江淮流域相對濕潤指數(shù)適應性研究

吳波

[摘要]本文應用江淮流域37個代表站1961年-2005年逐日氣象資料，以penman公式為基礎計算了地面各站各月的相對濕潤指數(shù)。把計算出的相對濕潤指數(shù)與江淮流域代表站的干旱等級、干旱持續(xù)時間進行對比。結果表明：此相對濕潤指數(shù)在江淮流域北部適應性較好，從北往南，適應性逐漸降低。通過分析該指數(shù)的時空變化表明，從多年平均意義上講江淮地區(qū)土壤水分處在平衡狀態(tài)，基本滿足農(nóng)業(yè)需求。從濕潤程度上講，北部比南部濕潤。從旱澇頻率上講，農(nóng)業(yè)旱澇年際變化大，具有明顯的周期性，波動頻率北部大于南部。北部旱澇四季并存，春旱、夏秋和秋冬連旱頻率高，夏季局部洪澇頻發(fā)；南部濕潤區(qū)總體濕潤，干旱次數(shù)較少，以洪澇居多，但夏秋干旱依然頻發(fā)。

[關鍵詞]相對濕潤指數(shù) 彭曼計算方法 適應性 時空變化

[中圖分類號] F407.1 [文獻碼] B [文章編號] 1000-405X（2015）-8-389-2

0引言

引起旱澇災害的主要原因是降水異常，因此氣象學上的旱澇指標通?？紤]降水偏離常態(tài)的程度，干旱本質(zhì)上是指陸地表面土壤的缺水狀況，陸地表面的干濕變化情況主要受降水量和蒸發(fā)量的影響[1]。因此，研究干旱問題可以從表征降水量和地面蒸發(fā)量著手，研究干旱的特征和機制需要綜合考慮降水收入和蒸發(fā)輸出相對大小的問題。以前的工作在研究陸地地表干濕狀況時把降水最為唯一的因素進行研究，僅考慮了其中的一個方面，盡管能反映干旱的某些特征，但難以客觀全面地體現(xiàn)干旱的特征。如在某些地區(qū)，盡管降水是增加的，但是由于增暖而引起的地表蒸發(fā)的增加量遠大于降水的增加量，地表的水分收支仍然為負，在這種背景下這個地區(qū)仍然處于干旱的狀態(tài)，在冷干的氣候狀態(tài)下同樣存在類似的問題[2]。江淮地區(qū)是南北氣候過渡帶，秦嶺-淮河一線年平均降水量為800mm，1月份平均溫度為0.C，是地理氣候上的南北分界線。江淮地區(qū)地形復雜，氣候多變，受梅雨影響，旱澇災害頻繁交替發(fā)生，是研究農(nóng)業(yè)旱澇氣象指標及檢驗其適應性的典型區(qū)域[3]。本文從水分的收支平衡原理出發(fā)，以氣象觀測資料為基礎，以地表蒸散量特性為前提，計算相對濕潤指數(shù)。用該指數(shù)對近50年江淮流域的旱澇時空變化進行分析，考察此相對濕潤指數(shù)在江淮流域的適應性。它能夠更加真實地揭示干旱的發(fā)生情況，對我們認識旱澇、防御旱澇具有重要作用[4]。

1資料和方法

1.1資料介紹及處理

本文利用了江淮地區(qū)境內(nèi)40個氣象臺站（安陽、朝陽、濟南、沂源、袞州、莒縣、日照、開封、西華、駐馬店、信陽、麻城、商丘、碭山、贛榆、毫州、宿縣、盱眙、射陽、阜陽、固始、壽縣、蚌埠、滁縣、南京、東臺、南通、六安、霍山、合肥、巢湖、常州、溧陽、吳縣東山、武漢、杭州、南昌、上海、九江、長沙）的逐日氣象資料。氣象資料要素包括日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日相對濕度、日降水量、日平均風速，日照時數(shù)。大多數(shù)臺站資料是從五十年代到2005年，為了比較方便，在做后來統(tǒng)計計算的時候，把各站時間統(tǒng)一到1960年到2005年，其中有三個站（上海、九江、長沙）資料不全，在做統(tǒng)計比較的時候，不予考慮。對資料的處理是把日平均資料處理為月平均資料，在處理時剔除缺測值，若整個月都缺測，則用前一個月和后一個月的平均值代替該月的值。在處理資料時發(fā)現(xiàn)，缺測比較多的是日照時數(shù)。

