氣象干旱指數(shù)與區(qū)域干旱受旱成災(zāi)面積和徑流豐枯關(guān)系研究

氣象干旱指數(shù)與區(qū)域干旱受旱成災(zāi)面積和徑流豐枯關(guān)系研究

1干旱指數(shù)的研究干旱是世界上最復(fù)雜的自然災(zāi)害。干旱指數(shù)是監(jiān)測、評估和研究干旱發(fā)生和發(fā)展的基礎(chǔ)。干旱指數(shù)自19世紀以來已采取各種形式的干旱指數(shù)。但由于干旱形成的復(fù)雜性和影響的廣泛性,至今還沒有完善統(tǒng)一的干旱指標(biāo)體系。近年來考慮多種因素的綜合干旱指數(shù)的研究和應(yīng)用成為干旱指數(shù)研究的一個方向,如用于美國國家級干旱監(jiān)測業(yè)務(wù)的TheDroughtMonitor和目前用于我國干旱實時監(jiān)測的綜合干旱指數(shù)Ci。由于各行各業(yè)對干旱的理解不盡相同,綜合干旱指數(shù)的研制仍然只能處于不斷的探索和完善的研究中。干旱的最初體現(xiàn)是大氣的有效降水顯著減少,即氣象干旱,因此,本文選擇目前國際上較為常用的帕默爾干旱指數(shù)(Palmerdroughtseverityindex,PDSI)和標(biāo)準化降水指數(shù)(standardizedprecipitationindex,SPI),利用1957～2007年全國范圍內(nèi)50km×50km分辨率的氣象資料進行綜合氣象干旱指數(shù)研究,并利用區(qū)域受旱/成災(zāi)面積和徑流資料對其可行性進行檢驗。2干旱指數(shù)spi常見的氣象干旱指數(shù)可以分為3類:(1)降水指數(shù),如降水距平、SPI等。這類指數(shù)簡單易行,但把干旱這種復(fù)雜的綜合現(xiàn)象簡單歸結(jié)為一個要素的影響,是不夠全面和完善的。(2)多要素氣象干旱指數(shù),如降水溫度均一化指數(shù)等。這類指數(shù)同時考慮了時段降水量及氣溫、蒸發(fā)量等的影響,但這類指數(shù)一般都有適用范圍,不具有普適性。(3)復(fù)雜氣象干旱指數(shù),如PDSI等。這類指數(shù)一般包含2個以上的要素,考慮水分或熱量平衡過程,對資料要求高,計算程序較為復(fù)雜。具有多種時間尺度的SPI,是McKee等在評估美國科羅拉多州干旱狀況時提出的。袁文平等認為SPI優(yōu)于Z指數(shù),能夠有效地反映各個區(qū)域和各個時段的旱澇狀況。PDSI是1965年P(guān)almer提出的基于“對當(dāng)前情況氣候上適宜降水”的干旱指數(shù),它不但在美國得到了廣泛的認可和應(yīng)用,在國際上也享有盛名。安順清等針對我國的情況對PDSI進行了修正。衛(wèi)捷等指出PDSI能夠抓住降水是干旱最重要的決定因素,比降水距平百分率能夠更準確地描述干旱強度。Guttman對PDSI和SPI比較分析表明,SPI比PDSI更具有統(tǒng)計上的一致性。但SPI沒有考慮溫度、蒸發(fā)等其它因素對干旱的影響。3干旱指數(shù)pdsi和雙程式氣象資料本文所用資料為中國氣象科學(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),選取1957～2007年全國范圍內(nèi)資料序列較長的611個站月平均最高、最低氣溫和月降水量,利用距離反比插值到全國范圍內(nèi)分辨率為50km×50km的網(wǎng)格上進行干旱指數(shù)計算。PDSI是利用劉巍巍等修正的帕默爾旱度模式計算的,其中月可能蒸散是按照FAO的觀點,根據(jù)其在某些氣象資料缺測時推薦的幾種相應(yīng)的方法,利用最高最低氣溫計算的。SPI是利用網(wǎng)格上降水量,逐月滾動計算5個時段(1、3、6、12、24個月)的月SPI值的。