多種干旱指數(shù)在三穗縣干旱分析中的比較

聶 云，周繼先，羅 俊，秦暢暢，張 羽

(1.貴州省黔東南自治州氣象局,貴州 凱里 556000;2.貴州省思南縣氣象局,貴州 思南 565100;3.貴州省三穗縣氣象局,貴州 三穗 556500)

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多種干旱指數(shù)在三穗縣干旱分析中的比較

聶 云1，周繼先2，羅 俊3，秦暢暢3，張 羽3

(1.貴州省黔東南自治州氣象局,貴州 凱里 556000;2.貴州省思南縣氣象局,貴州 思南 565100;3.貴州省三穗縣氣象局,貴州 三穗 556500)

利用1958—2013年三穗氣象站逐日降水、溫度和蒸發(fā)資料，計算降水距平百分率、標準化降水指數(shù)、MCI指數(shù)和K指數(shù)；并將計算結(jié)果與實況干旱資料進行詳細對比、綜合分析。結(jié)果表明：三穗縣一年四季都可能發(fā)生干旱，歷年平均有4—6個月發(fā)生干旱，且以輕旱和中旱為主；4種干旱指數(shù)對三穗縣干旱監(jiān)測均有一定的指示作用，采用“綜合評定、側(cè)重考慮”的原則監(jiān)測三穗縣區(qū)域干旱效果較好。對月尺度干旱，運用MCI指數(shù)和K指數(shù)綜合評定較符合實際；對季尺度干旱，SPI指數(shù)對春、秋季干旱的評估效果較好，K指數(shù)對夏季干旱的評估效果較好。

干旱指數(shù)；干旱監(jiān)測；適應(yīng)性；三穗

1 引言

干旱是貴州常見的氣象災(zāi)害之一，具有發(fā)生頻率高、持續(xù)時間長和涉及范圍廣的特點。近年來，受全球氣候變暖的影響，貴州干旱事件呈明顯上升趨勢，給貴州國民經(jīng)濟建設(shè)尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了嚴重危害。目前，許多氣象工作者就貴州干旱事件做了大量研究，但關(guān)于縣級干旱事件的定量研究較少。如，尹晗[1]等指出，西南地區(qū)干旱發(fā)生機制復(fù)雜，干旱頻率季節(jié)差異大，年極端干旱存在準5 a和準12 a的周期變化；吳哲紅[2]等認為，3種干旱指數(shù)中，K指數(shù)最能體現(xiàn)貴州安順市春冬季農(nóng)業(yè)和大部分時段水文干旱的實況；楊帆[3]等研究認為， 1981—2012年黔東南州干旱總體呈加重趨勢，其中2010—2011年發(fā)生了極端干旱事件；池再香[4]等指出，黔東南州平均15 a出現(xiàn)1個特重旱年，平均3 a出現(xiàn)1個重旱年，每年均有不同程度的干旱天氣發(fā)生，并且干旱年容易持續(xù)。

三穗縣位于貴州省東部，隸屬黔東南州(108°32′～109°04′E、26°47′～27°04′N)，地處云貴高原向湘西丘陵過渡的斜坡上，農(nóng)業(yè)是三穗縣第一產(chǎn)業(yè)；縣境內(nèi)地貌類型多樣，地形破碎，降水時空分布不均勻，易發(fā)生干旱災(zāi)害。據(jù)三穗縣氣象歷史資料統(tǒng)計，平均每3 a有一次中等強度以上的干旱發(fā)生,特別是近幾年，連續(xù)的干旱災(zāi)害給三穗經(jīng)濟發(fā)展和人民生活帶來極大的負面影響；因此，研究三穗?yún)^(qū)域干旱很有必要，而目前關(guān)于三穗干旱事件的研究較少。本文選用1958—2013年三穗氣象站逐日降水、溫度和蒸發(fā)資料，計算降水距平百分率(Pa)、標準化降水指數(shù)(SPI)、MCI指數(shù)和K指數(shù)，將干旱指數(shù)計算結(jié)果進行對比分析，并進行典型干旱事件實況檢驗；以期找到適合三穗本地使用的干旱評估指標，為三穗氣象為農(nóng)服務(wù)水平的進一步提高奠定基礎(chǔ)，為三穗氣候預(yù)測和干旱事件的定量研究提供科學(xué)依據(jù)和參考。

