基于降水距平百分比指標的哈爾濱市旱情分析

丁 梅，王會肖，馬美紅，楊會彩，趙茹欣，劉 啟

(1.北京師范大學水科學研究院，北京 100875; 2.中國水利水電科學研究院, 北京100038)

旱災在世界上廣為分布，對人類產(chǎn)生的負面影響遠遠超過了其他自然災害。全球約有120多個國家受到不同程度干旱的影響，每年造成的經(jīng)濟損失高達60～80 億美元[1]；李玉中[2]據(jù)1949年以來近50 a資料統(tǒng)計，中國平均每年受旱面積約210 萬hm2；馬柱國，符淙斌[3]研究表明，20 世紀80年代以后，極端干旱發(fā)生的頻率呈增加趨勢。然而目前國內(nèi)開展干旱的研究主要集中在華北、西北和西南等典型的干旱區(qū)域，較少涉及東北地區(qū)[4]，而東北地區(qū)是我國主要的商品糧生產(chǎn)基地，易受異常降水和干旱的影響[5]，Yu M, Li Q, Hayes M J,等[6]利用標準化降水指數(shù)SPI，預測近幾十年東北地區(qū)生長季的干旱問題將更加嚴重。戚影，付強，孫楠[7]等評價黑龍江省半干旱地區(qū)的水資源利用程度及優(yōu)選合理的節(jié)水灌溉模式就是由于旱災制約了黑龍江省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的原因。黑龍江省在全國范圍內(nèi)耕地面積最大、位置最北、氣候也最極端，但關(guān)于其旱情的描述卻很少，哈爾濱市作為黑龍江省的省會城市，在氣象條件、地理位置等多方面都具有代表性。而以往一些研究多集中分析整體旱情或生長季旱象，季、月尺度旱情描述較少，筆者認為，詳細分析季、月尺度旱情為日后描述不同類型干旱有建設(shè)作用，另外，所選取的干旱指標在研究區(qū)域的適用性也值得被驗證。因此，本文選取哈爾濱市作為研究區(qū)，選擇降水距平百分比指標分析其年、季、月尺度下干旱特征，利用年尺度旱情與以往研究進行對比，驗證該指標在哈爾濱市的適用性，并延續(xù)哈爾濱市年尺度旱情及預測未來干旱趨勢，利用季、月尺度將哈爾濱市旱情進一步細化，旨在進一步揭示其干旱的變化規(guī)律，以期為制定抗旱預案、預防干旱災害提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)選擇黑龍江省哈爾濱市，位于東經(jīng)125°42′～130°10′，北緯44°04′～46°40′之間，全年平均氣溫為3.4 ℃；降水有明顯的季風性特征，全年平均降水量512.62 mm；年平均絕對濕度一般在6.4～10 mb之間； 風速與風向都表現(xiàn)出明顯的季風性特征，屬西北季風；年蒸發(fā)量900～1 669.89 mm，陸地蒸發(fā)量變化在250～500 mm之間，水面蒸發(fā)量在500～800 mm之間[8]。

春季多大風，降水少，易干旱；夏季降水充沛，秋季降溫劇烈，常有霜凍危害；冬季氣候寒冷干燥，是我國典型的寒區(qū)城市[9]。試驗站位于哈爾濱市香坊區(qū)，海拔高度為142.3 m，面積較大，長期流水侵蝕，略有起伏，土層深厚，土質(zhì)肥沃，是重要農(nóng)業(yè)區(qū)，因此，該試驗站的數(shù)據(jù)適宜分析農(nóng)業(yè)旱情。

1.2 干旱指標的選取

干旱指標是為了判斷干旱發(fā)生的強度，制定出的一種定量標準，合理的干旱指標應具有一定的準確性和適用性。由于干旱是一種發(fā)生緩慢，且具有多時間尺度特征的現(xiàn)象，用來分析干旱的指標種類繁多，因而在眾多的干旱指標中，尋求一種適用于分析哈爾濱市的干旱指標尤為重要。

