2種綜合干旱氣象指數在遼寧省玉米生長期的適用性分析

摘要：干旱指數做為干旱監測的重要手段，對于作物生長期內干旱演變特征的準確監測，提高農業防旱減災能力以及促進作物的高產穩產具有重要意義。遼寧省是中國東北地區重要的糧食生產地，干旱是造成該地區玉米產量不穩定的主要氣象災害。以遼寧省為研究區域，選取2001—2020年19個氣象站點的基礎氣象數據，計算得到綜合干旱氣象指數（CI）和氣象干旱綜合指數（MCI），從降雨、平均氣溫、干旱日數、干旱強度、干旱頻率和干旱事件演變特征等方面，對比分析2種干旱指數在遼寧省玉米生長期內干旱監測中的差異，分析其適用性。結果表明：遼寧省近年來降水與氣溫分別呈22.37 mm/10a和0.45 ℃/10a趨勢上升；在玉米生育期內，CI和MCI指數在玉米生育期內干旱頻率生育前期＞生育后期＞生育中期，CI較MCI監測的干旱日數和干旱頻率較高；在空間分布上，生育期內遼西與遼南干旱頻率高于其他地區；從干旱事件的演變特征對比CI和MCI指數，CI監測干旱強度大、時間長、不合理躍遷多，MCI有更好的持續性和穩定性，但是干旱強度較低，2種干旱指數對于遼寧省玉米生育期內的干旱時空演變特征均有較好地反映，但空間適用性具有差異，CI更適合遼西和遼北的干旱監測，MCI更適合遼東和遼南的干旱監測。

關鍵詞：氣象干旱綜合指數；綜合氣象干旱指數；適用性;對比分析；遼寧省

中圖分類號：TV21 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2024）04-0052-10

Applicability Analysis of Two Comprehensive Drought Meteorological Indexes in Corn Growth Period of Liaoning Province

CAO Yongqiang^1，2，ZHAO Zimeng³，ZHANG Dan^4*，REN Bo³

（1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China;

2.Academy of Eco-civilization Development for Jing-Jin-Ji Megalopolis，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China;

3.School of Geographical Sciences，Liaoning Normal University，Dalian 116029，China;

4.Liaoning Water Conservancy and Hydropower Research Institute Company Limited，Shenyang 110003，China）

Abstract： As an important means of drought monitoring，the drought index is of significance for accurate monitoring of drought evolution characteristics during crop growth，improving agricultural drought prevention and mitigation capabilities，and promoting high and stable crop yields.Liaoning Province is an important grain producer in northeast China，and drought is the main meteorological hazard causing erratic corn production in the region.By employing Liaoning as the study area，the basic meteorological data of 19 meteorological stations from 2001 to 2020 are selected.Meanwhile，the drought meteorological composite index （CI） and meteorological drought composite index （MCI） are calculated to compare and analyze the differences between the two drought indices in drought monitoring during the corn growth period in Liaoning in terms of rainfall，average temperature，drought days，drought intensity，drought frequency，and drought event evolution characteristics，with their applicability analyzed.The results show that the precipitation and temperature trend in Liaoning in recent years is 22.37 mm/10a and 0.45 °C/10a respectively.In corn growth periods，the drought frequency of CI and MCI indices is in the order of pre-growth frequency＞late-growth frequency＞mid-growth frequency，and the drought days and frequency monitored by CI are higher than those by MCI.In spatial distribution，the drought frequency in west and south Liaoning is higher than that in other regions.By comparing the evolution characteristics of drought events with CI and MCI indices，CI shows that the drought intensity is large with long duration and much more unreasonable transition.Meanwhile，MCI has better duration and stability，but its drought intensity is low.Additionally，both the drought indices can reflect the spatio-temporal drought evolution in Liaoning，but their spatial applicability is different.CI is more suitable for drought monitoring in western and northern Liaoning，and MCI is more suitable for drought monitoring in eastern and southern Liaoning.

