基于Palmer指數(shù)的朝陽地區(qū)1952-2015年干旱演變特征研究

叢 林，李曉輝，張 芳，曹英麗

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，沈陽 110866)

近年來，隨著全球性氣候變化，極端天氣現(xiàn)象明顯增多，水災(zāi)、旱災(zāi)發(fā)生趨于頻繁，每年旱澇災(zāi)害都造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重威脅人類各種正常的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)。2006年遼西地區(qū)遭遇了歷史上比較罕見的干旱天氣，春旱之后接著伏旱,連續(xù)50 d不下雨，局部地區(qū)河水?dāng)嗔?，水庫干涸，井水干枯，農(nóng)作物枯死，人畜飲水發(fā)生困難[1]。遼寧省朝陽地區(qū)位于遼寧省西部，屬中國(guó)典型的半干旱地區(qū)，由于降水年內(nèi)和年際分布不均勻，旱災(zāi)頻繁發(fā)生，尤其是春旱導(dǎo)致延遲播種，對(duì)作物產(chǎn)量影響巨大，有必要應(yīng)用歷史氣象數(shù)據(jù)研究該地區(qū)干旱演變特性，從而為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中旱情監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)、制定防御措施等提供理論依據(jù)。汪青春等[2]利用SPI干旱指數(shù)對(duì)青海地區(qū)1961-2010年干旱變化及其對(duì)氣候變暖影響進(jìn)行了研究；吳燕鋒等[3]利用綜合氣象干旱指數(shù)對(duì)阿勒泰地區(qū)1961-2012年干旱時(shí)空演變特性進(jìn)行了研究；遲道才等[4]選取遼西北半干旱地區(qū)1965-2006年降雨量數(shù)據(jù)，采用SPI方法探究了遼西北半干旱地區(qū)旱情特征及其發(fā)生規(guī)律，但對(duì)時(shí)間分布特征的周期性與突變性未進(jìn)行深入剖析，本文在團(tuán)隊(duì)李曉輝[4]等人利用Palmer干旱指數(shù)方法分析東北半干旱地區(qū)旱情特征研究工作基礎(chǔ)上，引入小波多分辨率分析算法，對(duì)Palmer干旱指數(shù)進(jìn)行小波分解，深入研究了朝陽地區(qū)近期干旱演變特征的周期性與突變性。資料數(shù)據(jù)來源于朝陽地區(qū)1952-2015年64年氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)該地區(qū)6個(gè)監(jiān)測(cè)站降水量、溫度等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分別計(jì)算該地區(qū)的年、季節(jié)、月平均Palmer干旱指數(shù)，統(tǒng)計(jì)分析了對(duì)該地區(qū)旱情發(fā)生頻次、覆蓋范圍變化等特性；進(jìn)一步應(yīng)用小波算法對(duì)干旱指標(biāo)進(jìn)行5層多貝西小波分解，深入剖析干旱發(fā)生的周期特性與突變特性。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文選用資料源于朝陽地區(qū)朝陽縣、建平、葉柏壽、喀左、凌源、北票等6個(gè)氣象信息監(jiān)測(cè)中心1952-2015年期間64年的逐日降水量、氣溫等氣象數(shù)據(jù)、日照日總時(shí)數(shù)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中缺測(cè)數(shù)據(jù)采用一元線性插值進(jìn)行補(bǔ)充)，進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)月總降水量、月平均氣溫等，計(jì)算Palmer干旱指數(shù)，從而統(tǒng)計(jì)分析逐月、季節(jié)(春季3-5月、夏季6-8月、秋季9-11月、冬季12-次年2月)、年度干旱等級(jí)、干旱發(fā)生頻次及干旱覆蓋范圍。

1.2 研究方法

1.2.1 帕爾默干旱指數(shù)

