基于連續(xù)無有效降水日數(shù)的吉林省干旱災害識別與檢驗

曲美慧 涂 鋼 馮喜媛

（1.吉林省氣象科學研究所，吉林長春 130062；2.長白山氣象與氣候變化吉林省重點實驗室，吉林長春 130062）

1 引言

吉林省因獨特的地理位置和氣候條件成為我國重要的商品糧基地。 干旱是其主要氣象災害之一， 嚴重旱災常造成水資源的嚴重缺乏、 草原退化、土地沙化和農(nóng)作物大幅度減產(chǎn)，對國民經(jīng)濟特別是糧食安全影響極大[1]。 據(jù)民政部門災害統(tǒng)計，吉林省10 年平均旱災成災面積占總成災面積的35%， 近40 年數(shù)據(jù)顯示旱災面積超過10 萬公頃的有34 年，給吉林省糧食產(chǎn)量、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟造成嚴重影響。 有研究表明如果對干旱災害不予以重視和有效應對，到2030 年中國東北地區(qū)農(nóng)民的農(nóng)業(yè)收入將會損失50%以上[2]。 因此對干旱災害客觀、有效地監(jiān)測、評估對防災減災、糧食安全和社會穩(wěn)定具有十分重要的意義。

多年來， 眾多學者對東北地區(qū)干旱開展了諸多研究，張數(shù)杰等[3]發(fā)現(xiàn)遼寧西部和南部、吉林西部和黑龍江西南部地區(qū)干旱發(fā)生頻率較高， 是干旱主發(fā)區(qū)；程紅軍[4]利用Z 指數(shù)分析吉林省春旱時空分布特征，得出春旱發(fā)生頻率在西部最大；楊曉晨等[5]計算降水蒸散指數(shù)，發(fā)現(xiàn)吉林省西部在玉米生長季內(nèi)為干旱高風險區(qū)；劉玉英等[6]利用干旱氣象災害風險指數(shù)得到吉林省農(nóng)業(yè)干旱災害風險較高地區(qū)為白城、松原、長春和四平；涂鋼等[7]利用陸面模式模擬東北地區(qū)生長季地表干濕狀況顯著變干的年際趨勢及年代際空間變化；孫鳳華等[8]從降水日數(shù)、 強度和持續(xù)時間角度分析了東北地區(qū)干旱化趨勢。 但對干旱與災害實況對比檢驗方面的研究較少。

眾所周知， 降水不足或長時間無降水是干旱發(fā)生的根本原因，為此，許多學者從連續(xù)無降水日數(shù)角度開展干旱相關(guān)研究工作，劉莉紅等[9-10]利用中國北方夏半年最長連續(xù)無降水日數(shù)定義極端干期，采用EMD、小波分析等方法分析了無降水日數(shù)、極端干旱的變化，指出近50 年來中國北方夏半年最長連續(xù)無降水日數(shù)總體上呈增加趨勢；黃晚華等[11]將連續(xù)無降水日數(shù)適當補充完善，從逐日動態(tài)角度分析南方作物干旱的時空變化特征，使干旱監(jiān)測和評估在時間尺度上更加精細化；孫小龍等[12]對內(nèi)蒙古干旱監(jiān)測分析認為連續(xù)無有效降水日數(shù)法對評估長時間、持續(xù)性干旱較為有效。

為此，本文采用連續(xù)無有效降水日數(shù)（Continuous days without available precipitation，DNP）對吉林省作物生長季期間的干旱進行識別，以《中國氣象災害大典·吉林卷》[1]作為旱災實況，檢驗DNP對旱災識別效果，給出DNP 對實際旱災的指示意義。 此外，因DNP 可以表征地表水分補給狀況，同時考慮研究時段是作物生長季，因此定義3mm 作為日有效降水臨界值，干旱等級參照文獻[9-11]及經(jīng)驗：16d≤DNP≤25d 判定為輕旱；26d≤DNP≤40d判定為中旱；41d≤DNP≤60d 判定為重旱；DNP＞60d 判定為特旱。

2 研究區(qū)域概況、資料及方法

吉林省位于東北平原中部，地勢呈東南高、西北低的特征，屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，雨熱同季。 其作物生長季是5—9 月，降水量占全年降水量的89%左右。

逐日降水觀測資料來自國家氣象信息中心提供的吉林省26 個國家級氣象觀測站， 時間為1961—2017 年5—9 月。 實際干旱災害情況參照《中國氣象災害大典·吉林卷》中第二章干旱災害（1961—2000 年）。 考慮干旱的區(qū)域性特點，參照《中國氣象地理區(qū)劃手冊》[13]將吉林省分為西部（7 站）、中部（5 站）和東部（14 站），在此基礎(chǔ)上又分為9 個地區(qū)，相應26 站也歸于9 個地區(qū)，其中長白山保護區(qū)包含在白山地區(qū)中，氣象站名與《中國氣象災害大典·吉林卷》中的市、縣名稱對應，同時規(guī)定氣象站點有無旱災發(fā)生以實況發(fā)生地距離最近為原則。

