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        海河流域農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)評估能力對比

        2020-10-12 11:59:08
        黑龍江水利科技 2020年9期
        關(guān)鍵詞:海河時間尺度年度

        王 瑤

        (山東省臨沂市蘭陵縣,山東 臨沂 277700)

        干旱作為一種自然災(zāi)害,發(fā)生頻率高、持續(xù)時間長、影響范圍廣,對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社 會經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境等方面造成的影響顯著[1]。盡管干旱及其影響已受到社會各方面的廣泛關(guān)注,但是由于干旱形成及其致災(zāi)機(jī)理的復(fù)雜性,目前對于干旱缺乏統(tǒng)一的定義。而在農(nóng)業(yè)干旱定義方面尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),目前研究中農(nóng)業(yè)干旱常指由于外界環(huán)境、人類活動等因素導(dǎo)致作物體內(nèi)水分 收支平衡被打破,由于水分虧缺而影響作物生長甚至造成產(chǎn)量損失的現(xiàn)象,本研究對多源遙感信息提取干旱指數(shù)進(jìn)行了探討,將進(jìn)一 步推進(jìn)遙感技術(shù)監(jiān)測干旱的發(fā)展進(jìn)程。

        1 研究區(qū)概況

        海河流域是山東省最大的河流之一。海河流域包括海河、灤河和吐谷海馬池河。海河流域水資源呈扇形分布,水資源總量較少,降水時空分布不均勻。流域總面積31.8萬km2,人均水資源占有量276m3,僅為全國平均水平的13%。海河流域耕地灌溉面積常年大于7.4×106hm2,節(jié)水灌溉方式趨于多樣化。近年來,在人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展壓力和氣候的影響下,海河流域水資源衰減問題十分突出。水資源短缺、水環(huán)境污染和水生態(tài)惡化是各行各業(yè)面臨的極其嚴(yán)重的問題,直接影響農(nóng)業(yè)水資源的利用。

        圖1 海河流域示意圖

        文章選取的流域內(nèi)部以及周邊22個氣象站點(diǎn)1960-2016年的平均氣溫和降水量數(shù)據(jù)均來自于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集。

        2 研究方法

        2.1 土壤含水量距平指數(shù)

        Bergman等在 1988 年提出了土壤含水量距平指數(shù)(Soil Moisture Anomaly Percentage Index,SMAPI)))其計(jì)算公式如下:

        (1)

        表1 基于 SMAPI 的旱澇等級劃分

        2.2 歸一化旱情綜合指數(shù)

        Rhee(2010)年提出基于VI、LST和TRMM數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,從而得到適用于干旱區(qū)和濕潤區(qū)的歸一化旱情綜合指數(shù)(Scaled Drought Condition Index,SDCI)指數(shù),計(jì)算公式如下:

        (2)

        文章計(jì)算所采用的TRMM數(shù)據(jù)為3個月時間尺度的 TRMM數(shù)據(jù)。TRMM為降水速率,單位為mm/hr;TRMMmax和TRMMmin分別為降水速率最大值和最小值。權(quán)重的選擇來自于Rhee的研究,選取在濕潤區(qū)和干旱區(qū)均能達(dá)到良好評估效果的一組權(quán)重進(jìn)行計(jì)算和分析[2]。SDCI的旱澇等級分布如表2所示。

        表2 SDCI旱澇等級分布表

        2.3 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)

        Vicente-Serrano(2010)提出了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)( Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI),計(jì)算方法如下:

        1)潛在蒸散量:

        (3)

        式中:T為月平均氣溫,℃;I為年熱指數(shù);m為系數(shù);K為維度和月份函數(shù)的校正系數(shù)。

        表2表明,應(yīng)用完好性監(jiān)測算法檢測到周跳,然后利用多項(xiàng)式擬合的方法可以準(zhǔn)確地計(jì)算周跳的值。對于不同大小的周跳都可以通過本文算法進(jìn)行修復(fù)。

        2)不同時間尺度上月降水量和潛在蒸散量的差值:

        Di=Pi-PETi

        (4)

        式中:Di為不同時間尺度的凈降水量。第j年第i月D,j取決于所選擇的時間尺度k。例如,12 個月時間尺度上第 j 年第 i月的累積差計(jì)算公式為:

        (5)

        式中:Di,j為第j年第i月P和PET之差,mm。

        3)利用對數(shù)邏輯斯特(log-logistic)概率分布標(biāo)準(zhǔn)化D序列,以獲得SPEI指數(shù)序列,概率密度函數(shù)為:

        (6)

        式中:α、β和γ分別是尺度,形狀和位置參數(shù)。

        (7)

        表3 基于SPEI的旱澇等級劃分

        3 研究結(jié)果

        3.1 基于土壤含水量距平指數(shù)的農(nóng)業(yè)干旱評估

        將SMAPI值與SPEI-1、SPEI-3和糧食產(chǎn)量、受災(zāi)面積、絕收面積進(jìn)行對比分析,驗(yàn)證該指數(shù)在海河流域的農(nóng)業(yè)干旱評估能力。海河流域糧食產(chǎn)量分為夏糧和秋糧,夏糧的生長季為10月-次年5月,秋糧生長季為6-9月,存在著生長季年度和自然年度的不符合。因此本章計(jì)算以12月份為年度(-12)以10月份為年度(-10)和以9月份為年度的(-9)進(jìn)行驗(yàn)證分析。

