丁 梅，王會(huì)肖，馬美紅，楊會(huì)彩，趙茹欣，劉 啟

(1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875; 2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院, 北京100038)

旱災(zāi)在世界上廣為分布，對(duì)人類產(chǎn)生的負(fù)面影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他自然災(zāi)害。全球約有120多個(gè)國(guó)家受到不同程度干旱的影響，每年造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)60～80 億美元[1]；李玉中[2]據(jù)1949年以來(lái)近50 a資料統(tǒng)計(jì)，中國(guó)平均每年受旱面積約210 萬(wàn)hm2；馬柱國(guó)，符淙斌[3]研究表明，20 世紀(jì)80年代以后，極端干旱發(fā)生的頻率呈增加趨勢(shì)。然而目前國(guó)內(nèi)開(kāi)展干旱的研究主要集中在華北、西北和西南等典型的干旱區(qū)域，較少涉及東北地區(qū)[4]，而東北地區(qū)是我國(guó)主要的商品糧生產(chǎn)基地，易受異常降水和干旱的影響[5]，Yu M, Li Q, Hayes M J,等[6]利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI，預(yù)測(cè)近幾十年?yáng)|北地區(qū)生長(zhǎng)季的干旱問(wèn)題將更加嚴(yán)重。戚影，付強(qiáng)，孫楠[7]等評(píng)價(jià)黑龍江省半干旱地區(qū)的水資源利用程度及優(yōu)選合理的節(jié)水灌溉模式就是由于旱災(zāi)制約了黑龍江省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的原因。黑龍江省在全國(guó)范圍內(nèi)耕地面積最大、位置最北、氣候也最極端，但關(guān)于其旱情的描述卻很少，哈爾濱市作為黑龍江省的省會(huì)城市，在氣象條件、地理位置等多方面都具有代表性。而以往一些研究多集中分析整體旱情或生長(zhǎng)季旱象，季、月尺度旱情描述較少，筆者認(rèn)為，詳細(xì)分析季、月尺度旱情為日后描述不同類型干旱有建設(shè)作用，另外，所選取的干旱指標(biāo)在研究區(qū)域的適用性也值得被驗(yàn)證。因此，本文選取哈爾濱市作為研究區(qū)，選擇降水距平百分比指標(biāo)分析其年、季、月尺度下干旱特征，利用年尺度旱情與以往研究進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該指標(biāo)在哈爾濱市的適用性，并延續(xù)哈爾濱市年尺度旱情及預(yù)測(cè)未來(lái)干旱趨勢(shì)，利用季、月尺度將哈爾濱市旱情進(jìn)一步細(xì)化，旨在進(jìn)一步揭示其干旱的變化規(guī)律，以期為制定抗旱預(yù)案、預(yù)防干旱災(zāi)害提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)選擇黑龍江省哈爾濱市，位于東經(jīng)125°42′～130°10′，北緯44°04′～46°40′之間，全年平均氣溫為3.4 ℃；降水有明顯的季風(fēng)性特征，全年平均降水量512.62 mm；年平均絕對(duì)濕度一般在6.4～10 mb之間； 風(fēng)速與風(fēng)向都表現(xiàn)出明顯的季風(fēng)性特征，屬西北季風(fēng)；年蒸發(fā)量900～1 669.89 mm，陸地蒸發(fā)量變化在250～500 mm之間，水面蒸發(fā)量在500～800 mm之間[8]。

春季多大風(fēng)，降水少，易干旱；夏季降水充沛，秋季降溫劇烈，常有霜凍危害；冬季氣候寒冷干燥，是我國(guó)典型的寒區(qū)城市[9]。試驗(yàn)站位于哈爾濱市香坊區(qū)，海拔高度為142.3 m，面積較大，長(zhǎng)期流水侵蝕，略有起伏，土層深厚，土質(zhì)肥沃，是重要農(nóng)業(yè)區(qū)，因此，該試驗(yàn)站的數(shù)據(jù)適宜分析農(nóng)業(yè)旱情。

