多種氣象干旱指數(shù)在新疆干旱評(píng)價(jià)中的應(yīng)用對(duì)比研究*

慈 暉，張 強(qiáng)，肖名忠

(1. 江蘇第二師范學(xué)院，江蘇 南京 210013；2. 中山大學(xué)水資源與環(huán)境系//華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275)

多種氣象干旱指數(shù)在新疆干旱評(píng)價(jià)中的應(yīng)用對(duì)比研究*

慈 暉1，張 強(qiáng)2，肖名忠2

(1. 江蘇第二師范學(xué)院，江蘇 南京 210013；2. 中山大學(xué)水資源與環(huán)境系//華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510275)

選取新疆50個(gè)氣象測站1960-2010年間逐日降水、氣溫資料，采用模糊C均值聚類方法，并結(jié)合新疆地形地貌及水汽來源等地理特征，將全疆分為北疆、南疆、天山北坡、天山南坡及天山東段5個(gè)區(qū)域，對(duì)比分析標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)、自適應(yīng)帕默爾指數(shù)(scPDSI)及有效干旱指數(shù)(EDI)的優(yōu)缺點(diǎn)及其在各分區(qū)干濕監(jiān)測過程中的適用性。SPI、SPEI、EDI對(duì)降水、氣溫響應(yīng)較快，且干濕趨勢變化所呈總體特征一致，EDI較SPI及SPEI對(duì)降水量變化更加敏感，SPI較EDI對(duì)“干”的評(píng)定較重，對(duì)“濕”的判定較輕，SPEI綜合考慮氣溫及降水對(duì)“干”、“濕”的共同作用，能夠監(jiān)測到SPI及EDI無法監(jiān)測到的一些特大旱情，而scPDSI對(duì)干濕事件的判斷結(jié)果與其他三種指數(shù)相差較大，甚至?xí)霈F(xiàn)完全相反的判斷結(jié)果，且scPDSI對(duì)旱情嚴(yán)重程度的判斷偏輕，對(duì)干濕變化響應(yīng)較慢，不適用于新疆干濕監(jiān)測。SPI與SPEI相關(guān)性較好，SPI與EDI相關(guān)性明顯好于SPEI與EDI的相關(guān)性，而scPDSI與其他三種干旱指數(shù)的相關(guān)性均較弱。另外，從干旱發(fā)生頻率、干旱站次比及干旱強(qiáng)度三個(gè)角度進(jìn)一步分析不同等級(jí)干旱事件的發(fā)生規(guī)律，整體上，干旱發(fā)生具有明顯的區(qū)域性和季節(jié)性特征，不論是年或者四季干旱，干旱影響范圍均呈縮減趨勢。