1.2研究方法

氣象業(yè)務上采用的相對濕潤指數(shù)為[5]：

Mi為相對濕潤指數(shù)，P為降水量，ET0為參考作物蒸散量，即此相對濕潤指數(shù)是降水量和參考作物蒸散量的相對比值，反映了實際降水供水量與最大水分需要量的平衡關系，是一個具有時間和空間變化的氣象意義上的旱澇評價指標。降水量的資料容易獲得，要得到高質(zhì)量的相對濕潤指數(shù)，關鍵在于找到更科學的方法，對蒸散量進行較為準確的計算。最大可能蒸散的計算決定了干濕指數(shù)的計算精度，國際上最大可能蒸散一般都由機理模型計算而來，計算模型有幾十種[6]，其中最常被應用的有Penman模型、Thornthwaite模型和Selianinov模型。我們常采用綜合法中的彭曼公式為代表，它是一種半經(jīng)驗理論，考慮了空氣熱力因子、空氣動力因子以及太陽輻射對潛在蒸散量的影響，與實際比較符合，并有較充分的物理學理論依，一般適用于半濕潤和濕潤的平原地區(qū)。

所以有

式中Mm為計算時段內(nèi)的相對濕潤指數(shù)；P為月平均降水量；ETm 為月平均作物潛在蒸散量，本文采用改進的penman公式來計算。

彭曼簡式為

式中E為水面蒸發(fā)量；R為輻射平衡值；Eα為空氣干燥力；r為干濕球常數(shù)；△為飽和水汽壓曲線的斜率[7]。

2相對濕潤指數(shù)的計算及其適應性比較

2.1相對濕潤指數(shù)與干旱等級標準

等級劃分：

相對濕潤度指數(shù)反映了實際降水供給的水量與最大水分需要量的平衡，故利用相對濕潤度指數(shù)劃分干旱等級不同地區(qū)和不同時間尺度也有較大差別，表1（圖略）適合我國半干旱、半濕潤地區(qū)月尺度的干旱等級標準。

干旱分析方法當中經(jīng)常以年為單位[8]，當Mi>-0.5時是濕潤年，當Mi <-0.5時為干旱年。本次分析將應用到各月，利用月蒸散量和月平均降水量計算出逐月Mi值，當Mi <-0.5時定義為干旱月，利用江淮地區(qū)37個代表站的1961-2005年逐月降水和逐月蒸發(fā)資料，計算出各月的Mi值，應用到各月來評定干旱程度，得出各站的適應性。同時對典型區(qū)域的春季（3月-5月）、夏季（6月-8月）、秋季（9月-11月）、冬季（12月-2月）旱澇的分析結果與實際發(fā)生情況進行對比。

2.2實況干旱等級的劃分標準

根據(jù)《中國氣象災害大典》中對各區(qū)域的干旱實況記錄，根據(jù)以下標準可得出各站的干旱等級。

（1）正?；驖駶常禾攸c為降水正常或較常年偏多，地表濕潤，無旱象；

（2）輕旱：連續(xù)無降雨天數(shù)春季達16-30天、夏季16-25天、秋冬季31-50天，特點為降水較常年偏少，地表空氣干燥，土壤出現(xiàn)水分輕度不足，對農(nóng)作物有輕微影響；

（3）中旱：連續(xù)無降雨天數(shù)，春季達31-45天、夏季26-35天、秋冬季51-70天，特點為降水持續(xù)較常年偏少，土壤表面干燥，土壤出現(xiàn)水分不足，地表植物葉片白天有萎蔫現(xiàn)象，對農(nóng)作物和生態(tài)環(huán)境造成一定影響；

（4）重旱：連續(xù)無降雨天數(shù)，春季達46-60天、夏季36-45天、秋冬季71-90天，特點為土壤出現(xiàn)水分持續(xù)嚴重不足，土壤出現(xiàn)較厚的干土層，植物萎蔫、葉片干枯，果實脫落，對農(nóng)作物和生態(tài)環(huán)境造成較嚴重影響，對工業(yè)生產(chǎn)、人畜飲水產(chǎn)生一定影響；

（5）特旱：連續(xù)無降雨天數(shù)，春季在61天以上、夏季在46天以上、秋冬季在91天以上。特點為土壤出現(xiàn)水分長時間嚴重不足，地表植物干枯、死亡，對農(nóng)作物和生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響，工業(yè)生產(chǎn)、人畜飲水產(chǎn)生較大影響。

