基于3種干旱指標的天水地區干旱演變特征分析

劉亮 吳婷芳 胡利平 柳玉茹 安小瑞

摘要利用1971—2011年天水地區河谷、渭北、關山區3個代表點的氣象站資料，以濕潤度指數（Mi）、標準化降水指數（SPI）、降水距平百分率（Pa）3種干旱監測指標及等級劃分為基礎，對天水各氣候區的春、夏、秋3個主要作物生長時段干旱氣候演變特征進行分析。結果表明，天水春季（3—5月）出現干旱災害的氣候風險最大，各氣候區10年中有6～8年出現干旱，中旱以上干旱河谷區10年中有4～5年、渭北區有5～6年、關山區有2～4年出現；夏季（6—8月）干旱風險次之，各氣候區10年中有6～7年出現干旱，中旱以上干旱河谷區10年中有2～4年、渭北區有2～3年、關山區有2～4年出現；秋季（9—10月）各等級干旱氣候風險出現均較小。各季干旱風險主要出現在20世紀90年代初以后。

關鍵詞干旱指標；干旱演變；特征；天水地區

中圖分類號S162文獻標識碼A文章編號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（氣象）重大專項（GYHY201506001-6）。

作者簡介劉亮（1982—），女，甘肅徽縣人，助理工程師，從事農業應用氣象研究。

收稿日期2017-05-12

根據對近100多年全球氣溫資料的分析，全球平均氣溫升高（0.6±0.2）℃，我國氣溫上升了0.4～0.5 ℃，增溫始于20世紀70年代，80、90年代是增溫異常劇烈階段[1-6]。各區域對全球增溫變化存在不同程度的區域響應[7-9]，我國西北地區氣溫隨全球變暖而隨之升高，并在1986年附近發生躍變[10-13]。20世紀90年代初期天水氣溫、降水發生了明顯突變，進入氣溫顯著變暖和降水偏少時段[14]。

由于氣候持續變暖，降水減少，造成干旱天氣事件頻發，對國民經濟、人民生產和生活的影響日益增大，造成的損失不斷加重。天水地處西北，生態環境脆弱，干旱是主要的災害事件，其影響范圍、程度和造成的經濟損失非常嚴重。因此，掌握其演變規律、發展趨勢，實施有效的氣象干旱風險監測、評估、預警和管理迫在眉睫。目前，研究干旱的指標主要有降水量距平百分率、相對濕潤度指數、標準化降水指數、土壤相對濕度指數、帕默爾干旱等級等單項干旱指數以及綜合氣象干旱指數[15-17]。各項干旱指標各有利弊，筆者主要采用資料獲取容易且效果較好的相對濕潤度指數（Mi）、標準化降水指數（SPI）、降水量距平百分率（Pa）3種干旱監測指標，在天水河谷區、渭北區和關山區各取一個代表點，以其1971—2011 年的Mi、SPI、Pa計算結果，對41年天水干旱演變狀況進行分析，評價天水干旱風險狀況及干旱發展趨勢，為干旱監測、預警和干旱防災減災工程建設提供科學依據。

1資料與方法

1.1研究時段和區域選取

根據天水氣候特征和農業生產實際，選取具有指示意義的3個時段：3—5月（夏糧作物生長關鍵期及春播期）、6—8月（秋糧生長關鍵期）、9—10月（作物秋播期）。采用Mi、SPI、Pa 3種干旱監測指標及強度等級劃分技術對天水河谷區、渭北區、關山區3個氣候區的麥積、秦安、張家川3個代表點進行Mi、SPI、Pa計算分析。氣候分區是根據主導氣象因子——熱量條件及相應的水分、光照、海拔等因素，將天水劃分為河谷區、渭北區、關山區3個氣候區[18]。

1.2資料來源

氣象資料來源于麥積、秦安和張家川3個縣（區）氣象站，考慮到各氣象站建站時間不同，因此該研究所用的實際資料為1971—2011年3站觀測的逐日降水量、平均氣溫要素值。

1.3干旱監測方法與等級

1.3.1相對濕潤度指數（Mi）。

相對濕潤度指數是某時段降水量與同一時段長有植被地段的最大可能蒸發量相比的百分率，其計算公式為[19]：

Mi=P-EE（1）

式（1）中，P為月降水量，E=16（10 t/I）a為標準月份30 d最大可能蒸散量；t為30 d均溫；I為溫度指數，I=i=12（ti/5）1.514計算；a=6.75×10-7 I3-7.71×10-5 I2+1.79×10-2I+0.492 4。 當月平均氣溫t≤0 ℃時，月溫度指數I=0，月可能蒸散量E=0（mm/月）。

該指數以最大蒸散量作為需水量，求其與降水量P的比例來確定干旱程度，是一個基于水平衡的干旱指數，在考慮降水量的同時，還考慮了氣溫。其所用資料就是氣象觀測的常規資料，可方便地用于日常干旱監測、評估氣象業務。Mi干旱等級劃分標準為：Mi>-0.50，無旱；-0.701.3.2標準化降水指數（SPI）。

