基于3种干旱指标的天水地区干旱演变特征分析

刘亮 吴婷芳 胡利平 柳玉茹 安小瑞

摘要利用1971—2011年天水地区河谷、渭北、关山区3个代表点的气象站资料，以湿润度指数（Mi）、标准化降水指数（SPI）、降水距平百分率（Pa）3种干旱监测指标及等级划分为基础，对天水各气候区的春、夏、秋3个主要作物生长时段干旱气候演变特征进行分析。结果表明，天水春季（3—5月）出现干旱灾害的气候风险最大，各气候区10年中有6～8年出现干旱，中旱以上干旱河谷区10年中有4～5年、渭北区有5～6年、关山区有2～4年出现；夏季（6—8月）干旱风险次之，各气候区10年中有6～7年出现干旱，中旱以上干旱河谷区10年中有2～4年、渭北区有2～3年、关山区有2～4年出现；秋季（9—10月）各等级干旱气候风险出现均较小。各季干旱风险主要出现在20世纪90年代初以后。

关键词干旱指标；干旱演变；特征；天水地区

中图分类号S162文献标识码A文章编号0517-6611（2017）23-0156-05

Analysis on Characteristics of Drought Evolution in Tianshui Area Based on Three Drought Indexes

LIU Liang1，WU Tingfang2，HU Liping2 et al

（1.Tianshui City Coordination and Leading Office of Affecting the Weather Artificially，Tianshui，Gansu 741018； 2. Tianshui City Meteorological Bureau，Tianshui，Gansu 741018）

AbstractUsing the meteorological data of three representative points in the Hegu zone，Weiber zone and Guanshan zone of Tianshui area from 1971 to 2011，and based on the three indexes of moisture index（Mi）， standardized precipitation index（SPI）and percentage of precipitation anomaly（Pa），the characteristics of drought climate evolution during the growth period of spring， summer and autumn of the three main crops in Tianshui climate zone were analyzed.The result showed that in spring （from March to May） got the biggest probability to have the drought， every climatic zone got 6-8 years had drought in 10 years， drought up to intermediate in Hegu zone got 4-5 years in 10 years， in Weibei zone got 5-6 years in 10 years， Guanshan zone got 2-4 years in 10 years.The drought in summer （from June to August） was nest to the spring， every climatic zone got 6-7 years had drought in 10 years， drought up to intermediate in Hegu zone got 2-4 years in 10 years， in Weibei zone got 2-3 years in 10 years， Guanshan zone got 2-4 years in 10 years.In autumn （from September to October） got the less probability to have the drought. The drought risk mainly appeared in after the early 1990s.

Key wordsDrought index；Drought evolvement；Characteristics；Tianshui area

基金項目公益性行業（气象）重大专项（GYHY201506001-6）。

作者简介刘亮（1982—），女，甘肃徽县人，助理工程师，从事农业应用气象研究。

收稿日期2017-05-12

根据对近100多年全球气温资料的分析，全球平均气温升高（0.6±0.2）℃，我国气温上升了0.4～0.5 ℃，增温始于20世纪70年代，80、90年代是增温异常剧烈阶段[1-6]。各区域对全球增温变化存在不同程度的区域响应[7-9]，我国西北地区气温随全球变暖而随之升高，并在1986年附近发生跃变[10-13]。20世纪90年代初期天水气温、降水发生了明显突变，进入气温显著变暖和降水偏少时段[14]。

由于气候持续变暖，降水减少，造成干旱天气事件频发，对国民经济、人民生产和生活的影响日益增大，造成的损失不断加重。天水地处西北，生态环境脆弱，干旱是主要的灾害事件，其影响范围、程度和造成的经济损失非常严重。因此，掌握其演变规律、发展趋势，实施有效的气象干旱风险监测、评估、预警和管理迫在眉睫。目前，研究干旱的指标主要有降水量距平百分率、相对湿润度指数、标准化降水指数、土壤相对湿度指数、帕默尔干旱等级等单项干旱指数以及综合气象干旱指数[15-17]。各项干旱指标各有利弊，笔者主要采用资料获取容易且效果较好的相对湿润度指数（Mi）、标准化降水指数（SPI）、降水量距平百分率（Pa）3种干旱监测指标，在天水河谷区、渭北区和关山区各取一个代表点，以其1971—2011 年的Mi、SPI、Pa计算结果，对41年天水干旱演变状况进行分析，评价天水干旱风险状况及干旱发展趋势，为干旱监测、预警和干旱防灾减灾工程建设提供科学依据。