帕爾默干旱指數(shù)(Palmer Drought Severity Index，PDSI)是基于月降水量、月平均氣溫等月總值資料設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)化處理后可對(duì)不同時(shí)間、不同地區(qū)的土壤水分情況進(jìn)行比較，Palmer干旱指數(shù)的原理是水分平衡方程，即在當(dāng)前情況下達(dá)到氣候上適宜情況下，降水量等于蒸散量與徑流量之和再加上(或減去)土壤水分的交換量，水分供應(yīng)達(dá)到氣候適應(yīng)的水平衡方程表示如下：

(1)

；PDSI=kjd

(2)

式中：kj是j時(shí)段的權(quán)重系數(shù)。

平均水分需求與平均水分供應(yīng)的比值能反映出不同地區(qū)和時(shí)期的氣候差異，Palmer將這個(gè)比值定義為氣候特征值k：

相應(yīng)的PDSI從極澇的+4到極旱的-4分為11級(jí) ，正值表示濕潤(rùn)情況，負(fù)值表示干旱情況，其旱澇指標(biāo)劃分如表1[5]。

表1 Palmer干旱指標(biāo)等級(jí)劃分

1.2.2 干旱發(fā)生頻次與覆蓋范圍

本文干旱發(fā)生頻次計(jì)算基于月PDSI指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，公式如(3)，發(fā)生頻次為統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)干旱的月數(shù)與資料年序號(hào)(資料數(shù)據(jù)的總年數(shù))之比，(本文視PDSI小于-1即輕旱以上為干旱發(fā)生)：

(3)

干旱覆蓋范圍為某時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生干旱的站點(diǎn)數(shù)與總站點(diǎn)數(shù)之比的百分?jǐn)?shù)：

(4)

式中：R為干旱范圍，R<10%為無明顯干旱，10%≤R<25%為局域性干旱，25%≤R<33%為部分區(qū)域性干旱，33%≤R<50%為區(qū)域性干旱及R≥50%為全域性干旱。

1.2.3 小波分析原理

小波變換公式為(5)，即將欲分析數(shù)據(jù)與小波窗函數(shù)的內(nèi)積便得到小波系數(shù)，其中小波窗函數(shù)ψu(yù),s(t)是由小波函數(shù)ψ(t)經(jīng)伸縮s、平移u后獲得的。

Wf(u,s)=

(5)

原信號(hào)可通過小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)：x=ai+di+…+d2+d1，累加最底層分解的低頻分量ai、高頻分量di、上級(jí)各級(jí)高頻分量獲得，不同分解層的小波變換系數(shù)代表信號(hào)不同高低頻率分量，干旱發(fā)生頻率的小波分解高頻分量體現(xiàn)了干旱的突變特征、低頻分量體現(xiàn)了干旱的周期特性，因此可以利用干旱小波分解系數(shù)分析干旱發(fā)生的周期特性和突變特性。

2 朝陽地區(qū)干旱特征分析

2.1 干旱等級(jí)分析

根據(jù)朝陽地區(qū)建平、北票、朝陽、葉柏壽、凌原、喀左等6個(gè)區(qū)域降水量、溫度等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算該地區(qū)逐月Palmer指數(shù)，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)逐年P(guān)DSI，繪制于圖1，對(duì)比分析可知1952-2015年64年間6區(qū)域Palmer指數(shù)變化規(guī)律基本一致，僅在50年代末期、80年代初至80年代中期，建平地區(qū)與其他地區(qū)差別較大，6區(qū)域平均Palmer指數(shù)與各地區(qū)相關(guān)系數(shù)分別為0.803 2、0.818 5、0.881 0、0.892 6、0.880 5、0.795 8，其中葉柏壽PDSI與平均水平相關(guān)度最高，達(dá)到0.892 6，為了使干旱評(píng)估結(jié)果既能體現(xiàn)地區(qū)的平均情況，又不失區(qū)域的變異性差異，本文選取葉柏壽為朝陽地區(qū)干旱特征代表地域進(jìn)行討論。

圖1 朝陽地區(qū)6監(jiān)測(cè)站點(diǎn)各年P(guān)almer指數(shù)

