劉振男，焦衛(wèi)國，王笑宇，徐桂弘，吳安杰

（1.貴州理工學(xué)院土木工程學(xué)院，貴州貴陽 550001；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥 230036）

0 引言

干旱一直是抑制我國社會經(jīng)濟健康發(fā)展的不利因素，破壞力大、持續(xù)期久、隱蔽性強是干旱的典型特征［1，2］。近半個世紀以來，我國有21 年發(fā)生過特大干旱事件，因其造成經(jīng)濟損失約為當(dāng)年GDP 的3%［3］。受氣候變化與人類活動的雙重影響，我國干旱時空演變規(guī)律出現(xiàn)顯著變化，即干旱不再是干旱、半干旱地區(qū)的專屬產(chǎn)物，諸如貴州等濕潤、半濕潤地區(qū)也接連出現(xiàn)干旱問題。如2005 年、2006 年、2009 年及2010 年，貴州省連續(xù)發(fā)生嚴重旱情，造成了巨大的經(jīng)濟損失，嚴重威脅了該地區(qū)的糧食安全與用水安全，成為了當(dāng)?shù)刎酱鉀Q的現(xiàn)實難題。為此，準確識別、模擬貴州省農(nóng)業(yè)干旱過程對其防旱減災(zāi)工作具有重要的指導(dǎo)意義。

農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測通常是依據(jù)判定土壤含水量匱乏對農(nóng)作物生長不利影響所實現(xiàn)的［4，5］。因此，學(xué)者們圍繞土壤含水量研制了諸如土壤濕度距平指數(shù)、土壤濕度百分位數(shù)指數(shù)、標準化土壤濕度指數(shù)等大量指標，完成了農(nóng)業(yè)干旱的識別與評價工作。郭燾等［6］基于MODIS 數(shù)據(jù)反演計算了地表含水量指數(shù)對內(nèi)蒙古錫林郭勒的干旱情況進行了有效分析；吳志勇等［7］運用土壤含水量距平指數(shù)對長江流域上游近60 年的歷史干旱事件進行了深度研究；周洪奎等［8］應(yīng)用標準化土壤濕度指數(shù)對黃淮海平原的農(nóng)業(yè)干旱進行了監(jiān)測與評價；楊文靜等［9］同樣采用標準化土壤濕度指數(shù)對灤河流域的農(nóng)業(yè)干旱進行了監(jiān)測與分析。上述研究成果均表明利用土壤含水量構(gòu)造相應(yīng)的干旱指標是準確評價農(nóng)業(yè)干旱的有效手段。截止目前，基于土壤含水量研制的干旱指標在貴州省農(nóng)業(yè)干旱識別與評價中的應(yīng)用鮮有發(fā)現(xiàn)，且標準化土壤濕度指數(shù)在眾多該類型指數(shù)中優(yōu)勢明顯。因此，本文基于中國陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)土壤水分產(chǎn)品計算得到了標準化土壤濕度指數(shù)，分析、評價了貴州省農(nóng)業(yè)干旱情勢。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省地處我國西南，東徑103°36′～109°31′，北緯24°37′～29°13′之間，有面積在1 000 hm2以上的農(nóng)業(yè)壩子300余個，是典型的多雨、濕潤地區(qū)，但近年來干旱事件頻發(fā)，由此引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注［10-12］。貴州省地勢特征明顯，由西至東順勢走低，平均海拔約1 100 m，山地與丘陵面積占總面積的9成以上，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年內(nèi)氣溫變幅不大，多雨但年內(nèi)分布不均，降水多出現(xiàn)于夏、秋兩季，年均降水量約為1 160.6 mm。境內(nèi)各地陰天日數(shù)一般超過150 d，常年相對濕度在70%以上。氣候不穩(wěn)定，災(zāi)害性天氣種類較多，干旱、秋風(fēng)、凌凍、冰雹等頻度大，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危害嚴重。

