甘肅省季節性干旱綜合指數的特征

郭小芹，李 廣，羅永忠

(1.武威市氣象局，甘肅 武威 733000；2.甘肅農業大學林學院，甘肅 蘭州 730070)

作為影響農業生產最為敏感的氣象災害，干旱具備發生頻率高、影響范圍廣、持續時間長、預防難度高、災損評定難等特點，對社會經濟發展及人民生活帶來嚴重威脅，歷來成為專家學者以及災害學領域關注的焦點[1-5]。伴隨全球氣候變暖，極端天氣事件與氣象災害頻繁發生，干旱頻率與干旱烈度呈顯著增加趨勢[6-7]，比如2004年南方特旱、2005年云南50年大旱、2006年重慶百年大旱、2007-2009年遍布多省市的嚴重干旱、2013年南方重旱。研究顯示，旱災損失占氣象災害損失的55%。甘肅省東西綿延1 600多km，覆蓋亞熱帶季風、溫帶季風、溫帶大陸性、高原高寒多種氣候類型，干旱形成原因與表現方式呈現多樣性特征。盡管干旱研究已經成為熱門話題，但隨著研究目的不同其側重點差異很大[8-9]，給實際應用帶來極大的不便。

降水量是干旱形成的直接因素，氣象評估常使用連續無雨日數、降水距平百分率、SPI標準化指數、PDSI干旱指數、濕潤度與干燥度等指標[10-12]來度量干旱程度，由于干旱形成機理異常復雜，許多干旱指標設計都具有明顯的地域性特征，利用不同評價指標對同一干旱背景進行評價必然會得出不同結論。針對甘肅省地域特點，本文利用基本氣象站降水量標準化資料，設計了干旱綜合指數以評價研究區域干旱分布特征，不僅充分發揮了Z指數時空適應性強以及干旱機理簡單化的優點，還能真實反映多時間尺度上干旱強度與范圍的變化趨勢，評估方法具有良好的穩定性，可為區域干旱評估決策與防災減災提供科學依據。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域與數據來源

按照中國氣象地理區劃以及農業布局特點，將研究區域劃分為5個相對獨立的片區：河西走廊含酒泉、張掖、武威、金昌，隴中高原含蘭州、白銀、定西、天水、臨夏和平涼西部，隴東高原含慶陽和平涼大部分地區，甘南草原與隴南山地基本以行政單位為邊界。分析數據源于甘肅省基本氣象站點1971-2013年日降水量數據，其中河西走廊19個、隴中高原26個、隴東高原13個、甘南草原5個、隴南山地8個，共計71個站點，所選站點資料序列連續，站點布局在農業主產區呈密集化。數據處理工具為SPSS 13.0、Minitab Ver 8.02。

1.2 Z指數與閾值分級指標

長時間序列的降水量因其變異性強、偏度大而具備典型的非正態分布性質，按照文獻[13-14]方法，假定季節性降水量遵循P-Ⅲ型分布，在對降水量進行正態化處理后將概率密度函數作Z轉化，使其滿足正態分布特征，從而使不同區域降水在時空上具備可比性，進而能客觀地反映不同地域的干旱狀態。其轉換公式為：

(1)

其中：φI為降水標準化變量(I=1,2,…,n)；Cs為時間序列的偏態系數。分析顯示，Z指數與降水量呈顯著性相關，表明用Z指數可以充分反映研究區域的降水特征。根據Z變量正態分布曲線和研究區域干旱特征，可將Z值劃分為4個等級(見表1)，其中Z指數的負值越小，干旱等級越高，干旱程度愈加嚴重。

表1 甘肅省季節性干旱Z指數閾值指標Table 1 Threshold indicators of Z-index for seasonal drought in Gansu Province

1.3 干旱特征變量的提取

季節性干旱是甘肅省農業生產主要限制因子，將春夏秋冬劃分為3—5月、6—8月、9—11月、12月到翌年2月，按照季節性尺度定義以下特征變量：

干旱頻率(DFi)是以Z指數評價某地干旱發生的頻繁程度，即該地發生某一干旱等級的次數占統計時段總次數的百分比，本文將輕旱、中旱、重旱作為評價對象。

干旱強度(DIi)是用Z指數評價干旱嚴重程度的重要指標，區域干旱強度是指評價時段內某一干旱等級站點數占區域內總站點數的百分比，也可定義為區域干旱烈度(SIi)。

最能反映干旱強度本質特征的是一次干旱過程持續時間(DDi)，它是構成干旱強度與災情程度的根本原因。本文按照持續性的兩季連旱、三季連旱、四季連旱3個時間段分別進行旱情評價，從而形成揭示干旱等級程度最重要的特征量。

