“類內(nèi)-類間”綜合干旱指數(shù)在遼寧省干旱評價中的應(yīng)用

胡 娜

(大連市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 大連 116021)

遼寧省干旱頻發(fā)，發(fā)生較大及以上干旱的頻率從1961—1980年的20%遞增到2001—2018年的53%。受災(zāi)作物面積累計已達(dá)0.18億hm2，經(jīng)濟(jì)損失累計達(dá)420億，抗旱任務(wù)十分艱巨。農(nóng)業(yè)作為干旱影響最為嚴(yán)重的領(lǐng)域，與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生活以及農(nóng)村生態(tài)環(huán)境等緊密相關(guān)。據(jù)統(tǒng)計，從1999—2018年，干旱起因是降水偏少，但發(fā)展成災(zāi)，則有一個緩慢漸進(jìn)過程，它不僅取決于降水、氣溫等氣象條件，還與地形、土壤、作物等因素密切相關(guān)[1]?？紤]到旱災(zāi)的成因是多條件的，旱災(zāi)的影響和體現(xiàn)也是多方面的，單一指標(biāo)很難對旱災(zāi)進(jìn)行全面評估，因此需要建立綜合評估指標(biāo)，對旱情實(shí)時特征進(jìn)行綜合評估。當(dāng)前，國內(nèi)有許多學(xué)者開展綜合干旱指數(shù)的研究[2- 6]，但是大都是基于同一類指標(biāo)進(jìn)行綜合，比如水文部門采用水文指標(biāo)進(jìn)行綜合，得到水文類綜合指標(biāo)[7- 9]，農(nóng)業(yè)部門采用農(nóng)業(yè)指標(biāo)進(jìn)行綜合，得到農(nóng)業(yè)類綜合指標(biāo)，而未有基于氣象、水文、農(nóng)業(yè)、遙感四類干旱指標(biāo)進(jìn)行綜合干旱指數(shù)構(gòu)建的研究，為此本文提出基于“類內(nèi)-類間”綜合干旱指數(shù)法，對遼寧地區(qū)的干旱進(jìn)行綜合評價。

1 研究方法

“類內(nèi)-類間”綜合指數(shù)法與加權(quán)平均法類似，是基于各干旱指標(biāo)對應(yīng)等級量化值進(jìn)行的綜合干旱分析，但不同的是先對上一節(jié)所述的同一類干旱分析指標(biāo)進(jìn)行“類內(nèi)”綜合，得到各大類的旱情指數(shù)，然后對各大類指數(shù)再進(jìn)行“類間”綜合，考慮干旱指數(shù)在對應(yīng)等級區(qū)間的偏向性，進(jìn)行更細(xì)微的綜合干旱分析。

1.1 “類內(nèi)”綜合指數(shù)

類內(nèi)綜合干旱指數(shù)的計算分為兩步：

(1)計算復(fù)合權(quán)重系數(shù)ai

(1)

(2)

(2)計算類內(nèi)綜合指數(shù)Id

(3)

式中，Id—類內(nèi)綜合干旱指數(shù)；Ci—第i個干旱指標(biāo)對應(yīng)的等級量化值，見。ai—復(fù)合權(quán)重系數(shù)，計算方法按式(1)—(2)。

例如，采用與加權(quán)平均法中的示例相同的數(shù)據(jù)，見表1，降雨距平指數(shù)為-35%，對應(yīng)干旱等級為輕度干旱，等級量化值為1，對應(yīng)干旱等級的上限是-20，下限是-40，按照式1計算歸一化干旱指數(shù)權(quán)重(q)為0.25，按照式2計算復(fù)合權(quán)重(a)為0.24。連續(xù)無有效降雨日數(shù)為28d，對應(yīng)干旱等級為中度干旱，等級量化值為2，類似地，計算q和a分別為0.8和0.76。分別賦予相同的權(quán)重為0.5，按式3計算類內(nèi)綜合干旱指數(shù)為1.76，則按照表1、2的綜合干旱指數(shù)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，綜合旱情等級是輕度干旱，但由于1.76趨近于2，因此屬于輕度偏重?？梢?，采用這種方法能夠更精細(xì)地刻畫干旱的嚴(yán)重程度。

對于不同的權(quán)重，比如降雨距平指數(shù)權(quán)重為0.7，連續(xù)無有效降雨日數(shù)權(quán)重為0.3，見表1，計算綜合干旱指數(shù)為1.57，相比于相同權(quán)重時(1.76)的偏重程度減小了，這是因?yàn)榻涤昃嗥街笖?shù)的權(quán)重較大，而其對應(yīng)的等級為輕度干旱，所以綜合干旱的嚴(yán)重程度得到了削弱。

表1 “類內(nèi)-類間”綜合干旱指數(shù)法示例

1.2 “類間”綜合指數(shù)

采用上述“類內(nèi)”綜合指數(shù)計算方法分別得到氣象、水文、農(nóng)業(yè)及遙感干旱分析指數(shù)后，再進(jìn)行“類間”綜合。由于經(jīng)過“類內(nèi)”綜合后的各類干旱指數(shù)已經(jīng)是歸一化的，因此，“類間”綜合采用簡單的加權(quán)平均進(jìn)行計算。

(4)

