基于降水距平百分率的安徽省 近50 a干旱時(shí)空分布特征分析

李雪純，趙 君，徐進(jìn)超

(南京信息工程大學(xué)，南京 210044)

干旱指一定區(qū)域一定時(shí)間內(nèi)，由自然或社會(huì)因素導(dǎo)致水分缺乏的現(xiàn)象，普遍存在于各個(gè)地區(qū)，不僅是嚴(yán)重的氣候問(wèn)題，也影響著人類生產(chǎn)生活[1]。干旱按照成因可分為多種[2]，本文從降水影響方面進(jìn)行氣象干旱的討論。安徽省地處我國(guó)東部，橫跨長(zhǎng)江、淮河，北部為淮北平原，南部地區(qū)地形復(fù)雜，西南地區(qū)有大別山區(qū)，東南地區(qū)有皖南山區(qū)，中部為江淮丘陵。降水受季風(fēng)和地形等影響，副高的強(qiáng)弱以及沿海槽的穩(wěn)定影響著安徽省季節(jié)干旱的形成，梅雨量的多少尤其影響夏旱的形成[3]。干旱會(huì)造成安徽省農(nóng)作物減產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)影響生活用水、水庫(kù)發(fā)電航運(yùn)及漁業(yè)等各方面，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

近年來(lái)，許多專家利用各種指標(biāo)對(duì)干旱進(jìn)行分析研究[4-8]，黃晚華[9]等利用SPI分析中國(guó)南方季節(jié)性干旱演變特征，表明我國(guó)南方干旱整體上呈現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不利影響，并有加重趨勢(shì)。張焱[10]等人采用Z指數(shù)從降水量及土壤干旱特征方面對(duì)華南干旱特征進(jìn)行了分析。謝五三[11]等指出對(duì)于安徽省干旱檢測(cè)業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)Pa指標(biāo)相對(duì)較好。Pa指數(shù)可以直接地反映因降水引起的干旱，在干旱測(cè)評(píng)中得到廣泛的應(yīng)用。關(guān)于安徽省干旱的研究目前集中在年尺度的分析，在季節(jié)等小尺度上的定量分析比較缺乏。本文根據(jù)不同季節(jié)特征細(xì)化干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，用Pa計(jì)算方法選取了3個(gè)干旱指數(shù)，結(jié)合分析安徽省近50 a干旱時(shí)空分布特征，以期更加深入地認(rèn)識(shí)安徽省干旱時(shí)空分布特征。

1 研究資料與方法

1.1 資料來(lái)源

氣象數(shù)據(jù)資料來(lái)源于中國(guó)氣象局信息中心，選取了安徽省分布均勻的15個(gè)站點(diǎn)，1965-2014年共50 a的逐日降水資料。檢測(cè)所選站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)，訂正存在的明顯數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，對(duì)存在缺測(cè)漏測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，所得數(shù)據(jù)可較好地反映本地區(qū)的降水變化情況。

1.2 降水距平百分率(Pa)

Pa可以反映某時(shí)段降水與同期平均狀態(tài)的偏離程度，從而反映出降水量異常引起的干旱，在我國(guó)氣象業(yè)務(wù)中經(jīng)常用于評(píng)估干旱事件。Pa使用降水量作為輸入量，算式如下：

(1)

(2)

式中：n=50，即文本選取1965-2014年共50 a逐日降水資料。

1.3 評(píng)估等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

由于安徽省降水量季節(jié)差異較大，空間分布不均勻，不同季節(jié)采用的Pa劃分標(biāo)準(zhǔn)有所不同。參考國(guó)家氣象等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[12]，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，按照季節(jié)特征劃分干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，春季3-5月，夏季6-8月，秋季9-11月，冬季12-翌年2月。本文采用的Pa劃分等級(jí)見(jiàn)表1。

表1 基于降水距平百分率的干旱等級(jí)劃分Tab.1 Division of drought levels based on percentage of precipitation anomalies

1.4 干旱評(píng)估指數(shù)

本文選取干旱頻率、干旱站次比、干旱強(qiáng)度這3個(gè)干旱指數(shù)，從3方面評(píng)價(jià)安徽省近50 a干旱時(shí)空變化特征[13]。

(1)干旱頻率(Pi)指研究站點(diǎn)在時(shí)段內(nèi)干旱發(fā)生的頻繁程度，算式如下：

Pi=(n/N)×100%

(3)

式中：N為某站有資料的總年數(shù)；n為該站發(fā)生干旱的年數(shù)。

(2)干旱站次比(Pj)指研究區(qū)域內(nèi)發(fā)生干旱的站點(diǎn)數(shù)與總站點(diǎn)數(shù)的比值，用于評(píng)價(jià)干旱的嚴(yán)重程度，算式如下：

