標準化降水指數法在不同時間尺度干旱特征評估中的應用

李子越

(阜新市佳音工程項目管理有限公司，遼寧 阜新 123000)

0 引 言

近些年來，干旱指數的研究已趨于成熟，不同的干旱指數有其各自的優點和缺點，這其中標準化干旱指數由于對降水進行標準化分析，在許多區域應用效果較好。茍非洲[1-4]基于標準化降水指數對渭河流域多尺度干旱特征進行分析，結果表明標準化干旱指數可以對渭河流域的趨勢性和持續性進行分析，并可以,識別干旱的歷時和烈度。徐慶喆[5]基于標準化降水蒸散指數對鞍山地區的干旱特征進行分析，分析表明干旱評估結果和區域實際干旱特征吻合度較高，適合于鞍山地區的干旱評估和預警研究。韓幸燁[6]采用標準化綜合干旱指數對北汝河流域進行干旱評價，評價結果表明標準化綜合干旱指數對輕度干旱事件更為敏感，能較好地反映流域干旱特性及典型干旱事件的演進過程。方黎明[7]基于標準化降水蒸散指數對寧夏中部干旱帶干旱進行趨勢分析，分析表明標準化降水蒸散指數可以對區域與干旱發生范圍和干旱發生強度進行有效識別。李亮[8]基于標準化降水蒸散指數對甘肅省的干旱時空特征進行評估，評估結果表明標準化降水蒸散指數適合于干旱半干旱區域的干旱特征分析，評估結果合理、可信。周洪華[9]采用標準化徑流指數對阿克蘇河水文干旱特征進行識別，識別結果表明標準化徑流指數可合理的對阿克蘇河水文干旱進行有效識別。徐凌基于標準化降水指數對云南省楚雄州干旱近54a演變特征進行分析，分析表明標準化降水指數可對楚雄州年度干旱和季節干旱的演變特征和發生規律進行有效評估。通過以上研究成果表明標準化降水指數在不同干旱區具有較好的適用性，這主要是因為降水是發生干旱的主要因素。為此結合標準化干旱指數，以遼寧北部為研究實例，分析該指數的適用性并對干旱特征進行評估，研究成果對于遼寧北部干旱預警指標的確定具有重要參考價值。

1 標準化降水指數計算方法

基于降水和蒸發之間的偏差程度作為標準化降水指數對區域干旱程度進行評估，其計算方法分別為：

1)將某個時間尺度作為標準化降水指數的隨機降水變量，降水發生概率采用τ分布概率進行概率分布函數的計算，方程為：

(1)

在方程中β>0，γ>0分別表示為概率密度分布的尺度和形狀參數，采用極大似然估計方法對βγ兩個參數進行估算：

(2)

(3)

在方程(2)中

(4)

(5)

采用數值積分對方程(5)進行概率數值求解。

2)降水為0的概率隨機值可采用下述方程進行計算：

F(x=0)=m/n

(6)

在方程(6)中降水量為0值的樣本個數采用m進行表示；樣本總體個數采用n進行表示。

(3)采用標準化正態方法對Γ分布概率密度函數進行處理，正態標準分布函數概率值采將方程(5)和(6)計算的隨機變量概率，計算方程為：

(7)

對方程(7)進行求解計算：

(8)

在方程(8)中：

(9)

在方程中降水隨機變量的概率值用F進行表示，其中當F>0.5時，S=1；當F<0.5時，S=0.5，在方程(8)中為c0=2.52523；c1=0.81452；c2=0.012381；d1=1.45263；d2=1.442789；d3=0.0013452。標準化降水指數采用方程(8)進行計算。

2 計算結果及干旱評價分析

2.1 干旱等級劃分標準

結合遼寧北部鐵嶺、撫順氣象站點1954-2018年降水數據，采用標準化降水指數對遼寧北部的鐵嶺和撫順兩市1954-2018年的干旱指數進行計算，結合標準化降水指數的干旱評估等級標準，見表1，對遼寧北部地區近65年不同時間尺度的干旱特征進行評估。