黑龍江省是我國重要的農(nóng)業(yè)大省，地下水位埋藏深且不易灌溉，農(nóng)業(yè)旱災一直占據(jù)主導地位，而農(nóng)業(yè)干旱追其根源也是降水或灌溉短缺問題，其旱情基本上由降水量決定。又因降水量指標具有多時間尺度，穩(wěn)定性較好的特點[10]，降水距平百分比指標既是氣象干旱指標，又是農(nóng)業(yè)干旱指標，應用廣泛，易于推廣，目前在東北已經(jīng)開展了一些研究。馬建勇，許吟隆，潘婕[10]選取降水量指標中的標準化降水指數(shù)SPI分析東北地區(qū)作物生長季的干旱趨勢，驗證了SPI指數(shù)評價東北地區(qū)的干旱符合實際情況。白人海[11]曾分析黑龍江省干旱發(fā)展也用到過降水距平百分比指標，但其僅得出了未來干旱化發(fā)展的事實，并未分析其旱情特征。從以往的研究發(fā)現(xiàn)降水量指標在黑龍江省及東北地區(qū)具有一定的可用性，而對降水距平百分比指標的季、月尺度旱情研究較少。綜上所述，通過分析降水距平百分比指標的特點和研究區(qū)的特性，本文選取該指標作為分析哈爾濱市旱情的基本指標。

1.3 方 法

基于降水情況對哈爾濱市旱情的重要性，首先分析了哈爾濱市降水量的年內(nèi)分布特征；然后利用降水距平百分比指標結(jié)合評估標準評價年尺度下的干旱特征，并與以往研究進行對比以證明該指標在哈爾濱市的適用性，從而預測近年來干旱發(fā)生趨勢；進而分析其季、月尺度下的干旱特征，將哈爾濱市旱情進一步細化，區(qū)別于以往研究的旱情整體變化特征，以期供未來參考。

根據(jù)國家防總組織制定的《干旱評估標準》，干旱等級被劃分為輕度干旱、中度干旱、嚴重干旱和特大干旱四個等級[12]，其中，輕度干旱為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)缺水，中度干旱為灌溉農(nóng)業(yè)缺水，重度干旱為社會經(jīng)濟缺水、部分偏遠山區(qū)居民生活缺水，特大干旱為城市生活缺水、社會經(jīng)濟缺水等[13]。

國家氣候中心以降水距平百分比指標Dp作為衡量干旱的主要指標，計算公式如下：

(1)

其中，DP判斷哈爾濱市年尺度旱情變化判別標準參照GBT 20481-2006氣象干旱等級[14]如表1所示。

Dp判別季、月尺度旱情變化參看《干旱評估標準》中的相關(guān)規(guī)定，如表2所示。

表1 降水量距平百分比旱情等級劃分(年尺度) %

表2 降水量距平百分比旱情等級劃分(月、季尺度) %

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量的年內(nèi)分布

降水不僅是水資源的重要來源，同時也是區(qū)域水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，對于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尤為重要[15]。在黑龍江省，降水量很大程度上決定了作物生長所需的灌溉水量的多少，李鐵男，李瑩，郎景波[16]分析了黑龍江省旱災對糧食安全的影響，提出提高灌溉面積可以抑制旱災，其研究也側(cè)面體現(xiàn)出降水量是區(qū)域干旱的重要決定因子。又由于降水量的空間分布不均以及降水強度的異常變動，易引起旱澇，直接或間接影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[17]。而黑龍江省哈爾濱市屬于典型寒區(qū)城市，降水變化是導致氣候變化的重要因子，如降水量過多易發(fā)生洪澇，降水量過少易引起干旱，因此，有必要分析哈爾濱市的降水量年內(nèi)分布情況?；?951-2014年降水量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計得到哈爾濱市1-12月平均降水量(見圖1)?？梢钥闯?，哈爾濱市7月份降水量最多，150 mm以上；1月份最少，不足5 mm，年內(nèi)分配較不均勻；6-8月降水量均在80 mm以上，其余月份平均降水不足60 mm，可見，汛期降水量是哈爾濱市年降水的主要來源。

圖1 哈爾濱市1951-2014年各月平均降水量Fig.1 Monthly mean precipitation in 1951-2014

2.2 年尺度下的干旱演變

一般情況下，短時間尺度揭示干旱發(fā)生的具體細節(jié)，長時間尺度側(cè)重描述干旱的變化趨勢。利用年尺度分析得到的結(jié)果與以往研究對比，若表現(xiàn)出一致性，則說明降水距平百分比指標在哈爾濱市具有一定的適用性，從而證明了季、月尺度下判別干旱發(fā)生概率的準確性。

