典型氣象干旱指標(biāo)在東北地區(qū)的適用性分析

王亞許，孫洪泉，呂娟，蘇志誠(chéng)

（1.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京100038；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

典型氣象干旱指標(biāo)在東北地區(qū)的適用性分析

王亞許1，2，孫洪泉1，2，呂娟1，2，蘇志誠(chéng)1，2

（1.水利部防洪抗旱減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，北京100038；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

干旱指標(biāo)的適用性分析是準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)旱情的重要前提。氣象干旱指標(biāo)相較于水文和農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)等能更準(zhǔn)確的反應(yīng)旱情且應(yīng)用更加廣泛。東北地區(qū)是我國(guó)重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，同時(shí)也是干旱災(zāi)害的易發(fā)區(qū)。針對(duì)東北地區(qū)開(kāi)展典型氣象干旱指標(biāo)的適用性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。本研究利用東北三省78個(gè)氣象站點(diǎn)1954—2013逐月降雨及溫度資料，計(jì)算逐月的標(biāo)準(zhǔn)化降雨指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降雨蒸散指數(shù)、帕爾默干旱指數(shù)、降雨Z指數(shù)、降雨距平百分率和綜合氣象干旱指數(shù)。通過(guò)各指標(biāo)的季節(jié)干旱識(shí)別的結(jié)果與歷史干旱資料進(jìn)行對(duì)比，分析其識(shí)別準(zhǔn)確性，并作為指標(biāo)適用性評(píng)價(jià)的依據(jù)，比較了各干旱指標(biāo)在不同地區(qū)、不同季節(jié)的適用性。結(jié)果表明：標(biāo)準(zhǔn)化降雨指數(shù)對(duì)于東北三省各個(gè)季節(jié)都具有較好的適用性；降雨距平指數(shù)更適用于吉林和黑龍江，季節(jié)上尤其適用于春季和秋季。

氣象干旱；干旱指標(biāo)；適用性；東北地區(qū)

1 研究背景

干旱指標(biāo)是定量評(píng)估干旱的嚴(yán)重程度、歷時(shí)長(zhǎng)短和發(fā)生頻率的重要手段［1］。由于干旱具有發(fā)生發(fā)展過(guò)程慢、影響因素多和非結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)，單一指標(biāo)很難達(dá)到時(shí)空上的普遍適用性，迄今為止還未找到一種普遍適用于不同地區(qū)、不同時(shí)間段的干旱指標(biāo)［2-3］。因此，分析干旱指標(biāo)的適用性是準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)旱情的重要前提。由于長(zhǎng)期的氣象干旱可形成土壤和水文干旱，而長(zhǎng)期的土壤和水文干旱又可導(dǎo)致農(nóng)業(yè)干旱，因此氣象干旱指標(biāo)用于干旱監(jiān)測(cè)尤為重要［4］。同時(shí)，由于氣象觀測(cè)相較于水文和農(nóng)業(yè)等干旱監(jiān)測(cè)受人類活動(dòng)的影響最小，最能反映干旱的自然屬性。所以，分析典型氣象干旱指標(biāo)的適應(yīng)性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

