劉亮 吳婷芳 胡利平 柳玉茹 安小瑞

摘要利用1971—2011年天水地區(qū)河谷、渭北、關(guān)山區(qū)3個(gè)代表點(diǎn)的氣象站資料，以濕潤度指數(shù)（Mi）、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）、降水距平百分率（Pa）3種干旱監(jiān)測指標(biāo)及等級劃分為基礎(chǔ)，對天水各氣候區(qū)的春、夏、秋3個(gè)主要作物生長時(shí)段干旱氣候演變特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明，天水春季（3—5月）出現(xiàn)干旱災(zāi)害的氣候風(fēng)險(xiǎn)最大，各氣候區(qū)10年中有6～8年出現(xiàn)干旱，中旱以上干旱河谷區(qū)10年中有4～5年、渭北區(qū)有5～6年、關(guān)山區(qū)有2～4年出現(xiàn)；夏季（6—8月）干旱風(fēng)險(xiǎn)次之，各氣候區(qū)10年中有6～7年出現(xiàn)干旱，中旱以上干旱河谷區(qū)10年中有2～4年、渭北區(qū)有2～3年、關(guān)山區(qū)有2～4年出現(xiàn)；秋季（9—10月）各等級干旱氣候風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)均較小。各季干旱風(fēng)險(xiǎn)主要出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代初以后。

關(guān)鍵詞干旱指標(biāo)；干旱演變；特征；天水地區(qū)

中圖分類號S162文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）23-0156-05

Analysis on Characteristics of Drought Evolution in Tianshui Area Based on Three Drought Indexes

LIU Liang1，WU Tingfang2，HU Liping2 et al

（1.Tianshui City Coordination and Leading Office of Affecting the Weather Artificially，Tianshui，Gansu 741018； 2. Tianshui City Meteorological Bureau，Tianshui，Gansu 741018）

AbstractUsing the meteorological data of three representative points in the Hegu zone，Weiber zone and Guanshan zone of Tianshui area from 1971 to 2011，and based on the three indexes of moisture index（Mi）， standardized precipitation index（SPI）and percentage of precipitation anomaly（Pa），the characteristics of drought climate evolution during the growth period of spring， summer and autumn of the three main crops in Tianshui climate zone were analyzed.The result showed that in spring （from March to May） got the biggest probability to have the drought， every climatic zone got 6-8 years had drought in 10 years， drought up to intermediate in Hegu zone got 4-5 years in 10 years， in Weibei zone got 5-6 years in 10 years， Guanshan zone got 2-4 years in 10 years.The drought in summer （from June to August） was nest to the spring， every climatic zone got 6-7 years had drought in 10 years， drought up to intermediate in Hegu zone got 2-4 years in 10 years， in Weibei zone got 2-3 years in 10 years， Guanshan zone got 2-4 years in 10 years.In autumn （from September to October） got the less probability to have the drought. The drought risk mainly appeared in after the early 1990s.

Key wordsDrought index；Drought evolvement；Characteristics；Tianshui area

基金項(xiàng)目公益性行業(yè)（氣象）重大專項(xiàng)（GYHY201506001-6）。

作者簡介劉亮（1982—），女，甘肅徽縣人，助理工程師，從事農(nóng)業(yè)應(yīng)用氣象研究。

收稿日期2017-05-12

根據(jù)對近100多年全球氣溫資料的分析，全球平均氣溫升高（0.6±0.2）℃，我國氣溫上升了0.4～0.5 ℃，增溫始于20世紀(jì)70年代，80、90年代是增溫異常劇烈階段[1-6]。各區(qū)域?qū)θ蛟鰷刈兓嬖诓煌潭鹊膮^(qū)域響應(yīng)[7-9]，我國西北地區(qū)氣溫隨全球變暖而隨之升高，并在1986年附近發(fā)生躍變[10-13]。20世紀(jì)90年代初期天水氣溫、降水發(fā)生了明顯突變，進(jìn)入氣溫顯著變暖和降水偏少時(shí)段[14]。