Keywords：meteorological drought composite index;composite meteorological drought index;applicability;comparative analysis;Liaoning Province

由于全球變暖日趨明顯，引起的氣候變化導致極端天氣頻發，嚴重影響人類正常生產生活。干旱災害作為高發性災害，其發展具有持續性和滯后性的特點，相比突發性災害其影響更為深遠。每年在全球發生的氣象災害接近一半的災情是由干旱引發的^［1］。進入21世紀，全球干旱發生的頻次、強度覆蓋范圍都呈上升趨勢^［2］。氣象干旱的持續發生會引起農業、水文乃至社會經濟干旱，制約社會經濟的發展。中國是典型的季風性氣候，氣候波動較大，發生干旱的概率較大，但是中國社會經濟的發展、生態環境的保護和居民的生產生活對一個穩定的氣候條件又有著極高的需求。因此，為保證中國生態安全、糧食安全和社會經濟的可持續發展，把握干旱的發生規律，對干旱進行有效的預測預警有著極為重要的現實意義。干旱指數可對干旱進行有效的評估，目前針對干旱發生的時空分布、持續時間和強度結合影響干旱的不同因素，國內外學者發展了多種不同的干旱指數。能否對干旱時間進行準確描述是干旱研究的基礎。對于不同區域的干旱時空特征和對社會環境影響的評估，單一的干旱指數難以完全定量地描述，而且不同干旱指數以同一區域為研究對象時，分析結果也存在明顯的差異。目前全球干旱的趨勢變化研究存在爭議^［3］。因此，為提高干旱預警監測的準確性，干旱指數的適用性研究起著最基礎的作用。

由于干旱的發生直接受降水的影響，在干旱的研究初期，多著重關注降水的變化相關指數，如降水距平百分率（P_a）^［4］、標準化降雨指數（SPI）^［5］和Z指數^［6］，這些指數具有數據資料易獲取、計算簡便、對降水變化引起的干旱適用且可進行多時間尺度干旱研究的優點。但單一要素的干旱指數難以反映干旱對于農業、氣象和社會經濟的影響程度。因此，綜合多要素的干旱指數被提出，如帕默爾干旱指數（PDSI）^［7］、K指數^［8］、濕潤度指數（MI）^［9］、標準化降雨蒸散發指數（SPEI）^［10］、綜合氣象干旱指數（CI）^［11］和氣象干旱綜合指數（MCI）^［12］。PDSI通過對降水、土壤水分和溫度等方面計算獲得，對干濕度、干旱的成因，強度和持續時間都有很好的表征，但是PDSI對研究區資料要求高，計算復雜，需要根據不同地區進行改進；K指數通過對降雨和溫度要素計算取得，計算簡便，表征物理意義明確；MI是對某一時間內的降水與蒸發程度的表示，可對旬以上的氣象干旱進行預警預測；SPEI是在SPI的基礎上考慮潛在蒸散量^［13］、氣溫的影響，計算更為簡便，同時也可以表征多尺度的氣象干旱和水分虧缺的分布概率，具有廣泛的適用性；CI利用月尺度和季尺度的SPI和月尺度的相對濕潤指數加權得到，可以反映多時間尺度的氣候異常以及短時間尺度的水分虧缺狀況；MCI為國家氣候中心以CI為基礎提出的，綜合考慮了60 d的累計降水、月尺度的相對濕潤度指數、季尺度和半年尺度的SPI對于干旱的影響。無論是單要素的干旱指數還是多要素的干旱指數，計算方法都各不相同。因此對同一個研究區不同的指數表征干旱情況也存在差異，這種差異體現在干旱指數的適用性問題上。

