哈密地區氣象干旱監測指數研究

慕彩蕓，程海濤，張治雄

（1哈密地區氣象局，新疆 哈密839000；2.獨山子氣象局，新疆 獨山子833600）

哈密地區地處新疆東部，地緣遼闊，土地面積13.7萬km2，降水少而分布不均，是典型的干旱區，干旱是該區域最主要的氣象災害。天山山脈橫亙東西，將哈密地區分割為氣候完全相異的南北兩部分，北部降水量100～250 mm，南部降水量30～50 mm，天山山區降水量可達500～600 mm，是當地的水源地和“水塔”，成了哈密地區主要的調節水源。哈密地區農業生產以綠洲灌溉農業為主，山區降水和冰雪融水是河流的主要水源補給。

在對干旱的研究過程中，人們制定了許多干旱指數來對干旱進行監測，例如有降水量距平百分率氣象干旱等級（Pa），相對濕潤度指數氣象干旱等級（M），帕默爾干旱指數（X），標準化降水指數（SPI），土壤相對濕度干旱指數（R），綜合氣象干旱指數（CI），Z指數等[1-4]。這些干旱指數大致可歸納為單要素指數和多要素指數，前者考慮因素少，但計算和所需資料簡單，便于應用；后者考慮因素多一些，但計算復雜，需要收集資料多，有些資料在實際應用中較難獲得。干旱的形成和發展是水分虧缺緩慢積累的過程，一個好的干旱指數既要考慮某一段時間的水分虧缺量，又要考慮持續時間。目前較為流行的帕默爾氣象干旱指數[5-11]考慮因子較為全面，有較好的時空比較性，但該指數涉及參數多，計算過程復雜，限制了它在實際干旱監測中的應用；而當前應用較廣泛的Z指數只考慮降水一個因素，應用簡便，但未考慮到干旱的累積性，且對于旱澇等級的劃分人為性大。因此，嘗試結合二者的優點，建立一個氣象意義明顯且應用簡便的修正帕默爾氣象干旱指數，以服務于該地區的干旱監測、診斷業務。

1 資料與方法

1.1 資料來源

考慮到該地區南、北氣候差異明顯，分南、北兩個區域對哈密地區干旱指數進行研究。選取1961—2010年逐月降水觀測資料，南部區域代表站為哈密、紅柳河、十三間房，北部區域代表站為巴里坤、伊吾、淖毛湖。文中所用氣象和旱情資料均來源于哈密地區氣象局。

1.2 Z指數干旱指標

Z指數是假設某時段的降水量服從PersonⅢ型分布，而后對降水量進行正態化處理，這樣可將概率密度函數PersonⅢ型分布轉換為以Z為變量的標準正態分布，消除了不同地區和時期的氣候差異，能夠較客觀地反映出降水量的正負異常狀況。Z指數的計算公式如下：

其中，Cs為偏態系數且，標準差

1.3 修正帕默爾氣象干旱指數

計算哈密地區各代表站點1961—2010年的標準化降水指數。依據帕默爾干旱指數的基本原理[5-11]，干旱強度是水分虧缺量與持續時間的函數，因此干旱指數應包括時間這個因子。分別選取兩個區域歷史時期中不同持續時期的最旱時段的累積Z值（表1），假定歷史中的某些最旱時段達到極端干旱。

表1 歷史最旱時段持續時間及累積Z值

將Z的累積值ΣZ（縱坐標）與持續時段t（橫坐標）點繪于圖1中，得到回歸直線（實線），表示各種時間尺度的極端干旱，根據帕默爾對干旱等級的劃分[6]，假定極端干旱情況下的旱度值X＝-4.0，圖中右側的縱坐標也可從正常到極端分成4等份。在圖1中做出3條處于實線上方的直線（虛線），分別代表了輕旱、中旱和重旱的上限，旱度值Z分別為-1.0、-2.0、-3.0。

圖1 哈密南部干旱指數與水分異常積累值和持續時間關系圖

由圖建立干旱指數xi與累積值Z和時間t的關系式，建立干旱指數模式：

南部：

北部：

方程（2）、（3）僅是不同時期指數值Z的代數和，這種線性關系并不能真正代表持續時間t和旱度值xi之間的關系，為了考慮每個月對干旱嚴重程度的貢獻，對上式進行變換得到：

