干旱指數(shù)在四川省的適用性分析

潘妮+衛(wèi)仁娟+詹存+梁川+徐正東

摘要：干旱災(zāi)害頻發(fā)嚴(yán)重制約著四川省的農(nóng)業(yè)發(fā)展，為合理分析四川省干旱情況，干旱指數(shù)的選擇尤為重要。本文基于四川省39個(gè)氣象站點(diǎn)1960年-2013年的氣象資料，分別計(jì)算1961年、1994年、2006年和2009年-2010年各站點(diǎn)相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)M、氣象干旱綜合指數(shù)CI、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI，利用Arcgis反距離插值法進(jìn)行空間插值，并與中國(guó)氣象災(zāi)害大典記錄的四川省典型年干旱情況進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而評(píng)價(jià)四種干旱指數(shù)在四川省的適用性。結(jié)果表明：對(duì)于1961年夏旱，M指數(shù)和CI指數(shù)均表現(xiàn)出無旱或輕旱，SPI指數(shù)結(jié)果較實(shí)際情況偏小，SPEI指數(shù)監(jiān)測(cè)出了干旱的重災(zāi)區(qū)，效果在四個(gè)干旱指標(biāo)中最好；1994年夏伏旱，M指數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果偏??；CI指數(shù)出現(xiàn)了空?qǐng)?bào)，對(duì)川東地區(qū)和川西高原的監(jiān)測(cè)結(jié)果偏小，SPEI指數(shù)在達(dá)縣、巴中一帶結(jié)果偏小，而SPI指數(shù)在成都、綿陽一帶的結(jié)果偏小。2006年伏旱，M指數(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果偏??；CI指數(shù)比M指數(shù)效果稍好，但結(jié)果仍然偏??；SPI指數(shù)和SPEI指數(shù)監(jiān)測(cè)出的干旱特征與實(shí)際一致；2009年-2010年的冬春連旱，SPEI指數(shù)效果最好，M指數(shù)次之，SPI指數(shù)效果最差。SPEI指數(shù)最能反映四川省典型干旱年干旱的空間分布特征。

關(guān)鍵詞：四川省；干旱；相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)M；標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI；標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI；氣象干旱綜合指數(shù)CI

中圖分類號(hào)：S42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）04-0071-08

Abstract：The selection of drought indexes is very important to the reasonable analysis of drought situation in Sichuan Province.Based on the daily meteorological data from 1960 to 2013 of 39 meteorological stations of Sichuan Province，we calculated the Relative Humidity Index （M），Composite Index of Meteorological Drought （CI），Standardized Precipitation Index （SPI），and Standardized Precipitation-Evapotranspiration Index （SPEI） of each station in 1961，1994，2006，and 2009-2010.We used inverse distance interpolation of Arcgis to conduct spatial interpolation，and compared the situation with the records of typical Sichuan drought disasters in the Encyclopedia of Meteorological Disasters in China.Thus，we evaluated the applicability of the four drought indexes in Sichuan Province.Results showed that：for the summer drought in 1961，the M index and CI index both indicated no drought or slight drought；the results of SPI index were smaller than the actual situation；and SPEI index reported the severely afflicted areas，showing the best effect of the four indexes.For the summer drought in 1994，the monitoring results of M index were small；CI index made false prediction，and reported smaller results in the eastern Sichuan area and western Sichuan Plateau；SPEI index showed smaller results in Bazhong and Daxian；and SPI index showed smaller results in Chengdu and Mianyang.For the midsummer drought in 2006，the results of M index were small；the results of CI index were a little better than M index，but were still smaller than the actual situation；the monitoring results of SPI and SPEI were in accordance with the actual situation.For the winter to spring drought in 2009 and 2010，SPEI showed the best results，M index came second，and SPI index was the worst.In a word，SPEI was the best drought index reflecting the spatial distribution of droughts in Sichuan Province.

