魏 杰，張 鑫

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

由于干旱的頻發(fā)性、持久性以及影響的廣泛性，干旱的監(jiān)測(cè)、預(yù)警、旱情的評(píng)估等顯得尤為重要[1]。選取適宜的干旱指數(shù)，進(jìn)行干旱災(zāi)害的有效監(jiān)測(cè)，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者長(zhǎng)期研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外常用的干旱指數(shù)多達(dá)五十多個(gè)[2]，我國(guó)現(xiàn)行的干旱指數(shù)主要有降水距平百分率、相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)、土壤相對(duì)濕度干旱指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、帕默爾干旱指數(shù)、Z指數(shù)、綜合氣象干旱指數(shù)CI等[3]。干旱的發(fā)生有著很強(qiáng)的區(qū)域性特征，在選取干旱指標(biāo)時(shí)必然要考慮不同指標(biāo)在不同區(qū)域的適用性[4]。很多學(xué)者對(duì)各個(gè)干旱指數(shù)進(jìn)行了區(qū)域適用性分析[5-7]，CI指數(shù)綜合考慮降水、蒸散發(fā)資料，資料獲得較為便利，應(yīng)用效果也較好，是目前最重要的監(jiān)測(cè)指數(shù)[8,9]。

CI指數(shù)在應(yīng)用過程中得到了很多改進(jìn)，但其計(jì)算最長(zhǎng)時(shí)段只有90 d，對(duì)于更長(zhǎng)時(shí)間的旱情則表現(xiàn)較弱，反映的實(shí)際干旱情況偏輕，在特定時(shí)期、特定區(qū)域的干旱監(jiān)測(cè)可能略有不足[10-13]。在2010年西南干旱監(jiān)測(cè)中，發(fā)現(xiàn)CI指數(shù)監(jiān)測(cè)的結(jié)果會(huì)出現(xiàn)旱情不合理加劇的問題[10]。國(guó)家氣象中心在CI指數(shù)的基礎(chǔ)上，建立了氣象干旱綜合監(jiān)測(cè)指數(shù)MCI。MCI指數(shù)考慮了90和150 d的降水影響，以及60 d的降水(加權(quán)平均降水)及蒸發(fā)的影響。本文以青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)為例，利用青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)的逐日蒸發(fā)、降水資料，分別計(jì)算CI與MCI干旱指數(shù)，并利用Arcgis 10.1軟件對(duì)干旱發(fā)生頻率及干旱強(qiáng)度進(jìn)行了空間分析，對(duì)比分析其在青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)的適用性，為MCI指數(shù)在其他地區(qū)的推廣提供參考。

1 資料和方法

1.1 資 料

選取青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)12個(gè)代表站點(diǎn)1960-2005年的逐日蒸發(fā)、降水資料，來計(jì)算氣象干旱綜合監(jiān)測(cè)指數(shù)MCI與綜合氣象干旱指數(shù)CI。資料均來自青海省氣候中心，資料代表性好、年限長(zhǎng)、缺測(cè)少。

1.2 方 法

(1)綜合氣象干旱指數(shù)CI。 根據(jù)《氣象干旱等級(jí)》[3]，CI指數(shù)是以相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)綜合而得，既能反映了短時(shí)間尺度(月尺度)和長(zhǎng)時(shí)間尺度(季尺度)降水量氣候異常情況，又反映短時(shí)間尺度(影響農(nóng)作物)水分虧欠情況。該指標(biāo)適合實(shí)時(shí)氣象干旱監(jiān)測(cè)和歷史同期氣象干旱評(píng)估。計(jì)算公式為：

CI=aZ30+bZ90+cM30

(1)

式中：Z30、Z90為近30和90 d的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)是將統(tǒng)計(jì)的某時(shí)段降水量 分布概率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并利用標(biāo)準(zhǔn)化降水累積頻率分布來劃分干旱的等級(jí)，具體計(jì)算方法參照參考文獻(xiàn)[3]；M30為近30 d相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)，相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)計(jì)算方法參照參考文獻(xiàn)[3]；a、b、c為權(quán)重系數(shù)，分別取0.4、0.4、0.8。

(2)氣象干旱綜合監(jiān)測(cè)指數(shù)MCI。MCI指數(shù)與CI指數(shù)計(jì)算方法類似[13,14]，MCI指數(shù)不僅能反映月尺度和季尺度的降水量氣候異常情況，還能反映150 d的降水量氣候異常情況，同時(shí)也能反映短時(shí)間尺度(影響農(nóng)作物)水分虧欠情況。該指標(biāo)同樣適合實(shí)時(shí)氣象干旱監(jiān)測(cè)和歷史同期氣象干旱評(píng)估。計(jì)算公式為：

