改進的綜合氣象干旱指數在保山市的適用性分析

祁 倩

(云南省保山市氣象局，云南 保山 678000)

1 引言

干旱已成為全球最為常見的自然災害，其造成的經濟損失遠遠超過了其它氣象災害。美國氣象學會將干旱分為氣象干旱、水文干旱、農業干旱和社會經濟干旱4種類型。其中氣象干旱的發生是最直接和最頻繁的，也是其他類型干旱發生發展的基礎[1-3]。據統計，近60 a來中國平均每年干旱受旱面積達到20多萬平方公里[4-5]。因此，極有必要對氣象干旱進行研究。同時，在實際應用中，由于地理位置、下墊面性質以及人類經濟活動因素的影響差別，各地干旱的成因和差異明顯，因此，在不同的地區，監測和評估干旱的指數適用性存在差異。

保山市位于滇西地區，是干旱多發區、重災區。目前，干旱監測、預警的氣象服務主要依靠云南省氣象局下發的利用CI指數[6]計算出的指導產品，該指數既反映短時間尺度(月)和長時間尺度(季)降水量氣候異常情況，又反映短時間尺度(影響農作物)水分虧欠情況，是一個具有空間時間可比性的適用于表述干旱發生發展和結束過程的動態監測指標。CI指數在干旱實時監測和評估工作中得到廣泛應用[7-10]。但在描述干旱過程動態方面，CI指數存在指示旱情不合理加劇問題，即在沒有降水或降水持續偏少情況下，干旱突然加劇[11]。本文針對這一問題，提出改進的綜合氣象干旱指數CI，并結合保山市的地理、氣候等特征對比分析和驗證其適用性，以期促進保山市的干旱監測和評估工作。

2 資料和方法

2.1 資料選取

氣象資料為1951—2013年保山市5個氣象觀測站逐日降水量、最高氣溫、最低氣溫等氣象要素。

保山市受高黎貢山橫斷山脈影響，東西兩側縣區之間氣候現出一定的差異性。本文選取山脈東、西兩側，具有代表性的隆陽站和騰沖站，對改進前后的CI指數及其分量進行對比分析。

2.2 計算方法

根據中國國家標準化管理委員會發布的《氣象干旱等級(GB/T20481-2006)》[6], 綜合氣象干旱指數CI是利用近30 d(相當月尺度)和近90 d(相當季尺度)標準化降水指數，以及近30 d相對濕潤指數進行綜合而得，即

CI=aSPI30+bSPI90+cMI30

(1)

SPI30、SPI90分別為最近30 d和90 d標準化降水指數SPI值。MI30為最近30 d相對濕潤度指數。

a、b、c分別為SPI30、SPI90、MI30的權重系數，取值分別為0.4、0.4、0.8。

由式(1)可見，CI本質上是對前30 d和前90 d的降水和可能蒸散量等權累加而得，29 d前和89 d前的某日降水貢獻和最末一日降水量對當日的CI貢獻是等量的。于是，當一個明顯降水過程移出30 d和90 d時，SPI30、SPI90和MI30會出現突然下降，會導致CI出現突然明顯下降，指示出現旱情不合理加劇的現象[11]。

針對上述CI旱情不合理加劇問題，擬改進CI計算方法，針對降水、可能蒸散量的影響采用不等權累計的思路，得到改進綜合氣象干旱指數CI。具體方法為：對公式(1)中的SPI30、SPI90、MI30按照不等權思路，采用線性遞減權重方案計算[5]，即假定當日降水對CInew的貢獻最大，權重為1，隨著時間前移，過去的降水對CInew的貢獻呈線性遞減，直到移出30 d或90 d的計算窗口時，權重減小到0(圖1)。

時間距離(d)圖1 降水和可能蒸散累計權重隨相對當日的時間距離(d)的變化Fig.1 Variation of accumulative weight of daily precipitation and potential evaporation with time distance

3 結果和分析

3.1 指數統計特征比較

比較隆陽站和騰沖站的CI、CInew及其分量(SPI30、SPI90和MI30)可知：改進前后的隆陽站和騰沖站SPI30、SPI90指數均接近符合平均值為0、標準差為1的標準正態分布(表1、表2)。MI30對CI指數的影響權重比SPI30、SPI90大。

表1 隆陽站CI和CInew及其分量的統計數值(1951—2013年)Tab.1 Statistic of Longyang station CI, CInew and its components(1951—2013)

表2 騰沖站 CInew和CI及其分量的統計數值(1951—2013年)Tab.2 Statistic of Tengchong station CI, CInew and its components(1951—2013)

3.2 旱情不合理加劇頻次比較

當出現輕度以上干旱(即當天CI<-0.6)，且相鄰2 d干旱等級增加一級以上(即當天與前一天的CI之差≤-0.6)判定為是1次旱情等級不合理加劇。針對MI30、SPI30、SPI30參數，同理作相應界定。

對比1951—013年隆陽站和騰沖站旱情不合理加劇次數(表3)，隆陽站MI30new、SPI30new、SPI90new不合理加劇次數明顯減少6～16倍，CInew比CI減少6倍。騰沖站MI30new、SPI30new、SPI90new不合理加劇次數明顯減少6～17倍，CInew比CI減少11倍。

表3 隆陽站、騰沖站旱情不合理加劇次數比較(1951—2013年)Tab.3 Unreasonable drought frequency of Longyang and Tengchong(1951—2013年)

