祁 倩

(云南省保山市氣象局，云南 保山 678000)

1 引言

干旱已成為全球最為常見的自然災(zāi)害，其造成的經(jīng)濟損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其它氣象災(zāi)害。美國氣象學(xué)會將干旱分為氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱和社會經(jīng)濟干旱4種類型。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)生發(fā)展的基礎(chǔ)[1-3]。據(jù)統(tǒng)計，近60 a來中國平均每年干旱受旱面積達(dá)到20多萬平方公里[4-5]。因此，極有必要對氣象干旱進行研究。同時，在實際應(yīng)用中，由于地理位置、下墊面性質(zhì)以及人類經(jīng)濟活動因素的影響差別，各地干旱的成因和差異明顯，因此，在不同的地區(qū)，監(jiān)測和評估干旱的指數(shù)適用性存在差異。

保山市位于滇西地區(qū)，是干旱多發(fā)區(qū)、重災(zāi)區(qū)。目前，干旱監(jiān)測、預(yù)警的氣象服務(wù)主要依靠云南省氣象局下發(fā)的利用CI指數(shù)[6]計算出的指導(dǎo)產(chǎn)品，該指數(shù)既反映短時間尺度(月)和長時間尺度(季)降水量氣候異常情況，又反映短時間尺度(影響農(nóng)作物)水分虧欠情況，是一個具有空間時間可比性的適用于表述干旱發(fā)生發(fā)展和結(jié)束過程的動態(tài)監(jiān)測指標(biāo)。CI指數(shù)在干旱實時監(jiān)測和評估工作中得到廣泛應(yīng)用[7-10]。但在描述干旱過程動態(tài)方面，CI指數(shù)存在指示旱情不合理加劇問題，即在沒有降水或降水持續(xù)偏少情況下，干旱突然加劇[11]。本文針對這一問題，提出改進的綜合氣象干旱指數(shù)CI，并結(jié)合保山市的地理、氣候等特征對比分析和驗證其適用性，以期促進保山市的干旱監(jiān)測和評估工作。

2 資料和方法

2.1 資料選取

氣象資料為1951—2013年保山市5個氣象觀測站逐日降水量、最高氣溫、最低氣溫等氣象要素。

保山市受高黎貢山橫斷山脈影響，東西兩側(cè)縣區(qū)之間氣候現(xiàn)出一定的差異性。本文選取山脈東、西兩側(cè)，具有代表性的隆陽站和騰沖站，對改進前后的CI指數(shù)及其分量進行對比分析。

2.2 計算方法

根據(jù)中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布的《氣象干旱等級(GB/T20481-2006)》[6], 綜合氣象干旱指數(shù)CI是利用近30 d(相當(dāng)月尺度)和近90 d(相當(dāng)季尺度)標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，以及近30 d相對濕潤指數(shù)進行綜合而得，即

CI=aSPI30+bSPI90+cMI30

(1)

SPI30、SPI90分別為最近30 d和90 d標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI值。MI30為最近30 d相對濕潤度指數(shù)。

a、b、c分別為SPI30、SPI90、MI30的權(quán)重系數(shù)，取值分別為0.4、0.4、0.8。

由式(1)可見，CI本質(zhì)上是對前30 d和前90 d的降水和可能蒸散量等權(quán)累加而得，29 d前和89 d前的某日降水貢獻(xiàn)和最末一日降水量對當(dāng)日的CI貢獻(xiàn)是等量的。于是，當(dāng)一個明顯降水過程移出30 d和90 d時，SPI30、SPI90和MI30會出現(xiàn)突然下降，會導(dǎo)致CI出現(xiàn)突然明顯下降，指示出現(xiàn)旱情不合理加劇的現(xiàn)象[11]。

針對上述CI旱情不合理加劇問題，擬改進CI計算方法，針對降水、可能蒸散量的影響采用不等權(quán)累計的思路，得到改進綜合氣象干旱指數(shù)CI。具體方法為：對公式(1)中的SPI30、SPI90、MI30按照不等權(quán)思路，采用線性遞減權(quán)重方案計算[5]，即假定當(dāng)日降水對CInew的貢獻(xiàn)最大，權(quán)重為1，隨著時間前移，過去的降水對CInew的貢獻(xiàn)呈線性遞減，直到移出30 d或90 d的計算窗口時，權(quán)重減小到0(圖1)。

