彭雙姿，劉鑫淼，陳 濤，楊 敏，許 笛，曠煜菲，肖美英

(1.湖南省衡陽市氣象局，湖南 衡陽 421001；2.成都信息工程大學，四川 成都 610225；3.湖南省邵陽市氣象局，湖南 邵陽 422000)

引 言

受全球氣候變暖影響，極端異常氣候事件頻繁發(fā)生，干旱問題尤為突出[1-3]。2004—2015年中國因干旱災害導致的年均經(jīng)濟損失達640.7億元，其嚴重制約社會經(jīng)濟的發(fā)展[4]。我國南方地區(qū)由于“驟發(fā)性干旱”發(fā)生頻率較高，農(nóng)作物受干旱影響的嚴重程度增大。如2000、2001、2003、2004、2006、2010年，中國南方地區(qū)相繼出現(xiàn)大范圍農(nóng)業(yè)干旱，糧食種植業(yè)損失巨大[5]。因此，有關(guān)我國南方地區(qū)干旱特征的研究越來越多[5-8]。

衡邵干旱走廊位于湖南中部，雪峰山脈以南、五嶺山脈以北，受獨特的地形地貌和降水時空分布不均的影響，干旱頻發(fā)，形成了“歷史干旱走廊”[9]。該區(qū)域是湖南特旱日數(shù)高值區(qū)，年特旱頻次增加速率最大，氣候向暖干趨勢發(fā)展[10-11]。另外，其特定的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造導致該地區(qū)蓄水保水能力差，在雨季結(jié)束以后，易出現(xiàn)澇旱急轉(zhuǎn)[12]。因此開展衡邵干旱走廊區(qū)域干旱評估研究，對制定抗旱對策，應(yīng)對干旱缺水問題意義重大。

1997年美國氣象學會把干旱分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會經(jīng)濟干旱[13]，氣象干旱主要反映氣象要素的變化特征，由于氣象干旱與其他干旱存在明顯的傳遞過程，可以根據(jù)氣象干旱監(jiān)測結(jié)果與不同類型干旱的傳遞規(guī)律對其他類型干旱進行早期預警[14]。目前研究氣象干旱的指數(shù)很多，常用的有Palmer干旱指數(shù)[15]、標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)[16]、綜合干旱指數(shù)(CI)[17]等。但不同氣象干旱指數(shù)的區(qū)域適用性和監(jiān)測特點存在很大差異[18-22]：如Palmer干旱指數(shù)能較好地表現(xiàn)青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)旱情的發(fā)展，但存在旱情輕判情況[20]；相比其他指數(shù)，SPEI對四川典型干旱年的干旱空間分布表征較好[21]；CI指數(shù)同時考慮了降水和蒸發(fā)能力因子，與單純利用降水量的干旱指數(shù)相比具有較大優(yōu)越性[22]，但CI指數(shù)運用在長江中下游地區(qū)時，顯示旱情發(fā)展過快且偏重[23]。2017年中國氣象局提出了新的氣象干旱綜合監(jiān)測指數(shù)(MCI)[24]，該指數(shù)廣泛應(yīng)用于全國氣象干旱監(jiān)測評估[4,25-30]，但MCI指數(shù)在湖南中南部的適用性研究鮮有報道。

本文收集整理衡邵干旱走廊1961—2018年干旱災情資料，建立長時間序列的氣象干旱綜合監(jiān)測指數(shù)(MCI)，并基于MCI指數(shù)建立區(qū)域干旱年度評估指數(shù)(MCIe)，有助于全面了解衡邵地區(qū)區(qū)域干旱變化特征，為地方政府部署防汛抗旱工作、減輕干旱災害損失及保障農(nóng)作物生產(chǎn)等提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域、資料及方法

