標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)在黑河地區(qū)的適用性研究

趙山山,王志國(guó),孫 波

(黑河市氣象局，黑龍江 黑河164300)

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)在黑河地區(qū)的適用性研究

趙山山,王志國(guó),孫 波

(黑河市氣象局，黑龍江 黑河164300)

對(duì)黑河地區(qū)6個(gè)氣象站1967-2015年的逐月降水?dāng)?shù)據(jù)資料計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，分析了SPI指數(shù)的時(shí)間序列特征，探討了SPI指數(shù)的適用性。結(jié)果表明：（1）SPI指數(shù)在不同時(shí)間尺度下，對(duì)降水量的敏感性各有不同，較長(zhǎng)時(shí)間序列指數(shù)能夠更好的表現(xiàn)階段性的干旱與雨澇持續(xù)時(shí)間。（2）在適用性方面，SPI在評(píng)價(jià)過(guò)程中比pa指數(shù)更加敏感，評(píng)價(jià)等級(jí)相對(duì)較高，而SPI指數(shù)和土壤墑情指數(shù)結(jié)合使用對(duì)判斷旱澇分布評(píng)價(jià)效果會(huì)更好。

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)；SPI；適用性

1 引言

干旱指數(shù)，一直是干旱監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和研究中的重要工具。黑河市氣象部門目前主要采用降水距平百分率和土壤田間持水量來(lái)表征各地區(qū)的旱澇變化情況。在土壤田間持水量測(cè)定過(guò)程中人為操作誤差及采樣隨機(jī)性都會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響，因此，干旱監(jiān)測(cè)容易受到人力和物力等多種因素制約，難以大范圍的進(jìn)行旱情評(píng)估。而基于降水資料的SPI指數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，具有多時(shí)間尺度和時(shí)空適用性等優(yōu)勢(shì)[1]，且不涉及具體的干旱機(jī)理，在國(guó)內(nèi)外的干旱監(jiān)測(cè)中廣受應(yīng)用。

2 研究資料與方法

2.1 研究資料

表1 旱澇等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)對(duì)黑河地區(qū)6個(gè)氣象站1967-2015年降水資料的整理，建立逐月降水量時(shí)間序列。根據(jù)（GB/T20481-2006）國(guó)家氣象干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)（見(jiàn)表 1）。

2.2 研究方法

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)

采用《氣象干旱等級(jí)》（GB/T20481-2006）中 SPI的計(jì)算方法，計(jì)算降水量距平（Pa）和不同時(shí)間尺度下（1、3、6、12 個(gè)月）的 SPI值，分別記為 SPI1、SPI3、SPI6、SPI12。將SPI1作為主要研究對(duì)象。

2.2.2 土壤墑情干旱指數(shù)

由于墑情評(píng)價(jià)對(duì)不同作物不同生長(zhǎng)階段的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同，本文采用 《水利技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)編寫規(guī)定》（SL1—2002）標(biāo)準(zhǔn)中，小麥作物20 cm土壤深度為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

土壤田間持水量按下式計(jì)算:

式中：θm—土壤田間持水量%；

m1—烘干土質(zhì)量g

m2—濕樣土質(zhì)量g

3 結(jié)果與分析

3.1 SPI指數(shù)變化特征

不同時(shí)間尺度下的SPI指數(shù)能反映不同程度的干旱過(guò)程和持續(xù)時(shí)間[1]，在評(píng)價(jià)時(shí)，影響程度和時(shí)間都是水分變化的影響因子。本研究采用研究區(qū)內(nèi)6個(gè)站點(diǎn)SPI值的平均值來(lái)代表研究區(qū)域。

SPI1計(jì)算時(shí)，由于原理上不考慮前期降水的影響，數(shù)值在0線上下波動(dòng)性很強(qiáng)，隨機(jī)性明顯，時(shí)間持續(xù)性很弱。連續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的干旱（為方便比較，取連續(xù)3月為輕旱以上程度的時(shí)間段，以下同）發(fā)生在1973年8-10月、1976年的8-11月、1992年3-5月、2001年的9-11月、2005年的7-10月、2011年的2-4月及8-10月。連續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的雨澇發(fā)生在1972年9-11月、1982年8-10月、1987年11-1988年1月、1994年 9-11月、1998年 4-6月、2003年 7-9月、2004年 1-3月、2009年 1-3月、2012年 9月-2013年3月、2014年9-12月、2015年8-10月。結(jié)果表明，SPI1序列中干旱主要發(fā)生在夏秋季，而雨澇在四季均有可能出現(xiàn)，但主要出現(xiàn)在秋季和冬季。其中，25個(gè)重旱以上 （SPI≤-1.5）的月份，多發(fā)生在秋季（28%）和冬季 （36%），春季和夏季分別占16%和20%，19個(gè)重澇以上（SPI＞1.5）的月份有 7個(gè)月多發(fā)生在春季（36.8%），其次是冬季（31.6%），夏季和秋季出現(xiàn)的概率持平（15.8%）。