2 旱情實(shí)時分析應(yīng)用示范

根據(jù)實(shí)時干旱分析指標(biāo)和計算方法，對示范區(qū)進(jìn)行旱情分析。由于受到數(shù)據(jù)支撐的限制，應(yīng)用示范中暫不包括水庫蓄水距平指數(shù)和作物水分虧缺指數(shù)。受旱面積比率來自干旱事件發(fā)生后的統(tǒng)計上報，時效性較差，難以滿足旱情實(shí)時分析，因此，應(yīng)用示范中也暫不包括受旱面積比率分析。另一方面，遙感干旱指數(shù)作為單獨(dú)的方法進(jìn)行輔助分析。所以，應(yīng)用示范中，以降雨距平指數(shù)、連續(xù)無有效降雨日數(shù)、河道徑流距平指數(shù)為例，對2006年進(jìn)行示范反演研究。分析結(jié)果主要以等級分布圖的形式展示，分別用紅色、橙色、黃色和藍(lán)色表示特大、嚴(yán)重、中度和輕度干旱。

2.1 月尺度降雨距平分析

選擇2006年7月11日和24日、8月9日和24日的4個時間對月尺度降雨距平比分析。如圖1所示。

由圖1可見，隨著時間的推移，旱情在逐漸加劇，且變化迅速明顯。尤其是遼西北地區(qū)在進(jìn)入8月份后，大部分地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橹卸群蛧?yán)重干旱等級。

表2 加權(quán)平均法與“類內(nèi)-類間”綜合干旱指數(shù)法比較示例

圖1 月尺度降雨距平分析

2.2 季尺度降雨距平分析

選擇2006年7月11日和24日、8月9日和24日的4個時間進(jìn)行對季尺度降雨距平比分析，如圖2所示。

圖2 季尺度降雨距平分析

與月尺度降雨距平分析結(jié)果相比，空間和時間的變化趨勢一直，但是相應(yīng)的旱情等級較輕，進(jìn)入8月份后的旱情等級為輕度和中度干旱，并且，空間分布相對均勻。這是因?yàn)樵鲁叨鹊臅r間短，沒有充分考慮一個月前的土壤底墑情況，受本月內(nèi)的降雨影響較大。

2.3 連續(xù)無有效降雨日數(shù)

選擇2006年7月11日和24日、8月9日和24日的4個時間進(jìn)行對連續(xù)無有效降雨日數(shù)進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 連續(xù)無有效降雨日數(shù)

旱情發(fā)展呈突變式，8月9日前遼寧全省都處于無旱狀態(tài)，8月24日大部分地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)檩p度干旱。這與連續(xù)無有效降雨日數(shù)的定義和計算方法有關(guān)，在連續(xù)干旱過程中一場降雨即打斷了連續(xù)無雨日數(shù)。所以，連續(xù)無有效降雨日數(shù)分析方法具有很大的隨機(jī)性，并不能很好的反映旱情。

2.4 月尺度河道徑流距平分析

選擇2006年7月11日和24日、8月9日和24日的4個時間進(jìn)行對月尺度河道徑流距平進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 月尺度河道徑流距平分析

隨著時間推移，旱情逐漸加劇。其中，遼西北地區(qū)尤為嚴(yán)重。但是，旱情等級的空間分布不均勻，從圖4看的效果是旱情等級分布呈現(xiàn)斑塊狀，相鄰區(qū)縣之間的旱情等級跳躍較大。這是因?yàn)楹拥缽搅骶嗥绞且跃植康暮拥浪臏y站為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的，受水系分布的影響較大。與降水距平指數(shù)分析相比，河道徑流距平分析的旱情分析結(jié)果相對嚴(yán)重。這是因?yàn)榍捌诮涤昶?，河道來水偏枯，已?jīng)導(dǎo)致水資源短缺現(xiàn)象。

2.5 季尺度河道徑流距平分析

選擇2006年7月11日和24日、8月9日和24日的4個時間進(jìn)行對月尺度河道徑流距平進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5 季尺度河道徑流距平分析

從圖5看出變化規(guī)律與月尺度的結(jié)果相似。但是由于考慮的時間尺度較長，相應(yīng)地區(qū)的旱情等級較月尺度的情況輕微。

2.6 綜合干旱指數(shù)分析

將以上的指標(biāo)按照“類內(nèi)-類間”方法進(jìn)行綜合，得到綜合干旱指數(shù)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 綜合干旱指數(shù)對比

以月尺度進(jìn)行分析，從圖6可以看出，依旱情分析等級看，氣象指標(biāo)的旱情較輕，水文指標(biāo)的旱情較重，因?yàn)闅庀笾笜?biāo)反映的是當(dāng)月的降雨情況，而水文指標(biāo)和土壤墑情能夠反映前期的水資源和土壤墑情情況。從空間分布上看，氣象指標(biāo)的旱情等級空間分布均勻，而水文指標(biāo)和農(nóng)業(yè)指標(biāo)的空間變異性較大。對于綜合旱情分析指標(biāo)，遼寧省整體處于輕度和中度干旱，遼西北地區(qū)旱情較重。

3 結(jié)語

“類內(nèi)-類間”綜合干旱指數(shù)可解決當(dāng)前不同部門采用不同干旱指標(biāo)進(jìn)行分析的問題，相比于單一干旱指標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域干旱的全面評價，干旱評價吻合度好于傳統(tǒng)單一指標(biāo)，在地區(qū)干旱評價中可以推廣和應(yīng)用。

本文主要以遼寧省為例，探討“類內(nèi)-類間”綜合干旱指數(shù)的適用性，在其他地區(qū)干旱標(biāo)準(zhǔn)的適用性還需要進(jìn)行研究，對于不同干旱類型地區(qū)的評價標(biāo)準(zhǔn)需要結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。