湖南省氣候干濕特征及氣象干旱指標(biāo)的適用性

符靜 ，武榮利

（衡陽師范學(xué)院a.古村古鎮(zhèn)文化遺產(chǎn)數(shù)字化傳承協(xié)同創(chuàng)新中心，b.地理與旅游學(xué)院，湖南 衡陽 421002）

全球氣候變暖已成毋庸置疑的事實［1］，長期氣候變化影響大氣環(huán)流［2］，導(dǎo)致高溫?zé)崂?、干旱和暴雨洪澇等極端氣候事件發(fā)生頻率與強度呈加劇趨勢［3］。旱澇災(zāi)害不利于水資源安全、農(nóng)業(yè)生態(tài)以及社會經(jīng)濟活動，給國民經(jīng)濟尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大損失［4］。因此，作為中國農(nóng)業(yè)大省的湖南地區(qū)，了解區(qū)域氣候干濕特征，實施氣候異常特征監(jiān)測與評估，對于區(qū)域農(nóng)業(yè)規(guī)劃和管理及農(nóng)業(yè)生態(tài)安全有重要意義。

干旱指數(shù)是評估和量化旱情的重要指標(biāo)，當(dāng)前應(yīng)用于干旱分析的指數(shù)有多種［5］，常見的有降水距平百分率（PrecipitationAnomaly in Percentage，PA）［6］、相對濕潤度指數(shù) （Relative Moisture Index，MI）［7］、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（Standardized Precipitation Index，SPI）［8］、綜合氣象干旱指數(shù)（Composite Meteorological Drought Index,CI）［9］、帕爾默 旱度指數(shù) （Palmer Drought Severity Index,PDSI）［10］和標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI）［11］等。研究可采用單一因子的干旱指標(biāo)來監(jiān)測氣候干濕變化狀況。例如，Spinoni等利用SPI監(jiān)測1951 年-2010 年世界各地干旱發(fā)生頻率、持續(xù)時間以及嚴重程度［7］。胡琦等基于降水和參考作物蒸散量的濕潤指數(shù)分析了中國干濕氣候時空變化特征及其成因［12］。孫宇輝等采用屬于水文平衡法的氣候濕潤指數(shù)來研究重慶市各地干旱變化，分析了氣溫、降水與濕潤指數(shù)的相關(guān)性［13］。高貴生等利用數(shù)理統(tǒng)計法分析了降水距平百分率對西寧市農(nóng)業(yè)氣象干旱監(jiān)測的適用性，并建立了農(nóng)業(yè)氣象干旱預(yù)測預(yù)警模型［6］。

研究表明，氣象干旱指標(biāo)有各自的局限性［14］，因此需要檢測和比較它們對干旱特征的可靠性和有效性，評估干旱指數(shù)的適用性［15］。Zhai J等分析了中國境內(nèi)10 大區(qū)域PDSI和SPI時間序列，認為兩種指數(shù)均可用于描述干濕趨勢及評估氣候影響［16］。李紅梅等利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、降水距平百分率、K指數(shù)和改進后的綜合氣象干旱指數(shù)監(jiān)測青海省高原地區(qū)干旱發(fā)生頻率，評估它們對實際干旱的吻合性，得出SPI和K指數(shù)較適合區(qū)域旱情監(jiān)測［17］。姚瑤等將標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、降水Z 指數(shù)和相對濕潤度指數(shù)所表征的干旱強度和干旱頻率與實際干旱進行對比，最終選取相對濕潤度指數(shù)分析青海省東部農(nóng)業(yè)區(qū)干旱特征［18］。王理萍等評估了降水距平百分率、相對濕潤度指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸發(fā)指數(shù)和改進后的綜合氣象干旱指數(shù)在云南省不同地區(qū)、不同季節(jié)干旱監(jiān)測的適用性，得出整體上SPI監(jiān)測效果相對較好［19］。綜上，在有限的空間數(shù)據(jù)資源條件下，由于不同氣象干旱指標(biāo)對實地氣候條件的適應(yīng)性不同，加之氣候變量時空分布不均勻，導(dǎo)致氣象干旱指標(biāo)選取的地域差異較大。