Mann-Kendall特征值(簡稱MK值)是基于非參數統計檢驗方法的重要參量，優點是樣本不必遵從某一特定分布規律，不受少數異常值干擾，能很好表征時間序列趨勢變化。統計方法見文獻[15]。

1.4 干旱綜合指數的構建

在區域干旱特征研究中本文引入一種評價指數即干旱綜合指數。按照信息熵理論對研究區域輕旱(LD)、中旱(MD)、重旱(SD)頻率進行數理賦權，賦予3個等級干旱權重α、β、γ以實現對干旱強度的綜合評價，定義其為干旱綜合指數(CI)，用公式表示為：

CIi=αLDi+βMDi+γSDi

(2)

2 結果與分析

2.1 季節性干旱趨勢變化特征

對研究區域1971-2013年季節性Z指數進行mann-kendall非參數檢驗，當特征值MK<0時表征區域存在干旱，MK值越小，表明干旱趨勢越強或趨旱程度越高。以研究時段平均Z指數變化特征為評價對象，從表2可以看出，春季MK值分別為隴東高原(-0.154)、隴中高原(-0.043)和隴南山地(-0.039)，隴東高原干旱趨勢十分顯著，而且還成為全區域典型趨旱季節；夏季除了隴東高原外其余各地均趨旱，其中河西走廊為-0.081、隴中高原為-0.065，甘南草原為-0.039，趨旱程度比較明顯；秋季僅隴中高原有輕微干旱(-0.017)，其余地方干旱程度普遍較弱；冬季研究區域幾乎無干旱發生，全域普遍趨于濕潤，尤以河西走廊(0.258*)為顯著。總體看在研究時段內春夏兩季干旱特征趨于顯著。在地域分布上河西走廊夏季趨旱特征十分明顯，隴中高原夏春兩季趨旱顯著增強且具備三季連旱特征；隴東高原春季干旱非常顯著，且干旱趨勢顯著增加；甘南草原夏季趨旱明顯且強度不容忽視；隴南山地春季干旱明顯，其余季節基本不存在干旱。

以區域單站點MK<0為研究對象，將該站點視為干旱點并進行頻率統計，其結果用區域干旱范圍DR來表示，并定義DR>50%為典型干旱評價標準。從表2可以看出，在研究區域中春旱范圍約為80%，干旱特征非常顯著，具體表現在隴東高原(100%)、隴南山地(75.0%)、隴中高原(65.4%)、甘南草原(60.0%)，其中隴東高原成為全域極端性干旱區域；夏旱范圍約為60%，涵蓋河西走廊(73.7%)、隴中高原(61.5%)、甘南草原(60.0%)，其中河西走廊成為夏季干旱典型區域；秋季干旱范圍約為20%，其中隴中高原為秋季干旱典型區域(50.9%)，其余區域干旱均不明顯；在季節性干旱中冬季干旱特征最不明顯。從區域DR分布看，季節性典型干旱主要表現在河西走廊夏季、隴中高原春夏秋三季、隴東高原春季、甘南草原夏季、隴南山地春夏二季。總體看甘肅省干旱趨勢以春夏兩季為主，干旱范圍顯著。

表2 1971-2013年研究區域季節性Z指數Mann-Kendall特征值(DR，%)Table 2 Mann-Kendall value and DR-value of seasonal Z-index in Gansu Province during 1971-2013

注：*表示P<0.05下顯著性水平；DR=(區域干旱點/區域總站點)×100%。

Note：* indicates significance atP<0.05；DR=(regional drought points/regional total site)×100%.

對區域單站點MK值進行分析，可以揭示研究時段典型干旱區域特征。以春季為例，典型趨旱區域集中在隴中高原之隴西(-0.138)、武山(-0.129)、秦安(-0.102)，隴東高原之靈臺(-0.238*)、寧縣(-0.180)、鎮原(-0.178)，隴南山地之宕昌(-0.123)；而在夏季則集中在河西走廊之馬鬃山(-0.271*)、安西(-0.255*)、敦煌(-0.171)，隴中高原之會寧(-0.136)、靖遠(-0.123)，甘南草原之夏河(-0.103)以及隴南山地之文縣(-0.141)，其趨旱程度不僅代表季節性趨旱特征，也代表全域干旱極端值的分布特征。

2.2 季節性干旱綜合指數變化特征

干旱綜合指數(CI)與其他干旱特征變量相比具有明顯優勢，該指標既可以對區域逐站點同一時段不同干旱特征進行綜合評價，也可以對同一區域不同時間段干旱特征進行綜合評價，評價結果能夠客觀準確地描述區域干旱深度與廣度，其中重旱頻率不僅決定了區域的干旱強度，也決定著極端干旱事件的強度。