Pj=(m/M)×100%

(4)

式中：M為研究地區(qū)總的站點(diǎn)數(shù)(本文中M=50)；m為發(fā)生干旱的站點(diǎn)數(shù)；j為年份。

(3)干旱強(qiáng)度(I)用來(lái)評(píng)價(jià)干旱嚴(yán)重程度，算式如下：

(5)

式中：m為研究地區(qū)某年發(fā)生干旱的站點(diǎn)數(shù)；|Ii|為各站點(diǎn)的干旱指標(biāo)等級(jí)，以1、2 、3 、4對(duì)應(yīng)輕旱、中旱、重旱、特旱，以0對(duì)應(yīng)無(wú)旱。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水特征分析

2.1.1 年降水特征分析

圖1為安徽省1965-2014年降水量變化趨勢(shì)。從圖1中可以看出，20世紀(jì)60年代中期到70年代中期呈波動(dòng)增長(zhǎng)，70年代中期到80年代初期波動(dòng)下降，80年代以后降水波動(dòng)范圍較大，21世紀(jì)以后降水波動(dòng)波動(dòng)較小。安徽省年平均降水量為1 771 mm，1991年降水最多達(dá)到1 578.3 mm，1978年降水最少為703.5 mm，降水年際變化明顯，發(fā)生干旱風(fēng)險(xiǎn)較高。

圖1 安徽省1965-2014年降水量變化趨勢(shì)Fig.1 Precipitation changes in Anhui Province from 1965 to 2014

2.1.2 季節(jié)降水特征分析

安徽省季節(jié)降水變化明顯，夏季降水最多，逐次是秋季、冬季、春季。春季降水量變化范圍147～487 mm，夏季降水量變化范圍972～3 556 mm，秋季降水量變化范圍294～1 551 mm，冬季降水量變化范圍208～1 006 mm，見(jiàn)圖2。綜上表明，夏季和秋季降水變化幅度較大，春季和冬季降水幅度較小，降水幅度變化較大更容易引起季節(jié)性干旱。

圖2 安徽省1965-2014年季節(jié)降水量變化趨勢(shì)Fig.2 Trend of seasonal precipitation change in Anhui Province from 1965 to 2014

2.2 干旱特征分析

2.2.1 年尺度干旱的時(shí)空分布特征

安徽省近50 a發(fā)生過(guò)不同程度的干旱，50 a中共13 a發(fā)生干旱，其中11 a發(fā)生輕度干旱，干旱頻率為26%，平均每年5個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)干旱現(xiàn)象，最多年份干旱站點(diǎn)為14個(gè)。與1979年之前相比，1979年之后到2004年干旱頻率增加，但強(qiáng)度有所減弱。

(1)年尺度干旱的空間分布特征。計(jì)算安徽省50 a共15個(gè)站點(diǎn)的年干旱頻率，采用反距離權(quán)重插值方法進(jìn)行插值，生成空間柵格數(shù)據(jù)，在地圖上顯示，得到圖3。逐站統(tǒng)計(jì)各級(jí)別干旱頻率，即各級(jí)別干旱在每一站出現(xiàn)的次數(shù)占50 a的百分比，安徽省平均干旱頻率為37%，輕旱占18%，中旱占7%，重旱占5%，特旱占7%。北部地區(qū)和西南地區(qū)干旱頻率略高，為38%～44%，其中以安慶市干旱頻率最高達(dá)44%。安慶市位于大別山區(qū)與皖南山區(qū)之間，對(duì)流活動(dòng)弱，相對(duì)降水較少，干旱出現(xiàn)頻率較高。中部地區(qū)和東南地區(qū)干旱頻率略低，為30%～36%，以巢湖市干旱頻率最低為30%。綜上，安徽省干旱空間上分布不均，呈現(xiàn)出北部地區(qū)及西南地區(qū)干旱發(fā)生頻率高，中部地區(qū)及東南地區(qū)發(fā)生頻率較低的空間特征。

圖3 安徽省年尺度干旱頻率空間分布Fig. 3 Spatial distribution of drought frequency at the annual scale in Anhui Province