        表4為海河流域SMAPI值與SPEI-1和SPEI-3相關(guān)系數(shù)。由表中可知,在不同時間尺度和不同年度下,SMAPI值與SPEI-3的相關(guān)系數(shù)大于SMAPI值與SPEI-1的相關(guān)系數(shù),說明3個月時間尺度可以更好地反應(yīng)農(nóng)業(yè)干旱的情況。SMAPI-10與SPEI3-9的相關(guān)系數(shù)相對較高,為0.47,可能是由于土壤水分對于氣象條件的變化存在一定程度的滯后效應(yīng)。

        表4 SMAPI值與SPEI-1和SPEI-3相關(guān)系數(shù)

        表5為海河流域SMAPI值與糧食產(chǎn)量、受災(zāi)面積和絕收面積的相關(guān)系數(shù)。由表中可知,以10月份為年值的SMAPI-10與糧食產(chǎn)量距平和受災(zāi)面積的相關(guān)系數(shù)為最高,分別為0.443和-0.328,分別以SMAPI-10的年值可以較好的反映農(nóng)作物受旱情況。

        表5 SMAPI值與糧食產(chǎn)量、受災(zāi)面積和絕收面積相關(guān)系數(shù)

        圖2為海河流域秋季生長季SMAPI值與秋季糧食、SPEI-1和SPIEI-3的相關(guān)性。由圖中表明,SMAPI與糧食產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)為0.3,與SPEI-1的相關(guān)系數(shù)為0.36,與SPEI-3的相關(guān)系數(shù)為0.46。SMAPI值在反映農(nóng)業(yè)干旱方面存在一定的滯后效應(yīng)可能導(dǎo)致生長季糧食評估能力有限。

        (a)秋季糧食產(chǎn)量

        3.2 基于歸一化旱情綜合指數(shù)的農(nóng)業(yè)干旱評估

        將SDCI值與SPEI-1、SPEI-3和糧食產(chǎn)量、受災(zāi)面積、絕收面積進(jìn)行對比分析,驗(yàn)證該指數(shù)在海河流域的農(nóng)業(yè)干旱評估能力,結(jié)果如表6和表7所示。SDCI-9與海河流域受災(zāi)面積的相關(guān)系數(shù)為-0.425;與絕收面積的相關(guān)系數(shù)為0.676,且通過0.05的顯著性檢驗(yàn),表明以9月份為年度的SDCI值可以很好地反應(yīng)海河流域農(nóng)業(yè)干旱的情況。SDCI-12與SPEI1-12和SPEI3-12有良好的相關(guān)性,與SPEI3-9的相關(guān)系數(shù)最高為0.788且均通過顯著性檢驗(yàn)。不同時間尺度的SPEI值和不同年度的SDCI值在1個月時間尺度的相關(guān)系數(shù)高于3個月時間尺度的相關(guān)系數(shù),可能是由于SDCI在計(jì)算過程中采用的降雨數(shù)據(jù)為3個月時間尺度。

        表6 SDCI值與SPEI-1和SPEI-3相關(guān)系數(shù)

        SDCI-9與海河流域受災(zāi)面積的相關(guān)系數(shù)為-0.425;與絕收面積的相關(guān)系數(shù)為0.676,且通過0.05的顯著性檢驗(yàn),表明以9月份為年度的SDCI值可以很好地反應(yīng)海河流域農(nóng)業(yè)干旱的情況。

        表7 SDCI值與糧食產(chǎn)量、受災(zāi)面積和絕收面積相關(guān)系數(shù)

        3.3 農(nóng)業(yè)干旱評估能力評價

        由以上分析可知,在不同年度下SMAPI-10和SDCI-9可以較好的反映農(nóng)業(yè)干旱情況。SMAPI值與SDCI值干旱評估能力評價如表8所示。

        表8 SMAPI值與SDCI值干旱評估能力評價

        表8將兩種指數(shù)進(jìn)行干旱能力評價。兩種指數(shù)與SPEI-1、SPEI-3的相關(guān)系數(shù)相對較差,只能說明兩種指數(shù)不能反應(yīng)氣象干旱。SMAPI-10在反映農(nóng)業(yè)干旱方面可能存在一定程度的滯后效應(yīng),但對糧食產(chǎn)量的評估SMAPI-10較好。對受災(zāi)面積和絕收面積的評估中,SDCI-9的結(jié)果更好,說明SDCI指數(shù)可以更好地反映農(nóng)業(yè)干旱的情況,也可以對農(nóng)業(yè)旱災(zāi)的情況有較好的反映。

        4 結(jié) 論

        文章首先計(jì)算不同年度下的土壤含水量距平指數(shù)和歸一化旱情綜合指數(shù),再將其與SPEI-1、SPEI-3、糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)、受災(zāi)面積和絕收面積進(jìn)行相關(guān)性分析,確定適合各個指數(shù)的計(jì)算年度,最后通過兩種指數(shù)的對比分析,確定兩種指數(shù)的干旱評估能力并選擇適合海河流域農(nóng)業(yè)干旱評估指數(shù),表明SMAPI-10與糧食產(chǎn)量距平和受災(zāi)面積的相關(guān)系數(shù)為最高,所以SMAPI-10的年值可以較好的反映農(nóng)作物受旱情況。而在秋季生長季,SMAPI的評估能力相對不好,可能是由于SMAPI指數(shù)存在滯后性的原因。SDCI-9與海河流域受災(zāi)面積、絕收面積的相關(guān)系數(shù)相對較高,表明以9月份為年度的SDCI值可以很好地反應(yīng)海河流域農(nóng)業(yè)干旱的情況。

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