基于CI指數(shù)的阿克蘇市氣象干旱分析

袁志偉

(新疆頭屯河流域管理局水利管理中心，新疆 昌吉 831100)

全球氣候變化大背景下，對氣候變化較敏感的西北地區(qū)干旱等極端氣候頻發(fā)，影響著該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動。干旱指數(shù)是進行旱災(zāi)風(fēng)險識別、監(jiān)測和干旱強度等級劃分的主要依據(jù)[1]，它可將研究區(qū)內(nèi)的歷史干旱時間、強度、頻率和等級通過數(shù)值直觀地反映出來，是分析干旱特征的有力工具。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對不同氣候地區(qū)、不同成因的干旱指數(shù)進行了研究。目前，大量的氣象干旱指數(shù)得到廣泛發(fā)展，如降水距平百分率(Pa)、PDSI干旱指數(shù)、標準化降水指數(shù)(standardized precipitation index，SPI)、標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)、相對濕潤度指數(shù)(M)、綜合氣象干旱指數(shù)(CI)、DI指數(shù)、S指數(shù)、K指數(shù)和AI指數(shù)等[2-5]。其中，S指數(shù)、Pa和SPI僅從降水方面考慮了干旱情況，SPEI在SPI的基礎(chǔ)上考慮了蒸散發(fā)的影響，但都短期數(shù)據(jù)比較敏感；AI和PDSI對數(shù)據(jù)要求高，DI指數(shù)注重對作物的影響，需要具體作物的生長參數(shù)。CI同時考慮了降水量和潛在蒸發(fā)量對干旱影響，在各地區(qū)的干旱特征分析中具有良好的適用性。阿克蘇市位于新疆天山以南，降水量年內(nèi)分布不均，熱量豐富，蒸發(fā)量與植物蒸騰量大，分析該地區(qū)的干旱特征對農(nóng)業(yè)發(fā)展、抗旱調(diào)度及水資源的可持續(xù)利用具有重要意義。因此，本文利用綜合氣象干旱指數(shù)(CI)對阿克蘇市1984—2016年不同時間尺度的干旱特征進行了分析，以期為阿克蘇市的干旱監(jiān)測、抗旱減災(zāi)和農(nóng)業(yè)灌溉提供參考依據(jù)。

1 材料與研究方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

阿克蘇市(北緯39°30′～41°27′，東經(jīng)79°39′～82°01′)位于新疆維吾爾自治區(qū)西南部的阿克蘇地區(qū)，屬暖溫帶大陸性氣候，降雨量少而蒸發(fā)量大，氣候干燥；多年平均氣溫為10.8℃，多年平均降水量為73.2 mm[6-7]。阿克蘇市得天獨厚的農(nóng)業(yè)發(fā)展條件，即光照時間長且晝夜溫差大，使得阿克蘇市成為了新疆維吾爾自治區(qū)重要的糧、棉和瓜果基地。

本文中用于計算綜合氣象干旱指數(shù)CI的氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)http://data.cma.cn/，數(shù)據(jù)主要包括阿克蘇氣象站點1984—2016年的逐月降水和氣溫序列。

1.2 綜合氣象干旱指數(shù)(CI)

本文采用《GB/T 20481—2006 氣象干旱等級》中的綜合氣象干旱指數(shù)(CI)分析阿克蘇市的干旱情況。CI不僅能反映時段內(nèi)的降水情況，還能反映土壤水分虧缺情況，進而反映降水對農(nóng)作物生長及人類生產(chǎn)、生活情況。綜合氣象干旱指數(shù)CI的計算公式如下[8]：

CI=aZ30+bZ90+cM30

(1)

式中Z30、Z90分別為近30 d和近90 d標準化降水指數(shù)SPI，SPI計算方法詳見文獻[9]；a為近30 d標準化降水系數(shù)，由達輕旱以上級別Z30的平均值除以歷史出現(xiàn)最小Z30值，平均取0.4；b為近90 d標準化降水系數(shù)，由達輕旱以上級別Z90的平均值除以歷史出現(xiàn)最小Z90值，平均取0.4；c為近30 d相對濕潤系數(shù)，由達輕旱以上級別M30的平均值除以歷史出現(xiàn)最小M30值，平均取0.8；M30為近30 d相對濕潤度指數(shù)，由下式計算求得：

M=(P-PE)/PE

(2)

其中P為計算時段內(nèi)的降水量，mm；PE為計算時段內(nèi)的潛在蒸發(fā)量，mm。為簡便計算，本文采用Thornthwaite經(jīng)驗公式[10]計算潛在蒸發(fā)量PE。計算出的CI指數(shù)根據(jù)表1確定干旱等級。