湖南省地處季風(fēng)氣候區(qū)，旱澇災(zāi)害多發(fā)，嚴重影響區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為適應(yīng)不斷變化的環(huán)境，因此有必要了解該區(qū)域氣候干濕特征，評估氣象干旱指標(biāo)對于雨澇和旱情監(jiān)測的適用性。鑒于湖南省及其附屬區(qū)域有關(guān)氣象干旱指標(biāo)的地區(qū)適應(yīng)性評價研究甚少，本文利用1960 年-2015 年研究區(qū)87 個氣象站點氣候觀測資料，選取PA、SPI、MI三種氣象干旱指標(biāo)，分析了湖南省近56 年氣候干濕特征，初步評估了氣象干旱指標(biāo)旱澇監(jiān)測的適用性，進而對比實際干旱，統(tǒng)計評價三種指標(biāo)在研究區(qū)各地氣候干旱監(jiān)測的適用性，最后利用季尺度SPI分區(qū)揭示研究區(qū)干旱發(fā)生頻次。研究結(jié)果可為相關(guān)部門提供決策參考，有助于采取適宜的防災(zāi)減災(zāi)措施以最大限度地減輕旱澇災(zāi)害造成的經(jīng)濟損失。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

湖南省地處中國中部地區(qū)、長江中游，位于北緯 24°38′—30°08′和東經(jīng) 108°47′—114°15′之間，土地總面積21.18×104km2。該區(qū)域地形地貌由平原、丘陵地、山地、盆地及河湖組成，以山地、丘陵為主；屬亞熱帶季風(fēng)氣候，降水變率大，雨熱同期，近56年（1960 年-2015 年）年均降水量1 413 mm；河網(wǎng)密布，水源充足；土地類型多樣，農(nóng)林資源豐富。湖南省為中國農(nóng)業(yè)大省，糧食產(chǎn)量富足，湘江流域和洞庭湖平原是該區(qū)域重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)，其中，洞庭湖平原是中國九大商品糧基地之一。湖南省可劃分為湘東、湘南、湘西、湘北、湘中五個部分，其中，湘東包括長沙市、株洲市、湘潭市；湘南包括永州市、衡陽市、郴州市；湘西包括湘西土家族苗族自治州、張家界市、懷化市；湘北包括岳陽市、常德市；湘中包括益陽市、邵陽市、婁底市。

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

氣象數(shù)據(jù)采用湖南省1960 年-2015 年87 個氣象站點的逐月氣候資料，來源于湖南省氣象局。針對部分無效值的降雨量數(shù)據(jù)，利用該站點多年月平均值進行代替。計算降水距平百分率、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、相對濕潤度指數(shù)三種指標(biāo)值，以對比分析湖南省多年氣候干濕狀況。根據(jù)研究區(qū)各氣象站點經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，利用ArcGIS 10.2 軟件平臺轉(zhuǎn)換為Shapefile點矢量數(shù)據(jù)，以掛接相應(yīng)的非空間數(shù)據(jù)，進行空間插值。湖南省年、季尺度蒸散量數(shù)據(jù)，來源于文獻［2］。其他數(shù)據(jù)還包括湖南省范圍矢量數(shù)據(jù)、行政區(qū)矢量文件、土地利用矢量數(shù)據(jù)、DEM 柵格影像、地形圖等。統(tǒng)計《中國氣象災(zāi)害大典（湖南卷）》（以下簡稱《大典》）中關(guān)于湖南省1960年-2000年的實際干旱事件（以夏旱、秋旱、夏秋連旱為主），選取其中具有重大干旱事件的1960年、1963年和1985年3 個典型年作為參考依據(jù)，以評價各指標(biāo)干旱監(jiān)測的適用性。

