基于CI指數(shù)的河北省干旱特征分析及R/S分析

史繼清， 甘臣龍， 扎西頓珠

(1.西藏高原大氣環(huán)境科學(xué)研究所，西藏拉薩 850000；2.西藏墨竹工卡縣氣象局，西藏拉薩 850200)

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基于CI指數(shù)的河北省干旱特征分析及R/S分析

史繼清1， 甘臣龍2， 扎西頓珠1

(1.西藏高原大氣環(huán)境科學(xué)研究所，西藏拉薩 850000；2.西藏墨竹工卡縣氣象局，西藏拉薩 850200)

采用《氣象干旱等級(jí)》國家標(biāo)準(zhǔn)中推薦使用的CI指數(shù)，分析了河北省38年來干旱變化情況、各月干旱指數(shù)的年變化過程，并采用R/S分析法預(yù)測了河北省各月干旱指數(shù)未來的變化趨勢。結(jié)果表明，河北省干旱發(fā)生頻率相對(duì)較高，但時(shí)空分布不均勻，1970～2007年河北省幾乎每年均有不同程度的季節(jié)干旱發(fā)生，春季和冬季干旱較為嚴(yán)重，秋季次之，夏季干旱程度最輕；38年的各月不同干旱指數(shù)變化趨勢均不顯著，但有一定的季節(jié)性特征；38年各月不同干旱指數(shù)呈現(xiàn)不同的Hurst現(xiàn)象，也有一定的季節(jié)性特征。

CI指數(shù)；干旱；特征分析；R/S分析；河北省

旱災(zāi)是涉及范圍最廣、歷時(shí)最長、對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響最大的自然災(zāi)害，每年因旱災(zāi)導(dǎo)致的糧食作物減產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)損失在各種自然災(zāi)害中居于首位。河北省作為我國糧食生產(chǎn)大省，糧食生產(chǎn)狀況對(duì)于確保全省乃至全國的糧食安全具有重要意義。近年來受全球氣候變暖的影響，旱災(zāi)還有不斷加重的趨勢，頻發(fā)而嚴(yán)重的旱災(zāi)已經(jīng)成為制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重要因素。為了全面了解河北省干旱的發(fā)生、發(fā)展趨勢，及時(shí)調(diào)整當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，因此要對(duì)其干旱的分布特征進(jìn)行深入研究[1]。

干旱指標(biāo)是干旱監(jiān)測、預(yù)警、評(píng)估中的關(guān)鍵參數(shù)。目前，對(duì)氣象干旱指標(biāo)已有大量的研究，不同學(xué)者提出了很多氣象干旱指標(biāo)，如Z指數(shù)、降水量和降水量距平百分率、相對(duì)濕潤度指數(shù)(MI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)等，并利用這些干旱指標(biāo)對(duì)各地干旱的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行了研究[2-7]。PDSI指數(shù)主要反映的是土壤干旱狀況，可以較好地監(jiān)測土壤水分以及徑流的變化情況，但對(duì)資料要求高，計(jì)算程序較為復(fù)雜，經(jīng)研究證明其有一定的局限性；袁文平等通過對(duì)比分析指出，SPI指數(shù)具有更加優(yōu)越的計(jì)算穩(wěn)定性而優(yōu)于Z指數(shù)[8]，但其理論上假定了旱澇發(fā)生概率相同，無法標(biāo)識(shí)旱澇頻發(fā)的地區(qū)，更沒有考慮水分的支出[9]。SPI等指數(shù)僅考慮降水因素，而造成氣象干旱的主要因素除了降水還有蒸發(fā)，因此選擇同時(shí)考慮降水和蒸發(fā)因子的綜合氣象干旱指數(shù)(CI)，與單純利用降水量的干旱指數(shù)相比具有較大的優(yōu)越性。鄒旭愷等基于CI指數(shù)對(duì)我國近50年的干旱趨勢進(jìn)行了研究[10-11]；李樹巖等基于CI指數(shù)分析了所研究區(qū)域的干旱分布的時(shí)空變化特征及成因[12-13]；劉玉蓮等根據(jù)CI指數(shù)研究了黑龍江省作物生長關(guān)鍵期的干旱變化[14]。目前，基于CI指數(shù)對(duì)河北省干旱變化特征、未來變化趨勢的研究較少。因此該研究基于SPI指數(shù)和MI指數(shù)構(gòu)建的綜合氣象干旱指數(shù)(CI)，分析了河北省38年來的干旱變化特征、各月干旱指數(shù)的年變化過程，并采用R/S分析法預(yù)測了河北省各月干旱指數(shù)未來的變化趨勢，以期為當(dāng)?shù)亻_展干旱服務(wù)業(yè)務(wù)、減緩干旱災(zāi)害影響、保障糧食安全提供一定的參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源河北省48個(gè)站點(diǎn)(圖1)的逐日氣象資料(1970～2007年)由河北省氣象局提供。