南部：

北部：

方程（4）、（5）即為哈密地區南、北部修正帕默爾氣象干旱指數的計算公式，其中Xi為上月干旱指數，間接反映了時間因子的作用。

1.4 干旱結束的計算

根據公式（4）、（5）計算干旱指數時，要確定系列當中每個月當月結束旱段或濕潤段的可能性，當月旱段或濕潤段開始的可能性以及已經開始的干旱段或濕潤段的嚴重程度等幾個方面的信息，帕默爾以定量化的方式來確定旱段或濕潤段的開始和結束，即X≤-0.5時，認為干旱期開始，X>-0.5時，就認為干旱結束，從而可以得到某月使干旱減輕到正常狀態所需的水分即Ze，使干旱嚴重程度減輕的Z值即“有效增濕量”Uw。

南部：

北部：

計算干旱（濕潤）結束的概率Pe為：

1.5 區域干旱指數的建立

公式（4）、（5）是計算單站修正帕默爾氣象干旱指數的模式，要反映區域旱澇情況，就要建立區域干旱指數。通常情況下對于降水分布均勻的一個較小區域，如哈密地區的南、北部，某月的旱澇狀況的分布相對也較均勻，其干旱指數的計算公式為：

式中，X為某月區域干旱指數，Xij為i月j站干旱指數，m為區域內的站點數。

計算哈密地區南、北區域1961—2010逐月修正帕默爾氣象干旱指數，根據其分布的特點將其劃分為7等級（表2）。鑒于哈密地區是極端干旱區，澇災不是本區域的主要災害，本文重點討論干旱發生時該指數的表現情況。

表2 哈密地區區域干旱等級劃分標準

2 結果與分析

2.1 修正帕默爾氣象干旱指數驗證

為使旱澇等級能真實地代表一個區域的旱澇狀況，仍按照南、北兩個區域分別計算其修正帕默爾氣象干旱指數。由干旱指數變化圖（圖2）看出，哈密地區南、北區域在1961—2010年50 a中旱澇交替，南部較北部旱澇程度波動大，南部自20世紀60年代以來先后出現5次較明顯的干旱，分別在1963年、1969年、1977年、1985年、1997年，北部 20世紀60—70年代干旱指數的振幅明顯小于后期，較明顯干旱主要集中在80年代至90年代初，分別為1982年、1985—1986年、1989年、1991年。

根據歷史旱情發生記錄對上述干旱指數進行驗證：1963年，哈密南部干旱嚴重，5 333.3 hm2小麥因缺水大部枯萎而死；1977年哈密市境內部分泉眼干涸，坎兒井斷流，小麥未能按時澆頭水，嚴重缺苗，山區人畜飲水困難；1982年伊吾縣干旱嚴重，牧草干枯，禾苗受旱，糧食減產，幼羔損失達4 000只；1985年全地區出現嚴重干旱，巴里坤縣糧食、油料總產比上年減產40%，伊吾縣作物播種面積減少289.3 hm2，農民口糧、畜牧飼料供應嚴重困難；1986年全地區約33 333.3 hm2農田、5萬人、20萬頭牲畜受到干旱缺水的嚴重威脅；1989年哈密地區遭遇建國以來最嚴重的春旱，農田受災面積7 000 hm2，占播種面積的55.5%，巴里坤縣旱情特別嚴重，糧食總產較上一年下降50%；1991年哈密地區普遍干旱，播種期推后一周左右，有些地方達15 d。上述旱情記錄與修正帕默爾氣象干旱指數的吻合度很高。

