4種干旱指標(biāo)在華北地區(qū)氣象干旱監(jiān)測(cè)中的適用性分析

容錦盟，周 丹，羅 靜，朱海玲，郭 廣

(1. 青海省氣象服務(wù)中心，青海 西寧 810001；2. 青海省工程咨詢中心，青海 西寧 810001)

全球氣候的持續(xù)變暖導(dǎo)致極端氣候事件頻繁發(fā)生，其中干旱事件發(fā)生頻率上升趨勢(shì)尤為明顯。在歐洲過去30年間應(yīng)對(duì)干旱的總成本達(dá)1 000億歐元之多[1]，在中國(guó)過去60年間干旱的受災(zāi)面積以每年21.97×104hm2的速度在增加。因此，對(duì)干旱的研究成為目前世界氣象學(xué)界探討的熱點(diǎn)。

中國(guó)地處東亞季風(fēng)區(qū)，氣候變率高、災(zāi)害頻發(fā)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)氣象災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失占所有自然災(zāi)害的70%，其中干旱災(zāi)害造成的損失達(dá)50%，居中國(guó)氣象災(zāi)害之首[2]，而華北地區(qū)旱災(zāi)平均受災(zāi)面積占全國(guó)受災(zāi)面積的比例最高，達(dá)28%以上[3-4]。華北地區(qū)是中國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，冬小麥播種面積占全國(guó)的60%，干旱成為華北地區(qū)糧食產(chǎn)量穩(wěn)定上升的重要限制因素。為緩解氣象干旱對(duì)農(nóng)作物的影響，抽取地下水灌溉成為了華北地區(qū)抗旱保產(chǎn)的主要措施。大面積地抽取地下水，導(dǎo)致地下水水位迅速下降[5-6]，引發(fā)了嚴(yán)重的水文干旱，生態(tài)環(huán)境日趨惡化，水資源供需矛盾日益尖銳。因此，研究華北地區(qū)氣象干旱對(duì)于防旱減災(zāi)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

干旱指標(biāo)是定量研究分析干旱的基礎(chǔ)。不同區(qū)域由于氣象、水文和下墊面條件的不同造成了干旱成因的復(fù)雜性，故不同區(qū)域和不同特征的干旱情況難以用一種特定干旱指標(biāo)描述[7-8]。目前，在中國(guó)應(yīng)用和研究較為廣泛的氣象干旱指標(biāo)主要包括：降水距平百分率(Pa)、Palmer指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、氣象干旱綜合指數(shù)(CI)、降水Z指數(shù)、相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)(MI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)等。王勝等[9]采用安徽冬麥區(qū)36個(gè)氣象站1960—2012年逐日氣象資料分別計(jì)算了水分虧缺指數(shù)(CWDI)、CI、SPI和Pa指數(shù)，并對(duì)4種指標(biāo)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比和適應(yīng)性分析；潘妮等[10]利用ArcGIS反距離插值法評(píng)估了MI、CI、 SPI和SPEI 4種指數(shù)在四川省的適用性；喬麗等[11]選用442個(gè)典型干旱個(gè)例為依據(jù)，分析了6種干旱指標(biāo)在陜西省不同地區(qū)的適用性。目前，關(guān)于華北地區(qū)到底適用哪種干旱指標(biāo)來表征和評(píng)估氣象干旱狀況，還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

基于此，本文利用華北地區(qū)1961—2016年69個(gè)氣象站點(diǎn)常規(guī)觀測(cè)資料，通過選取特殊氣象代表站點(diǎn)，選用CI、SPEI、SPI及Z指數(shù)分別計(jì)算了1、3、12個(gè)月時(shí)間尺度氣象干旱，并與《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》(綜合卷和地區(qū)卷)[12-18]統(tǒng)計(jì)的氣象干旱發(fā)生實(shí)況進(jìn)行對(duì)比分析，研究了不同干旱指標(biāo)在華北地區(qū)不同區(qū)域的適用性，力求遴選出一種適合于整個(gè)華北地區(qū)氣象干旱分析和監(jiān)測(cè)的指標(biāo)。