由于氣候持續(xù)變暖，降水減少，造成干旱天氣事件頻發(fā)，對國民經(jīng)濟(jì)、人民生產(chǎn)和生活的影響日益增大，造成的損失不斷加重。天水地處西北，生態(tài)環(huán)境脆弱，干旱是主要的災(zāi)害事件，其影響范圍、程度和造成的經(jīng)濟(jì)損失非常嚴(yán)重。因此，掌握其演變規(guī)律、發(fā)展趨勢，實(shí)施有效的氣象干旱風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測、評估、預(yù)警和管理迫在眉睫。目前，研究干旱的指標(biāo)主要有降水量距平百分率、相對濕潤度指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、土壤相對濕度指數(shù)、帕默爾干旱等級等單項(xiàng)干旱指數(shù)以及綜合氣象干旱指數(shù)[15-17]。各項(xiàng)干旱指標(biāo)各有利弊，筆者主要采用資料獲取容易且效果較好的相對濕潤度指數(shù)（Mi）、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）、降水量距平百分率（Pa）3種干旱監(jiān)測指標(biāo)，在天水河谷區(qū)、渭北區(qū)和關(guān)山區(qū)各取一個(gè)代表點(diǎn)，以其1971—2011 年的Mi、SPI、Pa計(jì)算結(jié)果，對41年天水干旱演變狀況進(jìn)行分析，評價(jià)天水干旱風(fēng)險(xiǎn)狀況及干旱發(fā)展趨勢，為干旱監(jiān)測、預(yù)警和干旱防災(zāi)減災(zāi)工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1資料與方法

1.1研究時(shí)段和區(qū)域選取

根據(jù)天水氣候特征和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，選取具有指示意義的3個(gè)時(shí)段：3—5月（夏糧作物生長關(guān)鍵期及春播期）、6—8月（秋糧生長關(guān)鍵期）、9—10月（作物秋播期）。采用Mi、SPI、Pa 3種干旱監(jiān)測指標(biāo)及強(qiáng)度等級劃分技術(shù)對天水河谷區(qū)、渭北區(qū)、關(guān)山區(qū)3個(gè)氣候區(qū)的麥積、秦安、張家川3個(gè)代表點(diǎn)進(jìn)行Mi、SPI、Pa計(jì)算分析。氣候分區(qū)是根據(jù)主導(dǎo)氣象因子——熱量條件及相應(yīng)的水分、光照、海拔等因素，將天水劃分為河谷區(qū)、渭北區(qū)、關(guān)山區(qū)3個(gè)氣候區(qū)[18]。

1.2資料來源

氣象資料來源于麥積、秦安和張家川3個(gè)縣（區(qū)）氣象站，考慮到各氣象站建站時(shí)間不同，因此該研究所用的實(shí)際資料為1971—2011年3站觀測的逐日降水量、平均氣溫要素值。

1.3干旱監(jiān)測方法與等級

1.3.1相對濕潤度指數(shù)（Mi）。

相對濕潤度指數(shù)是某時(shí)段降水量與同一時(shí)段長有植被地段的最大可能蒸發(fā)量相比的百分率，其計(jì)算公式為[19]：

Mi=P-EE（1）

式（1）中，P為月降水量，E=16（10 t/I）a為標(biāo)準(zhǔn)月份30 d最大可能蒸散量；t為30 d均溫；I為溫度指數(shù)，I=i=12（ti/5）1.514計(jì)算；a=6.75×10-7 I3-7.71×10-5 I2+1.79×10-2I+0.492 4。 當(dāng)月平均氣溫t≤0 ℃時(shí)，月溫度指數(shù)I=0，月可能蒸散量E=0（mm/月）。

該指數(shù)以最大蒸散量作為需水量，求其與降水量P的比例來確定干旱程度，是一個(gè)基于水平衡的干旱指數(shù)，在考慮降水量的同時(shí)，還考慮了氣溫。其所用資料就是氣象觀測的常規(guī)資料，可方便地用于日常干旱監(jiān)測、評估氣象業(yè)務(wù)。Mi干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)為：Mi>-0.50，無旱；-0.701.3.2標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）。

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)是先求出降水量R分布概率，然后進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化而得，其計(jì)算公式為[19]：

SPI=St-（c2t+c1）t+c0[（d3t+d2）t+d1]t+1.0（2）

式（2）中，t=ln1P2，C0=2.515 517，C1=0.802 853，C2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

P為對于某一年的降水量R0，求出的隨機(jī)變量R小于R0和降水量R=0時(shí)的事件概率，并當(dāng)P>0.5時(shí)，S=1；當(dāng)P≤0.5時(shí)，S=-1。其干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)為SPI>-0.5，無旱；-1.0

