多种干旱指数在三穗县干旱分析中的比较

聂 云，周继先，罗 俊，秦畅畅，张 羽

(1.贵州省黔东南自治州气象局,贵州 凯里 556000;2.贵州省思南县气象局,贵州 思南 565100;3.贵州省三穗县气象局,贵州 三穗 556500)



多种干旱指数在三穗县干旱分析中的比较

聂 云1，周继先2，罗 俊3，秦畅畅3，张 羽3

(1.贵州省黔东南自治州气象局,贵州 凯里 556000;2.贵州省思南县气象局,贵州 思南 565100;3.贵州省三穗县气象局,贵州 三穗 556500)

利用1958—2013年三穗气象站逐日降水、温度和蒸发资料，计算降水距平百分率、标准化降水指数、MCI指数和K指数；并将计算结果与实况干旱资料进行详细对比、综合分析。结果表明：三穗县一年四季都可能发生干旱，历年平均有4—6个月发生干旱，且以轻旱和中旱为主；4种干旱指数对三穗县干旱监测均有一定的指示作用，采用“综合评定、侧重考虑”的原则监测三穗县区域干旱效果较好。对月尺度干旱，运用MCI指数和K指数综合评定较符合实际；对季尺度干旱，SPI指数对春、秋季干旱的评估效果较好，K指数对夏季干旱的评估效果较好。

干旱指数；干旱监测；适应性；三穗

1 引言

干旱是贵州常见的气象灾害之一，具有发生频率高、持续时间长和涉及范围广的特点。近年来，受全球气候变暖的影响，贵州干旱事件呈明显上升趋势，给贵州国民经济建设尤其是农业生产带来了严重危害。目前，许多气象工作者就贵州干旱事件做了大量研究，但关于县级干旱事件的定量研究较少。如，尹晗[1]等指出，西南地区干旱发生机制复杂，干旱频率季节差异大，年极端干旱存在准5 a和准12 a的周期变化；吴哲红[2]等认为，3种干旱指数中，K指数最能体现贵州安顺市春冬季农业和大部分时段水文干旱的实况；杨帆[3]等研究认为， 1981—2012年黔东南州干旱总体呈加重趋势，其中2010—2011年发生了极端干旱事件；池再香[4]等指出，黔东南州平均15 a出现1个特重旱年，平均3 a出现1个重旱年，每年均有不同程度的干旱天气发生，并且干旱年容易持续。

三穗县位于贵州省东部，隶属黔东南州(108°32′～109°04′E、26°47′～27°04′N)，地处云贵高原向湘西丘陵过渡的斜坡上，农业是三穗县第一产业；县境内地貌类型多样，地形破碎，降水时空分布不均匀，易发生干旱灾害。据三穗县气象历史资料统计，平均每3 a有一次中等强度以上的干旱发生,特别是近几年，连续的干旱灾害给三穗经济发展和人民生活带来极大的负面影响；因此，研究三穗区域干旱很有必要，而目前关于三穗干旱事件的研究较少。本文选用1958—2013年三穗气象站逐日降水、温度和蒸发资料，计算降水距平百分率(Pa)、标准化降水指数(SPI)、MCI指数和K指数，将干旱指数计算结果进行对比分析，并进行典型干旱事件实况检验；以期找到适合三穗本地使用的干旱评估指标，为三穗气象为农服务水平的进一步提高奠定基础，为三穗气候预测和干旱事件的定量研究提供科学依据和参考。

2 资料与方法

2.1 资料说明

选取三穗气象站1958—2013年逐日降水、温度和蒸发资料。计算降水距平百分率、标准化降水指数、MCI指数和K指数，对计算结果进行对比分析；并参考《中国气象灾害大典》·贵州卷[5]和《黔东南州志·水利志》[6]的干旱实况资料及三穗县气象局干旱历史统计资料对干旱事件进行实况检验。

2.2 干旱指数的计算与判定标准

2.2.1 降水距平百分率 降水距平百分率是表征某时段降水量相对于常年同期平均状态偏离程度的指标之一，常用于气象业务中评估月以上尺度气象干旱事件。计算公式为：

(1)

表1 降水距平百分率气象干旱等级划分标准

2.2.2 标准化降水指数 标准化降水指数是表征某时段降水量出现概率多少的指标之一，其计算简单，并具有多时间尺度应用的特性，被广泛应用于干旱监测。文中SPI指数计算参考文献[8]；干旱等级划分参照《气象干旱等级—国家标准》[7]，详见表2。