考慮到DNP 特點，分作物生長季和季節(jié)兩種時間尺度開展干旱的識別與檢驗。 在識別作物生長季尺度干旱與實際旱災的吻合率時， 規(guī)定在同一站無論同一年中發(fā)生1 次或多次干旱均記錄為當年有1 次干旱發(fā)生； 另因?qū)嶋H旱災記載中無干旱分級，為此本次識別和檢驗不考慮干旱等級，但通過DNP 對典型干旱年中旱災事件的識別，初步評估和檢驗了DNP 對干旱等級的識別能力。

3 識別與檢驗

3.1 作物生長季干旱災害識別與檢驗

逐站統(tǒng)計1961—2017 年生長季DNP 各級干旱發(fā)生次數(shù)。結(jié)果顯示，57 年間吉林省作物生長季共發(fā)生干旱1 600 站次， 平均28 站次/年，即全省范圍內(nèi)每年每站至少發(fā)生1 次干旱。 其中輕旱21.84 站次/年； 中旱5.6 站次/年； 重旱0.56 站次/年；無特旱。

圖1 是吉林省干旱的空間分布， 可以明顯地看到各級干旱發(fā)生頻次存在顯著的從西向東減少的分布規(guī)律。輕旱頻發(fā)且東部略有突出；東部無重旱，中部地區(qū)僅四平、遼源站各1 次重旱；全省無特旱。西部地區(qū)是干旱易發(fā)區(qū)，與文獻[3]中吉林省西部地區(qū)干旱發(fā)生頻率較高， 是干旱主發(fā)區(qū)的結(jié)論一致。

表1 是1961—2000 年吉林省9 個地區(qū)作物生長季尺度實際旱災與DNP 統(tǒng)計結(jié)果。 實際旱災發(fā)生情況：全省范圍為4.98 站次/年，其中西部地區(qū)2～3 站次/年，中部、東部地區(qū)1～2 站次/年，空間上呈從西向東減少趨勢，與DNP 空間分布（圖1）特征一致。從發(fā)生頻次來看，DNP 中旱以上西部地區(qū)3～4 站次/年，中部、東部地區(qū)1～2 站次/年，與實際旱災結(jié)果較為接近。 實際旱災發(fā)生相對比較突出的是西部白城地區(qū)（與圖1 類似），旱災達52 站次； 中部長春地區(qū)33 站次； 東部延邊地區(qū)22 站次；遼源、白山旱災頻次較低。

比較DNP 與實際旱災吻合率發(fā)現(xiàn)：除通化地區(qū)外，吻合率在60%～97%，且西部、東部地區(qū)高于中部地區(qū)，尤其是西部吻合率在89.5%以上，其中白城地區(qū)吻合率高達96.9%。 可見DNP 對吉林省作物生長季旱災的識別效果較好。 至于通化地區(qū)出現(xiàn)的較低吻合率具體原因有待進一步探究。

3.2 春、夏、秋旱災害識別與檢驗

參照《中國氣象災害大典·吉林卷》 定義春、夏、 秋旱時間分別為4 月20 日—6 月10 日、7 月10 日—8 月31 日、9 月1 日—10 日。 統(tǒng)計DNP 對春、夏、秋旱的識別和檢驗，結(jié)果見表2。

實際旱災西部地區(qū)為3 站次/年，中部、東部地區(qū)為1～2 站次/年，春、夏、秋旱實際發(fā)生頻次均呈由西向東減少的空間分布特征， 與作物生長季尺度的旱災頻次空間分布較為一致，白城、長春、延邊地區(qū)依然是各自區(qū)域中旱災發(fā)生頻次較高的，遼源、白山地區(qū)旱災發(fā)生頻次較少，該結(jié)論與文獻[6]中給出的干旱災害高風險區(qū)一致。 春旱發(fā)生頻次最高， 全省范圍春旱占旱災總頻次的60.7%；夏旱、秋旱分別占22.6%、16.7%。西部地區(qū)春、 夏、 秋旱占本地區(qū)旱災總頻次約52%、26%、22%；中部地區(qū)分別占62%、21%、17%；東部地區(qū)分別占81%、17%、2%。 可見，春旱頻率顯著高于夏、秋旱，驗證了吉林省“十年九春旱”的說法。 東部地區(qū)秋旱發(fā)生較低，對該地區(qū)應多關(guān)注春旱，尤其是延邊地區(qū)。

從表2 的檢驗結(jié)果看， 春旱全?。ǔɑ貐^(qū)）吻合率均在61%以上，白城地區(qū)吻合率最高，達88.2%。 夏旱西部、中部地區(qū)（除遼源地區(qū)）吻合率在33%～42.9%；東部地區(qū)吻合率為0，其中白山地區(qū)無夏旱記載。 秋旱西部白城地區(qū)和松原地區(qū)吻合率分別為78.6%、61.5%；中部地區(qū)吻合率低，長春地區(qū)吻合率只有14.3%，四平地區(qū)、遼源地區(qū)吻合率為0；東部地區(qū)只有吉林1 站次秋旱記載，且吻合率為0，其他地區(qū)無秋旱記載。 由此可見，DNP 對全省階段性旱災有一定的識別率， 尤其對春旱吻合率較高， 對西部地區(qū)秋旱也有較高識別率，但夏旱全省范圍內(nèi)識別率不高，秋旱中東部識別率很低。