1.2 計(jì)算方法

1.2.1綜合氣象干旱指數(shù)(CI)。采用2006年11月開始實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)《氣象干旱等級(jí)(GB/T 20481-2006)》[15]中推薦使用的綜合氣象干旱指數(shù)，對(duì)河北省1971～2007年的干旱分布特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。綜合氣象干旱指數(shù)CI是利用近30 d(相當(dāng)月尺度)和近90 d(相當(dāng)季尺度)降水量標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，以及近 30 d相對(duì)濕潤指數(shù)進(jìn)行綜合而得，該指標(biāo)既反映短時(shí)間尺度(月)和長時(shí)間尺度(季)降水量氣候異常情況，又反映短時(shí)間尺度(影響農(nóng)作物)水分虧欠情況。該指標(biāo)適合實(shí)時(shí)氣象干旱監(jiān)測和歷史同期氣象干旱評(píng)估。CI的計(jì)算公式為：CI=aZ30+bZ90+cMI30,式中,Z30、Z90分別為近30 d和近90 d標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI值；MI30為近30 d相對(duì)濕潤度指數(shù)；a為近30 d標(biāo)準(zhǔn)化降水系數(shù)，由達(dá)輕旱以上級(jí)別Z30的平均值除以歷史出現(xiàn)的最小Z30值得到，平均取0.4；b為近90 d標(biāo)準(zhǔn)化降水系數(shù)，由達(dá)輕旱以上級(jí)別Z90的平均值除以歷史出現(xiàn)最小Z90值得到，平均取0.4；c為近30 d相對(duì)濕潤系數(shù)，由達(dá)輕旱以上級(jí)別MI30的平均值除以歷史出現(xiàn)最小MI30值得到，平均取0.8。通過此公式，利用前期平均氣溫、降水量可以滾動(dòng)計(jì)算出每天綜合干旱指數(shù)CI，進(jìn)行干旱監(jiān)測。

1.2.2標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)，標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI(Standard Precipitation Index)由Mckee等于1993年提出[16]。由于不同時(shí)間、不同地區(qū)降水量變化幅度很大，直接用降水量很難在不同時(shí)空尺度上相互比較，且降水分布是一種偏態(tài)分布，不是正態(tài)分布，所以在降水分析中，采用Γ分布概率來描述降水量的變化，然后再經(jīng)正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化求得SPI值。其具體計(jì)算步驟見文獻(xiàn)[17-18]。

1.2.4R/S分析法。R/S分析法(重標(biāo)度極差分析)，是一種描述和刻畫非線性時(shí)間序列的有效方法[20]。最初由英國水文學(xué)家Hurst于1951年在研究尼羅河水壩工程時(shí)提出，后經(jīng)過Mandelbrot[21]等多人的努力逐步得以完善，其具體計(jì)算步驟見文獻(xiàn)[22-23]。Hurst 指數(shù)(H)可反映將來對(duì)現(xiàn)有狀態(tài)的持續(xù)性。當(dāng)0.5

2 結(jié)果與分析

2.1 基于SPI、MI、CI 3個(gè)指數(shù)的干旱特征分析

2.1.1SPI指數(shù)反映的干旱特征分析。從河北省1970～2007年逐月平均SPI30的變化曲線(圖2a)可以看出,除2003年外，其他各年均有干旱月份出現(xiàn)，在1988年11月出現(xiàn)峰值，達(dá)到了重旱；其中4個(gè)月以上出現(xiàn)干旱的年份為1972、1975、1982、1995、1999、2001、2002、2005年，5個(gè)月以上出現(xiàn)干旱的年份有1972、1999、2002年，這與歷史干旱事實(shí)基本一致。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在38年中，干旱月份為100個(gè)月，占總數(shù)的21.9%，其中有21年出現(xiàn)中旱，34年出現(xiàn)輕旱，未出現(xiàn)特旱。由于時(shí)間尺度較短，干旱變化受短時(shí)間降水影響較大，數(shù)值在0線上下頻繁波動(dòng)，能夠反映出短時(shí)間內(nèi)的干旱變化特征[25]。