氣象干旱指標(biāo)一般是根據(jù)降雨量來(lái)定義的，如考慮降雨量偏離正常值多少的降雨距平指數(shù)（Pa），以及考慮了降雨概率分布的標(biāo)準(zhǔn)化降雨指數(shù)（SPI）和降雨Z指數(shù)（Z）等。除了根據(jù)降雨定義的指標(biāo)外，還有進(jìn)一步考慮溫度和蒸散影響的氣象干旱指標(biāo)，如帕爾默干旱指數(shù)（PDSI）和標(biāo)準(zhǔn)化降雨蒸散指數(shù)（SPEI）等。此外，還有考慮多表征因子的綜合指數(shù)，如基于SPI指數(shù)、相對(duì)蒸散量和前期降水量的綜合氣象干旱指數(shù)（CI）等。針對(duì)這些典型的氣象干旱指標(biāo)，已有許多適應(yīng)性的研究結(jié)果［1-2，5］。針對(duì)我國(guó)不同地區(qū)的干旱指標(biāo)適用性也有廣泛研究。喬麗等［6］對(duì)陜西省不同季節(jié)的干旱識(shí)別進(jìn)行分析，認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、降雨距平指數(shù)和土壤相對(duì)濕度指標(biāo)較為適宜。謝五三等［7］分析了五種干旱指標(biāo)在安徽省的適用性，結(jié)果表明對(duì)于安徽干旱監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)，CI指數(shù)最優(yōu)。馬海嬌等［8］通過(guò)比較Pa、SPI、Z指數(shù)等干旱指標(biāo)在灤河流域的干旱評(píng)價(jià)，認(rèn)為SPI指數(shù)優(yōu)于Z指數(shù)和Pa。付麗娟等［9］分析了3種干旱指標(biāo)在內(nèi)蒙古地區(qū)的適用性，認(rèn)為Pa和SPI指數(shù)更具適用性。潘新華等［10］研究了典型干旱指標(biāo)在廣西的適用性及改進(jìn)，結(jié)果表明SPI可以作為廣西各地區(qū)干旱評(píng)價(jià)的依據(jù)。黃中艷等［11］通過(guò)研究幾種干旱指標(biāo)在云南大旱中的適用性，提出了Pa指數(shù)適用于云南農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)。這些研究表明，不同地區(qū)、不同季節(jié)的適宜干旱指標(biāo)不同，因此需要針對(duì)不同地區(qū)開(kāi)展指標(biāo)的適應(yīng)性研究。

我國(guó)東北地區(qū)是重要的糧食主產(chǎn)區(qū)和干旱易發(fā)區(qū)，其地處中溫帶和寒溫帶，年內(nèi)降雨和溫度變化較大，具有獨(dú)特的氣候和地理?xiàng)l件。本研究針對(duì)東北地區(qū)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化降雨指數(shù)（SPI）、標(biāo)準(zhǔn)化降雨蒸散指數(shù)（SPEI）、帕爾默干旱指數(shù)（PDSI）、降雨Z指數(shù)（Z）、降雨距平百分率（Pa）及綜合氣象干旱指數(shù)（CI）等6種典型氣象干旱指標(biāo)開(kāi)展區(qū)域和季節(jié)的適用性研究。通過(guò)本研究，能夠更準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)氣象干旱，從而采取合理的抗旱減災(zāi)措施，對(duì)穩(wěn)定東北糧食生產(chǎn)、保障國(guó)家糧食安全具有舉足輕重的作用。

2 資料與方法

2.1 資料本研究的數(shù)據(jù)資料主要涉及用于指標(biāo)計(jì)算的氣象數(shù)據(jù)以及用于結(jié)果驗(yàn)證的歷史干旱資料。氣象數(shù)據(jù)包括東北地區(qū)78個(gè)氣象站點(diǎn)1954-2013年長(zhǎng)序列逐月降雨及溫度數(shù)據(jù)，資料來(lái)源于“中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)”，其中遼寧23個(gè)站點(diǎn)，吉林24個(gè)站點(diǎn)，黑龍江31個(gè)站點(diǎn)。歷史干旱資料來(lái)源于《中國(guó)歷史干旱》［12］、《中國(guó)水旱災(zāi)害》［13］以及抗旱統(tǒng)計(jì)報(bào)表，時(shí)間序列為1954—2013年。由于這3個(gè)不同來(lái)源的資料對(duì)歷史干旱的表述方式不同，因此先對(duì)資料進(jìn)行整編，通過(guò)對(duì)干旱的發(fā)生時(shí)間以及相關(guān)的文字描述，確定干旱發(fā)生的季節(jié)及嚴(yán)重程度，最終得到了以地市為單位、分季節(jié)的旱災(zāi)數(shù)據(jù)。通過(guò)氣象數(shù)據(jù)及資料整編，剔除了部分氣象數(shù)據(jù)或干旱資料缺失的地市，如黑龍江七臺(tái)河市、大慶市和大興安嶺地區(qū)，吉林省遼源市，遼寧省遼陽(yáng)市和盤(pán)錦市。