1.3 研究方法

1.3.1 氣象干旱等級

利用降水距平百分率、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、相對濕潤度指數(shù)三種指標(biāo)監(jiān)測湖南省氣候干濕狀況，依據(jù)《氣象干旱等級》（GB/T 20481—2017）國家標(biāo)準(zhǔn)將干旱等級進行劃分，詳見表1。將計算得到的湖南省年、季尺度干旱指標(biāo)數(shù)值與該區(qū)域歷史上實際發(fā)生的氣象災(zāi)害事件進行對比，分析研究區(qū)基于不同指標(biāo)的干旱分布特征，以找出適合湖南省旱情監(jiān)測的指標(biāo)。

表1 氣象干旱等級Table 1 Grades of meteorological drought

1.3.2 降水距平百分率

降水距平百分率多用于評估月、季、年尺度的氣候異常特征，公式表示為［6］：

式中：PA為某尺度的降水距平百分率；P為降水量（mm）；表示氣候常年值（mm），即世界氣象組織規(guī)定的1981 年—2010 年氣候平均值。

1.3.3 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)具體計算過程如下［20］：

假定某一時段降雨量為隨機變量x，且服從Γ 分布，則其概率密度函數(shù)可表示為：

式中：β＞0，γ＞0 分別表示尺度參數(shù)和形狀參數(shù)，x表示降雨量。β和γ可采用極大似然估計方法求取：

式中：xi表示降水樣本，表示降雨量平均值，n表示計算序列長度，則給定時間尺度下的累積概率可計算為：

鑒于上式不包含x=0 的情況，而實際降雨量可以為0，則降雨量為0 的事件概率表示為：

式中：m表示降雨量為0時的樣本數(shù)，n表示降雨量平均值。

對Γ 分布概率作正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，近似求解可得：

1.3.4 相對濕潤度

相對濕潤度指數(shù)是某時段降雨量與蒸發(fā)量之間平衡狀況的衡量指標(biāo)之一，公式如下［7］：

式中：MI表示相對濕潤度指數(shù)；P表示某時段降水量（mm）；E表示某時段潛在蒸散量（mm），來源于文獻［2］。

2 結(jié)果分析

2.1 湖南省干濕時間變化特征

依據(jù)表1，結(jié)合湖南省地區(qū)實際，將降水距平百分率閾值設(shè)定為|PA|=15%、30%、40%、45%，相對濕潤度指數(shù)設(shè)定為|MI|=40%、65%、80%、95%，標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)設(shè)定為|SPI|=0.5、1、1.5、2，由此將旱情和雨澇等級劃分為正常與輕、中、重、特旱（或澇）。

1960 年—2015 年，湖南省PA最高值為35%，最低值為-30%，分別發(fā)生在2002 年和2011 年，表現(xiàn)為中澇與中旱。輕旱發(fā)生的年份有1963 年、1971 年、1974 年、1978 年、1985 年和 2009 年；輕澇發(fā)生的年份有 1970 年、1973 年、1994 年和 2012 年，其余年份為正常年（圖1-a）。據(jù)統(tǒng)計，湖南省各氣象站點PA介于-47%～68%之間，最大值于2014 年出現(xiàn)在麻陽苗族自治縣，為特澇；最小值于2011 年出現(xiàn)在常德市，為特旱。據(jù)《大典》記載，1963 年、1971 年、1974年、1978年和1985年湖南省旱災(zāi)面積較為廣泛，與輕旱發(fā)生年份基本相符。

圖1 1960 年－2015 年湖南省氣象干旱指數(shù)時間變化Fig.1 Time series of annual meteorological drought indexes in Hunan Province in the past decades （1960-2015）

近56 年，研究區(qū)MI最高值為100%，最低值為-2.5%，分別發(fā)生在2002 年和2011 年，表現(xiàn)為特澇與無旱。輕澇出現(xiàn)在1961 年、1975 年、1980 年、1999年、2015年等，合計22 a；中澇出現(xiàn)在1970年、1973 年、1993 年和1994 年，其余年份為正常年（圖1-b）。據(jù)統(tǒng)計，湖南省各氣象站點MI介于-40%～311%之間，最大值于1970年出現(xiàn)在南岳區(qū)，為特澇；最小值于1963 年出現(xiàn)在茶陵縣（無旱）。據(jù)《大典》記載，1970 年、1973 年、1993 年和 1994 年水災(zāi)面積范圍較廣，與中澇發(fā)生年份相符合。