1.2 數(shù)據(jù)來源

中國氣象局全球大氣∕陸面再分析產(chǎn)品（CMA-RA）是由國家氣象信息中心牽頭研制的，更適用于我國實際情況的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。其中，全球陸面再分析產(chǎn)品（CMA-RA∕Land）是基于離線的陸面模式研發(fā)，并參考國際其他數(shù)據(jù)產(chǎn)品的標準研發(fā)制備的，該產(chǎn)品包括34 km×34 km、0.5°×0.5°、1.0°×1.0°三種空間分辨率，3 h、1 d、1個月3種時間分辨率，數(shù)據(jù)產(chǎn)品為netCDF 格式，可登錄中國氣象數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)（http：∕∕data.cma.cn∕）進行檢索下載。已有研究證實，0～10 cm 土層的含水量能夠有效表征農(nóng)業(yè)干旱的實際情況［13，14］。因此，本文采用0.5°×0.5°空間分辨率、1 個月時間分辨率的同化產(chǎn)品“CRA40LAND”中的土壤含水量數(shù)據(jù)（0～10 cm）進行研究，時間跨度為2009年01月至2020年12月。

1.3 標準化土壤濕度指數(shù)

標準化土壤濕度指數(shù)（Standardized Soil moisture Index，SSI）是評價農(nóng)業(yè)干旱最有效的指標之一［15］，其具體計算原理與標準化降水指數(shù)（Standardized Precipitation Index，SPI）等干旱指標相近，即基于已有的概率密度函數(shù)對土壤含水量數(shù)據(jù)序列進行擬合試算，采用Kolmogorov-Smirnov 檢驗進行評價，進而優(yōu)選出最適合構(gòu)建干旱指標的概率分布函數(shù)，通常采用的概率密度函數(shù)包括正態(tài)分布、伽馬分布、皮爾遜III 型分布、廣義極值分布等。若優(yōu)選得到的概率分布不是正態(tài)分布，則需要對土壤含水量數(shù)據(jù)序列的累積分布函數(shù)進行標準化處理。由于研究區(qū)的土壤含水量數(shù)據(jù)序列經(jīng)K-S檢驗（顯著性為0.826）符合正態(tài)分布，因此，月尺度SSI的值可由下式計算：

式中：SM代表月尺度土壤含水量的數(shù)值；μ代表月尺度土壤含水量的平均值；σ代表月尺度土壤含水量數(shù)值的標準差。

若SSI的值大于0，則表示濕潤；反之，則表示干旱。依據(jù)世界氣象組織（WMO）建議的干旱等級劃分標準［16］，即干旱等級應(yīng)包括輕旱、中旱、重旱以及特旱。若基礎(chǔ)數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布且對應(yīng)的干旱指數(shù)進行了標準化操作，則干旱等級可按1σ、1.5σ與2σ作為分隔點進行劃分，故表1 給出了SSI的干旱劃分等級標準。

表1 標準化土壤濕度指數(shù)（SSI）干旱等級劃分表Tab.1 drought classification table of SSI

1.4 趨勢分析方法

圖1 研究區(qū)地理位置圖（摘自貴州省自然資源廳）Fig.1 Location of Guizhou Province

Mann-Kendall（M-K）檢驗方法作為一種非參數(shù)檢驗方法，其優(yōu)點在于不要求假設(shè)目標數(shù)據(jù)符合任何分布，即可對目標數(shù)據(jù)序列進行長期變化趨勢分析，且計算過程簡便易行，具體原理可參見文獻［17］。本文采用該方法對貴州省農(nóng)業(yè)干旱進行長期趨勢變化分析，關(guān)鍵在于計算評價M-K 的統(tǒng)計量Z值。當(dāng)Z>0 時，代表趨勢上行；反之，代表趨勢下行。若∣Z∣>1.64，說明結(jié)果通過了置信水平為10%的顯著性檢驗；若∣Z∣>2.32，說明結(jié)果通過了置信水平為5%的顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 標準化土壤濕度指數(shù)的適用性分析

