 333.3 hm2小麦因缺水大部枯萎而死；1977年哈密市境内部分泉眼干涸，坎儿井断流，小麦未能按时浇头水，严重缺苗，山区人畜饮水困难；1982年伊吾县干旱严重，牧草干枯，禾苗受旱，粮食减产，幼羔损失达4 000只；1985年全地区出现严重干旱，巴里坤县粮食、油料总产比上年减产40%，伊吾县作物播种面积减少289.3 hm2，农民口粮、畜牧饲料供应严重困难；1986年全地区约33 333.3 hm2农田、5万人、20万头牲畜受到干旱缺水的严重威胁；1989年哈密地区遭遇建国以来最严重的春旱，农田受灾面积7 000 hm2，占播种面积的55.5%，巴里坤县旱情特别严重，粮食总产较上一年下降50%；1991年哈密地区普遍干旱，播种期推后一周左右，有些地方达15 d。上述旱情记录与修正帕默尔气象干旱指数的吻合度很高。

通过旱情记录与所建修正帕默尔气象干旱指数对比分析可以看出哈密地区旱情发生有如下特点：由于哈密南部灌溉用水对山区降水和积雪融水的依赖度大，而山区降水与北部区域降水特征相似，部分年份哈密北部严重干旱，却导致全地区出现明显旱灾，例如1989年、1991年；哈密南部修正帕默尔气象干旱指数显示严重干旱的1969年和1997年无旱情记录，这是由于北部在这两年并未出现明显干旱，山区降水和积雪融水补充了哈密南部降水的不足。因此北部干旱指数的准确监测是哈密地区干旱监测的关键（图2）。在作物生长季，修正帕默尔气象干旱指数连续3个月以上达到中度干旱或1个月达到重度干旱即可导致哈密地区出现明显的旱情（图2）。

图2 哈密南部（a）北部（b）1961—2010年修正帕默尔气象干旱指数变化图

2.2 三种干旱指数对比

将新建的哈密南北部修正帕默尔气象干旱指数与在业务上应用广泛的Z指数、降水距平百分率干旱指数的计算结果进行分析（图3，干旱等级0～4分别代表正常、轻旱、中旱、重旱），结果表明Z指数在干旱等级的表现方面过于迟钝，1961—2010年干旱指数的最高级别仅为中度干旱，但其变化趋势与修正帕默尔气象干旱指数较为接近，要在当地应用需重新修改干旱等级的划分标准。降水距平百分率干旱指数在干旱等级的表现方面过于灵敏，以致指示的干旱程度偏重，极易达到重度干旱，因而在业务上缺乏应用基础。Z指数和降水距平百分率干旱指数等级划分标准参见文献[1，7]。

图3 哈密地部2000—2010年三种干旱指数等级值比较

2.3 干旱特征分析

从表3可以看出哈密地区南、北部年代际修正帕默尔气象干旱指数总体呈上升趋势，南部月总降水量小，导致南部较北部干旱指数变幅大。20世纪60年代哈密南部为明显的干旱期，北部的干旱指数也呈负值，表明偏干，70、80年代仅有北部在80年代干旱指数为负值，结合图2可以看出这一时期修正帕默尔气象干旱指数变幅大，集中出现了几次持续时间较长的干旱时段，90年代后期干旱指数均为正值，无明显干旱。

表3 20世纪60年代—21世纪第一个10 a间哈密地区修正帕默尔气象干旱指数年代际变化

图4分别分析了哈密地区南北部轻度、中度、重度干旱发生的频率。自20世纪60年代哈密南部三种干旱发生频率均呈不同程度的下降，轻度干旱发生频率下降最快，以每10 a 5.8%的速度递减；中度干旱发生频率在90年代小幅反弹，但整体呈下降趋势；重度干旱发生频率在90年代后为0%。哈密北部轻度干旱发生频率在20世纪70、80年代较60年代明显下降，但90年代明显增加，之后又显著下降，呈 倒“S”型；中度、重度干旱发生频率变化趋势相似，20世纪60—70年代均为0%，80年代达到最高峰，此后递减，其中重度干旱在90年代后频率为0%。

3 结论与讨论

图4 哈密南部（a）、北部（b）年代际干旱发生频率变化图

（1）哈密地区南北区域气候差异大，为此将哈密地区分为南、北两部分，分别建立其区域修正帕默尔气象干旱指数，并对其干旱等级进行客观划分。通过与旱情对比分析，该干旱指数能较为准确地反映出本区域干旱强度。通过与Z指数、降水距平百分率两种干旱指数的对比，表明该指数能够克服其它两种干旱指数未考虑干旱积累时间，Z指数过于迟钝而降水距平百分率指数过于敏感的缺点，简单易用，适用于当地干旱监测业务。