1 研究區(qū)概況

圖1 華北地區(qū)氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Northern China

根據(jù)研究區(qū)域的統(tǒng)一性、整體性以及數(shù)據(jù)的可獲得性，在綜合考慮華北區(qū)位及文章研究?jī)?nèi)容的情況下，以行政區(qū)界限為劃分標(biāo)準(zhǔn)。華北地區(qū)就行政區(qū)劃而言，包括北京市、天津市、河北省、河南省、山東省、山西省(圖1)，總面積約為69.56萬km2;地處東亞大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬春寒冷干燥，夏季炎熱多雨，是世界上氣候極脆弱的區(qū)域之一。根據(jù)研究所需，依據(jù)地區(qū)實(shí)際環(huán)境把華北地區(qū)劃分為4個(gè)子區(qū)域，分別是西北部山地地區(qū)，共分布21個(gè)氣象站點(diǎn)；京津冀地區(qū)，共分布16個(gè)氣象站點(diǎn)；河南地區(qū)，共分布17個(gè)氣象站點(diǎn)；山東半島地區(qū)，共分布15個(gè)氣象站點(diǎn)。

2 資料與方法

2.1 研究資料

選用1961年1月—2016年12月華北地區(qū)69個(gè)地面氣象觀測(cè)站的月平均氣溫和降水量、日平均氣溫和降水量、風(fēng)速、最高氣溫、最低氣溫和平均相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，由中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心提供。對(duì)個(gè)別臺(tái)站的缺測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用均值替代法進(jìn)行了插補(bǔ)處理，并且經(jīng)過了較為嚴(yán)格的質(zhì)量控制，主要是進(jìn)行了極值檢驗(yàn)、時(shí)間一致性檢驗(yàn)。經(jīng)過訂正處理后的69個(gè)氣象觀測(cè)站各氣象要素?cái)?shù)據(jù)具有較好的連續(xù)性。

華北地區(qū)1961—2000年干旱發(fā)生狀況統(tǒng)計(jì)資料來自于《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》(綜合卷、北京卷、天津卷、山西卷、河北卷、山東卷、河南卷)[12-18]。

2.2 研究方法

2.2.1 干旱指標(biāo) 根據(jù)前期研究分析，選取在中國(guó)大陸地區(qū)使用較廣泛的4種干旱指標(biāo)進(jìn)行華北地區(qū)干旱監(jiān)測(cè)適用性分析，分別為氣象干旱綜合指數(shù)(CI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)及降水Z指數(shù)，各種指標(biāo)詳細(xì)計(jì)算步驟及說明詳見參考文獻(xiàn)[19-22]。

2.2.2 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF) 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析方法(EOF)，也稱主成分分析或者特征向量分析，最早是由英國(guó)的生物學(xué)家和被公認(rèn)為統(tǒng)計(jì)學(xué)之父的 Pearson 在1902年提出，主要用來分析矩陣數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)特征，并且提取主要數(shù)據(jù)特征量。將EOF引入大氣科學(xué)，可以追溯到20世紀(jì)50年代，Lorenz將其用來做大氣科學(xué)領(lǐng)域的研究[23]。EOF分析能夠?qū)㈦S時(shí)間變化的氣象要素場(chǎng)分解成為時(shí)間函數(shù)和空間函數(shù)兩個(gè)部分：時(shí)間函數(shù)即為主分量，是由空間點(diǎn)(變量)的線性組合構(gòu)成；空間函數(shù)不隨時(shí)間變化，可概括要素場(chǎng)的地域分布特征。EOF分解成的時(shí)間和空間部分，具有正交性的特點(diǎn)，用前幾個(gè)方差貢獻(xiàn)比較大的空間函數(shù)(模態(tài))即可擬合出原矩陣的主要特征。EOF詳細(xì)計(jì)算方法詳見參考文獻(xiàn)[23]。

3 結(jié)果與分析

3.1 華北地區(qū)降水量的EOF分析

降水量是旱澇災(zāi)害發(fā)生的主要影響因子，中國(guó)學(xué)者對(duì)不同區(qū)域降水量的變化及異常進(jìn)行了大量的研究，結(jié)果都表明降水量有明顯的季節(jié)和年際異常。因此，利用EOF對(duì)1961—2016年華北地區(qū)69個(gè)氣象站點(diǎn)年降水量進(jìn)行分析，其載荷向量能夠較好地反映該區(qū)域年降水量的空間分布特征(圖2)。通過EOF分析顯示，前2位載荷向量方差貢獻(xiàn)分別為：33.3%(圖2a)、14.5%(圖2b)，累積方差貢獻(xiàn)為47.8%。