該等級標準規(guī)范全國范圍通用，具有空間和時間可比較性，能較為客觀地描述干旱的發(fā)生、發(fā)展、持續(xù)和解除等過程，以及干旱發(fā)生程度和范圍的等級標準的干旱監(jiān)測指標。根據(jù)該等級標準，對照《中國氣象災旱大典》歷史記錄，查找實際干旱等級，再與根據(jù)相對濕潤指數(shù)確定的干旱等級進行對照，分析兩者的一致性大小。

3相對濕潤指數(shù)在江淮流域的應用

3.1相對濕潤指數(shù)的區(qū)域性分布

江淮流域不同的區(qū)域發(fā)生干旱災害的頻率和嚴重程度是不同的，根據(jù)統(tǒng)計，緯度越高，發(fā)生干旱的頻率就越高，比如，河南大部分地區(qū)，山東中西部，在1961-2000間的40年之間，發(fā)生不同程度的干旱大多數(shù)在40次以上，即平均每年都有不同程度的旱災發(fā)生。而在蘇南地區(qū)，這40年之間的干旱年份都在20次以下。計算37個站各站的1961-2005年的平均相對濕潤指數(shù)，浙江北部、江蘇南部、江西北部、湖北地區(qū)的45年累計平均相對濕潤指數(shù)大于0.30，發(fā)生洪澇的概率要大于發(fā)生干旱的概率，這些地區(qū)的植被覆蓋和生態(tài)環(huán)境一般比較好，蓄水能力強，不易發(fā)生干旱，這些地區(qū)定義為濕潤區(qū)，代表站點有南昌、杭州、霍山、武漢、溧陽、麻城、吳縣東山。江淮流域37個站1961年-2005年累計平均相對濕潤指數(shù)反映了江淮地區(qū)空間上多年農(nóng)業(yè)旱澇的平均狀況。

3.2相對濕潤指數(shù)的季節(jié)性變化

各區(qū)域近45年相對濕潤指數(shù)月平均值的年變化趨勢表明，春季相對濕潤指數(shù)分布南北差異最顯著。隨時間變化趨勢各區(qū)均不顯著，夏季南北差異縮小。隨年代的變化趨勢差異比較大， 90年代中后期最濕潤，隨后急劇下降。秋季三個區(qū)域的數(shù)值差異進一步縮小，最大值出現(xiàn)在80年代中期，隨年代下降趨勢半濕潤區(qū)不顯著，波動區(qū)顯著，濕潤區(qū)極顯著，90年代后期半濕潤區(qū)和波動區(qū)數(shù)值超過濕潤區(qū)。從地域分布看，北部旱澇交替，南部以澇為主，但季節(jié)性干旱明顯。從年內(nèi)分布看，半濕潤區(qū)春季以干旱為主，澇災偏輕，夏秋冬三季干旱、澇災均很嚴重，輕度和中等以上程度比例基本各半。波動區(qū)春季也是以旱為主，強度小于半濕潤區(qū)，其余各季旱澇交替，干旱以輕度居多，澇災則是中等以上居多。濕潤區(qū)澇災比例明顯大于旱災，但夏秋干旱頻率也較高，與北部兩區(qū)接近，以湖北為例進行分析可知，湖北發(fā)生干旱的季節(jié)主要在夏秋兩季，春季次之，有別于偏北的河南地區(qū)，半濕潤區(qū)以春季干旱頻率最高。從實際與計算干旱對比來看，本相對濕潤指數(shù)可以比較真是地反映干旱實際情況，把相對濕潤指數(shù)應用到來確定旱澇月比較合理。

4結論

（1）相對濕潤指數(shù)在江淮流域各區(qū)的適應性不同，在半濕潤區(qū)，即淮河和黃河之間的適應性最好，與實際的符合程度能達到80%以上，在過渡區(qū)的適應性次之，在降水偏多的長江及以南地區(qū)，適應相對較差，甚至達不到50%。

（2）旱澇在空間上分布也不均勻。降水量越少的地方發(fā)生干旱的頻率越高，降水量越多的地方發(fā)生洪澇的頻率越高，江淮流域北部發(fā)生干旱的頻率最高，此相對濕潤指數(shù)在北部半濕潤區(qū)的適應性最好。旱澇在時間上分布也不均勻，農(nóng)業(yè)旱澇年際變化大，變化幅度北部大于南部。北部旱澇都頻繁發(fā)生，春旱、夏秋連旱和秋冬連旱發(fā)生頻率較高，夏季局部地區(qū)洪澇很嚴重；南部平均總體濕潤，以洪澇居多，但夏秋（7-9月）干旱頻發(fā)。

參考文獻

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