Key words：Sichuan Province，drought；relative humidity index M；composite index of meteorological drought；standardized precipitation index；standardized precipitation-evapotranspiration index

由于全球氣候的持續(xù)變暖，極端氣候事件頻繁發(fā)生，青藏高原周邊地區(qū)氣候異常現(xiàn)象出現(xiàn)頻率增大，，其中干旱發(fā)生頻率上升趨勢(shì)尤為明顯，制約著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，影響了人類正常生產(chǎn)和生活[1-3]。在眾多極端氣候事件中，干旱災(zāi)害以其持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，致災(zāi)范圍廣、發(fā)生頻率大等特點(diǎn)被認(rèn)為是最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[4]。四川盆地地處青藏高原與長(zhǎng)江中下游平原之間的過度區(qū)，受復(fù)雜地形及大氣環(huán)流季節(jié)轉(zhuǎn)換的影響，四川省干旱頻繁發(fā)生，嚴(yán)重破壞該農(nóng)業(yè)大省的農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，研究干旱對(duì)于四川省防旱減災(zāi)具有重要意義[5-6]。

干旱指標(biāo)是描述干旱特征的量，是定量研究干旱的基礎(chǔ)。不同地區(qū)由于氣象、水文和下墊面條件的不同造成了干旱成因的復(fù)雜性，因此，不同地區(qū)和不同特征的干旱情況難以用一種特定干旱指標(biāo)描述，即干旱指標(biāo)具有不同時(shí)空尺度，是在特定的區(qū)域和時(shí)間上建立的[7-8]。氣象干旱指標(biāo)是基于氣象觀測(cè)站不同時(shí)間尺度的數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)、物理等方法進(jìn)行干旱指標(biāo)的計(jì)算，用于監(jiān)測(cè)特定地區(qū)特定時(shí)段由于氣候異常而出現(xiàn)的干旱[9]。1965年，Palmer提出了干旱指數(shù)PDSI，該指數(shù)具有明確的物理意義，綜合考慮了水分蒸發(fā)、徑流、土壤前期降水量、水分轉(zhuǎn)化以及水分供求對(duì)后期的影響，然而，Palmer干旱指數(shù)也有其局限性，該指數(shù)是為處理半干燥和干濕氣候區(qū)的干旱問題而設(shè)計(jì)的，前提是降水是該地區(qū)唯一或者主要來源[10]。1980年，Bhalme和Mooley提出Bhalme-Mooley干旱指標(biāo)BMDI，該指標(biāo)以月尺度的降雨資料進(jìn)行計(jì)算，并且考慮了降水量的年內(nèi)分配，與采用年尺度降水量的指標(biāo)相比較，其計(jì)算更為合理[11-12]。濕潤(rùn)度指數(shù)M于1992年由Humle提出，該指數(shù)為降水量和蒸發(fā)能力的比值[13]。姚玉壁，王勁松等將干燥度定義為多年平均水面蒸發(fā)量和多年平均降水量的比值，并在此基礎(chǔ)上重新定義相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)M，確定干旱等級(jí)，廣泛應(yīng)用于西南地區(qū)的干旱監(jiān)測(cè)[14]。Mckee（1993，1995）定義的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI是實(shí)測(cè)降水量相對(duì)于降水概率分布函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。其計(jì)算簡(jiǎn)單，對(duì)干旱較為敏感，可以進(jìn)行多尺度干旱分析，廣泛應(yīng)用于美國(guó)干旱監(jiān)測(cè)研究[15]。2010年，Vicente-Serrano等引入潛在蒸散量，在標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI的基礎(chǔ)上構(gòu)建了基于氣候變暖背景的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI，目前廣泛應(yīng)用于氣候變化背景下的干旱分析中[16]。基于國(guó)外的干旱指標(biāo)的研究，張強(qiáng)等提出了綜合干旱指數(shù)CI[2，17]，該指數(shù)綜合考慮了相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)M和標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI指數(shù)，適用于中國(guó)研究，已被廣泛應(yīng)用[18]。本文基于國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的四種干旱指數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI、相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)M、氣象干旱綜合指數(shù)CI和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI，結(jié)合中國(guó)氣象災(zāi)害大典和中國(guó)氣象局干旱災(zāi)害數(shù)據(jù)集記載，對(duì)比分析四川省干旱特征，分別選擇1961、1994、2006、2009年-2010年等干旱災(zāi)害影響嚴(yán)重的年份作為干旱典型年，利用典型年的降水和氣溫資料，分析四種干旱指標(biāo)在四川省的適用性，并選取最適合四川省的干旱指標(biāo)。

