1961-2010年枣庄地区春旱时空分异特征

张美玲

(山东省滕州市气象局，山东 滕州 277500)



1961-2010年枣庄地区春旱时空分异特征

张美玲

(山东省滕州市气象局，山东 滕州 277500)

摘要：[目的]研究枣庄地区春旱降雨特征。[方法]基于相对湿润度指数的干旱分析方法，应用枣庄地区35°N南北2个气象站1961-2010年逐日气象资料分析枣庄地区近50 a春旱气候特征。[结果]1961-2010年间枣庄地区春季相对湿润度指数平均值在-0.64～-0.59之间，呈不显著变湿趋势。枣庄地区35°N以北春旱频率高达88%，35°N以南春旱频率为76%。20世纪60、90年代及2000年代枣庄地区北部春旱比南部严重，70年代南北春旱等级分布基本接近， 80年代南部地区春旱比北部严重。60、90年代春季中旱高发，70年代、2000年代轻旱高发，80年代重旱高发。[结论]枣庄地区南北部春季暴雨日数的显著差异是导致春旱频率明显差异的主要原因。春季干旱最明显的振荡周期是6 a左右。

关键词：相对湿润度指数；春旱；频率；周期

干旱灾害是我国最严重的气象灾害，损失占气象灾害的50%左右，其发生的频率高，范围广，持续时间长，后延影响大[1]。近百年来，地球正经历一次以变暖为主要特征的显著变化。气候变暖导致极端气候事件增多，半湿润区季节性干旱发生的频率和严重程度也在加剧。近年来，地表干湿状况变化引起广大科技工作者的关注，大家分别对我国北方[2]、西北[3]、西南[4]、秦岭南北[5]以及不同省市范围[6～12]和全国范围[13～15]进行了研究。

山东省干旱发生有季节性、地域性特征，其中春旱最为严重[16]。在我省广大地区，春季日照充足，空气干燥，温度上升很快，而且风多风大，蒸发强烈，土壤失墒很快。春季降水少，变率大，而且由南向北迅速减小，降水量远远低于蒸散量，水分亏损严重，常常发生干旱，素有“十年九旱”之说。枣庄地区是山东省重要的农业生产基地，是全省降水量最多的地方之一，但由于降水量的年际变化大，和蒸散量集中度不一致，春季普遍水分亏缺，干旱程度比其它季节最为严重。本文选用相对湿润度指数来研究枣庄地区春旱的气候变化特征，认识其变化规律，为农业生产科学决策及防灾减灾提供参考依据。

1研究区域与研究方法

1.1研究区域概况

枣庄地区地处山东南部，属暖温带季风气候，四季分明，雨量集中，年降水量的70%以上集中在6-9月，春季降水量仅占年降水量的16%，导致春季干旱少雨。我们在35°N南北各选取一个代表站，滕州站代表北部平原，枣庄站代表南部丘陵，分析纬度不同造成的区域春旱差异。

1.2数据来源

本文使用枣庄地区滕州、枣庄2个气象站1961-2010年春季(3-5月)逐日平均风速、平均水汽压、最高气温、最低气温、日照时数、降水量以及各月各级降水日数等气象资料，计算出各站点逐日参考作物蒸散量，进而得到春季的参考作物蒸散量、水分盈亏量、相对湿润度指数。

1.3相对湿润度指数M

相对湿润度指数是指某时段降水量与参考作物蒸散量的差占参考作物蒸散量的比，是表征某时段降水量与蒸发量之间平衡的指标之一[17]。

相对湿润度指数的计算公式为

式中：M为相对湿润度指数，P为某时段降水量，单位为mm，ET0为某时段的参考作物蒸散量，单位为mm。相对湿润度指数干旱等级划分见表1。

参考作物蒸散量ET0采用FAO推荐的Penman-Monteith公式[18,19]求得。

表1相对湿润度指数干旱等级划分表

Table1Droughtgradepartitiontableofrelativemoistureindex

等级Grade类型Type相对湿润度指数Relativemoistureindex1无旱-0.40

式中：Rn为作物表面净辐射/MJ·m-2·d-1；G为土壤热通量/MJ·m-2·d-1；T为日平均气温/℃，为日最高气温和日最低气温的平均值；u2为2m高处风速/m·s-1；es为饱和水汽压/kPa；ea为实际水汽压/kPa；Δ为饱和水汽压曲线斜率/kPa·℃-1；γ为干湿表常数/kPa·℃-1。

1.4统计方法

本文利用DPS数据处理系统[20]，采用相关分析、一元线性回归、Kruskal-Wallis检验[21]、谐波分析[22]、小波分析等方法进行统计和周期分析，并进行显著性检验。