貴州省實際干旱情況收集自由中國水利部每年定時發(fā)布的《中國水旱災(zāi)害公報》，網(wǎng)址為http：∕∕www.mwr.gov.cn∕sj∕tjgb∕zgshzhgb∕，自2019 年起，更名為《中國水旱災(zāi)害防御公報》。據(jù)統(tǒng)計，在2009 年至2020 年的12 年間，貴州省共有5 年出現(xiàn)了干旱情況，分別發(fā)生于2009 年、2010 年、2011 年、2012 年及2014年。為了提高標準化土壤濕度指數(shù)在干旱識別中的靈敏度，以SSI≤-0.5 作為干旱發(fā)生的判別條件，以其持續(xù)的時間作為干旱歷時，以其最小值作為干旱強度的判別條件。

貴州省實際的干旱情況與標準化土壤濕度指數(shù)間的對比情況如表2 與圖2 所示。由表2 與圖2 可知，采用SSI對貴州省旱情進行識別的結(jié)果與實際情況大體相同，不僅干旱歷時評價客觀，且干旱強度也較為準確。相較之下，SSI對2009年至2010年的秋冬春三季連旱與2011 年至2012 年的連旱評價更為精準，尤其是在干旱強度評價方面優(yōu)勢明顯，如《中國水旱災(zāi)害公報》里有3 次明確指出最嚴重旱情出現(xiàn)的時間分別為2010 年3月與4 月、2011 年9 月及2012 年3 月，而SSI的最小值對應(yīng)的時間亦為2010 年3 月、2011 年9 月及2012 年3 月。上述結(jié)果表明，月尺度標準化土壤濕度指數(shù)對研究區(qū)的干旱評價具有較好的適用性與可信度。

圖2 貴州省標準化土壤濕度指數(shù)月均值時間序列Fig.2 Time series of monthly SSI in Guizhou Province

表2 標準化土壤濕度指數(shù)（SSI）與實際旱情對比統(tǒng)計表Tab.2 Comparative statistics between SSI and actual drought

2.2 標準化土壤濕度指數(shù)監(jiān)測干旱過程的能力分析

以2009 年9 月至2010 年4 月發(fā)生的秋冬春三季連旱為例，分析月尺度SSI對干旱全過程的監(jiān)測能力。《中國水旱災(zāi)害公報》顯示：貴州省于2009 年9 月中旬開始出現(xiàn)旱情，旱情先發(fā)于貴州省銅仁、遵義、畢節(jié)、黔東南、黔南等地，即貴州省東北部、北部、西北部及東南部，直至2009 年12 月旱情開始蔓延至全省，2010年3月與4月，貴州省西部及南部旱情等級達到特旱。

圖3給出了貴州省2009年9月至2010年4月干旱事件演變過程情況。從時間角度分析，本次旱情從2009 年9 月開始發(fā)生［圖3（a）］，并逐漸加重，直至2010 年3 月達到峰值［圖3（g），-3.018 5，特旱］，而后旱情有所緩解；從空間角度分析，本輪旱情發(fā)源于貴州省東北部，旱情等級為重旱，同時東南部也出現(xiàn)了中旱［圖3（a）］，2009 年11 月旱情蔓延至全省，大部分地區(qū)的旱情等級為中旱［圖3（c）］，2010 年3 月旱情逐漸加重，西部與南部地區(qū)的旱情等級普遍達到特旱，東部地區(qū)的旱情已開始有所減弱。綜上可知，月尺度SSI的時空演變特征與實際情況高度一致，唯有旱情蔓延至全省的時間較實際情況提前了1個月，表明標準化土壤濕度指數(shù)能夠有效反映實際的干旱情況，時間響應(yīng)及時、空間表征客觀，是捕捉貴州省旱情時空發(fā)展規(guī)律的有效指標。

圖3 2009-2010年貴州省旱情時空演變過程Fig.3 Temporal and spatial evolution of drought in Guizhou Province from 2009 to 2010

2.3 貴州省干濕演變趨勢分析

由于M-K 檢驗的統(tǒng)計值Z能夠反映干濕變化趨勢，Z值為正表示濕潤，反之為干旱。為此，圖4 給出了2009 年01 月至2020 年12 月間貴州省SSI的Z值空間分布情況。由圖4 可知，貴州省總體上呈現(xiàn)出了自西向東逐漸由濕變干的總趨勢。具體表現(xiàn)為：貴州省變濕的地區(qū)主要集中在西北部、西南部等地，且大部分地區(qū)通過了置信水平為10%的顯著性檢驗，特別是畢節(jié)地區(qū)通過了置信水平為5%的顯著性檢驗；與此同時，貴州省東南部地區(qū)表現(xiàn)出了變干趨勢，且部分區(qū)域通過了置信水平為10%的顯著性檢驗。可見，未來貴州省應(yīng)加強東南部地區(qū)的防旱減災(zāi)工作力度。

