干旱指标及其在新疆阿勒泰地区干旱监测分析中的应用*

2010-01-24庄晓翠杨森赵正波张林梅

灾害学 2010年3期

庄晓翠，杨森，赵正波，张林梅

(1.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省干旱气候变化与减灾重点试验室，中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放试验室，甘肃兰州730020;2.新疆阿勒泰地区气象局，新疆阿勒泰836500)

0 引言

众所周知，干旱本身包含了很多复杂的因子，它不仅与降水量的多少和分配有关，还与地形、土壤性质、水利设施等多种因子有关，因此，对于干旱状况，不同部门研究干旱的概念不同［5－8］，有的以降水相对变率与蒸发相对变率的比值来划分干旱等级［9－11］;有的以土壤湿度的大小来确定干旱的程度［12］;还有的利用降水、田间持水量差额和土壤最大有效含水量的比值［12－14］、气温和降水等资料计算不同地区的干旱指数［8］等等。可见，研究干旱最关键的问题是明确干旱定义和确定干旱指标。虽然，干旱指标方法研究，前人已做过很多工作，也已经建立了许多定量指标，但各地的地理位置、下垫面性质以及人类活动等因素的不同，存在着各种不同的气候差异，造成各地的降水千变万化;因此，无论哪一种干旱指标都有一定的局限性，只能反映气候变化的某一个方面。在诸多的干旱指标中如何选择适用于西北干旱区阿勒泰地区气候业务的干旱监测指标，显得尤为重要。

阿勒泰地区位于新疆维吾尔自治区最北部，准噶尔盆地北沿，地形复杂，有高山丘陵、河流湖泊、沙漠戈壁。特殊的自然地理条件使该地区灾害种类多，主要有寒潮［15］、暴雪［16］、暴雨山洪［17］、大风、干旱等。多年来，干旱一直是制约该地区农牧业发展的主要气象灾害，不但威胁着农牧业生产，甚至影响到人畜饮水，特别是春夏秋季(4－10月)是一年中农作物和牧草的主要生长成熟期和麦田的收墒期，也是水库的蓄水期，此时出现的干旱，不仅影响当时的生产生活，而且还对后期及次年的生产生活带来深远的影响。如1974年是该地区的大旱年，结果河水断流，重灾区人畜饮水困难，农业生产遭受严重危害，据统计60%的农作物受灾。在当前全球和中国气候变暖，尤其是1980、1990年代持续变暖的气候背景下，又多次在不同季节发生区域型或全区型干旱，特别是2008年该地区出现近30年少有的干旱;据统计旱灾造成该地区直接经济损失达13 455.8万元，农业经济损失达9 501万元。而前人对该地区干旱方面的研究尚属空白。因此，选择适合该地区的干旱指标，对评价该地区的干旱状况和开展干旱监测服务有积极意义。

基于以上考虑，本文拟在前人工作的基础上，选择3种干旱指标进行对比分析，从中筛选出一种作为阿勒泰地区的单站划分干旱等级的指标。在单站指标的基础上，探求一种既能反映干旱的空间分布，又能反映干旱程度的区域干旱指标。

1 研究地区、资料及分析方法

1.1 资料

利用新疆阿勒泰地区1961－2008年4－10月(暖季)完整的7个国家级基准、基本气象站(图1)的月平均气温、降水量资料，以7站的平均值代表阿勒泰地区。根据阿勒泰地区气候及农牧业生产特点，以4－5月为春季，6－8月为夏季，9－10月为秋季来统计资料。气候值根据世界气象组织(WMO)设定的标准气候值时段(1971－2000年)的平均值。

图1 新疆阿勒泰地区7个观测站的位置分布

1.2 干旱指标

干旱指标是研究干旱气候的基础，也是衡量干旱程度的标准和关键环节。干旱指标制定得客观合理，对干旱过程就反映准确，反之，就有可能遗漏一些干旱过程，也会增加一些并非干旱化的过程。本文选取3种干旱指标:降水距平法、Z指数、K指数进行对比分析，筛选出适合阿勒泰地区干旱特征的干旱指标。