1资料与方法

1.1研究时段和区域选取

根据天水气候特征和农业生产實际，选取具有指示意义的3个时段：3—5月（夏粮作物生长关键期及春播期）、6—8月（秋粮生长关键期）、9—10月（作物秋播期）。采用Mi、SPI、Pa 3种干旱监测指标及强度等级划分技术对天水河谷区、渭北区、关山区3个气候区的麦积、秦安、张家川3个代表点进行Mi、SPI、Pa计算分析。气候分区是根据主导气象因子——热量条件及相应的水分、光照、海拔等因素，将天水划分为河谷区、渭北区、关山区3个气候区[18]。

1.2资料来源

气象资料来源于麦积、秦安和张家川3个县（区）气象站，考虑到各气象站建站时间不同，因此该研究所用的实际资料为1971—2011年3站观测的逐日降水量、平均气温要素值。

1.3干旱监测方法与等级

1.3.1相对湿润度指数（Mi）。

相对湿润度指数是某时段降水量与同一时段长有植被地段的最大可能蒸发量相比的百分率，其计算公式为[19]：

Mi=P-EE（1）

式（1）中，P为月降水量，E=16（10 t/I）a为标准月份30 d最大可能蒸散量；t为30 d均温；I为温度指数，I=i=12（ti/5）1.514计算；a=6.75×10-7 I3-7.71×10-5 I2+1.79×10-2I+0.492 4。 当月平均气温t≤0 ℃时，月温度指数I=0，月可能蒸散量E=0（mm/月）。

该指数以最大蒸散量作为需水量，求其与降水量P的比例来确定干旱程度，是一个基于水平衡的干旱指数，在考虑降水量的同时，还考虑了气温。其所用资料就是气象观测的常规资料，可方便地用于日常干旱监测、评估气象业务。Mi干旱等级划分标准为：Mi>-0.50，无旱；-0.701.3.2标准化降水指数（SPI）。

标准化降水指数是先求出降水量R分布概率，然后进行正态标准化而得，其计算公式为[19]：

SPI=St-（c2t+c1）t+c0[（d3t+d2）t+d1]t+1.0（2）

式（2）中，t=ln1P2，C0=2.515 517，C1=0.802 853，C2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

P为对于某一年的降水量R0，求出的随机变量R小于R0和降水量R=0时的事件概率，并当P>0.5时，S=1；当P≤0.5时，S=-1。其干旱等级划分标准为SPI>-0.5，无旱；-1.0

张川）、1985（秦安、张川）、1992（麦积）、1993（张川）、1994（麦积）、2004（麦积、秦安）、2005（秦安）、2008（秦安）、2009（秦安）、2011（秦安），共11年，其中，麥积5年、秦安6年、张家川4年。

2.2夏季（6—8月）干旱

2.2.1干旱出现频率、强度。

由表2可知，夏季河谷区干旱出现频率为6.1～6.8次/10 a，其中，轻旱为2.2～4.6次/10 a，中旱为1.0～2.7次/10 a，重旱为0.5～1.5次/10 a，特旱为0～0.5次/10 a；渭北区干旱出现频率为5.6～5.9次/10 a，其中，轻旱为2.4～3.9次/10 a，中旱为1～1.7次/10 a，重旱为0.5～0.7次/10 a，特旱为0～0.7次/10 a；关山区干旱出现频率为3.7～7.3次/10 a，其中，轻旱为2.2～3.7次/10 a，中旱为1.2～2.9次/10 a，重旱为0.2～1.5次/10 a，特旱为0～0.7次/10 a。可见，3个气候区均表现出轻旱>中旱>重旱>特旱；旱灾总次数及各等级旱灾出现次数基本上是关山区略多于河谷区，河谷区略多于渭北区。说明夏季（6—8月）渭北区出现各种强度旱灾的气候风险小于河谷区和关山区。Mi、SPI、Pa这3个指标在各气候区的表现除Mi指标在关山区偏差较大外，其他均一致性较好，其分析结果SPI指标仍与实际记录相对吻合。