3.3 干旱頻率的季節變化

由表4和表5可見，隆陽、騰沖降水具有明顯的季節性：隆陽6—10月為雨季，11月—次年5月為旱季；騰沖5—10月為雨季，11月—次年4月為旱季。滇西主要受西南氣流影響，隆陽處于背風坡，騰沖處于迎風坡，隆陽降水明顯少于騰沖，干旱頻率也明顯高于騰沖。

從干旱強度上看兩站CInew都保持了原CI正態分布，即輕旱頻率>中旱頻率>重旱頻率>特旱頻率。干旱頻率的年平均分布上，兩站CInew除中旱頻率略偏多外，其他等級的干旱頻率與CI差異不顯著。在各月的分布特征上，CI和CInew基本都能反映隆陽、騰沖的旱澇氣候特征。以隆陽站為例，隆陽站雨季的干旱頻率要遠低于旱季，11月—次年6月的月干旱頻率均在30%以上。值得注意的是，11月降水少于3、4、5月，但干旱頻率卻低于這3個月；6月份已經進入雨季，但干旱頻率依然在30%以上。這是由于11月旱季剛開始，雖然降水減少，但由于前期降水較多，干旱不會迅速發展；6月雨季剛開始，雖然降水逐漸增多，但由于前期降水較少，所以干旱緩解較緩慢。CI和CInew都能夠刻畫干旱緩解相對于多雨時段的滯后效應。7月進入主汛期，干旱頻率迅速回落。CI、CInew均能反映降水對季節性干旱變化的影響。

表4 隆陽站逐月降水及CI和CInew的各等級干旱頻率Tab.4 Monthly precipitation and CI, CInew drought frequency of Longyang station

表5 騰沖站逐月降水及CI和CInew的各等級干旱頻率Tab.5 Monthly precipitation and CI, CInew drought frequency of Tengchong station

4 典型干旱過程干旱指數的逐日變化比較

以隆陽站2012年10月11日—2013年3月30日干旱過程為例(圖2)，CI與CInew計算出的干旱過程比較一致，在持續無雨或少雨的情況下，CI與CInew呈下降趨勢。在有降水時，2個指標均呈上升趨勢。但兩個指標在變化上存在差異。12月6—8日，CI指數從中旱達到特旱(從-1.2～-2.5)，出現指示旱情不合理加劇現象；11月9日—2月17日無明顯降水，CI出現指示干旱緩解現象，這難以作出合理解釋。相比而言，CInew沒有出現指示旱情不合理加劇現象，同時在長時間無明顯降水發生時，沒有出現旱情緩解現象。遇到降水，CInew反應迅速，對于降水的靈敏度要高一些，與降水量大小變化關系更密切。

圖2 隆陽站2012年10月11日—2013年3月30日干旱期間逐日降水量、CI和CInewFig.2 Daily Precipitation, CI, and CInew during the drought course from October 11, 2012 to March 30, 2013 in Longyang

以騰沖站2012年11月6日—2013年4月30日干旱過程為例(圖3)，CI與CInew計算出的干旱過程比較一致；在持續無雨或少雨的情況下，CI與CInew呈下降趨勢；在出現明顯降水時，2個指標均呈上升趨勢。但兩個指標在趨勢變化上存在差異。12月10日—12日，CI干旱等級從輕旱達到特旱(-0.8～-1.7)；2月4—5日，CI指示干旱等級從中旱達到特旱(-1.7～-2.7)出現明顯不合理的旱情加劇現象；11月6—8日出現降水，CI指數出現下降后又上升；12月15—1月9日無明顯降水，CI出現干旱緩解現象，這明顯與實際情況相悖。CInew在無明顯降水時下降較緩慢，沒有指示旱情不合理跳躍現象；同時，在長時間無明顯降水發生時沒有指示旱情不合理緩解的現象。CInew反應迅速，對于降水的靈敏度要高一些，與降水量大小變化關系更密切。

圖3 騰沖站2012年11月6日—2013年4月30日干旱期間逐日降水量、CI和CInewFig.3 Daily Precipitation, CI, and CInew during the drought course from November 6, 2012 to April 30,2013 in Tengchong

5 結論

本文針對綜合氣象干旱指數CI會在某些情況下指示旱情等級不合理變化問題，采用線性遞減權重的方案代替CI的等權重方案來計算前期30d、90d的降水和可能蒸散的影響，得到改進的綜合氣象干旱指數CInew并進行效果檢驗對比，得到如下結論。

①CI和CInew指數基本都能較合理地反映保山市日干旱頻率的季節分布特征。但CInew指示的干旱次數和中旱頻率有所增加。這一特征有其合理性：干旱的形成和發展是前期和當前水分收入、支出累積的結果，包含有時間過程；距離當前越久的前期氣象條件對當前干旱的影響權重自然更小。

②對于CI指示 “旱情等級不合理加劇”現象，CInew有較大的改善；CInew指示的旱情等級不合理跳躍頻次數比CI減少6～11倍。

③在較長時間內無明顯降水發生時，CInew下降緩慢，沒有出現指示旱情緩解的現象。同時，遇到降水，CInew反應迅速、靈敏度更高，并與降水量大小變化關系更密切。

④采用線性遞減權重方案計算出的CInew，與原CI指數在演變趨勢上保持一致，但CInew連續性保持的更好，對實際干旱的演變描述更合理，適用于保山的干旱監測。

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