前2位載荷向量中，僅有第一載荷向量方差貢獻(xiàn)在30%以上，達(dá)到了33.3%，能夠很好地表征研究區(qū)域年降水量異常的主要分布特征，因此僅對(duì)第一個(gè)特征向量場(chǎng)時(shí)空分布特征進(jìn)行分析。圖2a是EOF分析第一特征向量分布場(chǎng)，反映了華北地區(qū)年降水量變化關(guān)系主要特征：整個(gè)華北地區(qū)的載荷向量基本以太行山、黃河為界，說明太行山兩麓、黃河兩岸降水量異常的變化趨勢(shì)相反。山東半島地區(qū)是載荷向量絕對(duì)值大值區(qū)，往西北方向逐漸減小，這說明年降水量異常最容易出現(xiàn)在山東半島地區(qū)，且異常出現(xiàn)的可能性由東南向西北方向逐漸減小。通過EOF分析，每個(gè)區(qū)域載荷向量最大的氣象站點(diǎn)分別為：河北張家口、河北青龍、河南南陽、山東莒縣和山東泰山(圖2a)。

3.2 華北地區(qū)氣溫的EOF分析

氣溫也是旱澇災(zāi)害發(fā)生的主要影響因子之一。因此，利用EOF對(duì)1961—2015年華北地區(qū)69個(gè)氣象站點(diǎn)的年平均氣溫進(jìn)行分析，其載荷向量能夠較好地反映該區(qū)域年平均氣溫的空間分布特征(圖3)。通過EOF分析顯示，前2位載荷向量方差貢獻(xiàn)分別為：75.0%(圖3a)、10.5%(圖3b)，累積方差貢獻(xiàn)為85.5%。

前2位載荷向量中，第一載荷向量的方差貢獻(xiàn)達(dá)到了70%以上，為75.0%，能夠很好地表征研究區(qū)域年平均氣溫異常的主要分布特征。因此，僅對(duì)第一個(gè)特征向量場(chǎng)的時(shí)空分布特征進(jìn)行分析。圖3a是EOF分析第一特征向量分布場(chǎng)，反映了華北地區(qū)年平均氣溫變化關(guān)系主要特征：整個(gè)華北地區(qū)的載荷向量基本以臨汾—榆社—邢臺(tái)—饒陽—濟(jì)南—濰坊—青島一線為界南北相反，說明這一線兩側(cè)年平均氣溫異常的變化趨勢(shì)相反。五臺(tái)山地區(qū)是載荷向量的絕對(duì)值大值區(qū)，向四周逐漸減小，說明年平均氣溫異常最容易出現(xiàn)在五臺(tái)山地區(qū)。通過EOF分析，每個(gè)區(qū)域載荷向量最大的氣象站點(diǎn)分別為：河南西峽、河北遵化、河北蔚縣和山西五臺(tái)山(圖3a)。