MCI=aZw60+bM30+cZ90+dZ150

(2)

式中：a、b、c、d為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值為0.3、0.6、0.2、0.3；Zw60為60 d標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重降水指數(shù)；Z150為近150 d的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)。

在計(jì)算Zw60時(shí)，總降水量不是過去60 d逐日降水量的等權(quán)重累加，而是采用指數(shù)衰減的方法給逐日降水量賦予不同的權(quán)重，進(jìn)而計(jì)算60 d的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，其權(quán)重系數(shù)為[15]：Wn=(1-a)an，n為距本日的天數(shù)，a為參數(shù)，此處取0.9。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[3,13,14]，CI與MCI干旱強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 MCI與CI干旱強(qiáng)度等級(jí)劃分Tab.1 Drought intensity grades of MCI and CI

2 結(jié)果與分析

2.1 各等級(jí)干旱統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比

基于研究區(qū)12個(gè)站點(diǎn)1960-2005年的MCI與CI計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)各站點(diǎn)不同級(jí)別的干旱月數(shù)及干旱頻率，結(jié)果見表2和表3。由表2可知，MCI與CI各等級(jí)干旱月數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，其中MCI無旱、輕旱、中旱的平均月數(shù)比CI略少，重旱、特旱的平均月數(shù)則比CI略多。從各站干旱月數(shù)來看，除個(gè)別站點(diǎn)MCI統(tǒng)計(jì)的無旱、輕旱月數(shù)略多于CI統(tǒng)計(jì)的結(jié)果外，其余各站MCI監(jiān)測(cè)結(jié)果均低于CI，如大通、湟源、西寧等站無旱月數(shù)，MCI結(jié)果略高于CI，華隆站輕旱月數(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果MCI略高。各站中旱月數(shù)MCI均少于CI，而對(duì)于重旱月數(shù)只有民和站MCI統(tǒng)計(jì)結(jié)果略少，特旱月數(shù)則只有湟中站MCI略少。由表3可知，MCI與CI各等級(jí)干旱頻率結(jié)果與干旱月數(shù)結(jié)果類似，即MCI的輕旱、中旱平均頻率比CI略少，無旱、重旱、特旱的平均頻率比CI略多，但是有個(gè)別站點(diǎn)出現(xiàn)不統(tǒng)一現(xiàn)象，如互助站MCI無旱頻率小于CI，門源站MCI特旱發(fā)生頻率低于CI。總體來看，MCI各等級(jí)干旱月數(shù)與干旱頻率的監(jiān)測(cè)結(jié)果與CI一致性較好，但是在重旱與特旱監(jiān)測(cè)結(jié)果方面，MCI較CI略重，各站的情況也表明，在某些站點(diǎn)MCI與CI結(jié)果有一定差異，這可能是由于MCI監(jiān)測(cè)時(shí)段較長(zhǎng)以及地域性差異的影響所致。

2.2 干旱過程描述能力對(duì)比

根據(jù)干旱過程的定義[3]計(jì)算研究區(qū)12個(gè)代表站點(diǎn)的干旱過程，統(tǒng)計(jì)每個(gè)干旱過程的干旱強(qiáng)度。選取每個(gè)代表站點(diǎn)較強(qiáng)的干旱過程，對(duì)比分析MCI與CI指數(shù)可得，MCI與CI均能反映干旱強(qiáng)度對(duì)于降水的敏感性，但CI在干旱發(fā)生階段出現(xiàn)不合理的跳躍現(xiàn)象，在沒有降水的時(shí)段出現(xiàn)不合理下降，在出現(xiàn)降水的時(shí)段后，干旱緩解的過程較慢；MCI變化則較為平穩(wěn)，當(dāng)出現(xiàn)降水后，反應(yīng)也較為敏感。如圖1所示，以大通、湟源、西寧站為例，在大通站1965年1月8日至1965年9月18日的干旱過程中，MCI與CI均反映出干旱強(qiáng)度對(duì)降水的敏感性，但CI有一定程度的震蕩現(xiàn)象；在湟源站1966年3月1日至1967年2月28日的干旱過程中，在出現(xiàn)降水后，CI出現(xiàn)了不合理下降現(xiàn)象；在西寧站1991年2月1日至1991年11月9日的干旱過程中，CI出現(xiàn)了明顯的震蕩現(xiàn)象，不合理下降現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，MCI則整體表現(xiàn)較為平緩，對(duì)降水的敏感性也較高。出現(xiàn)這些原因主要是在計(jì)算CI指數(shù)時(shí)，沒有考慮近期和前期降水及蒸散量對(duì)當(dāng)日干旱的影響[13]。