張川）、1985（秦安、張川）、1992（麥積）、1993（張川）、1994（麥積）、2004（麥積、秦安）、2005（秦安）、2008（秦安）、2009（秦安）、2011（秦安），共11年，其中，麥積5年、秦安6年、張家川4年。

2.2夏季（6—8月）干旱

2.2.1干旱出現(xiàn)頻率、強(qiáng)度。

由表2可知，夏季河谷區(qū)干旱出現(xiàn)頻率為6.1～6.8次/10 a，其中，輕旱為2.2～4.6次/10 a，中旱為1.0～2.7次/10 a，重旱為0.5～1.5次/10 a，特旱為0～0.5次/10 a；渭北區(qū)干旱出現(xiàn)頻率為5.6～5.9次/10 a，其中，輕旱為2.4～3.9次/10 a，中旱為1～1.7次/10 a，重旱為0.5～0.7次/10 a，特旱為0～0.7次/10 a；關(guān)山區(qū)干旱出現(xiàn)頻率為3.7～7.3次/10 a，其中，輕旱為2.2～3.7次/10 a，中旱為1.2～2.9次/10 a，重旱為0.2～1.5次/10 a，特旱為0～0.7次/10 a。可見，3個(gè)氣候區(qū)均表現(xiàn)出輕旱>中旱>重旱>特旱；旱災(zāi)總次數(shù)及各等級旱災(zāi)出現(xiàn)次數(shù)基本上是關(guān)山區(qū)略多于河谷區(qū)，河谷區(qū)略多于渭北區(qū)。說明夏季（6—8月）渭北區(qū)出現(xiàn)各種強(qiáng)度旱災(zāi)的氣候風(fēng)險(xiǎn)小于河谷區(qū)和關(guān)山區(qū)。Mi、SPI、Pa這3個(gè)指標(biāo)在各氣候區(qū)的表現(xiàn)除Mi指標(biāo)在關(guān)山區(qū)偏差較大外，其他均一致性較好，其分析結(jié)果SPI指標(biāo)仍與實(shí)際記錄相對吻合。

2.2.2干旱年際變化特征。

從圖2可看出，麥積25次干旱，20世紀(jì)70年代出現(xiàn)6次，80年代出現(xiàn)3次，90年代出現(xiàn)8次，2001—2011年出現(xiàn)8次；秦安23次干旱，20世紀(jì)70年代出現(xiàn)6次，80年代出現(xiàn)4次，90年代出現(xiàn)8次，2001—2011年出現(xiàn)5次；張家川28次干旱，20世紀(jì)70年代出現(xiàn)7次，80年代出現(xiàn)4次，90年代出現(xiàn)8次，2001—2011年出現(xiàn)9次。與春季相同，41年來各氣候區(qū)6—8月出現(xiàn)旱災(zāi)次數(shù)是增加的，仍表現(xiàn)出各氣候區(qū)20世紀(jì)90年代后干旱次數(shù)是明顯多于90年代前，且80年代出現(xiàn)干旱次數(shù)最少。干旱出現(xiàn)的年份大部分是屬于區(qū)域性的，發(fā)生全區(qū)域性的重旱年份沒有出現(xiàn)過；發(fā)生區(qū)域性重旱年份出現(xiàn)在1971（張家川）、1973（麥積）、1974（麥積、張家川）、1977（麥積、張家川）、1982（麥積、張家川）、1987（麥積）、1994（秦安）、1997（張家川）、1998（麥積）、1999（麥積、秦安）、2000（秦安、張家川）、2002（秦安、張家川）、2006（秦安）、2008（張家川）、2009（秦安、張家川）、2011（麥積），共16年，其中，麥積8年、秦安6年、張家川9年。

2.3秋季（9—10月）干旱

2.3.1干旱出現(xiàn)頻率、強(qiáng)度。

由表3可知，秋季河谷區(qū)干旱出現(xiàn)頻率為3.4～5.4次/10 a，其中，輕旱為2.2～3.2次/10 a，

中旱為0.2～2.2次/10 a，重旱為0～1.0次/10 a，特旱為0～0.5次/10 a；渭北區(qū)干旱出現(xiàn)頻率為4.2～5.4次/10 a，其中，輕旱為2.0～2.7次/10 a，中旱為1.5～2.2次/10 a，重旱為0～0.7次/10 a，特旱為0～0.5次/10 a；關(guān)山區(qū)干旱出現(xiàn)頻率為1.7～5.4次/10 a，其中，輕旱為1.2～2.9次/10 a，中旱為0.5～2.0次/10 a，重旱為0～1.0次/10 a，特旱為0～05次/10 a。這3個(gè)指標(biāo)在各氣候區(qū)的反應(yīng)與春季類似，只是各等級旱災(zāi)出現(xiàn)次數(shù)明顯少于春、夏季。

