基于Ci指數(shù)的衡陽市干旱及其變化特征分析

陳 濤，劉蘭芳，陳春燕，周益平，袁欽飛

（1.湖南衡陽市氣象局，湖南 衡陽 421001；2.衡陽師范學(xué)院，湖南 衡陽 410002；3.湖南祁東縣氣象局，湖南 祁東 412003）

0 引 言

干旱是全球最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展、人口快速增長以及全球氣候變暖，干旱有進(jìn)一步加重趨勢［1－2］。對于干旱歷年變化規(guī)律及其發(fā)趨勢，專家開展了廣泛研究［3－8］：趙俊芳在分析濕潤指數(shù)后發(fā)現(xiàn)，未來40a中國氣候總體上呈暖干趨勢；侯威在分析中國極端干旱事件時發(fā)現(xiàn)，我國的極端干旱事件與青藏高原氣溫密切相關(guān)，同時氣候變化在時間尺度上具有350a左右準(zhǔn)周期；商彥蕊認(rèn)為，干旱不等于旱災(zāi)，在時間與空間分布上，旱災(zāi)往往與干旱脆弱性分布一致，而不與自然降水分布一致。

1997年美國氣象學(xué)會將干旱分為四類即氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱和社會經(jīng)濟(jì)干旱。就氣象干旱而言，它指某時段內(nèi)，由于蒸發(fā)量和降水量的收支不平衡，水分支出大于水分收入而造成的水分短缺現(xiàn)象。對氣象干旱的定量化研究，離不開干旱指數(shù)。張強(qiáng)等［9］在制定《氣象干旱等級》國家標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了降水量距平百分率、相對濕潤度指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)等5種單項(xiàng)氣象干旱指標(biāo)及一項(xiàng)綜合氣象干旱指數(shù)（Ci）。其中，Ci指數(shù)同時考慮了降水和蒸發(fā)能力因子，與單純利用降水量的干旱指數(shù)比較具有較大優(yōu)越性［8］，成為目前國內(nèi)干旱監(jiān)測和評估業(yè)務(wù)工作中普遍使用的方法。本文基于衡陽市各觀測站的日平均氣溫及降水資料，計算其Ci指數(shù)，以期用定量的方法分析近53a衡陽市的干旱特點(diǎn)及變化規(guī)律。

1 資料與方法

1.1 資料來源及說明

本文利用衡陽市7個觀測站（衡山、衡陽縣、衡陽市、衡南、祁東、常寧、耒陽）1960年—2012年逐日氣溫、降水量統(tǒng)計各站Ci指數(shù)并求平均。季節(jié)定義為：1月、2月及上年12月為冬季，3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季。參照國際通用標(biāo)準(zhǔn)，Ci指數(shù)氣候值基于1981—2010年數(shù)據(jù)統(tǒng)計所得，各站逐日氣溫、降水量值通過了湖南省氣候中心質(zhì)量控制。

1.2 統(tǒng)計方法

1.2.1 Ci指數(shù)計算

本文參考《氣象干旱等級》國家標(biāo)準(zhǔn)（GB／T 20481－2006）［9］中Ci計算方法，利用近30d（相當(dāng)月尺度）和近90d（相當(dāng)季尺度）降水量標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，以及近30d相對濕潤度指數(shù)綜合得出，計算公式如下：

式中Z30、Z90分別為近30d和近90d標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI；M30為近30d相對濕潤度指數(shù)；a為近30d標(biāo)準(zhǔn)化降水系數(shù)，平均取0.4；b為近90d標(biāo)準(zhǔn)化降水系數(shù)，平均取0.4；c為近30d相對濕潤系，平均取0.8。通過公式（1），利用前期平均氣溫、降水量可以滾動計算出每天Ci值。根據(jù)Ci值劃分各氣象干旱等級，見表1。

表1 綜合氣象干旱指數(shù)（Ci）等級

1.2.2 干旱頻率

利用衡陽市近53a來逐日Ci指數(shù)，采用公式（2）計算干旱發(fā)生頻率（P）：

式中n為近53a中有干旱發(fā)生日數(shù)，即出現(xiàn)輕旱及以上干旱等級的發(fā)生日數(shù)；N為資料樣本總個數(shù)，即近53a總?cè)諗?shù)

1.2.3 干旱頻率變化趨勢及突變分析

對歷年干旱頻率變化規(guī)律采用線性傾向率分析，突變分析采用Mann－Kendall（簡稱MK）檢驗(yàn)，具體方法可參考文獻(xiàn)［10－14］，本文不再贅述。