對于干旱指數適用性的研究，Surendran等^［14］通過對3種干旱指數在印度的適用性研究，表明SPI相較于SDI和RDI適用性更好；Ankur等^［15］通過對SPI和RDI在印度中央邦干旱區的適用性分析，得出RDI相比SPI適用于一般循環模型和區域氣候模型;楊慶等^［16］對7種干旱指數在中國的適用性研究，表明相比干旱半干旱地區SPI和SPEI對濕潤地區的適用性更好，scPDSI在中國的適用性最好；季定民^［17］通過干旱指數對甘肅省的適用性分析，結果表明P_a對干旱區的監測適用性好，SPI對大旱年的監測偏輕，SPEI對溫度較高的月份監測偏重等特征；王素萍等^［18］通過7種干旱指數對西南及華南地區的干旱適用性得出MCI和K指數的對西南和華南地區的干旱表征效果最好，對月尺度的干旱監測K指數的適用性更高。而在CI與MCI的適用性上，GB /T 20481—2017《氣象干旱等級》中已將CI指數替換為MCI，且明確指出MCI較CI指數在干旱發展過程中不合理跳躍現象得到明顯減少；干旱發展的累積效應更加突出，重大干旱事件反映更明顯；同時對干旱監測服務更有針對性^［12］。但CI指數在干旱頻率分布和年內不同等級干旱表征上也具優勢^［19］。在目前針對中國北方地區、西北地區、西南地區的干旱指數適用性研究取得了一部分成果，而針對省級區劃的干旱指數適用性研究較少。目前對遼寧省的干旱指數研究多停留在單一指數，對于多種干旱指數與農作物相結合進行的干旱相關研究較少^［20-23］。因此本文利用遼寧省各氣象站點逐日氣溫、降雨等數據，計算得到遼寧省玉米生長期CI和MCI指數，從干旱時空分布、干旱強度、典型干旱事件以及干旱強度的不合理躍遷等角度進行分析，對比CI和MCI指數對于遼寧省玉米生育期內干旱監測的適用性，為遼寧省干旱的預測預警、玉米產業的布局及防災減災提供信息和參考。

1 研究區概況

遼寧省（圖1）位于中國東北地區南部，屬于溫帶季風性大陸氣候，四季分明，年均氣溫5.2～11.7 ℃，年均降雨量400～1 000 mm，但降雨時空分布不均差異顯著。地形以山地、丘陵為主，平原次之，東西部和北部高，中部南部低。遼寧省是中國糧食主產區之一，具有適宜玉米、水稻等農作物生長的良好條件。省內玉米播種面積廣，占糧食總播種面積一半以上。氣候條件、地理環境與大氣環流的影響使遼寧省干旱災害發生頻繁，對農業生產危害嚴重，造成巨大損失。采用合適的干旱指數對旱災的預警及應對，對于提高農業防災減災能力有重要意義。

2 資料與方法

2.1 數據來源

計算CI和MCI時所用的氣象數據來源于中國氣象數據網（http：//data.cma.cn）2001—2020年的遼寧省逐日氣象數據（平均風速、平均氣溫、降雨日照時數、平均相對濕度、最高日氣溫、最低日氣溫）。鑒于部分站點于1970年后成立監測，另有部分站點于2017年及更早年限停止監測，為保證數據準確性，篩選統計最終選取分布均勻的19個站點作為基礎氣象數據來源。

2.2 研究方法

2.2.1 綜合氣象干旱指數計算

綜合氣象干旱指數（Composite Meteorological Drought Index，CI）是基于月尺度和季尺度標準化降雨指數，以及月尺度相對濕潤度指數綜合得來，見式（1）：

CI=aZ₃₀+bZ₉₀+cMI₃₀（1）

式中 Z₃₀、Z₉₀——月尺度（近30 d）和季尺度（近90 d）的標準化降水指數；MI₃₀——近30 d相對濕潤度指數；a、b、c——月尺度、季尺度標準化降雨系數和近30 d相對濕潤度指數系數，計算平均取值分別為0.4、0.4和0.8^［19］。

2.2.2 氣象干旱綜合指數計算

國家氣候中心于2017年對CI進行改進，得到氣象干旱綜合指數，見式（2）：

MCI=K_a×（a′SPIW₆₀+b′MI₃₀+c′SPI₉₀+d′SPI₁₅₀）（2）

式中 K_a——作物季節調節系數，根據不同地區不同作物生育期內對土壤水分敏感度確定取值見表1^［12］；SPIW₆₀——60 d標準化權重降水指數；MI₃₀——近30 d相對濕潤度指數；SPI₉₀——季節尺度標準化降雨指數；SPI₁₅₀——150 d標準化降雨指數；a′、b′、c′、d′——各項經驗權重系數^［12］。

