不同時(shí)間尺度下的貴州省修文縣干旱特征分析

曾碧球，解河海

（珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510610）

干旱是指因降水減少，或入境水量不足，造成工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鄉(xiāng)居民生活以及生態(tài)環(huán)境正常用水需求得不到滿足的現(xiàn)象［1］。干旱是許多國(guó)家和地區(qū)常見(jiàn)的自然災(zāi)害之一，可對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)尤其是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重危害。按照形成原因，干旱可分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱。

干旱指標(biāo)是旱情監(jiān)測(cè)和評(píng)估的基本參數(shù)，是干旱管理決策的基礎(chǔ)。目前常用的氣象干旱指標(biāo)有降水距平百分率、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、帕爾默干旱指數(shù)、Z指數(shù)、作物水分指數(shù)等［2］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)干旱指標(biāo)進(jìn)行了大量的研究，馬建勇等［3］利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)與相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)對(duì)1961—2009年?yáng)|北地區(qū)5—9月干旱趨勢(shì)進(jìn)行了分析；袁文平等［4］對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)與Z指數(shù)在我國(guó)的應(yīng)用進(jìn)行了對(duì)比分析；韋開(kāi)等［5］利用降水距平百分率分析了陜西省的干旱時(shí)空分布特征；曹永強(qiáng)等［6］進(jìn)行了適合黃河流域的帕爾默干旱指數(shù)修正和應(yīng)用研究；袁旭琦等［7］采用修正后的標(biāo)準(zhǔn)徑流指數(shù)對(duì)汾河上游的水文干旱情況進(jìn)行了研究；馮禹等［8］利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)對(duì)貴州省的干旱特征進(jìn)行了研究。目前常用的干旱指標(biāo)在評(píng)估區(qū)域水旱特征和揭示干旱規(guī)律上各具特色，但同時(shí)也存在著區(qū)域局限性，所以應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐膮^(qū)域特性，選擇不同的指標(biāo)才能準(zhǔn)確地分析干旱情況［9-12］。降水距平百分率計(jì)算時(shí)需要資料簡(jiǎn)單、易獲取、計(jì)算簡(jiǎn)便，能直觀反映降水異常引起的干旱，可較好地描述干旱程度，因此在干旱監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)中得到了廣泛的應(yīng)用。

我們以干旱的多時(shí)間尺度特征作為出發(fā)點(diǎn)，利用長(zhǎng)序列觀測(cè)資料和具有多時(shí)間尺度特征的干旱指數(shù)——降水距平百分率，對(duì)貴州省修文縣49年來(lái)不同時(shí)間尺度的干旱特征進(jìn)行分析，以期為修文縣干旱的監(jiān)測(cè)、評(píng)估、預(yù)警和抗旱減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

修文縣位于貴州中部，是貴陽(yáng)市所轄縣，距貴陽(yáng)市中心城區(qū)約38 km，全縣總面積1 075.7 km2，轄7個(gè)鎮(zhèn)和3個(gè)鄉(xiāng)。修文縣地貌比較復(fù)雜，喀斯特區(qū)面積占全縣面積的82.5%，是典型的喀斯特地區(qū)。地勢(shì)東南高、西北低，大部分地區(qū)海拔1 200～1 400 m，縣境東部環(huán)山，西部水繞。東南面屬高原丘陵區(qū)雖海拔較高，但地勢(shì)較平坦，耕地田多土少，是全縣壩子的主要分布地；西北面地勢(shì)較陡峻，山多田少土多，是縣內(nèi)旱地作物產(chǎn)區(qū)。修文縣河流屬長(zhǎng)江流域?yàn)踅?，自金橋、久長(zhǎng)、三元一線分水嶺以西的河流匯入烏江或經(jīng)貓?zhí)訁R入烏江，以東的河流經(jīng)魚(yú)梁河注入清水河再匯入烏江。全縣共有流域面積20 km2以上的河流12條，其中流域面積大于100 km2的河流有烏江、貓?zhí)?、魚(yú)梁河（桃源河）、貓洞河和修文河。

修文縣所處流域?qū)俦眮啛釒夂騾^(qū)，冬無(wú)嚴(yán)寒，夏無(wú)酷暑，光照充足，熱量條件好，雨熱同期，四季較分明。多年平均氣溫為13.6℃，年平均日照數(shù)為1 324.9 h，年平均蒸發(fā)量為700～800 mm，無(wú)霜期298.4 d，年平均風(fēng)速2.7 m/s。全年以東北風(fēng)為多，夏季盛行南風(fēng)，冬季盛行東北風(fēng)?？h境內(nèi)降水量豐沛，多年平均降水量為1 152 mm（1963—2011年）；降水年內(nèi)分配不均，主要集中在5—9月，占全年降水量的70.2%左右。修文縣多年平均月降水量見(jiàn)圖1?？h境多年平均水資源量為6.644億m3，其中地表徑流為5.513億m3，地下徑流1.491億m3。

