彭雙姿,劉鑫淼,陳 濤,楊 敏,許 笛,曠煜菲,肖美英
(1.湖南省衡陽(yáng)市氣象局,湖南 衡陽(yáng) 421001;2.成都信息工程大學(xué),四川 成都 610225;3.湖南省邵陽(yáng)市氣象局,湖南 邵陽(yáng) 422000)
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(wèn)題尤為突出[1-3]。2004—2015年中國(guó)因干旱災(zāi)害導(dǎo)致的年均經(jīng)濟(jì)損失達(dá)640.7億元,其嚴(yán)重制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[4]。我國(guó)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(yán)重程度增大。如2000、2001、2003、2004、2006、2010年,中國(guó)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(guó)南方地區(qū)干旱特征的研究越來(lái)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(dú)特的地形地貌和降水時(shí)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(shì)發(fā)展[10-11]。另外,其特定的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)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(píng)估研究,對(duì)制定抗旱對(duì)策,應(yīng)對(duì)干旱缺水問(wèn)題意義重大。
1997年美國(guó)氣象學(xué)會(huì)把干旱分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(guò)程,可以根據(jù)氣象干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果與不同類型干旱的傳遞規(guī)律對(duì)其他類型干旱進(jìn)行早期預(yù)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)特點(diǎn)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(duì)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(shí)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(yùn)用在長(zhǎng)江中下游地區(qū)時(shí),顯示旱情發(fā)展過(guò)快且偏重[23]。2017年中國(guó)氣象局提出了新的氣象干旱綜合監(jiān)測(cè)指數(shù)(MCI)[24],該指數(shù)廣泛應(yīng)用于全國(guó)氣象干旱監(jiān)測(cè)評(píng)估[4,25-30],但MCI指數(shù)在湖南中南部的適用性研究鮮有報(bào)道。
本文收集整理衡邵干旱走廊1961—2018年干旱災(zāi)情資料,建立長(zhǎng)時(shí)間序列的氣象干旱綜合監(jiān)測(cè)指數(shù)(MCI),并基于MCI指數(shù)建立區(qū)域干旱年度評(píng)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(zāi)害損失及保障農(nóng)作物生產(chǎn)等提供參考依據(jù)。
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(yáng)市、邵陽(yáng)市、婁底市全境,以及永州市北部4縣(市)(新田、東安、祁陽(yáng)、冷水灘),共計(jì)33個(gè)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(zāi)人口百分比、農(nóng)作物受災(zāi)面積百分比、缺水率、經(jīng)濟(jì)損失百分比、石漠化程度5項(xiàng)指標(biāo),建立衡邵干旱走廊地區(qū)的旱情評(píng)價(jià)體系。采用層次分析法進(jìn)行干旱綜合評(píng)價(jià)分析,對(duì)33個(gè)縣(市、區(qū))進(jìn)行干旱等級(jí)劃分,分為嚴(yán)重干旱、重度干旱、中度干旱和一般干旱4個(gè)等級(jí)。
衡邵干旱走廊作為一個(gè)整體開展干旱評(píng)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(shí),不同區(qū)域干旱等級(jí)相同但受災(zāi)面積不同,各站對(duì)區(qū)域干旱評(píng)估指數(shù)貢獻(xiàn)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(shuō)明在氣象干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)相同情況下,漣源市對(duì)總干旱評(píng)估指數(shù)貢獻(xiàn)比冷水江市更大。