3.3 華北地區(qū)4種干旱指標(biāo)適用性分析

3.3.1 月尺度干旱指標(biāo)對(duì)比 表1顯示的是華北地區(qū)代表氣象站點(diǎn)不同指數(shù)1個(gè)月時(shí)間尺度干旱發(fā)生頻率，分析可以看出，采用4種干旱指標(biāo)統(tǒng)計(jì)的干旱發(fā)生頻率顯示：在西北部山地地區(qū)的張家口和蔚縣CI計(jì)算的干旱發(fā)生頻率明顯偏高，Z指數(shù)計(jì)算的明顯偏低，而在五臺(tái)山地區(qū)CI和Z指數(shù)計(jì)算的干旱發(fā)生頻率均明顯偏低，由此表明CI和Z指數(shù)不能很好地表征該地區(qū)月尺度干旱發(fā)生狀況，不適合在該地區(qū)使用；在京津冀地區(qū)的青龍SPI和Z指數(shù)計(jì)算的干旱發(fā)生頻率明顯偏低，而在遵化CI指數(shù)計(jì)算的干旱發(fā)生頻率明顯偏高，Z指數(shù)計(jì)算的明顯偏低，表明CI、SPI和Z指數(shù)不能很好地表征該地區(qū)月尺度干旱發(fā)生狀況，不適合在該地區(qū)使用；在河南地區(qū)的南陽和西峽SPI和Z指數(shù)計(jì)算的干旱發(fā)生頻率明顯偏低，表明SPI和Z指數(shù)不能很好地表征該地區(qū)月尺度干旱發(fā)生狀況，不適合在該地區(qū)使用；在山東半島地區(qū)的莒縣SPI和Z指數(shù)計(jì)算的干旱發(fā)生頻率明顯偏低，而在泰山地區(qū)CI和Z指數(shù)計(jì)算的干旱發(fā)生頻率明顯偏低，表明CI、SPI和 Z指數(shù)不能很好地表征該地區(qū)月尺度干旱發(fā)生狀況，不適合在該地區(qū)使用。Z指數(shù)計(jì)算的所有代表氣象站點(diǎn)1個(gè)月時(shí)間尺度干旱發(fā)生頻率均明顯偏低，究其原因主要由于Z指數(shù)僅考慮降水量這一單一要素，對(duì)其它氣象要素均未考慮，且要假設(shè)降水量服從皮爾遜III型分布。但對(duì)于華北地區(qū)來說，氣候條件特殊，降水量具有明顯的季節(jié)分布特征，且溫度和蒸發(fā)量對(duì)該地區(qū)氣象干旱的影響也非常大，所以導(dǎo)致Z指數(shù)計(jì)算結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大偏差。

3.3.2 季節(jié)尺度干旱指標(biāo)對(duì)比 在3個(gè)月時(shí)間尺度(季節(jié)尺度)中，選用CI、SPEI、SPI和Z指數(shù)計(jì)算了各代表氣象站點(diǎn)四季干旱發(fā)生頻率(表略)和季節(jié)尺度的平均干旱發(fā)生頻率(表2)，并對(duì)各指數(shù)所表征的干旱發(fā)生頻率做了相關(guān)性分析(表3)。分析可知：在西北部山地地區(qū)的張家口和蔚縣CI計(jì)算的季節(jié)尺度干旱發(fā)生頻率明顯偏高，Z指數(shù)計(jì)算的明顯偏低，而在五臺(tái)山地區(qū)CI和Z指數(shù)計(jì)算的季節(jié)尺度干旱發(fā)生頻率均明顯偏低，由此表明CI、Z指數(shù)不適合在該地區(qū)使用；在京津冀地區(qū)的遵化和青龍CI計(jì)算的季節(jié)尺度干旱發(fā)生頻率明顯偏高，Z指數(shù)計(jì)算的明顯偏低，此外，SPI計(jì)算的青龍地區(qū)冬季干旱發(fā)生頻率明顯偏低，由此表明CI、SPI和Z指數(shù)不能很好地表征京津冀地區(qū)季節(jié)尺度干旱發(fā)生狀況；在河南地區(qū)的南陽CI計(jì)算的季節(jié)尺度干旱發(fā)生頻率明顯偏高，Z指數(shù)計(jì)算的明顯偏低,西峽SPI和Z指數(shù)計(jì)算的季節(jié)尺度干旱發(fā)生頻率明顯偏低，由此表明CI、SPI和Z指數(shù)不適合在該地區(qū)使用；在山東半島地區(qū)的莒縣CI計(jì)算的季節(jié)尺度干旱發(fā)生頻率明顯偏高，Z指數(shù)計(jì)算的明顯偏低,而在泰山地區(qū)CI和Z指數(shù)計(jì)算的季節(jié)尺度干旱發(fā)生頻率均明顯偏低,由此表明CI和Z指數(shù)不能很好地表征山東半島地區(qū)季尺度干旱發(fā)生狀況。綜合結(jié)果表明，在華北地區(qū)不同區(qū)域，Z指數(shù)計(jì)算的季節(jié)尺度干旱發(fā)生頻率均明顯偏低，CI指數(shù)計(jì)算的大部分地區(qū)季節(jié)尺度干旱發(fā)生頻率明顯偏高，而SPI計(jì)算的部分地區(qū)季節(jié)尺度干旱發(fā)生頻率也明顯偏低，說明CI、SPI和Z指數(shù)不能很好地表征整個(gè)華北地區(qū)干旱發(fā)生狀況，適宜性相對(duì)于SPEI較差。CI指數(shù)是以SPI、相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)為基礎(chǔ)建立的一種干旱綜合指數(shù)，該指數(shù)同時(shí)考慮了降水和蒸散發(fā)，綜合考慮了前期的天氣狀況，對(duì)短時(shí)間尺度水分虧缺情況具有較好的表征性。在華北地區(qū)CI指數(shù)計(jì)算的大部分代表氣象站點(diǎn)季節(jié)尺度干旱發(fā)生頻率均明顯偏高，表明表征的季節(jié)尺度水分虧缺情況較實(shí)際嚴(yán)重，究其原因主要由于CI指數(shù)考慮的是近30天降水量與相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)的綜合情況，把許多短時(shí)間階段性的濕潤(rùn)情況平滑剔除了，以至于計(jì)算結(jié)果較實(shí)際情況嚴(yán)重，該計(jì)算結(jié)果與趙海燕[24]、楊慧麗[25]等在西南和福建地區(qū)對(duì)CI指數(shù)的研究結(jié)果相一致。

