德州市降水及干旱長期特征

吳金磊 ，李志強 ，牛 勇

(1.德州市水利局，山東 德州 253048；2.山東農業大學林學院，山東 泰安 271018)

0 引言

干旱不僅僅是一種水資源短缺的自然現象，更是一種嚴重影響人類生產生活的氣象災害[1]。隨著全球氣候變化的不斷持續，溫度升高、降水格局變化將導致干旱發生的頻率和強度增大，因此干旱的預測與監控成為學者們關注的焦點。根據研究對象的不同，學者們分別定義了氣象干旱、水文干旱、農業干旱和社會干旱[2]。氣象干旱主要由蒸發量和降水量的收支不平衡，水分支出大于水分收入而造成的水分短缺現象；氣象干旱是最基本的干旱類型，當降水量顯著減小發生氣象干旱后，農作物因土壤含水量不足生長發育受到限制（農業干旱），流域的徑流量減小水庫水位降低（水分干旱），人類生活及工業用水短缺（社會干旱），因此氣象干旱的監測顯得尤為重要[3～4]。

近年來隨著學者們對干旱的重視，很多干旱指數用來描述干旱事件：如降水距平百分率（Pa）、標準化降水指數（SPI）、標準化降水蒸散指數（SPEI）、帕默爾干旱指數（PDSI）等。馬海嬌等學者利用Pa、SPI、降水Z指數等指標評價灤河流域干旱情況，得出SPI比Pa、降水Z指數能更好的反映灤河流域干旱程度，但是SPI指標忽略了氣溫、蒸發等因素不能反映干旱的內在機理[5]。王勁松等學者則對比分析了綜合氣象干旱指數（CI）、SPI、PDSI、Pa在黃河流域的適應性，得出CI、PDSI等考慮多環境要素的指標比SPI、Pa的干旱監測更接近實際情況[6]。楊慶等學者評估了PDSI、SPEI、SPI等7個氣象干旱指數在中國區域的適應性，得出7個干旱指數均能反應中國區域尺度干濕變化，但不同的干旱指標量值有顯著差異[7]。可見，不同的干旱指數考慮的物理過程不同，對同一地區不同干旱指數可能得出相反的結果[8]。

本文通過降水、SPI、SPEI這3種指數結合德州市歷年氣象災害事件評價德州市的干旱情況，并比較3種指數的評價結果，其結果可為德州市定量研究干旱事件提供合理的指標依據，為有限的水資源合理持續利用提供科學依據。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

德州市位于山東省西北部、黃河下游沖積平原。德州市屬于暖溫帶半濕潤季風氣候區,多年平均氣溫13℃，多年平均降水量約為560 mm且主要集中在夏季。全市年主風向為西南偏南風，年平均風速在3 m/s～3.8 m/s，年最大風速在20 m/s以上。德州市土壤以潮土為主，土壤表層主要是壤質土，土壤顆粒細微均勻，質地疏松，結構脆弱，極易侵蝕。

1.2 研究數據

本文的氣象資料主要來自于中國氣象數據共享服務網提供的山東省氣象站1960年～2018年的逐日觀測數據，包括降水、日最大氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫、日照時數、平均風速等觀測。德州市氣象災害數據資料則來源于德州市氣象局德州市重點氣象災害。

1.3 干旱指標的計算

1.3.1 標準化降水指數(SPI)

考慮到降水量是一種偏態分布，在降水分析時使用Γ分布概率。標準化降水指數在Γ分布概率描述降水量變化后，然后再正態標準化處理，基于標準化降水累計頻率確定干旱程度，公式如下[3,9]：

1.3.2 標準化降水蒸散發指數(SPEI)

使用3參數的Log-Logistic概率密度函數f(x)來描述月降水(P)與月潛在蒸散量(PET)差值的變化，得到月水分平衡量的概率分布函數f(x)。

式中：α為尺度參數；β為形狀參數；γ為origin參數，參數的計算方法參考《氣象干旱等級》（GB/T 20481-2017）。給定時間尺度的累積概率公式為F（x）=。

經正態標準化處理后得到SPEI值，具體過程如下[3,9]：

2 結果分析

2.1 德州市降水變化特征

1950年～2018年德州市全年及夏季降水量呈下降趨勢（圖1、圖2），平均每10年分別下降11.03 mm、10.36 mm，降水量減少主要發生在夏季。

圖1 德州市年降雨量變化曲線

圖2 德州市夏季降水變化曲線

盡管德州市全年及夏季降水呈下降趨勢，但是德州市全年降水量波動較大，從1980年～2010年降水量一直處于下降趨勢，但沒有超過0.05的顯著水平(圖3、圖4)。夏季降水量的變化規律與年降水量的變化規律一致，但是2006年夏季降水降低趨勢超過了0.05的顯著水平。

圖3 德州市年降水量M-K檢驗曲線

圖4 德州市夏季降水量M-K檢驗曲線

2.2 德州市干旱災害及指標評價

據史料記載，德州地區干旱發生的頻率極高，且經常旱澇交替出現。在1990年～2010年中，旱災較重的年份有1992年、1994年、2002年、2005年、2008年。

由表1可知，SPI與SPEI都能反應德州市干旱災害，但是不同時間尺度的SPI、SPEI反應的干旱災害略有差異，短時間尺度指標（SPEI1、SPEI3、SPI1、SPI3）出現干旱災害的月份多于長時間尺度（SPEI6、SPEI12、SPI6、SPI12）；SPI僅考慮降水的變化，而SPEI考慮了溫度、日照、風速等環境因子，SPEI比SPI能更好的反應德州市的干旱災害情況。

表1 德州市典型年標準化降水指數(SPI)和標準化降水蒸散發指數(SPEI)評價結果對比

圖5 德州市SPEI1變化特征

圖6 德州市SPEI3變化特征

圖7 德州市SPEI6變化特征

圖8 德州市SPEI12變化特征

不同時間尺度的SPEI值隨時間變化的敏感性明顯不同，時間尺度越小，SPEI值的波動幅度越大（圖5～圖8）。SPEI1和SPEI3，其數值波動性較大，反映出德州這種相對短期旱澇無常、頻繁的特性，SPEI6、SPEI12波動較小，持續半年以上的干旱發生的頻率較低。未來隨著氣候變化進程的加快，德州地區（華北）降水格局將繼續變化，極端降水事件將會顯著增加，干旱事件出現的頻率和強度可能增大[10]。

3 結論

隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，整個社會對水資源的需求量越來越大，保障人民的生產生活活動不受水資源短缺與干旱的影響已經成為華北地區的重要課題。但是在全球氣候變化大的背景下，華北地區的降水量減少，降水格局發生變化，德州市年降水量、夏季降水量呈下降趨勢，且夏季降水減少趨勢已經超過了顯著水平。與SPI相比SPEI更能反映德州市干旱災害情況，多時間尺度的SPEI值反映出德州市頻繁遭受短期的干旱迫害，但6個月以上的長期干旱或者嚴重干旱事件頻率很少。隨著未來降水量、降水格局的變化，德州市的干旱事件、干旱持續事件可能增大。