1.2 干旱指標(biāo)的選取

干旱指標(biāo)是為了判斷干旱發(fā)生的強(qiáng)度，制定出的一種定量標(biāo)準(zhǔn)，合理的干旱指標(biāo)應(yīng)具有一定的準(zhǔn)確性和適用性。由于干旱是一種發(fā)生緩慢，且具有多時(shí)間尺度特征的現(xiàn)象，用來(lái)分析干旱的指標(biāo)種類繁多，因而在眾多的干旱指標(biāo)中，尋求一種適用于分析哈爾濱市的干旱指標(biāo)尤為重要。

黑龍江省是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)大省，地下水位埋藏深且不易灌溉，農(nóng)業(yè)旱災(zāi)一直占據(jù)主導(dǎo)地位，而農(nóng)業(yè)干旱追其根源也是降水或灌溉短缺問(wèn)題，其旱情基本上由降水量決定。又因降水量指標(biāo)具有多時(shí)間尺度，穩(wěn)定性較好的特點(diǎn)[10]，降水距平百分比指標(biāo)既是氣象干旱指標(biāo)，又是農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)，應(yīng)用廣泛，易于推廣，目前在東北已經(jīng)開(kāi)展了一些研究。馬建勇，許吟隆，潘婕[10]選取降水量指標(biāo)中的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI分析東北地區(qū)作物生長(zhǎng)季的干旱趨勢(shì)，驗(yàn)證了SPI指數(shù)評(píng)價(jià)東北地區(qū)的干旱符合實(shí)際情況。白人海[11]曾分析黑龍江省干旱發(fā)展也用到過(guò)降水距平百分比指標(biāo)，但其僅得出了未來(lái)干旱化發(fā)展的事實(shí)，并未分析其旱情特征。從以往的研究發(fā)現(xiàn)降水量指標(biāo)在黑龍江省及東北地區(qū)具有一定的可用性，而對(duì)降水距平百分比指標(biāo)的季、月尺度旱情研究較少。綜上所述，通過(guò)分析降水距平百分比指標(biāo)的特點(diǎn)和研究區(qū)的特性，本文選取該指標(biāo)作為分析哈爾濱市旱情的基本指標(biāo)。

1.3 方 法

基于降水情況對(duì)哈爾濱市旱情的重要性，首先分析了哈爾濱市降水量的年內(nèi)分布特征；然后利用降水距平百分比指標(biāo)結(jié)合評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)年尺度下的干旱特征，并與以往研究進(jìn)行對(duì)比以證明該指標(biāo)在哈爾濱市的適用性，從而預(yù)測(cè)近年來(lái)干旱發(fā)生趨勢(shì)；進(jìn)而分析其季、月尺度下的干旱特征，將哈爾濱市旱情進(jìn)一步細(xì)化，區(qū)別于以往研究的旱情整體變化特征，以期供未來(lái)參考。

根據(jù)國(guó)家防總組織制定的《干旱評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)》，干旱等級(jí)被劃分為輕度干旱、中度干旱、嚴(yán)重干旱和特大干旱四個(gè)等級(jí)[12]，其中，輕度干旱為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)缺水，中度干旱為灌溉農(nóng)業(yè)缺水，重度干旱為社會(huì)經(jīng)濟(jì)缺水、部分偏遠(yuǎn)山區(qū)居民生活缺水，特大干旱為城市生活缺水、社會(huì)經(jīng)濟(jì)缺水等[13]。

國(guó)家氣候中心以降水距平百分比指標(biāo)Dp作為衡量干旱的主要指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

(1)

其中，DP判斷哈爾濱市年尺度旱情變化判別標(biāo)準(zhǔn)參照GBT 20481-2006氣象干旱等級(jí)[14]如表1所示。

Dp判別季、月尺度旱情變化參看《干旱評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)規(guī)定，如表2所示。