2 各等級干旱日頻率

2.1 輕度及以上干旱頻率（Pd）

圖1a為1960—2012年輕度及以上干旱日發(fā)生頻率（簡稱Pd，Ci≤－0.6）的年變化曲線，整個曲線變化分為三段，1960年代初至1970年代后期及1990年代前期至2010年代為劇烈變化期，其特點(diǎn)是Pd值變化頻率快，幅度大。1980年代為相對穩(wěn)定期，曲線變化幅度小，波動頻率不大，Pd值相對穩(wěn)定。53a平均Pd為24.6%，氣候值為24.4%。對變化曲線的線性傾向率分析顯示，近53a來Pd呈極緩慢增多趨勢，每10a增大0.347%，但這種變化未通過r＝0.1的顯著性檢驗(yàn)。

圖1b～e分別是1960—2012年冬、春、夏、秋四季Pd年變化曲線，平均Pd值分別為13.0%、9.8%、35.6%和40.0%，秋季Pd值最大，春季最小。對四季線性傾向率分析結(jié)果顯示，冬季和夏季呈微弱下降變化，每10a分別下降0.077%和2.297%。而春、秋季Pd值為上升的，每10a分別上升了0.781%和2.966%。由于春、秋季Pd上升較冬、夏季減少更為明顯，導(dǎo)致年P(guān)d值呈上升變化。同樣，四季Pd曲線的傾向率變化均也未通過r＝0.1的顯著性檢驗(yàn)。

在各季節(jié)Pd曲線變化中，冬季（圖1b）相對平緩；夏季（圖1d）變幅較大，從其5a滑動平均變化可以看出，有10～15年左右的變化周期；春季Pd曲線在1980年代之前，有周期性的干旱變化，之后周期變化不明顯，但變幅有逐漸增大趨勢；而秋季變幅大，且無明顯規(guī)律。

2.2 重、特旱頻率

衡陽市是湖南省重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地之一，也是全國著名的嚴(yán)重干旱區(qū)［15］。由于對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重視，現(xiàn)已建設(shè)了較為完備的水利設(shè)施，通常輕、中等程度干旱對其影響較小，但重、特旱出現(xiàn)時，受災(zāi)將十分嚴(yán)重。在以下分析中，重點(diǎn)對重、特旱出現(xiàn)頻率予以討論。

2.2.1 重旱頻率（Pz）

重旱頻率是指重旱日（－2.4＜Ci≤－1.8）年出現(xiàn)頻率（Pz），期間土壤出現(xiàn)水分持續(xù)嚴(yán)重不足，土壤出現(xiàn)較厚的干土層，對農(nóng)作物和生態(tài)環(huán)境造成較嚴(yán)重影響［9］。近53a衡陽市Pz為3.1%（圖2a），其中最高值為14.0%（1992年），其次為11.2%（2007年），另有3a未出現(xiàn)重旱（1975、1993、2002年），占總年數(shù)的5.7%。對其線性傾向率分析發(fā)現(xiàn)，53a間Pz呈極緩慢上升趨勢，每10a上升0.107%，其變化未通過r＝0.1顯著性檢驗(yàn)。有四個階段Pz波動較大，分別是1961—1967、1973—1982、1990—1993、2002—2012年，目前是Pz波動明顯期。

2.2.2 特干頻率（Pt）

特干頻率指特旱日（Ci≤－2.4）年出現(xiàn)頻率（Pt）。期間土壤出現(xiàn)水分長時間持續(xù)嚴(yán)重不足，地表植物干枯、死亡，人畜飲水產(chǎn)生較大影響等［9］。1960—2012年平均Pt為1.2%（圖2b），較Pz下降了1.9%。從歷史情況分析，Pt最高為7.1%（1966年），其次是5.8%（2011年），53a間有12a未出現(xiàn)特旱日，占總年份的22.6%。線性傾向率分析表明，Pt為每10a上升0.066%，較Pz增幅偏小。從時間變化分析，Pt波動較大有兩階段，第一段是1962—1967年，第二段是2002年至今，其它時期出現(xiàn)頻率較小，且波動幅度不大。