參考GB /T 20481—2017《氣象干旱等級》，CI與MCI指數計算結果劃分的干旱等級見表2^［12］，對干旱狀況進行分析評估。

3 結果與分析

3.1 玉米生育期氣溫與降水的變化趨勢

玉米生育期對氣溫和降水的要求較高，同時氣溫和降水也是影響干旱的重要原因。因此，本研究從氣溫與降水量入手，探究2001—2020年遼寧省玉米生育期內氣溫與降水的變化趨勢。從玉米全生育期來看（圖2），遼寧省降雨量以22.37 mm/10a的速率增加。其中2010年降雨量最高達到785 mm，由于2010年氣候異常，在玉米生育期共有7次臺風登陸，遼寧省7月份發生強降雨。另外，根據Mann-Kendall突變檢驗的UF、UB曲線，當曲線超過0.05顯著水平臨界線時，表明上升或下降趨勢顯著，在臨界線之內相交，為突變開始時間。2001—2003年遼寧省降水出現下降趨勢，2003年之后降水處于上升趨勢，說明近年來在遼寧玉米生育期內降水量呈增加趨勢，2004、2015、2017年UF和UB曲線相交，根據上述分析可知2004年為降雨量突變年，由下降趨勢轉為上升趨勢，2015、2017年短時間內在臨界線內發生2次相交，說明變化不穩定，是否發生突變僅靠年際間變化趨勢無法確定。近年來遼寧省玉米生育期平均氣溫（圖3）為21.23 ℃，并以0.45/10a的速率上升，從氣溫變化中可以看出遼寧省玉米生育期平均氣溫在20.5～22 ℃波動，只有2017、2018年達到峰值分別為22.6、22.7 ℃，UF曲線在2014年之前基本都小于0處于下降趨勢，2014年之后處于上升趨勢，且UB曲線和UF曲線在2014年相交，可知2014年為平均氣溫突變年，增溫速率突變上升。

3.2 玉米生育期CI和MCI干旱監測結果對比與分析

3.2.1 生育期干旱時間分布特征

結合遼寧省實際情況，選用葛東等^［24］、秦鵬程等^［25］對春玉米生育階段的劃分規則，將遼寧省春玉米生育期分為4個時段：生育前期，即播種階段，對應于5月；生育中期，即孕穗—灌漿階段，對應于6—8月；生育后期，即玉米成熟期，對應于9月；全生育期，對應于5—9月。為了比較2種干旱指數檢測結果的差異，對遼寧省玉米生育期干旱日數進行統計分析。

2001—2020年，CI和MCI監測的遼寧省玉米生育期多年平均干旱日數分別為62、51 d，從圖4中可以看出，CI較MCI干旱日數偏多，CI較MCI監測的干旱等級及干旱發生頻率較高，但總體干旱發生頻率相同，即生育前期gt;生育后期gt;生育中期。生育前期和生育后期玉米易發生春旱和秋旱，生育前期處于玉米根系延伸階段，輕旱有利于玉米更好的蹲苗，生長后期有利于玉米快速脫水。在玉米生長期內短期輕旱可促進玉米生長，過多的降雨會使玉米桿高粒小，發育不良。因此，對玉米生長期內干旱情況進行檢測，采取合理的管理手段，保證玉米生長期水量需求，有利于保證玉米高產穩產。總體來看，各生育期內干旱日數的變化趨勢中2種指數的監測結果趨于一致，生育前期、生育后期和生育全期干旱日數都呈下降趨勢，生育中期干旱日數呈上升趨勢。綜上遼寧省玉米生育期內干旱日數年際波動大，年代際特征變化明顯。