1.1 研究區(qū)域及站點權(quán)重

2011年湖南省發(fā)改委和水利廳編制《衡邵干旱走廊綜合治理規(guī)劃》(1)湖南省發(fā)改委、湖南省水利廳. 衡邵干旱走廊綜合治理規(guī)劃, 2021.，將衡陽市、邵陽市、婁底市全境，以及永州市北部4縣(市)(新田、東安、祁陽、冷水灘)，共計33個縣(市、區(qū))列入衡邵干旱走廊治理規(guī)劃范圍。該規(guī)劃根據(jù)衡邵干旱走廊干旱特征，選取受災人口百分比、農(nóng)作物受災面積百分比、缺水率、經(jīng)濟損失百分比、石漠化程度5項指標，建立衡邵干旱走廊地區(qū)的旱情評價體系。采用層次分析法進行干旱綜合評價分析，對33個縣(市、區(qū))進行干旱等級劃分，分為嚴重干旱、重度干旱、中度干旱和一般干旱4個等級。

衡邵干旱走廊作為一個整體開展干旱評估工作，各縣(市、區(qū))農(nóng)作物種植面積不一，在氣象干旱指數(shù)相同時，不同區(qū)域干旱等級相同但受災面積不同，各站對區(qū)域干旱評估指數(shù)貢獻必然不同，如漣源市、冷水江市在《衡邵干旱走廊綜合治理規(guī)劃》中同為重度干旱區(qū)，前者農(nóng)作物種植面積占衡邵干旱走廊總種植面積的6.1%，后者占比不足2%，說明在氣象干旱監(jiān)測指數(shù)相同情況下，漣源市對總干旱評估指數(shù)貢獻比冷水江市更大。本文結(jié)合國家氣象站點分布，將《衡邵干旱走廊綜合治理規(guī)劃》33個縣(市、區(qū))中27個縣(市、區(qū))列為衡邵區(qū)干旱監(jiān)測評估研究區(qū)域(簡稱“衡邵區(qū)”)，33個縣(市、區(qū))中南岳為高山站，其資料特殊，代表性差，不列入分析范圍內(nèi)；衡陽市區(qū)轄蒸湘區(qū)、雁峰區(qū)、石鼓區(qū)、珠暉區(qū)，合為衡陽市；邵陽市區(qū)轄北塔區(qū)、雙清區(qū)、大祥區(qū)，合為邵陽市；婁底市區(qū)轄婁星區(qū)，改為婁底市。綜合《衡邵干旱走廊綜合治理規(guī)劃》中各縣(市、區(qū))干旱等級分級及其種植面積占比，將衡邵區(qū)干旱等級劃分為嚴重干旱、中度干旱、一般干旱，通過對比不同權(quán)重系數(shù)的評估結(jié)果，得到嚴重干旱、中度干旱、一般干旱對應(yīng)站點的最優(yōu)權(quán)重系數(shù)(S1)分別為1.5、1.0、0.5，表1列出湖南衡邵區(qū)干旱等級劃分及站點權(quán)重系數(shù)。

表1 湖南衡邵區(qū)干旱等級劃分及站點權(quán)重系數(shù)Tab.1 The drought grades classification and stations’ weight coefficients in the Heng-Shao regions of Hunan Province

1.2 資料與方法

1.2.1 資 料

湖南統(tǒng)計年鑒、湖南農(nóng)村統(tǒng)計年鑒、《中國氣象災害大典：湖南卷》[31]、地方水利年鑒等提供的1961—2018年衡邵區(qū)各縣(市、區(qū))逐年受旱情況；湖南省氣象局信息中心提供的衡邵區(qū)27個國家級氣象站1961—2018年逐日溫度、降水資料用于計算MCI指數(shù)。

1.2.2 衡邵區(qū)干旱年景劃分

整理1961—2018年衡邵區(qū)農(nóng)業(yè)受災情況，對衡邵區(qū)干旱年景進行劃分。1961—2000年以《中國氣象災害大典：湖南卷》為基礎(chǔ)，其他資料為補充，2001—2018年以湖南農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒中干旱受災資料為基礎(chǔ)，其他資料為補充，綜合分析后將1961—2018年衡邵區(qū)干旱年景劃分為4級：正常、干旱、大旱、特旱(表2)，其中正常年份有14 a，占24.1%；干旱21 a，大旱15 a，特旱8 a，干旱、大旱、特旱年份占比總計達75.9%。且年代際分布不均，20世紀60、70、80、90年代發(fā)生干旱的年份分別有7、5、9、6 a，21世紀00、10年代發(fā)生干旱的年份分別有9、8 a；發(fā)生大旱以上的年份共23 a，其中2000年以后占9 a，1970及1990年代衡邵區(qū)干旱相對較少發(fā)生，2000年以后干旱呈頻發(fā)態(tài)勢。