圖2 華北地區(qū)年降水量異常前2個(gè)EOF空間型Fig.2 Annual precipitation anomalies before the two EOF space type in Northern China

圖3 華北地區(qū)年平均氣溫異常前2個(gè)EOF空間型Fig.3 Average annual temperature anomalies before the two EOF space type in Northern China

3.3.3 年尺度干旱指標(biāo)對(duì)比 在12個(gè)月時(shí)間尺度干旱中，分析可知(圖4、表4)：在西北部山地地區(qū)的張家口和蔚縣CI計(jì)算的年干旱發(fā)生頻率明顯偏高，而在整個(gè)地區(qū)Z指數(shù)計(jì)算的發(fā)生頻率明顯偏低；在京津冀地區(qū)的青龍和遵化CI計(jì)算的發(fā)生頻率明顯偏高；在河南地區(qū)的西峽和南陽SPI和Z指數(shù)計(jì)算的發(fā)生頻率明顯偏低；在山東半島地區(qū)的莒縣CI和Z指數(shù)計(jì)算的發(fā)生頻率明顯偏高，而在泰山地區(qū)CI和Z指數(shù)計(jì)算的發(fā)生頻率明顯偏低。綜合結(jié)果表明，CI、SPI和 Z指數(shù)不能較好地表征華北地區(qū)年尺度干旱發(fā)生狀況。SPI在華北地區(qū)大部分區(qū)域能很好地表征干旱發(fā)生狀況，但是在局部區(qū)域計(jì)算的干旱發(fā)生頻率明顯偏低，究其原因主要由于SPI是單純依賴于降水量的干旱指數(shù)，它可反映不同時(shí)間尺度的干旱，但該指數(shù)只考慮當(dāng)時(shí)的降水量，忽略了前期干旱持續(xù)時(shí)間對(duì)后期干旱程度的影響，所以在實(shí)際的應(yīng)用中也存在一定的局限性。

表1 代表氣象站點(diǎn)不同指數(shù)月尺度干旱發(fā)生頻率/%

表2 代表氣象站點(diǎn)不同指數(shù)季尺度干旱發(fā)生頻率/%

表3 不同指數(shù)季尺度干旱發(fā)生頻率相關(guān)性

注：*表示在0.05水平上顯著；** 表示在0.01水平上顯著。

Note：*means significant atP<0.05 level；**means significant atP<0.01 level.

