四種干旱指數(shù)在河北山前平原的對(duì)比分析

石超強(qiáng)

（呂梁市水文水資源勘測(cè)站，山西呂梁033000）

干旱是一種自然災(zāi)害，它是由于長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)雨或少雨，使得土壤水分減少，從而破壞了作物水分平衡使其減產(chǎn)的災(zāi)害。即使是在科技如此發(fā)達(dá)的今天，干旱仍然是困擾我們的一大難題，依然是損失最大的自然災(zāi)害[1]，目前中國(guó)仍然受到干旱災(zāi)害的困擾，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，干旱面積是整個(gè)自然災(zāi)害面積的60%[2]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)干旱指標(biāo)提出及應(yīng)用做了大量的研究，現(xiàn)階段最常用的干旱指數(shù)有：降水距平百分率Pa、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI、降水Z 指數(shù)、相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)MI。在國(guó)外，Alley[3]提出了Pa，并用其來(lái)描述干旱程度；Palmer[4]在1965年提出了PDSI 指數(shù)，之后廣泛應(yīng)用于干旱監(jiān)測(cè)等方面；Kite[5]通過(guò)對(duì)降水量進(jìn)行Z 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得出了降水Z 指數(shù)來(lái)進(jìn)行干旱描述；在國(guó)內(nèi)，格桑等[6]利用降水距平百分率對(duì)西藏地區(qū)6 個(gè)氣象觀測(cè)站的干旱程度進(jìn)行了判斷和修定；于?；踇7]使用SPI 干旱指數(shù)對(duì)遼寧中南部氣象站的60 a 的干旱情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)；錢(qián)莉莉等[8]利用降水Z 指數(shù)對(duì)貴州省77 個(gè)氣象站54 a 的干旱等級(jí)和時(shí)空特征進(jìn)行了分析；強(qiáng)皓凡等[9]使用相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)MI 對(duì)若爾蓋濕地的5 個(gè)氣象站的55 a 的年、季尺度干濕變化及氣候要素變動(dòng)特征；徐曉等[10]分析了Z 指數(shù)和SPI 指數(shù)對(duì)北京市的適用性評(píng)價(jià)。

本文對(duì)河北平原6 個(gè)氣象站的降水資料進(jìn)行了處理，分析對(duì)比Pa、SPI、Z 指數(shù)、MI4 種干旱指數(shù)在該地區(qū)的適用性。可以為該地區(qū)未來(lái)干旱研究提供理論指導(dǎo)，為區(qū)域抗旱減災(zāi)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河北平原地處太行山東麓，滹沱河下游以南、滏陽(yáng)河以北、以西，春季少雨多風(fēng)，夏季暴雨集中，秋季涼爽宜人，冬季寒冷干燥，屬大陸性季風(fēng)氣候。灌區(qū)多年平均降水量為488mm，年蒸發(fā)量為1000～1200mm，易發(fā)生干旱。

本文選用石家莊、邢臺(tái)、保定、饒陽(yáng)、泊頭、南宮六站的1955-2017年的逐日氣溫、氣壓、降水等資料（圖1），對(duì)比降水距平百分率Pa、降水Z 指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI、相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)MI 在該區(qū)的適用性。

圖1 研究區(qū)位置及氣象站分布圖

2 干旱指數(shù)簡(jiǎn)介

2.1 降水距平百分率Pa

Pa反映了某一時(shí)段內(nèi)降水量較常年值偏離程度，優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，可直觀反映因?yàn)榻邓蚨鸬母珊?，但是由于其只考慮降水一個(gè)因素，所以可能計(jì)算不準(zhǔn)確。計(jì)算公式為：

式中：P是某時(shí)段降水量，mm；

是同期氣候平均降水量，mm。

2.2 降水Z 指數(shù)

Z指數(shù)可以有效反應(yīng)水分的盈缺虧余量的大小，主要思路是假設(shè)降水量服從P-Ⅲ型分布，然后對(duì)降水量進(jìn)行正態(tài)處理，最后將p-Ⅲ型分布轉(zhuǎn)化成以Z為變量的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，Z指數(shù)仍然只考慮降水一個(gè)因素，沒(méi)考慮其他干旱因素。轉(zhuǎn)化公式為：

式中：Z是干旱指數(shù)；Cs為偏態(tài)系數(shù)；φi為標(biāo)準(zhǔn)變量；n為樣本個(gè)數(shù)；Xi為某一時(shí)間尺度的降雨量，mm；為某一時(shí)間尺度的平均降雨量，mm；σ 為標(biāo)準(zhǔn)差。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI

SPI 是將所計(jì)算時(shí)段內(nèi)的降水量Г 進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后使用標(biāo)準(zhǔn)化降水累計(jì)頻率分布劃分干旱等級(jí)。SPI 計(jì)算簡(jiǎn)單，適合多時(shí)間對(duì)比分析，但其仍只考慮了降水這一個(gè)要素，沒(méi)有考慮其他因子。SPI 計(jì)算公式為：