表2 1961—2018年湖南衡邵區(qū)干旱年景劃分Tab.2 The annual drought status in the Heng-Shao regions of Hunan Province during 1961-2018

1.2.3 MCI指數(shù)處理

分析各站逐日MCI指數(shù)，發(fā)現(xiàn)由于建站時間不一，1980年以前資料缺失較多，1980年以后也有部分觀測資料缺失造成MCI缺失?？紤]資料缺失對分析結(jié)果帶來較大誤差，對單站缺失資料進行插補修正。缺失資料時間尺度小于7 d的站點，采用站點缺失資料部分兩端資料進行內(nèi)插訂正。缺失資料大于7 d的站點，選取距離該站最近的5個站點中，相關(guān)系數(shù)最好的2個站點，進行逐日插補訂正，確保各站MCI指數(shù)數(shù)據(jù)序列的完整性和可參考性。

1.2.4 MCI指數(shù)權(quán)重

對MCI指數(shù)進行適用性分析，發(fā)現(xiàn)直接用該指數(shù)作為旱情分析與實際旱情有一定偏差[23]。應(yīng)用MCI指數(shù)建立區(qū)域氣象干旱風險監(jiān)測和評估模型時，將各站不同等級干旱日數(shù)按均值倒數(shù)法計算站點MCI指數(shù)的權(quán)重系數(shù)(S2)[24]：統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)各站MCI指數(shù)達到輕旱、中旱、重旱、特旱的日數(shù)及4個等級干旱日數(shù)均值(4個干旱等級總?cè)諗?shù)除以4)；當站點MCI指數(shù)為輕旱時，權(quán)重系數(shù)(S2)為4個等級干旱日數(shù)均值除以輕旱日數(shù)，同理得到站點MCI指數(shù)為中旱、重旱、特旱的權(quán)重；若MCI>-0.5(無干旱)，則S2=0。區(qū)域MCI指數(shù)加權(quán)均值(DI指數(shù))具體計算公式如下：

式中：MCIi為i站日MCI值，S1根據(jù)表1站點權(quán)重取值，S2根據(jù)站點當日MCI指數(shù)干旱等級取權(quán)重值。

2 區(qū)域干旱年度評估指數(shù)(MCIe)設(shè)計

2.1 干旱事件識別

OITREE(an objective identification technique for regional extreme events)方法[32]提出了“糖葫蘆串”模型，著眼于極端事件的持續(xù)性和區(qū)域性，將事件的強度、時間及范圍等各項指數(shù)，“串”成一串從而構(gòu)成一個完整的區(qū)域性事件，對客觀評估區(qū)域性極端事件有意義。該方法應(yīng)用于中國西南地區(qū)區(qū)域性氣象干旱事件研究，取得較好的結(jié)果[33]。本文利用OITREE方法對衡邵區(qū)區(qū)域性氣象干旱事件進行識別。

將衡邵區(qū)逐日DI指數(shù)從小到大進行排序，并去除零值，DI指數(shù)閾值取-0.6～-0.1(第30%～70%分位值)，間隔0.05，取10～18 d作為干旱事件最低持續(xù)日數(shù)，分別進行試驗，獲得衡邵區(qū)全年及農(nóng)作物需水高峰期時段(6—9月、6—10月、5—9月、5—10月)DI指數(shù)三要素，即極端強度、累加強度、持續(xù)時間(進行統(tǒng)計評估時，由于累加強度和極端強度為負值，為便于計算，將累加強度和極端強度取絕對值)，利用TOPSIS(technique for order preference by similarity to an ideal solution)方法[34-35]進行區(qū)域干旱評估，得到各樣本區(qū)域干旱年度評估指數(shù)(MCIe)，分析其與干旱年景、作物受災面積的關(guān)系，將衡邵區(qū)6—10月，滿足DI≤-0.5，過程持續(xù)時間大于等于16 d的干旱事件納入統(tǒng)計，得到的DI指數(shù)三要素，用于區(qū)域干旱年度評估最優(yōu)。