本文結(jié)合國(guó)家氣象站點(diǎn)分布,將《衡邵干旱走廊綜合治理規(guī)劃》33個(gè)縣(市、區(qū))中27個(gè)縣(市、區(qū))列為衡邵區(qū)干旱監(jiān)測(cè)評(píng)估研究區(qū)域(簡(jiǎn)稱“衡邵區(qū)”),33個(gè)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(yáng)市區(qū)轄蒸湘區(qū)、雁峰區(qū)、石鼓區(qū)、珠暉區(qū),合為衡陽(yáng)市;邵陽(yáng)市區(qū)轄北塔區(qū)、雙清區(qū)、大祥區(qū),合為邵陽(yáng)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(jí)分級(jí)及其種植面積占比,將衡邵區(qū)干旱等級(jí)劃分為嚴(yán)重干旱、中度干旱、一般干旱,通過(guò)對(duì)比不同權(quán)重系數(shù)的評(píng)估結(jié)果,得到嚴(yán)重干旱、中度干旱、一般干旱對(duì)應(yīng)站點(diǎn)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(jí)劃分及站點(diǎn)權(quán)重系數(shù)。
表1 湖南衡邵區(qū)干旱等級(jí)劃分及站點(diǎn)權(quán)重系數(shù)Tab.1 The drought grades classification and stations’ weight coefficients in the Heng-Shao regions of Hunan Province
1.2.1 資 料
湖南統(tǒng)計(jì)年鑒、湖南農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒、《中國(guó)氣象災(zāi)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(gè)國(guó)家級(jí)氣象站1961—2018年逐日溫度、降水資料用于計(jì)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(zāi)情況,對(duì)衡邵區(qū)干旱年景進(jìn)行劃分。1961—2000年以《中國(guó)氣象災(zāi)害大典:湖南卷》為基礎(chǔ),其他資料為補(bǔ)充,2001—2018年以湖南農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒中干旱受災(zāi)資料為基礎(chǔ),其他資料為補(bǔ)充,綜合分析后將1961—2018年衡邵區(qū)干旱年景劃分為4級(jí):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(jì)達(dá)75.9%。且年代際分布不均,20世紀(jì)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(jì)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(duì)較少發(fā)生,2000年以后干旱呈頻發(fā)態(tài)勢(shì)。
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(shí)間不一,1980年以前資料缺失較多,1980年以后也有部分觀測(cè)資料缺失造成MCI缺失??紤]資料缺失對(duì)分析結(jié)果帶來(lái)較大誤差,對(duì)單站缺失資料進(jìn)行插補(bǔ)修正。缺失資料時(shí)間尺度小于7 d的站點(diǎn),采用站點(diǎn)缺失資料部分兩端資料進(jìn)行內(nèi)插訂正。缺失資料大于7 d的站點(diǎn),選取距離該站最近的5個(gè)站點(diǎn)中,相關(guān)系數(shù)最好的2個(gè)站點(diǎn),進(jìn)行逐日插補(bǔ)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(duì)MCI指數(shù)進(jìn)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(shí)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(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)和評(píng)估模型時(shí),將各站不同等級(jí)干旱日數(shù)按均值倒數(shù)法計(jì)算站點(diǎn)MCI指數(shù)的權(quán)重系數(shù)(S2)[24]:統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)各站MCI指數(shù)達(dá)到輕旱、中旱、重旱、特旱的日數(shù)及4個(gè)等級(jí)干旱日數(shù)均值(4個(gè)干旱等級(jí)總?cè)諗?shù)除以4);當(dāng)站點(diǎn)MCI指數(shù)為輕旱時(shí),權(quán)重系數(shù)(S2)為4個(gè)等級(jí)干旱日數(shù)均值除以輕旱日數(shù),同理得到站點(diǎn)MCI指數(shù)為中旱、重旱、特旱的權(quán)重;若MCI>-0.5(無(wú)干旱),則S2=0。區(qū)域MCI指數(shù)加權(quán)均值(DI指數(shù))具體計(jì)算公式如下:
式中:MCIi為i站日MCI值,S1根據(jù)表1站點(diǎn)權(quán)重取值,S2根據(jù)站點(diǎn)當(dāng)日MCI指數(shù)干旱等級(jí)取權(quán)重值。