2 資料與方法

2.1 資料說明

選取三穗氣象站1958—2013年逐日降水、溫度和蒸發(fā)資料。計算降水距平百分率、標準化降水指數(shù)、MCI指數(shù)和K指數(shù)，對計算結(jié)果進行對比分析；并參考《中國氣象災(zāi)害大典》·貴州卷[5]和《黔東南州志·水利志》[6]的干旱實況資料及三穗縣氣象局干旱歷史統(tǒng)計資料對干旱事件進行實況檢驗。

2.2 干旱指數(shù)的計算與判定標準

2.2.1 降水距平百分率 降水距平百分率是表征某時段降水量相對于常年同期平均狀態(tài)偏離程度的指標之一，常用于氣象業(yè)務(wù)中評估月以上尺度氣象干旱事件。計算公式為：

(1)

表1 降水距平百分率氣象干旱等級劃分標準

2.2.2 標準化降水指數(shù) 標準化降水指數(shù)是表征某時段降水量出現(xiàn)概率多少的指標之一，其計算簡單，并具有多時間尺度應(yīng)用的特性，被廣泛應(yīng)用于干旱監(jiān)測。文中SPI指數(shù)計算參考文獻[8]；干旱等級劃分參照《氣象干旱等級—國家標準》[7]，詳見表2。

表2 標準化降水指數(shù)干旱等級劃分標準

2.2.3MCI指數(shù) 氣象干旱綜合監(jiān)測指數(shù)(MCI)是國家氣候中心在CI指數(shù)的基礎(chǔ)上進行修正的氣象干旱監(jiān)測指標；逐日MCI指數(shù)的計算和干旱等級劃分見參考文獻[9]，并定義月內(nèi)逐日MCI指數(shù)監(jiān)測的最高氣象干旱等級為當月的月尺度氣象干旱等級(文中暫不分析MCI指數(shù)對季尺度的干旱監(jiān)測情況)。MCI指數(shù)月尺度干旱等級劃分標準詳見表3。

表3 MCI指數(shù)干旱等級劃分標準

2.2.4K指數(shù)K指數(shù)是同時考慮蒸發(fā)和降水來定義的干旱指標[10]，常運用于大氣和土壤干旱研究。具體計算公式如下：

(2)

表4 K指數(shù)干旱等級劃分標準

3 干旱指數(shù)對研究區(qū)域干旱評定的對比分析

為探尋干旱指數(shù)對三穗縣干旱監(jiān)測的適應(yīng)性，對各干旱指數(shù)判別的月、季尺度的干旱結(jié)果進行對比，并通過相關(guān)性分析、統(tǒng)計學(xué)分析以及干旱指數(shù)擬合干旱事件實況的情況，綜合評估各干旱指數(shù)對三穗?yún)^(qū)域的干旱監(jiān)測效果。

3.1 干旱指數(shù)對月尺度干旱的評定對比及相關(guān)分析

表5統(tǒng)計了4種干旱指數(shù)評定各等級干旱月數(shù)的情況；從表5分析，標準化降水指數(shù)評定總干旱月數(shù)191個，占總月數(shù)的27.9%，相當于平均每年有3.4個月發(fā)生干旱。191個干旱月中，輕旱月份最多，為82個月，主要出現(xiàn)在2—7月及10—12月；中旱56個月，主要集中在4月、8月和11月；重旱和特旱為53個月，主要出現(xiàn)在1—3月、6月和8月；總體而言，標準化降水指數(shù)評定三穗縣干旱主要發(fā)生在2—7月和10—12月，57 a發(fā)生頻次均在15次以上，且以輕旱和中旱為主。

降水距平百分率計算得出總干旱月數(shù)205個月，占總月數(shù)的30.0%，相當于平均每年有3.6個月發(fā)生干旱。205個干旱月中，輕旱為40個月，主要集中在3月、8月和11月；中旱29個月，主要集中在3—5月和10月；重旱20個月，主要發(fā)生在7月；特旱116個月，主要發(fā)生在7—12月；總體而言，降水距平百分率評定三穗縣干旱主要發(fā)生在2—4月和7—12月，57 a發(fā)生頻次均在15次以上，且以輕旱和特旱為主。

