基于GIS的大連春旱頻率空間分布

侯彥澤， 牛桂萍， 祝青林， 尹遠淵， 于蕙箐

(1.遼寧省大連市氣象臺，遼寧大連 116001；2.遼寧省瓦房店市氣象局，遼寧瓦房店 116300)

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基于GIS的大連春旱頻率空間分布

侯彥澤1， 牛桂萍2， 祝青林1， 尹遠淵1， 于蕙箐1

(1.遼寧省大連市氣象臺，遼寧大連 116001；2.遼寧省瓦房店市氣象局，遼寧瓦房店 116300)

利用大連地區(qū)1990～2015年39個土壤水分觀測站數(shù)據(jù),采用墑情指標評價法作為干旱評估標準，借助地理信息系統(tǒng)中的Kring方法進行空間化，繪制大連地區(qū)春季干旱頻率圖,在此基礎上分析了大連地區(qū)春季干旱的空間分布特征。結果表明，大連地區(qū)春旱具有顯著的地區(qū)性。瓦房店北部、金州發(fā)生頻次最高，屬于春旱高發(fā)區(qū)；莊河最低，屬于春旱低發(fā)區(qū)；旅順和普蘭店局部屬于春旱易發(fā)區(qū)。

地理信息系統(tǒng)；春旱；頻率；空間分布

干旱是影響大連地區(qū)工農業(yè)生產及人民群眾生活的主要氣象災害之一。大連地區(qū)干旱災害具有發(fā)生頻次高、災害影響范圍大的特點。據(jù)不完全統(tǒng)計，近50年大連地區(qū)干旱出現(xiàn)頻率高達70.9%。隨著工農業(yè)的大力發(fā)展，城鄉(xiāng)用水量繼續(xù)增加，地下水位下降明顯，加劇了干旱對當?shù)毓まr業(yè)生產的影響。大連水資源主要來自大氣降水，而本地降水的時空變異性大，近些年地區(qū)經濟的快速發(fā)展，導致其水資源供需矛盾日益突出，在此背景下，研究干旱的空間分布特點對合理安排農業(yè)生產和抗旱防災有重要意義。

近年來，有學者對我國北方干旱的時空分布及變化進行了研究[1-4]，如馬柱國等[4]分析指出北方地區(qū)極端干旱頻率顯著增加，且極端干旱頻發(fā)區(qū)往往對應著增溫明顯的地區(qū)。目前國內學者研究干旱的時空變化特征和成因較多，而干旱精細化的研究較少涉及，各地正進行農業(yè)種植結構調整，急需對各地精細化的農業(yè)干旱進行分析[5-8]。筆者利用春季墑情觀測點監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合GIS插值方法，研究大連地區(qū)春旱的空間分布，以期為該地區(qū)預防減緩干旱災害和水資源的合理利用提供理論依據(jù)。

1　資料與方法

1.1資料來源土壤墑情資料為1990～2015年大連市人工土壤溫濕度觀測站，測量方法為土鉆法，采用烤箱(近些年多采用微波爐烘干)烘干測量。全市共有39個土壤墑情人工觀測站，春季測量時間為4月份逢3日、逢8日觀測，3月和5月逢8日觀測。春旱是大連的主要干旱災害，約占干旱發(fā)生總次數(shù)的40.9%，針對春季農戶最關心播種時段的土壤濕度，選擇10 cm耕層資料。所有資料均來自大連市氣象局。各地旱情資料來自大連市氣象局和大連市年鑒。

1.2干旱評估和空間化方法采用合理的標準衡量和評估干旱災害等級，對掌握區(qū)域性旱情分布及受旱程度有重要意義。評估干旱的方法很多，包括降水距平百分率、Z指數(shù)、相對濕潤度指數(shù)等，這些評估方法均是從間接角度分析干旱的狀況，氣象干旱評價方法在不同條件下的效果有一定的差異，但評價的干旱狀況標準受主觀影響大,不能完全客觀揭示干旱的時空分布特征[9]。土壤墑情是反映農作物水分供應狀況最直接的指標，相比其他評價方法更加客觀。

1.2.1墑情指標評估法。采用土壤墑情干旱指數(shù)方法評估春季土壤干旱情況，結合對春季的土壤濕度分析，采用10 cm深度土壤濕度，分析春旱狀況。根據(jù)歷史旱情資料和影響，將春季連續(xù)3周10 cm土壤濕度<55%或連續(xù)2周土壤濕度<50%確定為出現(xiàn)輕旱；連續(xù)3周在50%以下或連續(xù)2周<45%為中旱；3周以上<40%為重旱。疊加干旱的次數(shù)作為干旱頻率。

1.2.2克里格空間化方法?？死锔穹ㄊ菑淖兞肯嚓P性和變異性出發(fā)，在有限區(qū)域內對區(qū)域化變量的取值進行無偏、最優(yōu)估計的一種方法；從插值角度講是對空間分布的數(shù)據(jù)求線性最優(yōu)的一種方法。克里格法的適用條件是區(qū)域化變量存在空間相關性，其實質是利用區(qū)域化變量的原始數(shù)據(jù)和變異函數(shù)的結構特點，對未知樣點進行線性最優(yōu)估計，計算公式如下:

式中，Z(x0)為未知樣點值，Z(xi)為未知樣點周圍的已知樣本點值，ωi為第i個已知樣本點對未知樣點的權重，n為已知樣本點個數(shù)。

2　結果與分析

2.1春旱頻率的空間化首先為39個土壤墑情站添加經度、緯度、海拔高度和春旱出現(xiàn)頻率。統(tǒng)計分析26年的土壤墑情記錄資料,分別采用干旱等級評估方法計算得出各站出現(xiàn)春旱概率，最后得到每個站點發(fā)生春旱的概率值。分別將站點名、經緯度、高程、春旱頻率等添加進干旱頻次表(表1)。