(2)年尺度干旱的時(shí)間分布特征。圖4為安徽省50 a干旱站次比和干旱強(qiáng)度的年際變化特征圖。站次比的波動(dòng)為13%～93%，共37 a干旱明顯，其中9 a發(fā)生局域性干旱，4 a發(fā)生部分區(qū)域干旱，10 a發(fā)生區(qū)域性干旱，14 a發(fā)生全區(qū)域干旱。通過(guò)特征圖可以看出1993年之前干旱影響范圍呈跳躍狀，其中1966、1978、1988、1994和2011年均在峰值，這與記錄中安徽省這幾年發(fā)生大范圍干旱結(jié)果一致，表明數(shù)據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確性。通過(guò)特征圖看出，安徽省近50 a干旱強(qiáng)度為0.1～2.9，平均干旱強(qiáng)度為0.7，共37 a發(fā)生干旱，其中9 a干旱強(qiáng)度高于1，表明安徽省近50 a發(fā)生干旱大多數(shù)年份是輕度干旱。從圖4中可以看出安徽省年際干旱主要是輕度干旱和中度干旱。綜上表明，安徽省近50 a年際干旱強(qiáng)度呈波動(dòng)減少趨勢(shì)，區(qū)域性干旱和全域性干旱在20世紀(jì)90年代以后范圍逐漸縮小，干旱范圍從區(qū)域性和全域性逐漸變成局域性和部分區(qū)域性。

圖4 1965-2014年安徽省站次比和干旱強(qiáng)度的年際變化Fig.4 Interannual variability of stations proportion and drought intensity in Anhui Province from 1965 to 2014

2.2.2 季尺度干旱時(shí)空分布特征

安徽省近50 a出現(xiàn)的干旱中，夏旱出現(xiàn)6 a，春旱出現(xiàn)3 a，秋旱出現(xiàn)5 a，冬旱出現(xiàn)6 a，干旱出現(xiàn)頻率季節(jié)性明顯。1978年發(fā)生重度干旱，伴隨著季節(jié)尺度上春旱、夏旱、秋旱和冬旱均有發(fā)生。

(1)季尺度干旱的空間分布特征。圖5為安徽省季節(jié)尺度干旱頻率空間分布圖，由此分析安徽省季度干旱特征：①春季干旱頻率為14%～44%，北部地區(qū)略高，南部地區(qū)略低，春旱頻率由南到北逐漸增加。②夏季干旱頻率在18%～34%，中部和南部地區(qū)略高，夏旱頻率由中部到西北和東部逐漸增大，從東南到西南逐漸減小。③秋季干旱頻率在18%～42%，秋旱頻率西北和西南地區(qū)略高，東部地區(qū)略低，西南地區(qū)干旱頻率略高，并向東北方向延伸到中部地區(qū)。④冬季干旱頻率在12%～36%，冬旱北部地區(qū)略高，南部地區(qū)略低，從中部到冬南部冬旱頻率有所增大，再往南到皖南山區(qū)冬旱頻率有所降低。

綜上可得，安徽省季節(jié)干旱頻率：秋旱>夏旱>春旱>冬旱，其中冬旱頻率遠(yuǎn)低于其他3個(gè)季節(jié)。各季節(jié)干旱整體上是北部頻率偏高，南部頻率偏低。夏旱與秋旱相比，夏旱在東部頻率較高，而秋旱在東部頻率較低。春旱與冬旱南北頻率差異較大，夏旱與秋旱不僅南北差異明顯，東南差異也較為明顯。

圖5 安徽省季節(jié)尺度干旱頻率空間分布Fig.5 Spatial distribution of drought frequency at seasonal scale in Anhui Province

(2)季節(jié)尺度干旱的時(shí)間分布特征。圖6是安徽省季節(jié)尺度上干旱站次比和干旱強(qiáng)度的年際變化，由此分析季節(jié)時(shí)空特征如下。

①春旱。從站次比來(lái)看，共17 a發(fā)生全域性或區(qū)域性干旱。1981-1982年，1996-1997年，2000-2001年均連續(xù)2 a出現(xiàn)全域性或區(qū)域性干旱，此后每隔0～5 a會(huì)出現(xiàn)全域性或區(qū)域性干旱。從干旱強(qiáng)度來(lái)看，干旱強(qiáng)度波動(dòng)曲線與站次比波動(dòng)曲線基本一致，站次比峰值出現(xiàn)的年份干旱強(qiáng)度也處在峰值，其中2001年春旱強(qiáng)度最強(qiáng)，屬于重度干旱。安徽省春旱站次比與春旱強(qiáng)度呈波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明春旱范圍逐年增加，全域性或區(qū)域性干旱增多，春旱強(qiáng)度略微增強(qiáng)。

②夏旱。從站次比來(lái)看，1965-1980年先減少再增大，于1966年達(dá)到峰值，1980-1995年波動(dòng)增長(zhǎng)，1995-2014年波動(dòng)減少，共16 a出現(xiàn)全域性或區(qū)域性干旱。從干旱強(qiáng)度來(lái)看，強(qiáng)度最強(qiáng)的年份為1967年，站次比最高的年份為1966年。安徽省夏旱站次比與夏旱強(qiáng)度呈先波動(dòng)增長(zhǎng)，后逐漸降低的趨勢(shì)，表明夏旱范圍逐年減少，全域性或區(qū)域性干旱減少，夏旱強(qiáng)度略微減弱。