從SPI90變化過程(圖2b)可以看到，出現(xiàn)中旱的年份有1972、1984、1999、2005年，20世紀(jì)70年代和90年代后干旱較為嚴(yán)重，80年代干旱程度較輕。3個(gè)月尺度的SPI同樣受降水影響較大，數(shù)值在0線上下波動(dòng)頻繁，但與1個(gè)月尺度的SPI相比，波動(dòng)較緩，主要反映的是干旱的季節(jié)變化特征。河北省春冬旱特征顯著，夏季干旱程度最輕。

2.1.2MI指數(shù)反映的干旱特征分析。從圖3可以得到，河北省在1970～2007年期間每年均有不同程度的干旱發(fā)生，經(jīng)統(tǒng)計(jì)共有361個(gè)月干旱，占總數(shù)的79.2%。38年中有35年發(fā)生特旱，每年均有重旱、中旱的發(fā)生，且波動(dòng)比較大，出現(xiàn)輕旱、中旱、重旱的頻率分別為14.9%、15.8%、31.4%。從逐月的MI指數(shù)分析的結(jié)果比河北省干旱事實(shí)更嚴(yán)重，原因?yàn)镸I指數(shù)是某時(shí)段降水量與同時(shí)段可能蒸發(fā)量之間平衡的指標(biāo)，只能反映短時(shí)間尺度(月)的水分虧缺情況，而干旱是多因子綜合作用的結(jié)果，所以得到的干旱次數(shù)比實(shí)際多。

2.1.3CI指數(shù)反映的干旱特征分析。統(tǒng)計(jì)分析表明，在38年中，河北省每年均有干旱發(fā)生，共有236個(gè)月份干旱，占總數(shù)的50%以上，其中較為干旱的年份有1972、1975、1992、1997、1999年，且每年出現(xiàn)干旱的月份均在8個(gè)月以上。從1970～2007年河北省CI指數(shù)變化過程(圖4)可以看到，CI指數(shù)在1999年2月出現(xiàn)峰值，達(dá)到了重旱程度。其原因可能是在全球變暖的影響下，從20世紀(jì)80年代開始河北省表現(xiàn)出不同程度的升溫，冬季氣溫最快，且降水在90年代后期經(jīng)歷了一次較大幅度的下降過程[26]，所以冬季干旱較為嚴(yán)重。

統(tǒng)計(jì)歷年四季的CI指數(shù)及干旱頻率可以發(fā)現(xiàn)，河北省干旱在春、夏、秋、冬四季均有發(fā)生，其中春季和冬季干旱較為嚴(yán)重，秋季次之，夏季干旱程度最輕，原因是河北省降水多集中在夏季?？偟膩砜矗颖比「珊档某霈F(xiàn)具有階段性特征，20世紀(jì)70和90年代是比較嚴(yán)重的干旱階段，70年代春旱嚴(yán)重，到90年代秋冬旱比較嚴(yán)重。

由表1可見，河北省的降水具有明顯的季節(jié)變化特征，降水多集中在夏季，累積雨量約占全年降水量的70%，1、2、3、11、12月降水稀少，不足10 mm。根據(jù)CI指數(shù)統(tǒng)計(jì)的輕旱以上干旱發(fā)生頻率(簡稱干旱頻率)年平均為 52.05% ，其中輕旱、中旱、重旱的頻率分別為 39.91%、11.92%、2.70%。CI的干旱頻率變化動(dòng)態(tài)與降水量分布有關(guān)，在連續(xù)出現(xiàn)降水量偏少月份后，下一月份的干旱頻率會(huì)比較高，1、2、3月連續(xù)降水量不到10 mm，4月的干旱頻率達(dá)最高，為71%。11月～翌年3月為干旱頻發(fā)時(shí)段，月干旱頻率均在 60%以上，輕旱、中旱和重旱頻率的年變化特征與總干旱頻率較為一致。由于旱情緩解程度與降水強(qiáng)度相關(guān)，故選用能夠反映干旱過程對(duì)雨季開始有敏感性特征的CI指數(shù)具有重要的意義。

