基于干旱K指數的阿勒泰地區夏旱風險區劃

潘冬梅，諾爾沙拉，潘雪梅

（1.吉木乃縣氣象局，新疆吉木乃 836800；2.富蘊縣氣象局，新疆富蘊 836100）

基于干旱K指數的阿勒泰地區夏旱風險區劃

潘冬梅1，諾爾沙拉1，潘雪梅2

（1.吉木乃縣氣象局，新疆吉木乃 836800；2.富蘊縣氣象局，新疆富蘊 836100）

利用新疆阿勒泰地區7個氣象站1981—2010年6—8月月平均氣溫、降水量資料，首先通過Thomthwaite方法計算潛在蒸發量確定K干旱指數，應用變異系數、風險概率、風險指數對阿勒泰地區夏季干旱的風險性進行了討論和評估。結果表明：阿勒泰地區遭受干旱的風險性較高，出現偏旱的風險概率在80%左右，發生重旱的風險概率在22%～36%；綜合風險區劃結果顯示：夏旱高風險區主要集中在阿勒泰北部和中東部，風險概率分布上偏北丘陵地區大于南部。

夏旱；風險評估；區劃；阿勒泰地區

干旱是自然災害中影響范圍最廣、影響人口最多的災害之一。據統計，我國1989—1998年干旱所造成的災害占所有災害的50%[1]。旱災具有影響面積大，影響范圍廣，明顯的季節性、持續性、地域性和潛伏性以及年際變化等多個特點，嚴重影響了我國的經濟發展，西北干旱區尤為突出。為此，研究干旱的時空規律，進行災害風險評估及預測十分必要。在干旱分布及趨勢預測等方面，國內已開展了大量的研究[2-4]；建立客觀適用的氣象干旱指標[5-9]，對評價本地區的干旱狀況以及干旱監測發揮了重要的作用。以往的研究多側重于干旱指標、機制及氣候分析，對于干旱風險評估的研究相對較少。

阿勒泰地區位于新疆最北部，地形復雜，地勢多樣，轄有六縣一市，干旱一直是制約該地區農牧業發展的主要災害，屬重旱災區域[1]。特別是夏季降水占年降水量的33%～40%[10]，是造成農牧業生產豐歉的主導因素。

本文選擇適合本地區的干旱指標，利用變異系數、風險概率及風險指數，對阿勒泰地區夏季干旱進行風險評估與區劃研究，對進一步認識阿勒泰地區旱災發生的風險評價及分布規律，指導防旱、抗旱、制定農牧業生產決策規劃等具有重要的現實意義。

1 資料與方法

1.1 數據來源及處理

選取1981—2010年夏季阿勒泰地區6縣1市6—8月降水、蒸發量資料。因蒸發皿蒸發缺測較多，記錄不完整，故選擇Thomthwaite方法計算潛在蒸發量，其計算相關性均通過0.01的檢驗。根據當地氣候和農牧業生產特點，以6—8月為夏季。

1.2 夏旱指數

表征干旱的指標很多，研究[5，8]指出，基于K指數建立的阿勒泰地區干旱強度指數和面積指數，較好地反映了該地區干旱的特征。本文采用干旱K指數作為干旱指標，公式如下：

式中，K為某時段的干旱K指數；R′為該時段降水的相對變率，R′=R/Rp，其中R為該時段的降水量，Rp為該時段降水量的平均值；E′為該時段蒸發的相對變率，E′=E/Ep，其中E為該時段的蒸發量，Ep為該時段蒸發量的平均值。K越小，干旱越嚴重，反之，干旱不明顯。

按式（1）計算了研究區各站歷年K指數。在此基礎上，根據表1劃分的旱澇標準等級分析。

1.3 變異系數

表1 阿勒泰地區K干旱指數等級劃分

變異系數表示某干旱指數序列值的幅度偏離其平均值的程度，變異系數大，則偏旱或重旱年份較多。具體公式如下：

式中，V為系數，Ki為夏旱指數為夏旱指數多年平均值，n為年數。當Ki＜0.9、n為偏旱以下年份（含重旱）時，得到偏旱界限下的變異系數，當Ki＜0.5、n為重旱以下年份時，得到重旱界限下的變異系數。V越大，則偏旱或重旱的年份多，農牧業生產的風險性大。