利用式(1)中Dp的計算公式計算Dp值，判別標準參照表1中的GBT 20481-2006氣象干旱等級，得到哈爾濱市的年尺度旱情變化趨勢及年尺度下干旱發(fā)生的概率。哈爾濱市1951-2014年旱情隨時間的變化見圖2，圖2中降水距平百分比指標的值在-0.15以下均為干旱年，且負值越大，干旱等級越大。

圖2 哈爾濱市干旱發(fā)生年份趨勢變化Fig.2 The variations trend of drought year in Harbin City

由圖2可以看出，2001年干旱最為嚴重，其次是1975年。同時還出現(xiàn)了一些轉(zhuǎn)折點，如1958、1962、1973、1979、1989、1995、2008年，是輕度干旱年與不旱年間的轉(zhuǎn)折點；1967、1976、2001年這幾個中度干旱年，是輕度干旱年與中度干旱年或中度干旱年與不旱年間的轉(zhuǎn)折點，這些干旱年的轉(zhuǎn)折點對未來干旱的預測起到重要作用。另外，從圖2趨勢來看，可以推測2014年后，干旱有增重的趨勢或者2014年將作為干旱等級間的一個新轉(zhuǎn)折點。通過計算得出的哈爾濱市1951-2014年的干旱年，見表3。

表3 哈爾濱市1951-2014年的干旱年份Tab.3 Drought years of 1951-2014 in Harbin City

可以發(fā)現(xiàn)，干旱年常連續(xù)出現(xiàn)，如1978、1979年，2007、2008年，1973-1976年，連續(xù)干旱年則會使該地區(qū)土壤水分得不到有效供給，土壤水持續(xù)減少，致使干旱程度加重，所以這種連續(xù)干旱年危害巨大，急需引起重視。特別的，在1973-1976年中，前兩年發(fā)生輕度干旱，后兩年發(fā)生中度干旱，出現(xiàn)了干旱加重的情況。

年尺度下旱情分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，干旱年在20世紀50年代后1年，60年代后有2年，含2個中度干旱年，70年代后6年，含2個中度干旱年，80年代后1年，90年代后2年，21世紀4年，含1個中度干旱年，所以其年代干旱嚴重程度呈現(xiàn)20世紀70年代>21世紀>20世紀60年代>20世紀90年代>20世紀50年代、80年代。高蓓，姜彤，蘇布達[17]選取的SPEI指數(shù)對1961-2012年東北地區(qū)干旱演變特征分析中得到的結(jié)果表明，20世紀60年代后半段，70年代后半段和90年代后半段和21世紀初的3個時段發(fā)生干旱；陳紅，張麗娟，李文亮，等[18]選取的降水距平百分比指標對黑龍江省1971-2000年干旱程度評價分析中，得到干旱頻率表現(xiàn)為20世紀70年代最高，90年代次之，80年代最低；周秀杰，那濟海，潘華盛[19]分析黑龍江省夏季干旱氣候特征也得出20世紀70年代與21世紀初為干旱盛行時期。通過對比得知以往其他指標的研究結(jié)果與本研究結(jié)果具有一致性，可以證明降水距平百分比指標描述黑龍江省哈爾濱市旱情具有可行性和適用性，同時預測2014年之后，干旱有加重的趨勢或者干旱等級出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的可能。另外，計算還可以得到哈爾濱市年尺度下不同等級干旱發(fā)生的概率，如表4所示。

表4 年尺度下不同等級干旱發(fā)生的概率Tab.4 Probability of drought at different levels in the year scale

可以得到，哈爾濱市年尺度下發(fā)生干旱的概率達到0.25，發(fā)生輕度干旱的概率為0.187 5，發(fā)生中度干旱的概率為0.062 5，并未出現(xiàn)特大干旱和嚴重干旱。由于輕度干旱發(fā)生的概率明顯高于中度干旱，因此采取相關(guān)抗旱措施改善旱情等級，易將輕度干旱逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴缓怠?/p>

