海河流域農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)評(píng)估能力對(duì)比

王 瑤

(山東省臨沂市蘭陵縣，山東 臨沂 277700)

干旱作為一種自然災(zāi)害，發(fā)生頻率高、持續(xù)時(shí)間長、影響范圍廣，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社 會(huì)經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境等方面造成的影響顯著[1]。盡管干旱及其影響已受到社會(huì)各方面的廣泛關(guān)注，但是由于干旱形成及其致災(zāi)機(jī)理的復(fù)雜性，目前對(duì)于干旱缺乏統(tǒng)一的定義。而在農(nóng)業(yè)干旱定義方面尚未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，目前研究中農(nóng)業(yè)干旱常指由于外界環(huán)境、人類活動(dòng)等因素導(dǎo)致作物體內(nèi)水分 收支平衡被打破，由于水分虧缺而影響作物生長甚至造成產(chǎn)量損失的現(xiàn)象,本研究對(duì)多源遙感信息提取干旱指數(shù)進(jìn)行了探討，將進(jìn)一 步推進(jìn)遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)干旱的發(fā)展進(jìn)程。

1 研究區(qū)概況

海河流域是山東省最大的河流之一。海河流域包括海河、灤河和吐谷海馬池河。海河流域水資源呈扇形分布，水資源總量較少，降水時(shí)空分布不均勻。流域總面積31.8萬km2，人均水資源占有量276m3，僅為全國平均水平的13%。海河流域耕地灌溉面積常年大于7.4×106hm2，節(jié)水灌溉方式趨于多樣化。近年來，在人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展壓力和氣候的影響下，海河流域水資源衰減問題十分突出。水資源短缺、水環(huán)境污染和水生態(tài)惡化是各行各業(yè)面臨的極其嚴(yán)重的問題，直接影響農(nóng)業(yè)水資源的利用。

圖1 海河流域示意圖

文章選取的流域內(nèi)部以及周邊22個(gè)氣象站點(diǎn)1960-2016年的平均氣溫和降水量數(shù)據(jù)均來自于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集。

2 研究方法

2.1 土壤含水量距平指數(shù)

Bergman等在 1988 年提出了土壤含水量距平指數(shù)(Soil Moisture Anomaly Percentage Index，SMAPI)))其計(jì)算公式如下：

(1)

表1 基于 SMAPI 的旱澇等級(jí)劃分

2.2 歸一化旱情綜合指數(shù)

Rhee(2010)年提出基于VI、LST和TRMM數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而得到適用于干旱區(qū)和濕潤區(qū)的歸一化旱情綜合指數(shù)(Scaled Drought Condition Index，SDCI)指數(shù)，計(jì)算公式如下：

(2)

文章計(jì)算所采用的TRMM數(shù)據(jù)為3個(gè)月時(shí)間尺度的 TRMM數(shù)據(jù)。TRMM為降水速率，單位為mm/hr；TRMMmax和TRMMmin分別為降水速率最大值和最小值。權(quán)重的選擇來自于Rhee的研究，選取在濕潤區(qū)和干旱區(qū)均能達(dá)到良好評(píng)估效果的一組權(quán)重進(jìn)行計(jì)算和分析[2]。SDCI的旱澇等級(jí)分布如表2所示。

表2 SDCI旱澇等級(jí)分布表

2.3 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)

Vicente-Serrano(2010)提出了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)( Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI)，計(jì)算方法如下：

1)潛在蒸散量：

(3)

式中：T為月平均氣溫，℃；I為年熱指數(shù)；m為系數(shù)；K為維度和月份函數(shù)的校正系數(shù)。

表2表明，應(yīng)用完好性監(jiān)測(cè)算法檢測(cè)到周跳，然后利用多項(xiàng)式擬合的方法可以準(zhǔn)確地計(jì)算周跳的值。對(duì)于不同大小的周跳都可以通過本文算法進(jìn)行修復(fù)。

2)不同時(shí)間尺度上月降水量和潛在蒸散量的差值：

Di=Pi-PETi

(4)

式中：Di為不同時(shí)間尺度的凈降水量。第j年第i月D，j取決于所選擇的時(shí)間尺度k。例如，12 個(gè)月時(shí)間尺度上第 j 年第 i月的累積差計(jì)算公式為：

(5)

式中：Di，j為第j年第i月P和PET之差，mm。

3)利用對(duì)數(shù)邏輯斯特(log-logistic)概率分布標(biāo)準(zhǔn)化D序列，以獲得SPEI指數(shù)序列，概率密度函數(shù)為：

(6)

式中：α、β和γ分別是尺度，形狀和位置參數(shù)。

(7)

表3 基于SPEI的旱澇等級(jí)劃分

3 研究結(jié)果

3.1 基于土壤含水量距平指數(shù)的農(nóng)業(yè)干旱評(píng)估

將SMAPI值與SPEI-1、SPEI-3和糧食產(chǎn)量、受災(zāi)面積、絕收面積進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證該指數(shù)在海河流域的農(nóng)業(yè)干旱評(píng)估能力。海河流域糧食產(chǎn)量分為夏糧和秋糧，夏糧的生長季為10月-次年5月，秋糧生長季為6-9月，存在著生長季年度和自然年度的不符合。因此本章計(jì)算以12月份為年度(-12)以10月份為年度(-10)和以9月份為年度的(-9)進(jìn)行驗(yàn)證分析。