圖3 1960—2012年衡陽市重、特旱頻率年變化疊加圖（細(xì)線為重旱，粗實(shí)線特旱）

對Pt及Pz曲線疊加（圖3）分析，大部分年份，兩曲線變化趨勢基本相同，在Pz值高的年份，其Pt也明顯偏高。通常而言，特旱是在重旱基礎(chǔ)上發(fā)展而來，在重旱偏多時，特旱出現(xiàn)頻率也加大。但也有例外，如1966年，由于旱情發(fā)展迅速，大部分重旱都發(fā)展為特旱，當(dāng)年P(guān)t為7.3%，Pz值為3.2%；另一種情況是重旱較多，而特旱較少。如1992年，其Pz、Pt值分別為14.0%和1.2%。

2.3 Pd年代際及月變化

2.3.1 年代際特點(diǎn)

圖4為不同等級干旱日在各年代際（1960—2000年代）的出現(xiàn)頻率，其中圖4a為Pd的頻率變化，其在1990年代最小（21.2%），2000年代最大（26.7%）；重度干旱日發(fā)生頻率（圖4b）在1980年代達(dá)到低谷之后（2.5%），連續(xù)上升，在2000年代達(dá)到最大（1.5%）；而特大干旱日出現(xiàn)頻率（圖4c）呈弧形變化，兩端高，中間低。由此可見，不同年代際干旱日頻率變化具有不同特點(diǎn)：1960年代是特旱日發(fā)生頻率相對較高；1970年代重干日發(fā)生頻率處于中等水平，特旱日減少；1980年代重度及以上干旱日發(fā)生頻率為歷史最低點(diǎn)；1990年代盡管干旱發(fā)生頻率較低，但重旱及以上干旱呈上升趨勢；2000年代則是不同程度干旱集中爆發(fā)時期。

圖4 1960—2000年代年際衡陽Pd（a）、Pz（b）、Pt（c）變化曲線

2.3.2 月變化特點(diǎn)

圖5為衡陽市干旱日（圖4a）及重、特旱日（圖5b）月變化情況。從圖5a可以看出，1～4月，Pd值較小，期間最高發(fā)生頻率為10.8%。自5月開始，其發(fā)生頻率直線上升，8～10月達(dá)到峰值，分別為44.2%、44.6%和44.8%，其后又快速下降。圖5b為重、特旱日變化曲線，1～5月，兩曲線變化基本相同，在低位徘徊，6月及以后，兩者差距明顯增大，Pz上升十分明顯，11月兩者差距達(dá)到最大（5.6%）。

從上述分析可以發(fā)現(xiàn)，Pd、Pz及Pt的月變化曲線存在明顯差異，這與各月降水量及氣溫高低有關(guān)。1～6月衡陽市雨水充沛，重、特旱日出現(xiàn)幾率小，但輕～中等程度干旱日時有發(fā)生。在6月底雨季結(jié)束以后，在7～9月有一段明顯的高溫少雨時期，蒸發(fā)量增大，氣溫迅速上升，干旱日發(fā)生頻率達(dá)到峰值。6～10月衡陽市降水整體呈減少趨勢，8月受臺風(fēng)等天氣系統(tǒng)影響，其中雨、大雨及暴雨出現(xiàn)次數(shù)較7月分別偏多11.2%、14.6%和16.9%，由于干旱發(fā)生具有滯后性。故在9月的重、特干旱發(fā)生頻率明顯下降，但輕、中度干旱發(fā)生頻率仍未完成較高水平。秋季是衡陽市降水偏少時期，且氣溫較冬季明顯偏高，秋干物燥，導(dǎo)致10月Pz及Pt繼續(xù)上升。

3 氣溫突變分析

圖6為1960—2012年干旱頻率曲線MK突變分析結(jié)果。由于所以UF曲線均未突破±1.96線，表明近53a來，干旱增多或減少狀況未發(fā)生根本突變。圖6a為Pd曲線頻率MK分析結(jié)果，自1967年以后，其UF曲線就在0線附近波動，波幅變化不大，Pd值較為穩(wěn)定；Pz曲線（圖6b）的MK分析表明在1963—1966年重旱有增多趨勢，1967—1987年重旱發(fā)生頻率為減少，1987年以后，UF值在0線附近波動，表明重旱變化不明顯。圖6c結(jié)果顯示自1980年以后，UF值在0線以上波動，顯示出特旱頻率加大。

4 結(jié) 論

本文利用綜合氣象干旱指數(shù)（Ci）對衡陽市干旱分類并統(tǒng)計不同程度干旱的發(fā)生頻率及其年、季度變化情況，從統(tǒng)計角度量化分析了衡陽市的干旱特點(diǎn)及變化趨勢，其結(jié)果如下：

