孫艷玲 ，王中良 ，王永財(cái)

（天津師范大學(xué)a.城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，b.天津市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

干旱是全球最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[1].近年來，隨著全球氣候變暖，干旱問題日益突出，已給國(guó)民經(jīng)濟(jì)，特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響[2].干旱類型通常被分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱.其中，氣象干旱的發(fā)生是最直接和最頻繁的，也是其他類型干旱發(fā)生的主要原因[3].目前，氣象干旱監(jiān)測(cè)與研究主要通過氣象干旱指數(shù)來進(jìn)行，氣象干旱指數(shù)是監(jiān)測(cè)和評(píng)估干旱的關(guān)鍵參數(shù)[4].隨著全球陸地和各國(guó)對(duì)干旱的脆弱性增強(qiáng)，為降低干旱災(zāi)害影響的風(fēng)險(xiǎn)，迫切需要加強(qiáng)建立在氣象干旱指數(shù)基礎(chǔ)上的區(qū)域干旱變化研究和監(jiān)測(cè)[5].在我國(guó)，已發(fā)展和應(yīng)用的氣象干旱指數(shù)種類很多，其中，Palmer指數(shù)[6-7]、Z 指數(shù)[8]、SPI指數(shù)[9]、CI指數(shù)[10-11]、濕潤(rùn)度和干燥度指數(shù)[12]等都已被廣泛應(yīng)用于不同時(shí)空尺度上干旱的動(dòng)態(tài)研究.但由于各地氣候的差異，在使用干旱指數(shù)監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)干旱影響時(shí)，各地往往存在很大的差異[13].

海河流域地處京畿要地，是我國(guó)七大流域之一，集中了全國(guó)10%的人口，更是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地.1970年代以來，在我國(guó)北方持續(xù)干旱化的背景下，海河流域降水明顯減少[14]，氣溫上升趨勢(shì)顯著[15]，水資源供需矛盾不斷加劇，干旱缺水已嚴(yán)重影響了海河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，尤其是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響非常嚴(yán)重[16].作為我國(guó)的糧食主產(chǎn)區(qū)，海河流域在作物生長(zhǎng)和成熟的主要階段，即作物生長(zhǎng)季（即春季至秋季）發(fā)生干旱的情況將直接影響到作物的生長(zhǎng)狀況和產(chǎn)量，也直接影響到海河流域的糧食產(chǎn)量問題.本研究主要針對(duì)海河流域生長(zhǎng)季干旱問題，選取能夠反映作物生長(zhǎng)季干旱狀況的氣象干旱指數(shù)（相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)M）作為干旱評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)近51年來海河流域生長(zhǎng)季中春、夏、秋3個(gè)季節(jié)的干旱問題進(jìn)行探討和分析，以期為海河流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理提供依據(jù).

1 研究區(qū)域概況

海河流域位于東經(jīng) 112°～ 120°，北緯 35°～ 43°之間，東臨渤海，西倚太行，南界黃河，北接蒙古高原.流域總面積3.182×105km2，地跨8個(gè)省、自治區(qū)和直轄市，包括北京和天津兩市全部、河北省絕大部分、山西省東部、河南和山東省北部以及內(nèi)蒙古自治區(qū)和遼寧的一部分，如圖1所示.該流域?qū)儆跍貛О霛駶?rùn)、半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，是我國(guó)東部沿海降水最少的地區(qū)，多年平均降水量為400～800 mm，而且降水時(shí)空間分布不均勻，季節(jié)性差異較大，80%左右的降水集中在6—9月份，同時(shí)，降水的年際變化很大，是全國(guó)嚴(yán)重缺水區(qū)之一.