干旱監(jiān)測；氣象干旱指數(shù)；相關(guān)性分析；新疆

干旱，作為極端氣候事件的一種，是一種極其復(fù)雜的氣象災(zāi)害，是世界范圍內(nèi)當(dāng)今人類所面臨的重大環(huán)境問題，更是非常重要的氣候問題。干旱事件的監(jiān)測與評(píng)價(jià)是防洪抗旱減災(zāi)的關(guān)鍵，干旱監(jiān)測過程中，存在以下三個(gè)困難：干旱發(fā)生發(fā)展過程較為緩慢，降水虧缺在經(jīng)過一段時(shí)間的累積之后，才能夠表現(xiàn)出干旱特征，但是對(duì)于一次干旱事件，其開始、結(jié)束及干旱程度的監(jiān)測較為困難；世界范圍內(nèi)，對(duì)于干旱并沒有一個(gè)精確并且通用的定義；干旱所造成的影響是非結(jié)構(gòu)化的，并且能夠遠(yuǎn)播至更大范圍內(nèi)，使得干旱監(jiān)測工作更難開展。因此，客觀的評(píng)價(jià)干旱強(qiáng)度、干旱量級(jí)、干旱歷時(shí)及干旱發(fā)生的空間范圍受到更大的局限性，對(duì)干旱事件的監(jiān)測與評(píng)價(jià)是一件非常困難的事情。19世紀(jì)70年代以后，全球受旱災(zāi)影響的區(qū)域范圍不斷擴(kuò)大[1]，由于全球溫度升高及降水減少的共同作用，導(dǎo)致干旱地區(qū)占據(jù)的面積僅僅在50年內(nèi)就擴(kuò)大了1倍[2-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，氣象災(zāi)害所引起的損失占各類自然災(zāi)害所引起損失的85%，僅干旱災(zāi)害，占?xì)庀鬄?zāi)害損失的50%左右[2, 4]。氣象干旱是各種干旱類型的基礎(chǔ)，目前國內(nèi)外主要用各種氣象干旱指數(shù)來監(jiān)測干旱情況，如帕默爾指數(shù)[5]、百分位指數(shù)[6]、Z指數(shù)[7]以及目前廣泛使用的SPI指數(shù)等。但目前為止，沒有任何一種干旱指數(shù)是通用的，Morid等[8]對(duì)比7種干旱指數(shù)對(duì)伊朗干旱監(jiān)測的適用性，指出EDI指數(shù)對(duì)干旱發(fā)生的響應(yīng)最好。莊曉翠等[9]對(duì)比SPI及K指數(shù)在阿勒泰地區(qū)旱澇趨勢監(jiān)測過程中的應(yīng)用，指出基于12個(gè)月時(shí)間尺度的SPI對(duì)長期干旱監(jiān)測較好，而基于3～6個(gè)月時(shí)間尺度的SPI則更好地反映干旱發(fā)展。阿帕爾等[10]指出Z指數(shù)能較為客觀地分析新疆昌吉干旱變化特征。Wei等[11]對(duì)比分析了SPI、SPEI及scPDSI指數(shù)在中國西北干旱監(jiān)測中的應(yīng)用。在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外在干旱指數(shù)研究方面的最新進(jìn)展，比較多種常用干旱指數(shù)在新疆干旱監(jiān)測中的適用性，以期能夠更好地識(shí)別新疆狀況，為新疆干旱監(jiān)測、預(yù)警提供重要理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所分析數(shù)據(jù)為國家氣象中心提供的1961-2010年新疆50個(gè)氣象測站逐日均溫、逐日最高溫、逐日最低溫及逐日降水資料。對(duì)缺測數(shù)據(jù)處理方法如下[12]：缺測1～2 d數(shù)據(jù)，采用相鄰日的數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行插補(bǔ)；缺測3 d以上數(shù)據(jù)，采用同期數(shù)據(jù)資料的多年平均值進(jìn)行插補(bǔ)。研究區(qū)域地形及氣象測站分布如圖1。

圖1 研究區(qū)地形(a)及氣象測站(b)分布Fig.1 Locations of study region (a) and meteorological stations (b)

1.2 地理分區(qū)

季節(jié)性積雪及融雪徑流是干旱區(qū)域重要的環(huán)境影響因子[13]，而氣溫變化會(huì)直接影響融雪過程。因此，考慮氣溫因素，結(jié)合海拔、經(jīng)緯度、月均溫均值、月最高溫均值、月最低溫均值、各月氣溫日較差均值、生長季節(jié)期間(5-8月)溫度均值及生長季節(jié)期間(5-8月)最高溫均值[14]信息，采用模糊C聚類法[15-16]將新疆50個(gè)測站隸屬于3個(gè)不同類群(圖2a)。基于FCM聚類分析結(jié)果、復(fù)雜的研究區(qū)地域背景及氣候特征，考慮新疆天山山區(qū)氣象測站的地理位置分布[17-18]，將本文所采用的50個(gè)測站隸屬于5個(gè)分區(qū)來進(jìn)行干旱指數(shù)的對(duì)比分析，并探討各干旱指數(shù)在各區(qū)干旱監(jiān)測過程中的適用性及準(zhǔn)確性，其中北疆地區(qū)11個(gè)測站，南疆地區(qū)11個(gè)測站，天山北坡8個(gè)測站，天山東段6個(gè)測站，天山南坡14個(gè)測站(圖2b)。