從圖1可以看出：(1)春季重旱發生在1995年(隴東0.481、隴中0.269)、1979年(隴中0.325、隴南0.298、甘南0.297)、2000年(隴東0.304)、2004年(隴南0.289)以及2008年(甘南0.254)，其中1995年范圍最廣且影響最重，2000年以來干旱頻率增多，強度明顯；(2)夏季重旱依次為1997年(隴南0.405、隴東0.272)、1982年(隴中0.338)、1991年(隴南0.332、隴東0.321)以及1974年(甘南0.312、隴東0.308)，河西走廊在2001年(0.266)和2010年(0.245)出現顯著干旱，在2008-2010年出現持續性干旱，其中1997年是干旱強度最為嚴重的時段；(3)秋季重旱發生在1972年(甘南0.366、隴中0.347)、1986年(隴中0.274、隴東0.265)和1987年(隴南0.271)、1995年(隴東0.257)、1998年(隴東0.236和隴南0.232)，其中1972年干旱最重(0.263)，1986-1998年干旱頻率明顯集中，2003年后干旱強度明顯減弱。(4)冬季重旱出現在1998年隴東(0.586)、隴中(0.348)、隴南(0.268)，其中隴東、隴中還成為研究時段全域干旱的極端值；2009年甘南草原(0.449)不僅成為重旱區域，還成為年度季節性干旱之最。

圖1 甘肅省不同區域季節性干旱綜合指數時間變化特征Fig.1 Temporal variation characteristics of seasonal drought comprehensive index in different regions of Gansu Province

季節性干旱綜合指數地域性分布差異顯著。以干旱綜合指數≥0.05為單站點典型干旱評價標準，分析區域干旱強度。以春季為例，重旱區域依次為鼎新(0.127)、華池(0.072)、蘭州、康縣、秦安、岷縣、天水(≥0.06)，典型干旱范圍占比39.4%，為季節性干旱范圍之最；夏季重旱為安西(0.072)、玉門(0.066)、西和(0.061)，河西走廊重旱集中且強度顯著，全區域典型干旱范圍為29.6%；秋季重旱分布在靈臺(0.061)，典型干旱范圍為26.8%；冬季重旱集中在白銀(0.103)、烏鞘嶺(0.70)、古浪(0.68)，典型干旱范圍為23.9%；總體上看春季干旱范圍最為顯著，其次為夏季。

2.3 季節性連旱綜合指數變化特征

季節性連旱綜合指數是表征在多個連續性季節內區域逐站點在同一時段內不同程度的干旱特征，也表征同一區域在不同時間段內的干旱特征，其中區域干旱深度(SIi)是指在統計時段區域內單站點干旱綜合指數的平均值，用以代表區域持續性干旱強度水平。按照全省干旱特質，本文對三類季節性干旱進行分析，不僅有助于解析干旱時段基本特征以及區域干旱程度，還有助于深度揭示全省干旱的趨向特征。

全省兩季連旱干旱深度為0.024，高值區(>0.03)集中在白銀、會寧、古浪、瑪曲、靈臺、永登、華池、靜寧。從圖2可以看出：春夏連旱以鼎新(0.049)、華池(0.045)、環縣(0.039)為重旱中心，形成河西走廊西端、隴東中部為主的干旱特征；夏秋連旱以會寧(0.051)、靈臺(0.043)為重旱中心，構成以隴中～隴東高原為重旱的基本特征；秋冬連旱以古浪和白銀(0.060)為重旱中心，其次是靈臺(0.049)、靜寧、會寧及徽縣(≥0.043)，構成以甘肅中部為主兼具偏東南部的重旱特征；冬春連旱以白銀(0.064)、瑪曲(0.054)、古浪(0.053)為主，鼎新、華池為輔(≥0.041)，形成了全省中部、甘南草原為典型特征的季節性重旱特征。在全域干旱深度中秋冬連旱為0.027，重旱范圍0.85%，表征該時段旱情最重、范圍最廣。

三季連旱干旱深度為0.014，高值區為會寧、古浪、靜寧、白銀、永登(>0.02)，從圖2可以看出：春夏秋連旱中心分布在會寧(0.031)、西峰(0.027)、鼎新、涇川、正寧、宕昌(0.026)，即以全省中東部干旱為主；夏秋冬連旱集中在會寧(0.057)，高值區在隴中高原與隴東高原東部一帶，古浪、白銀(>0.300)也具有明顯的連旱特征；秋冬春連旱以古浪(0.043)、環縣(0.031)兩地為主，形成古浪～白銀、環縣～華池以及鼎新、會寧為中心的重旱特征；冬春夏連旱以會寧(0.035)、古浪～烏鞘嶺(≥0.033)為重旱區域，形成了以河西走廊東部、隴中高原中部為典型分布特征的干旱范圍。全域干旱深度顯示，夏秋冬連旱為0.017 5，重旱范圍0.32%，干旱范圍與干旱深度非常顯著。