對(duì)不同時(shí)間尺度的SPI指數(shù)研究表明，例如對(duì)1998年雨澇的起始和結(jié)束時(shí)間的判斷，SPI1始于4月，結(jié)束于6月；SPI3始于5月，結(jié)束于8月；SPI6始于5月，結(jié)束于11月；SPI12始于6月，結(jié)束于次年4月。王鶯、李耀輝等研究表明在不同時(shí)間尺度下SPI值對(duì)降水量的敏感性各有不同，時(shí)間尺度越小，一次降水過(guò)程的影響就越顯著，會(huì)導(dǎo)致SPI值產(chǎn)生較大變化，甚至?xí)a(chǎn)生正負(fù)波動(dòng)；隨著時(shí)間尺度增加，一次降水過(guò)程的影響變小，只有在持續(xù)多次降水的情況下才能使SPI值發(fā)生波動(dòng)，因此較長(zhǎng)時(shí)間尺度的SPI可以用于長(zhǎng)期水分狀況的監(jiān)測(cè)，具有一定的穩(wěn)定性，而旱期或澇期的起始和結(jié)束時(shí)間相應(yīng)延后也充分反映了前期降水變化的累積影響[1]。因此，時(shí)間越長(zhǎng)的尺度對(duì)水分監(jiān)測(cè)的判定越清晰合理，而短期尺度的敏感性可以用于對(duì)短期水分狀況的評(píng)估監(jiān)測(cè)中。

3.2 適用性分析

2013年黑河地區(qū)遭遇了洪澇災(zāi)害，2015年夏季有階段性旱情，造成一定面積的農(nóng)作物減產(chǎn)甚至絕收。本研究利用SPI指數(shù)法、降水距平法、土壤墑情干旱評(píng)價(jià)法，對(duì)2013年和2015年5-9月的氣象干旱等級(jí)進(jìn)行對(duì)比評(píng)定。結(jié)果表明三種方法的評(píng)定結(jié)論不完全一致（表2-3中空白表示正常評(píng)定結(jié)果）。為方便與另外兩個(gè)指數(shù)對(duì)比評(píng)價(jià)，只對(duì)SPI1進(jìn)行討論。

表2 三種干旱指數(shù)對(duì)2013年夏季洪澇期間旱澇評(píng)定

表3 三種干旱指數(shù)對(duì)2015年夏季干旱期間旱澇評(píng)定

如表2所見(jiàn)，從2013年5-9月6個(gè)縣站共30個(gè)月中，發(fā)生澇情的有25個(gè)月，其中SPI與Pa評(píng)價(jià)的等級(jí)結(jié)果一致的有14次，一致率56%，評(píng)估不一致的11次結(jié)果中有10次都是SPI比Pa重一個(gè)量級(jí)，土壤墑情指數(shù)劃分的等級(jí)與這兩者中任意一個(gè)一致的只有6次，不一致的有24次，且評(píng)價(jià)的輕重程度不一。另外，在汛情嚴(yán)重的8月份，6個(gè)地區(qū)中有5個(gè)地區(qū)的 SPI與Pa評(píng)價(jià)結(jié)果一致，而土壤墑情指數(shù)則顯示評(píng)價(jià)結(jié)果偏高一個(gè)等級(jí)以上。

三種方法對(duì)2015年旱情的判定 （表3）結(jié)果表明，旱情主要發(fā)生在6月和7月，12個(gè)月中SPI指數(shù)與Pa指標(biāo)的評(píng)定結(jié)果一致的有8個(gè)月，4次不一致的結(jié)果中SPI都比Pa評(píng)價(jià)結(jié)果高一個(gè)等級(jí)。而土壤墑情指數(shù)的評(píng)價(jià)結(jié)果高低并存。