圖2 模糊聚類分析測站隸屬群類分布(a)及氣象測站地理分區(qū)(b)Fig.2 FCM-based regionalization of meteorological stations (a) and five sub-regions of FCM-based and geographical regionalization (b)

1.3 方法

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(the Standardized Precipitation Index，SPI) 是McKee等提出[19-20]的基于降水量的指標(biāo)，是世界氣象組織推薦使用的一種氣象干旱指數(shù)。計(jì)算只基于降水?dāng)?shù)據(jù)，并未考慮諸如溫度、蒸散發(fā)、風(fēng)速及土壤持水能力等其他因素對(duì)干旱可能造成的影響，很多研究結(jié)果表明[21-22]，降水是決定干旱事件發(fā)生、結(jié)束、歷時(shí)以及強(qiáng)度的主要因子，降水變率遠(yuǎn)大于氣溫及潛在蒸散發(fā)等其他因素的變率。

1.3.2 自適應(yīng)帕默爾指數(shù) 由Palmer于1965[5]年提出的PDSI是干旱指數(shù)發(fā)展過程中的里程碑，基于土壤水分供給平衡，既考慮近期降水量異常程度，同時(shí)考慮前期降水量、蒸發(fā)量以及徑流影響，被廣泛的用于美國氣象、農(nóng)業(yè)、水利及政府決策部門。但是PDSI指數(shù)也存在一定弊端[23]：計(jì)算過程復(fù)雜，反應(yīng)不夠靈敏，并未考慮灌溉等人類活動(dòng)的影響，也忽略了降雪、雪蓋、冰凍等因素的影響。Wells等[24]在2004年對(duì)PDSI指數(shù)進(jìn)行了很大程度上的改善，建立了自適應(yīng)帕默爾指數(shù)(the Self-calibrating PDSI，scPDSI)，使得持續(xù)因子和氣候權(quán)重因子根據(jù)站點(diǎn)的氣候特征自動(dòng)校正，對(duì)干濕狀況有不同的敏感性，在空間尺度上的可比性有很大提高。

利用美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)國家農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)中對(duì)自適應(yīng)帕默爾指數(shù)的計(jì)算軟件，采用逐年逐月降水量、逐年逐月氣溫、多年逐月氣溫均值、多年逐月降水均值及相應(yīng)參數(shù)來計(jì)算逐年逐月scPDSI。其中，參數(shù)選取兩個(gè)數(shù)值：計(jì)算測站的土壤有效持水能力(Available Water Holding Capacity，AWC)及緯度信息。在scPDSI計(jì)算過程中，土壤有效持水能力扮演著相當(dāng)重要的角色，參照相關(guān)文獻(xiàn)[25]，scPDSI計(jì)算過程中的土壤有效持水能力參數(shù)來自美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室提供的“Plant Extractable Water Capacity of Soil”數(shù)據(jù)，為ASCII格式，經(jīng)度為0.5°×0.5°，單位為“cm water per cm soil”，采用Arcgis軟件中的“分區(qū)統(tǒng)計(jì)”功能，即可提取出各測站的土壤有效持水能力。

1.3.3 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(the Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI) 是Vicente-Serrano等[26]在SPI的基礎(chǔ)上引入潛在蒸散發(fā)的概念構(gòu)建的，融合了標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)SPI和基于土壤水分平衡方程的帕默爾干旱指數(shù)PDSI的優(yōu)點(diǎn)[27]。

SPEI及SPI均基于單變量概率分布函數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，而兩者之間的不同之處主要在于以下3個(gè)方面：① SPI僅考慮降水量單一因素的影響，而SPEI除考慮降水之外，還考慮氣溫的影響；② SPI指標(biāo)研究的著重點(diǎn)為降水異常，而SPEI研究的重點(diǎn)為水分平衡(即降水量與潛在蒸發(fā)量之差)的異常；③ 采用合適的單變量概率分布函數(shù)將屬于偏態(tài)分布的降水量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，SPI采用Gamma分布(皮爾遜III型)，而SPEI采用三參數(shù)Log-logistic分布。