圖1 修文縣多年平均月降水量

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究指標(biāo)

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1963—2011年逐月降水資料來(lái)自貴州省氣象局。

2.2 研究指標(biāo)

降水量平均值反映了降水量的集中程度，用來(lái)評(píng)價(jià)區(qū)域降水量的多少。降水量標(biāo)準(zhǔn)差反映了實(shí)際降水量數(shù)據(jù)與降水量平均值之間差異大小。降水量變差系數(shù)是描述降水量數(shù)據(jù)年際或年內(nèi)變化劇烈程度的統(tǒng)計(jì)量。平均降水量、降水量標(biāo)準(zhǔn)差、降水量變差系數(shù)為評(píng)價(jià)區(qū)域降水時(shí)空分布特征提供依據(jù)。降水距平百分率是指某一時(shí)段內(nèi)降水量與多年同期平均降水量之差占多年同期平均降水量的比值，以百分率表示。該指標(biāo)反映了某一時(shí)段內(nèi)降水量與同期平均狀態(tài)的偏離程度，是一個(gè)具有時(shí)空對(duì)比性質(zhì)的指標(biāo)，能夠較直觀的反映干旱的發(fā)生程度。降水量距平百分率計(jì)算公式為：

式中，Dp為降水量距平百分率，p為計(jì)算時(shí)段內(nèi)降水量，為多年同期平均降水量。

在我國(guó)由于不同地區(qū)、不同時(shí)段降水量差異較大，降水空間分布不均勻，不同的地區(qū)采用降水距平百分率的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)略有不同。我們采用的旱情等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 降水量距平百分率旱情等級(jí)劃分 %

3 干旱特征分析

3.1 年尺度干旱特征

由修文縣氣象站提供的1963—2011年降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算得到的年降水量距平百分率見(jiàn)圖1。修文縣1963—2011年共有22 a的年降水量小于多年平均降水量，其中達(dá)到輕旱標(biāo)準(zhǔn)的分別為1966、1968、1981、1989、1998、2009年，達(dá)到中旱標(biāo)準(zhǔn)的為2011年。1968—2009年間平均每10 a左右發(fā)生1次輕度干旱，1966—1968年和2009—2011年每2 a發(fā)生1次輕度以上干旱。

3.2 季尺度干旱特征

依據(jù)季節(jié)劃分標(biāo)準(zhǔn)：3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月到翌年2月為冬季。采用修文氣象站1963—2011年的降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算得到發(fā)生過(guò)輕度及以上干旱（季尺度）各年份的季節(jié)降水量距平百分率見(jiàn)表2。1963—2011年，有27個(gè)年份的春季降水量小于同期多年平均降水量，其中達(dá)到輕旱標(biāo)準(zhǔn)的有10個(gè)年份，達(dá)到中旱標(biāo)準(zhǔn)的有2個(gè)年份；有27個(gè)年份的夏季降水量小于同期多年平均降水量，其中達(dá)到輕旱標(biāo)準(zhǔn)的有9個(gè)年份，達(dá)到中旱標(biāo)準(zhǔn)的有1個(gè)年份；有27個(gè)年份的秋季降水量小于同期多年平均降水量，其中達(dá)到輕旱標(biāo)準(zhǔn)的有10個(gè)年份；有28個(gè)年份的冬季降水量小于同期多年平均降水量，其中達(dá)到輕旱標(biāo)準(zhǔn)的有5個(gè)年份，達(dá)到中旱標(biāo)準(zhǔn)的有4個(gè)年份。

春夏連旱的年份有1981年、2006年和2011年，夏秋連旱的年份有1966年、2003年和2009年，秋冬連旱的年份有1968年、2002年和2009年。2009年7月至2010年4月，降水大幅偏少、氣溫偏高，出現(xiàn)夏、秋、冬、春四季連旱。春、夏、秋和冬季出現(xiàn)干旱的概率分別是24.49%、20.41%、20.41%和18.37%，春旱出現(xiàn)頻率最高，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大。