1 區(qū)域概況

四川省位于我國(guó)西南部，地理位置為東經(jīng)97°21′-108°31′，北緯26°03′-34°19′，地處長(zhǎng)江上游，地勢(shì)呈西高東低走勢(shì)，地貌類型以平原、丘陵山地和高原為主，東部為四川盆地，盆周為山地，西部是向青藏高原過度的川西高原[19]。四川省位于低緯度地區(qū)，氣候類型為亞熱帶氣候，氣候上明顯分為西、東兩大部分，受東南和西南季風(fēng)的共同影響。區(qū)域分布上，盆周山區(qū)降水相對(duì)豐沛，多年平均降水量介于1 200～1 600 mm，川西北高原、盆地腹部、金沙江干熱河谷降水量較低，降水量介于300～800 mm之間。年流出省境水量3 800多億m3[20]。四川省地理位置見圖1。

2.2.3 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI[16]，是在SPI指數(shù)的基礎(chǔ)上，通過引入潛在蒸散而構(gòu)建。月平均降水和氣溫作為標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI計(jì)算的輸入，計(jì)算得月降水與潛在蒸散的差值，并對(duì)差值做標(biāo)準(zhǔn)化處理，使其在不同地域間可以作比較，其步驟參考文獻(xiàn)[6]。

SPEI劃分的干旱等級(jí)[26]見表3。

3 結(jié)果與分析

3.1 四川省典型年干旱分析

1961年四川盆地發(fā)生嚴(yán)重夏旱，主要分布在內(nèi)江、成都、自貢區(qū)（市）、溫江、綿陽、宜賓、達(dá)縣、南充5專區(qū)大部，雅安、樂山兩專區(qū)的局部，共115縣（市），旱期長(zhǎng)達(dá)20～29 d的有42個(gè)縣（市），30～39 d的有25個(gè)縣（市），40～52 d的有24個(gè)縣[28]。[HJ2.1mm]

1994年四川盆地發(fā)生大范圍嚴(yán)重夏伏連旱，夏旱主要分布在宜賓、自貢、遂寧、綿陽、德陽、內(nèi)江、南充7地，樂山、廣元、瀘州、廣安、巴中、雅安、成都大部分地方以及萬源。伏旱主要分布在自貢、綿陽、遂寧、廣元、巴中、南充、達(dá)州和廣元、德陽、內(nèi)江、瀘州及雅安、成都、宜賓、樂山等地方[14]。

2006年四川盆地伏旱，四川省東部被高溫天氣籠罩，廣安、遂寧、內(nèi)江、瀘州、資陽五市和宜賓、自貢、南充三市大部、達(dá)州市及三臺(tái)、巴中共45縣（市）7yue -8月日極端最高氣溫均突破40 ℃，特別是四川省東部和中部地區(qū)，溫度平均偏高3～4 ℃[29]。

2009年冬季-2010年春季冬春連旱，四川省有13個(gè)市（州）、71個(gè)縣、市（區(qū)）受災(zāi)，攀枝花，涼山州占受災(zāi)人數(shù)大部，直接經(jīng)濟(jì)損失13.8億元[30]。

3.2 典型年干旱指數(shù)對(duì)比分析結(jié)果

分別計(jì)算1961年、1994年、2006年、2009年-2010年的相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)M、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI、和氣象干旱綜合指數(shù)CI，并利用Arcgis進(jìn)行空間插值作四種干旱指數(shù)在四川省各典型年的空間分布，見圖2-圖5。

由圖2可以看出，整個(gè)四川，相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)M和氣象干旱綜合指數(shù)CI均表現(xiàn)為無旱或者輕旱，不能反映出典型年1961年5月-6月四川省的夏旱特征，特別是未能反映此次干旱災(zāi)害的重災(zāi)區(qū)（川東地區(qū)）的干旱特征。相對(duì)而言，標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI對(duì)1961年干旱的監(jiān)測(cè)效果較好，SPI指數(shù)監(jiān)測(cè)出了高坪、宜賓、內(nèi)江等重旱區(qū)，而對(duì)達(dá)縣、綿陽和雅安部分地區(qū)的監(jiān)測(cè)結(jié)果較實(shí)際情況小，川西地區(qū)的甘孜、道孚等地以及川西南地區(qū)監(jiān)測(cè)結(jié)果偏高。SPEI指數(shù)監(jiān)測(cè)出了1961年四川省夏季干旱的重災(zāi)區(qū)內(nèi)江、成都、自貢區(qū)（市）、溫江、綿陽、宜賓、達(dá)縣、南充等地，同時(shí)也監(jiān)測(cè)出了雅安、樂山東部地區(qū)的干旱特征，效果在四個(gè)干旱指標(biāo)中最好。