根據(jù)民政部門的不完全統(tǒng)計(jì)，2013年7月和8月受洪澇影響，愛(ài)輝和北安地區(qū)農(nóng)作物減產(chǎn)3成左右，而其他地區(qū)受災(zāi)面積在114847公頃以上，成災(zāi)面積在80000公頃左右，絕收面積可達(dá)48000公頃。2015年6-7月僅孫吳和遜克受干旱影響的成災(zāi)面積就達(dá)5000公頃。從2015年干旱評(píng)價(jià)結(jié)果中可見(jiàn)干旱的影響程度遜于2013年洪澇災(zāi)害，重度災(zāi)害較少。

通過(guò)上述對(duì)比發(fā)現(xiàn)，SPI在評(píng)價(jià)過(guò)程中比Pa指數(shù)更加敏感，評(píng)價(jià)等級(jí)相對(duì)較高。此外，在SPI指數(shù)的計(jì)算機(jī)理方面，是對(duì)降水量的標(biāo)準(zhǔn)化處理后轉(zhuǎn)化為正態(tài)函數(shù)，較長(zhǎng)時(shí)間尺度的指數(shù)對(duì)降水量正態(tài)函數(shù)的軸線附近不會(huì)有太明顯擺動(dòng)，因此，在短期內(nèi)降水過(guò)少或過(guò)多時(shí)，前期降水的累積效應(yīng)對(duì)后期評(píng)價(jià)有一定影響，能更連續(xù)性的反映土壤干濕狀態(tài)。而Pa，當(dāng)本月降水為0或微量時(shí)，把評(píng)價(jià)結(jié)果判為特旱或重旱，這就與SPI指數(shù)產(chǎn)生了明顯差異。另外，關(guān)于土壤墑情指數(shù)，對(duì)于不同的作物在不同時(shí)期的發(fā)育進(jìn)程影響不同，不能用單一的指標(biāo)進(jìn)行判斷，尤其在作物灌漿期或成熟收獲期，對(duì)水分的需求也截然不同，短時(shí)期內(nèi)差異可能比較大。如果用單一的SPI指數(shù)或Pa指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)不同作物的評(píng)價(jià)結(jié)果是差距更明顯的，而SPI指數(shù)可以對(duì)旱澇進(jìn)行評(píng)估，再對(duì)作物利用土壤墑情指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，兩者結(jié)合使用之后對(duì)農(nóng)區(qū)的實(shí)用效果會(huì)更好。

4 結(jié)論與討論

利用黑河地區(qū)1967-2015年的逐月降水資料對(duì)不同時(shí)間尺度的SPI指數(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)其適用性進(jìn)行了探討，得出以下主要結(jié)論：

（1）不同時(shí)間尺度的SPI指數(shù)，對(duì)降水量的敏感性各有不同。隨著時(shí)間尺度增加，一次降水過(guò)程對(duì)SPI的影響變小，只有在持續(xù)多次降水的情況下才能使SPI值發(fā)生波動(dòng)，因此較長(zhǎng)時(shí)間尺度的SPI可以用于長(zhǎng)期水分狀況的監(jiān)測(cè)[1],判斷旱澇趨勢(shì)變化的方向,實(shí)用性強(qiáng)。

（2）在適用性方面，SPI在評(píng)價(jià)過(guò)程中比Pa指數(shù)更加敏感，除去一致的結(jié)果后，不一致的結(jié)果表現(xiàn)出的評(píng)價(jià)等級(jí)相對(duì)較高，可以對(duì)旱澇實(shí)況更好的體現(xiàn)。土壤墑情指數(shù)，對(duì)于不同的作物在不同時(shí)期的發(fā)育進(jìn)程影響不同，不能用單一的指標(biāo)進(jìn)行判斷，而SPI指數(shù)和土壤墑情指數(shù)結(jié)合使用可能效果會(huì)更好。

（3）后期應(yīng)加強(qiáng)對(duì)旱澇特征的空間差異或旱澇變率進(jìn)行探討，摸索其發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于當(dāng)?shù)馗珊当O(jiān)測(cè)預(yù)警、干旱指數(shù)改進(jìn)和對(duì)防災(zāi)減災(zāi)工作具有重要的意義。

[1]王鶯,李耀輝,胡田田.基于SPI指數(shù)的甘肅省河?xùn)|地區(qū)干旱時(shí)空特征分析[J].中國(guó)沙漠,2014,34(1):244-253.

1002－252X(2017)03－0019－02

2017－6－1

趙山山（1986-），女，黑龍江省黑河市人，東北林業(yè)大學(xué)，碩士生，助理工程師.