（2）山区降水和积雪融水对哈密南部干旱影响明显，山区降水特征与北部降水特征相似，因此北部出现严重干旱也会导致南部出现明显的旱灾，而南部本应出现的严重干旱也会因能得到山区水源的及时补充而无灾情。因此北部干旱指数的准确监测是哈密地区干旱监测的关键。

（3）在作物生长季，修正帕默尔气象干旱指数连续3个月以上达到中度干旱或1个月出现重旱即可导致哈密地区出现明显的旱情。

[1]中国气象局政策法规司．气象标准汇编2005-2006[M]．北京：气象出版社，2008：33-53．

[2]袁文平，周广胜．标准化降水指标与Z指数在我国应用的对比分析[J]．植物生态学报，2004，28（4）：523-529.

[3]樊高峰，苗长明，毛裕定．干旱指标及其在浙江省干旱监测分析中的应用[J]．气象，2006，32（2）：70-74．

[4]谢五三，田红．五种干旱指标在安徽省应用研究[J]．气象，2011，37（4）：503-507．

[5]杨小利．西北地区气象干旱监测指数的研究和应用[J]．气象，2007，33（8）：90-96．

[6]范嘉泉，郑剑非．帕默尔气象干旱研究方法介绍[J]．气象科技，1984，12（1）：63-71．

[7]刘巍巍，安顺清，刘庚山，等．帕默尔旱度模式的进一步修正[J]．应用气象学报，2004，15（2）：207-216．

[8]范嘉泉，郑剑非.帕尔默气象干旱研究方法介绍[J]．气象科技，1984，12（1）：63-71．

[9]姚玉璧，董安祥，王毅荣，等.基于帕默尔干旱指数的中国春季区域干旱特征比较研究 [J]．干旱区地理，2007，30（1）：17-25．

[10]刘庚山，郭安红，安顺清，等．帕默尔干旱指标及其应用研究进展[J]．自然灾害学报，2004，13（4）：21-27．

[11]卫捷，陶诗言，张庆云．Palmer干旱指数在华北干旱分析中的应用[J]．地理学报，2003，58（增刊）：91-99．

[12]申双和，吕厚荃．修正帕默尔干旱指数在农业干旱监测中的应用[J].中国农业气象，2009，30（2）：257-261．

[13]张存杰，王宝灵，刘德祥．西北地区旱涝指标的研究[J]．高原气象，1998，17（4）：381-389．

[14]张强，鞠笑生，李淑华．三种干旱指标的比较和新指标的确定[J]．气象科技，1998，26（2）：48-52．

[15]黄妙芬．黄土高原西北部地区的旱度模式[J]．气象，1990，17（1）：23-27．

[16]朱炳瑗，谢金南，邓振镛．西北干旱指标研究的综合评述[J]．甘肃气象，1998，16（1）：35-36．

[17]程炳岩，钱晓燕，朱业玉．河南干旱指标的客观性研究[J]．气象，2000，10（5）：32-33．

[18]袁文平，周广胜．标准化降水指标与Z指数在我国应用的对比分析[J]．植物生态学报，2004，28（4）：523-529．

[19]王春乙，潘亚茹．时间序列的ARMA模型在干旱长期预测中的应用[J]．中国农业气象，1989，10（1）：58-61．

[20]张月华，耿燕．乌鲁木齐地区一种新的干旱指标的探讨[J]．沙漠与绿洲气象，2008，2（6）：34-37．

[21]孟猛，倪健，张治国．地理生态学的干燥度指数及其应用评述[J]．植物生态学报，2004，28（6）：856-861．

[22]江远安，赵逸舟，陈颖，等．干旱指数CI的确定及其在新疆的应用[J]．沙漠与绿洲气象，2010，4（2）：18-20．

[23]叶建刚，吴洪宝．我国东南部夏季干旱指数研究[J]．应用气象学报，2000，11（2）：137-144．

[24]杨丽慧，高建芸，苏汝波．改进的综合气象干旱指数在福建省的适用性分析[J].中国农业气象，2012，33（4）：603-608．

[25]阿帕尔，叶尔克江，阿斯马．昌吉市气候干旱指标对比分析[J]．沙漠与绿洲气象，2009，3（3）：22-25．

[26]王劲松，冯建英．甘肃省河西地区径流量干旱指数初探[J]．气象，1999，26（6）：3-7.