時間距離(d)圖1 降水和可能蒸散累計權(quán)重隨相對當(dāng)日的時間距離(d)的變化Fig.1 Variation of accumulative weight of daily precipitation and potential evaporation with time distance

3 結(jié)果和分析

3.1 指數(shù)統(tǒng)計特征比較

比較隆陽站和騰沖站的CI、CInew及其分量(SPI30、SPI90和MI30)可知：改進前后的隆陽站和騰沖站SPI30、SPI90指數(shù)均接近符合平均值為0、標(biāo)準(zhǔn)差為1的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布(表1、表2)。MI30對CI指數(shù)的影響權(quán)重比SPI30、SPI90大。

表1 隆陽站CI和CInew及其分量的統(tǒng)計數(shù)值(1951—2013年)Tab.1 Statistic of Longyang station CI, CInew and its components(1951—2013)

表2 騰沖站 CInew和CI及其分量的統(tǒng)計數(shù)值(1951—2013年)Tab.2 Statistic of Tengchong station CI, CInew and its components(1951—2013)

3.2 旱情不合理加劇頻次比較

當(dāng)出現(xiàn)輕度以上干旱(即當(dāng)天CI<-0.6)，且相鄰2 d干旱等級增加一級以上(即當(dāng)天與前一天的CI之差≤-0.6)判定為是1次旱情等級不合理加劇。針對MI30、SPI30、SPI30參數(shù)，同理作相應(yīng)界定。

對比1951—013年隆陽站和騰沖站旱情不合理加劇次數(shù)(表3)，隆陽站MI30new、SPI30new、SPI90new不合理加劇次數(shù)明顯減少6～16倍，CInew比CI減少6倍。騰沖站MI30new、SPI30new、SPI90new不合理加劇次數(shù)明顯減少6～17倍，CInew比CI減少11倍。

表3 隆陽站、騰沖站旱情不合理加劇次數(shù)比較(1951—2013年)Tab.3 Unreasonable drought frequency of Longyang and Tengchong(1951—2013年)

3.3 干旱頻率的季節(jié)變化

由表4和表5可見，隆陽、騰沖降水具有明顯的季節(jié)性：隆陽6—10月為雨季，11月—次年5月為旱季；騰沖5—10月為雨季，11月—次年4月為旱季。滇西主要受西南氣流影響，隆陽處于背風(fēng)坡，騰沖處于迎風(fēng)坡，隆陽降水明顯少于騰沖，干旱頻率也明顯高于騰沖。

從干旱強度上看兩站CInew都保持了原CI正態(tài)分布，即輕旱頻率>中旱頻率>重旱頻率>特旱頻率。干旱頻率的年平均分布上，兩站CInew除中旱頻率略偏多外，其他等級的干旱頻率與CI差異不顯著。在各月的分布特征上，CI和CInew基本都能反映隆陽、騰沖的旱澇氣候特征。以隆陽站為例，隆陽站雨季的干旱頻率要遠(yuǎn)低于旱季，11月—次年6月的月干旱頻率均在30%以上。值得注意的是，11月降水少于3、4、5月，但干旱頻率卻低于這3個月；6月份已經(jīng)進入雨季，但干旱頻率依然在30%以上。這是由于11月旱季剛開始，雖然降水減少，但由于前期降水較多，干旱不會迅速發(fā)展；6月雨季剛開始，雖然降水逐漸增多，但由于前期降水較少，所以干旱緩解較緩慢。CI和CInew都能夠刻畫干旱緩解相對于多雨時段的滯后效應(yīng)。7月進入主汛期，干旱頻率迅速回落。CI、CInew均能反映降水對季節(jié)性干旱變化的影響。

表4 隆陽站逐月降水及CI和CInew的各等級干旱頻率Tab.4 Monthly precipitation and CI, CInew drought frequency of Longyang station

表5 騰沖站逐月降水及CI和CInew的各等級干旱頻率Tab.5 Monthly precipitation and CI, CInew drought frequency of Tengchong station