圖1 海河流域邊界及氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1 Boundary of Haihe river basin and the spatial distribution of meteorological stations

2 資料與方法

所用數(shù)據(jù)來自中國(guó)氣象局氣象信息中心提供的1960—2010年全國(guó)753個(gè)氣象站點(diǎn)的逐月氣溫和逐月降水資料.在對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的基礎(chǔ)上，選擇海河流域及其周邊地區(qū)氣象站中116個(gè)連續(xù)51 a資料完整的站點(diǎn)所記錄的月降水量和月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行干旱指數(shù)計(jì)算，如圖1所示.

本研究采用的干旱指數(shù)為2006年11月開始實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《氣象干旱等級(jí)》（GB/T20481-2006）中的相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)M[13].相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)M是表征降水量與蒸發(fā)之間平衡的指標(biāo)，可以反映作物生長(zhǎng)季的干旱狀況，其計(jì)算公式為

式（1）中：P表示某一時(shí)段的降水量，單位為mm；PE表示某一時(shí)段的可能蒸發(fā)量，單位為mm，可用FAO Penman-Monteith或Thornthwaite方法進(jìn)行計(jì)算.Thornthwaite方法所需氣象要素較少，計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，因此，本研究選取此方法計(jì)算可能蒸發(fā)量PE.Thornthwaite方法以月平均溫度為主要依據(jù)，并考慮緯度因子（日照強(qiáng)度）建立經(jīng)驗(yàn)公式.

式（2）中：PEi為月可能蒸發(fā)量，單位為mm；Ti為月平均氣溫，單位為℃；為年熱量指數(shù)，其中各月熱量指數(shù)常數(shù)A=6.75×10-7H3-7.71×10-5H2+1.792×10-2H+0.49.當(dāng)月平均氣溫Ti≤0℃時(shí)，月熱量指數(shù)Hi=0，月可能蒸發(fā)量PEi=0 mm.

本研究首先利用式（1），分別計(jì)算了近51年來海河流域作物生長(zhǎng)季節(jié)中春季（3—5月）、夏季（6—8月）和秋季（9—11月）各個(gè)站點(diǎn)的相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)M.在此基礎(chǔ)上，對(duì)海河流域及其周邊地區(qū)116個(gè)站點(diǎn)的M值進(jìn)行柵格化處理，即采用目前廣泛使用的Kriging空間插值法把計(jì)算得到的站點(diǎn)M值插值成0.05°×0.05°的柵格數(shù)據(jù)，疊加在海河流域邊界圖上進(jìn)行掩模處理，然后分別提取近51年海河流域作物生長(zhǎng)季中春季、夏季和秋季共153幅M值空間分布柵格圖，用以進(jìn)行海河流域生長(zhǎng)季干旱時(shí)空特征分析.

3 結(jié)果與分析

3.1 干旱的時(shí)間分布特征

根據(jù)中國(guó)氣象局提出的中國(guó)干旱標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)M≤0.40的地區(qū)被劃分為干旱地區(qū)，本研究以此為標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)M柵格數(shù)據(jù)中干旱區(qū)域面積的提取和統(tǒng)計(jì).為了直觀地反映海河流域干旱面積的變化特征，突出海河流域干旱變化的時(shí)空分布特征，本研究采用干旱率反映干旱面積的動(dòng)態(tài)變化.干旱率表示在一定時(shí)間范圍內(nèi)，某地區(qū)干旱發(fā)生面積與總面積的比率，即

式（3）中：θd為干旱率；Sd為干旱面積（km2）；St為總面積（km2）.51年來海河流域生長(zhǎng)季干旱率的變化情況如圖2所示.