1.3.4 有效干旱指數(shù)(the Effective Drought Index，EDI) 是基于日尺度降水量數(shù)據(jù)的干旱指數(shù)，早期降水量的貢獻(xiàn)隨時(shí)間遷移越來越小，可以監(jiān)測到長達(dá)多年的持續(xù)干旱，是干旱研究領(lǐng)域創(chuàng)新性的突破。EDI指數(shù)也被廣泛地運(yùn)用在韓國干旱事件的實(shí)時(shí)監(jiān)測上[8, 28]，并且Morid[8]、Pandey等[29]同樣指出EDI優(yōu)于SPI指數(shù)，能夠很好地應(yīng)用在伊朗及印度地區(qū)干旱監(jiān)測工作之中。Muthoni Masinde[30]結(jié)合EDI指數(shù)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，探討了肯尼亞地區(qū)干旱預(yù)警工作。

表1 氣象干旱指數(shù)等級(jí)

2 結(jié)果與討論

2.1 多種干旱指數(shù)相關(guān)性

SPI及SPEI的最大特點(diǎn)就是能夠基于多時(shí)間尺度。前人研究結(jié)果指出，在降水量高于200 mm地區(qū)，基于各個(gè)時(shí)間尺度的SPEI分析均適用。在年降水量小于200 mm干旱地區(qū)，基于12個(gè)月時(shí)間尺度的SPEI適用性最好，且基于12個(gè)月時(shí)間尺度的SPI對(duì)長期干旱事件監(jiān)測效果較好[31-32]。另外，為了保證干旱指數(shù)在對(duì)比分析過程中選取時(shí)間尺度的一致性，本文分別采用SPI12、SPEI12、scPDSI及EDI指數(shù)，分析了1962-2010年新疆5個(gè)分區(qū)各個(gè)站點(diǎn)間干濕變化情況如圖3。北疆地區(qū)及天山北坡地區(qū)SPI、SPEI之間的相關(guān)性明顯強(qiáng)于其他指數(shù)。南疆地區(qū)及天山南坡SPI與SPEI、EDI之間相關(guān)性均較好且差別不大。天山東段SPI與EDI指數(shù)相關(guān)性更強(qiáng)且在各測站之間相關(guān)性好壞表現(xiàn)的更為一致、穩(wěn)定?？傮w來看，不論是哪個(gè)分區(qū)，SPI與SPEI相關(guān)性都表現(xiàn)的較好，而SPI與EDI僅僅考慮降水影響的指數(shù)之間的相關(guān)性也明顯好于綜合考慮降水、氣溫的SPEI指數(shù)與EDI指數(shù)之間的相關(guān)性，而scPDSI與其他3種干旱指數(shù)的相關(guān)性均較弱，明顯不適合新疆干濕狀況的監(jiān)測，與其他3種干旱指數(shù)的相關(guān)性較差，甚至出現(xiàn)了負(fù)相關(guān)的情況。

圖3 新疆五個(gè)分區(qū)多種干旱指數(shù)相關(guān)性(A)北疆地區(qū)；(B)南疆地區(qū)；(C)天山北坡；(D)天山東段；(E)天山南坡Fig.3 Correlation analysis between four drought indices across five sub-regions

2.2 多種干旱指數(shù)針對(duì)不同等級(jí)干旱發(fā)生頻率

圖4a-e分別為采用多種干旱指數(shù)對(duì)北疆、南疆、天山北坡、東段及南坡干旱等級(jí)的判定，總體來看，5個(gè)區(qū)域SPI、SPEI、EDI對(duì)干濕等級(jí)評(píng)定的結(jié)果呈倒鐘形分布。本文著重分析各干旱指數(shù)對(duì)新疆“干”的評(píng)定，不論是新疆哪個(gè)區(qū)域，SPI與SPEI對(duì)于各干旱等級(jí)頻率的判定結(jié)果較為一致，與圖3中SPI與SPEI具有很強(qiáng)相關(guān)性的結(jié)論一致。SPI、SPEI、EDI對(duì)不同干旱等級(jí)發(fā)生頻率的變化規(guī)律十分明顯且單一，與SPI、SPEI相比，EDI判斷為正常的頻率明顯低于SPI及SPEI指數(shù)，相反地，對(duì)輕旱、中旱、重旱發(fā)生頻率的判定，EDI要明顯高于SPI及SPEI，因此，EDI較SPI及SPEI對(duì)降水量變化更加敏感。而各區(qū)域測站基于scPDSI不同等級(jí)干旱發(fā)生頻率的變化規(guī)律并不明顯，其所評(píng)定的中旱、重旱發(fā)生頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常以及輕旱，尤其是和布克賽爾以及阿拉山口，和布克賽爾scPDSI監(jiān)測的重度干旱是其他各干旱指數(shù)監(jiān)測到的重度干旱的17倍之多，中度干旱則是3～5倍；阿拉山口scPDSI監(jiān)測的重度干旱高達(dá)其他干旱指數(shù)監(jiān)測結(jié)果8～25倍，中度干旱則為4～12倍，對(duì)于“干”情的判斷完全與實(shí)際不符，不適用于新疆地區(qū)“干”、“濕”情的監(jiān)測。