近56 年，研究區(qū)SPI最高值為1.88，最低值為-1.85，分別發(fā)生在2002年和2011年，表現(xiàn)為重澇與重旱。輕澇出現(xiàn)在1961年、1973年、1980年、1997年、2012年等，合計14 a；輕旱出現(xiàn)在1963年、1974年、1985年、2013年等，合計13 a；中澇出現(xiàn)在1994年；中旱出現(xiàn)在1978 年，其余年份為正常年（圖1-c）。據(jù)統(tǒng)計，湖南省各氣象站點SPI介于-3.1～3.3 之間，最大值于1994 年出現(xiàn)在新邵縣，為特澇；最小值于1985 年出現(xiàn)在洪江市，為特旱。據(jù)《大典》記載，1978 年旱災(zāi)面積為133.3×104hm2,與中旱發(fā)生年份相符合。

2.2 湖南省干旱空間特征

依據(jù)《大典》，選取發(fā)生重大干旱事件的1960年、1963年和1985年3個典型年，計算降水距平百分率、相對濕潤度指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)三種指標(biāo)值，借助ArcGIS10.2 軟件平臺進行空間插值，劃分相應(yīng)的氣象干旱等級（圖2）。并將計算結(jié)果與《大典》中記載的實際干旱事件進行對比分析，以評價各指標(biāo)在湖南省氣候干旱監(jiān)測的適用性。

圖2 湖南省氣象干旱監(jiān)測Fig.2 Monitoring meteorological drought in Hunan Province based on meteorological drought indexes

從降水距平百分率來看，1960 年，該指標(biāo)對湘中干旱監(jiān)測結(jié)果較為準(zhǔn)確，但未能監(jiān)測到湘南地區(qū)的旱情（圖2-A1）。1963 年，PA對于湘南的監(jiān)測效果較好，對于湘東、湘北與湘中的監(jiān)測偏輕，未能監(jiān)測到湘西地區(qū)旱情（圖2-A2）。1985 年，PA在湘西地區(qū)的監(jiān)測結(jié)果與實際旱情基本吻合，在湘東、湘北、湘中地區(qū)的監(jiān)測結(jié)果比實際旱情偏輕，對于湘南地區(qū)卻未能監(jiān)測到旱情（圖2-A3）。

從標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)來看，1960 年，該指標(biāo)顯示衡邵盆地、洞庭湖區(qū)、湘西中南部為重旱區(qū)，與實際旱情基本相符，其他地區(qū)如瀏陽市、茶陵縣、婁底市夏秋季節(jié)干旱與指標(biāo)監(jiān)測結(jié)果基本一致，但SPI對于湘南地區(qū)的永州市與郴州市等地干旱監(jiān)測結(jié)果與實際不符（圖2-B1）。1963 年，SPI顯示湘東部分地區(qū)、湘南的衡陽市和郴州市大部分地區(qū)、湘北的岳陽市部分地區(qū)等，均為嚴重的干旱區(qū)，與實際旱情基本一致，但對于湘中婁底市旱情監(jiān)測結(jié)果比實際旱情偏輕，對于湘西懷化地區(qū)卻未監(jiān)測到旱情（圖2-B2）。1985 年，SPI在湘中的婁底市、邵陽市，湘西的懷化大部分地區(qū)、鳳凰縣，以及湘南的永州市和衡陽市部分地區(qū)監(jiān)測結(jié)果與實際旱情基本吻合，同時在湘東、湘北的監(jiān)測結(jié)果也與實際旱情基本一致（圖2-B3）。

從相對濕潤度指數(shù)來看，在三個典型干旱年，該指標(biāo)均顯示無旱，表明其對整個研究區(qū)旱情監(jiān)測效果較差（圖2-C1～C3），不適合作為該區(qū)域氣候干旱監(jiān)測指標(biāo)。

