氣象干旱綜合監測指數適用性分析
----以青海省東部農業區為例

魏 杰，張 鑫

(西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100)

由于干旱的頻發性、持久性以及影響的廣泛性，干旱的監測、預警、旱情的評估等顯得尤為重要[1]。選取適宜的干旱指數，進行干旱災害的有效監測，是國內外學者長期研究的熱點。國內外常用的干旱指數多達五十多個[2]，我國現行的干旱指數主要有降水距平百分率、相對濕潤度指數、土壤相對濕度干旱指數、標準化降水指數、帕默爾干旱指數、Z指數、綜合氣象干旱指數CI等[3]。干旱的發生有著很強的區域性特征，在選取干旱指標時必然要考慮不同指標在不同區域的適用性[4]。很多學者對各個干旱指數進行了區域適用性分析[5-7]，CI指數綜合考慮降水、蒸散發資料，資料獲得較為便利，應用效果也較好，是目前最重要的監測指數[8,9]。

CI指數在應用過程中得到了很多改進，但其計算最長時段只有90 d，對于更長時間的旱情則表現較弱，反映的實際干旱情況偏輕，在特定時期、特定區域的干旱監測可能略有不足[10-13]。在2010年西南干旱監測中，發現CI指數監測的結果會出現旱情不合理加劇的問題[10]。國家氣象中心在CI指數的基礎上，建立了氣象干旱綜合監測指數MCI。MCI指數考慮了90和150 d的降水影響，以及60 d的降水(加權平均降水)及蒸發的影響。本文以青海省東部農業區為例，利用青海省東部農業區的逐日蒸發、降水資料，分別計算CI與MCI干旱指數，并利用Arcgis 10.1軟件對干旱發生頻率及干旱強度進行了空間分析，對比分析其在青海省東部農業區的適用性，為MCI指數在其他地區的推廣提供參考。

1 資料和方法

1.1 資 料

選取青海省東部農業區12個代表站點1960-2005年的逐日蒸發、降水資料，來計算氣象干旱綜合監測指數MCI與綜合氣象干旱指數CI。資料均來自青海省氣候中心，資料代表性好、年限長、缺測少。

1.2 方 法

(1)綜合氣象干旱指數CI。 根據《氣象干旱等級》[3]，CI指數是以相對濕潤度指數和標準化降水指數綜合而得，既能反映了短時間尺度(月尺度)和長時間尺度(季尺度)降水量氣候異常情況，又反映短時間尺度(影響農作物)水分虧欠情況。該指標適合實時氣象干旱監測和歷史同期氣象干旱評估。計算公式為：

CI=aZ30+bZ90+cM30

(1)

式中：Z30、Z90為近30和90 d的標準化降水指數，標準化降水指數是將統計的某時段降水量 分布概率進行標準化處理，并利用標準化降水累積頻率分布來劃分干旱的等級，具體計算方法參照參考文獻[3]；M30為近30 d相對濕潤度指數，相對濕潤度指數計算方法參照參考文獻[3]；a、b、c為權重系數，分別取0.4、0.4、0.8。

(2)氣象干旱綜合監測指數MCI。MCI指數與CI指數計算方法類似[13,14]，MCI指數不僅能反映月尺度和季尺度的降水量氣候異常情況，還能反映150 d的降水量氣候異常情況，同時也能反映短時間尺度(影響農作物)水分虧欠情況。該指標同樣適合實時氣象干旱監測和歷史同期氣象干旱評估。計算公式為：

MCI=aZw60+bM30+cZ90+dZ150

(2)

式中：a、b、c、d為經驗系數，取值為0.3、0.6、0.2、0.3；Zw60為60 d標準化權重降水指數；Z150為近150 d的標準化降水指數。

在計算Zw60時，總降水量不是過去60 d逐日降水量的等權重累加，而是采用指數衰減的方法給逐日降水量賦予不同的權重，進而計算60 d的標準化降水指數，其權重系數為[15]：Wn=(1-a)an，n為距本日的天數，a為參數，此處取0.9。根據相關文獻[3,13,14]，CI與MCI干旱強度等級劃分標準見表1。