干旱指標(biāo)判別的干旱分季節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，春旱為3、4、5月份，夏旱為6、7、8月份，秋旱為9、10、11月份，12月與次年的1、2月份為當(dāng)年的冬旱。但由于東北地區(qū)冬旱對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較小，且各種資料中對(duì)冬旱的記載較少，故本研究不針對(duì)冬旱作指標(biāo)適用性分析。以哈爾濱市為例的歷史干旱資料整編結(jié)果如表1所示，部分無(wú)旱災(zāi)發(fā)生的年份未列出。在統(tǒng)計(jì)的1954—2013年中，各省分季節(jié)的干旱場(chǎng)次數(shù)量如表2所示。

表1 哈爾濱市歷史干旱記錄

2.2 方法針對(duì)SPI、SPEI、PDSI、Z、Pa和CI等6種典型的氣象干旱指標(biāo)，進(jìn)行不同地區(qū)、不同季節(jié)的指標(biāo)適用性分析。表3是各指標(biāo)的基本原理、等級(jí)劃分及優(yōu)缺點(diǎn)。Pa指數(shù)是表征某時(shí)段降水量較常年同期值的偏離百分比，是計(jì)算簡(jiǎn)單、廣泛應(yīng)用的干旱指標(biāo)之一。PDSI指數(shù)是根據(jù)水分虧缺量及其持續(xù)時(shí)間的原理，應(yīng)用水量平衡方法，考慮前期天氣條件對(duì)后期的影響的干旱指標(biāo)，具體算法見(jiàn)文獻(xiàn)［14］，其中蒸散發(fā)的計(jì)算采用FAO Penman-Monteith方法。SPI指數(shù)是假設(shè)降水分布服從Γ分布，在將其正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化后，實(shí)測(cè)降水量相對(duì)降水概率分布函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差即為SPI指數(shù)，具體算法見(jiàn)文獻(xiàn)［15］。SPEI指數(shù)是在SPI指數(shù)的基礎(chǔ)上引入氣溫，考慮蒸散對(duì)干旱的作用，具體算法見(jiàn)文獻(xiàn)［16］。Z指數(shù)與SPI指數(shù)十分相似，也是根據(jù)正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化后的降水分布進(jìn)行干旱指標(biāo)的定義，所不同的是Z指數(shù)是假設(shè)降水服從PersonⅢ型分布，具體算法見(jiàn)文獻(xiàn)［17］。CI指數(shù)是基于SPI指數(shù)、相對(duì)蒸散量和前期降水量等為基礎(chǔ)的綜合氣象干旱指數(shù)，具體算法見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)［18］。

表2 東北三省分季節(jié)干旱場(chǎng)次

雖然SPI指數(shù)、SPEI指數(shù)和Pa指數(shù)等通常存在1月、3月或6月等不同時(shí)間尺度的指標(biāo)，但經(jīng)前期研究發(fā)現(xiàn)，這些不同時(shí)間尺度的指標(biāo)對(duì)月干旱識(shí)別具有敏感性，但對(duì)季節(jié)干旱識(shí)別的差異不顯著。因此，本研究中這3個(gè)指標(biāo)均以3個(gè)月尺度的指數(shù)進(jìn)行干旱評(píng)估。

表3 典型氣象干旱指標(biāo)的基本原理、等級(jí)劃分及優(yōu)缺點(diǎn)

由于各個(gè)地市和氣象站點(diǎn)幾乎是一一對(duì)應(yīng)的，氣象站點(diǎn)計(jì)算的指標(biāo)代表了所在地市的干旱情況，因此可以通過(guò)指標(biāo)識(shí)別結(jié)果與歷史資料的對(duì)比，將干旱指標(biāo)識(shí)別出歷史資料干旱的誤差F作為指標(biāo)適用性的評(píng)價(jià)依據(jù)。

式中：n為干旱指標(biāo)未能識(shí)別出歷時(shí)干旱資料中干旱事件數(shù)；N為干旱資料中總的干旱事件數(shù)。

3 指標(biāo)適用性分析

3.1 空間分析表4列舉了黑龍江3個(gè)地市的指標(biāo)適用性分析結(jié)果，表中左上角的分?jǐn)?shù)表示的數(shù)字“29/35”表示哈爾濱市1954—2007年歷史干旱資料記載春旱35次，PDSI指標(biāo)識(shí)別出其中的29次，表中其他數(shù)字類似。由表4可以看出，對(duì)于哈爾濱市、齊齊哈爾市與綏化市，SPI與Pa指標(biāo)的干旱識(shí)別準(zhǔn)確度最高，由此可判定SPI與Pa在以上3個(gè)地市具有較好的適用性。