由圖2可以看出，海河流域在夏、春和秋季均有干旱發(fā)生，春季干旱最為嚴(yán)重，秋季次之，夏季干旱也較為嚴(yán)重，即整個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)干旱情況嚴(yán)重.從年代際變化來看，海河流域的干旱情況在1960年代最為嚴(yán)重，1990年代次之，1970年代和21世紀(jì)初雖有所緩解，但仍為嚴(yán)重.由圖2a可知，春季干旱率有逐漸降低的趨勢(shì)，多年平均干旱率高達(dá)56.90%，51年來春季干旱率在50%以上的年份達(dá)到31 a，干旱率在90%以上的年份有10 a，占整個(gè)研究時(shí)段的19.6%，其中1962年、1968年、1989年、1993年、1996年和2001年春季干旱尤為嚴(yán)重，干旱率達(dá)到95%以上.在年代際變化方面，1960年代的干旱情況最為嚴(yán)重，平均干旱率為61.91%；1990年代次之，平均干旱率為58.89%；1970年代、1980年代和21世紀(jì)最初10年干旱也較為嚴(yán)重，平均干旱率分別為51.61%、51.61%和55.26%.

圖2 近51年海河流域不同季節(jié)干旱率變化Fig.2 Changes of drought rates for spring，summer and autumn in Haihe river basin over the past 51 years

由圖2b中可以看到，夏季干旱率多年保持基本穩(wěn)定，多年平均干旱率為7.59%，較春季干旱率明顯降低，近51年干旱率高于50%的年份有2 a，其中1979年和1997年最為嚴(yán)重，干旱率分別為75.07%和74.89%.從年代際變化來看，海河流域在1990年代的夏季干旱情況最為嚴(yán)重，平均干旱率為10.86%；1970年代次之，平均干旱率為9.87%；1960年代干旱情況也較為嚴(yán)重，平均干旱率為9.26%；21世紀(jì)初和1980年代干旱程度較低，平均干旱率分別為4.81%和3.43%.

從圖2c中可以看到，秋季干旱率表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，多年平均干旱率為33.72%，近51年干旱率大于50%的年份有12 a，其中1965年、1998年和2006年干旱最為嚴(yán)重，干旱率在90%以上.從秋季干旱的年代際變化來看，1980年代海河流域的干旱狀況最為嚴(yán)重，平均干旱率為39.52%；1960年代次之，平均干旱率分別為36.60%；2000年以來干旱率仍較為嚴(yán)重，平均干旱率為36.23%；1970年代和1990年代的平均干旱率為21.62%和34.39%.

3.2 干旱的空間分布特征

海河流域?qū)儆跍貛О霛駶?rùn)、半干旱大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，降水時(shí)空分布呈現(xiàn)明顯的地帶性、季節(jié)性和年際差異.為了定量分析海河流域近51年的干旱空間分布特征，本研究利用ArcMap軟件對(duì)相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)M空間分布圖中干旱年數(shù)的柵格進(jìn)行提取，并計(jì)算獲得春季、夏季和秋季干旱發(fā)生的概率，結(jié)果如圖3所示.

圖3 近51年海河流域不同季節(jié)干旱發(fā)生概率分布Fig.3 Distribution of drought probabilities for spring，summer and autumn in Haihe river basin over the past 51 years

圖3 表明，在生長(zhǎng)季中的不同季節(jié)，流域內(nèi)干旱高發(fā)區(qū)在空間分布上表現(xiàn)出較大差異.其中，干旱發(fā)生概率較高的地區(qū)在河北與內(nèi)蒙古的交接區(qū)域，干旱發(fā)生概率最高的地區(qū)為東南部的京津地區(qū)、內(nèi)蒙古多倫市以及河北張家口地區(qū)；石家莊以北、保定以西地區(qū)干旱發(fā)生概率最低，海河流域東南部的山西省部分地區(qū)干旱發(fā)生概率較低.

春季是海河流域干旱發(fā)生概率最高的，整個(gè)流域干旱發(fā)生概率均在19.61%以上，如圖3a所示.干旱發(fā)生概率在50%以上的地區(qū)主要在大同、石家莊、邢臺(tái)以西，約占海河流域面積的3/4；干旱發(fā)生概率在60%以上的地區(qū)主要有河北東北部以及京津一帶，約占海河流域面積的1/4；春季干旱發(fā)生概率低于50%的地區(qū)包括山西東北部、河南北部新鄉(xiāng)地區(qū)以及山東境內(nèi)黃河北岸的狹長(zhǎng)區(qū)域；春季干旱發(fā)生概率相對(duì)較低的地區(qū)分布于山西省忻州市以北的五臺(tái)地區(qū).