圖4 貴州省標準化土壤濕度指數(shù)序列統(tǒng)計值Z空間分布Fig.4 Spatial distribution of SSI series of Z in Guizhou Province

為了進一步為當(dāng)?shù)馗珊殿A(yù)警防治工作提供有效信息，以每年首次出現(xiàn)SSI≤-0.5 的時間作為干旱發(fā)生月份，統(tǒng)計了干旱發(fā)生月份與其對應(yīng)的頻率值，以最大頻率為標準，遴選出各格點干旱最可能開始發(fā)生月份，據(jù)此繪制了貴州省干旱最可能開始發(fā)生月份的空間分布。由圖5 可知，貴州省西北地區(qū)干旱起始時間主要集中在1 月份，東部及東南地區(qū)干旱起始時間主要發(fā)生在2 月份，中部地區(qū)干旱起始時間通常出現(xiàn)在3 月份與4 月份，西南地區(qū)干旱起始時間大多集中在4月份。

圖5 貴州省干旱最可能開始發(fā)生月份空間分布Fig.5 Spatial distribution of the most likely onset of drought in Guizhou Province

3 討論

由于貴州省是典型喀斯特地貌，導(dǎo)致其土壤水分情況較其他地區(qū)更難探明，進而使農(nóng)業(yè)干旱研究進程相對遲緩。為此，本文基于中國陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)土壤水分產(chǎn)品，計算了月尺度SSI，從SSI與實際災(zāi)害記錄對比、SSI監(jiān)測干旱過程能力以及SSI表征干濕趨勢變化角度，綜合評價了SSI監(jiān)測貴州省農(nóng)業(yè)干旱的適用性與可靠性，研究成果可為貴州省農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測以及抗旱減災(zāi)工作提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

雖然研究取得了一些成果，但尚有不足。土壤含水量數(shù)據(jù)是基于同化模型模擬所得，空間分辨率僅為0.5°，無法全面刻畫研究區(qū)土壤水分空間分布細節(jié)信息，今后可采用降尺度等方法提高數(shù)據(jù)精度，以便更準確、客觀地監(jiān)測研究區(qū)干旱空間分布情況。另外，基于土壤含水量構(gòu)建的農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)種類繁多，本文僅圍繞SSI展開了相關(guān)研究，未對SSI與其他同類型干旱指數(shù)間的差異性進行對比分析，后續(xù)可就此開展專題討論。

4 結(jié)論

基于中國氣象局全球陸面再分析產(chǎn)品（CMA-RA∕Land）對貴州省的土壤含水量進行了提取處理，并據(jù)此計算了標準化土壤濕度指數(shù)對該地區(qū)的農(nóng)業(yè)干旱進行了評價分析。結(jié)果表明：

（1）標準化土壤濕度指數(shù)能夠準確評價貴州省近10年的農(nóng)業(yè)干旱情況，可作為研究區(qū)監(jiān)測農(nóng)業(yè)干旱的有效指標；

（2）標準化土壤濕度指數(shù)在監(jiān)測重旱以上旱情過程方面能力突出，通過與2009-2010 年秋冬春三季連旱實測災(zāi)害記錄對比發(fā)現(xiàn)，該指數(shù)在描述農(nóng)業(yè)干旱時空演變規(guī)律中，時間響應(yīng)及時、空間表征客觀；

（3）貴州省干濕演變趨勢特征明顯，總體上呈現(xiàn)出了自西向東逐漸由濕變干的總趨勢，尤其是研究區(qū)東南部等地未來發(fā)生干旱的可能性較大，當(dāng)?shù)貞?yīng)進一步加強防旱減災(zāi)工作力度。