4 典型干旱過程干旱指數(shù)的逐日變化比較

以隆陽站2012年10月11日—2013年3月30日干旱過程為例(圖2)，CI與CInew計算出的干旱過程比較一致，在持續(xù)無雨或少雨的情況下，CI與CInew呈下降趨勢。在有降水時，2個指標(biāo)均呈上升趨勢。但兩個指標(biāo)在變化上存在差異。12月6—8日，CI指數(shù)從中旱達(dá)到特旱(從-1.2～-2.5)，出現(xiàn)指示旱情不合理加劇現(xiàn)象；11月9日—2月17日無明顯降水，CI出現(xiàn)指示干旱緩解現(xiàn)象，這難以作出合理解釋。相比而言，CInew沒有出現(xiàn)指示旱情不合理加劇現(xiàn)象，同時在長時間無明顯降水發(fā)生時，沒有出現(xiàn)旱情緩解現(xiàn)象。遇到降水，CInew反應(yīng)迅速，對于降水的靈敏度要高一些，與降水量大小變化關(guān)系更密切。

圖2 隆陽站2012年10月11日—2013年3月30日干旱期間逐日降水量、CI和CInewFig.2 Daily Precipitation, CI, and CInew during the drought course from October 11, 2012 to March 30, 2013 in Longyang

以騰沖站2012年11月6日—2013年4月30日干旱過程為例(圖3)，CI與CInew計算出的干旱過程比較一致；在持續(xù)無雨或少雨的情況下，CI與CInew呈下降趨勢；在出現(xiàn)明顯降水時，2個指標(biāo)均呈上升趨勢。但兩個指標(biāo)在趨勢變化上存在差異。12月10日—12日，CI干旱等級從輕旱達(dá)到特旱(-0.8～-1.7)；2月4—5日，CI指示干旱等級從中旱達(dá)到特旱(-1.7～-2.7)出現(xiàn)明顯不合理的旱情加劇現(xiàn)象；11月6—8日出現(xiàn)降水，CI指數(shù)出現(xiàn)下降后又上升；12月15—1月9日無明顯降水，CI出現(xiàn)干旱緩解現(xiàn)象，這明顯與實際情況相悖。CInew在無明顯降水時下降較緩慢，沒有指示旱情不合理跳躍現(xiàn)象；同時，在長時間無明顯降水發(fā)生時沒有指示旱情不合理緩解的現(xiàn)象。CInew反應(yīng)迅速，對于降水的靈敏度要高一些，與降水量大小變化關(guān)系更密切。

圖3 騰沖站2012年11月6日—2013年4月30日干旱期間逐日降水量、CI和CInewFig.3 Daily Precipitation, CI, and CInew during the drought course from November 6, 2012 to April 30,2013 in Tengchong

5 結(jié)論

本文針對綜合氣象干旱指數(shù)CI會在某些情況下指示旱情等級不合理變化問題，采用線性遞減權(quán)重的方案代替CI的等權(quán)重方案來計算前期30d、90d的降水和可能蒸散的影響，得到改進的綜合氣象干旱指數(shù)CInew并進行效果檢驗對比，得到如下結(jié)論。

①CI和CInew指數(shù)基本都能較合理地反映保山市日干旱頻率的季節(jié)分布特征。但CInew指示的干旱次數(shù)和中旱頻率有所增加。這一特征有其合理性：干旱的形成和發(fā)展是前期和當(dāng)前水分收入、支出累積的結(jié)果，包含有時間過程；距離當(dāng)前越久的前期氣象條件對當(dāng)前干旱的影響權(quán)重自然更小。

②對于CI指示 “旱情等級不合理加劇”現(xiàn)象，CInew有較大的改善；CInew指示的旱情等級不合理跳躍頻次數(shù)比CI減少6～11倍。

③在較長時間內(nèi)無明顯降水發(fā)生時，CInew下降緩慢，沒有出現(xiàn)指示旱情緩解的現(xiàn)象。同時，遇到降水，CInew反應(yīng)迅速、靈敏度更高，并與降水量大小變化關(guān)系更密切。

④采用線性遞減權(quán)重方案計算出的CInew，與原CI指數(shù)在演變趨勢上保持一致，但CInew連續(xù)性保持的更好，對實際干旱的演變描述更合理，適用于保山的干旱監(jiān)測。

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