3.2.2 生育期干旱空間分布特征

近年來遼寧省干旱事件頻發，對遼寧省玉米生產造成了嚴重的影響。根據遼寧省防汛抗旱指揮部辦公室相關資料可知，2014年遼寧省發生了自1951年以來最嚴重的氣象干旱。因此，為分析CI和MCI對遼寧省干旱表征的適用性，以CI和MCI干旱監測數據為基礎，運用反距離權重插值法對2014年遼寧省玉米生育期內的干旱頻率、干旱強度進行插值分析，從圖5a、5b中CI和MCI的監測結果都表明，2014年生育前期遼東、遼南干旱頻率高于遼西與遼北，這與以往遼寧省干旱頻率高發于遼西北地區有差異，主要是因為2014年生育前期遼東地區降雨普遍偏少，鞍山等地降雨量進入了歷史最低水平，遼東及遼南地區冬季降水不足、生育期前期氣溫回升快，晴天日數多，大風天氣多，加之2014年遼東上空少雨環流特征明顯，使遼東地區干旱頻率較高^［26］。雖然遼西干旱頻率較低但兩類指數的監測結果表明遼西地區的干旱強度要大于其他地區，這主要與遼西地區相比省內其他地區距海較遠加之遼東山地應分迎風坡地形雨較多截留水分，使遼西地區獲得水分偏少，同時遼西地區土壤以沙土為主，保水能力差，水分流失較快利用率低，不合理的開荒種植，開采地下水，農田水利設施老化淤積，也嚴重影響對干旱的有效應對；從圖5c、5d中CI和MCI的檢測結果來看，生育中期除遼北、遼西部分地區干旱發生頻率較低，遼寧省大部分地區干旱頻率超過50%發生全域性干旱，且遼南瓦房店、熊岳和遼西興城干旱頻率最高，2014年生育期內遼寧省干旱情況嚴重，主要原因是在生育期內遼寧省全省和降雨只有120 mm較常年同期減少53%，全省降水日數10 d較常年同期減少50%，大部分地區無降水日數在10 d以上，全省平均氣溫24 ℃較常年同期高0.5 ℃，長期的高溫少雨影響土壤墑情和地下水位使干旱發展迅速，擴展到了全省范圍內；從圖5e、5f中CI和MCI的監測結果看，生育后期MCI監測的干旱頻率較CI監測的干旱頻率要低，但是干旱發生地區有相似性但是頻率差異較大。從圖5g、5h中CI和MCI的監測結果看，2014年遼寧省全生育期干旱頻率CI高于MCI，且CI檢測的干旱強度要高于MCI，這與MCI考慮了90～150 d降水的作用有關，且遼西遼南發生高強度干旱的可能性更大。

3.3 干旱事件演變特征

根據《氣象災害大典》、中國氣象局災害普查以及《遼寧省氣象災害公報》中整理出遼寧省干旱災情數據，篩選出2001、2014年2個干旱年。2001年正處于太陽黑子峰值年和環流因素造成遼寧省長期高溫少雨持續干旱，遼西和遼南為重旱區^［27］； 2014年，全省出現嚴重的連續干旱，107 mm的平均降水遠低于玉米生長適宜需水量，發生了自1951年以來最嚴重的旱災，近175.55萬hm²作物成災或絕收。這2次干旱事件期間降水異常偏少，且遼西和遼南都為重災區，災情嚴重。

根據以上2次干旱事件，選取受災嚴重的遼西彰武和遼南大連兩地為研究區域 （圖6、7），對比分析CI和MCI干旱等級演變特征。可以看出，干旱事件發生過程中，CI和MCI檢測的干旱等級變化趨勢總體保持一致，但是在干旱等級、持續時間、干旱等級的不合理躍遷等方面存在差異。同時統計對比2次干旱事件中2種指數檢測干旱的情況。表3可以看出，在2次干旱事件中，CI較MCI監測的干旱強度強，且監測到的特旱具有持續性，MCI對干旱事件的監測結果相比CI要普遍小1～2個等級，對特旱的監測及持續時間遠少于CI的監測結果，2種指數對于干旱檢測的開始時間和持續時間差異不大，但干旱強度的不合理躍遷CI跳躍更為頻繁，同時相對于降雨的敏感性上CI更為明顯，在單日降雨量達不到有效降雨的情況下，CI跨等級跳躍的明顯多于MCI，如彰武2001年9月下旬，出現6 mm降雨，CI從重旱變為無旱，MCI從中旱變為輕旱；2014年9月上旬，出現2.7 mm降雨，CI從重旱變為中旱，MCI檢測干旱等級無變化，此外在持續性干旱事件中CI出現不合理躍遷次數明顯多于MCI，得出MCI對玉米生育期內出現的持續性干旱的強度較弱，但監測效果更穩定，MCI考慮到前期150 d降雨影響使其對于干旱強度的表征偏弱，CI更符合實際。因此，未來遼寧省對于玉米生育期內干旱監測工作可以利用CI監測逐日干旱情況，結合MCI對干旱監測的穩定性進行驗證，進而提高干旱監測能力。