由PDSI結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析可知朝陽地區(qū)近64年中極旱的有4年(1961、2000、2009、2014年)；大旱的有6年(1960、1981、1989、1999、2001、2006年)；中旱有7年(1968、1982、1983、2004、2008、2013、2015年)；輕旱11年(1952、1959、1967、1972、1973、1974、1975、1976、1988、1992、2003年)；始旱5年(1966、1980、1998、2002、2011)；無極澇年份；大澇3年(1964、1978、1990年)；中澇4年(1969、1970、1977、1979年)；輕澇9年(1956、1957、1962、1971、1987、1991、1994、1995、2010)；始澇4年(1953、1954、1965、1996年)；未發(fā)生旱情與澇情的年份共11年，約占17.2%；近64年來旱澇各等級(jí)所占比例分別為極旱6.3%、大旱9.4%、中旱10.9%、輕旱17.2%、始旱7.8%、大澇4.7%、中澇6.3%、輕澇14.1%、始澇6.3%。

研究期間朝陽地區(qū)季節(jié)旱情等級(jí)統(tǒng)計(jì)表如表2所示，由表可知該地區(qū)近64年來在春季1961、1989、2001、2014發(fā)生極旱；2015年大旱；中旱7年次；輕旱13年次。夏季出現(xiàn)中旱以上旱情23年次，其中1960、1961、1968、1972、1981、1900、1906、2009、2013年發(fā)生極旱9次；發(fā)生大旱有4年次；發(fā)生中旱10年次；輕旱7年次。秋季發(fā)生中旱以上旱情的29年次，其中發(fā)生極旱10年次；發(fā)生大旱9年次；發(fā)生中旱10年次；輕旱6年次，是四個(gè)季節(jié)中極旱發(fā)生頻率最高的季節(jié)。冬季1961、1983、2001、2009、2014年發(fā)生大旱，僅在1953年未發(fā)生比較嚴(yán)重的旱災(zāi)，累計(jì)發(fā)生中旱10年次、輕旱16年次。由上述分析可知，朝陽地區(qū)1952-2015年64年期間在四個(gè)季節(jié)發(fā)生中旱以上旱情的84年次，其中涉及到34個(gè)年份，發(fā)生率為53.1%；僅在1954、1955、1963、1974、1997、2002、2007、2011、2012年9個(gè)年份里四季均未發(fā)生嚴(yán)重的旱災(zāi)，也未發(fā)生嚴(yán)重的澇災(zāi)，占總年數(shù)的14.1%。

表2 朝陽地區(qū)季節(jié)旱情等級(jí)統(tǒng)計(jì)

注：表中的數(shù)字表示年份，大于等于52即為19xx年，小于52即為20xx年。

2.2 干旱發(fā)生頻次與覆蓋范圍分析

2.2.1 干旱頻次時(shí)間變化特征

根據(jù)研究期間朝陽地區(qū)年干旱頻次的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，64年干旱頻次均值為5.72個(gè)月，其變幅為0～12個(gè)月，最大頻次發(fā)生在1960、1961、1989、1999、2001、2004、2006、2009、2014年；最小頻次發(fā)生在1956、1964、1970、1977、1978、1979、1990、1991、1995年。1980s和2000s干旱較為嚴(yán)重，發(fā)生頻次相對(duì)較高，尤其是2000s干旱頻次達(dá)到年代最高值，為8.8個(gè)月；1950s和1990s旱情較輕，干旱頻次較低，1950s達(dá)到年代最低值為3.5個(gè)月。