2结果分析

2.1枣庄地区春季相对湿润度指数及相关因子基本特征

通过对枣庄地区春季相对湿润度指数及相关因子特征值分析(表2)，我们发现1961-2010年枣庄地区春季降水量平均值在114.8～133.5mm之间，而春季ET0平均值在329.7～335.3mm之间，水分亏缺严重，平均亏缺201.9～214.9mm之间，M指数平均值在-0.64～-0.59之间。春季降水量年际变化很大，最少年仅20多毫米，最多年接近300mm。ET0相对比较稳定，最少值150mm左右，最大时420mm左右。水分盈亏量最大时盈余20～30mm左右，最小时亏损接近380mm。水分盈亏量和M指数变化、降水量年际变化密切相关，相关系数高达0.95以上。

表2　枣庄地区春季相对湿润度指数及相关因子特征值

图1　枣庄春季M指数逐年变化(a)和累积距平变化(b)曲线Fig.1　Variation curves of spring M index change by years(a)and accumulative anomaly(b)in Zaozhuang

近50a来降水量呈不显著上升趋势，ET0呈下降趋势，南部地区达到了0.05的显著水平，水分盈亏量、M指数也呈不显著上升趋势(图1a)。降水量极值出现年份与M指数完全一致。M指数大致分为偏湿-偏干-偏湿-偏干-偏湿几个阶段交替变化(图1b)。

2.2枣庄地区春季干旱等级南北差异分析

我们对枣庄地区近50a各年代南北部春旱等级进行对比分析(表3)，发现近50a来枣庄地区北部春季无旱频率仅为12%，比南部偏少12%，差异比较明显。北部地区春旱频率高达88%，接近十年九旱，而南部春旱频率为76%。其中北部地区比南部轻旱偏多8%，中旱和重旱年分别偏多2%。枣庄地区春季均无特旱年出现。

逐年干旱等级对比发现，南北干旱等级相同年数为31a，其中无旱6a，轻旱11a，中旱6a，重旱8a，出现频率为62%。从出现年代来看，60年代和80年代各5a，70年代9a，90年代和2000年代各6a；北部地区比南部高一个干旱等级的有14a，出现频率为28%，其中70、80年代各1a，其余3个年代各4a；北部地区比南部低一个干旱等级的有5a，出现频率为10%，其中60年代1a，80年代4a。

近50a来北部地区1986-1997年春季出现最长12a的连续春旱，南部地区1975-1984年春季出现最长10a的连续春旱。北部地区出现4次连续2a的重旱，分别出现在1970-1971、1981-1982、1986-1987、2000-2001年，南部地区2000-2001年出现1次连续2a的重旱，1981-1983年出现了1次连续3a的重旱。

总体来说60、90、2000年代北部地区春旱程度比南部严重，70年代南北春旱程度基本接近，80年代南部春旱程度比北部严重。枣庄地区60、90年代春季中旱高发， 70年代和2000年代轻旱高发，80年代重旱高发。

2.3枣庄地区春季暴雨与干旱

为分析枣庄地区南北干旱频率显著差异的原因，我们对南北部的春季M指数、降水量、ET0做K-W检验，发现并无显著差异。对两地春季各级降水日数进行K-W检验，发现春季≥50mm降水日数差异显著，进一步检验发现，南北部5月≥50mm降水日数存在显著差异(表4)。

表3　枣庄地区南北部各时段春季干旱等级对比

表4枣庄地区春季暴雨日数K-W检验

Table4K-WtestfornumbersofspringheavyrainydaysinZaozhuang

项目Project4月April5月May春季Spring北部235南部61521K-W检验值1.407.528.79显著水平不显著0.0060.003

近50a来枣庄地区南部春季共出现21个暴雨日，北部地区仅有5个。他们均出现在4-5月份，南部地区最早，出现在4月4日。3月份无暴雨出现。北部地区春季80%的暴雨发生在4月下旬和5月上旬。南部地区76%的暴雨发生在4月下旬至5月中旬。枣庄地区春季一日最大降水量极值为105.7mm，出现在2003年5月7日。

我们将春季暴雨与干旱等级进行对比分析(表5)，发现南部春季无旱年中83%的年份有暴雨出现，轻旱年中40%的年份有暴雨出现。近50a来南部地区多出的6个无旱年均有1～2个暴雨日。春季暴雨日数的显著差异使得南部各级干旱频率分布格局与北部有所不同，也是导致两地春季干旱频率显著差异的主要原因。

表5枣庄地区春季暴雨与干旱等级

Table5SpringheavyrainanddroughtgradeinZaozhuang

项目Project无旱年Nodroughtyear轻旱年Lightdroughtyear中旱年Moderatedroughtyear北部南部有暴雨年数230总 年 数61913比 值33%16%0%有暴雨年数1061总 年 数121512比 值83%40%8%

