李雪纯,赵 君,徐进超
(南京信息工程大学,南京 210044)
干旱指一定区域一定时间内,由自然或社会因素导致水分缺乏的现象,普遍存在于各个地区,不仅是严重的气候问题,也影响着人类生产生活[1]。干旱按照成因可分为多种[2],本文从降水影响方面进行气象干旱的讨论。安徽省地处我国东部,横跨长江、淮河,北部为淮北平原,南部地区地形复杂,西南地区有大别山区,东南地区有皖南山区,中部为江淮丘陵。降水受季风和地形等影响,副高的强弱以及沿海槽的稳定影响着安徽省季节干旱的形成,梅雨量的多少尤其影响夏旱的形成[3]。干旱会造成安徽省农作物减产,严重时影响生活用水、水库发电航运及渔业等各方面,带来巨大的经济损失。
近年来,许多专家利用各种指标对干旱进行分析研究[4-8],黄晚华[9]等利用SPI分析中国南方季节性干旱演变特征,表明我国南方干旱整体上呈现对农业生产的不利影响,并有加重趋势。张焱[10]等人采用Z指数从降水量及土壤干旱特征方面对华南干旱特征进行了分析。谢五三[11]等指出对于安徽省干旱检测业务来说Pa指标相对较好。Pa指数可以直接地反映因降水引起的干旱,在干旱测评中得到广泛的应用。关于安徽省干旱的研究目前集中在年尺度的分析,在季节等小尺度上的定量分析比较缺乏。本文根据不同季节特征细化干旱等级标准,用Pa计算方法选取了3个干旱指数,结合分析安徽省近50 a干旱时空分布特征,以期更加深入地认识安徽省干旱时空分布特征。
气象数据资料来源于中国气象局信息中心,选取了安徽省分布均匀的15个站点,1965-2014年共50 a的逐日降水资料。检测所选站点的降水数据,订正存在的明显数据错误,对存在缺测漏测的数据进行插值处理,所得数据可较好地反映本地区的降水变化情况。
Pa可以反映某时段降水与同期平均状态的偏离程度,从而反映出降水量异常引起的干旱,在我国气象业务中经常用于评估干旱事件。Pa使用降水量作为输入量,算式如下:
(1)
(2)
式中:n=50,即文本选取1965-2014年共50 a逐日降水资料。
由于安徽省降水量季节差异较大,空间分布不均匀,不同季节采用的Pa划分标准有所不同。参考国家气象等级标准[12],通过数据分析,按照季节特征划分干旱等级标准,春季3-5月,夏季6-8月,秋季9-11月,冬季12-翌年2月。本文采用的Pa划分等级见表1。
表1 基于降水距平百分率的干旱等级划分Tab.1 Division of drought levels based on percentage of precipitation anomalies
本文选取干旱频率、干旱站次比、干旱强度这3个干旱指数,从3方面评价安徽省近50 a干旱时空变化特征[13]。
(1)干旱频率(Pi)指研究站点在时段内干旱发生的频繁程度,算式如下:
Pi=(n/N)×100%
(3)
式中:N为某站有资料的总年数;n为该站发生干旱的年数。
(2)干旱站次比(Pj)指研究区域内发生干旱的站点数与总站点数的比值,用于评价干旱的严重程度,算式如下:
Pj=(m/M)×100%
(4)
式中:M为研究地区总的站点数(本文中M=50);m为发生干旱的站点数;j为年份。
(3)干旱强度(I)用来评价干旱严重程度,算式如下:
(5)
式中:m为研究地区某年发生干旱的站点数;|Ii|为各站点的干旱指标等级,以1、2 、3 、4对应轻旱、中旱、重旱、特旱,以0对应无旱。
2.1.1 年降水特征分析
图1为安徽省1965-2014年降水量变化趋势。从图1中可以看出,20世纪60年代中期到70年代中期呈波动增长,70年代中期到80年代初期波动下降,80年代以后降水波动范围较大,21世纪以后降水波动波动较小。安徽省年平均降水量为1 771 mm,1991年降水最多达到1 578.3 mm,1978年降水最少为703.5 mm,降水年际变化明显,发生干旱风险较高。
图1 安徽省1965-2014年降水量变化趋势Fig.1 Precipitation changes in Anhui Province from 1965 to 2014
2.1.2 季节降水特征分析
安徽省季节降水变化明显,夏季降水最多,逐次是秋季、冬季、春季。春季降水量变化范围147~487 mm,夏季降水量变化范围972~3 556 mm,秋季降水量变化范围294~1 551 mm,冬季降水量变化范围208~1 006 mm,见图2。综上表明,夏季和秋季降水变化幅度较大,春季和冬季降水幅度较小,降水幅度变化较大更容易引起季节性干旱。
