基于三種干旱指標的朝陽市干旱特征分析

于 洋

（遼陽市水利事務服務中心，遼寧 遼陽，111000）

0 引言

旱災持續(xù)發(fā)生，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)民的生活帶來了極大破壞，隨著近代科學技術和經(jīng)濟的發(fā)展，世界各國防災減災工作逐步深入，國家高度重視對旱災的治理。旱災對社會經(jīng)濟發(fā)展負面影響巨大，存在著極大的潛在威脅。近年來，嚴重干旱事件的頻繁發(fā)生及其導致的不利影響已逐步引起人們的廣泛關注。因此，迫切需要開展干旱特征分析，全面提高抗災減災能力。

目前，干旱指標的計算方法主要有：降水距平百分率法、Z指數(shù)法、K指標法、Palmer指標、濕度指標法、標準化降水指數(shù)（SPI）等。我國諸多學者利用干旱指標進行干旱特征分析并取得了一定的成績。崔磊等[1]運用Z指標、降水溫度均一化指標、降水距平百分率對遼寧省丹東地區(qū)的干旱特征進行初步分析。結果表明：三種指標均能反映出丹東地區(qū)干旱等級的變化趨勢，但Z指數(shù)計算的結果更接近于實際情況；趙琳琳[2]基于SPI的遼陽春夏干旱特征及周期研究，得到了一組服從標準正態(tài)分布的降水序列，進而對遼陽地區(qū)春旱、夏旱年際間干旱狀態(tài)進行評估。劉啟和[3]通過降水距平百分率、標準化降水指數(shù)（SPI）、降水Z指數(shù)評價了遼河流域干旱情況，結果表明SPI指數(shù)能較客觀地反映遼河流域干旱程度，為遼河流域定量研究干旱事件提供合理的指標依據(jù)。由于造成干旱的因素繁多且復雜，可以用于不同時間、不同地域的指標并不明確，但應用廣泛且能夠準確的反應干旱特征情況的指標主要有降水距平百分率、Z指數(shù)、標準化降水指數(shù)。因此，本研究嘗試將朝陽市50a降水資料作為研究對象，運用降水距平百分率、Z指數(shù)、標準化降水指數(shù)3種干旱指標對比分析朝陽市干旱特征情況，選出適用于朝陽地區(qū)干旱特征分析的指標，為該地區(qū)旱災綜合防治提供技術參考。

1 三種干旱指標簡介

1.1 降水距平百分率

降水距平百分率反映了某時段內降水量相對于同期平均水平的偏離程度，國家氣象中心以降水距平百分率作為衡量旱災的主要指標[4]。降水距平百分率具有適用性強，計算簡便靈活等特點，該指標計算公式如下：

式中：R為降水距平百分率的值；r為某時段降水量；r為該時段多年平均降水量。其干旱等級劃分由國家氣象中心發(fā)布見表1。

表1 降水距平百分率干旱等級標準

1.2 Z指數(shù)

Z指數(shù)被廣泛用于國家和省級旱澇監(jiān)測中心，以Z值為變量的標準正態(tài)分布[5]，公式為：

式中：Zi為 Z指數(shù)的值；Cs為偏態(tài)系數(shù)；φi為標準變量；xi為降水序列；為降水序列的平均值；n為降水時間序列；σ為降水標準差；以上均可由降水量資料序列計算求得。經(jīng)計算，Z指數(shù)等級標準見表2所示[6]。

表2 Z指數(shù)干旱等級標準

1.3 SPI標準化降水指數(shù)

標準化降水指數(shù)SPI是由Mckee等在評估美國科羅拉多干旱時首次提出，該指數(shù)替代了計算較復雜的PDSI，能夠較好地反映出旱災強度以及持續(xù)時間，具有多時間尺度應用的特性。標準化降水指數(shù)不僅能夠反映出不同時間尺度的干旱情況還能反映出不同方面的水資源狀況[7]，因而得到了廣泛的應用。其原理如下：

假設某一時間序列的降水量為X，則Γ（α）是Gamma函數(shù)分布的概率密度函數(shù)為：

式中：f（x）為降水序列符合Gamma函數(shù)分布的概率密度；α為形狀參數(shù)；β為尺度參數(shù)；x為降水量的值；Γ（α）是 Gamma函數(shù)。

式（7）中最佳的α、β估計值采用極大似然估計方法算如下可得：

利用上式可求得SPI指標的值，GB/T20481-2006 SPI干旱等級標準如表3所示。

表3 標準化降水指數(shù)（SPI）干旱等級標準

2 朝陽市干旱特征分析

朝陽市位于遼寧省西部，地理坐標為東經(jīng)118°55′～121°16′，北緯 40°3′～42°28′。朝陽地區(qū)因其地形相對復雜，受溫帶亞干旱氣候影響，導致朝陽地區(qū)降水時空分布不均勻，常年干旱少雨，素有“十年九旱”之稱，降水量少而集中對該地區(qū)的農(nóng)業(yè)影響較為嚴重。因此，本研究利用朝陽地區(qū)1969～2018年共50年的降水資料作為研究對象，利用降水距平百分率、Z指數(shù)、SPI標準化降水指數(shù)分析朝陽地區(qū)干旱特征情況。