3.1pdsi與其它時間尺度的spi的關(guān)系在我國范圍內(nèi),對50km×50km的網(wǎng)格上的月PDSI值和月SPI值求面積加權(quán)平均得全國范圍的面平均干旱指數(shù)值。為了消除PDSI開始計算時值的不穩(wěn)定性及不同指數(shù)值具有相同的時間序列,取1959～2007年P(guān)DSI和SPI的月時間序列進行相關(guān)分析。PDSI與任何時間尺度的SPI的相關(guān)性均較高,與SPI1、SPI3、SPI6、SPI12和SPI24的相關(guān)系數(shù)分別為0.40、0.58、0.71、0.74和0.61,其中與SPI12的相關(guān)系數(shù)為最大,達到極值。這與Guttman的結(jié)論相一致,PDSI具有1年左右固有的時間尺度。為了進一步說明PDSI與不同時間尺度的SPI之間的相互關(guān)系,分別對各月PDSI值與SPI值做相關(guān)分析(表略)知:在夏半年(4～9月份),PDSI與所有時間尺度的SPI相關(guān)性都能通過0.01水平的顯著性檢驗;在任何月份,PDSI與6、12和24個月時間尺度的SPI的相關(guān)性均較高,這進一步說明PDSI干旱指數(shù)對中長期干旱的反映能力較好,而對短期干旱則難以反映。3.2干旱指數(shù)di的確定上述分析可知,考慮因素較為全面的PDSI能夠很好地反映中長期干旱,而SPI卻能夠反映不同時間尺度的降水異常。根據(jù)兩者的特征,將其結(jié)合起來,可生成綜合的氣象干旱指數(shù),從而既能反映不同的干旱狀況,又考慮了溫度等其它因素對干旱的影響。本文選擇反映月和季節(jié)降水異常的SPI1和SPI3與PDSI采用權(quán)重線性組合的方法,研制一種新的綜合氣象干旱指數(shù)DI。由于兩指數(shù)值具有不同的范圍和等級標(biāo)準,為了使兩者具有一致性,取兩者的分位數(shù)進行綜合,DI表達式為DI=a×S1+b×S2+c×P式中,S1、S2、P分別為SPI1、SPI3及PDSI根據(jù)其歷史序列計算出的各自當(dāng)前干(濕)狀況的分位數(shù);a、b、c為權(quán)重系數(shù)且a+b+c=1,其表達式分別為a1/(a1+b1+c1)、b1/(a1+b1+c1)、c1/(a1+b1+c1),a1、b1、c1為相對系數(shù),分別為全國范圍內(nèi)SPI1、SPI3和PDSI達到輕旱以上級別各指數(shù)的平均值除以歷史上出現(xiàn)最小干旱指數(shù)值的平均值。根據(jù)所計算的近50年來的氣象干旱指數(shù)值,最終得中國范圍內(nèi)的綜合氣象干旱指數(shù)DI的表達式為DI=0.3×S1+0.3×S2+0.4×P根據(jù)經(jīng)驗劃分綜合氣象干旱指數(shù)DI干旱等級并統(tǒng)計我國近50年來各等級平均出現(xiàn)頻率如表1所列,各等級發(fā)生頻率較符合我國干旱的實際。4綜合總結(jié)干旱指數(shù)的驗證4.1干旱受旱/成災(zāi)面積及與氣象干旱指數(shù)的關(guān)系嚴重的氣象干旱產(chǎn)生農(nóng)業(yè)干旱,干旱強度達到某一程度就能影響糧食產(chǎn)量,產(chǎn)生旱災(zāi),而干旱受旱/成災(zāi)面積是指多年來我國農(nóng)業(yè)受旱災(zāi)影響的基本情況,所以,氣象干旱指數(shù)與干旱受旱/成災(zāi)面積具有一定的相關(guān)性,能在一定程度上反映區(qū)域干旱受旱/成災(zāi)狀況。本文選取黑龍江、甘肅等10個省份1981～2006年的干旱受旱/成災(zāi)面積與氣象干旱指數(shù)進行比較分析,其中1981～2001年的干旱受旱/成災(zāi)面積來源于文獻,其余摘自防汛抗旱簡報。