2.3 湖南省季節(jié)性干旱特征

依據(jù)《大典》，湖南省四季皆有可能發(fā)生干旱，春旱對于整地耕田、播種育秧有很大影響，但最頻繁、危害最大的還是夏秋季節(jié)干旱［21］。結(jié)合圖1 和圖2，鑒于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)對于湖南省氣候干旱監(jiān)測效果相對較好，因此選取研究區(qū)1960 年—2015 年各站點季節(jié)性SPI指標(biāo)，利用Excel 2013軟件統(tǒng)計湘東、湘南、湘西、湘北和湘中五個區(qū)域四季干旱發(fā)生頻次，詳見表2。

表2 湖南省1960 年—2015 年季節(jié)性干旱發(fā)生頻次Table 2 Drought frequency of Hunan Province in four seasons from 1960 to 2015

近56 年，湖南省各地春、夏、秋、冬四季皆有不同程度的旱情發(fā)生，湘東地區(qū)、湘西地區(qū)、湘中地區(qū)的夏旱和冬旱，湘南地區(qū)夏秋季節(jié)干旱以及湘北地區(qū)的春旱和冬旱相對嚴重（表2）。同時，春、夏、秋、冬四季不同程度旱情發(fā)生頻次以及干旱總頻次最多的是湘南地區(qū)，其次是湘西地區(qū)，湘東最少（表2），表明湘南地區(qū)和湘西地區(qū)發(fā)生旱災(zāi)的概率較大，湘東地區(qū)最小。此外，利用ArcGIS 10.2 軟件平臺對研究區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)季節(jié)性多年均值進行插值，顯示出該指標(biāo)未能監(jiān)測到旱情，表明SPI指標(biāo)季節(jié)性多年均值不適合作為氣候干旱監(jiān)測的依據(jù)。

3 結(jié)論

基于湖南省1960 年—2015 年87 個氣象站點逐月氣候資料，選取降水距平百分率、相對濕潤度指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)三種指標(biāo)，分析了湖南省近56 年氣候干濕特征，初步評估了氣象干旱指標(biāo)旱澇監(jiān)測的適用性，并結(jié)合實際干旱事件，進一步研究了各指標(biāo)干旱監(jiān)測的地區(qū)適用性。主要結(jié)論如下：

（1）近56年，湖南省PA最高值為35%（中澇），最低值為-30%（中旱），分別發(fā)生在2002 年和2011年，輕旱年份有1963年、1971年、1974年、1978年、1985年和2009年，輕澇年份有1970年、1973年、1994年和2012 年。MI最高值為100%（特澇），最低值為-2.5%（無旱），分別發(fā)生在2002 年和2011 年，輕澇出現(xiàn)在1961 年、1975 年、1980 年等合計22 a，中澇出現(xiàn)在 1970 年、1973 年、1993 年和 1994 年。SPI最高值為1.88（重澇），最低值為-1.85（重旱），分別發(fā)生在2002年和2011年，輕澇出現(xiàn)在1961年、1973年、2012 年等合計14 a，輕旱出現(xiàn)在1963 年、1985年、2013 年等合計13 a，中澇出現(xiàn)在1994 年，中旱出現(xiàn)在1978 年。

（2）從年尺度PA、MI、SPI來看，三種指標(biāo)均適合分析湖南省雨澇特征，其中，MI指標(biāo)監(jiān)測效果相對較好。而對于研究區(qū)氣候干旱特征，選擇PA或SPI監(jiān)測較為合適。

（3）空間上，在典型干旱年，對比實際干旱事件，對整個湖南地區(qū)旱情進行監(jiān)測，選擇SPI指標(biāo)效果最好，其次是PA指標(biāo)，而MI指標(biāo)不適合該區(qū)域的旱情監(jiān)測。由此可見，研究區(qū)氣候干旱監(jiān)測選擇SPI指標(biāo)較為合適。

（4）從季尺度SPI來看，近56年，春、夏、秋、冬四季不同程度旱情發(fā)生頻次以及干旱總頻次最多的是湘南地區(qū)，其次是湘西地區(qū)，湘東最少，表明湘南地區(qū)和湘西地區(qū)發(fā)生旱災(zāi)的概率較大，湘東地區(qū)最小。