基于綜合氣象干旱指數的干旱狀況分析
——以錫林河流域為例

王慧敏, 郝祥云, 朱仲元

(內蒙古農業大學 水利與土木建筑工程學院, 呼和浩特 010018)

干旱是指在某一地理范圍內，相對較長時間內無降水或降水異常偏少的一種氣候現象[1]。作為世界上最為嚴重的自然災害之一，干旱出現的頻率之高、次數之多、持續時間之長、影響范圍之廣，給農牧業造成了嚴重的經濟損失。干旱影響了牧草的正常返青與生長發育，使得地上生物量減少。隨著全球氣候變暖，中國北方地區干旱化趨勢明顯[2]。我國干旱頻繁，受干旱影響較大，地處干旱和半干旱氣候區的內蒙古自治區，東部及南部與半濕潤的東北平原、華北平原及黃土高原接壤，是農牧交錯地帶，也是不同氣候區的過渡帶，具有較高的氣候敏感性。21世紀以來，內蒙古東部及東北部地區降水嚴重偏少[3]。

對于干旱評價主要的方式為采用干旱指標進行評價。當前，在我國應用較為廣泛的依舊為氣象干旱指數(CI)[4-6]。準確地對干旱事件發生與否及程度進行判斷，是開展干旱預測、評估、預警的關鍵[7-8]。近年來，眾多學者對不同干旱監測指數的適用性及不同區域的干旱變化特征進行了研究[9-12]。針對氣象干旱，2006年國家氣候中心在單項干旱指標[13-14]的基礎上頒布了綜合氣象干旱指數(CI)。這種方法在中國部分地區的干旱研究都具有較好的適用性[15-18]。但是在錫林河流域對旱澇狀況的應用研究開展的卻很少。本文在分析降水與溫度歷年變化特征的基礎上，計算CI指數，分析在其表達下的研究區內歷年及季節尺度下的旱澇事件變化特征。以期為研究區內的旱澇災害預警提供依據。

1 材料與研究方法

1.1 研究區概況與數據來源

錫林浩特市位于錫林郭勒草原中部(115°13′—117°06′E，43°02′—44°52′N)，屬中溫帶干旱半干旱大陸性季風氣候，風大、少雨、寒冷，春秋短暫，夏無酷暑，冬季漫長，四季分明。本文研究區位于錫林浩特水文站控制的錫林河上游區域，控制流域面積達3 852 km2。由于錫林河流域具有特殊的季節性和地理性特點，降水和融雪水成為該地區水資源的主要來源[19]。主要的氣候特征為晝夜溫差大，流域多年平均徑流深為137.4 mm，蒸發量大。牧草生長所需水分主要來源于大氣降水，水分虧缺是牧草生物量的重要影響因素[20]。研究區位置見圖1。

圖1 研究區位置

文中所需要的逐月降水與氣溫的數據資料來源于中國氣象數據共享服務網(http:∥cdc.cma.gov.cn)。

1.2 研究方法

綜合氣象干旱指數(CI)[21]是利用近30 d(相當于月尺度)和近90 d(相當于季尺度)降水量標準化降水指數，以及近30 d相對濕潤度指數進行綜合而得，該指標既反映時間尺度(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。該指數適合實時氣象干旱監測和歷史同期氣象干旱評估。綜合氣象干旱指數(CI)的計算如下：

CI=aZ30+bZ90+cM30

(1)

式中：Z30為近30 d標準化降水指數，由達輕旱以上級別Z30的平均值除以歷史出現最小Z30值，平均取0.4；Z90為近90 d標準化降水指數，由達輕旱以上級別Z90的平均值除以歷史出現最小Z90值，平均取0.4；M30為近30 d相對濕潤指數，由達輕旱以上級別M30的平均值除以歷史出現最小M30值，平均取0.8。

相對濕潤度指數(M)公式為：

(2)

式中：P為某時段的降水量(mm)；PE為某時段的可能蒸散量(mm)。

可能蒸散量用Thornthwaite方法計算，該方法是求算可能蒸散量的經驗公式，主要特點是以月平均溫度為主要依據，并考慮緯度因子(日照長度)建立的經驗公式，需要輸入的因子少，計算方法簡單，公式為：

(3)

式中：PEm為可能蒸散量，是指月可能蒸散量(mm/月)；Ti為平均氣溫(℃)；H為年熱量指數；A為常數。

年熱量指數計算公式為：

(4)

常數A計算公式為：

A=6.75×10-7H3-7.71×10-5H2+1.792×10-2H+0.49

(5)

氣象干旱等級中規定CI指數的干旱等級劃分[21]見表1：

表1 綜合氣象干旱等級劃分

2 結果與分析

2.1 主要氣象要素最值曲線確定

利用1981—2016年的數據繪制氣溫最值與降水量最值曲線(圖2)，由曲線可以看出，最高氣溫的變化趨勢是微弱的升高狀態，升高的速率為0.045℃/a,而最低氣溫的變化趨勢呈微弱的降低狀態，速率為-0.007℃/a。總體來說，36 a中的氣溫最值比較穩定。其中月平均氣溫的最高值為24.94℃，月平均氣溫的最低值為-23.53℃，最高溫與最低溫的差值達到48.47℃。降水量最值變化曲線表明，最大降水量的變化趨勢呈現出減小的狀態，速率為-0.359 mm/a，而最小降水量的變化趨勢是微弱的升高狀態，速率為0.015 mm/a，總體來說，最小降水量的歷年變化不大。其中36 a來逐月降水量的最大值為178.1 mm，最小值為0 mm，最大值與最小值的降水量差為178.1 mm。