2.2 干旱評估方法篩選及MCIe閾值

按上述方法優(yōu)選出來的衡邵區(qū)1961—2018年6—10月DI指數(shù)的極端強度、累加強度、持續(xù)時間，分別用聚類法、回歸法、主成分法、TOPSIS法等4種方法[36]，生成不同區(qū)域干旱年度評估指數(shù)(MCIe)，與干旱年景、受災面積進行雙變量相關(guān)性分析[36](表略)。發(fā)現(xiàn)各方法統(tǒng)計評估結(jié)果與干旱年景、受災面積的相關(guān)性均通過α=0.001的顯著性檢驗，其中聚類分析法相對其他方法偏差較大，回歸法和主成分法較好，TOPSIS法最優(yōu)。用TOPSIS法生成的MCIe指數(shù)，在使用S1權(quán)重后，與干旱年景、受災面積相關(guān)系數(shù)分別為0.82、0.75，較不使用S1權(quán)重系數(shù)的評估結(jié)果更優(yōu)。因此，TOPSIS方法適合衡邵區(qū)的區(qū)域干旱年度評估，且S1權(quán)重系數(shù)設(shè)計能優(yōu)化MCIe指數(shù)。將MCIe指數(shù)序列以平均值和標準差組合進行分級[37]，并根據(jù)衡邵區(qū)不同等級干旱年景占比對分級閾值進行人工干預，得到正常、干旱、大旱、特旱4個干旱等級對應(yīng)的MCIe指數(shù)閾值(表3)。

表3 1961—2018年湖南衡邵區(qū)不同干旱等級對應(yīng)的MCIe指數(shù)閾值Tab.3 The drought grade and corresponding MCIe index threshold in the Heng-Shao regions of Hunan Province during 1961-2018

3 MCIe指數(shù)檢驗

3.1 MCIe指數(shù)評估結(jié)果及檢驗

表4列出1961—2018年湖南衡邵區(qū)MCIe指數(shù)大小排序前13位及對應(yīng)干旱年景和受旱面積?？梢钥闯觯転膰乐氐?個特旱年MCIe排位均靠前，可見該方法對衡邵區(qū)嚴重干旱年度評估能力較強。1966年MCIe=0.83，排第二位，評估為特旱年(表3)，該評估結(jié)論較受災面積和干旱年景偏重，這可能與1964—1974年干旱災情統(tǒng)計資料不規(guī)范有關(guān)。1966年災情記錄：婁底漣源縣秋旱，其他地區(qū)夏秋連旱，雙峰縣7月13日起，88 d內(nèi)降水量僅13.3 mm，邵陽市7月中旬開始夏秋連旱長達3個月，衡陽夏秋連旱，90 d內(nèi)降水量僅7.9 mm，受災面積記錄卻只有928.3 km2，受災面積記錄明顯偏小，氣象災害大典評定衡邵區(qū)該年為大旱年。綜合分析1966年衡邵區(qū)雨情信息，MCIe指數(shù)評估結(jié)果較為可信。另外，MCIe指數(shù)排名后10位的年份，10 a評估為正常年，實際有3 a發(fā)生干旱，且干旱時段不在6—10月，說明對正常年評估能力可信(表略)。

表4 1961—2018年湖南衡邵區(qū)MCIe排序前13位及對應(yīng)的干旱年景、受旱面積Tab.4 The top 13 MCIe index and their corresponding annual drought status and drought-affected area in the Heng-Shao regions of Hunan Province during 1961-2018

2019年衡邵區(qū)MCIe指數(shù)為0.22，根據(jù)表3評估為干旱年，湖南統(tǒng)計年鑒[38]顯示2019年衡陽、邵陽、婁底、永州因旱受災情況均較輕，評估結(jié)果與該區(qū)域當年受旱情況基本一致；2020年衡邵區(qū)MCIe指數(shù)為0.24，根據(jù)表3評估為干旱年，2020年湖南省及各市氣候影響評價顯示，衡陽、邵陽、婁底出現(xiàn)輕度旱情，永州市旱情較重，衡邵區(qū)干旱評估結(jié)果與干旱受災情況基本吻合。可見MCIe指數(shù)對衡邵區(qū)2019年和2020年的干旱狀況有較好的評估能力。