MCI指數(shù)評定的總干旱月數(shù)為332個月，占總月數(shù)的48.5%，相當于平均每年有5.8個月發(fā)生干旱。332個月中輕旱為152個月，主要集中在1月、7月和9—12月；中旱110個月，主要集中在7—8月、10月和12月；重旱49個月，主要集中在9—10月；特旱21個月，主要集中在4—5月?？傮w而言，MCI指數(shù)評定三穗縣干旱主要發(fā)生在4—12月，且干旱以輕旱和中旱為主。

K指數(shù)計算得出干旱總月數(shù)為349個月，占總月數(shù)的51.0%，相當于平均每年有6.1個月發(fā)生干旱。349個干旱月中，輕旱為78個月，主要集中在3月和5—6月；中旱141個月，主要集中在1—7月和9—11月，其發(fā)生頻次均在10次以上；重旱為98個月，發(fā)生頻次在10次以上的有4月、7月及10—12月；特旱為32個月，主要集中在7月、9月和12月。總體而言，K指數(shù)評定三穗縣干旱主要發(fā)生在5—7月和9—11月，且以中旱和重旱為主。

綜上4種干旱指數(shù)評定結(jié)果分析，三穗縣一年中每個月都有可能發(fā)生干旱，且以輕旱和中旱為主，歷年平均有4—6個月發(fā)生不同程度的干旱。根據(jù)防災(zāi)減災(zāi)“堅持寧可十防九空”的理念[11]，并結(jié)合歷史資料[5-6]進行詳細對比分析，運用MCI指數(shù)評定三穗縣月尺度干旱發(fā)生頻次較符合實際。

表5 4種干旱指數(shù)評定各等級干旱月數(shù)統(tǒng)計

結(jié)合表6分析可知，SPI指數(shù)與Pa指數(shù)共同評定干旱月數(shù)179個月；其中相同干旱等級的有54個月，占30.2% ；其余干旱月Pa指數(shù)評定的干旱等級普遍比SPI指數(shù)評定的干旱等偏級大1～3級，其中，偏大1級的有49個月，偏大2級的有54個月，偏大3級的有22個月；因此，Pa指數(shù)評定的干旱等級比SPI指數(shù)偏大。SPI指數(shù)與K指數(shù)共同評定的干旱月數(shù)186個月；其中評定為相同干旱等級的有55個月，占29.6%，K指數(shù)比SPI指數(shù)偏大1級和2級的月數(shù)分別為81個月和42個月，而K指數(shù)比SPI指數(shù)評定等級偏小的月份僅為8個月；因此，K指數(shù)評定的干旱等級比SPI指數(shù)偏大。Pa指數(shù)與K指數(shù)共同評定的干旱月數(shù)為203個月；其中評定為相同干旱等級的有72個月，占35.5%，干旱等級評定Pa指數(shù)比K指數(shù)大的有90個月，Pa指數(shù)比K指數(shù)干旱等級小的有41個月；因此，Pa指數(shù)評定干旱等級以比K指數(shù)偏大為主。計算SPI指數(shù)、K指數(shù)和Pa指數(shù)間的相關(guān)性，各指數(shù)值間的相關(guān)系數(shù)均通過了α=0.05的顯著性檢驗。從干旱強度的評定分析，Pa指數(shù)評定的干旱等級以偏大SPI指數(shù)2級為主，以偏大K指數(shù)1級為主；說明3種干旱監(jiān)測指標中，K指數(shù)對三穗縣月尺度干旱強度的評定較符合實際。

表6 3種干旱指數(shù)評定月干旱等級差異統(tǒng)計

為進一步對比分析MCI指數(shù)和K指數(shù)對三穗縣月尺度干旱強度的評定效果，參考文獻[5]，選取三穗縣典型干旱月樣本15個，分析詳細結(jié)果見表7，由表可見1959年7—8月黔東南州各地伏旱十分嚴重，7月份MCI指數(shù)判定三穗縣為“輕旱”，說明判定干旱等級偏低；1978年夏季黔東南大部為重旱區(qū)，MCI指數(shù)判定1978年7月份三穗縣為“輕旱”，而K指數(shù)判定為重旱較符合實際。