圖2 主要氣象要素最值曲線

歷年的逐月平均氣溫的最高值都出現在夏季，其中有77.8%都出現在7月份，有16.7%出現在8月份，只有5.5%出現在6月份。說明7月份的氣溫對最高氣溫的貢獻最大。而逐月平均氣溫的最低值都出現在冬季，其中有83.35%出現在1月份，有13.9%出現在12月份，只有2.8%出現在2月份，說明1月份的氣溫對最低氣溫的貢獻最大。歷年的逐月降水量的最值出現的時間不穩定，最大值中有88.9%出現在夏季，有8.3%出現在春季，只有2.8%出現在秋季。說明夏季的降水量對最大降水量貢獻最大。而最小值中有46.0%出現在冬季，有32.4%出現在春季，有21.6%出現在秋季。由最小降水量出現的季節來看，春、秋、冬3季所占的比例相差并不大，所以對最小降水量的貢獻相當。

2.2 主要氣象要素相關性分析

由降水與氣溫的相關性(表2)可以看出，4月、5月呈正相關關系，10月份沒有相關關系，其余年份為負相關關系，而在夏季的6月、7月、8月份為顯著負相關關系，說明夏季降水量與氣溫的關系較其他季節更為密切，且在夏季中，氣溫越低則降水量越大，在這3個月中，歷年的最高氣溫出現在7月份的頻次最多，其次為8月份，出現在6月份的頻次最少。所以在歷年的降水量中，最大降水量大多出現在7月份。

表2 主要氣象要素相關性

注：**表示在0.01水平上顯著相關。

2.3 干旱事件季節變化分析

在1981—2016年歷年的月平均氣溫可以得知，除2002年和2016年外，其余年份的4—10月的月平均氣溫為正，其他的月平均氣溫為負，而在2002年的9月份與2016年的5月份氣溫卻出現了負值，在CI的計算中規定溫度為負值時CI為0，當CI值為-1.2～-0.6時表示發生輕旱事件。經過計算，研究區內在1981—2016年中只有在春季、夏季和秋季3個季節中CI不為0(4—10月)，這是由于冬季的氣溫為負值。由不同季節CI指數圖(圖3)可以看出，36 a中，春季發生的干旱事件最為頻繁，大約有超過一半的年份出現輕旱，秋季次之，大約有一半的年份發生輕旱；夏季發生干旱事件的頻次最少，只有一小部分年份發生了輕旱。統計發現，36 a中春、夏、秋3個季節在月尺度上只發生過輕旱事件，共121次，春季發生輕旱事件48次，其中4月份發生26次，5月份發生22次；夏季發生輕旱事件32次，其中6月份發生12次，7月份發生8次，8月份發生12次；秋季發生輕旱事件41次，其中9月份發生23次，10月份發生18次。總體來看，研究區內只出現輕旱事件，沒有出現過中度及以上程度的干旱事件，雖然旱情并不嚴重，但是出現的頻次卻并不少，且大多出現在春、秋兩季。而春季是牧草返青的重要季節，特別是在5月份做好抗旱工作對于牧草返青及生物量具有重要的影響。

2.4 干旱事件年際分析

由干旱事件發生頻次圖(圖4)可知，36 a中，干旱發生頻次呈現出微弱的降低趨勢，速率為-0.08次/10 a。除了2015年沒有發生干旱事件外，其余年份均有發生，2005年發生干旱事件的次數最多為7次，在1999—2008年期間，干旱發生的最為頻繁，36 a中平均每年發生干旱事件的次數為3次。而3 a滑動平均值減弱了頻次最值對整個序列的影響，3 a滑動平均值顯示，干旱事件發生最多的次數為5次，最少的次數為1次，且其變化趨勢呈水平狀態，說明在短時間內，干旱發生頻次不會發生太大的變化，呈現出的是一種穩定的狀態。

注：在-0.6與-1.2兩條虛線之間表示發生輕旱事件。

圖3CI指數季節尺度變化

注：折線表示3 a滑動平均，虛線表示趨勢線。

圖4干濕事件頻次分布

3 結 論

(1) 36年的逐月平均氣溫最值曲線的變化趨勢比較微弱，基本上為穩定狀態。最高氣溫與最低氣溫分別為24.94℃，-23.53℃，溫差為48.47℃。歷年的逐月平均氣溫的最高值都出現在夏季，且多出現在7月份，說明7月份的氣溫對最高氣溫的貢獻最大。最低值都出現在冬季，且多出現在1月份，說明1月份的氣溫對最低氣溫的貢獻最大。降水量最值變化曲線表明，最大降水量的變化趨勢呈現出減小的狀態，而最小降水量基本無變化，降水量的最大值與最小值分別為178.1 mm和0 mm。降水量最大值多出現在夏季，而最小值出現時間并不穩定。

(2) 研究區內在1981—2016年中，只有在春季、夏季和秋季3個季節中CI值不為0。36 a中，春、夏、秋3個季節在月尺度上只發生過輕旱事件，共121次，其中春季發生的干旱事件最為頻繁，為48次；秋季次之，為41次；夏季發生干旱事件的頻次最少，為32次。總體來看，雖然研究區內沒有出現過中度及以上旱情事件，但是輕旱事件的出現頻次卻并不少。

(3) 36年中，干旱發生頻次呈現出微弱的降低趨勢，速率為-0.08次/10 a。2005年發生干旱事件的次數最多為7次，在1999—2008年期間，干旱發生的最為頻繁，3 a滑動平均值變化趨勢呈水平狀態，說明在短時間內，干旱發生頻次不會發生太大的變化，表現出一定的穩定性。