表2 标准化降水指数干旱等级划分标准

2.2.3MCI指数 气象干旱综合监测指数(MCI)是国家气候中心在CI指数的基础上进行修正的气象干旱监测指标；逐日MCI指数的计算和干旱等级划分见参考文献[9]，并定义月内逐日MCI指数监测的最高气象干旱等级为当月的月尺度气象干旱等级(文中暂不分析MCI指数对季尺度的干旱监测情况)。MCI指数月尺度干旱等级划分标准详见表3。

表3 MCI指数干旱等级划分标准

2.2.4K指数K指数是同时考虑蒸发和降水来定义的干旱指标[10]，常运用于大气和土壤干旱研究。具体计算公式如下：

(2)

表4 K指数干旱等级划分标准

3 干旱指数对研究区域干旱评定的对比分析

为探寻干旱指数对三穗县干旱监测的适应性，对各干旱指数判别的月、季尺度的干旱结果进行对比，并通过相关性分析、统计学分析以及干旱指数拟合干旱事件实况的情况，综合评估各干旱指数对三穗区域的干旱监测效果。

3.1 干旱指数对月尺度干旱的评定对比及相关分析

表5统计了4种干旱指数评定各等级干旱月数的情况；从表5分析，标准化降水指数评定总干旱月数191个，占总月数的27.9%，相当于平均每年有3.4个月发生干旱。191个干旱月中，轻旱月份最多，为82个月，主要出现在2—7月及10—12月；中旱56个月，主要集中在4月、8月和11月；重旱和特旱为53个月，主要出现在1—3月、6月和8月；总体而言，标准化降水指数评定三穗县干旱主要发生在2—7月和10—12月，57 a发生频次均在15次以上，且以轻旱和中旱为主。

降水距平百分率计算得出总干旱月数205个月，占总月数的30.0%，相当于平均每年有3.6个月发生干旱。205个干旱月中，轻旱为40个月，主要集中在3月、8月和11月；中旱29个月，主要集中在3—5月和10月；重旱20个月，主要发生在7月；特旱116个月，主要发生在7—12月；总体而言，降水距平百分率评定三穗县干旱主要发生在2—4月和7—12月，57 a发生频次均在15次以上，且以轻旱和特旱为主。

MCI指数评定的总干旱月数为332个月，占总月数的48.5%，相当于平均每年有5.8个月发生干旱。332个月中轻旱为152个月，主要集中在1月、7月和9—12月；中旱110个月，主要集中在7—8月、10月和12月；重旱49个月，主要集中在9—10月；特旱21个月，主要集中在4—5月。总体而言，MCI指数评定三穗县干旱主要发生在4—12月，且干旱以轻旱和中旱为主。

K指数计算得出干旱总月数为349个月，占总月数的51.0%，相当于平均每年有6.1个月发生干旱。349个干旱月中，轻旱为78个月，主要集中在3月和5—6月；中旱141个月，主要集中在1—7月和9—11月，其发生频次均在10次以上；重旱为98个月，发生频次在10次以上的有4月、7月及10—12月；特旱为32个月，主要集中在7月、9月和12月。总体而言，K指数评定三穗县干旱主要发生在5—7月和9—11月，且以中旱和重旱为主。

综上4种干旱指数评定结果分析，三穗县一年中每个月都有可能发生干旱，且以轻旱和中旱为主，历年平均有4—6个月发生不同程度的干旱。根据防灾减灾“坚持宁可十防九空”的理念[11]，并结合历史资料[5-6]进行详细对比分析，运用MCI指数评定三穗县月尺度干旱发生频次较符合实际。

表5 4种干旱指数评定各等级干旱月数统计

结合表6分析可知，SPI指数与Pa指数共同评定干旱月数179个月；其中相同干旱等级的有54个月，占30.2% ；其余干旱月Pa指数评定的干旱等级普遍比SPI指数评定的干旱等偏级大1～3级，其中，偏大1级的有49个月，偏大2级的有54个月，偏大3级的有22个月；因此，Pa指数评定的干旱等级比SPI指数偏大。SPI指数与K指数共同评定的干旱月数186个月；其中评定为相同干旱等级的有55个月，占29.6%，K指数比SPI指数偏大1级和2级的月数分别为81个月和42个月，而K指数比SPI指数评定等级偏小的月份仅为8个月；因此，K指数评定的干旱等级比SPI指数偏大。Pa指数与K指数共同评定的干旱月数为203个月；其中评定为相同干旱等级的有72个月，占35.5%，干旱等级评定Pa指数比K指数大的有90个月，Pa指数比K指数干旱等级小的有41个月；因此，Pa指数评定干旱等级以比K指数偏大为主。计算SPI指数、K指数和Pa指数间的相关性，各指数值间的相关系数均通过了α=0.05的显著性检验。从干旱强度的评定分析，Pa指数评定的干旱等级以偏大SPI指数2级为主，以偏大K指数1级为主；说明3种干旱监测指标中，K指数对三穗县月尺度干旱强度的评定较符合实际。