1.4 信息擴散理論

信息擴散論是一種可以彌補信息不足的模糊數學處理方法[11]，該方法考慮優先利用樣本模糊信息，對樣本進行集值化，將一個觀測值樣本變成一個模糊集，最常用的模型是正態擴散模型。

設在某區過去的m年內各年的干旱指數分別是y1、y2、…ym，則：

Y為觀測樣本集合，其中的yj（j=1，2，3…m）為干旱指數。設旱災指數論域為：

式中，u1、u2、…un為旱災風險水平，主要由歷史干旱指數序列的取值范圍和變化規律確定。

一個單值觀測樣本yi依下式將其攜帶的信息擴散給U中的所有點。

其中，h稱為擴散系數，可根據樣本集合中樣本的最大值b和最小值a及樣本個數m來確定，計算公式為：

相應的模糊子集的隸屬函數是:

取Y集合中的y為論域中的某一個元素ui，則超越ui的概率值為：

顯然，P（ui）就是所有樣本落在ui（i=1，2，3…，n）處的頻率值，將其作為干旱災害的風險估計值。

2 結果與分析

2.1 夏旱分布特點及變異系數

從各地平均夏旱指數來看，阿勒泰地區偏北部偏旱指數在0.5以下，表明該區域多數年份都處于偏旱狀態；吉木乃、青河縣夏旱指數在0.6左右，說明發生中度干旱年份較少。

從圖1可以看出，近30 a干旱發生頻率最大中心出現在布爾津縣,向偏西、偏東區域遞減。

圖1 阿勒泰地區夏季干旱空間分布圖

計算了偏旱、重旱界限下的變異系數（表2），阿勒泰地區上述兩種干旱界限下的變異系數比較一致，基本上都是偏旱變異系數大的地方，則重旱界限下的變異系數也大，反之較小。各地偏旱界限下的變異系數相差不大，以西北、東北部為最大，在31%以上，尤其布爾津縣最大，達38%，表明這里干旱發生的年份多，風險較高；吉木乃縣最小，只有21%，表明該區發生干旱的年份少，干旱風險最小。重旱界限下的變異系數是以中東部為較大區，在25%左右，阿勒泰市最大，達28%，說明這里發生重旱的年份多，風險最高；吉木乃、青河縣為較小區，吉木乃縣為最小區，只有6.6%，表明該區發生重旱的年份少，干旱風險最小；其它區域一般在17%～24%。

表2 阿勒泰地區夏季干旱變異系數結果

2.2 夏旱的風險概率及風險指數

基于信息擴散論的研究把強度和發生頻率有機結合在一起，物理意義明確，較客觀地反映了夏旱的風險性大小[12]。本文采用正態擴散模型進行干旱風險評估，以縣為單位。根據氣象干旱等級的標準，哈巴河縣發生干旱的年份有1981—1986，1989，1991，1994，1996—1999，2006，2008—2009。修訂后，相應的干旱樣本為：0.3、0.48、0.3、0.8、0.69、0.4、0.45、0.5、0.53、0.41、0.71、0.48、0.72、0.3、0.32、0.71。取干旱論域定為：U={u1，u2，…，u11}={0，0.1，0.2，…，1}，表征不同的風險水平。

按（4）式計算出擴散系數為：h=0.043，根據式（3）～（9）式計算，可得到哈巴河縣旱災在不同風險水平的超越風險概率，依次類推，分別計算出阿勒泰地區其他各縣（市）的旱災風險概率估計值。風險指數指干旱指數的大小，風險估計值表示小于該指數的概率，風險指數為0.4意為旱災指數≤0.4出現的概率，如哈巴河縣干旱風險指數為40%時風險估計值為0.338，換言之，該縣平均3 a就遭受1次重旱。

按干旱K指數為0.9、0.4依次定為一般干旱、重旱標準，利用Surfer軟件將各縣（市）的風險計算結果作出阿勒泰地區旱災風險圖（圖2）。

對于一般旱災而言（圖2a），風險概率高值區位于吉木乃、富蘊縣，說明該區出現偏旱的年份較多，為風險最大區；其它的風險概率差別不大，在78%～81%。

重旱界限下（圖2b），阿勒泰地區的中、北部風險概率較大，尤其阿勒泰市，達36%，為重旱高風險區；偏東、西部出現的風險概率較小，吉木乃縣最小，只有21.5%，說明該區較少發生嚴重干旱，空間分布上呈現沿阿勒泰山脈自北向南部遞減的特征。