2.3 干旱指數(shù)對(duì)干旱情況反映能力

圖5為針對(duì)新疆不同行政區(qū)域，采用四種干旱指數(shù)對(duì)1980-2010年間新疆不同行政區(qū)域平均水平上干濕情況的判斷，并結(jié)合新疆實(shí)際災(zāi)情損失，對(duì)比分析了各干旱指數(shù)的適用性。可以看出，受災(zāi)面積越大、糧食損失越多，經(jīng)濟(jì)作物損失及抗旱澆灌面積也呈現(xiàn)出與受災(zāi)面積、糧食損失一致的變化趨勢。SPI、SPEI、EDI呈現(xiàn)的變化趨勢較為一致，在0值上下不斷波動(dòng)起伏變化，但絕大多數(shù)組分均為正常情況；而EDI起伏波動(dòng)變化較SPI及SPEI更為頻繁、快速，由此也可看出，基于日尺度降水量的干旱指數(shù)EDI較其他干旱指數(shù)對(duì)降水變化的響應(yīng)最快。在月尺度平均水平上，SPI及SPEI表現(xiàn)出的變化趨勢及對(duì)干濕情況的判斷較為一致。而scPDSI值的時(shí)間變化趨勢與SPI、SPEI、EDI有較大差別，對(duì)降水、氣溫等氣候因子響應(yīng)較慢，所呈現(xiàn)的“干”、“濕”交替并不頻繁，“干”、“濕”呈階段性出現(xiàn)，且其表現(xiàn)出的干濕與新疆實(shí)際災(zāi)情損失的差異較大，并不適合新疆干濕情況的判斷。

圖4 1961-2010年多種干旱指數(shù)在新疆五個(gè)分區(qū)不同干旱等級(jí)頻率分布(1-正常；2-輕旱；3-中旱；4-重旱)Fig.4 Different levels of drought frequency of four drought indices within five sub-regions

2.4 新疆干濕狀況變化特征

2.4.1 平均SPEI年際變化及突變檢驗(yàn) 通過上述研究，可以看出，SPEI12相對(duì)其他干旱指數(shù)，既考慮了降水、氣溫兩種氣象因子對(duì)于干旱的共同作用，在全疆范圍內(nèi)適用性都較好。為了更好地使用SPEI12指數(shù)揭示新疆地區(qū)的干濕變化特征，按照《氣象干旱等級(jí)GB/T20481-2006》中對(duì)旱情嚴(yán)重程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)SPEI12值進(jìn)一步細(xì)化[33-34]，將SPEI12≤-2.0定義為特旱，將-2.0-0.5定義為無旱。本文采用基于12個(gè)月尺度的SPEI指數(shù)(SPEI12)，從干旱發(fā)生頻率、干旱站次比及干旱發(fā)生強(qiáng)度3個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)1961-2010年新疆干旱事件的發(fā)生發(fā)展變化。