2.1 降水距平百分率分析朝陽干旱特征

依據(jù)1969～2018年共50年的降水數(shù)據(jù)，利用降水距平百分率指標分析朝陽干旱特征情況，運用MATLAB對數(shù)據(jù)進行處理，結果如圖1所示，并對照表2降水距平百分率干旱等級標準，評價朝陽干旱特征。

圖1 1969～2018年朝陽降水距平百分率

如圖1結果所示，朝陽1969～2018年共50年降水距平百分率結果，發(fā)現(xiàn)朝陽降水距平百分率反映出的正常年份（-25%＜R＜25%）共有31年，占總年份的62%；朝陽年降水距平百分率反映出的偏旱年份（-50%＜R≤-25%）共有9年，占總年份的18%，偏旱年份發(fā)生在1980年、1981年、1982年、1992年、1999年、2009年、2013年、2015年、2018年；其中1982年降水距平百分率為-44.2%，是所有年份中降水負距平百分率最低值，為嚴重干旱年份。朝陽降水距平百分率波動較大，災害發(fā)生年份較多，給當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了一定的影響。

2.2 Z指數(shù)分析朝陽干旱特征

運用朝陽地區(qū)1969～2018年共50年來的年均降水資料，計算出各年對應的Zi值，計算結果如圖2，并對比表2 Z指數(shù)干旱等級標準，分析統(tǒng)計朝陽干旱特征，結果如表4所示。

圖2 1969～2018年朝陽地區(qū)Z指數(shù)

表4 應用Z指數(shù)統(tǒng)計干旱年份

從表4可以看出，1969～2018年朝陽年降水正常年份共有30年，占總數(shù)的60%；發(fā)生旱災的年份共有9年，其中，偏旱年份共有2年，大旱年份共有5年，重旱年份共有2年，主要集中在1981、1982年。總的來看，朝陽地區(qū)自然災害頻繁發(fā)生，旱災的發(fā)生頻率較高，不利于當?shù)剞r(nóng)作物的生長、發(fā)育。

2.3 SPI標準化降水指數(shù)分析朝陽干旱特征

朝陽地區(qū)1969～2018年SPI標準化降水指數(shù)變化如圖3所示，SPI指數(shù)干旱年份統(tǒng)計結果如表5所示。

圖3 1969～2018年朝陽SPI指標

表5 應用SPI指數(shù)統(tǒng)計1969～2018年朝陽干旱年份

由表5可知，SPI標準化降水指數(shù)統(tǒng)計朝陽近50年來年降水正常年份共有16年，占總數(shù)的32%；發(fā)生旱災的年份共有15年，輕微干旱有5年，中等干旱有7年，嚴重干旱共有3年分別是1980、1982、1981年?？偟膩砜矗m然SPI標準化降水指標與Z指數(shù)劃分等級標準不同，SPI標準化降水指數(shù)劃分干旱等級情況更為細致，SPI標準化降水指標將旱災劃分為四個等級，Z指數(shù)將旱災劃分為三個等級，朝陽地區(qū)發(fā)生嚴重干旱的年份主要集中在1980、1982、1981年與實際情況相符。

3 結 論

本文運用降水距平百分率、Z指數(shù)、標準化降水指數(shù)分析朝陽地區(qū)1969～2018年干旱特征，對以上3種指標進行對比發(fā)現(xiàn)3種指標均能較好的反映出朝陽地區(qū)的旱災情況，有優(yōu)點的同時也存在一定的弊端。主要結論如下：

（1）降水距平百分率指標計算簡便，結果直觀，能夠準確反映出降水量相對于同期平均值的偏離程度。但該指標反映干旱的程度較弱，對降水量的平均值有較大的依賴性，且沒有考慮到降水的空間分布特征，不能運用該指標進行干旱空間分析。

（2）Z指數(shù)消除了對降水量平均值的依賴，具有較快的響應速度，能夠客觀的反映出干旱等級。該指標不僅考慮旱災與降水量間的關系，還考慮了降水的空間分布情況，對于干旱事件具有相對較強的敏感性，可用于反映旱災的空間分布特征。

（3）SPI標準化降水指標與Z指數(shù)得到的朝陽地區(qū)干旱特征情況基本一致，能較好地反映出旱災的強度。SPI指標可以適用于不同時間尺度的旱災評價，能進行多時間尺度干旱等級對比分析，是一種較好的氣候干旱指標。該指標既考慮了降水服從偏態(tài)分布，又將降水數(shù)據(jù)進行正態(tài)標準化處理，消除了降水的時空分布差異，具有較好的穩(wěn)定性。其不足是沒有考慮影響干旱發(fā)生的其他因子。

（4）朝陽地區(qū)1969～2018年旱災頻繁發(fā)生，各干旱指標的評價結果表現(xiàn)出一致性。朝陽市發(fā)生嚴重干旱的年份主要集中在1980、1981、1982年，與實際年鑒記載相符合，連續(xù)三年發(fā)生嚴重干旱導致朝陽地區(qū)近百萬畝農(nóng)作物受災，對人民群眾的生產(chǎn)生活和經(jīng)濟收入等造成嚴重影響。