2.2.2干旱年际变化特征。

从图2可看出，麦积25次干旱，20世纪70年代出现6次，80年代出现3次，90年代出现8次，2001—2011年出现8次；秦安23次干旱，20世纪70年代出现6次，80年代出现4次，90年代出现8次，2001—2011年出现5次；张家川28次干旱，20世纪70年代出现7次，80年代出现4次，90年代出现8次，2001—2011年出现9次。与春季相同，41年来各气候区6—8月出现旱灾次数是增加的，仍表现出各气候区20世纪90年代后干旱次数是明显多于90年代前，且80年代出现干旱次数最少。干旱出现的年份大部分是属于区域性的，发生全区域性的重旱年份没有出现过；发生区域性重旱年份出现在1971（张家川）、1973（麦积）、1974（麦积、张家川）、1977（麦积、张家川）、1982（麦积、张家川）、1987（麦积）、1994（秦安）、1997（张家川）、1998（麦积）、1999（麦积、秦安）、2000（秦安、张家川）、2002（秦安、张家川）、2006（秦安）、2008（张家川）、2009（秦安、张家川）、2011（麦积），共16年，其中，麦积8年、秦安6年、张家川9年。

2.3秋季（9—10月）干旱

2.3.1干旱出现频率、强度。

由表3可知，秋季河谷区干旱出现频率为3.4～5.4次/10 a，其中，轻旱为2.2～3.2次/10 a，

中旱为0.2～2.2次/10 a，重旱为0～1.0次/10 a，特旱为0～0.5次/10 a；渭北区干旱出现频率为4.2～5.4次/10 a，其中，轻旱为2.0～2.7次/10 a，中旱为1.5～2.2次/10 a，重旱为0～0.7次/10 a，特旱为0～0.5次/10 a；关山区干旱出现频率为1.7～5.4次/10 a，其中，轻旱为1.2～2.9次/10 a，中旱为0.5～2.0次/10 a，重旱为0～1.0次/10 a，特旱为0～05次/10 a。这3个指标在各气候区的反应与春季类似，只是各等级旱灾出现次数明显少于春、夏季。

2.3.2干旱年际变化特征。

从图3可看出，麦积22次干旱，20世纪70年代出现5次，80年代出现6次，90年代出现5次，2001—2011年出现6次；秦安20次干旱，20世纪70年代出现5次，80年代出现5次，90年代出现6次，2001—2011年出现4次；

张家川22次干旱，70年代出现3次，80年代出现6次，90年代出现8次，2001—2011年出现5次。可见，河谷、渭北区秋季干旱年际变化不明显，各年代多在5～6次/10 a出现，关山区则以20世纪90年代偏多、70年代偏少突出，其他时段趋同。全区域性重旱年份出现在1981年；区域性重旱年份出现在1971（秦安、张家川）、1972（麦积、张家川）、1979（张家川）、1986（麦积）、1988（秦安）、1994（麦积、秦安）、1998（张家川）、2001（麦积）、2009（麦积、张家川），共9年，其中，麦积5年、秦安3年、张家川5年。

3结论与讨论

利用1971—2011年天水地区河谷、渭北、关山区3个代表点的气象站资料，以湿润度指数（Mi）、标准化降水指数（SPI）、降水距平百分率（Pa）这3种干旱监测指标及等级划分为基础，对天水各气候区的春、夏、秋3个主要作物生长时段干旱气候演变特征进行分析。结果表明，春季（3—5月）是天水干旱最严重的时段，各气候区有10年中出现6～8年干旱，中旱以上干旱河谷区10年中有4～5年、渭北区有5～6年、关山区有2～4年；夏季（6—8月）是天水干旱次严重的时段，各气候区有10年中出现6～7年干旱，中旱以上干河谷区10年中有2～4年、渭北区有2～3年、关山区有2～4年；秋季（9—10月）天水各地出现干旱的风险较小，各气候区有10年中出现3～5年干旱，中旱以上干旱河谷区10年中有1～3年、渭北区有2～3年、关山区有1～3年。春、夏、秋季干旱发生的主要年份在20世纪90年代初以后。

该研究以Mi、SPI、Pa对天水各气候区的干旱发生进行不同尺度、区域、年际间分析，并与实际对比，证明这3个指标在天水干旱发生分析中均有较好的适用性，均能有效地评估天水各个时段出现的干旱气候风险，且SPI与实际更为吻合。Mi反映的是实际降水供给的水量与最大水分需要量的平衡，其在天水不同地区和不同时间尺度划分干旱等级时差别显大，且关山区略显突出；SPI是根据降水累積频率分布来划分干旱等级的，它反映了不同时间和地区的降水气候特点，其干旱等级划分标准具有气候意义，不同时段不同地区都较适宜；由于天水各季节的降水量变率差异较大，故利用Pa划分干旱等级对不同地区和不同时间尺度也有较大差别。

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