圖5 新疆各行政區(qū)域?yàn)?zāi)情損失及各干旱指數(shù)變化情況(Ⅰ：SPI-受災(zāi)面積；Ⅱ：SPEI-糧食損失；Ⅲ：scPDSI-經(jīng)濟(jì)作物損失；Ⅳ：EDI-抗旱澆灌面積)(A-阿克蘇；B-阿勒泰；C-巴州；D-博州；E-昌州；F-哈密；G-和田；H-喀什；I-克州；J-塔城；K-吐魯番；L-烏魯木齊；M-伊犁)Fig.5 Practical disaster situations and trend analyses of four drought indices in different regions

圖6為新疆多個(gè)測站年均SPEI12年際變化趨勢及Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果，可以看出，整體上新疆干濕波動(dòng)特征明顯，干濕狀況不斷交替出現(xiàn)。20世紀(jì)70年代以前，主要表現(xiàn)為干旱，70年代初期到中期，并未發(fā)生干旱，70年代中后期到80年代初期，干旱再次出現(xiàn)，80年代中后期到90年代后期，較長一段時(shí)間表現(xiàn)為濕潤，而90年代后期到21世紀(jì)初期，表現(xiàn)為干旱，尤其是2007年以后SPEI大幅下降，2010年，SPEI又有所回升。1961-2010年間，新疆地區(qū)年平均SPEI每10 a上升0.07，呈濕潤化趨勢，普遍來看，SPEI表現(xiàn)為“濕”的幅度大于表現(xiàn)為“干”的幅度。在通過置信度為95%顯著性檢驗(yàn)基礎(chǔ)上，新疆年均SPEI在20世紀(jì)60年代后期以后突變上升，突變前后相差較大，且UFk變化總體呈上升趨勢，并不斷伴隨著上升與下降波動(dòng)交替出現(xiàn)。

圖6 新疆SPEI12年平均值年際變化特征(a)及MK趨勢檢測(b)Fig.6 Inter-annual variation (a) and Mann-Kendall test (b) of average SPEI of Xinjiang

2.4.2 年及四季干旱特征 基于新疆1961-2010年50 a間降水?dāng)?shù)據(jù)，采用基于12個(gè)月時(shí)間尺度的SPEI指數(shù)評(píng)定新疆干旱，圖7為新疆地區(qū)各干旱等級(jí)年干旱頻率分布，干旱(含輕旱、中旱、重旱及特旱)發(fā)生頻率在22.45%～34.69%之間，如圖7a，干旱頻率昌州中東部地區(qū)(北塔山、奇臺(tái)一帶)及和田東部地區(qū)(皮山、和田一帶)最高，北疆地區(qū)干旱發(fā)生頻率整體上相對(duì)南疆地區(qū)偏高；吐魯番地區(qū)(吐魯番、七角井一帶)及博州地區(qū)中等干旱頻率相對(duì)較高，中等干旱發(fā)生頻率位于13%～18.37%之間(圖7b)；阿克蘇地區(qū)庫車、阿克蘇一帶及哈密地區(qū)哈密一帶重旱發(fā)生頻率較其他地區(qū)高，達(dá)4%～6.12%(圖7c)；阿克蘇地區(qū)阿克蘇、阿拉爾、柯坪一帶及巴州地區(qū)若羌一帶特重干旱頻率較高，位于1.5%～2%之間，較其他地區(qū)更高(圖7d)。另外，可以看出，阿克蘇地區(qū)重旱及特重干旱發(fā)生頻率較其他地區(qū)更高，中等干旱發(fā)生頻率同樣較高，采取相應(yīng)的防旱減災(zāi)措施對(duì)于阿克蘇地區(qū)災(zāi)害損失的減輕有重要意義。限于篇幅，季節(jié)干旱頻率分布圖略。

圖7 1961-2010年間新疆地區(qū)年干旱頻率分布(A-阿克蘇；B-阿勒泰；C-巴州；D-博州；E-昌州；F-哈密；G-和田；H-喀什；I-克州；J-塔城；K-吐魯番；L-烏魯木齊；M-伊犁)Fig.7 Spatial distribution of annual drought frequency of different drought classes across Xinjiang