受季風(fēng)氣候的影響，海河流域夏季的干旱發(fā)生率較春季明顯降低，但大部分地區(qū)的干旱發(fā)生率均在4%以上，如圖3b所示.干旱發(fā)生概率大于13%的地區(qū)主要有大同、張家口一線以北和山西長(zhǎng)治、河南新鄉(xiāng)等地區(qū)；干旱發(fā)生概率較高的地區(qū)包括內(nèi)蒙古多倫等地，干旱發(fā)生率高達(dá)20%；夏季干旱發(fā)生率較低的地區(qū)位于保定以西、石家莊以北、張家口以南，其干旱發(fā)生率小于6%.

秋季海河流域大部分地區(qū)干旱發(fā)生率在25%以上，與春季相比，干旱發(fā)生概率在40%～60%的面積有所減小，干旱發(fā)生概率在30%～50%的面積有所擴(kuò)大，并向東移動(dòng)，如圖3c所示.干旱發(fā)生概率最大的區(qū)域集中在京津唐地區(qū)，干旱發(fā)生概率為45%～60%；張家口、石家莊和長(zhǎng)治一線以西地區(qū)干旱發(fā)生概率小于25%，而以東區(qū)域的干旱發(fā)生概率大于25%，占整個(gè)海河流域面積的3/4；干旱發(fā)生概率較低的地區(qū)為山西五臺(tái)地區(qū).

4 結(jié)論與討論

農(nóng)業(yè)由于受自身生產(chǎn)特點(diǎn)的制約而極易受到干旱的影響，特別是在作物生長(zhǎng)季發(fā)生的干旱直接影響到作物的生長(zhǎng)狀況和產(chǎn)量.本研究采用相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)M作為干旱評(píng)價(jià)因子，對(duì)海河流域近51年來作物生長(zhǎng)季的干旱時(shí)空變化進(jìn)行研究，得出以下主要結(jié)論，并提出相應(yīng)建議.

（1）海河流域春季發(fā)生干旱的面積最大，多年平均干旱率高達(dá)56.90%.從干旱發(fā)生的空間分布上來看，春季整個(gè)海河流域干旱發(fā)生概率均在19.61%以上，而且干旱發(fā)生概率在50%以上地區(qū)的面積占整個(gè)流域面積的3/4.大面積的干旱對(duì)春季農(nóng)作物生長(zhǎng)極其不利，應(yīng)加強(qiáng)水利建設(shè)，實(shí)施有效科學(xué)的灌溉措施，減輕春季干旱對(duì)農(nóng)作物不利影響.

（2）海河流域夏季干旱率較春季明顯降低，多年平均干旱率為7.59%.從近51年干旱率的變化趨勢(shì)來看，夏季干旱率變化表現(xiàn)出年際變幅大的特點(diǎn)，大旱大澇、連旱連澇和旱澇交替現(xiàn)象較為顯著.從干旱發(fā)生的空間分布上來看，海河流域部分地區(qū)干旱發(fā)生概率較高，應(yīng)針對(duì)不同區(qū)域的特點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)水利設(shè)施建設(shè)，減少夏季干旱對(duì)農(nóng)業(yè)的影響.

（3）海河流域秋季干旱情況也較為嚴(yán)重，多年平均干旱率為33.72%，并且干旱率在近51年來呈現(xiàn)出增加趨勢(shì).從干旱發(fā)生的空間分布來看，海河流域大部分地區(qū)秋季干旱發(fā)生概率均在25%以上，干旱發(fā)生概率最高的地區(qū)仍集中在京津唐等平原地區(qū).秋季是農(nóng)作物成熟的主要階段，作物對(duì)水分的需求相對(duì)較多，因此，應(yīng)在平原地區(qū)建設(shè)灌溉設(shè)施，保護(hù)湖泊、洼地和池塘等水域，同時(shí)疏通水道，合理灌溉，減少土地的鹽堿化.

