基于MCI指数的荆门市气象干旱特征分析

摘 要：根据1961—2020年荆门市逐日气象干旱MCI指数，采用线性回归、M-K突变检验和小波分析等方法，对荆门市近60年的气象干旱变化特征进行分析。结果表明：荆门市气象干旱过程年均2.43次，平均每次持续58.8 d。气象干旱日数年均123.1 d，呈缓慢下降趋势，中旱、重旱、特旱日数呈增多趋势。1、9、10月干旱日数较多，干旱日数冬季最多，其次是春季和秋季，特旱在春季发生频率最高。

关键词：MCI指数；气象干旱；干旱特征；干旱趋势；气象灾害

中图分类号：P426.616 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）10–0-03

干旱是我国重要的气象灾害之一，平均每年农业受旱面积占各种灾害面积的40%以上，导致粮食作物大幅减产，严重威胁国家粮食安全[1-4]。气象干旱指数在干旱的监测与研究中十分重要，历年来不同专家学者通过各种不同的指标对气象干旱特征进行了深入研

究[5-13]。湖北省当前使用的干旱指标是基于2017年国家标准《气象干旱等级（GB/T 20481—2017）》中的气象干旱综合指数（MCI）。在当前的气象监测和预报业务中，气象干旱的监测与评估工作还相对较少。因此，对荆门市历年来的气象干旱特点进行深入分析，可以为荆门市气象干旱的预测和加强气象灾害预防及减轻提供有力的科学支撑。

1 资料和方法

气象干旱综合指数数据源自湖北省气候中心，参照GB/T 20481—2017的标准，根据气象综合指数划分的等级分类见表1。

表1" 气象干旱综合指数（MCI）的等级划分表

等级 MCI指数 类型

1 -0.5＜MCI 无旱

2 -1.0＜MCI≤-0.5 轻旱

3 -1.5＜MCI≤-1.0 中旱

4 -2.0＜MCI≤-1.5 重旱

5 MCI≤-2.0 特旱

当MCI指数连续10 d为轻旱以上等级时，则认为出现了1次干旱过程，将第1天达到轻旱以上等级的日期作为过程开始日期。当MCI指数连续10 d为无旱等级时解除干旱，干旱过程结束，将最后1次达到轻旱以上等级的日期定义为过程结束日期。根据干旱过程持续的时间，定义持续时间10～30 d的干旱过程为轻旱，31～60 d为中旱，61～90 d为重旱，91 d及以上为特旱。季节按照春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月至翌年2月）划分。

2 结果与分析

2.1 气象干旱的年际变化

从1961—2020年荆门市年平均气象干旱日数变化趋势（图1）可以看到，年气象干旱日数呈较弱下降趋势，下降趋势为-0.7 d/10年，未通过α=0.1的显著性检验。荆门市近60年年平均气象干旱日数为123.1 d，其中1966年的气象干旱日数最多，达到272 d，其次是2014年和1988年，气象干旱日数均为253 d，而1964年和2017年气象干旱日数最少，分别为16 d和17 d。2009—2014年年气象干旱日数均在平均值以上，出现了连续多年干旱，其中2014年的干旱最严重。

图1" 1961—2020年荆门市年平均气象干旱日数的变化

对1961—2020年春、夏、秋、冬四季干旱日数进行趋势分析（图略），对四季线性倾向率分析结果显示，春季、夏季和冬季呈微弱下降趋势，下降趋势分别为-1.2、-1.0和-1.3 d/10 a，而秋季呈上升趋势，上升趋势为2.6 d/10 a，四季的变化趋势均未通过α=0.1的显著性检验。

2.2 气象干旱的年代际变化

从1961—2020年荆门市不同等级气象年平均干旱日数年代际变化（表2）可以看到，年平均气象干旱日数线性变化趋势仅为-0.2 d/10年，减少趋势并不明显，但年平均轻旱日数的线性变化趋势为-17.9 d/10年，减少趋势十分明显，中旱、重旱和特旱均呈增多的趋势，分别是1.7 d/10年、11.1 d/10年和4.9 d/10年，说明在干旱日数基本持平的情况下干旱强度有加强的趋势。不同年代际年平均干旱日数变化具有不同特点，1961—1970年年平均干旱日数最少，仅107.0 d，1971—1980年各级别的年均气象干旱日数均增多，年平均干旱日数达到144.6 d，1981年后，年平均干旱日数较1971—1980年大幅减少并基本持平。