春季干旱頻次為1.3個(gè)月，干旱頻次增加趨勢(shì)不明顯。年際變化上有33個(gè)年份的春季發(fā)生了干旱，未出現(xiàn)持續(xù)整個(gè)春季的干旱，表明研究地區(qū)春季的旱情相對(duì)較輕；2000s旱情較為嚴(yán)重，其干旱頻次為2.5個(gè)月；2010s旱情較輕，其干旱頻次為0.83個(gè)月。夏季的干旱頻次也呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)，干旱頻次均值為1.59個(gè)月。研究期間，1953、1956、1962、1964、1970、1977、1978、1979、1990、1991、1993、1995、1996、2002、2005和2011年的夏季無旱情發(fā)生，其他年份均有旱情發(fā)生。1980s、2000s-2010s的夏季旱情較為嚴(yán)重，尤其是在1980s，干旱頻次達(dá)到2.3個(gè)月，1990s旱情較輕，干旱頻次僅為0.9個(gè)月。秋季干旱頻次也呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)，干旱頻次均值為1.56月，其中，有29個(gè)年份干旱非常嚴(yán)重，持續(xù)了整個(gè)秋季，1950s-2010s干旱頻次分別為1.25、1、1.2、2.3、0.9、2.4和2個(gè)月。冬季干旱頻次仍顯示為增加趨勢(shì)，干旱頻次均值為1.41個(gè)月，從1952年開始相繼有31個(gè)年份的冬季未發(fā)生干旱， 1980s-1990s的干旱頻次均值出現(xiàn)了大幅度的減小，并在1990s達(dá)到最低，僅為0.7個(gè)月，隨后又在2000s出現(xiàn)了大幅度的增加，并達(dá)到了最高，為2.5個(gè)月。

2.2.2 覆蓋范圍時(shí)間變化特征

研究期間6區(qū)域監(jiān)測(cè)站干旱發(fā)生頻次隨時(shí)間變化分布圖如圖2所示，統(tǒng)計(jì)分析可知近64年有37年輕旱以上覆蓋范圍達(dá)100%，平均覆蓋率為82.6%，僅在1978和1979年6個(gè)監(jiān)測(cè)站均未發(fā)生輕旱，其他年度輕旱覆蓋范圍均在16%以上，全域性輕旱達(dá)到47次。中旱以上覆蓋范圍均值為72.1%，其中29年中旱以上的干旱全覆蓋，僅1964、1977、1978、1979、2012未出現(xiàn)中旱，非全域性中旱僅有12年。大旱以上的干旱程度覆蓋范圍相對(duì)較少，平均覆蓋范圍為55.2%，僅有17年大旱以上完覆蓋，其他年度大旱以上僅在部分地區(qū)發(fā)生，非全域性大旱27次。極旱覆蓋范圍最少，均值為41.7%，共有44年發(fā)生極旱，其中13年全區(qū)域發(fā)生、其他極旱覆蓋范圍為16.7%～83.3%；發(fā)生無明顯極旱20次、局域性極旱7次、區(qū)域性極旱10次，全域性極旱29次。春、夏、秋、冬四季輕旱以上覆蓋范圍分別為：38.02%、48.18%、47.92%和36.98%。