2.3 季、月尺度下各干旱等級發(fā)生的概率

根據(jù)表2所列出的標準，利用Dp指標對哈爾濱市逐月旱情進行分析，統(tǒng)計得到各季、月尺度下不同干旱等級發(fā)生的概率，如表5所示。

表5可以得到，特大干旱發(fā)生的概率在0～0.391之間波動，存在極大不穩(wěn)定性，這主要與哈爾濱市四季溫差較大有關(guān)；嚴重干旱發(fā)生的概率均低于0.109，較小且穩(wěn)定；中度干旱發(fā)生的概率在0.047～0.219之間，易發(fā)生在春、夏季；輕度干旱發(fā)生的概率在0.047～0.203之間，易發(fā)生在夏、秋季。將表5各月干旱發(fā)生的概率求算數(shù)平均作為各季干旱發(fā)生的概率，得出四季易發(fā)生干旱情況為冬>春>秋>夏季。其中，夏季發(fā)生輕度干旱概率較大，冬季發(fā)生特大干旱概率較大，春、秋季節(jié)易發(fā)生輕度和中度干旱。將計算所得繪制成圖，表明了干旱程度年內(nèi)的變化趨勢，如圖3所示。

表5 季、月尺度下不同等級干旱發(fā)生的概率Tab.5 Probability of drought at different levels in the monthly and seasonal scales

圖3 哈爾濱市逐月干旱等級變化趨勢Fig.3 The variations trend of monthly drought grade in Harbin

圖3中不旱概率按四季呈現(xiàn)上升-下降-上升-下降的變化趨勢，7月達到最大值，2月為最小值，說明7月不旱，2月易旱，這與該市年內(nèi)降水分布不均有關(guān)；除了冬季外，干旱發(fā)生概率在8月呈現(xiàn)最大峰值，發(fā)生輕度和中度干旱的概率均出現(xiàn)了最大值，隨后便減小，而8月份恰好是作物生長的關(guān)鍵時期，這將嚴重影響作物的產(chǎn)量；另外，4月和11月也都呈現(xiàn)峰值，其中4月易發(fā)生特大干旱，11月易發(fā)生輕度和中度干旱，而且4月底是作物的播種期，11月初是作物的收獲期，這將嚴重影響作物播種和收獲條件，阻礙農(nóng)業(yè)發(fā)展。

特別的，哈爾濱市發(fā)生中度、輕度干旱的概率普遍較大，同時也與前面年尺度下得到的輕度、中度干旱概率較大的結(jié)果相符，說明了該指標描述旱情的穩(wěn)定性，未來應采取相關(guān)防旱措施，將中、輕度干旱轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度干旱或不旱，從而減少旱災所帶來的損失，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

3 結(jié) 論

本文通過綜合考慮研究區(qū)的地理位置、氣象、下墊面條件及干旱指標的可用性選取了降水距平百分比指標作為衡量黑龍江省哈爾濱市旱情變化特征的干旱指標。但出于該指標在東北地區(qū)適用性的不確定，利用年尺度下旱情變化特征與以往研究成果進行對比，驗證了該指標在哈爾濱市的適用性，并延續(xù)了哈爾濱市年尺度下的旱情變化特征和預測了未來干旱的發(fā)展趨勢，進一步得到季、月尺度下的旱情變化，最終實現(xiàn)將哈爾濱市旱情細化的目的。

本文首先分析了長序列降水數(shù)據(jù)的時間變化規(guī)律，得到哈爾濱市多年平均的月降水情況；然后利用降水距平百分比指標，參照GB/T 20481-2006，氣象干旱等級和《干旱評估標準》，得到哈爾濱市不同尺度下旱情。主要得到以下結(jié)論。

(1)哈爾濱市實際月平均降雨量年內(nèi)分配較不均勻。

(2)年尺度下干旱呈現(xiàn)2001年最為嚴重，其次是1975年；連續(xù)旱年的出現(xiàn)，危害巨大；推測2014年后，干旱有增重的趨勢或者2014年將作為干旱等級間的一個新轉(zhuǎn)折點；年代干旱嚴重程度呈現(xiàn)20世紀70年代>21世紀>20世紀60年代>20世紀90年代>20世紀50年代、80年代，與以往研究結(jié)果對比，表現(xiàn)出一致性，證明降水距平百分比指標的適用性；并得出年尺度下僅發(fā)生輕度、中度干旱，且輕度干旱的概率大于中度干旱。