表1 降水量距平百分比旱情等級(jí)劃分(年尺度) %

表2 降水量距平百分比旱情等級(jí)劃分(月、季尺度) %

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量的年內(nèi)分布

降水不僅是水資源的重要來(lái)源，同時(shí)也是區(qū)域水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尤為重要[15]。在黑龍江省，降水量很大程度上決定了作物生長(zhǎng)所需的灌溉水量的多少，李鐵男，李瑩，郎景波[16]分析了黑龍江省旱災(zāi)對(duì)糧食安全的影響，提出提高灌溉面積可以抑制旱災(zāi)，其研究也側(cè)面體現(xiàn)出降水量是區(qū)域干旱的重要決定因子。又由于降水量的空間分布不均以及降水強(qiáng)度的異常變動(dòng)，易引起旱澇，直接或間接影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[17]。而黑龍江省哈爾濱市屬于典型寒區(qū)城市，降水變化是導(dǎo)致氣候變化的重要因子，如降水量過(guò)多易發(fā)生洪澇，降水量過(guò)少易引起干旱，因此，有必要分析哈爾濱市的降水量年內(nèi)分布情況。基于1951-2014年降水量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到哈爾濱市1-12月平均降水量(見(jiàn)圖1)。可以看出，哈爾濱市7月份降水量最多，150 mm以上；1月份最少，不足5 mm，年內(nèi)分配較不均勻；6-8月降水量均在80 mm以上，其余月份平均降水不足60 mm，可見(jiàn)，汛期降水量是哈爾濱市年降水的主要來(lái)源。

圖1 哈爾濱市1951-2014年各月平均降水量Fig.1 Monthly mean precipitation in 1951-2014

2.2 年尺度下的干旱演變

一般情況下，短時(shí)間尺度揭示干旱發(fā)生的具體細(xì)節(jié)，長(zhǎng)時(shí)間尺度側(cè)重描述干旱的變化趨勢(shì)。利用年尺度分析得到的結(jié)果與以往研究對(duì)比，若表現(xiàn)出一致性，則說(shuō)明降水距平百分比指標(biāo)在哈爾濱市具有一定的適用性，從而證明了季、月尺度下判別干旱發(fā)生概率的準(zhǔn)確性。

利用式(1)中Dp的計(jì)算公式計(jì)算Dp值，判別標(biāo)準(zhǔn)參照表1中的GBT 20481-2006氣象干旱等級(jí)，得到哈爾濱市的年尺度旱情變化趨勢(shì)及年尺度下干旱發(fā)生的概率。哈爾濱市1951-2014年旱情隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖2，圖2中降水距平百分比指標(biāo)的值在-0.15以下均為干旱年，且負(fù)值越大，干旱等級(jí)越大。

圖2 哈爾濱市干旱發(fā)生年份趨勢(shì)變化Fig.2 The variations trend of drought year in Harbin City

由圖2可以看出，2001年干旱最為嚴(yán)重，其次是1975年。同時(shí)還出現(xiàn)了一些轉(zhuǎn)折點(diǎn)，如1958、1962、1973、1979、1989、1995、2008年，是輕度干旱年與不旱年間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；1967、1976、2001年這幾個(gè)中度干旱年，是輕度干旱年與中度干旱年或中度干旱年與不旱年間的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這些干旱年的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)未來(lái)干旱的預(yù)測(cè)起到重要作用。另外，從圖2趨勢(shì)來(lái)看，可以推測(cè)2014年后，干旱有增重的趨勢(shì)或者2014年將作為干旱等級(jí)間的一個(gè)新轉(zhuǎn)折點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算得出的哈爾濱市1951-2014年的干旱年，見(jiàn)表3。

表3 哈爾濱市1951-2014年的干旱年份Tab.3 Drought years of 1951-2014 in Harbin City

可以發(fā)現(xiàn)，干旱年常連續(xù)出現(xiàn)，如1978、1979年，2007、2008年，1973-1976年，連續(xù)干旱年則會(huì)使該地區(qū)土壤水分得不到有效供給，土壤水持續(xù)減少，致使干旱程度加重，所以這種連續(xù)干旱年危害巨大，急需引起重視。特別的，在1973-1976年中，前兩年發(fā)生輕度干旱，后兩年發(fā)生中度干旱，出現(xiàn)了干旱加重的情況。