圖4 代表氣象站點(diǎn)不同指數(shù)12個(gè)月尺度干旱Fig.4 Different drought indices of representative meteorological stations in the annual scale

3.4 4種干旱指數(shù)與災(zāi)害大典統(tǒng)計(jì)實(shí)況對(duì)比

通過查閱《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》(綜合卷和地區(qū)卷)有關(guān)記錄數(shù)據(jù)[12-18]，整理了華北地區(qū)不同區(qū)域1961—2000年氣象干旱實(shí)際發(fā)生狀況，并參照中國(guó)干旱氣象網(wǎng)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了訂正處理，如表5所示。根據(jù)華北地區(qū)9個(gè)代表氣象站點(diǎn)計(jì)算出的CI、SPEI、SPI、Z 4種干旱指數(shù)比照中國(guó)氣象災(zāi)害大典統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)各干旱指數(shù)的吻合程度進(jìn)行了詳細(xì)分析。1961—2000年，根據(jù)中國(guó)氣象災(zāi)害大典統(tǒng)計(jì)資料，各代表氣象站點(diǎn)月尺度干旱發(fā)生次數(shù)分別為：張家口為97次，蔚縣為95次，五臺(tái)山為77次，青龍為104次，遵化為105次，南陽為97次，西峽為108次，莒縣為110次，泰山為94次。

表4 代表氣象站點(diǎn)不同指數(shù)年尺度干旱發(fā)生頻率

根據(jù)華北地區(qū)9個(gè)代表氣象站點(diǎn)計(jì)算出的CI、SPEI、SPI、Z 4種干旱指數(shù)比照中國(guó)氣象災(zāi)害大典統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)比結(jié)果顯示(表6和圖5)：在4個(gè)研究分區(qū)中，SPEI指數(shù)表征的干旱發(fā)生狀況與實(shí)際吻合率最高，分別為57.41%、60.78%、57.06%和66.99%；其次是SPI指數(shù)，4個(gè)研究分區(qū)的吻合率分別為51.80%、56.00%、49.90%和57.74%；CI指數(shù)吻合率較SPI指數(shù)稍低，分別為46.32%、53.58%、49.23%和47.33%；與實(shí)際干旱發(fā)生狀況吻合程度最低的是Z指數(shù)，4個(gè)研究區(qū)的吻合率分別為40.85%、34.94%、41.56%和38.24%。研究結(jié)果表明，選取的4種干旱指數(shù)在華北地區(qū)的9個(gè)代表氣象站點(diǎn)中，SPEI指數(shù)表征各種時(shí)間尺度氣象干旱發(fā)生效果最好，Z指數(shù)效果最差。

4 結(jié) 論

本文通過選取特殊氣象代表站點(diǎn)，選用CI、SPEI、SPI及Z指數(shù)分別計(jì)算了1、3、12個(gè)月時(shí)間尺度氣象干旱，并與《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》(綜合卷和地區(qū)卷)[12-18]統(tǒng)計(jì)的氣象干旱發(fā)生實(shí)況進(jìn)行對(duì)比分析，研究了不同干旱指數(shù)在華北地區(qū)不同區(qū)域的適用性，得到的主要結(jié)論有：

1)根據(jù)EOF分區(qū)結(jié)果，選取的降水量代表氣象站點(diǎn)分別為張家口、青龍、南陽、莒縣和泰山，選取的氣溫代表氣象站點(diǎn)分別為西峽、遵化、蔚縣和五臺(tái)山。各種干旱指數(shù)在代表氣象站點(diǎn)的適用性分析可以科學(xué)有效地表征各干旱指數(shù)在整個(gè)華北地區(qū)的適用性程度。

表5 1961—2000年華北地區(qū)代表氣象站點(diǎn)氣象干旱發(fā)生狀況統(tǒng)計(jì)

注：A表示張家口，B表示蔚縣，C表示五臺(tái)山，D表示青龍，E表示遵化，F(xiàn)表示南陽，G表示西峽，H表示莒縣，I表示泰山。

Note：A represent Zhangjiakou, B represent Yuxian, C represent Wutaishan, D represent Qinglong, E represent Zunhua, F represent Nanyang, G represent Xixia, H represent Juxian, I represent Taishan.