由圖3可知，M指數(shù)的效果最差，在川東地區(qū)的重旱區(qū)出現(xiàn)空?qǐng)?bào)，對(duì)整個(gè)四川省的干旱監(jiān)測(cè)結(jié)果偏小，未能反映出此次夏伏連旱的特征。CI指數(shù)效果次之差，對(duì)雅安、成都等地出現(xiàn)了空?qǐng)?bào)，對(duì)川東地區(qū)和川西高原的監(jiān)測(cè)結(jié)果偏小。SPI指數(shù)和SPEI指數(shù)對(duì)1994年夏伏連旱的監(jiān)測(cè)效果最好，均能夠反映出此次干旱的特征，相比較而言，SPEI指數(shù)在達(dá)縣、巴中一帶結(jié)果偏小，而SPI指數(shù)在成都、綿陽一帶的監(jiān)測(cè)結(jié)果偏小。

由圖4可以看出，M指數(shù)的效果最差，對(duì)2006年伏旱監(jiān)測(cè)結(jié)果整體偏小，川中部分地區(qū)出現(xiàn)漏報(bào)，川中丘陵區(qū)及川西南山地地區(qū)干旱強(qiáng)度監(jiān)測(cè)結(jié)果偏??；CI指數(shù)比M指數(shù)效果稍好，雖然監(jiān)測(cè)出了川西南山地和川中丘陵區(qū)的干旱，但監(jiān)測(cè)出的干旱強(qiáng)度較實(shí)際情況仍然偏?。籗PI指數(shù)和SPEI指數(shù)監(jiān)測(cè)出的干旱特征與實(shí)際的干旱結(jié)果一致，SPI指數(shù)對(duì)達(dá)縣、成都、敘永附近出現(xiàn)了輕報(bào)，而對(duì)樂山的部分地區(qū)出現(xiàn)了重報(bào)。

2009年-2010年的冬春連旱主要發(fā)生在川南地區(qū)的攀枝花、涼山一帶，干旱等級(jí)達(dá)到重旱。由圖5可以看出，SPEI指數(shù)效果最好，M指數(shù)次之，SPI指數(shù)效果最差。M指數(shù)和SPEI指數(shù)可以反映攀枝花和涼山一帶的干旱特征。M指數(shù)對(duì)川西北高原和川中丘陵區(qū)形成重報(bào)，SPI指數(shù)和CI指數(shù)未能監(jiān)測(cè)出攀枝花地區(qū)的重旱，SPI指數(shù)對(duì)川北若爾蓋等地監(jiān)測(cè)結(jié)果偏小。

4 結(jié)論

通過計(jì)算四川省各氣象站點(diǎn)四種干旱指數(shù)，利用Arcgis進(jìn)行四種干旱指數(shù)的空間分析，并與中國(guó)氣象災(zāi)害大典記錄的四川省典型年干旱情況進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于1961年夏旱，相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)M和氣象干旱綜合指數(shù)CI均表現(xiàn)出無旱或者輕旱，標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI對(duì)此次干旱的監(jiān)測(cè)效果較好，SPEI指數(shù)監(jiān)測(cè)效果在四個(gè)干旱指標(biāo)中最好。

（2）1994年夏旱，M指數(shù)的效果最差，CI指數(shù)效果次之差，SPI指數(shù)和SPEI指數(shù)對(duì)1994年夏伏連旱的監(jiān)測(cè)效果最好。

（3）2006年伏旱，M指數(shù)的效果最差，CI指數(shù)比M指數(shù)效果稍好，SPI指數(shù)和SPEI指數(shù)監(jiān)測(cè)出的干旱特征與實(shí)際的干旱結(jié)果一致。

（4）2009年-2010年的冬春連旱，SPEI指數(shù)效果最好，M指數(shù)次之，SPI指數(shù)效果最差。

綜合而言，SPEI指數(shù)是四個(gè)指數(shù)中最能描述四川省典型年干旱空間分布的干旱指標(biāo)，相較而言是最適合四川省的干旱指標(biāo)。干旱指數(shù)適用性研究為合理分析四川省干旱提供基礎(chǔ)，對(duì)推進(jìn)四川省農(nóng)業(yè)發(fā)展有重要的研究意義。

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