于保慧

SPI干旱指數(shù)在遼寧中南部地區(qū)干旱評價中的運用研究

于?；?/p>

（遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003）

文章以遼寧中南部區(qū)域內(nèi)各氣象站點1954～2014年氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用SPI干旱指數(shù)對遼寧中南部1954～2012年的干旱情況進(jìn)行評價，并結(jié)合SPT干旱指數(shù)旱澇評定標(biāo)準(zhǔn)，分別統(tǒng)計了年尺度和季節(jié)尺度區(qū)域不同程度干旱發(fā)生的頻次。研究結(jié)果表明：從1954年～2014年，遼寧中部發(fā)生總干旱的頻率為60.1%，發(fā)生極端干旱的頻率為1.7%，南部區(qū)域發(fā)生總干旱的頻率總體低于中部區(qū)域，為55.7%；遼寧中部和南部均在冬季較易發(fā)生干旱，頻率分別為72.8%和66.8%，在夏季出現(xiàn)極端干旱的頻率最高，且中部高于南部，分別為3.2%和2.8%。研究成果對于遼寧南部和中部區(qū)域干旱評估研究提供參考價值。

SPI干旱指數(shù)；氣象干旱評價；干旱頻次分析；遼寧中南部區(qū)域

我國干旱頻繁，受干旱影響較大，干旱評價對于區(qū)域干旱趨勢的預(yù)測和預(yù)警至關(guān)重要。對于干旱評價主要的方式為采用干旱指標(biāo)進(jìn)行評價。當(dāng)前，在我國應(yīng)用較為廣泛的依舊為氣象干旱指數(shù)［1-6］，氣象干旱指數(shù)主要依據(jù)氣象要素資料進(jìn)行干旱的評價和分析，在國內(nèi)運用較為成熟的干旱指數(shù)為SPI降水干旱指數(shù)，該干旱指數(shù)主要集合降水和蒸發(fā)量這兩項對區(qū)域干旱影響較大的兩個要素進(jìn)行干旱評價分析，在國內(nèi)許多區(qū)域的干旱得到具體應(yīng)用［7-9］，并取得較為適用的研究成果，但是在遼寧省中南部區(qū)域應(yīng)用較少，近些年來，隨著氣候變化大背景下，遼寧中南部區(qū)域也出現(xiàn)干旱情況，而遼寧中南部作為遼寧省農(nóng)作物產(chǎn)量較大的區(qū)域，對于區(qū)域干旱情況的準(zhǔn)確評估對于農(nóng)作物生產(chǎn)十分重要，為此本文結(jié)合在國內(nèi)應(yīng)用較為成熟的SPI降水干旱指數(shù)，結(jié)合遼寧中南部氣象站點氣象要素數(shù)據(jù)，對遼寧中南部區(qū)域的干旱進(jìn)行了定量評價和分析，研究成果對于遼寧中南部氣象干旱評估和預(yù)警平臺的構(gòu)建提供參考價值。

1 SPT干旱指數(shù)的計算原理

SPI干旱指數(shù)結(jié)合蒸發(fā)量和降水量和其各自的平均值之間的偏離程度來進(jìn)行區(qū)域干旱評價，SPI干旱指數(shù)具體計算的公式如下。

（1）SPI標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)將區(qū)域干旱評價時間尺度的降水量設(shè)置為隨機的變量，本文的計算尺度為年尺度和季節(jié)尺度，并運用概率統(tǒng)計分布的τ函數(shù)進(jìn)行降水隨機可能發(fā)生的概率分布函數(shù)，概率分布函數(shù)計算方程為：

式中，β＞0，γ＞0—降水量隨機概率分布密度函數(shù)的尺度以及形狀系數(shù)，該參數(shù)主要采用極大似然參數(shù)估計方法進(jìn)行估算，該參數(shù)極大似然估算方程為。