表2 MCI與CI各等級(jí)干旱月數(shù) 月Tab.2 Each levels dry months of MCI and CI

表3 MCI與CI各等級(jí)干旱頻率 %Tab.3 Each levels droughty frequency of MCI and CI

圖1 代表站點(diǎn)典型干旱演變過程和對(duì)應(yīng)降水量變化Fig.1 Typical drought processes and precipitation changes during the same time at Xining station at representative station

干旱過程的緩解伴隨著跳躍性和漸進(jìn)性的特征，根據(jù)MCI、CI指數(shù)比前一日的減少量來確定不合理跳躍點(diǎn)[11](即MCI統(tǒng)計(jì)與前一日指數(shù)之差≥0.5的次數(shù)；CI統(tǒng)計(jì)與前一日指數(shù)之差≥0.6的次數(shù))，MCI與CI不合理跳躍點(diǎn)次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。研究區(qū)各站的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，CI的不合理跳躍次數(shù)明顯多于MCI，主要是由于MCI考慮了60 d內(nèi)的降水和蒸發(fā)的影響，且采取指數(shù)衰減權(quán)重處理，90和150 d降水的影響，因此，在降水過程移出30或90 d的監(jiān)測(cè)時(shí)段時(shí)，不合理跳躍次數(shù)大幅度減少，在反映干旱過程的漸變特征方面，MCI比CI更為合理。

2.3 干旱空間分布特征對(duì)比

2.3.1干旱頻率空間分布

經(jīng)研究表明，觀察組中老年糖尿病合并腦梗塞患者檢出率90.00%（陰性患者10例、百分比為10.00%；陽(yáng)性患者90例、百分比為90.00%）高于對(duì)照組檢出率80.00%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

統(tǒng)計(jì)MCI與CI干旱過程的干旱日數(shù)，計(jì)算得到青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)12個(gè)站點(diǎn)的干旱頻率。從圖2可以看出，MCI與CI年干旱發(fā)生頻率分布情況大體一致，由西北往東南呈現(xiàn)逐漸遞增的趨勢(shì)；MCI較CI發(fā)生頻率略高，MCI發(fā)生干旱的頻率為38.4%～48.2%，干旱頻率較高的站點(diǎn)為貴德(48.0%)、循化(48.3%)，最低為門源(38.4%)；CI發(fā)生干旱的頻率為29.9%～49.3%，干旱頻率較高的站點(diǎn)為貴德(49.1%)、循化(49.3%)等地，最低為互助(29.9%)，MCI與CI在干旱頻率上的差異可能是由MCI的監(jiān)測(cè)時(shí)段較長(zhǎng)所致。

表4 研究區(qū)MCI與CI指數(shù)不合理跳躍次數(shù)統(tǒng)計(jì)(1961-2005年)Tab.4 The number of unreasonable jumping points of MCI and CI at study area from 1961-2005

圖2 青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)干旱頻率分布Fig.2 Spatial distributions of drought frequency in Eastern agricultural region of Qinghai Province

2.3.2干旱強(qiáng)度空間分布

以多年平均日干旱強(qiáng)度的空間分布來反映研究區(qū)的干旱強(qiáng)度分布情況。圖3為研究區(qū)干旱過程多年平均日干旱強(qiáng)度分布圖，MCI與CI干旱強(qiáng)度分布與干旱頻率有近似的分布情況，基本也是西北低東南高，MCI年干旱強(qiáng)度較大的站點(diǎn)為湟源、樂都、西寧、循化等地，多年平均干旱強(qiáng)度在-1.06左右(相當(dāng)于中旱級(jí)別)，其余站點(diǎn)平均干旱強(qiáng)度在-0.96左右(相當(dāng)于干旱級(jí)別為輕旱)；CI干旱強(qiáng)度較高的站點(diǎn)為湟源、樂都、西寧、民和等地，多年平均強(qiáng)度為-1.33(相當(dāng)于中旱級(jí)別)，其余站點(diǎn)平均值在-1.16左右(相當(dāng)于輕旱級(jí)別)，MCI的干旱強(qiáng)度總體上稍微強(qiáng)于CI。

圖3 青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)干旱強(qiáng)度分布Fig.3 Spatial distributions of drought intensity in Eastern agricultural region of Qinghai Province