1.2.1 降水量距平百分率干旱指标

2.2 豇豆产量对密度和施肥的响应对田间试验的产量结果做回归模型，得到豇豆产量(Y)与密度(X1)、施氮(X2)、施磷(X3)、施钾(X4)4个因素的回归方程：

降水距平百分率反映了某时段降水与同期平均状态的偏离程度，不同地区不同时期有不同的平均降水量，因此，它是一个具有时空对比性的相对指标，是表征某时段降水量异常的方法之一，能直观反应降水异常引起的干旱。在我国气象日常业务中，多用于评估月、季、年发生的干旱事件，其计算公式为:

表1 R、Z指数气象干旱等级

1.2.2 Z指数干旱指标

根据文献［19－20］得Z指数计算公式为:

式中:Xi为降水的标准化变量;Cs为偏度系数。

1.2.3 K指数干旱指标

根据文献［9－10］中干旱指数的计算公式，即

式中:K为某时段的干旱指数;R′为该时段降水的相对变率，R′=R/Rp，R为该时段的降水量，Rp为该时段降水量的多年平均值;E′为该时段蒸发的相对变率，E′=E/Ep，E为该时段蒸发量，Ep为该时段蒸发量的多年平均值。

我国各地气象台站的实际蒸发是使用蒸发皿来测定的，由于该仪器口径较小且水体温度与自由水面有很大差异，因此测定值与实际蒸发有较大的误差［21］，又因阿勒泰地区蒸发皿蒸发缺测较多，记录不完整。故本文选择Thomthwaite［22］方法来计算潜在蒸发量，其优点在于它仅依赖于温度变化，计算方便，所用参数少，计算的蒸发量也较符合实际情况，便于推广。计算过程参见文献［22］。通过计算得到潜在蒸发量E与同期阿勒泰地区各站20 cm口径蒸发皿蒸发量相关性较高，青河和福海站相关系数通过α=0.025和0.028的检验，其它站均通过0.01的检验(表略)。

表2 K指数气象干旱等级

2 结果与分析

2.1 对干旱指标的评价

在计算上述3种干旱指标时，为了使问题简单化，集中讨论5－9月的降水总量，及其同时段的气温和潜在蒸发量，来计算干旱指数，因阿勒泰地区干旱监测主要在这段时间。

以下对降水量距平百分率干旱指标、Z指数干旱指标、K指数干旱指标分别简称为R指数、Z指数、K指数。

据民政部门调查，阿勒泰地区自1961－2008年间有10年发生了较大范围的干旱。根据阿勒泰地区1961－2008年逐月气象资料，分别计算了这10年各气象台站在发生干旱时段(5－9月)的各类干旱指数。各指数值用对应的干旱指标分级，然后统计每年出现各级干旱程度的台站数百分率P，P=nk/n×100%，n为总台站数，nk为第k级别台站数。目的是通过比较出现各级干旱的台站的百分率来评估各指数对干旱的反映敏感程度。结果显示，3种指标都能反映出历年的干旱，但是，与实际干旱情况比较，3种指标的结果不尽相同。

对1962、1974年重旱年K指数达到重旱的台站百分率分别为100%、71%，Z指数是57%、43%，R指数则为29%、0%，说明K指数对重旱年反映较好，Z指数次之，R指数最差(表3)，反映明显偏轻。由表3可知，对其它中旱年，K指数反映结果也较好，如1975、1982、2006年都达到了100%，1963和2008年也达到了86%，其它的中旱年(1991、1996、2002)也达到了3～4站(全地区共7站)的干旱程度，属较大范围干旱;Z指数只有2008年为71%，1963、1982和2006年达3～4站;而R指数却在43%以下，反映明显偏轻，范围也相对较小;进一步分析表明，在研究时段内，3种干旱指数3站以上达干旱的台站数是:K指数为100%，Z指数为60%，R指数则为40%。