表6 3种干旱指数评定月干旱等级差异统计

为进一步对比分析MCI指数和K指数对三穗县月尺度干旱强度的评定效果，参考文献[5]，选取三穗县典型干旱月样本15个，分析详细结果见表7，由表可见1959年7—8月黔东南州各地伏旱十分严重，7月份MCI指数判定三穗县为“轻旱”，说明判定干旱等级偏低；1978年夏季黔东南大部为重旱区，MCI指数判定1978年7月份三穗县为“轻旱”，而K指数判定为重旱较符合实际。

综上分析，MCI指数考虑多时间尺度降水长期亏缺和蒸发对干旱的影响，逐日MCI指数能很好的描述干旱“发展缓慢，缓解迅速”的特点，其对干旱频次的发生评定效果较好，但对干旱等级的评定“偏小”，因此，运用MCI指数判定干旱频次，结合K指数判定干旱等级能较好的监测三穗县月尺度干旱情况。

表7 MCI指数、K指数对三穗县典型干旱月样本干旱强度评定结果

3.2 干旱指数对季尺度干旱的评定对比分析

分析表8可知，SPI指数计算出干旱季节76个，相当于平均每年有1.3个季节发生不同程度的干旱；其中春、夏、秋、冬分别占22.4%、26.3%、27.6%和23.7%，且以轻旱和中旱为主。Pa指数计算出干旱季节66个，相当于平均每年有1.2个季节发生不同程度的干旱；其中春、夏、秋、冬分别占16.7%、24.2%、33.3%和25.8%，且以轻旱和中旱为主。K指数计算出干旱季节122个，相当于平均每年有2.1个季节发生干旱；其中春、夏、秋、冬分别占24.6%、23.8%、27.0%和24.6%，且以轻旱和中旱为主。综上所述，三穗县各季节都可能发生干旱，季尺度干旱中以轻旱和中旱为主。

计算3种干旱指数间的相关性，各指数值间的相关系数均通过了α=0.05的显著性检验，其中SPI指数与Pa指数间的相关性最好。说明3种干旱指数对评定三穗县季尺度干旱关系较紧密，对三穗县季尺度干旱的评定均有一定的指示作用。

表8 3种干旱指数评定各等级干旱季节统计

利用《黔东南州志·水利志》[6]1958—1995年干旱实况资料与3种干旱指数对季尺度干旱的评定结果，对比分析3种干旱指数对三穗县农业有极大影响的春旱、夏旱和秋旱的拟合情况(表9)；表9中规定，对于实况干旱季节，干旱指数评定为干旱则为“符合”。1958—1995年，三穗县实际发生春旱12 a，相对于Pa指数和K指数，SPI指数评定结果对春季干旱的吻合率最高，错报率较低，运用SPI指数评定春季干旱较符合实际；夏季实际发生干旱24年，相对于SPI指数和Pa指数，K指数计算结果与实况“符合”年数高达20 a，且漏报和空报次数较少，运用K指数评定夏季干旱较符合实际；秋季实际干旱年数5 a，对比3种干旱指数计算结果，K指数空报次数较多，而Pa指数对降水量平均值的依赖性较大，对于降水时间分布不均匀的三穗县，SPI指数评定秋季干旱比较符合实际。

表9 1958—1995年3种干旱指数计算结果与实况对比

3.3 干旱指数对典型干旱事件评估对比分析

为进一步检验Pa指数、SPI指数、MCI指数和K指数对三穗县干旱监测的适应性，查询三穗县干旱历史资料[5、6]，选择典型干旱年1972、1981和1985年进行对比分析；1972年6—8月，严重夏旱，旱期持续近80 d，小溪断流，井塘干枯；1981年，严重夏旱，多数溪河断流，井塘干涸；1985年4—8月，严重的春夏连旱，许多水库干涸，人畜饮水困难。4种干旱指数对这3次典型干旱事件的对比分析结果详见表10。