整體上，新疆地區(qū)干旱事件的發(fā)生具有明顯的區(qū)域性和季節(jié)性。不論是年或者四季干旱，干旱發(fā)生的影響范圍均呈縮減趨勢，春季干旱強(qiáng)度的變化趨勢與干旱站次比變化趨勢表現(xiàn)的較為一致，而其他季節(jié)及年干旱中干旱強(qiáng)度的變化趨勢并不明顯(圖8)。另外，秋季干旱表現(xiàn)為全域性干旱的年份，年干旱均為全域性干旱，因此，秋季干旱發(fā)生的全域性與否對(duì)于全年干旱的發(fā)生范圍會(huì)產(chǎn)生一定的影響。近50 a來，新疆年干旱主要以20世紀(jì)70-80年代初期區(qū)域性干旱及60-70、90年代及21世紀(jì)初期局域性干旱為主；春季干旱主要以20世紀(jì)60-70年代及21世紀(jì)初的全域性干旱和20世紀(jì)60年代末、70年代及80年代初的局域性干旱為主；夏季干旱主要以20世紀(jì)60年代末、70年代中后期、80年代中期區(qū)域性干旱和20世紀(jì)80年代及21世紀(jì)初的局域性干旱為主；秋季干旱主要以20世紀(jì)60年代初期、70年代中后期及90年代末期至21世紀(jì)初的全域性干旱和20世紀(jì)60年代末、70年代、80年代的區(qū)域性干旱為主；冬季干旱主要以20世紀(jì)60年代、70年代末、90年代末及21世紀(jì)初的全域性干旱和20世紀(jì)70、80、90年代的局域性干旱為主；此外，年及四季干旱強(qiáng)度均表現(xiàn)為輕度干旱和中度干旱。四個(gè)季節(jié)各等級(jí)干旱(干旱、中等干旱、重旱及特重干旱)發(fā)生頻率高于年干旱各等級(jí)干旱的發(fā)生頻率，四個(gè)季節(jié)重旱及特重干旱發(fā)生頻率大小較為一致；冬季干旱發(fā)生頻率高于其他季節(jié)，而中等干旱發(fā)生頻率春季、冬季最高，秋季次之，夏季最小。另外，在空間分布上，春季及秋季各等級(jí)干旱發(fā)生規(guī)律較為一致，北疆阿勒泰地區(qū)及塔城地區(qū)干旱、中等干旱發(fā)生頻率較低，而重旱及特重干旱發(fā)生頻率高于其他地區(qū)；北疆北部阿勒泰地區(qū)及塔城地區(qū)夏季、冬季干旱和中等干旱發(fā)生頻率較低，而阿勒泰地區(qū)、塔城地區(qū)及新疆東南部巴州地區(qū)、吐魯番地區(qū)、哈密地區(qū)一帶重旱及特重干旱發(fā)生頻率較高；總體來說，年干旱發(fā)生頻率北疆高于南疆，阿克蘇地區(qū)重旱及特重干旱發(fā)生頻率較高，新疆季節(jié)干旱高發(fā)，對(duì)于季節(jié)干旱的進(jìn)一步了解有助于結(jié)合作物生長輪換制度及時(shí)采取防旱措施減少農(nóng)業(yè)干旱損失。

圖8 1961-2010年新疆地區(qū)年及四季干旱站次比和干旱強(qiáng)度變化Fig.8 Seasonal drought intensity and drought station level attained in Xinjiang