綜上分析，MCI指數(shù)考慮多時間尺度降水長期虧缺和蒸發(fā)對干旱的影響，逐日MCI指數(shù)能很好的描述干旱“發(fā)展緩慢，緩解迅速”的特點，其對干旱頻次的發(fā)生評定效果較好，但對干旱等級的評定“偏小”，因此，運用MCI指數(shù)判定干旱頻次，結(jié)合K指數(shù)判定干旱等級能較好的監(jiān)測三穗縣月尺度干旱情況。

表7 MCI指數(shù)、K指數(shù)對三穗縣典型干旱月樣本干旱強度評定結(jié)果

3.2 干旱指數(shù)對季尺度干旱的評定對比分析

分析表8可知，SPI指數(shù)計算出干旱季節(jié)76個，相當于平均每年有1.3個季節(jié)發(fā)生不同程度的干旱；其中春、夏、秋、冬分別占22.4%、26.3%、27.6%和23.7%，且以輕旱和中旱為主。Pa指數(shù)計算出干旱季節(jié)66個，相當于平均每年有1.2個季節(jié)發(fā)生不同程度的干旱；其中春、夏、秋、冬分別占16.7%、24.2%、33.3%和25.8%，且以輕旱和中旱為主。K指數(shù)計算出干旱季節(jié)122個，相當于平均每年有2.1個季節(jié)發(fā)生干旱；其中春、夏、秋、冬分別占24.6%、23.8%、27.0%和24.6%，且以輕旱和中旱為主。綜上所述，三穗縣各季節(jié)都可能發(fā)生干旱，季尺度干旱中以輕旱和中旱為主。

計算3種干旱指數(shù)間的相關(guān)性，各指數(shù)值間的相關(guān)系數(shù)均通過了α=0.05的顯著性檢驗，其中SPI指數(shù)與Pa指數(shù)間的相關(guān)性最好。說明3種干旱指數(shù)對評定三穗縣季尺度干旱關(guān)系較緊密，對三穗縣季尺度干旱的評定均有一定的指示作用。

表8 3種干旱指數(shù)評定各等級干旱季節(jié)統(tǒng)計

利用《黔東南州志·水利志》[6]1958—1995年干旱實況資料與3種干旱指數(shù)對季尺度干旱的評定結(jié)果，對比分析3種干旱指數(shù)對三穗縣農(nóng)業(yè)有極大影響的春旱、夏旱和秋旱的擬合情況(表9)；表9中規(guī)定，對于實況干旱季節(jié)，干旱指數(shù)評定為干旱則為“符合”。1958—1995年，三穗縣實際發(fā)生春旱12 a，相對于Pa指數(shù)和K指數(shù)，SPI指數(shù)評定結(jié)果對春季干旱的吻合率最高，錯報率較低，運用SPI指數(shù)評定春季干旱較符合實際；夏季實際發(fā)生干旱24年，相對于SPI指數(shù)和Pa指數(shù)，K指數(shù)計算結(jié)果與實況“符合”年數(shù)高達20 a，且漏報和空報次數(shù)較少，運用K指數(shù)評定夏季干旱較符合實際；秋季實際干旱年數(shù)5 a，對比3種干旱指數(shù)計算結(jié)果，K指數(shù)空報次數(shù)較多，而Pa指數(shù)對降水量平均值的依賴性較大，對于降水時間分布不均勻的三穗縣，SPI指數(shù)評定秋季干旱比較符合實際。

表9 1958—1995年3種干旱指數(shù)計算結(jié)果與實況對比

3.3 干旱指數(shù)對典型干旱事件評估對比分析

為進一步檢驗Pa指數(shù)、SPI指數(shù)、MCI指數(shù)和K指數(shù)對三穗縣干旱監(jiān)測的適應(yīng)性，查詢?nèi)肟h干旱歷史資料[5、6]，選擇典型干旱年1972、1981和1985年進行對比分析；1972年6—8月，嚴重夏旱，旱期持續(xù)近80 d，小溪斷流，井塘干枯；1981年，嚴重夏旱，多數(shù)溪河斷流，井塘干涸；1985年4—8月，嚴重的春夏連旱，許多水庫干涸，人畜飲水困難。4種干旱指數(shù)對這3次典型干旱事件的對比分析結(jié)果詳見表10。