分析所有數(shù)據(jù)結(jié)果，在31個(gè)地市中的23個(gè)（標(biāo)記為23/31）最適宜指標(biāo)是SPI指數(shù)，其次Pa指數(shù)為15/31，其他的CI指數(shù)為7/31，Z指數(shù)為3/31。結(jié)果表明在整個(gè)東北地區(qū)，SPI指數(shù)是最適宜的指標(biāo)，CI、Z、SPEI和PDSI指數(shù)的干旱評(píng)估效果一般。對(duì)于分省的結(jié)果分析，遼寧和吉林最適應(yīng)的指數(shù)均是SPI，而黑龍江最適宜的指數(shù)是Pa，其次是CI和SPI。對(duì)各干旱指標(biāo)在不同地區(qū)的適用性進(jìn)行分析。圖1中（a）、（b）、（c）所示是遼寧、吉林和黑龍江三省最適宜的干旱指標(biāo)分布圖。

表4 黑龍江省3地市指標(biāo)識(shí)別對(duì)比結(jié)果

圖1 東北三省干旱指標(biāo)適用性分析結(jié)果，（a）、（b）、（c）分別為遼寧、吉林和黑龍江的適用性指標(biāo)分布圖，（d）、（e）、（f）依次為三省各指標(biāo)不同季節(jié)的識(shí)別誤差

3.2季節(jié)分析各干旱指標(biāo)對(duì)不同季節(jié)干旱的識(shí)別結(jié)果具有較大差異。圖1中（d）、（e）、（f）的柱狀圖依次為遼寧、吉林和黑龍江三省各指標(biāo)不同季節(jié)的識(shí)別誤差。

上述3個(gè)圖中，部分指標(biāo)缺失了某個(gè)季節(jié)的誤差情況（只有兩個(gè)柱體），即在該季節(jié)某指標(biāo)識(shí)別誤差為零。這種情況的出現(xiàn)原因是因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)樣本少。分析發(fā)現(xiàn)黑龍江的PDSI、SPEI、SPI和Pa指標(biāo)都準(zhǔn)確的識(shí)別出了僅有幾次秋旱。這是因?yàn)檎麄€(gè)東北地區(qū)秋旱只有116次，平均每年只有兩個(gè)地市發(fā)生，黑龍江只有17次。因此，這些指標(biāo)能夠識(shí)別出所有秋旱。

分析具體數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Z指數(shù)在吉林的干旱判別結(jié)果每年都會(huì)發(fā)生冬旱及春旱，而夏旱及秋旱卻不會(huì)發(fā)生；CI在遼寧判別結(jié)果幾乎將每年10份發(fā)生干旱，其他時(shí)間干旱卻少有發(fā)生，這與實(shí)際情況不符。由此判定Z指數(shù)在吉林省適用性較差，而CI在遼寧省適用性較差。分析CI指數(shù)對(duì)遼寧氣象數(shù)據(jù)的判別結(jié)果發(fā)現(xiàn)將，這是因?yàn)镃I指數(shù)是1個(gè)月、3個(gè)月SPI指數(shù)和1個(gè)月相對(duì)濕潤(rùn)系數(shù)的加權(quán)，本研究中根據(jù)《氣象干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GBT 20481—2006）》中的建議值，依次賦予0.4，0.4和0.8的權(quán)重。由于這種權(quán)重賦予缺乏理論依據(jù)，導(dǎo)致指標(biāo)受人為賦予的權(quán)重影響較大，干旱識(shí)別的結(jié)果存在很大的不確定性。