2.3.2干旱年際變化特征。

從圖3可看出，麥積22次干旱，20世紀(jì)70年代出現(xiàn)5次，80年代出現(xiàn)6次，90年代出現(xiàn)5次，2001—2011年出現(xiàn)6次；秦安20次干旱，20世紀(jì)70年代出現(xiàn)5次，80年代出現(xiàn)5次，90年代出現(xiàn)6次，2001—2011年出現(xiàn)4次；

張家川22次干旱，70年代出現(xiàn)3次，80年代出現(xiàn)6次，90年代出現(xiàn)8次，2001—2011年出現(xiàn)5次?？梢?，河谷、渭北區(qū)秋季干旱年際變化不明顯，各年代多在5～6次/10 a出現(xiàn)，關(guān)山區(qū)則以20世紀(jì)90年代偏多、70年代偏少突出，其他時(shí)段趨同。全區(qū)域性重旱年份出現(xiàn)在1981年；區(qū)域性重旱年份出現(xiàn)在1971（秦安、張家川）、1972（麥積、張家川）、1979（張家川）、1986（麥積）、1988（秦安）、1994（麥積、秦安）、1998（張家川）、2001（麥積）、2009（麥積、張家川），共9年，其中，麥積5年、秦安3年、張家川5年。

3結(jié)論與討論

利用1971—2011年天水地區(qū)河谷、渭北、關(guān)山區(qū)3個(gè)代表點(diǎn)的氣象站資料，以濕潤度指數(shù)（Mi）、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）、降水距平百分率（Pa）這3種干旱監(jiān)測指標(biāo)及等級劃分為基礎(chǔ)，對天水各氣候區(qū)的春、夏、秋3個(gè)主要作物生長時(shí)段干旱氣候演變特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明，春季（3—5月）是天水干旱最嚴(yán)重的時(shí)段，各氣候區(qū)有10年中出現(xiàn)6～8年干旱，中旱以上干旱河谷區(qū)10年中有4～5年、渭北區(qū)有5～6年、關(guān)山區(qū)有2～4年；夏季（6—8月）是天水干旱次嚴(yán)重的時(shí)段，各氣候區(qū)有10年中出現(xiàn)6～7年干旱，中旱以上干河谷區(qū)10年中有2～4年、渭北區(qū)有2～3年、關(guān)山區(qū)有2～4年；秋季（9—10月）天水各地出現(xiàn)干旱的風(fēng)險(xiǎn)較小，各氣候區(qū)有10年中出現(xiàn)3～5年干旱，中旱以上干旱河谷區(qū)10年中有1～3年、渭北區(qū)有2～3年、關(guān)山區(qū)有1～3年。春、夏、秋季干旱發(fā)生的主要年份在20世紀(jì)90年代初以后。

該研究以Mi、SPI、Pa對天水各氣候區(qū)的干旱發(fā)生進(jìn)行不同尺度、區(qū)域、年際間分析，并與實(shí)際對比，證明這3個(gè)指標(biāo)在天水干旱發(fā)生分析中均有較好的適用性，均能有效地評估天水各個(gè)時(shí)段出現(xiàn)的干旱氣候風(fēng)險(xiǎn)，且SPI與實(shí)際更為吻合。Mi反映的是實(shí)際降水供給的水量與最大水分需要量的平衡，其在天水不同地區(qū)和不同時(shí)間尺度劃分干旱等級時(shí)差別顯大，且關(guān)山區(qū)略顯突出；SPI是根據(jù)降水累積頻率分布來劃分干旱等級的，它反映了不同時(shí)間和地區(qū)的降水氣候特點(diǎn)，其干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)具有氣候意義，不同時(shí)段不同地區(qū)都較適宜；由于天水各季節(jié)的降水量變率差異較大，故利用Pa劃分干旱等級對不同地區(qū)和不同時(shí)間尺度也有較大差別。

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