表4為海河流域SMAPI值與SPEI-1和SPEI-3相關(guān)系數(shù)。由表中可知，在不同時(shí)間尺度和不同年度下，SMAPI值與SPEI-3的相關(guān)系數(shù)大于SMAPI值與SPEI-1的相關(guān)系數(shù)，說明3個(gè)月時(shí)間尺度可以更好地反應(yīng)農(nóng)業(yè)干旱的情況。SMAPI-10與SPEI3-9的相關(guān)系數(shù)相對(duì)較高，為0.47，可能是由于土壤水分對(duì)于氣象條件的變化存在一定程度的滯后效應(yīng)。

表4 SMAPI值與SPEI-1和SPEI-3相關(guān)系數(shù)

表5為海河流域SMAPI值與糧食產(chǎn)量、受災(zāi)面積和絕收面積的相關(guān)系數(shù)。由表中可知，以10月份為年值的SMAPI-10與糧食產(chǎn)量距平和受災(zāi)面積的相關(guān)系數(shù)為最高，分別為0.443和-0.328，分別以SMAPI-10的年值可以較好的反映農(nóng)作物受旱情況。

表5 SMAPI值與糧食產(chǎn)量、受災(zāi)面積和絕收面積相關(guān)系數(shù)

圖2為海河流域秋季生長季SMAPI值與秋季糧食、SPEI-1和SPIEI-3的相關(guān)性。由圖中表明，SMAPI與糧食產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)為0.3，與SPEI-1的相關(guān)系數(shù)為0.36，與SPEI-3的相關(guān)系數(shù)為0.46。SMAPI值在反映農(nóng)業(yè)干旱方面存在一定的滯后效應(yīng)可能導(dǎo)致生長季糧食評(píng)估能力有限。

(a)秋季糧食產(chǎn)量

3.2 基于歸一化旱情綜合指數(shù)的農(nóng)業(yè)干旱評(píng)估

將SDCI值與SPEI-1、SPEI-3和糧食產(chǎn)量、受災(zāi)面積、絕收面積進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證該指數(shù)在海河流域的農(nóng)業(yè)干旱評(píng)估能力，結(jié)果如表6和表7所示。SDCI-9與海河流域受災(zāi)面積的相關(guān)系數(shù)為-0.425；與絕收面積的相關(guān)系數(shù)為0.676，且通過0.05的顯著性檢驗(yàn)，表明以9月份為年度的SDCI值可以很好地反應(yīng)海河流域農(nóng)業(yè)干旱的情況。SDCI-12與SPEI1-12和SPEI3-12有良好的相關(guān)性，與SPEI3-9的相關(guān)系數(shù)最高為0.788且均通過顯著性檢驗(yàn)。不同時(shí)間尺度的SPEI值和不同年度的SDCI值在1個(gè)月時(shí)間尺度的相關(guān)系數(shù)高于3個(gè)月時(shí)間尺度的相關(guān)系數(shù)，可能是由于SDCI在計(jì)算過程中采用的降雨數(shù)據(jù)為3個(gè)月時(shí)間尺度。

表6 SDCI值與SPEI-1和SPEI-3相關(guān)系數(shù)

SDCI-9與海河流域受災(zāi)面積的相關(guān)系數(shù)為-0.425；與絕收面積的相關(guān)系數(shù)為0.676，且通過0.05的顯著性檢驗(yàn)，表明以9月份為年度的SDCI值可以很好地反應(yīng)海河流域農(nóng)業(yè)干旱的情況。

表7 SDCI值與糧食產(chǎn)量、受災(zāi)面積和絕收面積相關(guān)系數(shù)

3.3 農(nóng)業(yè)干旱評(píng)估能力評(píng)價(jià)

由以上分析可知，在不同年度下SMAPI-10和SDCI-9可以較好的反映農(nóng)業(yè)干旱情況。SMAPI值與SDCI值干旱評(píng)估能力評(píng)價(jià)如表8所示。

表8 SMAPI值與SDCI值干旱評(píng)估能力評(píng)價(jià)

表8將兩種指數(shù)進(jìn)行干旱能力評(píng)價(jià)。兩種指數(shù)與SPEI-1、SPEI-3的相關(guān)系數(shù)相對(duì)較差，只能說明兩種指數(shù)不能反應(yīng)氣象干旱。SMAPI-10在反映農(nóng)業(yè)干旱方面可能存在一定程度的滯后效應(yīng)，但對(duì)糧食產(chǎn)量的評(píng)估SMAPI-10較好。對(duì)受災(zāi)面積和絕收面積的評(píng)估中，SDCI-9的結(jié)果更好，說明SDCI指數(shù)可以更好地反映農(nóng)業(yè)干旱的情況，也可以對(duì)農(nóng)業(yè)旱災(zāi)的情況有較好的反映。

4 結(jié) 論

文章首先計(jì)算不同年度下的土壤含水量距平指數(shù)和歸一化旱情綜合指數(shù)，再將其與SPEI-1、SPEI-3、糧食產(chǎn)量數(shù)據(jù)、受災(zāi)面積和絕收面積進(jìn)行相關(guān)性分析，確定適合各個(gè)指數(shù)的計(jì)算年度，最后通過兩種指數(shù)的對(duì)比分析，確定兩種指數(shù)的干旱評(píng)估能力并選擇適合海河流域農(nóng)業(yè)干旱評(píng)估指數(shù)，表明SMAPI-10與糧食產(chǎn)量距平和受災(zāi)面積的相關(guān)系數(shù)為最高，所以SMAPI-10的年值可以較好的反映農(nóng)作物受旱情況。而在秋季生長季，SMAPI的評(píng)估能力相對(duì)不好，可能是由于SMAPI指數(shù)存在滯后性的原因。SDCI-9與海河流域受災(zāi)面積、絕收面積的相關(guān)系數(shù)相對(duì)較高，表明以9月份為年度的SDCI值可以很好地反應(yīng)海河流域農(nóng)業(yè)干旱的情況。