2.4 相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)MI

MI 是可以表示某時(shí)段的降水量與蒸發(fā)量的平衡狀況的指標(biāo)，充分考慮了降水量和蒸發(fā)量這兩個(gè)干旱因子。計(jì)算公式為:

式中：P是某時(shí)段降水量，mm；

ET0是參考蒸發(fā)蒸騰量。

2.5 干旱等級(jí)劃分

根據(jù)國(guó)際氣象干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[11]，將各個(gè)干旱指數(shù)的不同干旱等級(jí)劃分見(jiàn)表1。

表1 各干旱指數(shù)對(duì)應(yīng)的干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 年降水量

選用石家莊、邢臺(tái)、保定、饒陽(yáng)、泊頭、南宮6 個(gè)站數(shù)1955-2017年63 a 降水量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。石家莊站多年平均降水量約為535.2 mm（圖2）；邢臺(tái)站多年平均降水量約為527 mm（圖3）；保定站多年平均降水量為527.5 mm（圖4）；饒陽(yáng)站多年平均降水量為515.5 mm（圖5）；泊頭站多年平均降水量為535 mm（圖6）；南宮站多年平均降水量為480.7 mm（圖7）。由圖可看出，6 個(gè)站降水量年際變化很大，降水量低時(shí)極易發(fā)生干旱。

圖2 石家莊降水量圖

圖3 邢臺(tái)降水量圖

圖4 保定降水量圖

圖5 饒陽(yáng)降水量圖

圖6 泊頭降水量圖

圖7 南宮降水量圖

3.2 年尺度各干旱指數(shù)評(píng)價(jià)

選用石家莊、邢臺(tái)、保定、饒陽(yáng)、泊頭、南宮6 個(gè)站數(shù)1955-2017年63 a 降水量數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算Pa、SPI、Z 指數(shù)、MI，對(duì)比各個(gè)干旱指數(shù)的適用性。6 個(gè)站的不同干旱類(lèi)型出現(xiàn)的次數(shù)和頻率，見(jiàn)表2。

表2 6 站4 種干旱指標(biāo)評(píng)價(jià)的干旱類(lèi)型出現(xiàn)頻次及頻率

從表中可以看出SPI 指數(shù)評(píng)價(jià)的干旱類(lèi)型較全面，石家莊、邢臺(tái)、保定、南宮、饒陽(yáng)、泊頭均出現(xiàn)輕旱、中旱、重旱和特旱年。降水Z 指數(shù)評(píng)價(jià)的干旱程度最輕，在保定、泊頭未出現(xiàn)特旱年。MI 指數(shù)評(píng)價(jià)的干旱程度最重，石家莊、邢臺(tái)、保定、泊頭、南宮、饒陽(yáng)雖未出現(xiàn)重旱和特旱，但是輕旱的頻次遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他指標(biāo)所反映的頻次，與實(shí)際情況相差較多。石家莊、邢臺(tái)、保定、泊頭、饒陽(yáng)各干旱年出現(xiàn)的頻次為輕旱＞中旱＞重旱＞特旱，南宮各干旱年出現(xiàn)的頻次為輕旱＞中旱＞特旱＞重旱。由上述分析可知，SPI 指數(shù)與降水Z 指數(shù)相對(duì)客觀地反映了研究區(qū)干旱情況。

3.3 年尺度各干旱指數(shù)評(píng)價(jià)分析

假設(shè)用0 表示無(wú)旱，1 表示輕旱，2 表示中旱，3 表示重旱，4 表示特旱，則研究區(qū)6 站基于不同干旱指數(shù)的干旱類(lèi)型隨年份變化的頻率圖，如下：

由圖8 中可以看出，在石家莊站SPI＞降水Z 指數(shù)＞MI 指數(shù)；由圖9 中可以看出，在邢臺(tái)站SPI＞降水Z 指數(shù)＞MI 指數(shù)；由圖10 中可以看出，在保定站SPI＞降水Z 指數(shù)＞MI 指數(shù)；由圖11 中可以看出，在饒陽(yáng)站SPI＞降水Z 指數(shù)＞MI 指數(shù)；由圖12 中可以看出，在泊頭站SPI＞降水Z 指數(shù)＞MI 指數(shù)；由圖13中可以看出，在南宮站SPI＞降水Z 指數(shù)＞MI 指數(shù)。

圖8 石家莊干旱類(lèi)型圖

圖9 邢臺(tái)干旱類(lèi)型圖

圖10 保定干旱類(lèi)型圖

圖11 饒陽(yáng)干旱類(lèi)型圖

圖12 泊頭干旱類(lèi)型圖

4 結(jié)論

1.該研究區(qū)6 個(gè)氣象站降水量年際變化趨勢(shì)很大，降水量低時(shí)極易發(fā)生干旱。

2.SPI 指數(shù)更能客觀反映研究區(qū)歷史干旱情況，計(jì)算穩(wěn)定，適合各種尺度。

3.研究區(qū)6 站的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果是SPI＞降水Z 指數(shù)＞MI 指數(shù)，能基本反映該地區(qū)干旱情況。