表1 綜合氣象干旱等級的劃分

2 結(jié)果分析

2.1 阿克蘇市的月尺度干旱特征

根據(jù)阿克蘇市1984—2016年的逐月降水和氣溫序列，通過式(1)計算得到阿克蘇市近30 a來的綜合氣象干旱指數(shù)CI，經(jīng)過統(tǒng)計得到月尺度各干旱等級的發(fā)生頻次，結(jié)果如圖1所示。

圖1 月尺度上各干旱等級發(fā)生頻次分布示意

圖1顯示，1—12月時段內(nèi)無旱等級出現(xiàn)的頻次呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律；1984—2016年間，無旱等級在1月和12月出現(xiàn)次數(shù)為零，而在6—9月間出現(xiàn)頻次較高，其中7月的出現(xiàn)頻次達到了最大值(30次)，該現(xiàn)象可能與阿克蘇市夏季降水量集中有關(guān)。輕旱等級的頻次在1—12月間呈現(xiàn)震蕩波動變化，在4月和10月達到了波峰，出現(xiàn)的頻次分別為18次和15次；2月和7月為輕旱等級波動變化的波谷，頻次分別為6次和3次。中旱等級出現(xiàn)頻次在全年間呈現(xiàn)“V”字型分布，頻次在6—8月降為零，1月和12月均有最大值12次。重旱等級出現(xiàn)的頻次在5個等級中最少，只在1月和12月分別出現(xiàn)了3次和1次。特旱等級出現(xiàn)的規(guī)律與重旱相似，特旱情況只在1月、2月和12月分別出現(xiàn)了9次、19次和13次。整體看來，阿克蘇市近33 a來1月至12月中6—8月最濕潤，1月和12月旱象出現(xiàn)的次數(shù)最多，為全年中最旱的時段。

2.2 阿克蘇市的季節(jié)干旱特征

按照春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月和冬季為12—2月劃分四季，對阿克蘇市1984—2016年的綜合氣象干旱指數(shù)CI進行了統(tǒng)計分析，四季中各干旱等級的分布結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，春季中發(fā)生的干旱等級級別最多，其中特旱占66%，中旱占19%，重旱占6%，無旱占9%；從(b)、(c)和(d)圖中可以看出，重旱和特旱等級只出現(xiàn)在了春季，表明春季為四季中旱象最嚴重的季節(jié)。夏季和秋季中各干旱等級發(fā)生的情況相似，即均只有無旱和輕旱等級發(fā)生，其中夏季中無旱和輕旱等級分別占58%和42%，秋季中無旱和輕旱等級分別占85%和15%。相比于夏季和秋季，冬季中出現(xiàn)了中旱等級，占比為6%；表明冬季比夏季和秋季旱，為四季中僅次于春季的旱季。

圖2 四季各干旱等級發(fā)生頻率占比示意

2.3 阿克蘇市年際干旱特征

為了解各干旱等級在年際間的分布情況及發(fā)展趨勢，以年/年代為時間尺度，統(tǒng)計了CI指數(shù)對應(yīng)的各干旱等級發(fā)生頻次，結(jié)果見表2所示。

表2 各干旱等級的年際發(fā)生頻次分布 a

從表2中可知，1984—2016年時段內(nèi)有12 a歸為特旱年，4 a為重旱年，10 a為無旱年，5 a為輕旱年，僅有1 a為中旱年；特旱年和重旱年共占比50%，無旱年和輕旱年共占46.88%，表明阿克蘇市近33 a來旱象等級比較突出，但濕潤年份也占近一半的比例，干旱情況趨于兩極化。從各干旱等級的年代分布情況可以看出，從20世紀90年代開始，特旱年的數(shù)目在逐漸增加，同時無旱年份也從1990年以后開始增多，而輕旱年重旱年的數(shù)目卻在逐漸減小(中旱年僅在2001—2010年間出現(xiàn)1次)；這表明隨著時間的發(fā)展，阿克蘇市的干旱情況正在向兩極化的趨勢發(fā)展。

3 結(jié)語

1) 通過月尺度干旱特征分析可知，阿克蘇市1—12月中6—8月較濕潤，12月至來年2月旱象較突出。

2) 從阿克蘇市四季的干旱等級分布情況可以看出，夏季和秋季氣候較濕潤，降雨量偏多；冬季氣候相對于夏、秋兩季來說更旱；春季干旱強度和等級均較嚴重，是四季中最旱的季節(jié)。

3) 1984—2016年33 a間，各干旱等級分布所占比例由大到小為：特旱>無旱>輕旱>重旱>中旱。從干旱等級在年代中的分布情況可以看出，阿克蘇市的干旱情況正趨于兩極化發(fā)展。