圖1 1963—2011年修文縣（年尺度）降水量距平百分率

3.3 月尺度干旱特征

1963—2011年，除1965年外，每年均在不同月份發(fā)生輕度以上干旱，其中1966年有6個(gè)月發(fā)生了干旱，是干旱月份最多的年份。2011年有5個(gè)月發(fā)生了中度以上干旱，其中2個(gè)月為嚴(yán)重干旱。1988年11月發(fā)生了特大干旱。1963—2011年的588個(gè)月中，發(fā)生干旱的月份占比為25.68%。1963—2011年各月出現(xiàn)不同等級(jí)干旱的年份數(shù)見(jiàn)表3。一年中每個(gè)月都可能發(fā)生不同程度干旱，其中11月發(fā)生干旱的概率最大，為11.92%，期間唯一的特大干旱發(fā)生在1988年11月；6月和10月發(fā)生干旱的概率最小，為5.3%。

表2 1963—2011年修文縣（季尺度）降水量距平百分率

3.4 干旱特征分析

從1963—2011年干旱發(fā)生的年份的降水?dāng)?shù)據(jù)可以看出，修文縣的年度干旱呈長(zhǎng)短周期交替出現(xiàn)的規(guī)律，其中長(zhǎng)周期頻率為10 a，短周期的頻率為2 a，每4次長(zhǎng)周期干旱期后會(huì)發(fā)生短周期干旱。在長(zhǎng)、短周期變換的年份往往會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的干旱，如長(zhǎng)、短周期變換的2011年和1966年為1963—2011年最干旱的2 a，2011年出現(xiàn)了中度干旱，1966年接近中度干旱。1963—2011年每隔1～2 a會(huì)出現(xiàn)1次季節(jié)性干旱，除1989年外，凡發(fā)生年尺度干旱的年份，都有2個(gè)以上季節(jié)發(fā)生干旱。春、夏、秋和冬季出現(xiàn)干旱的概率分別是24.49%、20.41%、20.41%和18.37%，春旱出現(xiàn)頻率較高，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響較大。1963—2011年，除1965年外，每年都有若干個(gè)月發(fā)生過(guò)輕度以上干旱，在發(fā)生年度干旱的年份中每年至少有4個(gè)以上的月份出現(xiàn)月尺度干旱。在發(fā)生季節(jié)性干旱的時(shí)期內(nèi)至少有1個(gè)月以上發(fā)生月尺度干旱。

通過(guò)以上的統(tǒng)計(jì)分析，修文縣出現(xiàn)年尺度干旱的年份不多，且以輕度干旱為主。季尺度和月尺度干旱發(fā)生頻率較高，究其原因，主要是由修文縣降水量年際間變化不大，年內(nèi)分配不均引起的，且年降水量越小的年份各月降水量分配越不均衡，導(dǎo)致季尺度和月尺度干旱越嚴(yán)重。

表3 各月出現(xiàn)不同等級(jí)干旱的年份數(shù)（1963—2011年）

4 結(jié)論與討論

由于修文縣降水時(shí)空分布不均，加之受地理環(huán)境的影響，易出現(xiàn)旱情。我們利用1963—2011年逐月降水資料，采用降水距平百分率，從年、季和月等不同時(shí)間尺度分別對(duì)修文縣的干旱特征開(kāi)展了研究，探索了不同尺度干旱間的相關(guān)關(guān)系。從年尺度看，修文縣的年度干旱呈現(xiàn)長(zhǎng)短周期交替出現(xiàn)的規(guī)律，且在長(zhǎng)、短周期變換的年份出現(xiàn)嚴(yán)重的干旱的概率比較大。從季尺度看，除1968—1973年外，每隔1～3 a會(huì)出現(xiàn)1次季節(jié)性干旱，季節(jié)性干旱出現(xiàn)頻率較大，且春旱出現(xiàn)干旱的頻率最高。除1989年外，發(fā)生年尺度干旱的年份都有2個(gè)以上季節(jié)發(fā)生季節(jié)性干旱，其中2011年的夏、秋、冬都發(fā)生了干旱。從月尺度看，修文縣全年每個(gè)月都可能發(fā)生不同程度干旱，其中11月發(fā)生干旱的概率最大，發(fā)生年度干旱的年份中每年至少有4個(gè)以上月份出現(xiàn)月尺度干旱；發(fā)生季節(jié)性干旱期間內(nèi)至少有1個(gè)月以上發(fā)生月尺度干旱。

修文縣出現(xiàn)年尺度干旱的年份不多，且主要以輕度干旱為主，但季尺度和月尺度干旱發(fā)生頻率較高，主要與修文縣內(nèi)降水量的年內(nèi)分配不均有關(guān)，且年降水量越小的年份季尺度和月尺度嚴(yán)重干旱發(fā)生的概率越大。因此，建設(shè)具有年調(diào)節(jié)能力的蓄水工程是減少修文縣旱災(zāi)損失的有效措施之一。

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