表2" 1961—1970荆门市年平均气象干旱日数的年代际变化

年代 轻旱/d 中旱/d 重旱/d 特旱/d 总干旱/d

1961—1970 63.8 31.4 9.6 2.2 107.0

1971—1980 85.3 39.7 15.9 3.7 144.6

1981—1990 65.5 38.0 14.0 4.7 122.2

1991—2000 65.5 27.8 17.6 11.6 122.5

2001—2010 78.1 26.9 12.0 4.4 121.4

2011—2020 55.6 42.3 19.0 3.8 120.7

倾向率/（d/10年） -17.9 1.7 11.1 4.9 -0.2

从干旱的严重程度上看，重旱及以上日数最多的

是1991—2000年，年平均29.2 d；次少是2001—2010年，为16.4 d；最少的是1961—1970年，仅11.8 d；1961—2020年荆门市干旱严重程度呈先增强后减弱的趋势。

特旱日数整体呈中间高、两边低的曲线变化，1991—2000年特旱日数最多，年平均达到11.6 d；从年份角度看，2000年的特旱日数为41 d，其次是1991年的36 d。重旱日数呈现出波动性变化的特征，2011—2020年最多达到19.0 d，其次是1991—2000年为17.6 d；

1999年是重旱日数出现最多的年份，为74 d，其次是2019年的63 d和2013年的54 d。

2.3 气象干旱的月、季变化

从1961—2020年荆门市各级别逐月平均气象干旱日数（图2）可以看出，荆门市每个月都有干旱发生，但变化不明显，轻旱以上日数最多的是1、9、10月，分别是12.0、11.1、11.0 d，日数最少的是7、11、8月，分别是8.7、8.9、9.2 d。中旱以上日数最多的是9、10月，分别是6.5、5.3 d，其次是3月和4月，均为5.1 d。在农事季节上，9—10月是秋收作物生长收获和秋播的关键期，3—4月是春耕春播的关键期，这段时间的中度以上干旱对农作物播种影响较大。重旱和特旱的变化与轻旱以上日数的逐月变化有比较明显的差异，其中，1月干旱日数偏多但重、特旱日数偏少。

从各季气象干旱日数（图略）来看，轻旱以上日数较多的是冬季、春季和秋季，分别是32.3、31.7、31 d，最少的是夏季28.1 d，而中旱以上最多的是秋季的

15.5 d，其次是春季13.9 d。春季特旱发生的频率为30.9%，远高于其他季节，2000、2004、2011年春季荆门市均出现极端干旱。虽然夏季的干旱日数较少，但在梅雨期结束后的7—8月晴热少雨，特旱发生频率较高。

图2" 1961—2020年荆门市各级别逐月平均气象干旱日数的分布

2.4 气象干旱过程的特征

持续的干旱事件对工农业生产和人们的日常生活影响较大，例如，2000年4月12—5月23日出现连续干旱事件，造成全市9.33万hm2的农作物受灾，无水插秧的农田高达1.67万hm2，16.9万人和4.5万头大牲畜饮水困难，造成经济损失1.3亿元，其中农业损失1.1亿元。根据统计数据，从1961—2020年荆门市经历146次干旱过程，平均每年2.43次，平均每次持续时间48.8 d，其中最长干旱持续时间197 d，出现在2010年12月4日—2011年6月18日，为冬、春、夏三季连旱，其中，轻旱过程出现73次，占总干旱过程的50%，频率为1.22，为1年/次；中旱过程出现31次，占总干旱过程的21.2%，频率为0.52，为2年/次；重旱过程出现15次，占总干旱过程的10.3%，频率为0.25，4年/次；特旱过程出现27次，占总干旱过程的18.5%，频率为0.45，2年/次。荆门市的干旱过程以轻旱为主，中旱和特旱次之。

2.5 干旱趋势的周期

通过小波分析方法，研究了1961—2020年荆门市年气象干旱日数的周期性特征，从小波实部图中（图3）可以观察到，荆门市年气象干旱日数的周期有比较明显的交替波动趋势，大的周期尺度变化下包含小的周期尺度变化，存在多个时间尺度的周期变化特征，方差图（图略）上存在多个明显的峰值点，对应着2、5、12、30年左右的周期性特征，其中准30年的周期尺度扰动信号最为强烈，是年气象干旱日数的主周期，并在近60年间出现准2次震荡，其次分别是2、12、5年的周期波动。