2.4枣庄地区不同干旱等级相关因子阈值分析

表6列出了近50a各干旱等级中相关因子的数值范围。根据表6分析，我们大致确定枣庄地区重旱年降水量25～75mm，水分亏损量260～380mm；中旱年降水量70～125mm，水分亏损量200～300mm；轻旱年降水量115～185mm，水分亏损量125～215mm；无旱年降水量180～300mm，水分亏损小于120mm。

表6　枣庄地区各干旱等级相关因子统计值

2.5用降水量估算水分盈亏量

在日常业务工作中，降水量预测和实测资料容易直接获取，参考作物蒸散量所需因子较多，计算复杂，较难直接获取，因此水分盈亏量也较难获取。我们可以利用春季降水量和水分盈亏量极高的相关性，建立回归方程，估算水分盈亏量。

用春季降水量 (x)和水分盈亏量(y)建立一元线性回归方程(表7)，回归方程均通过显著性检验。枣庄地区南北部春季降水量和水分盈亏量相关系数均达0.95以上，回归方程决定系数均达0.90以上，剩余标准差在24mm左右。估算的水分盈亏量可以为农田灌溉提供科学指导，在实际工作中有较高的应用价值。

2.6枣庄地区相对湿润度指数周期分析

为探讨枣庄地区近50a春季干旱的周期变化，对春季M指数进行周期分析。周期分析主要采用Morlet小波变换和谐波分析。Morlet小波系数方差反映了波动的能量尺度的分布，可以用来定量地分析时间序列的主要周期。图2为枣庄地区M指数小波方差图，可以看出，枣庄地区春季干旱最明显的振荡周期是6a左右。用谐波分析发现，北部地区有6.3a(α=0.04)和5.0a(α=0.02)的周期，南部地区有5.6a(α=0.008)的周期。这与小波分析的结论是吻合的。

表7枣庄地区春季水分盈亏量一元线性回归方程

Table7One-knoblinearregressionequationofspringwatersurplusandshortage

项目Project北部Northernpart南部Southernpart相关系数0.95060.9661显著水平0.00000.0000决定系数0.90370.9333剩余标准差24.131023.7245回归方程y=-370.3066+1.3532xy=-377.7892+1.3181x

图2　枣庄地区M指数小波方差图Fig.2　Wavelet variogram of M index in Zaozhuang

3结论

(1)1961-2010年间枣庄地区春季M指数平均值在-0.64～-0.59之间，呈不显著变湿趋势。春季M指数最明显的振荡周期是6a左右。

(2)近50a来枣庄地区北部春旱频率高达88%，而南部春旱频率为76%。南北干旱等级相同频率为62%，北部比南部高一个干旱等级的频率为28%，低一个干旱等级的频率为10%。南北部春季暴雨日数的显著差异是导致春旱频率明显差异的主要原因。

(3)从年代际变化来看，枣庄地区60、90年代及2000年代北部春旱比南部严重，80年代南部地区春旱比北部严重，70年代南北春旱程度相近。60、90年代春季中旱高发，70年代及2000年代轻旱高发，80年代重旱高发。

(4)枣庄地区春季降水量和水分盈亏量相关系数极高，可根据春季降水量预测值或实测值估算水分盈亏量，估算方法可供业务使用，为农业灌溉提供科学指导。

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(编辑：梁文俊)

收稿日期：2016-03-29 修回日期：2016-05-10

作者简介：张美玲(1968-)，女(汉)，山东滕州人，高级工程师，研究方向：气候变化

中图分类号：P467

文献标识码：A

文章编号：1671-8151(2016)08-0580-04

VariationcharacteristicsofspatialdistributionandtemporalvariationofspringdroughtinZaozhuangfrom1961to2010

ZhangMeiling

(Tengzhou meteorological bureau,Shandong Province,Tengzhou 277500)

Abstract:[Objective]In order to study the characteristics of sprirg drought. [Methods]Drought analysis method which was based on relative moisture index,used daily meteorological data from 1961 to 2010 of the two stations on both sides of 35 ° N in Zaozhuang,climate characteristics of spring drought was analysis for recent 50 years in Zaozhuang. [Results]The results showed that average of spring relative moisture index in Zaozhuang was between 0.64～0.59 from 1961 to 2010, present not significant wet trends. Spring drought frequency as high as 88% in northern of 35° N in Zaozhuang, spring drought frequency was 76% in southern of 35° N. Northern spring drought degree was more serious than southern for 60 s, 90 s, 2000 s in Zaozhuang. Drought degree was closed of northern and southern for 70 s, southern drought degree was more serious than northern for 80 s. Moderate drought occurred frequently in 60 s and 90 s, light drought occurred frequently in 70 s and 2000 s,heavy drought occurred frequently in 80 s.[Conclusion]Significant differences of Spring heavy rainy days was the main reason of obvious differences of spring drought frequency in northern and southern of Zaozhuang. The main oscillation period of spring drought was around 6 a.

Key words:Relative moisture index; Spring drought; Frequency; Period