分析表明:R指数和Z指数对干旱的诊断往往程度较轻，尤其是R指数;K指数能较客观地反映发生干旱年的干旱状况。上述结果与干旱指数的计算方法有关，R指数把旱涝程度与降水量看成一次线性关系，这种线性方程建立在降水量为正态分布的假设前提下，与实际情况有较大差异。在计算Z指数时，假设某段时间降水量服从P－Ⅲ型分布，这种假定较为接近实际情况，并对降水量进行标准正态化处理后，根据其概率密度函数，经转换得到;通过偏态系数Cs的引入，Z指数不只与降水量有关，还与降水分布特征有关，因而比R指数要客观一些，虽然Z指数消除了降水的时空分布差异，但由于Z指数仅考虑了单一的降水量对干旱的影响，因此仍有一定的局限性。K干旱指数的设计，紧紧抓住了干旱的主要原因，即同时考虑了降水和蒸发的影响，物理意义明确，且指数计算过程中由于所含的变量少，由变量所带来的计算误差也就相应减小;另一方面，K干旱指数是降水的相对变率与蒸发的相对变率的比值，这样相当于对干旱指数进行了标准化，消除了量纲不同的影响，使得干旱标准便于统一，这是K指数优于R指数和Z指数的原因。

表33 种干旱指数计算结果对比分析%

2.2 用K指数干旱指标分析阿勒泰地区历年干旱

根据上述分析，K指数能够较好地适用于阿勒泰地区的干旱评价。但K指数是一个单站序列分析工具，为了能从区域角度开展干旱评价，定义了基于K指数基础上的干旱强度指数S和面积指数A。

分别求出阿勒泰地区7个站历年春、夏、秋季各站最小的K指数值。S=min(Ki)，Ki为春、夏、秋季各站最小的K指数值，S代表当年春、夏、秋季的干旱严重程度。再求出历年春、夏、秋季达轻旱标准以上的台站占当年台站数的百分比。A=n/N×100%，n为达到轻旱标准以上的台站数，N为总台站数，A代表了当年春、夏、秋季发生干旱的范围。

根据公式计算了阿勒泰地区1961－2008年各站每年春夏秋季的单站干旱指数，得出了两种指数序列。图2是历年春、夏、秋季干旱强度指数S变化曲线，从图上看出，阿勒泰地区出现春、夏、秋季连旱有1962、1963、1978、1982、1997年等5年，春夏连旱的有1972、1974、1976、1977、2008年，夏秋连旱的只有1975年，1962年为最严重干旱年达春夏秋连旱，1974年最严重的春夏连旱，这个结果与实际基本相符。在研究时段内，几乎每年都有不同程度的阶段性干旱，这正是阿勒泰地区的气候特点。由图2可知，干旱年的发展趋势为，1960和1970年代是干旱的高发期，1980年代是春旱的相对少发期，但夏旱和秋旱与1960和1970年代相当，1990年代春旱又为高发期，而夏、秋旱有所减少，近年来夏、秋旱发生频次相对增高，特别是秋旱，其强度也相对较大。从曲线变化位相来看，发生春夏连旱的几率较高，夏秋连旱的较少(图2)。

图2 1961－2008年阿勒泰地区春、夏、秋季干旱强度指数(最小K值)变化曲线

分析春、夏、秋季中旱以上年干旱面积指数A的历年变化可知，1960－1980年代为干旱发生的高发期，夏旱频次最高;1990年代夏旱有明显减少的趋势，春旱次之，而秋旱有明显的增加趋势;2000年以来，秋旱明显增多，其次是夏旱，春旱则有明显减少的趋势(图3a)。

就重旱而言(图3b)，1960年代春旱面积较大，秋旱次之，夏旱面积小于秋旱面积;1970年代到80年代初夏旱面积较大，秋季次之;1980年代后期到1990年代初春旱面积较大，秋季次之;1990年代后期到2000年代秋旱面积相对较大，春季次之。平均而言，1962年是研究时段内最严重的春夏秋连旱;1974年是最严重的春夏连旱年，全区干旱发生面积大于1962年同期(图3b)。