2.4 干旱年際變化對(duì)比

根據(jù)計(jì)算的MCI與CI指數(shù)，統(tǒng)計(jì)歷年各站各次干旱的發(fā)生次數(shù)、干旱過程持續(xù)時(shí)間、干旱強(qiáng)度變化等，得到研究區(qū)平均日干旱強(qiáng)度變化。從研究區(qū)MCI與CI年累計(jì)干旱強(qiáng)度變化[圖4(a)]可以看出，MCI與CI年干旱強(qiáng)度均呈波動(dòng)式的變化，干旱發(fā)生年份也基本一致；研究區(qū)MCI與CI統(tǒng)計(jì)的年平均干旱日數(shù)變化[圖4(b)]也高度一致，對(duì)于較大的干旱，MCI則比CI持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，如年干旱持續(xù)日數(shù)最多的均為1965年，MCI持續(xù)日數(shù)為293 d,CI持續(xù)日數(shù)為244 d；MCI與CI平均日干旱強(qiáng)度變化[圖4(c)]也呈現(xiàn)出一致性的波動(dòng)變化，干旱年份也較為一致，如1962、1965、1972年均為中旱。

2.5 與實(shí)際干旱情況的對(duì)比

根據(jù)《中國(guó)歷史干旱》、《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》(青海卷)等統(tǒng)計(jì)資料，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，選取干旱較為嚴(yán)重的年月，以湟源、尖扎、樂都、民和、西寧為例，比較氣象干旱綜合監(jiān)測(cè)指數(shù)MCI與綜合氣象干旱指數(shù)CI在干旱頻發(fā)站點(diǎn)的干旱等級(jí)，結(jié)果見表5。

由表5可見，各個(gè)站點(diǎn)的干旱等級(jí)，除個(gè)別年月MCI定義的干旱等級(jí)較與CI略有差異外，干旱等級(jí)基本一致。如湟源站1965年3月，MCI定義為特旱，CI則定義為輕旱；1972年9月，MCI定義為輕旱，CI定義為重旱；其余年份基本一致。西寧站1965年3月，MCI定義為特旱，CI定義為中旱；1972年9月與1982年7月，MCI定義為特旱，CI定義為輕旱。

表5 MCI與CI指數(shù)干旱等級(jí)與實(shí)際干旱情況對(duì)比Tab.5 MCI and CI index drought level compared with the actual drought situation

3 結(jié) 語

通過對(duì)比分析MCI與CI指數(shù)等級(jí)干旱月數(shù)與干旱頻率的監(jiān)測(cè)結(jié)果、對(duì)干旱過程的描述能力、干旱時(shí)空分布特征、干旱年際變化以及與實(shí)際干旱情況的對(duì)比，得出以下結(jié)論。

(1)MCI各等級(jí)干旱月數(shù)與干旱頻率的監(jiān)測(cè)結(jié)果與CI一致性較好，但MCI的重旱與特旱月數(shù)較CI略多，干旱頻率也略高。

(2)MCI對(duì)干旱過程的描述能力與CI的監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，但MCI在干旱發(fā)展階段的不合理跳躍次數(shù)大幅度減少，在旱情緩解過程中變化較為平緩。

(3)在干旱頻率與干旱強(qiáng)度的空間分布特征方面，MCI與CI表現(xiàn)的結(jié)果基本一致，大體都能合理反映研究區(qū)的干旱頻率與干旱強(qiáng)度特征，但區(qū)域性分布差異都不是太大，在實(shí)際應(yīng)用中，選取干旱指數(shù)時(shí)應(yīng)該考慮研究區(qū)的區(qū)域性特征。

(4)MCI與CI的年際變化特征一致性較好，但MCI干旱持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)、干旱強(qiáng)度也偏重，MCI彌補(bǔ)了CI在較大旱情監(jiān)測(cè)時(shí)結(jié)果偏輕的不足。

(5)實(shí)際發(fā)生干旱時(shí)，MCI與CI定義的干旱等級(jí)，除個(gè)別站點(diǎn)干旱等級(jí)略有差異外，總體上一直性較好，都比較符合實(shí)際干旱情況。

(6)MCI與CI相比，干旱發(fā)生過程較為平緩，不合理跳躍現(xiàn)象有所改善；但依然存在不合理跳躍點(diǎn)，對(duì)于旱情的監(jiān)測(cè)可能會(huì)出現(xiàn)過于緩慢的現(xiàn)象，旱情監(jiān)測(cè)也可能出現(xiàn)偏重的情況。因此，在選取干旱指數(shù)時(shí)應(yīng)綜合考慮區(qū)域性、季節(jié)性特征，充分考慮干旱指數(shù)的適用性，進(jìn)而保證監(jiān)測(cè)結(jié)果更 為精確。總體上看，MCI指數(shù)在青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)適用性較好。

□

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