（1）衡陽市不同程度干旱的發(fā)生頻率不同，Pd、Pz及Pt年平均出現(xiàn)頻率分別為24.6%、3.1%和1.2%。干旱日每年均有出現(xiàn)，有94.3%和77.4%年份出現(xiàn)重旱及特旱日。近53a來，干旱、重旱、特旱日發(fā)生頻率呈略增多趨勢，為每10a發(fā)生頻率分別上升0.347%、0.107%和0.066%，主要表現(xiàn)為輕－中度干旱增多相對明顯，重旱次之，但這些變化未能通過r＝0.1的信度檢驗(yàn)。進(jìn)入21世紀(jì)之后，干旱頻率變化加大，一旦有干旱出現(xiàn)，重、特旱發(fā)生幾率增大。在通常情況下，在重旱偏多的年份，特旱發(fā)生頻率也增大，但也有例外。

（2）在冬、春、夏、秋四季中，平均Pd值分別為13.0%、9.8%、35.6%和40.0%。曲線線性傾向率分析結(jié)果是冬季和夏季呈微弱下降變化，而春季和秋季上升，在Pd值大的季節(jié)，其傾向率增大（減小）更為明顯。

（3）在1～5月，各等級干旱均處于低發(fā)期，Pd值在8～9月達(dá)到最大，而Pt和Pz在9月以后達(dá)到較高水平。8月受臺風(fēng)影響，衡陽市不同降水量級發(fā)生次數(shù)較7月增多，且量級越大，增大越明顯，由于干旱的滯后性，在9月的重旱及特旱發(fā)生頻率減少。重旱及特旱在1980年代出現(xiàn)頻率最低，2000年代最高。

（4）MK突變分析表明近53a中，Pd、Pz及Pt曲線變化均未發(fā)生突變，但特旱UF值自1980年以后一直在0線以上波動，顯示出特旱頻率加大。

［1］張繼權(quán)，李寧.主要?dú)庀鬄?zāi)害風(fēng)險評價與管理的數(shù)量化方法及其應(yīng)用［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2007.

［2］李茂松，李松，李育慧，等.中國近50年旱災(zāi)災(zāi)情分析［J］.中國農(nóng)業(yè)氣象，2003，24（1）：7－10.

［3］趙俊芳，郭建平，徐精文.基于濕潤指數(shù)的中國干濕狀況變化趨勢［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26（8）：18－24.

［4］袁文平，周廣勝.干旱指標(biāo)的理論分析與研究展望［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2004，19（6）：982－990.

［5］商彥蕊.河北省農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性區(qū)劃與減災(zāi)［J］.災(zāi)害學(xué)，2001，16（3）：28－32.

［6］商彥蕊.河北省農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性動態(tài)變化的成因分析［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2000，9（1）：40－46.

［7］劉蘭芳，肖志成，周松秀，等.亞熱帶稻區(qū)旱災(zāi)巨災(zāi)風(fēng)險形成機(jī)理及生態(tài)減災(zāi)研究：以衡陽盆地為例［J］.衡陽師范學(xué)院學(xué)報，2012，33（3）：91－94.

［8］鄒旭愷，任國玉，張強(qiáng).基于綜合氣象干旱指數(shù)的中國干旱變化趨勢研究［J］.氣候與環(huán)境研究，2010，15（4）：371－378.

［9］張強(qiáng)，鄒旭凱，肖風(fēng)勁.氣象干旱等級.GB／T20481－2006，中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006：1－17.

［10］王梓坤.概率論基礎(chǔ)及其應(yīng)用［M］.北京：北京科技出版社，1976.

［11］魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預(yù)測技術(shù)［M］.北京：氣象出版社，1999.

［12］尹云鶴，吳紹洪.1961—2006年我國氣候變化趨勢與突變的區(qū)域差異［J］.自然資源學(xué)報，2009，24（12）：2147－2156.

［13］魏鳳英，曹鴻興.中國、北半球和全球的氣溫突變分析及其趨勢預(yù)測研究［J］.大氣 科學(xué)，1995，19（2）：140－148.

［14］陳芳，馬英芳，金惠瑛.高空溫度、高度變化特征及其與地面氣溫的相關(guān)分析［J］.氣象科技，2005，33（2）：163－166.

［15］劉蘭芳.衡陽盆地農(nóng)業(yè)旱災(zāi)脆弱性研究［J］.熱帶地理，2002，22（1）：19－23.