式中，xi—氣象監(jiān)測站點的實測降水系列的樣本；ˉx—氣象監(jiān)測站點的降水量均值。

通過極大似然估算方程對參數(shù) β，γ進(jìn)行估算后，對某一年份的降水量x0，都可以推求出降水隨機變量x＜x0發(fā)生的可能概率計算方程。

通過數(shù)值積分的方法可以計算該降水時間可能發(fā)生的概率值。

（2）對于任何一個降水量為x0=0發(fā)生的可能概率計算方程為。

式中，m—降水量為0的樣本系列數(shù)，n—樣本的總體個數(shù)。

（3）在確定降水時間的可能概率后，需要才有Γ概率密度分布函數(shù)對概率進(jìn)行正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)化處理，結(jié)合方程（5）和（6）可以推求得到任一時間可能降水時間發(fā)生的概率的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)，計算方程為。

采用近似解方法對方程（7）進(jìn)行近似求解，計算方程為。

其中，

式中，F(xiàn)—方程（5）和（7）得到的降水可能發(fā)生的概率，當(dāng)計算的可能概率F＞0.5時，方程（8）中的S=1；當(dāng)計算的可能概率F0.5＜時，方程（8）中的S=-1。方程（8）中其他計算變量本文采用值分別為 c0=2.7415267；c1=0.784594；c2=0.042831； d1=1.324578； d2=1.62541； d3=0.0032184。

在以上參數(shù)確定后，代入方程（8）計算得到的Z值即為SPI標(biāo)準(zhǔn)化干旱指數(shù)。

2 計算結(jié)果及干旱評價分析

基于遼寧中南部氣象監(jiān)測站數(shù)據(jù)，結(jié)合SPI干旱指數(shù)計算方法分別計算了遼寧南部和中部區(qū)域1954～2014年和季節(jié)SPI干旱指數(shù)，結(jié)合表1不同干旱程度劃分標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計了遼寧中部和南部地區(qū)發(fā)生不同程度年干旱和季節(jié)干旱的頻率。

2.1 年尺度干旱評價

基于遼寧中南部氣象監(jiān)測站數(shù)據(jù)，結(jié)合SPI干旱指數(shù)計算方法分別計算了遼寧南部和中部區(qū)域1954～2014年干旱指數(shù)，見圖1，并結(jié)合表1中SPI干旱指數(shù)旱澇評定標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計不同旱情發(fā)生的頻率，結(jié)果見表2。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)旱澇等級劃分表

圖1 遼南地區(qū)1954～2014年年干旱指數(shù)

表2 遼中地區(qū)1954～2014年干旱頻率統(tǒng)計

圖1為遼寧中部以及遼寧南部1952～2014年SPI干旱降水指數(shù)，從圖中可以看出，遼陽地區(qū)分別在1986、1992和2009年出現(xiàn)極端和嚴(yán)重干旱的情況，且為出現(xiàn)連續(xù)2年的干旱情況，大連地區(qū)分別在1996年、2009年、2012年和2014年出現(xiàn)極端和嚴(yán)重的干旱情況，且也同樣未出現(xiàn)連續(xù)2年的干旱情況。經(jīng)過對當(dāng)?shù)馗珊嫡{(diào)查史志的分析和實地走訪調(diào)查表明，SPI干旱指數(shù)評價結(jié)果較為合理。結(jié)合兩個區(qū)域1952～2014年 SPI干旱指數(shù)分析數(shù)據(jù)，結(jié)合表1不同干旱評定標(biāo)準(zhǔn)，分別統(tǒng)計了兩個區(qū)域不同程度干旱發(fā)生的頻率，從表2中可以看出，中部區(qū)域發(fā)生總干旱的頻率為64.2%，其中發(fā)生嚴(yán)重干旱和極端干旱的頻率為3.4%和1.7%，而在南部區(qū)域發(fā)生總干旱的頻率為55.7%，南部區(qū)域發(fā)生極端干旱的頻率和中部區(qū)域相同，但是發(fā)生中等干旱和嚴(yán)重干旱的頻率高于中部區(qū)域。