四季連旱干旱深度為0.007，高值區依然為會寧(0.027)，其次為古浪、西峰、靈臺、涇川(>0.160)，從圖2看到：春夏秋冬連旱突出體現在以涇川(0.026)為代表的隴東高原區域，會寧、古浪、白銀也有明顯的干旱特征；夏秋冬春以會寧(0.022)、鼎新(0.020)、古浪和環縣(0.019)、涇川(0.018)為主，靈臺、康縣、永登干旱特征比較明顯；秋冬春夏以會寧(0.027)、高臺(0.026)、古浪(0.025)、山丹(0.024)為主，形成以河西走廊東西向的間斷性干旱以及以會寧為中心的隴中高原干旱的典型特征；冬春夏秋連旱干旱深度最為顯著，形成以會寧(0.037)為主旱中心、以西峰～靈臺～涇川為次中心的區域特征。總體上看，除了冬春夏秋外，其余季節性連旱的干旱深度均表現顯著(>0.009)，但重旱則還是以冬春夏秋最為典型。

3 結 論

本文通過干旱閾值Z指標構建了基于干旱頻率、干旱強度的干旱綜合指數,從季度性干旱、季節性連旱著手深入分析了研究區域干旱特征。

研究表明：季節性趨旱(MK<0)差異顯著。春季MK值依次為隴東高原-0.154、隴中高原-0.043、隴南山地-0.039，趨旱范圍為隴東高原100%、隴南山地75.0%、隴中高原65.4%、甘南草原60.0%，其中隴東高原趨旱最為典型，具體表現在靈臺-0.238*、寧縣-0.180、鎮原-0.178；夏季MK值為河西走廊-0.081、隴中高原-0.065、甘南草原-0.039，趨旱范圍河西走廊73.7%、隴中高原61.5%、甘南草原60.0%，其中河西走廊趨旱突出表現在馬鬃山-0.271*、安西-0.255*、敦煌-0.171；秋季隴中高原MK值為-0.017，其中會寧為-0.186，隴中高原干旱范圍為50.9%；甘南草原夏季與隴南山地春季趨旱程度也比較明顯。盡管在季節性趨旱程度上冬季表現尚不明顯，但趨旱范圍也不容忽視。

季節性干旱綜合指數(CI)時間變化特征顯示，春季重旱在1995年隴東(0.481)；夏季重旱為1997年隴南(0.405)；秋季重旱在1972年(甘南0.366、隴中0.347)；冬季重旱在1998年(隴東0.586)且該時段為全域干旱的極端值，2009年甘南草原(0.449)也非常明顯。典型干旱(CI≥0.05)顯示，春季以鼎新(0.127)、華池(0.072)為重旱，典型干旱占比39.4%；夏季以安西(0.072)、玉門(0.066)、西和(0.061)為重旱，典型干旱占29.6%；秋季重旱在靈臺(0.061)，典型干旱為26.8%；冬季集中在白銀(0.103)、烏鞘嶺(0.70)、古浪(0.68)，典型干旱范圍為23.9%。總體上看，春季干旱特征最為顯著，作為夏糧產量的關鍵影響因子，春季干旱已變成氣候暖干化的重要標志[18]，不僅成為甘肅省最重要的農業氣象災害，還給現行農業結構調整提出了嚴峻的挑戰。

圖2 甘肅省季節性連旱的空間分布特征Fig.2 Spatial distribution characteristics of seasonal continuous drought in Gansu Province

季節性連旱更好地反映了區域持續性干旱強度。兩季連旱綜合指數高值區分布在白銀、會寧、古浪、瑪曲、靈臺、永登、華池、靜寧等地(>0.030)，三季連旱在會寧、古浪、靜寧、白銀、永登等地(>0.020)，四季連旱在會寧、古浪、西峰、靈臺、涇川(>0.015)等地。兩季連旱中秋冬連旱最重(0.0274)，三季連旱以夏秋冬連旱最為顯著(0.0175)；四季連旱中除了冬春夏秋外，其余季節性連旱均表現顯著(>0.009)。

季節性干旱分析結論與降水資源特征相一致[19]，當降水量增多時其干旱深度會有所減弱，重旱程度相應降低，這表明以干旱閾值指標和信息熵為基礎的干旱綜合指數能夠客觀而準確地反映研究區域干旱空間分布特征，相比傳統權重設定方法其指標具備集成度、精算度的特點，從而為不同等級干旱強度與干旱評估提供了科學而精準的度量標準。另外，干旱持續時間越長，干旱累積效應越大，時間節點處的災情程度就越為嚴重，因此分段式干旱特征的研究顯得非常重要且具備深遠的現實意義。