標準化降水指數是先求出降水量R分布概率，然后進行正態標準化而得，其計算公式為[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為對于某一年的降水量R0，求出的隨機變量R小于R0和降水量R=0時的事件概率，并當P>0.5時，S=1；當P≤0.5時，S=-1。其干旱等級劃分標準為SPI>-0.5，無旱；-1.0

張川）、1985（秦安、張川）、1992（麥積）、1993（張川）、1994（麥積）、2004（麥積、秦安）、2005（秦安）、2008（秦安）、2009（秦安）、2011（秦安），共11年，其中，麥積5年、秦安6年、張家川4年。

2.2夏季（6—8月）干旱

2.2.1干旱出現頻率、強度。

由表2可知，夏季河谷區干旱出現頻率為6.1～6.8次/10 a，其中，輕旱為2.2～4.6次/10 a，中旱為1.0～2.7次/10 a，重旱為0.5～1.5次/10 a，特旱為0～0.5次/10 a；渭北區干旱出現頻率為5.6～5.9次/10 a，其中，輕旱為2.4～3.9次/10 a，中旱為1～1.7次/10 a，重旱為0.5～0.7次/10 a，特旱為0～0.7次/10 a；關山區干旱出現頻率為3.7～7.3次/10 a，其中，輕旱為2.2～3.7次/10 a，中旱為1.2～2.9次/10 a，重旱為0.2～1.5次/10 a，特旱為0～0.7次/10 a。可見，3個氣候區均表現出輕旱>中旱>重旱>特旱；旱災總次數及各等級旱災出現次數基本上是關山區略多于河谷區，河谷區略多于渭北區。說明夏季（6—8月）渭北區出現各種強度旱災的氣候風險小于河谷區和關山區。Mi、SPI、Pa這3個指標在各氣候區的表現除Mi指標在關山區偏差較大外，其他均一致性較好，其分析結果SPI指標仍與實際記錄相對吻合。

2.2.2干旱年際變化特征。

從圖2可看出，麥積25次干旱，20世紀70年代出現6次，80年代出現3次，90年代出現8次，2001—2011年出現8次；秦安23次干旱，20世紀70年代出現6次，80年代出現4次，90年代出現8次，2001—2011年出現5次；張家川28次干旱，20世紀70年代出現7次，80年代出現4次，90年代出現8次，2001—2011年出現9次。與春季相同，41年來各氣候區6—8月出現旱災次數是增加的，仍表現出各氣候區20世紀90年代后干旱次數是明顯多于90年代前，且80年代出現干旱次數最少。干旱出現的年份大部分是屬于區域性的，發生全區域性的重旱年份沒有出現過；發生區域性重旱年份出現在1971（張家川）、1973（麥積）、1974（麥積、張家川）、1977（麥積、張家川）、1982（麥積、張家川）、1987（麥積）、1994（秦安）、1997（張家川）、1998（麥積）、1999（麥積、秦安）、2000（秦安、張家川）、2002（秦安、張家川）、2006（秦安）、2008（張家川）、2009（秦安、張家川）、2011（麥積），共16年，其中，麥積8年、秦安6年、張家川9年。

2.3秋季（9—10月）干旱

2.3.1干旱出現頻率、強度。

由表3可知，秋季河谷區干旱出現頻率為3.4～5.4次/10 a，其中，輕旱為2.2～3.2次/10 a，

中旱為0.2～2.2次/10 a，重旱為0～1.0次/10 a，特旱為0～0.5次/10 a；渭北區干旱出現頻率為4.2～5.4次/10 a，其中，輕旱為2.0～2.7次/10 a，中旱為1.5～2.2次/10 a，重旱為0～0.7次/10 a，特旱為0～0.5次/10 a；關山區干旱出現頻率為1.7～5.4次/10 a，其中，輕旱為1.2～2.9次/10 a，中旱為0.5～2.0次/10 a，重旱為0～1.0次/10 a，特旱為0～05次/10 a。這3個指標在各氣候區的反應與春季類似，只是各等級旱災出現次數明顯少于春、夏季。

2.3.2干旱年際變化特征。

從圖3可看出，麥積22次干旱，20世紀70年代出現5次，80年代出現6次，90年代出現5次，2001—2011年出現6次；秦安20次干旱，20世紀70年代出現5次，80年代出現5次，90年代出現6次，2001—2011年出現4次；

張家川22次干旱，70年代出現3次，80年代出現6次，90年代出現8次，2001—2011年出現5次。可見，河谷、渭北區秋季干旱年際變化不明顯，各年代多在5～6次/10 a出現，關山區則以20世紀90年代偏多、70年代偏少突出，其他時段趨同。全區域性重旱年份出現在1981年；區域性重旱年份出現在1971（秦安、張家川）、1972（麥積、張家川）、1979（張家川）、1986（麥積）、1988（秦安）、1994（麥積、秦安）、1998（張家川）、2001（麥積）、2009（麥積、張家川），共9年，其中，麥積5年、秦安3年、張家川5年。