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(qiáng)度、時(shí)間及范圍等各項(xiàng)指數(shù),“串”成一串從而構(gòu)成一個(gè)完整的區(qū)域性事件,對(duì)客觀評(píng)估區(qū)域性極端事件有意義。該方法應(yīng)用于中國(guó)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(duì)衡邵區(qū)區(qū)域性氣象干旱事件進(jìn)行識(shí)別。
將衡邵區(qū)逐日DI指數(shù)從小到大進(jìn)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(jìn)行試驗(yàn),獲得衡邵區(qū)全年及農(nóng)作物需水高峰期時(shí)段(6—9月、6—10月、5—9月、5—10月)DI指數(shù)三要素,即極端強(qiáng)度、累加強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間(進(jìn)行統(tǒng)計(jì)評(píng)估時(shí),由于累加強(qiáng)度和極端強(qiáng)度為負(fù)值,為便于計(jì)算,將累加強(qiáng)度和極端強(qiáng)度取絕對(duì)值),利用TOPSIS(technique for order preference by similarity to an ideal solution)方法[34-35]進(jìn)行區(qū)域干旱評(píng)估,得到各樣本區(qū)域干旱年度評(píng)估指數(shù)(MCIe),分析其與干旱年景、作物受災(zāi)面積的關(guān)系,將衡邵區(qū)6—10月,滿足DI≤-0.5,過(guò)程持續(xù)時(shí)間大于等于16 d的干旱事件納入統(tǒng)計(jì),得到的DI指數(shù)三要素,用于區(qū)域干旱年度評(píng)估最優(yōu)。
按上述方法優(yōu)選出來(lái)的衡邵區(qū)1961—2018年6—10月DI指數(shù)的極端強(qiáng)度、累加強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)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(píng)估指數(shù)(MCIe),與干旱年景、受災(zāi)面積進(jìn)行雙變量相關(guān)性分析[36](表略)。發(fā)現(xiàn)各方法統(tǒng)計(jì)評(píng)估結(jié)果與干旱年景、受災(zāi)面積的相關(guān)性均通過(guò)α=0.001的顯著性檢驗(yàn),其中聚類分析法相對(duì)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(zāi)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(píng)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(píng)估,且S1權(quán)重系數(shù)設(shè)計(jì)能優(yōu)化MCIe指數(shù)。將MCIe指數(shù)序列以平均值和標(biāo)準(zhǔn)差組合進(jìn)行分級(jí)[37],并根據(jù)衡邵區(qū)不同等級(jí)干旱年景占比對(duì)分級(jí)閾值進(jìn)行人工干預(yù),得到正常、干旱、大旱、特旱4個(gè)干旱等級(jí)對(duì)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(jí)對(duì)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
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(duì)應(yīng)干旱年景和受旱面積??梢钥闯觯転?zāi)嚴(yán)重的8個(gè)特旱年MCIe排位均靠前,可見該方法對(duì)衡邵區(qū)嚴(yán)重干旱年度評(píng)估能力較強(qiáng)。1966年MCIe=0.83,排第二位,評(píng)估為特旱年(表3),該評(píng)估結(jié)論較受災(zāi)面積和干旱年景偏重,這可能與1964—1974年干旱災(zāi)情統(tǒng)計(jì)資料不規(guī)范有關(guān)。1966年災(zāi)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?jī)H13.3 mm,邵陽(yáng)市7月中旬開始夏秋連旱長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月,衡陽(yáng)夏秋連旱,90 d內(nèi)降水量?jī)H7.9 mm,受災(zāi)面積記錄卻只有928.3 km2,受災(zāi)面積記錄明顯偏小,氣象災(zāi)害大典評(píng)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(píng)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(píng)估為正常年,實(shí)際有3 a發(fā)生干旱,且干旱時(shí)段不在6—10月,說(shuō)明對(duì)正常年評(píng)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(duì)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(píng)估為干旱年,湖南統(tǒng)計(jì)年鑒[38]顯示2019年衡陽(yáng)、邵陽(yáng)、婁底、永州因旱受災(zāi)情況均較輕,評(píng)估結(jié)果與該區(qū)域當(dāng)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(píng)估為干旱年,2020年湖南省及各市氣候影響評(píng)價(jià)顯示,衡陽(yáng)、邵陽(yáng)、婁底出現(xiàn)輕度旱情,永州市旱情較重,衡邵區(qū)干旱評(píng)估結(jié)果與干旱受災(zāi)情況基本吻合。