表1 MCI與CI干旱強度等級劃分Tab.1 Drought intensity grades of MCI and CI

2 結果與分析

2.1 各等級干旱統計結果對比

基于研究區12個站點1960-2005年的MCI與CI計算結果，統計各站點不同級別的干旱月數及干旱頻率，結果見表2和表3。由表2可知，MCI與CI各等級干旱月數監測結果基本一致，其中MCI無旱、輕旱、中旱的平均月數比CI略少，重旱、特旱的平均月數則比CI略多。從各站干旱月數來看，除個別站點MCI統計的無旱、輕旱月數略多于CI統計的結果外，其余各站MCI監測結果均低于CI，如大通、湟源、西寧等站無旱月數，MCI結果略高于CI，華隆站輕旱月數的監測結果MCI略高。各站中旱月數MCI均少于CI，而對于重旱月數只有民和站MCI統計結果略少，特旱月數則只有湟中站MCI略少。由表3可知，MCI與CI各等級干旱頻率結果與干旱月數結果類似，即MCI的輕旱、中旱平均頻率比CI略少，無旱、重旱、特旱的平均頻率比CI略多，但是有個別站點出現不統一現象，如互助站MCI無旱頻率小于CI，門源站MCI特旱發生頻率低于CI。總體來看，MCI各等級干旱月數與干旱頻率的監測結果與CI一致性較好，但是在重旱與特旱監測結果方面，MCI較CI略重，各站的情況也表明，在某些站點MCI與CI結果有一定差異，這可能是由于MCI監測時段較長以及地域性差異的影響所致。

2.2 干旱過程描述能力對比

根據干旱過程的定義[3]計算研究區12個代表站點的干旱過程，統計每個干旱過程的干旱強度。選取每個代表站點較強的干旱過程，對比分析MCI與CI指數可得，MCI與CI均能反映干旱強度對于降水的敏感性，但CI在干旱發生階段出現不合理的跳躍現象，在沒有降水的時段出現不合理下降，在出現降水的時段后，干旱緩解的過程較慢；MCI變化則較為平穩，當出現降水后，反應也較為敏感。如圖1所示，以大通、湟源、西寧站為例，在大通站1965年1月8日至1965年9月18日的干旱過程中，MCI與CI均反映出干旱強度對降水的敏感性，但CI有一定程度的震蕩現象；在湟源站1966年3月1日至1967年2月28日的干旱過程中，在出現降水后，CI出現了不合理下降現象；在西寧站1991年2月1日至1991年11月9日的干旱過程中，CI出現了明顯的震蕩現象，不合理下降現象尤為嚴重，MCI則整體表現較為平緩，對降水的敏感性也較高。出現這些原因主要是在計算CI指數時，沒有考慮近期和前期降水及蒸散量對當日干旱的影響[13]。

表2 MCI與CI各等級干旱月數 月Tab.2 Each levels dry months of MCI and CI

表3 MCI與CI各等級干旱頻率 %Tab.3 Each levels droughty frequency of MCI and CI

圖1 代表站點典型干旱演變過程和對應降水量變化Fig.1 Typical drought processes and precipitation changes during the same time at Xining station at representative station

干旱過程的緩解伴隨著跳躍性和漸進性的特征，根據MCI、CI指數比前一日的減少量來確定不合理跳躍點[11](即MCI統計與前一日指數之差≥0.5的次數；CI統計與前一日指數之差≥0.6的次數)，MCI與CI不合理跳躍點次數統計結果見表4。研究區各站的統計結果可以看出，CI的不合理跳躍次數明顯多于MCI，主要是由于MCI考慮了60 d內的降水和蒸發的影響，且采取指數衰減權重處理，90和150 d降水的影響，因此，在降水過程移出30或90 d的監測時段時，不合理跳躍次數大幅度減少，在反映干旱過程的漸變特征方面，MCI比CI更為合理。

2.3 干旱空間分布特征對比

2.3.1干旱頻率空間分布

經研究表明，觀察組中老年糖尿病合并腦梗塞患者檢出率90.00%（陰性患者10例、百分比為10.00%；陽性患者90例、百分比為90.00%）高于對照組檢出率80.00%，差異有統計學意義（P＜0.05）。

統計MCI與CI干旱過程的干旱日數，計算得到青海省東部農業區12個站點的干旱頻率。從圖2可以看出，MCI與CI年干旱發生頻率分布情況大體一致，由西北往東南呈現逐漸遞增的趨勢；MCI較CI發生頻率略高，MCI發生干旱的頻率為38.4%～48.2%，干旱頻率較高的站點為貴德(48.0%)、循化(48.3%)，最低為門源(38.4%)；CI發生干旱的頻率為29.9%～49.3%，干旱頻率較高的站點為貴德(49.1%)、循化(49.3%)等地，最低為互助(29.9%)，MCI與CI在干旱頻率上的差異可能是由MCI的監測時段較長所致。

表4 研究區MCI與CI指數不合理跳躍次數統計(1961-2005年)Tab.4 The number of unreasonable jumping points of MCI and CI at study area from 1961-2005