通過旱情記錄與所建修正帕默爾氣象干旱指數對比分析可以看出哈密地區旱情發生有如下特點：由于哈密南部灌溉用水對山區降水和積雪融水的依賴度大，而山區降水與北部區域降水特征相似，部分年份哈密北部嚴重干旱，卻導致全地區出現明顯旱災，例如1989年、1991年；哈密南部修正帕默爾氣象干旱指數顯示嚴重干旱的1969年和1997年無旱情記錄，這是由于北部在這兩年并未出現明顯干旱，山區降水和積雪融水補充了哈密南部降水的不足。因此北部干旱指數的準確監測是哈密地區干旱監測的關鍵（圖2）。在作物生長季，修正帕默爾氣象干旱指數連續3個月以上達到中度干旱或1個月達到重度干旱即可導致哈密地區出現明顯的旱情（圖2）。

圖2 哈密南部（a）北部（b）1961—2010年修正帕默爾氣象干旱指數變化圖

2.2 三種干旱指數對比

將新建的哈密南北部修正帕默爾氣象干旱指數與在業務上應用廣泛的Z指數、降水距平百分率干旱指數的計算結果進行分析（圖3，干旱等級0～4分別代表正常、輕旱、中旱、重旱），結果表明Z指數在干旱等級的表現方面過于遲鈍，1961—2010年干旱指數的最高級別僅為中度干旱，但其變化趨勢與修正帕默爾氣象干旱指數較為接近，要在當地應用需重新修改干旱等級的劃分標準。降水距平百分率干旱指數在干旱等級的表現方面過于靈敏，以致指示的干旱程度偏重，極易達到重度干旱，因而在業務上缺乏應用基礎。Z指數和降水距平百分率干旱指數等級劃分標準參見文獻[1，7]。

圖3 哈密地部2000—2010年三種干旱指數等級值比較

2.3 干旱特征分析

從表3可以看出哈密地區南、北部年代際修正帕默爾氣象干旱指數總體呈上升趨勢，南部月總降水量小，導致南部較北部干旱指數變幅大。20世紀60年代哈密南部為明顯的干旱期，北部的干旱指數也呈負值，表明偏干，70、80年代僅有北部在80年代干旱指數為負值，結合圖2可以看出這一時期修正帕默爾氣象干旱指數變幅大，集中出現了幾次持續時間較長的干旱時段，90年代后期干旱指數均為正值，無明顯干旱。

表3 20世紀60年代—21世紀第一個10 a間哈密地區修正帕默爾氣象干旱指數年代際變化

圖4分別分析了哈密地區南北部輕度、中度、重度干旱發生的頻率。自20世紀60年代哈密南部三種干旱發生頻率均呈不同程度的下降，輕度干旱發生頻率下降最快，以每10 a 5.8%的速度遞減；中度干旱發生頻率在90年代小幅反彈，但整體呈下降趨勢；重度干旱發生頻率在90年代后為0%。哈密北部輕度干旱發生頻率在20世紀70、80年代較60年代明顯下降，但90年代明顯增加，之后又顯著下降，呈 倒“S”型；中度、重度干旱發生頻率變化趨勢相似，20世紀60—70年代均為0%，80年代達到最高峰，此后遞減，其中重度干旱在90年代后頻率為0%。

3 結論與討論

圖4 哈密南部（a）、北部（b）年代際干旱發生頻率變化圖

（1）哈密地區南北區域氣候差異大，為此將哈密地區分為南、北兩部分，分別建立其區域修正帕默爾氣象干旱指數，并對其干旱等級進行客觀劃分。通過與旱情對比分析，該干旱指數能較為準確地反映出本區域干旱強度。通過與Z指數、降水距平百分率兩種干旱指數的對比，表明該指數能夠克服其它兩種干旱指數未考慮干旱積累時間，Z指數過于遲鈍而降水距平百分率指數過于敏感的缺點，簡單易用，適用于當地干旱監測業務。

（2）山區降水和積雪融水對哈密南部干旱影響明顯，山區降水特征與北部降水特征相似，因此北部出現嚴重干旱也會導致南部出現明顯的旱災，而南部本應出現的嚴重干旱也會因能得到山區水源的及時補充而無災情。因此北部干旱指數的準確監測是哈密地區干旱監測的關鍵。

（3）在作物生長季，修正帕默爾氣象干旱指數連續3個月以上達到中度干旱或1個月出現重旱即可導致哈密地區出現明顯的旱情。

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