通過對(duì)海河流域生長(zhǎng)季干旱的時(shí)空分布特征進(jìn)行分析可知，當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)部門應(yīng)充分重視春季和秋季的干旱情況，尤其是春旱的發(fā)生.本研究以相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)M≤0.40作為劃分干旱的指標(biāo)，可以從整體上反映海河流域干旱的時(shí)空變化特征和基本規(guī)律，但在小范圍內(nèi)，由于受自然和人為因素的影響，海河流域的干旱呈現(xiàn)出一定的復(fù)雜性，以M≤0.40作為劃分干旱的指標(biāo)可能存在一定的不準(zhǔn)確性，因此，廣范圍和小區(qū)域的干旱研究相結(jié)合是本研究需要進(jìn)一步深入開展的工作.

[1]葉篤正，黃榮輝.長(zhǎng)江黃河流域旱澇規(guī)律和成因研究[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1996.

[2]張金龍，劉學(xué)鋒，于長(zhǎng)文.河北省干旱分布特征和變化規(guī)律分析[J].干旱區(qū)研究，2012，29（1）：41—46.

[3]American Meteorological Society.Meteorological drought-policy statement[J].BulletinofAmericanMeteorological Society，1997，78：847—849.

[4]韓繼偉，孔凡哲，趙磊，等.兩種氣象干旱指標(biāo)的應(yīng)用比較研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2012（1）：85—88.

[5]鄒旭愷，任國(guó)玉，張強(qiáng).基于綜合氣象干旱指數(shù)的中國(guó)干旱變化趨勢(shì)研究[J].氣候與環(huán)境研究，2010，15（4）：371—378.

[6]王越，江志紅，張強(qiáng)，等.基于Palmer濕潤(rùn)指數(shù)的旱澇指標(biāo)研究[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，30（3）：383—389.

[7]馮永忠，劉志超，劉強(qiáng)，等.黃土高原旱作農(nóng)區(qū)氣候干旱時(shí)空特征分析[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2011，29（2）：218—223.

[8]王志偉，劉文平，王紅霞.我國(guó)北方干旱逐月變化特征分析[J].氣象，2005，31（7）：31—40.

[9]趙林，武建軍，呂愛鋒，等.黃淮海平原及其附近地區(qū)干旱時(shí)空動(dòng)態(tài)格局分析—基于標(biāo)準(zhǔn)化降雨指數(shù)[J].資源科學(xué)，2011，33（3）：468—476.

[10]張金龍，劉學(xué)鋒，于長(zhǎng)文.河北省干旱分布特征和變化規(guī)律分析[J].干旱區(qū)研究，2012，29（1）：41—46.

[11]曹永強(qiáng)，張?zhí)m霞，張?jiān)儡?，?基于CI指數(shù)的遼寧省氣象干旱特征分析[J].資源科學(xué)，2012，34（2）：265—272.

[12]馬柱國(guó)，符淙斌.1951—2004年中國(guó)北方干旱化的基本事實(shí)[J].科學(xué)通報(bào)，2006，51（20）：2429—2439.

[13]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).氣象干旱等級(jí)（GB/T20481-2006）[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006：1—17.

[14]劉學(xué)鋒，向亮，于長(zhǎng)文.海河流域降水極值的時(shí)空演變特征[J].氣候與環(huán)境研究，2010，15（4）：451—461.

[15]徐麗梅，郭英，劉敏，等.1957年至2008年海河流域氣溫變化趨勢(shì)和突變分析[J].資源科學(xué)，2011，33（5）：995—1001.

[16]魏智敏.海河流域干旱缺水狀況與解決對(duì)策探討[J].海河水利，2003（6）：5—8.