表1　添加地理信息的干旱頻次

利用Arcmap軟件將帶經緯度的數(shù)據(jù)文件導入，形成各站點矢量文件的屬性數(shù)據(jù)層，利用ArcTools將文件投影到Beijing 1954 3 Degree GK Zone 41坐標下。添加大連地區(qū)行政邊界后(圖1)，采用Kriging方法進行空間內插，得到春旱分布的柵格化數(shù)據(jù)圖(圖2)。

圖1　土壤墑情站點分布Fig.1　Distribution of soil moisture sites

圖2　春旱發(fā)生頻次空間分布Fig.2　Spatial distribution of spring drought occurrence frequency

2.2春旱的空間分布從圖2可以看出，大連地區(qū)春旱發(fā)生頻次地區(qū)間有顯著差異，整體表現(xiàn)為西部重于東部、南部重于北部。根據(jù)各地區(qū)發(fā)生春旱的頻次和輕重程度可劃分為高發(fā)區(qū)、易發(fā)區(qū)、低發(fā)區(qū)3個區(qū)。

2.2.1春旱高發(fā)區(qū)。瓦房店北部、金州為春旱高發(fā)區(qū)。瓦房店北部、金州春季干旱出現(xiàn)頻率最高，超過50%，為全市之首。1980年，瓦房店地區(qū)3～5月降水量僅24.9 mm，僅為常年的30%。5.60萬hm2玉米有10%～20%缺苗，并有大面積三類苗，大豆播種推遲10～15 d，花生播種推遲10 d左右，到5月底仍有0.13萬～0.20萬hm2因干旱沒有播種，水稻推遲插秧10 d左右。尤其瓦房店西北部，土質薄而貧瘠，土壤持水量小，易于蒸發(fā)，更加重了干旱程度。1989年嚴重干旱，該地區(qū)糧食幾乎絕收。2014～2015年連年大旱使得瓦房店大田農業(yè)損失慘重，部分農戶和牲畜飲水困難。

2.2.2春旱易發(fā)區(qū)。包括大連市區(qū)以及旅順、普蘭店等地，春旱出現(xiàn)頻率較高，為30%～50%。1981年全市春季雨水稀少，地下水和土壤含水量急劇下降，旱象發(fā)展很快，嚴重影響春播，全市受旱農田12.47萬hm2。大連3月26日～6月13日降水量僅28 mm；普蘭店在4～5月降水量≤5 mm的降雨過程長達30 d。

2.2.3春旱低發(fā)區(qū)。莊河春旱出現(xiàn)頻次最低，為10%左右。

3　結論與討論

該研究利用大連地區(qū)1990～2015年39個土壤水分觀測站數(shù)據(jù)，采用墑情指標評估法評估大連地區(qū)干旱頻率，并利用Kringing方法研究當?shù)卮汉殿l率的空間分布。結果表明，大連地區(qū)春季干旱發(fā)生頻率高，地區(qū)間差異顯著。瓦房店北部、金州發(fā)生頻次最高，屬于春旱高發(fā)區(qū)；莊河最低，屬于春旱低發(fā)區(qū)；旅順和普蘭店局部屬于春旱易發(fā)區(qū)。

從災情損失和歷年數(shù)據(jù)看，以土壤墑情為基礎的干旱分析方法能較好地反應當?shù)赝寥栏珊党霈F(xiàn)頻次。傳統(tǒng)的干旱數(shù)據(jù)主要在點數(shù)據(jù)上分析干旱的變化特征，忽視了空間整體的連續(xù)性，干旱等氣象災害具有空間連續(xù)性。該研究將干旱頻次采用Kringing方法進行空間化，將點數(shù)據(jù)信息擴展到面信息，更有利于掌握干旱空間的分布特點，對決策部門制定抗旱政策有重要意義。

干旱是大連地區(qū)農業(yè)生產主要的氣象障礙性因子之一。干旱出現(xiàn)頻率高，對農業(yè)影響大。需要從整體農業(yè)政策、開源節(jié)流等方面綜合施策。首先，可以調整農業(yè)結構和種植制度。調整農業(yè)結構就是針對未來氣候變化對農業(yè)的可能影響，改進作物、品種布局，有計劃地培育和選用抗旱等抗逆品種。如大連地區(qū)西部沙土地較多，又是干旱少雨地區(qū)，更應做大做強甘薯產業(yè)；在金州、旅順、瓦房店等地可以擴大滴灌技術，發(fā)展滴灌技術相關產業(yè)。

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[4] 馬柱國,符淙斌.1951～2004年中國北方干旱化的基本事實[J].科學通報,2006(20):2429-2439.

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Spatial Distribution of Spring Drought Frequency Based on GIS Technique in Dalian

HOU Yan-ze1, NIU Gui-ping2, ZHU Qing-lin1et al

(1.Dalian Meteorological Observatory, Dalian, Liaoning 116001; 2.Wafangdian Meteorological Observatory, Wafangdian, Liaoning 116300)

Using the data of 39 soil moisture observation stations in Dalian area during 1990-2015, adopting moisture index evaluation method and Kring method of GIS, spring drought frequency diagram of Dalian was obtained.On the basis of this, spatial distribution characteristics of spring drought in Dalian were analyzed.The results showed that spring drought in Dalian has significant regional feature.North of Wafangdian and Jinzhou belong to highest frequency area of spring drought, Zhuanghe is the lowest, Lushun and parts of Pulandian belong to spring drought prone area.

GIS; Spring drought; Frequency; Spatial distribution

侯彥澤(1988- )，男，天津人，助理工程師，從事農業(yè)氣象研究。

2016-06-22

S 162

A

0517-6611(2016)24-186-02