可見MCIe指數(shù)對(duì)衡邵區(qū)2019年和2020年的干旱狀況有較好的評(píng)估能力。
對(duì)2013年特大干旱年干旱發(fā)展進(jìn)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)??梢钥闯觯?月19日MCIe指數(shù)達(dá)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(dá)0.31,達(dá)到大旱標(biāo)準(zhǔn),8月1日,MCIe指數(shù)達(dá)0.52,達(dá)到特旱標(biāo)準(zhǔn),8月1—21日,MCIe指數(shù)繼續(xù)上升,8月22日達(dá)0.81后不再上升。從干旱年度評(píng)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(guò)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(bào)》(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(bào),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(lái)衡陽(yáng)、邵陽(yáng)等地降水量偏少3成以上,干旱災(zāi)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(lái)受災(zāi)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(shí)段,與當(dāng)年旱情演變基本一致,說(shuō)明MCIe指數(shù)對(duì)衡邵區(qū)區(qū)域性干旱事件可起到快速評(píng)估、提前預(yù)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
(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(jí)劃分,結(jié)合農(nóng)作物種植面積,重新設(shè)計(jì)各站點(diǎn)權(quán)重系數(shù)S1,使用其進(jìn)行區(qū)域干旱評(píng)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(zāi)情況,發(fā)現(xiàn)衡邵區(qū)區(qū)域性干旱發(fā)生率可達(dá)75.9%,1970年代和1990年代相對(duì)較輕,2000年后干旱呈頻發(fā)態(tài)勢(shì)。
(3)計(jì)算衡邵區(qū)各站MCI指數(shù)加權(quán)均值(DI指數(shù)),通過(guò)不同試驗(yàn),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(qiáng)度、累加強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間三要素用于評(píng)估,對(duì)比發(fā)現(xiàn):6—10月,DI≤-0.5,且過(guò)程持續(xù)時(shí)間大于等于16 d的干旱事件納入統(tǒng)計(jì),得到的區(qū)域干旱年度評(píng)估指數(shù)(MCIe)最優(yōu);對(duì)比4種統(tǒng)計(jì)評(píng)估方法發(fā)現(xiàn)TOPSIS方法計(jì)算的評(píng)估指數(shù)最好。
(4)基于區(qū)域干旱年度評(píng)估指數(shù)(MCIe)序列,采用平均值和標(biāo)準(zhǔn)差組合分級(jí)方式,得出正常、干旱、大旱、特旱的干旱等級(jí)閾值,并檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn):MCIe指數(shù)對(duì)衡邵區(qū)特旱年和正常年有較強(qiáng)的評(píng)估能力,且2019年和2020年評(píng)估結(jié)論與實(shí)況基本一致;對(duì)2013年特旱年模擬時(shí),MCIe指數(shù)能較好地?cái)M合衡邵區(qū)旱情演變。
本文研究的區(qū)域干旱年度評(píng)估指數(shù)(MCIe),對(duì)衡邵區(qū)區(qū)域干旱評(píng)估效果較好,可以為衡邵區(qū)干旱快速評(píng)估和預(yù)警提供支撐,滿足干旱早期業(yè)務(wù)需求。由于評(píng)估參數(shù)選取農(nóng)作物需水高峰期(6—10月),對(duì)6—10月出現(xiàn)的干旱評(píng)估能力較好,但其他時(shí)段干旱評(píng)估有待進(jìn)一步研究。