图2 安徽省1965-2014年季节降水量变化趋势Fig.2 Trend of seasonal precipitation change in Anhui Province from 1965 to 2014
2.2.1 年尺度干旱的时空分布特征
安徽省近50 a发生过不同程度的干旱,50 a中共13 a发生干旱,其中11 a发生轻度干旱,干旱频率为26%,平均每年5个站点出现干旱现象,最多年份干旱站点为14个。与1979年之前相比,1979年之后到2004年干旱频率增加,但强度有所减弱。
(1)年尺度干旱的空间分布特征。计算安徽省50 a共15个站点的年干旱频率,采用反距离权重插值方法进行插值,生成空间栅格数据,在地图上显示,得到图3。逐站统计各级别干旱频率,即各级别干旱在每一站出现的次数占50 a的百分比,安徽省平均干旱频率为37%,轻旱占18%,中旱占7%,重旱占5%,特旱占7%。北部地区和西南地区干旱频率略高,为38%~44%,其中以安庆市干旱频率最高达44%。安庆市位于大别山区与皖南山区之间,对流活动弱,相对降水较少,干旱出现频率较高。中部地区和东南地区干旱频率略低,为30%~36%,以巢湖市干旱频率最低为30%。综上,安徽省干旱空间上分布不均,呈现出北部地区及西南地区干旱发生频率高,中部地区及东南地区发生频率较低的空间特征。
图3 安徽省年尺度干旱频率空间分布Fig. 3 Spatial distribution of drought frequency at the annual scale in Anhui Province
(2)年尺度干旱的时间分布特征。图4为安徽省50 a干旱站次比和干旱强度的年际变化特征图。站次比的波动为13%~93%,共37 a干旱明显,其中9 a发生局域性干旱,4 a发生部分区域干旱,10 a发生区域性干旱,14 a发生全区域干旱。通过特征图可以看出1993年之前干旱影响范围呈跳跃状,其中1966、1978、1988、1994和2011年均在峰值,这与记录中安徽省这几年发生大范围干旱结果一致,表明数据计算的准确性。通过特征图看出,安徽省近50 a干旱强度为0.1~2.9,平均干旱强度为0.7,共37 a发生干旱,其中9 a干旱强度高于1,表明安徽省近50 a发生干旱大多数年份是轻度干旱。从图4中可以看出安徽省年际干旱主要是轻度干旱和中度干旱。综上表明,安徽省近50 a年际干旱强度呈波动减少趋势,区域性干旱和全域性干旱在20世纪90年代以后范围逐渐缩小,干旱范围从区域性和全域性逐渐变成局域性和部分区域性。
图4 1965-2014年安徽省站次比和干旱强度的年际变化Fig.4 Interannual variability of stations proportion and drought intensity in Anhui Province from 1965 to 2014
2.2.2 季尺度干旱时空分布特征
安徽省近50 a出现的干旱中,夏旱出现6 a,春旱出现3 a,秋旱出现5 a,冬旱出现6 a,干旱出现频率季节性明显。1978年发生重度干旱,伴随着季节尺度上春旱、夏旱、秋旱和冬旱均有发生。
(1)季尺度干旱的空间分布特征。图5为安徽省季节尺度干旱频率空间分布图,由此分析安徽省季度干旱特征:①春季干旱频率为14%~44%,北部地区略高,南部地区略低,春旱频率由南到北逐渐增加。②夏季干旱频率在18%~34%,中部和南部地区略高,夏旱频率由中部到西北和东部逐渐增大,从东南到西南逐渐减小。③秋季干旱频率在18%~42%,秋旱频率西北和西南地区略高,东部地区略低,西南地区干旱频率略高,并向东北方向延伸到中部地区。④冬季干旱频率在12%~36%,冬旱北部地区略高,南部地区略低,从中部到冬南部冬旱频率有所增大,再往南到皖南山区冬旱频率有所降低。
综上可得,安徽省季节干旱频率:秋旱>夏旱>春旱>冬旱,其中冬旱频率远低于其他3个季节。各季节干旱整体上是北部频率偏高,南部频率偏低。夏旱与秋旱相比,夏旱在东部频率较高,而秋旱在东部频率较低。春旱与冬旱南北频率差异较大,夏旱与秋旱不仅南北差异明显,东南差异也较为明显。