表1 逐月降水量及根據(jù)CI指數(shù)的各等級(jí)干旱頻率

2.2 基于SPI、MI、CI 3個(gè)指數(shù)的R/S分析根據(jù)近30 d(相當(dāng)月尺度)、近90 d(相當(dāng)季尺度)降水量標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)和近 30 d相對(duì)濕潤指數(shù)以及三者綜合得到的綜合氣象干旱指數(shù)，建立了河北省1971～2007年1～12月指數(shù)的R/S分析結(jié)果(圖5～8)，由此得到對(duì)應(yīng)的Hurst指數(shù)，預(yù)測其未來短時(shí)間內(nèi)的變化趨勢。從河北省1971～2007年各月不同指數(shù)的斜率結(jié)果(表2)可以看出，38年來河北省的不同干旱指數(shù)各月變化趨勢均不顯著，但有一定的季節(jié)性特征。其中，SPI30指數(shù)在4、5、9、10、12月分別以0.109、0.174、0.004、0.024、0.045%/10a的速率緩慢上升，在1、2、3、6、7、8、11月分別以0.051、0.087、0.093、0.011、0.134、0.150、0.089%/10a的速率緩慢下降，可見該指數(shù)在河北省具有春秋季上升、夏冬季下降的變化趨勢；SPI90指數(shù)在1、4、5、6、11月分別以0.014、0.082、0.197、0.096、0.021%/10a的速率緩慢上升，在2、3、7、8、9、10、12月分別以0.055、0.057、0.069、0.184、0.182、0.099、0.002%/10a的速率緩慢下降，可見該指數(shù)在河北省具有春季上升、夏秋冬季下降的變化趨勢；MI指數(shù)在3、4、5、9、10、11月分別以0.010、0.012、0.034、0.007、0.024、0.009%/10a的速率緩慢上升，在1、2、6、7、8、12月分別以0.006、0.009、0.001、0.086、0.071、0.006%/10a的速率緩慢下降，可見該指數(shù)在河北省具有春秋季上升、夏冬季下降的變化趨勢；CI指數(shù)在4、5、6、12月分別以0.091、0.180、0.034、0.012%/10a的速率緩慢上升，在1、2、3、7、8、9、10、11月分別以0.020、0.064、0.049、0.149、0.190、0.069、0.011、0.019%/10a的速率緩慢上升，可見該指數(shù)在河北省具有春季上升、夏秋冬季下降的變化趨勢。

表2 河北省1971～2007年各月不同干旱指數(shù)的斜率結(jié)果

河北省1971～2007年1～12月SPI30、SPI90、MI指數(shù)和CI指數(shù)的R/S分析結(jié)果(圖5～8)結(jié)合表2可以看出，38年來河北省各月的干旱指數(shù)呈現(xiàn)不同的Hurst現(xiàn)象，但有一定的季節(jié)性特征。其中，SPI30指數(shù)在2、3、8、10、11月的Hurst指數(shù)(H)處于0.50.75，說明河北省未來SPI30指數(shù)的下降趨勢(2、3、8、11月)和上升趨勢(10月)與過去具有很強(qiáng)的一致性；在1、4～7、9、12月的Hurst指數(shù)(H)處于00.55，說明河北省SPI30指數(shù)38年來的下降趨勢(1、6、7月)和上升趨勢(4、5、9、12月)具有較強(qiáng)的突變性，即在未來下降趨勢可能逆轉(zhuǎn)呈上升趨勢，上升趨勢逆轉(zhuǎn)呈下降趨勢?？傮w而言，未來SPI30指數(shù)在河北省春秋冬季呈現(xiàn)下降趨勢，夏季呈現(xiàn)上升趨勢。SPI90指數(shù)在8、9、11、12月的Hurst指數(shù)(H)處于0.50.80，說明河北省未來SPI90指數(shù)的下降趨勢(8、9、12月)和上升趨勢(11月)與過去具有很強(qiáng)的一致性；在1～7、10月(5月除外)的Hurst指數(shù)(H)處于00.75，說明河北省SPI90指數(shù)38年來的下降趨勢(2、3、7、10月)和上升趨勢(1、4、6月)具有較強(qiáng)的突變性?？傮w而言，未來SPI90指數(shù)在河北省春夏冬季呈現(xiàn)下降趨勢、秋季呈現(xiàn)上升趨勢。MI指數(shù)在6、8～11月的Hurst指數(shù)(H)處于0.50.55，說明河北省未來MI指數(shù)的下降趨勢(6、8月)和上升趨勢(9～11月)與過去具有很強(qiáng)的一致性；在1～5、7、12月(3月除外)的Hurst指數(shù)(H)處于00.60，說明河北省MI指數(shù)38年來的下降趨勢(1、2、7、12月)和上升趨勢(4、5月)具有較強(qiáng)的突變性。總體而言，未來MI指數(shù)在河北省春夏季呈現(xiàn)下降趨勢、秋冬季呈現(xiàn)上升趨勢。CI指數(shù)在3、8、10、12月的Hurst指數(shù)(H)處于0.50.85，說明河北省未來CI指數(shù)的下降趨勢(3、8、10月)和上升趨勢(12月)與過去具有很強(qiáng)的一致性；在1、2、4～7、9、11月的Hurst指數(shù)(H)處于00.50，說明河北省CI指數(shù)38年來的下降趨勢(1、2、7、9、11月)和上升趨勢(4～6月)具有較強(qiáng)的突變性。總體而言，未來CI指數(shù)在河北省春夏季呈現(xiàn)下降趨勢、秋冬季呈現(xiàn)上升趨勢。