表10 4种干旱指数对典型干旱年评定的对比分析

分析表10可知，对于月尺度干旱的评定，K指数的评定结果与实际干旱情况基本一致，SPI指数和Pa指数漏报1985年7—8月的旱情，MCI指数漏报1981年6月的旱情；据三穗气象站观测资料显示，1972年6月总降水量174.8 mm，比历年同期偏高11.7 mm，表明6月干旱不明显，以无旱或微旱为主，而K指数判定为中旱，说明同时考虑蒸发和降水量的K指数对月尺度干旱的评定效果较好，但时有空报的情况，MCI指数评定为“轻旱”较符合实况。对于季尺度干旱的评定，SPI指数对春旱的评定与实况基本一致，K指数对夏旱的评定与实况基本一致。

综上所述，Pa指数、SPI指数、MCI指数和K指数对三穗县干旱监测均有一定的指示作用，综合采用MCI指数和K指数共同判定三穗县月尺度干旱较符合实际。对季尺度而言，SPI指数对春秋旱评定效果较好，K指数对夏旱评定效果较好，但时有空报或漏报的情况。采用“综合评定、侧重考虑”的原则，可以更准确的监测三穗县干旱情况。

4 结论

①三穗县一年四季都可能发生干旱，历年平均有4—6个月发生干旱，且以轻旱和中旱为主。4种干旱指数对三穗县干旱监测均有一定的指示作用，采用“综合评定、侧重考虑”的原则能较好的监测三穗县干旱情况。

②月尺度干旱评定，MCI指数对干旱发生频次的判定较符合实际，K指数对干旱等级的判定较符合实际，但时有空报或漏报的情况；运用MCI指数和K指数综合评估三穗县月尺度干旱较符合实际。

③SPI指数、K指数和Pa指数对季尺度干旱判定结果显示时有空报或漏报的情况；综合分析表明，SPI指数对春秋、季干旱的评估效果较好，K指数对夏季干旱的评估效果较好。

[1] 尹晗,李耀辉.我国西南干旱研究最新进展综述[J].干旱气象,2013,31(1):182-193.

[2] 吴哲红,詹沛刚,陈贞宏,等.3种干旱指数对贵州省安顺市历史罕见干旱的评估分析[J].干旱气象,2012,30(3):315-322.

[3] 杨帆,陈波,余代辉,等.黔东南干旱的时空特征分析及其气候区划[J].贵州气象,2015,39(6):46-49.

[4] 池再香,胡跃文,罗顺祯.黔东南州近半个世纪夏季干旱气候变化分析及预测方法[J].贵州气象,2005,29(3):9-13.

[5] 温克刚.中国气象灾害大典·贵州卷[M].北京:气象出版社,2006:40-65.

[6] 黔东南苗族侗族自治州地方志编撰委员会.黔东南州志·水利志[M].贵阳:贵州人民出版社,1998:48-55.

[7] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.中华人民共和国国家标准—气象干旱等级.GB/T20481-2006.

[8] 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.

[9] 张存杰,王胜,宋艳玲,等.我国北方地区冬小麦干旱灾害风险评估[J].干旱气象,2014,32(6):883-893.

[10]王劲松,郭江勇,倾继祖.一种K干旱指数在西北地区春旱分析中的应用[J].自然科学学报,2007,22(5):709-717.

[11]江吉波,高瑞华,石磊.防灾减灾应坚持宁可十防九空的理念[J].科技信息,2010,27:819-829.

The comparison of multiple drought index in Sansui drought analysis

NIE Yun1,ZHOU Jixian2,LUO Jun3,QIN Changchang3,ZHANG Yu3

(1.Qiandongnan Meteorological Bureau of Guizhou Province, Kaili 556000, China; 2.Sinan MeteorologicalBureau of Guizhou Province,Sinan 565100, China;3.Sansui Meteorological Bureau of Guizhou Province,Sansui 556500, China)

The data of daily precipitation, temperature and evaporation data during the period from 1958 to 2013 in Sansui were used to calculate the index ofPa,SPI,MCIandK, and the comprehensive comparison was made with the actual drought data. The results show the drought probably occur throughout the year with an average of 4—6 months in Sansui, especially light and moderate drought.Four kinds of index have the imporant roles in drought monitoring, so the effect is better when the monitoring is based on the principle of "comprehensive valuation, focusing on considering"in Sansui. UsingMCIandKindex comprehensive evaluation is practical for monthly scale drought.TheSPIindex is suitable for spring and autumn, and theKindex is suitable for summer for seasonly scale drought.

drought index; drought monitoring; adaptability; Sansui

1003-6598(2016)04-0023-06

2015-04-11

聂云(1989—)，男，助工，主要从事气候预测和气象服务工作，E-mail:476820730@qq.com。

三穗县科学技术服务中心项目“三穗县干旱指数适应性研究”。

P426.616

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