年尺度下旱情分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，干旱年在20世紀(jì)50年代后1年，60年代后有2年，含2個(gè)中度干旱年，70年代后6年，含2個(gè)中度干旱年，80年代后1年，90年代后2年，21世紀(jì)4年，含1個(gè)中度干旱年，所以其年代干旱嚴(yán)重程度呈現(xiàn)20世紀(jì)70年代>21世紀(jì)>20世紀(jì)60年代>20世紀(jì)90年代>20世紀(jì)50年代、80年代。高蓓，姜彤，蘇布達(dá)[17]選取的SPEI指數(shù)對(duì)1961-2012年?yáng)|北地區(qū)干旱演變特征分析中得到的結(jié)果表明，20世紀(jì)60年代后半段，70年代后半段和90年代后半段和21世紀(jì)初的3個(gè)時(shí)段發(fā)生干旱；陳紅，張麗娟，李文亮，等[18]選取的降水距平百分比指標(biāo)對(duì)黑龍江省1971-2000年干旱程度評(píng)價(jià)分析中，得到干旱頻率表現(xiàn)為20世紀(jì)70年代最高，90年代次之，80年代最低；周秀杰，那濟(jì)海，潘華盛[19]分析黑龍江省夏季干旱氣候特征也得出20世紀(jì)70年代與21世紀(jì)初為干旱盛行時(shí)期。通過(guò)對(duì)比得知以往其他指標(biāo)的研究結(jié)果與本研究結(jié)果具有一致性，可以證明降水距平百分比指標(biāo)描述黑龍江省哈爾濱市旱情具有可行性和適用性，同時(shí)預(yù)測(cè)2014年之后，干旱有加重的趨勢(shì)或者干旱等級(jí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的可能。另外，計(jì)算還可以得到哈爾濱市年尺度下不同等級(jí)干旱發(fā)生的概率，如表4所示。

表4 年尺度下不同等級(jí)干旱發(fā)生的概率Tab.4 Probability of drought at different levels in the year scale

可以得到，哈爾濱市年尺度下發(fā)生干旱的概率達(dá)到0.25，發(fā)生輕度干旱的概率為0.187 5，發(fā)生中度干旱的概率為0.062 5，并未出現(xiàn)特大干旱和嚴(yán)重干旱。由于輕度干旱發(fā)生的概率明顯高于中度干旱，因此采取相關(guān)抗旱措施改善旱情等級(jí)，易將輕度干旱逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴缓怠?/p>

2.3 季、月尺度下各干旱等級(jí)發(fā)生的概率

根據(jù)表2所列出的標(biāo)準(zhǔn)，利用Dp指標(biāo)對(duì)哈爾濱市逐月旱情進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)得到各季、月尺度下不同干旱等級(jí)發(fā)生的概率，如表5所示。

表5可以得到，特大干旱發(fā)生的概率在0～0.391之間波動(dòng)，存在極大不穩(wěn)定性，這主要與哈爾濱市四季溫差較大有關(guān)；嚴(yán)重干旱發(fā)生的概率均低于0.109，較小且穩(wěn)定；中度干旱發(fā)生的概率在0.047～0.219之間，易發(fā)生在春、夏季；輕度干旱發(fā)生的概率在0.047～0.203之間，易發(fā)生在夏、秋季。將表5各月干旱發(fā)生的概率求算數(shù)平均作為各季干旱發(fā)生的概率，得出四季易發(fā)生干旱情況為冬>春>秋>夏季。其中，夏季發(fā)生輕度干旱概率較大，冬季發(fā)生特大干旱概率較大，春、秋季節(jié)易發(fā)生輕度和中度干旱。將計(jì)算所得繪制成圖，表明了干旱程度年內(nèi)的變化趨勢(shì)，如圖3所示。

表5 季、月尺度下不同等級(jí)干旱發(fā)生的概率Tab.5 Probability of drought at different levels in the monthly and seasonal scales

圖3 哈爾濱市逐月干旱等級(jí)變化趨勢(shì)Fig.3 The variations trend of monthly drought grade in Harbin