由于土壤含水量是農(nóng)業(yè)干旱的決定因素,在冬半年土壤蒸發(fā)較少,一般都處于飽和狀態(tài),所以本文認為干旱受旱/成災(zāi)面積主要受夏半年氣象因素的影響。對各個省份分別求4～9月份的氣象干旱指數(shù)的面積加權(quán)平均作為該省相應(yīng)年份的氣象干旱指數(shù)值。圖1為山東省1981～2006年干旱受旱/成災(zāi)面積及DI分布圖。由圖1可知,當(dāng)DI值較小,氣象干旱較為嚴重時,干旱受旱/成災(zāi)面積較大,反之亦然。表2為各個省份干旱受旱/成災(zāi)面積與氣象干旱指數(shù)的相關(guān)系數(shù)。由表2可知,干旱受旱/成災(zāi)面積與氣象干旱有著緊密的聯(lián)系,氣象干旱嚴重影響著農(nóng)業(yè)干旱。其中,干旱受旱/成災(zāi)面積與SPI1和SPI3的相關(guān)性較高,與SPI24的相關(guān)性較差,不能通過0.05的置信度檢驗。由此可見,干旱成災(zāi)主要是受季節(jié)降水的影響,而受長期氣象干旱的影響較小。并且DI與干旱受旱/成災(zāi)面積相關(guān)性均較高,相關(guān)系數(shù)均能通過0.01的置信度檢驗。因此,考慮因素較為全面的DI能在一定程度上反映干旱受旱/成災(zāi)范圍,并且比單個氣象干旱指數(shù)更能代表地表的濕潤狀況。4.2年平均徑流與集水面上的氣象干旱指數(shù)的關(guān)系河川徑流量是一個重要的水文要素,降水的空間分布和降水強度對徑流量具有一定的影響,本文把氣象干旱指數(shù)與徑流量作相關(guān)分析,找出氣象干旱與水文干旱之間的相互關(guān)系。本文選取中國范圍,不同氣候、地理分區(qū)下具有不同集水面積的10個水文站,如表3所列。圖2為處于湘江的湘潭站的年平均徑流量與其集水面上的年平均綜合氣象干旱指數(shù)DI的分布圖。由圖可知,年平均徑流量隨DI的變化而變化,如DI值較低,氣象干旱相對來說較為嚴重的80年代中期,對應(yīng)的徑流量也較小。由表3各水文測站年平均徑流量與其集水面上的平均氣象干旱指數(shù)相關(guān)系數(shù)知,各氣象干旱指數(shù)與徑流量的相關(guān)性均較高,氣象干旱在很大程度上能夠反映水文干旱。并且除三道河子、湘潭、外洲外,其它各站的徑流量與DI的相關(guān)系數(shù)均達最大,相關(guān)性最高。從單個氣象干旱指數(shù)與徑流量的相關(guān)性可知,處于中國中部和南部的一些河流的徑流量與SPI3的相關(guān)性較高,徑流的豐枯變化主要受季節(jié)降水的影響;而北方的一些河流的徑流量(如灤河)與PDSI的相關(guān)性較高,這可能是由于北方冬季溫度較低、河流封凍、土壤凍結(jié),春季溫度升高、冰雪消融,而PDSI考慮了溫度、土壤濕度等因素對干旱的影響,所以能在一定程度上比只考慮降水的SPI更能反映徑流的豐枯變化。5干旱指數(shù)di與農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱的關(guān)系本文在已有氣象干旱指數(shù)的基礎(chǔ)上,利用我國氣象資料計算1957～2007年50km×50km分辨率的月PDSI值和不同時間尺度的(1、3、6、12和24個月)月SPI值。對比研究兩指數(shù)的特征,提出綜合氣象干旱指數(shù)DI。DI不但反映短期(月)和長期(季)的降水量的氣候異常,而且考慮溫度、土壤含水量等因素表征的實際水分供應(yīng)持續(xù)少于氣候適宜水分供應(yīng)的水分虧缺。對DI與區(qū)域干旱受旱/成災(zāi)面積和徑流豐枯相互關(guān)系進行分析表明,DI能夠較好地反映區(qū)域干旱受旱/成災(zāi)范圍,以及河道徑流的豐枯狀況。研