3 結(jié)論

(1)SPI指數(shù)可以反映不同尺度的干旱變化特點(diǎn)，但其僅考慮降水因素，且對(duì)降水過于敏感，對(duì)不同程度的降水過程表現(xiàn)出頻繁波動(dòng)，而MI指數(shù)代表的是某時(shí)段降水量與同時(shí)段可能蒸發(fā)量之間的平衡，只能反映短時(shí)間尺度(月)的水分虧缺情況，得到的干旱情況比實(shí)際嚴(yán)重。根據(jù)對(duì)計(jì)算的CI指數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析得到，河北省干旱發(fā)生頻率相對(duì)較高，但時(shí)空分布不均勻。1970～2007年河北省幾乎每年均有不同程度的季節(jié)干旱發(fā)生，其中春季和冬季干旱較為嚴(yán)重，秋季次之，夏季干旱程度最輕；干旱隨時(shí)間具有階段性變化特征，比較嚴(yán)重的干旱階段出現(xiàn)在20世紀(jì)70和90年代，80年代為持續(xù)的干旱期，但主要以輕旱為主。

(2)河北省1971～2007年各月不同指數(shù)的年變化過程表明，38年來各月不同干旱指數(shù)變化趨勢均不顯著，但有一定的季節(jié)性特征。SPI30指數(shù)在河北省具有春秋季上升、夏冬季下降的變化趨勢，SPI90指數(shù)在河北省具有春季上升、夏秋冬季下降的變化趨勢，MI指數(shù)在河北省具有春秋季上升、夏冬季下降的變化趨勢，CI指數(shù)在河北省具有春季上升、夏秋冬季下降的變化趨勢。

(3)河北省1971～2007年各月不同指數(shù)的R/S分析結(jié)果表明，38年來各月不同干旱指數(shù)呈現(xiàn)不同的Hurst現(xiàn)象，但有一定的季節(jié)性特征。未來SPI30指數(shù)在河北省春秋冬季呈現(xiàn)下降趨勢、夏季呈現(xiàn)上升趨勢，未來SPI90指數(shù)在河北省春夏冬季呈現(xiàn)下降趨勢、秋季呈現(xiàn)上升趨勢，未來MI指數(shù)在河北省春夏季呈現(xiàn)下降趨勢、秋冬季呈現(xiàn)上升趨勢、未來CI指數(shù)在河北省春夏季呈現(xiàn)下降趨勢、秋冬季呈現(xiàn)上升趨勢。R/S法定量地預(yù)測了未來不同指數(shù)各月的變化趨勢，是一種有用的數(shù)學(xué)工具[27]，對(duì)于河北省干旱檢測指標(biāo)的選取提供了重要的理論依據(jù)。

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Analysis of Drought Characteristics of Hebei Province and R/S Based on theCIIndex

SHI Ji-qing1, GAN Chen-long2, ZHAXI Dunzhu1

(1. Tibet Plateau Atmospheric Environmental Science Research Institute, Lhasa, Tibet 850000; 2. Maizhokunggar Meteorological Bureau, Lhasa, Tibet 850200)

This article selectedCIindex recommended by Meteorological Drought Level, drought changes, the annual change of each month drought index in recent 38 years in Hebei Province were analyzed, the variation trend of each month drought index was predicted by using R/S analysis method. The results showed that drought occurs relatively frequent in Hebei Province, but the distribution is uneven. From 1970 to 2007, different degree of seasonal drought nearly occurs in every year, winter and spring drought is severe, autumn drought is the second and summer drought is the lightest. Each month different drought index trends are not significant in recent 38 years, but there is a certain seasonal characteristics; Each month different drought index presents a different Hurst phenomenon, there are certain seasonal characteristics in recent 38 years.

CIindex; Drought; Characteristics analysis; R/S analysis; Hebei Province

西藏科技廳地區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于3S的西藏森林火災(zāi)監(jiān)測研究”

史繼清(1988- )，女，山東菏澤人，助理工程師，碩士，從事農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害研究。

2014-11-25

S 423

A

0517-6611(2015)02-221-07