圖3中不旱概率按四季呈現(xiàn)上升-下降-上升-下降的變化趨勢(shì)，7月達(dá)到最大值，2月為最小值，說(shuō)明7月不旱，2月易旱，這與該市年內(nèi)降水分布不均有關(guān)；除了冬季外，干旱發(fā)生概率在8月呈現(xiàn)最大峰值，發(fā)生輕度和中度干旱的概率均出現(xiàn)了最大值，隨后便減小，而8月份恰好是作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，這將嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量；另外，4月和11月也都呈現(xiàn)峰值，其中4月易發(fā)生特大干旱，11月易發(fā)生輕度和中度干旱，而且4月底是作物的播種期，11月初是作物的收獲期，這將嚴(yán)重影響作物播種和收獲條件，阻礙農(nóng)業(yè)發(fā)展。

特別的，哈爾濱市發(fā)生中度、輕度干旱的概率普遍較大，同時(shí)也與前面年尺度下得到的輕度、中度干旱概率較大的結(jié)果相符，說(shuō)明了該指標(biāo)描述旱情的穩(wěn)定性，未來(lái)應(yīng)采取相關(guān)防旱措施，將中、輕度干旱轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度干旱或不旱，從而減少旱災(zāi)所帶來(lái)的損失，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)綜合考慮研究區(qū)的地理位置、氣象、下墊面條件及干旱指標(biāo)的可用性選取了降水距平百分比指標(biāo)作為衡量黑龍江省哈爾濱市旱情變化特征的干旱指標(biāo)。但出于該指標(biāo)在東北地區(qū)適用性的不確定，利用年尺度下旱情變化特征與以往研究成果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該指標(biāo)在哈爾濱市的適用性，并延續(xù)了哈爾濱市年尺度下的旱情變化特征和預(yù)測(cè)了未來(lái)干旱的發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)一步得到季、月尺度下的旱情變化，最終實(shí)現(xiàn)將哈爾濱市旱情細(xì)化的目的。

本文首先分析了長(zhǎng)序列降水?dāng)?shù)據(jù)的時(shí)間變化規(guī)律，得到哈爾濱市多年平均的月降水情況；然后利用降水距平百分比指標(biāo)，參照GB/T 20481-2006，氣象干旱等級(jí)和《干旱評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)》，得到哈爾濱市不同尺度下旱情。主要得到以下結(jié)論。

(1)哈爾濱市實(shí)際月平均降雨量年內(nèi)分配較不均勻。

(2)年尺度下干旱呈現(xiàn)2001年最為嚴(yán)重，其次是1975年；連續(xù)旱年的出現(xiàn)，危害巨大；推測(cè)2014年后，干旱有增重的趨勢(shì)或者2014年將作為干旱等級(jí)間的一個(gè)新轉(zhuǎn)折點(diǎn)；年代干旱嚴(yán)重程度呈現(xiàn)20世紀(jì)70年代>21世紀(jì)>20世紀(jì)60年代>20世紀(jì)90年代>20世紀(jì)50年代、80年代，與以往研究結(jié)果對(duì)比，表現(xiàn)出一致性，證明降水距平百分比指標(biāo)的適用性；并得出年尺度下僅發(fā)生輕度、中度干旱，且輕度干旱的概率大于中度干旱。

(3)季、月尺度下干旱發(fā)生概率呈現(xiàn)冬>春>秋>夏季，夏季發(fā)生輕度干旱概率較大，冬季發(fā)生特大干旱概率較大，春、秋季節(jié)易發(fā)生輕度和中度干旱；7月不旱概率最高，2月最低，除冬季外，8月發(fā)生干旱概率最大，4月易發(fā)生特大干旱，11月易發(fā)生輕度和中度干旱。哈爾濱市發(fā)生中度、輕度干旱的概率普遍較大，同時(shí)也與前面年尺度下得到的輕度、中度干旱概率較大的結(jié)果相符，同時(shí)也說(shuō)明了該指標(biāo)應(yīng)用的穩(wěn)定性。

本文雖然驗(yàn)證了降水距平百分比指標(biāo)在評(píng)價(jià)干旱時(shí)具有一定可靠性，但干旱的成因復(fù)雜，未來(lái)建議采用更多指標(biāo)綜合分析并驗(yàn)證在哈爾濱市的適用性，更加準(zhǔn)確的理解黑龍江省旱情，同時(shí)也希望能夠引起行內(nèi)人士對(duì)黑龍江省干旱的重視，共同為黑龍江省商品糧生產(chǎn)基地做出成果和貢獻(xiàn)。

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