圖2 朝陽6監(jiān)測(cè)站干旱發(fā)生頻次分布圖

2.3 干旱發(fā)生的周期特性與突變性

由于朝陽地區(qū)Palmer指數(shù)波動(dòng)較大、變化復(fù)雜，很難直觀分析干旱發(fā)生的周期性和突變性，因此本文將近64年逐月PDSI進(jìn)行小波分解，母小波選取db4小波、5層小波分解，利用不同分解層小波系數(shù)變化特征來分析干旱發(fā)生的周期性和突變性，應(yīng)用小波分解系數(shù)低頻分量(系數(shù)a5、d5、d4)分析周期特性、小波分解系數(shù)高頻分量(d1)分析突變性。帕默爾指數(shù)db4小波5層分解結(jié)果如圖4，s表示原逐月PDSI，64年共768個(gè)月數(shù)據(jù)；a5～d1分別表示小波低頻分量系數(shù)和各個(gè)高頻分量系數(shù)：由圖3可知，干旱周期性存在10年大周期、5年周期和2年小周期嵌套的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，系數(shù)a5對(duì)應(yīng)著10年的大周期變化，1960-1985年、1990-2014年較明顯；系數(shù)d5對(duì)應(yīng)著5年的周期變化，1968-2000年較明顯；系數(shù)d4對(duì)應(yīng)著2年的小周期變化，1985-2014年較為明顯。根據(jù)小波系數(shù)模極大檢測(cè)原理，d1大值系數(shù)對(duì)應(yīng)著干旱特征的突變特性，近64年1959年夏季和2007年夏季突變最劇烈，小波系數(shù)達(dá)到3.0以上；1953春、1962夏、1968秋、1984夏、1985夏、1986夏、1994夏、2005春突變較為劇烈，小波系數(shù)2.0～3.0；1980s旱情發(fā)生突變較為明顯，連續(xù)6年發(fā)生較大波動(dòng)，1970s旱情發(fā)生比較平穩(wěn)，未出現(xiàn)過大波動(dòng)。

圖3 Palmer指數(shù)db4小波5層分解

3 結(jié) 語

本文通過朝陽地區(qū)6個(gè)監(jiān)測(cè)站的降水量、溫度等氣象數(shù)據(jù)計(jì)算Palmer指數(shù)，分析該地區(qū)干旱的發(fā)生等級(jí)、頻次、周期與突變特性，PDSI指數(shù)綜合考慮了降水量以及蒸散量、徑流量和土壤含水量等因素，對(duì)朝陽地區(qū)干旱特性的描述更準(zhǔn)確，旱情分析結(jié)論如下：近64年來朝陽地區(qū)未發(fā)生干旱的年份為11年、中旱以上17年，年度干旱發(fā)生率為26.6%。春季無特大旱災(zāi)、夏季中旱以上旱情23年次、秋季中旱以上旱情29年次、冬季中旱以上15年次，季節(jié)旱情中旱以上84年次，發(fā)生率為53.1%。研究期間朝陽地區(qū)干旱頻次呈增加趨勢(shì)，上升斜率為0.81，干旱頻次均值為5.72個(gè)月，2000s干旱頻次最高，達(dá)8.8個(gè)月；春季干旱頻次為1.3個(gè)月、夏季干旱頻次為1.59個(gè)月，且呈明顯增加趨勢(shì)，1980s、2000s及2010s的夏季旱情較為嚴(yán)重、秋季干旱頻次為1.56個(gè)月，呈明顯增加趨勢(shì)、冬季干旱頻次為1.41個(gè)月。春、夏、秋、冬四季輕旱以上覆蓋范圍分別為：38.02%、48.18%、47.92%和36.98%。應(yīng)用多貝西小波分解較好的分析了朝陽地區(qū)干旱發(fā)生的周期特性與突變特性：周期性存在10年、5年和2年周期嵌套的復(fù)雜結(jié)構(gòu)；干旱發(fā)生的突變性很強(qiáng)，10個(gè)年度發(fā)生較大突變，1980s較為明顯，連續(xù)6年發(fā)生較大波動(dòng)，1970s旱情發(fā)生比較平穩(wěn)，未出現(xiàn)過大波動(dòng)。

總體上朝陽地區(qū)旱情具有逐年增加的趨勢(shì)，且夏季、秋季干旱發(fā)生頻次呈明顯上升趨勢(shì)，這與遲道才等對(duì)遼西北干旱特征分析結(jié)論基本一致；本文利用64年氣象數(shù)據(jù)結(jié)合多貝西小波分解研究干旱周期、突變特性與李曉輝等利用60年的氣象數(shù)據(jù)結(jié)合小波理論分析朝陽地區(qū)干旱特征結(jié)論基本一致，所以所得分析結(jié)果可以保證準(zhǔn)確性。利用所得結(jié)果，可以進(jìn)一步對(duì)該地區(qū)的氣象情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉、抗旱抗災(zāi)等方面做出相對(duì)應(yīng)的決策。

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