3結論與討論

利用1971—2011年天水地區河谷、渭北、關山區3個代表點的氣象站資料，以濕潤度指數（Mi）、標準化降水指數（SPI）、降水距平百分率（Pa）這3種干旱監測指標及等級劃分為基礎，對天水各氣候區的春、夏、秋3個主要作物生長時段干旱氣候演變特征進行分析。結果表明，春季（3—5月）是天水干旱最嚴重的時段，各氣候區有10年中出現6～8年干旱，中旱以上干旱河谷區10年中有4～5年、渭北區有5～6年、關山區有2～4年；夏季（6—8月）是天水干旱次嚴重的時段，各氣候區有10年中出現6～7年干旱，中旱以上干河谷區10年中有2～4年、渭北區有2～3年、關山區有2～4年；秋季（9—10月）天水各地出現干旱的風險較小，各氣候區有10年中出現3～5年干旱，中旱以上干旱河谷區10年中有1～3年、渭北區有2～3年、關山區有1～3年。春、夏、秋季干旱發生的主要年份在20世紀90年代初以后。

該研究以Mi、SPI、Pa對天水各氣候區的干旱發生進行不同尺度、區域、年際間分析，并與實際對比，證明這3個指標在天水干旱發生分析中均有較好的適用性，均能有效地評估天水各個時段出現的干旱氣候風險，且SPI與實際更為吻合。Mi反映的是實際降水供給的水量與最大水分需要量的平衡，其在天水不同地區和不同時間尺度劃分干旱等級時差別顯大，且關山區略顯突出；SPI是根據降水累積頻率分布來劃分干旱等級的，它反映了不同時間和地區的降水氣候特點，其干旱等級劃分標準具有氣候意義，不同時段不同地區都較適宜；由于天水各季節的降水量變率差異較大，故利用Pa劃分干旱等級對不同地區和不同時間尺度也有較大差別。

參考文獻

[1] HOUGHTON J T， DING Y， GRIGGS D J， et al. Climate change 2001：The scientific basis：Contribution of working group I to the third assessment report of the intergovernment panel on climate change[M].Cambridge，United Kingdom：Cambridge University Press，2001：101.

[2] 陳隆勛，朱文琴，王文，等.中國近45年來氣候變化的研究[J].氣象學報，1998，56（3）：257-271.

[3] 宋連春，鄧振鏞，董安祥，等.干旱[M].北京：氣象出版社，2003：4-55.

[4] 秦大河，陳振林，羅勇，等.氣候變化科學的最新認知[J].氣候變化研究進展，2007，3（2）：63-73.

[5] 陳隆勛，周秀驥，李維亮.中國近80年來氣候變化特征及其形成機制[J].氣象學報，2004，62（5）：634-646.

[6] 林學椿.70年代末、80年代初氣候躍變及影響[M]//中國科學院大氣物理研究所.東亞季風和中國暴雨.北京：氣象出版社，1998：240-249.

[7] MCCARTH J J， CANZIANI O F，LEARY N A，et al.Climate change 2001：Impacts，adaptation and vulnerability，contrbution of working group I to the third assessment report of the intergovernment panel on climate change[M].Cambridge，United Kingdom：Cambridge University Press，2001：1032.

[8] 符淙斌，董文杰，溫剛，等.全球變化的區域響應和適應[J].氣象學報，2003，61（2）：245-249.

[9] YE D Z，JIANG Y D， DONG W J.The northward shift of climatic belts in China during the lest 50 years and the corresponding seasonal responses[J].Aduances in atmospheric sciences，2003，20（6）：959-967.

[10] 謝金南，李棟梁，董安祥，等.甘肅省干旱氣候變化及其對西部大開發的影響[J].氣候與環境研究，2002，7（3）：359-369.

[11] 李棟梁，魏麗，蔡英，等.中國西北現代氣候變化事實與未來趨勢展望[J].冰川凍土，2003，25（2）：135-142.

[12] 于淑秋，林學椿，徐祥德.我國西北地區近50年降水和溫度的變化[J].氣候與環境研究，2003，8（1）：9-18.

[13] 程勝龍，王乃昂.近70年來蘭州城市氣溫的變化[J].干旱區地理，2004，27（4）：558-563.

[14] 胡利平，姚延鋒，裴古娥，等.天水地區近50年氣溫與降水變化特征[J].地理科學進展，2009，28（4）：651-656.

[15] 袁文平，周廣勝.標準化降水指標與Z指數在我國應用的對比分析[J].植物生態學報，2004，28（4）：523-529.

[16] 王勁松，郭江勇，周躍武，等.干旱指標研究的進展與展望[J].干旱區地理，2007，30（1）：60-65.

[17] 魏鳳英，張婷.東北地區干旱強度頻率分布特征及其環流背景[J].自然災害學報，2009，18（3）：1-7.

[18] 胡利平，王潤元，張華蘭，等.天水地區農業生態氣候資源量化與評價[J].干旱地區農業研究，2007，25（6）：16-21.

[19] 張強，鄒旭愷，肖風勁，等.氣象干旱等級：GB/T 20481—2006[S].北京：中國標準出版社，2006.