(3)季、月尺度下干旱發(fā)生概率呈現(xiàn)冬>春>秋>夏季，夏季發(fā)生輕度干旱概率較大，冬季發(fā)生特大干旱概率較大，春、秋季節(jié)易發(fā)生輕度和中度干旱；7月不旱概率最高，2月最低，除冬季外，8月發(fā)生干旱概率最大，4月易發(fā)生特大干旱，11月易發(fā)生輕度和中度干旱。哈爾濱市發(fā)生中度、輕度干旱的概率普遍較大，同時也與前面年尺度下得到的輕度、中度干旱概率較大的結(jié)果相符，同時也說明了該指標應用的穩(wěn)定性。

本文雖然驗證了降水距平百分比指標在評價干旱時具有一定可靠性，但干旱的成因復雜，未來建議采用更多指標綜合分析并驗證在哈爾濱市的適用性，更加準確的理解黑龍江省旱情，同時也希望能夠引起行內(nèi)人士對黑龍江省干旱的重視，共同為黑龍江省商品糧生產(chǎn)基地做出成果和貢獻。

[1] Wilhite D A. Drought as a natural hazard: concepts and definitions[C]∥ Wilhite D A. Drought: A Global Assessment. London & New York: Rout ledge， 2000:3-18.

[2] 李玉中,程延年,安順清.北方地區(qū)干旱規(guī)律及抗旱綜合技術(shù)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)出版社, 2003.

[3] 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, 2006,51(20):2 429-2 439.

[4] 孫濱峰,趙 紅,王效科.基于標準化降水蒸發(fā)指數(shù)(SPEI)的東北干旱時空特征[J].生態(tài)環(huán)境學報,2015,(1):22-28.

[5] CHEN Z J, HE X Y, COOK E R, et al. Detecting dryness and wetness signals from tree-rings in Shenyang, northeast China[J]. Palaeogeogr Palaeocl, 2011,302(3/4):301-310.

[6] Yu M, Li Q, Hayes M J, et al. Are droughts becoming more frequent or severe in China based on the Standardized Precipitation Evapotranspiration Index: 1951-2010[J]. International Journal of Climatology, 2014,34(34):545-558.

[7] 戚 穎,付 強,孫 楠.黑龍江省半干旱地區(qū)水資源利用程度評價及節(jié)水灌溉模式優(yōu)選[J].節(jié)水灌溉,2007,(4):7-9.

[8] 孫思淼.寒區(qū)水庫浸沒影響試驗模擬研究——以大頂子山水庫為例[D]. 哈爾濱：黑龍江大學，2012.

[9] 楊針娘.中國寒區(qū)水文[M].北京:科學出版社，2000.

[10] 馬建勇，許吟隆，潘 婕. 基于與相對濕潤度指數(shù)的1961-2009年東北地區(qū)5-9月干旱趨勢分析[J].氣象與環(huán)境學報,2012,28(3):90-95.

[11] 白人海.黑龍江省近50年干旱發(fā)展事實及分析[J].黑龍江氣象,2003,(1):9-14.

[12] 國家防汛抗旱總指揮部辦公室.干旱評估標準(試行)[Z].2006.

[13] 高桂霞,許明麗,唐繼業(yè).干旱指標及等級劃分方法研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2011,39(9):5 301-5 305.

[14] GB/T 20481-2006,氣象干旱等級[S].

[15] 梁 豐,劉丹丹,王婉昭,等.1961-2013年東北地區(qū)夏季降水變化趨勢分析[J].水土保持研究,2015,22(5):67-73.

[16] 李鐵男,李 瑩,郎景波.黑龍江省旱災對糧食安全影響的分析研究[J].節(jié)水灌溉,2010,(12):84-86.

[17] 高 蓓,姜 彤,蘇布達,等.基于SPEI的1961-2012年東北地區(qū)干旱演變特征分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2014,35(6):656-662.

[18] 陳 紅,張麗娟,李文亮,等.黑龍江省農(nóng)業(yè)干旱災害風險評價與區(qū)劃研究[J].中國農(nóng)學通報,2010,26(3):245-248.

[19] 周秀杰,那濟海,潘華盛.黑龍江省夏季干旱氣候特征及成因分析[J].自然災害學報,2011,(5):131-135.

[20] 李葉妮,孫衛(wèi)國,朱 紅,等.我國東北地區(qū)主要城市氣溫和降水量序列的多尺度分析[J].科學技術(shù)與工程,2015,15(9):23-31.