图5 安徽省季节尺度干旱频率空间分布Fig.5 Spatial distribution of drought frequency at seasonal scale in Anhui Province
(2)季节尺度干旱的时间分布特征。图6是安徽省季节尺度上干旱站次比和干旱强度的年际变化,由此分析季节时空特征如下。
①春旱。从站次比来看,共17 a发生全域性或区域性干旱。1981-1982年,1996-1997年,2000-2001年均连续2 a出现全域性或区域性干旱,此后每隔0~5 a会出现全域性或区域性干旱。从干旱强度来看,干旱强度波动曲线与站次比波动曲线基本一致,站次比峰值出现的年份干旱强度也处在峰值,其中2001年春旱强度最强,属于重度干旱。安徽省春旱站次比与春旱强度呈波动增长趋势,表明春旱范围逐年增加,全域性或区域性干旱增多,春旱强度略微增强。
②夏旱。从站次比来看,1965-1980年先减少再增大,于1966年达到峰值,1980-1995年波动增长,1995-2014年波动减少,共16 a出现全域性或区域性干旱。从干旱强度来看,强度最强的年份为1967年,站次比最高的年份为1966年。安徽省夏旱站次比与夏旱强度呈先波动增长,后逐渐降低的趋势,表明夏旱范围逐年减少,全域性或区域性干旱减少,夏旱强度略微减弱。
③秋旱。从站次比来看,1965-1976年,1978-1988年先减少再增加,1989-2014年波动变化,增长不明显,共24 a出现全域性或区域性秋旱。从干旱强度来看,站次比最高的年份秋旱强度同样很强,强度均大于2。安徽省秋旱站次比和秋旱强度呈波动变化,趋势增加不明显,全域性和区域性秋旱主要集中在21世纪90年代和21世纪,秋旱强度较强。
④冬旱。从站次比来看,1965-1977年,冬旱站次比呈波动减少,1977-2004年波动幅度较大,2004-2014年波动增加。共15 a出现全域性或区域性冬旱,1996-1997年,1982-1983年,1995-1996年均出现连续区域性或全域性干旱,1967-1977年共10 a未发生区域性或全域性干旱。从干旱强度来看,冬旱强度最强的年份1999年,冬旱站次比也很高。1965-1999年,先减弱后波动增强。安徽省冬旱站次比呈波动趋势,波动幅度较大,整体减小不明显,冬旱强度波动增加,增加较弱。
图6 安徽省1965-2014年季节干旱站次比和干旱强度的年际变化Fig.6 Interannual variation of seasonal stations proportion and drought intensity in Anhui Province from 1965 to 2014
结合降水特征及干旱特征进行分析,安徽省未来干旱趋势受地形及降水的影响,从降水特征上来看,安徽省近50 a降水略微增长,增长不明显,但变化幅度较大,1978年降水突然减少导致大规模的干旱发生,这种不规律的降水对未来干旱的发成影响极大。从干旱特征上来看,安徽省北部地区干旱频率较南部地区较南部略高,北部地区干旱发生呈增加趋势,南部地区增加不明显。在季节干旱方面,夏季和冬季降水趋势呈增长状态,而春季和秋季呈减少状态,尤其是秋季降水降低趋势明显。结合干旱特征分析,秋旱在安徽省最易发生,强度较大,降水趋势的降低在未来会加剧秋旱发生程度及频率,安徽省季节性干旱抗旱形势严峻。
(1)安徽省干旱在空间上分布不均,北部地区和西南地区干旱发生频率高,中部地区和东南地区发生频率较低,从南向北干旱频率逐渐升高。年际上干旱强度呈减弱趋势。在季节尺度上,秋旱干旱频率最高,干旱强度最大,干旱范围最广,逐次是夏旱、冬旱和春旱,其中春旱和秋旱有加重趋势,而夏旱和冬旱趋势不明显。
(2)本文干旱分析的结果与降水变化分析的结果基本一致,降水增多的地区或季节,干旱有所减弱。对于干旱指标发展趋势的评价结果,与历史资料记载相比较基本一致,表明运用降水量距平百分比分析安徽省近50 a干旱特征,能够比较真实地反应安徽省干旱的时空特征。
(3)在全球气候变暖,极端气候出现增加的背景下,安徽省季节尺度上干旱呈加重趋势,其中秋旱和春旱加重明显,需更加重视季节尺度上的干旱变化。降水距平百分率只考虑到降水量因素,有待综合考虑更多自然因素和人文因素,进一步深入研究干旱成因,为安徽省干旱的评估预警和农业活动提供科学依据。
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