表10 4種干旱指數(shù)對典型干旱年評定的對比分析

分析表10可知，對于月尺度干旱的評定，K指數(shù)的評定結(jié)果與實際干旱情況基本一致，SPI指數(shù)和Pa指數(shù)漏報1985年7—8月的旱情，MCI指數(shù)漏報1981年6月的旱情；據(jù)三穗氣象站觀測資料顯示，1972年6月總降水量174.8 mm，比歷年同期偏高11.7 mm，表明6月干旱不明顯，以無旱或微旱為主，而K指數(shù)判定為中旱，說明同時考慮蒸發(fā)和降水量的K指數(shù)對月尺度干旱的評定效果較好，但時有空報的情況，MCI指數(shù)評定為“輕旱”較符合實況。對于季尺度干旱的評定，SPI指數(shù)對春旱的評定與實況基本一致，K指數(shù)對夏旱的評定與實況基本一致。

綜上所述，Pa指數(shù)、SPI指數(shù)、MCI指數(shù)和K指數(shù)對三穗縣干旱監(jiān)測均有一定的指示作用，綜合采用MCI指數(shù)和K指數(shù)共同判定三穗縣月尺度干旱較符合實際。對季尺度而言，SPI指數(shù)對春秋旱評定效果較好，K指數(shù)對夏旱評定效果較好，但時有空報或漏報的情況。采用“綜合評定、側(cè)重考慮”的原則，可以更準確的監(jiān)測三穗縣干旱情況。

4 結(jié)論

①三穗縣一年四季都可能發(fā)生干旱，歷年平均有4—6個月發(fā)生干旱，且以輕旱和中旱為主。4種干旱指數(shù)對三穗縣干旱監(jiān)測均有一定的指示作用，采用“綜合評定、側(cè)重考慮”的原則能較好的監(jiān)測三穗縣干旱情況。

②月尺度干旱評定，MCI指數(shù)對干旱發(fā)生頻次的判定較符合實際，K指數(shù)對干旱等級的判定較符合實際，但時有空報或漏報的情況；運用MCI指數(shù)和K指數(shù)綜合評估三穗縣月尺度干旱較符合實際。

③SPI指數(shù)、K指數(shù)和Pa指數(shù)對季尺度干旱判定結(jié)果顯示時有空報或漏報的情況；綜合分析表明，SPI指數(shù)對春秋、季干旱的評估效果較好，K指數(shù)對夏季干旱的評估效果較好。

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The comparison of multiple drought index in Sansui drought analysis

NIE Yun1,ZHOU Jixian2,LUO Jun3,QIN Changchang3,ZHANG Yu3

(1.Qiandongnan Meteorological Bureau of Guizhou Province, Kaili 556000, China; 2.Sinan MeteorologicalBureau of Guizhou Province,Sinan 565100, China;3.Sansui Meteorological Bureau of Guizhou Province,Sansui 556500, China)

The data of daily precipitation, temperature and evaporation data during the period from 1958 to 2013 in Sansui were used to calculate the index ofPa,SPI,MCIandK, and the comprehensive comparison was made with the actual drought data. The results show the drought probably occur throughout the year with an average of 4—6 months in Sansui, especially light and moderate drought.Four kinds of index have the imporant roles in drought monitoring, so the effect is better when the monitoring is based on the principle of "comprehensive valuation, focusing on considering"in Sansui. UsingMCIandKindex comprehensive evaluation is practical for monthly scale drought.TheSPIindex is suitable for spring and autumn, and theKindex is suitable for summer for seasonly scale drought.

drought index; drought monitoring; adaptability; Sansui

1003-6598(2016)04-0023-06

2015-04-11

聶云(1989—)，男，助工，主要從事氣候預(yù)測和氣象服務(wù)工作，E-mail:476820730@qq.com。

三穗縣科學(xué)技術(shù)服務(wù)中心項目“三穗縣干旱指數(shù)適應(yīng)性研究”。

P426.616

B