3.2 特旱年(2013年)MCIe指數(shù)評估檢驗

對2013年特大干旱年干旱發(fā)展進行模擬，得到2013年6—8月湖南衡邵區(qū)MCIe指數(shù)的日變化(圖1)。可以看出，6月19日MCIe指數(shù)達0.07，干旱開始發(fā)展，6月19至7月21日，MCIe指數(shù)上升緩慢，7月21日開始指數(shù)上升加快，至7月26日，MCIe達0.31，達到大旱標準，8月1日，MCIe指數(shù)達0.52，達到特旱標準，8月1—21日，MCIe指數(shù)繼續(xù)上升，8月22日達0.81后不再上升。從干旱年度評估指數(shù)演變可見，衡邵區(qū)6月下旬干旱開始發(fā)展，7月中下旬迅速發(fā)展為大旱，8月上中旬繼續(xù)加重，8月下旬出現(xiàn)降水過程，干旱指數(shù)不再上升，干旱緩解。2013年7月31日湖南省防汛抗旱指揮部辦公室下發(fā)的《關(guān)于全省旱情及抗旱情況匯報》(2)湖南省防汛抗旱指揮部. 關(guān)于全省旱情及抗旱情況匯報,2013.指出：全省受旱范圍廣、旱情發(fā)展迅速，主要原因是降水量偏少，6月以來衡陽、邵陽等地降水量偏少3成以上，干旱災情與7月上旬相比全省受旱面積、飲水困難人口增加較快，特別是7月24日以來受災面積和飲水困難人口迅速增加。MCIe指數(shù)反映2013年7月下旬衡邵區(qū)為干旱迅速發(fā)展時段，與當年旱情演變基本一致，說明MCIe指數(shù)對衡邵區(qū)區(qū)域性干旱事件可起到快速評估、提前預警的作用。

圖1 2013年6—8月湖南衡邵區(qū)MCIe指數(shù)日變化Fig.1 The daily variation of MCIe index in the Heng-Shao regions of Hunan Province from June to August 2013

4 結(jié)論及討論

(1)根據(jù)《衡邵干旱走廊綜合治理規(guī)劃》中各縣(市、區(qū))干旱等級劃分，結(jié)合農(nóng)作物種植面積，重新設(shè)計各站點權(quán)重系數(shù)S1，使用其進行區(qū)域干旱評估優(yōu)于各站均值權(quán)重。

(2)整理1961—2018年衡邵區(qū)農(nóng)業(yè)受災情況，發(fā)現(xiàn)衡邵區(qū)區(qū)域性干旱發(fā)生率可達75.9%，1970年代和1990年代相對較輕，2000年后干旱呈頻發(fā)態(tài)勢。

(3)計算衡邵區(qū)各站MCI指數(shù)加權(quán)均值(DI指數(shù))，通過不同試驗，得到年度及作物需水高峰期(6—9月、6—10月、5—9月、5—10月)DI指數(shù)的極端強度、累加強度、持續(xù)時間三要素用于評估，對比發(fā)現(xiàn)：6—10月，DI≤-0.5，且過程持續(xù)時間大于等于16 d的干旱事件納入統(tǒng)計，得到的區(qū)域干旱年度評估指數(shù)(MCIe)最優(yōu)；對比4種統(tǒng)計評估方法發(fā)現(xiàn)TOPSIS方法計算的評估指數(shù)最好。

(4)基于區(qū)域干旱年度評估指數(shù)(MCIe)序列，采用平均值和標準差組合分級方式，得出正常、干旱、大旱、特旱的干旱等級閾值，并檢驗發(fā)現(xiàn)：MCIe指數(shù)對衡邵區(qū)特旱年和正常年有較強的評估能力，且2019年和2020年評估結(jié)論與實況基本一致；對2013年特旱年模擬時，MCIe指數(shù)能較好地擬合衡邵區(qū)旱情演變。

本文研究的區(qū)域干旱年度評估指數(shù)(MCIe)，對衡邵區(qū)區(qū)域干旱評估效果較好，可以為衡邵區(qū)干旱快速評估和預警提供支撐，滿足干旱早期業(yè)務(wù)需求。由于評估參數(shù)選取農(nóng)作物需水高峰期(6—10月)，對6—10月出現(xiàn)的干旱評估能力較好，但其他時段干旱評估有待進一步研究。