2.6 干旱变化趋势的突变分析

为了更进一步分析气象干旱的趋势和突变特征，利用M-K检验法对1961—2020年荆门市气象干旱日数进行了突变性检验。从统计曲线（图4），可以看出，1961—1970年的干旱日数总体上呈现出偏少的态势，而从1971年开始至2020年干旱日数总体上呈现出偏多的态势，但这种趋势并没有超过0.05的显著性水平临界线，这表明偏少或偏多的趋势并不是很明显。此外，UF和UB的曲线在1961—1970年和2017—2020年都出现了数个交叉点，并且都在0.05的显著性检验的范围内。因此，通过分析可以推断出1970年和2019年是荆门市气象干旱日数的突变点，并且干旱日数从偏少逐渐转向偏多。

图3" 1961—2020年荆门市气象干旱日数的小波实部

图4" 1961—2021年荆门市年气象干旱日数M-K检验

3 结论

利用气象干旱综合指数（MCI）对1961—2020年荆门市气象干旱特征进行统计分析，结论如下：

（1）近1961—2020年荆门市年气象干旱日数呈缓慢下降趋势，春季、夏季和冬季也呈缓慢下降趋势，秋季则有上升趋势。1961—1970年荆门市年平均气象干旱日数为123.1 d，其中，1966年的气象干旱日数最多，为272 d。

（2）从年代际特征来看，1961—2020年荆门市干旱总日数变化趋势不明显，轻旱日数呈减少趋势，中旱、重旱、特旱均呈增多的趋势。从月、季特征来看，干旱总日数最多的是1、9、10月。干旱总日数较多的是冬季、春季和秋季，春季特旱发生的频率高于其他季节。

（3）近1961—2020年荆门市干旱过程共146次，平均每年2.43次，平均每次干旱过程持续时间58.8 d，特旱过程2年一遇。

（4）近1961—2020年荆门市年气象干旱日数存在准2、5、12、30年左右的周期尺度，其中准30年是年气象干旱日数变化的主周期。1970年和2019年气象干旱日数存在由少向多转变的突变点。

参考文献

[1] 王春乙.中国重大农业气象灾害研究[M].北京：气象出版社，2010.

[2] 刘莉红，翟盘茂，郑祖光.中国北方夏半年最长连续无降水日数的变化特征[J].气象学报，2008（3）：474-477.

[3] 张庆云，卫捷，陶诗言.近50年华北干旱的年代际和年际变化及大气环流特征[J].气候与环境研究，2003（3）：307-318.

[4] 刘敏，倪国裕.湖北省旱涝灾害的若干统计特征及对农业生产的影响[J].长江流域资源与环境，1994（2）：167-171.

[5] 邹旭恺，任国玉，张强.基于综合气象干旱指数的中国干旱变化趋势研究[J].气候与环境研究，2010，15（4）：371-378.

[6] 刘可群，李仁东，刘志雄，等.基于CI指数的湖北干旱及其变化特征分析[J].长江流域资源与环境，2012，21（10）：1274-1280.

[7] 王越，江志红，张强，等.基于Palmer湿润指数的旱涝指标研究[J].南京气象学院学报，2007（3）：383-389.

[8] 张子凡，姜帅，李娇娇，等.基于SPI指数的惠州市干季干旱趋势分析[J].中国农学通报，2018，34（31）：135-139.

[9] 姚宁，蒋昆昊，谢文馨，等.气候变化背景下山西省气象干旱时空演变特征[J].农业机械学报，2024，55（1）：270-281.

[10] 赵惠珍，何涛，郭瑞霞，等.基于SPEI的甘南高原气象干旱变化特征[J].干旱气象，2023，41（5）：688-696.

[11] 付平凡，杨晓静，苏志诚，等.吉林省气象干旱指标适用性及干旱时空演变特征研究[J].水利水电技术（中英文）， 2024，55（6）：120-133.

[12] 姜忠峰，许桂平，张凯.基于SPEI的贵州省气象干旱时空演变特征及双变量区域频率分析[J].水资源与水工程学报，2023，34（5）：20-31.

[13] 杨少康，刘冀，张特，等.汉江上游气象-水文干旱特征变量响应概率研究[J].水资源保护，2023，39（5）：143-151.

收稿日期：2024-06-19

作者简介：张新贝（1992—），男，湖北天门人，工程师，研究方向为天气预报、气象服务。