圖2 青海省東部農業區干旱頻率分布Fig.2 Spatial distributions of drought frequency in Eastern agricultural region of Qinghai Province

2.3.2干旱強度空間分布

以多年平均日干旱強度的空間分布來反映研究區的干旱強度分布情況。圖3為研究區干旱過程多年平均日干旱強度分布圖，MCI與CI干旱強度分布與干旱頻率有近似的分布情況，基本也是西北低東南高，MCI年干旱強度較大的站點為湟源、樂都、西寧、循化等地，多年平均干旱強度在-1.06左右(相當于中旱級別)，其余站點平均干旱強度在-0.96左右(相當于干旱級別為輕旱)；CI干旱強度較高的站點為湟源、樂都、西寧、民和等地，多年平均強度為-1.33(相當于中旱級別)，其余站點平均值在-1.16左右(相當于輕旱級別)，MCI的干旱強度總體上稍微強于CI。

圖3 青海省東部農業區干旱強度分布Fig.3 Spatial distributions of drought intensity in Eastern agricultural region of Qinghai Province

2.4 干旱年際變化對比

根據計算的MCI與CI指數，統計歷年各站各次干旱的發生次數、干旱過程持續時間、干旱強度變化等，得到研究區平均日干旱強度變化。從研究區MCI與CI年累計干旱強度變化[圖4(a)]可以看出，MCI與CI年干旱強度均呈波動式的變化，干旱發生年份也基本一致；研究區MCI與CI統計的年平均干旱日數變化[圖4(b)]也高度一致，對于較大的干旱，MCI則比CI持續時間更長，如年干旱持續日數最多的均為1965年，MCI持續日數為293 d,CI持續日數為244 d；MCI與CI平均日干旱強度變化[圖4(c)]也呈現出一致性的波動變化，干旱年份也較為一致，如1962、1965、1972年均為中旱。

2.5 與實際干旱情況的對比

根據《中國歷史干旱》、《中國氣象災害大典》(青海卷)等統計資料，結合研究區實際情況，選取干旱較為嚴重的年月，以湟源、尖扎、樂都、民和、西寧為例，比較氣象干旱綜合監測指數MCI與綜合氣象干旱指數CI在干旱頻發站點的干旱等級，結果見表5。

由表5可見，各個站點的干旱等級，除個別年月MCI定義的干旱等級較與CI略有差異外，干旱等級基本一致。如湟源站1965年3月，MCI定義為特旱，CI則定義為輕旱；1972年9月，MCI定義為輕旱，CI定義為重旱；其余年份基本一致。西寧站1965年3月，MCI定義為特旱，CI定義為中旱；1972年9月與1982年7月，MCI定義為特旱，CI定義為輕旱。

表5 MCI與CI指數干旱等級與實際干旱情況對比Tab.5 MCI and CI index drought level compared with the actual drought situation

3 結 語

通過對比分析MCI與CI指數等級干旱月數與干旱頻率的監測結果、對干旱過程的描述能力、干旱時空分布特征、干旱年際變化以及與實際干旱情況的對比，得出以下結論。

(1)MCI各等級干旱月數與干旱頻率的監測結果與CI一致性較好，但MCI的重旱與特旱月數較CI略多，干旱頻率也略高。

(2)MCI對干旱過程的描述能力與CI的監測結果基本一致，但MCI在干旱發展階段的不合理跳躍次數大幅度減少，在旱情緩解過程中變化較為平緩。

(3)在干旱頻率與干旱強度的空間分布特征方面，MCI與CI表現的結果基本一致，大體都能合理反映研究區的干旱頻率與干旱強度特征，但區域性分布差異都不是太大，在實際應用中，選取干旱指數時應該考慮研究區的區域性特征。

(4)MCI與CI的年際變化特征一致性較好，但MCI干旱持續時間也較長、干旱強度也偏重，MCI彌補了CI在較大旱情監測時結果偏輕的不足。

(5)實際發生干旱時，MCI與CI定義的干旱等級，除個別站點干旱等級略有差異外，總體上一直性較好，都比較符合實際干旱情況。

(6)MCI與CI相比，干旱發生過程較為平緩，不合理跳躍現象有所改善；但依然存在不合理跳躍點，對于旱情的監測可能會出現過于緩慢的現象，旱情監測也可能出現偏重的情況。因此，在選取干旱指數時應綜合考慮區域性、季節性特征，充分考慮干旱指數的適用性，進而保證監測結果更 為精確。總體上看，MCI指數在青海省東部農業區適用性較好。

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