4 討論與結論

4.1 討論

本文通過對2001—2020年遼寧省玉米生育期內的降雨與平均氣溫的變化趨勢、CI和MCI對玉米生育期內干旱監測結果以及CI與MCI對于干旱事件的演變特征的監測結果進行分析。研究結果中，CI與MCI對于干旱監測以及干旱事件的演變特征的分析結果與吳志勇等^［28］對于綜合干旱指數的研究結果一致。CI和MCI考慮因素全面，兼顧了降水和蒸散對于干旱的影響，引入前期降雨情況，時空比較性明顯，物理意義明確，對于干旱的發展演變過程均能做到有效的表述，同時對旱澇急轉的現象有一定的反映，較單因素干旱指數有較大的優勢。兩類指數通過權重分布的變化可以做到適應不同地區環境以提高干旱監測的準確性。通過對遼寧省實例化分析了不合理跳躍現象、重大干旱事件反映程度、干旱頻率分布以及干旱等級表征等方面的差異，使得對CI指數和MCI指數的適用性更為明晰和鮮明。

同時，本文仍有一些不足之處。首先，由于干旱的發生機制具有復雜性，是多種因素共同作用的結果，現階段的綜合干旱指數對于多種干旱過程之間的聯系和內在機理考慮不夠，今后應在完整的水循環背景下，對于綜合干旱指數進行改良，明確不同因素之間的作用機制，抓住作物對于氣象干旱響應的滯后性，提高農業干旱監測與防范水平。其次，CI和MCI監測的結果主要集中在干旱強度和干旱頻率并結合相關文獻資料對旱情的描述進行評價，對于干旱精度的評價目前存在區域性限制，干旱指數不同評價方法也不同，使各種指數的比較難以統一，因此建立統一的干旱指數驗證體系有利于提高綜合干旱指數對干旱監測的準確性和適用性。再次，對于數據資料的研究年限相對較短，僅從進入21世紀之后干旱事件演變角度進行研究分析，為本文的一大缺憾。最后，對于CI和MCI指數對干旱時期作物產量的影響將是后續研究的重點內容。

針對現階段遼寧省干旱突發性以及危害性，相關部門應嚴格按照相關要求，落實防汛抗旱預案的編制與實施。建立科學的管理體系，通過工程措施與非工程措施的結合，充分發揮綜合管理效益，提高對干旱的預報檢測和應對能力，以達到農作物的高產穩產。

4.2結論

隨著全球氣候的異常，干旱發生的頻率和危害性都呈上升趨勢。因此對干旱的發生發展的實時分析與監測至關重要，本文通過CI和MCI對于遼寧省玉米生長期干旱進行監測的同時，結合2001—2020年遼寧省重大干旱過程進行對比分析，得出以下主要結論。

a）從氣溫與降水的變化趨勢來看，近20 a來遼寧省玉米生育期內降水量以22.37 mm/10a的速率上升，平均氣溫以0.45 ℃/10a的速率上升，M-K突變檢驗的結果可知2004年為降雨突變年，2014年為平均氣溫突變年。

b）從玉米生育期內干旱的時空分布特征來看，時間上CI監測的干旱日數和干旱頻率持續時間更長，2種干旱指數對于玉米生育期內干旱發生頻率的監測總體上一致為生育前期gt;生育后期gt;生育中期：空間上CI和MCI對于2014年干旱頻率監測分布特征不盡相同，CI監測的干旱強度高于MCI；CI和MCI監測結果均表明，在玉米生育期內遼西與遼南的干旱頻率要普遍高于其他地區。

c）從干旱年CI和MCI的監測結果來看，CI監測的干旱強度大，持續時間長、開始時間早，但是干旱強度的不合理躍遷明顯比MCI多，與干旱演變特征矛盾，MCI干旱監測的穩定性、持續性更好，但是干旱強度較小。由于MCI考慮到150 d降水的影響，對于干旱的滯后性有明顯的表征，但遼寧省西部與北部降雨量總體較少且蒸發量大，致使MCI表征的干強度較輕。因此，CI更適合遼寧省西部與北部的逐日氣象干旱監測，MCI更適于監測遼南與遼東，2種干旱指數對于遼寧省干旱的時空演變特征均有較好的反映。

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（責任編輯：李澤華）