表1 標準化降水指數的不同干旱劃分標準

2.2 年尺度干旱特征評估

基于鐵嶺、撫順兩市氣象站點1954-2018年年降水觀測數據，采用標準化降水指數對遼北地區年尺度干旱進行評估，統計其尺度不同等級干旱發生的頻次，見表2所示。

從表中可看出，鐵嶺和撫順兩市發生總干旱的頻率分別為7.8%和69.0%，鐵嶺地區發生年尺度干旱的頻率要高于撫順地區，但發生極端干旱頻率要低于撫順地區，通過調查評估，標準化降水指數對兩市年尺度干旱評估結果和區域實際干旱情況吻合度較高，這主要是因為標準化降水指數以降水作為唯一因子進行分析，而區域發生干旱的主要因素則是因為有效降水得到不到滿足，因此標準化降水指數可以取得較為理想的評估結果。此外從表中還可看出，遼寧北部地區發生微旱和中旱的頻率明顯高于嚴重干旱和極端干旱發生的頻率。

2.3 季尺度干旱特征評估

考慮到農作物需水受到季節干旱的影響，結合氣象站點各季節降水觀測數據對遼寧北部的鐵嶺和撫順地區季節干旱的頻次進行統計分析，結果見表3。

表3 遼寧北部地區季節尺度不同等級干旱發生的頻次統計結果

從表中可看出，鐵嶺地區和撫順地區季節干旱發生頻次較為相似，這主要是因為兩個地區氣候特征具有一定的相似性。從表中可看出，兩個地區均在冬季和春季發生干旱的頻次高于其他兩個季節。冬季由于干燥少雨，使得有效降水量得到不到有效滿足，鐵嶺和撫順地區冬季發生總干旱的頻率分別為49.4%和49.6%，雖然冬季干旱頻次較高，但是冬季基本不種植農作物，因此對于農作物的影響程度較低。而進入春季后，兩個區域發生總干旱的頻率分別為41.4%和45.3%，而春季正好是農作物耕種的時間，因此這個季節出現干旱對農作物影響較大。這一個季節主要是因為有效降水偏少，使得區域農作物的需水不能得到有效滿足，從而出現干旱的情況。而進入夏季，發生干旱的頻率有所減少，這主要是因為夏季降水增多，區域有效降水可滿足農作物生長的需水要求，因此發生干旱的頻次減少。而進入秋季后，發生干旱的頻次增多，尤其是易發生極端干旱的情況。

2.4 月尺度干旱特征評估

在年尺度和季節尺度干旱頻次分析的基礎上，結合標準化降水指數對遼寧北部地區的鐵嶺和撫順市不同月份的干旱頻次進行統計分析，結果見表4。

遼寧北部地區各月發生干旱的頻次和季節干旱頻次具有一定的相似性，在春季(3-5月)以及冬季(11、12、1月)發生干旱的頻率較高，干旱頻率的變化主要和區域有效降水量變化具有相關性，有效降水量偏多的月份，發生干旱頻次較低，而有效降水偏少的月份，其發生干旱的頻率較高，尤其是易發生嚴重和極端干旱。12月份和8月份屬于遼寧北部干旱易發生的兩個月份，通過對這兩個月的有效降水量進行分析，5月和8月分鐵嶺和撫順地區有效降水量相比于年平均值占比僅為5.9%和6.3%，因此這兩個月分發生干旱的頻率較高，尤其是12月份和8月份發生極端干旱的頻次均高于6%，屬于易發生極端干旱的月份，因此在這兩個月份尤其是在8月份要注意抗旱應急補水措施的制定。

表4 遼寧北部地區月尺度不同等級干旱發生的頻次統計結果

3 結 論

1)標準化降水指數以降水作為唯一評定指標，對于考慮農業干旱特征的區域具有較好的適用性，評估結果符合區域實際干旱特征。

2)遼寧北部地區發生微旱和中旱的頻率明顯高于嚴重干旱和極端干旱發生的頻率，主要是因為夏季有效降水量可以得到有效滿足，春季和冬季發生極端干旱的頻次較高，應注意中兩個季節的干旱預警。

3)遼寧北部地區月尺度干旱頻次分布和季節干旱具有較好的相關性，8月分和12月份是區域易旱的兩個月份，尤其是在8月，發生極端干旱的頻率明顯高于其他月份，應加強遼寧北部地區8月份抗旱應急補水規劃措施。