圖1 吉林省1961—2017 年作物生長季DNP 各級干旱發(fā)生次數(shù)的空間分布

3.3 DNP 對典型干旱年發(fā)生的干旱事件的識別與檢驗

依據(jù)旱災記錄無法確定實際干旱等級， 也就無從檢驗DNP 分級， 而典型干旱年是在干旱強度、面積、持續(xù)時間等方面表現(xiàn)異常嚴重，因此通過檢驗DNP 對這類極端年份的識別情況，在某種程度上彌補了無干旱等級檢驗的不足。參照《中國氣象災害大典·吉林卷》和《中國氣象地理區(qū)劃手冊》 選取吉林省典型干旱年份：1963 年、1967 年、1970 年、1972 年、1977 年、1982 年、1989 年、1992年、1997 年、2000 年共計10 年， 依據(jù)災情的詳細描述，進一步檢驗DNP 對典型干旱或重災年干旱事件的吻合度。

選擇典型干旱年中災情描述詳細并舍去地點、時間記載不明確的事件，全省共計發(fā)生22 站次旱災，即白城、長春、遼源、延邊地區(qū)分別為16、4、1、1 站次。DNP 與典型干旱年的對比結(jié)果如表3（因篇幅所限只列出白城地區(qū)通榆站的結(jié)果）。 若不考慮DNP 的干旱等級，DNP 評定發(fā)生干旱20站次，吻合率達90.9%。 其中干旱發(fā)生時間與實際典型干旱年記載時間吻合為19 站次， 吻合率為86.4%。 若考慮DNP 的干旱等級且將中旱等級以上視為成災即定義為吻合，則在DNP 識別出的19站次中有9 站次吻合，吻合率只有40.9%。 此外在余下的10 次輕旱中， 僅發(fā)生1 次輕旱有5 站次；發(fā)生連續(xù)2 次輕旱且間隔2 天的有2 站次； 發(fā)生連續(xù)2 次輕旱且間隔4 天的有1 站次； 發(fā)生連續(xù)2 次輕旱且間隔5 天的有1 站次； 發(fā)生連續(xù)2 次輕旱且間隔6 天的有1 站次。 可見時間間隔較短的連續(xù)輕旱成災的概率會增大。 假設DNP 識別出中旱以上等級的干旱或者2 次以上輕旱且間隔時間很短（小于4 天），則與典型干旱年事件吻合率達60%；假設DNP 識別出中旱以上等級的干旱或者2 次以上輕旱且間隔時間很短（小于6 天），則與典型干旱年事件吻合率可達73.7%。 可見，一方面DNP 識別干旱等級較實際干旱程度偏低，另一方面通過調(diào)整可以提高DNP 對于典型干旱事件的吻合率。

表1 1961—2000 年作物生長季吉林省9 個地區(qū)的實際旱災與DNP 統(tǒng)計結(jié)果

表2 1961—2000 年作物生長季吉林省9 個地區(qū)的實際旱災與DNP 統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié)語

（1）1961—2000 年吉林省實際旱災空間上呈由西向東減少的趨勢。發(fā)生頻次上，作物生長季時間尺度西部地區(qū)2～3 站次/年；中部、東部地區(qū)為1～2 站次/年。 季節(jié)時間尺度旱災發(fā)生頻次5～6 站次/年；春旱發(fā)生頻次最高，3～4 站次/年；夏、秋旱依次為1～2 站次/年、1 站次/年。 全省范圍春旱、夏、秋旱分別占總頻次的60.7%、22.6%、16.7%；各地區(qū)春旱發(fā)生頻次顯著大于夏、秋旱；東部地區(qū)秋旱很少發(fā)生。

（2）對于作物生長季時間尺度旱災檢驗，DNP吻合率在60%～97%， 其中西部地區(qū)， 吻合率在89%以上，白城地區(qū)吻合率高達96.9%。 對季節(jié)尺度旱災檢驗，DNP 對全省階段性旱災有一定的識別率， 尤其對春旱， 全省范圍內(nèi)吻合率較高，為50%～88%；夏旱吻合率為0～42.9%；秋旱在西部地區(qū)為61.5%～78.6%，但中東部秋旱識別率很低，為0～14.3%。

（3）不考慮干旱等級時，DNP 與歷史典型旱災年災情事件的吻合率達90.9%， 與實際旱災發(fā)生時間的吻合率較高，達86.4%；但若假設DNP 識別出中旱以上等級的干旱或者2 次以上輕旱且間隔時間很短（小于6 天），則吻合率可達73.7%。 說明DNP 評定的干旱等級較實際偏低。 同時也發(fā)現(xiàn)DNP 識別的時間間隔較短的連續(xù)輕旱過程也會導致旱災發(fā)生， 這為業(yè)務工作中如何更好地利用DNP 監(jiān)測、評估干旱提供了新思路。

表3 1961—2000 年通榆縣典型干旱年的實際旱災與DNP 統(tǒng)計結(jié)果