2.3 夏旱綜合風險區劃

為了更綜合地反映阿勒泰地區的夏旱風險并進行風險區劃，首先對重旱界限下的上述風險指標（變異系數、風險概率）進行極差標準化，使其值都處于0～1，以消除量綱的影響；同時參考上述變異系數、風險概率和風險指數，將阿勒泰地區分為高風險區、較高風險區、低風險區，具體方法采用聚類分析法[13]，具體區劃結果見圖3。

圖2 阿勒泰地區夏季偏旱（a）、重旱（b）風險指數分布圖

Ⅰ區包括阿勒泰市、哈巴河、富蘊縣，為夏旱高風險區；Ⅱ區包括福海、布爾津、青河縣為較高風險區；西部吉木乃縣風險最小，劃分為Ⅲ區。

2.4 阿勒泰地區夏季干旱成因分析

綜上所述，阿勒泰地區干旱重災區即高風險區分布在哈巴河—阿勒泰市—富蘊縣一帶，呈現沿阿勒泰山脈西北-東南排列的偏北區域,分析結果和以往的研究成果[14]較為一致，可見這樣分區是合理的。分析可知，受阿勒泰山脈走向影響，干旱高風險區地勢高，緯度偏北，受北風氣流影響比較大，蒸發力強，因此遭受干旱最為嚴重。而低風險區分布在阿勒泰地區西南部，主要受西南氣流影響，尤其是沿額爾齊斯河河谷進入的西風氣流，夏季受地形的抬升作用凝云致雨因而往往干旱程度較輕。

圖3 阿勒泰地區夏旱風險區劃

3 結論與討論

（1）阿勒泰地區夏季降水較少且不穩定，風多，蒸發量大，降雨多在5 mm以下，在農業生產中意義不大，不能形成雨養農業，遭受夏旱的風險性相對較大。各縣市夏季發生干旱的概率在50%～60%；大部分區域偏旱界限下的變異系數差別不大；重旱界限下的變異系數是以中東部為較大區，在25%左右，阿勒泰市最大，達28%；吉木乃為最小區，只有6.6%。

（2）對于一般旱災，各地風險概率差別不大，在78%～81%，高值區在吉木乃、富蘊縣。重旱界限下，阿勒泰地區北部、中東部風險概率較大，尤其阿勒泰市，達36%，為重旱高風險區，偏東、西部出現的風險概率較小，吉木乃縣最小，只有21.5%。

（3）依據綜合風險指數將阿勒泰地區夏季干旱劃分為3個風險區，其受災風險依次為Ⅰ區＞Ⅱ區＞Ⅲ區；空間分布上呈現沿阿勒泰山脈自北向南遞減的特征。

Ⅰ區：主要包括阿勒泰市、哈巴河縣、富蘊縣等偏北區域。

Ⅱ區:主要包括布爾津、福海、青河縣等偏南區域。

Ⅲ區：指吉木乃縣。

本文不但分析了夏旱平均狀況，同時從變異系數、風險概率、風險指數等方面進一步對干旱的風險程度進行了分析，給出了夏旱風險區劃圖，對當地農牧業生產有直接的指導意義。

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Risk Zone of Summer Drought in Altay Area Based on Drought K Index

PAN Dongmei1，Ruershala1，Pan Xuemei2
（1.Jimunai Meteorological Station，Jimunai 836800，China；2.Fuyun Meteorological Station，Fuyun 836100，China）

Using the monthly average temperature and precipitation data that observed by seven weather stations in Altay area from June to August,from 1981 to 2010.The drought index,K,is determined firstly by calculating the potential evaporation through Thomthwaite method,the risk of the summer drought in Altay area were discussed and evaluated using the variation coefficient,the risk probability and risk index of the drought index（K）.The results show that the risk of the summer drought was high in Altay.The probability of precipitation less than normal in summer was about 80%and the probability of serious drought was 22%～36%.The results of the comprehensive risk division show that the high possibility of summer drought concentrated in the northern and middle easthern regions in Altay area,while the probability of risk decreased from the northern to southern Altay area.

summer drought；risk assessment；zoning；Altay area

S162

B

1002-0799（2013）06-0068-05

10.3969/j.issn.1002-0799.2013.06.011

2012-05-31；

2013-03-18

新疆氣象局青年基金項目（201228）。

潘冬梅（1968-），女，工程師，現從事天氣預報及氣候研究工作。E-mail：pdm-1968628@163.com