③秋旱。從站次比來(lái)看，1965-1976年，1978-1988年先減少再增加，1989-2014年波動(dòng)變化，增長(zhǎng)不明顯，共24 a出現(xiàn)全域性或區(qū)域性秋旱。從干旱強(qiáng)度來(lái)看，站次比最高的年份秋旱強(qiáng)度同樣很強(qiáng)，強(qiáng)度均大于2。安徽省秋旱站次比和秋旱強(qiáng)度呈波動(dòng)變化，趨勢(shì)增加不明顯，全域性和區(qū)域性秋旱主要集中在21世紀(jì)90年代和21世紀(jì)，秋旱強(qiáng)度較強(qiáng)。

④冬旱。從站次比來(lái)看，1965-1977年，冬旱站次比呈波動(dòng)減少，1977-2004年波動(dòng)幅度較大，2004-2014年波動(dòng)增加。共15 a出現(xiàn)全域性或區(qū)域性冬旱，1996-1997年，1982-1983年，1995-1996年均出現(xiàn)連續(xù)區(qū)域性或全域性干旱，1967-1977年共10 a未發(fā)生區(qū)域性或全域性干旱。從干旱強(qiáng)度來(lái)看，冬旱強(qiáng)度最強(qiáng)的年份1999年，冬旱站次比也很高。1965-1999年，先減弱后波動(dòng)增強(qiáng)。安徽省冬旱站次比呈波動(dòng)趨勢(shì)，波動(dòng)幅度較大，整體減小不明顯，冬旱強(qiáng)度波動(dòng)增加，增加較弱。

圖6 安徽省1965-2014年季節(jié)干旱站次比和干旱強(qiáng)度的年際變化Fig.6 Interannual variation of seasonal stations proportion and drought intensity in Anhui Province from 1965 to 2014

2.3 干旱趨勢(shì)分析

結(jié)合降水特征及干旱特征進(jìn)行分析，安徽省未來(lái)干旱趨勢(shì)受地形及降水的影響，從降水特征上來(lái)看，安徽省近50 a降水略微增長(zhǎng)，增長(zhǎng)不明顯，但變化幅度較大，1978年降水突然減少導(dǎo)致大規(guī)模的干旱發(fā)生，這種不規(guī)律的降水對(duì)未來(lái)干旱的發(fā)成影響極大。從干旱特征上來(lái)看，安徽省北部地區(qū)干旱頻率較南部地區(qū)較南部略高，北部地區(qū)干旱發(fā)生呈增加趨勢(shì)，南部地區(qū)增加不明顯。在季節(jié)干旱方面，夏季和冬季降水趨勢(shì)呈增長(zhǎng)狀態(tài)，而春季和秋季呈減少狀態(tài)，尤其是秋季降水降低趨勢(shì)明顯。結(jié)合干旱特征分析，秋旱在安徽省最易發(fā)生，強(qiáng)度較大，降水趨勢(shì)的降低在未來(lái)會(huì)加劇秋旱發(fā)生程度及頻率，安徽省季節(jié)性干旱抗旱形勢(shì)嚴(yán)峻。

3 小結(jié)和討論

(1)安徽省干旱在空間上分布不均，北部地區(qū)和西南地區(qū)干旱發(fā)生頻率高，中部地區(qū)和東南地區(qū)發(fā)生頻率較低，從南向北干旱頻率逐漸升高。年際上干旱強(qiáng)度呈減弱趨勢(shì)。在季節(jié)尺度上，秋旱干旱頻率最高，干旱強(qiáng)度最大，干旱范圍最廣，逐次是夏旱、冬旱和春旱，其中春旱和秋旱有加重趨勢(shì)，而夏旱和冬旱趨勢(shì)不明顯。

(2)本文干旱分析的結(jié)果與降水變化分析的結(jié)果基本一致，降水增多的地區(qū)或季節(jié)，干旱有所減弱。對(duì)于干旱指標(biāo)發(fā)展趨勢(shì)的評(píng)價(jià)結(jié)果，與歷史資料記載相比較基本一致，表明運(yùn)用降水量距平百分比分析安徽省近50 a干旱特征，能夠比較真實(shí)地反應(yīng)安徽省干旱的時(shí)空特征。

(3)在全球氣候變暖，極端氣候出現(xiàn)增加的背景下，安徽省季節(jié)尺度上干旱呈加重趨勢(shì)，其中秋旱和春旱加重明顯，需更加重視季節(jié)尺度上的干旱變化。降水距平百分率只考慮到降水量因素，有待綜合考慮更多自然因素和人文因素，進(jìn)一步深入研究干旱成因，為安徽省干旱的評(píng)估預(yù)警和農(nóng)業(yè)活動(dòng)提供科學(xué)依據(jù)。

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