通過(guò)對(duì)季節(jié)干旱的識(shí)別進(jìn)行分析，得出各指標(biāo)的適應(yīng)性。結(jié)果表明，SPI指數(shù)的效果最好，各季節(jié)的識(shí)別誤差都較小，普遍在6%以內(nèi)。其次是Pa指數(shù)，誤差范圍在5%～20%，但普遍夏旱誤差高于春旱，這是因?yàn)橄募窘涤瓯容^集中，導(dǎo)致降雨距平指數(shù)變幅很大，誤差高于春旱。對(duì)于PDSI和SPEI指數(shù)，其在3個(gè)省份的誤差均較高，在10%～30%之間。雖然PDSI和SPEI指數(shù)同時(shí)考慮了降雨和溫度因素，但對(duì)于東北溫帶季風(fēng)氣候地區(qū)，整體溫度不高，由溫度引起的干旱效應(yīng)十分有限，降雨減少仍是干旱的主導(dǎo)因素。因此，PDSI和SPEI指數(shù)考慮溫度因素反而增加了干旱識(shí)別的誤差。因此，PDSI和SPEI在溫帶和寒溫帶地區(qū)不具有較好的適用性。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化降雨指數(shù)（SPI）、標(biāo)準(zhǔn)化降雨蒸散指數(shù)（SPEI）、帕爾默干旱指數(shù)（PDSI）、降雨Z指數(shù)（Z）、降雨距平百分率（Pa）、綜合氣象干旱指數(shù)（CI）等6種指標(biāo)在東北三省不同地市、不同季節(jié)的干旱監(jiān)測(cè)進(jìn)行適用性分析。結(jié)果表明：SPI指數(shù)具有最好的適用性，其次是Pa指數(shù)。遼寧和吉林最適宜的指標(biāo)是SPI指數(shù)，黑龍江省最適宜的是Pa指數(shù)。SPI指數(shù)在各個(gè)季節(jié)都具有良好的適用性，而Pa指數(shù)在降雨量較小的春季和秋季的適用性高于降雨量較大的夏季，其中Z指數(shù)在吉林省適用性較差，而CI在遼寧省適用性較差不利于大范圍干旱監(jiān)測(cè)。

影響干旱指標(biāo)適用性高低的因素除了指標(biāo)自身的理論機(jī)制外，還與地區(qū)的氣候、地理、土壤，甚至農(nóng)業(yè)耕作方式等有關(guān)。東北地區(qū)年均溫度不高，干旱主要由降雨偏少引起，因此充分考慮降雨因素的干旱指標(biāo)，如SPI和Pa指數(shù)，更具適用性。Z指數(shù)雖然也只考慮降雨因素，但受降雨量的影響較大，干旱識(shí)別誤差較高。CI指數(shù)需要設(shè)置權(quán)重系數(shù)，不適用于大范圍統(tǒng)一的干旱監(jiān)測(cè)。

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Applicability analysis of typical meteorological drought indices in Northeast China

WANG Yaxu1，2，SUN Hongquan1，2，Lü Juan1，2，SU Zhicheng1，2
（1.Research Center on Flood and Drought Disaster Reduction of the Ministry of Water Resources，Beijing100038，China；
2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100038，China）

The applicability analysis of drought index is an important prerequisite for the accurate monitor?ing of drought.The meteorological drought index is more accurate and more widely applied than the hydro?logical and agricultural drought indices.Northeast China is one of the most important grain producing zones in China，and it is also the drought prone area.The applicability analysis carried out for the typical meteo?rological drought indices in Northeast China has important practical significance and application value.This study used monthly precipitation and temperature observation of 78 stations in Northeast China from 1954 to 2013 to calculate the standardized precipitation index，standardized precipitation evaporation index，palm?er drought index，Z index，precipitation anomaly percentage and integrated meteorological drought index. Then the recognition accuracy，which was defined as the criterion of applicability of drought indices，was computed by comparing the seasonal drought identification results with the historical drought records for each index.The results of drought indices applicability in different areas and different seasons show that the standard precipitation index has good applicability for all seasons in Northeast China，and the precipita?tion anomaly is more suitable for Jilin and Heilongjiang，especially in spring and autumn.

Meteorological drought；Drought indices；Applicability；Northeast China

S423

Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.06.004

1672-3031（2016）06-0425-06

（責(zé)任編輯：祁偉）

2016-04-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51209220）；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201401036）；中國(guó)水利水電科學(xué)研究院科研專項(xiàng)（JZ0145B592016）

王亞許（1990-），男，河南人，碩士生，主要從事干旱監(jiān)測(cè)研究。E-mail：wangyxiwhr@sina.com

孫洪泉，男（1983-），遼寧人，高級(jí)工程師，主要從事旱災(zāi)及對(duì)策研究。E-mail：sunhq@iwhr.com