表6 華北地區(qū)代表氣象站點(diǎn)4種干旱指數(shù)與實(shí)際干旱狀況吻合百分率/%

圖5 華北地區(qū)不同區(qū)域4種干旱指數(shù)吻合百分率Fig.5 Percentage of anastomosis the drough index of different regions in Northern China

2)通過對(duì)比CI、SPEI、SPI和Z指數(shù)對(duì)華北地區(qū)不同區(qū)域年、季節(jié)及月尺度干旱的表征狀況，發(fā)現(xiàn)CI指數(shù)計(jì)算的不同區(qū)域各時(shí)間尺度氣象干旱發(fā)生頻率均明顯偏高，Z指數(shù)計(jì)算的不同區(qū)域各時(shí)間尺度氣象干旱發(fā)生頻率均明顯偏低，SPI計(jì)算的部分區(qū)域季時(shí)間尺度氣象干旱發(fā)生頻率也明顯偏低。綜合研究結(jié)果表明，CI、SPI和Z指數(shù)不能較好地表征整個(gè)華北地區(qū)各時(shí)間尺度氣象干旱發(fā)生狀況，計(jì)算結(jié)果存在較大誤差。

3)根據(jù)華北地區(qū)9個(gè)代表氣象站點(diǎn)計(jì)算出的CI、SPEI、SPI、Z 4種干旱指數(shù)比照《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》[12-18]統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對(duì)比結(jié)果顯示：在4個(gè)研究分區(qū)中，SPEI指數(shù)表征的干旱發(fā)生狀況與實(shí)際吻合率最高，分別為57.41%、60.78%、57.06%和66.99%。與實(shí)際干旱發(fā)生狀況吻合程度最低的是Z指數(shù)，4個(gè)研究分區(qū)的吻合率分別為40.85%、34.94%、41.56%和38.24%。研究結(jié)果表明，選取的4種干旱指數(shù)在華北地區(qū)的9個(gè)代表氣象站點(diǎn)中，SPEI指數(shù)表征各種時(shí)間尺度氣象干旱發(fā)生效果最好，Z指數(shù)效果最差。因此，選用SPEI能較準(zhǔn)確地表征華北地區(qū)氣象干旱年際變化及突變檢測(cè)、時(shí)間分布、空間分布、干旱發(fā)生強(qiáng)度、不同等級(jí)干旱分布等特征。

5 討 論

華北地區(qū)是中國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，2012年12月由科技部立項(xiàng)，中科院組織的“環(huán)渤海糧倉”項(xiàng)目正式啟動(dòng)實(shí)施[26]，充分體現(xiàn)出華北地區(qū)糧食生產(chǎn)對(duì)中國(guó)糧食安全形勢(shì)的重要性，而目前干旱已經(jīng)成為華北地區(qū)糧食產(chǎn)量穩(wěn)定上升的首要限制因素。因此，評(píng)估干旱指標(biāo)的可靠性對(duì)研究華北地區(qū)氣象干旱、發(fā)現(xiàn)和減少干旱災(zāi)害損失具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。研究過程中發(fā)現(xiàn)，僅考慮降水單一氣象要素的指標(biāo)相對(duì)于考慮多要素的指標(biāo)適用性相對(duì)較差，會(huì)導(dǎo)致一些判斷結(jié)果的偏差。SPEI指數(shù)對(duì)全球具有普遍適用性，既考慮了降水量對(duì)干旱的影響，又考慮了水分的蒸散發(fā)，能夠較好地反映區(qū)域干旱情況，在本研究區(qū)的適用性最好。

受資料和文章篇幅的限制，本文研究只選擇4種干旱指標(biāo)和9個(gè)代表氣象站點(diǎn)進(jìn)行了適用性研究，未達(dá)到百分百的代表性，今后研究過程中應(yīng)考慮選用更多的干旱指數(shù)和代表站點(diǎn)進(jìn)行適用性分析。隨著科學(xué)數(shù)據(jù)共享范圍的擴(kuò)大，許多內(nèi)部使用的氣象數(shù)據(jù)有望獲得，從而可更加深入地分析華北地區(qū)氣象干旱狀況，掌握氣象干旱的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，對(duì)華北地區(qū)干旱評(píng)估及水資源管理提供科學(xué)支撐，從而提高農(nóng)業(yè)用水(地下水)效率，保證華北地區(qū)糧食穩(wěn)定高產(chǎn)，為國(guó)家糧食安全提供保障。