2.2 季尺度干旱評價

對于區(qū)域農(nóng)作物生長而言，對于季節(jié)尺度干旱的評價較為重要，為此本文還結(jié)合兩處氣象監(jiān)測站點1954～2012年逐月的干旱數(shù)據(jù)，計算了研究區(qū)域1954～2012年逐月的干旱指數(shù)，基于逐月SPI干旱指數(shù)，結(jié)合表1中SPI干旱指數(shù)旱澇評定的標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計了研究區(qū)域2處氣象監(jiān)測站點不同季節(jié)發(fā)生不同干旱程度的頻率，結(jié)果詳見表3、4。

表3 遼寧中部地區(qū)不同季節(jié)發(fā)生不同程度干旱的頻次

表4 遼寧南部地區(qū)不同季節(jié)發(fā)生不同程度干旱的頻次

從表3中可以看出，遼寧中部區(qū)域在冬季出現(xiàn)總干旱的頻率最高，但是在遼寧中部區(qū)域農(nóng)作物在冬季基本不種植，因此干旱在冬季對農(nóng)作物生產(chǎn)較小。其次在遼寧中部區(qū)域春季出現(xiàn)干旱的頻率高于秋季和夏季，而在春季是農(nóng)作播種的時間，因此在出現(xiàn)干旱的情況，需要農(nóng)業(yè)灌溉用水來解決春季干旱的情況，但在春季出現(xiàn)極端干旱的頻率最低。而在夏季，遼寧中部區(qū)域雖然發(fā)生干旱的頻率低于其他三個季節(jié)，但是發(fā)生嚴(yán)重干旱和極端干旱的頻率均高于其他三個季節(jié)，這主要是因為雨季一般集中在夏季，因此夏季出現(xiàn)干旱的頻率較少，但是一旦夏季出現(xiàn)極端降水時間，降水量偏少，而蒸發(fā)較大，就易出現(xiàn)極端干旱的事件發(fā)生。在秋季由于農(nóng)作物處于收獲時間，干旱情況對農(nóng)作物生長影響較少。從表4中可以看出，遼寧南部區(qū)域，在冬季發(fā)生干旱的頻率最高，但是冬季農(nóng)作物種植較少，因此南部冬季干旱對農(nóng)作物生長影響較小。在遼寧中部區(qū)域，春季出現(xiàn)干旱的頻率僅低于冬季，而在遼寧南部區(qū)域，秋季出現(xiàn)干旱的頻率僅低于冬季，因此在南部區(qū)域秋季出現(xiàn)干旱的幾率較大，同樣在南部區(qū)域夏季出現(xiàn)極端干旱和嚴(yán)重干旱的頻率高于其他三個季節(jié)，雖然雨季集中在夏季，也同樣容易出現(xiàn)降水極端偏少的事件，因此發(fā)生嚴(yán)重干旱的頻率和極端干旱的頻率高于其他三個季節(jié)，在夏季出現(xiàn)嚴(yán)重干旱和極端干旱的情況，需要借助于農(nóng)業(yè)灌溉用水解決干旱的情況。

3 結(jié)語

本文結(jié)合遼寧中南部區(qū)域氣象站點1954～2012年氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合SPI降水干旱指數(shù)，對遼寧中南部區(qū)域干旱進(jìn)行了評價，研究取得以下結(jié)論：遼寧中南部發(fā)生年極端干旱的頻率較低，并且未出現(xiàn)過連續(xù)2年的嚴(yán)重干旱情況；遼寧中南部在冬季出現(xiàn)干旱頻率最大，但均在夏季較容易出現(xiàn)嚴(yán)重干旱和極端干旱的事件，需要對夏季干旱進(jìn)行預(yù)警預(yù)測。

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P429

A

1008-1305（2017）05-0069-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.023

2017-03-08

于保慧（1983年—），男，高級工程師。