3 結(jié) 論

總體來看，SPI、SPEI、EDI對(duì)降水、氣溫響應(yīng)較快，且變化所呈總體特征較為一致，而scPDSI對(duì)干濕事件的判斷結(jié)果與其他三種指標(biāo)相差較大，甚至?xí)霈F(xiàn)完全相反的判斷結(jié)果，且scPDSI對(duì)旱情發(fā)生程度等級(jí)的判斷偏輕，對(duì)干濕變化響應(yīng)較慢，不適用于新疆干濕的監(jiān)測。且SPI與SPEI相關(guān)性最好，SPI與EDI相關(guān)性明顯好于SPEI與EDI的相關(guān)性，而scPDSI與其他3種干旱指數(shù)的相關(guān)性均較弱。EDI較SPI及SPEI對(duì)降水量變化更加敏感，SPI較EDI對(duì)“干”的評(píng)定較重，對(duì)“濕”的判定較輕，而SPEI綜合考慮了氣溫以及降水對(duì)“干”、“濕”的共同作用，能夠監(jiān)測到SPI及EDI無法監(jiān)測到的一些特大旱情。雖然SPI與SPEI的計(jì)算是基于不同的概率分布函數(shù)，然而SPI與SPEI對(duì)新疆干濕監(jiān)測結(jié)果表現(xiàn)的較為一致且與實(shí)際災(zāi)情較為相符，因此，獲取較長時(shí)間序列的降水、氣溫資料在各干旱指數(shù)間差異性消除方面起到重要作用，考慮到兩種干旱指數(shù)之間的一致性，在評(píng)定干濕事件時(shí)，要綜合考慮數(shù)據(jù)資料獲取的難易程度，計(jì)算方法的復(fù)雜程度以及當(dāng)前研究過程中對(duì)于該指數(shù)的應(yīng)用程度；本文并不推薦在新疆干旱監(jiān)測中采用scPDSI指數(shù)，另外，由于EDI計(jì)算基于日尺度降水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)于干旱開始、結(jié)束的具體時(shí)間的判定具有很大的優(yōu)勢。

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Evaluation and comparability of four meteorological drought indices during drought monitoring in Xinjiang

CIHui1,ZHANGQiang2,XIAOMingzhong2

(1. Jiangsu Second Normal University, Nanjing 210013, China;2. Department of Water Resources and Environment//Key Laboratory of Water Cycle and Water Security in Southern China of Guangdong High Education Institute,Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

Drought is perhaps the most complex natural hazard. Drought monitoring is an essential component of drought risk management. It is usually performed with the use of various drought indices. A number of drought indices have been introduced and applied in the drought monitoring in different regions to date all over the world. Xinjiang was divided into five sub-regions with Fuzzy Clustering Method along with considering its geographic and geomorphic conditions and different vapor sources: northern Xinjiang, southern Xinjiang, northern slope of Tianshan Mountain, southern slope of Tianshan Mountain, and the eastern part of Tianshan Mountain. Comparability analyses and correlation analyses have been carried out between the Standardized Precipitation Index (SPI), the Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI), the Effective Drought Index (EDI), and the Self-calibrating PDSI (scPDSI) to investigate advantages and disadvantages of four drought indices and to pick out the most applicable drought index for the five sub-regions in Xinjiang based on daily precipitation and temperature data from 50 meteorological stations in Xinjiang. SPI, SPEI, and EDI respond quickly to precipitation and temperature. The tendency and changing characteristics were in consistent with each other. Drought classes and wet classes defined with SPI are higher and lower than with EDI, respectively. Since SPEI can take into account of combined action of precipitation and temperature in the evaluation of drought and wet, some severe droughts that cannot be detected with SPI and scPDSI can be monitored with SPEI. The correlation between SPI and EDI is better than it between SPEI and EDI. The difference of variation tendency between SPI, SPEI, EDI and scPDSI is very large and the relationship between scPDSI and other drought indices is worst. Therefore, scPDSI is not applicable to drought monitoring in Xinjiang. In addition, drought frequency, drought severity, drought stations proportion of different classes of annual and seasonal drought have been analyzed with SPEI12. No matter annual or seasonal droughts, there are obvious regional and seasonal characteristics. And the influence area has been reduced to an extent.

drought monitoring; meteorological drought indices; correlation analysis; Xinjiang

10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.02.022

2015-03-09

國家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51425903)；江蘇第二師范學(xué)院博士專項(xiàng)資助項(xiàng)目(JSNU2015BZ01)；新疆維吾爾自治區(qū)科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(201331104)；香港特別行政區(qū)研究資助局資助項(xiàng)目(CUHK441313)；中山大學(xué)濱海小流域自然地理綜合過程觀測與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)資助項(xiàng)目(2012年度)

慈暉(1989年生)，女；研究方向：區(qū)域水文循環(huán)與水資源演變；通訊作者：張強(qiáng);E-mail:zhangq68@mail.sysu.edu.cn

P468.024

A

0529-6579(2016)02-0124-10