基于CI指數的懷化市干旱時空特征分析

張 坤，王新發，姚秋云，段文靜，羅文英

(1.湖南省懷化市氣象局，湖南 懷化 418000；2.成都信息工程大學通信工程學院，四川 成都 620058)

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基于CI指數的懷化市干旱時空特征分析

張 坤1,2，王新發1，姚秋云1，段文靜1，羅文英1

(1.湖南省懷化市氣象局，湖南 懷化 418000；2.成都信息工程大學通信工程學院，四川 成都 620058)

該文采用綜合氣象干旱指數(CI)，利用線性分析、空間分析等方法對懷化市1963—2015年氣象干旱特征進行了分析。結果表明：近53 a來懷化市年干旱頻率在5.6%～41.9%之間，平均為22.7%，在空間上，干旱頻率分布在21.4%～24.1%之間，新晃區域干旱頻率最高；1963—2015年干旱日數呈增加趨勢，變化率為1.5 d/10 a，從四季看，除夏季外，其他3季干旱日數均呈增加趨勢；懷化市年平均輕旱日數為44.1 d、中旱25.9 d、重旱9.4 d、特旱3.4 d。

懷化市；CI指數；干旱日數；干旱頻率；空間分布

1 引言

干旱是影響懷化主要氣象災害之一，隨著經濟的快速發展以及全球氣候變暖的加劇，干旱趨勢不斷加重，對人民的生活、生產，生態環境等造成了嚴重的影響[1-2]。近年來，許多國內外的專家學者對干旱指數進行了大量研究，其中比較常見的有標準化降水指數、Z指數、Palmer干旱指數、連續無有效降水日數等,這些干旱指數在干旱監測業務和研究中都得到了廣泛的應用[3]。有不少學者基于不同的氣象干旱指數對我國干旱及其氣候變化特征進行研究[4]。例如任建成等[5]利用標準化降水指數對黃河三角洲地區近30 a旱澇時空特征進行了分析，認為黃河三角洲地區在20世紀80年代干旱較為頻繁，90年代中后期和2002年以后則雨澇較為頻繁，其他時段呈現出旱澇交替變化的趨勢；王鶯等[6]利用Z指數分析了石羊河流域干旱特征，發現石羊河流域的Z指數在51 a中總體呈上升趨勢；張婧等[7]利用CI指數對河北省近50 a干旱時空分布進行了分析，認為河北省近50 a降水量以16.5 mm/10 a的速度遞減。白美蘭等[8]利用綜合干旱指數分析了內蒙古中東部地區春季和夏季干旱的時空分布特征，得出氣候變暖后內蒙古地區降水分配格局發生了變化，使內蒙古中東部地區春季干旱減輕，而夏旱加重。

湖南省降水分布不均勻，年際變化大，旱季明顯，旱災發生頻率高[9]。懷化位于湖南西部偏南，是湖南省面積最大的地級市，具有明顯的亞熱帶大陸性季風氣候特征，旱澇災害時有發生。例如2013年夏季出現了嚴重干旱，7月1日—8月6日全市平均降水量不足6 mm，比歷年均值偏少98%。干旱期間，全市共有655條溪河斷流，301座水庫干涸，2 765眼機電井出水不足。226個鄉鎮3 897個行政村共計18.46萬hm2農作物受旱，其中輕旱5.36萬hm2，重旱6.9萬hm2，干枯6.19萬hm2，58.6萬人和16.26萬頭大牲畜出現臨時飲水困難。本文擬利用CI干旱指數從干旱頻率、干旱日數等方面，對懷化市近53 a干旱特征進行分析，以期掌握干旱時空變化規律，為懷化市氣象干旱預測和加強氣象防災減災工作提供科學依據。

2 資料與方法

2.1 資料來源

選取懷化市11個國家氣象站點1963—2015年逐日降水和氣溫觀測資料。四季劃分以：3—5月份為春季，6—8月份為夏季，9—11月份為秋季，12—2月份為冬季。

2.2 方法

2.2.1 綜合氣象干旱指數(CI) 綜合氣象干旱指數(CI)根據國家氣象干旱標準《氣象干旱等級GB/T 20481-2006》，計算公式如下：

CI=aZ30+bZ90+cM30

(1)

式中，Z30、Z90分別為近30 d和近90 d標準化降水指數SPI值；M30為近30 d相對濕潤度指數；a為近30 d標準化降水系數，由達輕旱以上級別Z30的平均值除以歷史出現最小Z30值，平均取0.4；b為近90 d標準化降水系數，由達輕旱以上級別Z90的平均值除以歷史出現最小Z90值，平均取0.4；c為近30 d相對濕潤系數，由達輕旱以上級別M30的平均值除以歷史出現最小M30值，平均取0.8[10]。

日綜合干旱指數(CI)可通過式(1)，利用前期平均氣溫、降水量滾動計算。干旱等級劃分標準見表1。

表1 綜合氣象干旱等級的劃分

2.2.2 干旱頻率 本文利用懷化市53 a逐日綜合氣象干旱指數(CI)，通過公式(2)計算干旱頻率：

P=n/N×100%

(2)

式中：n為53 a出現CI≤-0.6的日數，N為53 a總日數。

3 干旱時空變化特征分析

3.1 干旱頻率特征

統計分析可知懷化市近53 a干旱頻率在5.6%～41.9%之間，平均干旱頻率為22.7%，其中干旱頻率最高為41.9%，出現在1963年，最低為5.6%，出現在1977年。懷化市近53 a干旱頻率整體年際變化不顯著，但不同年代干旱頻率年際波動較大，20世紀60年代，干旱頻率呈降低趨勢，變化率為-29%/10 a，70年代年干旱頻率波動較大，但年際變化趨勢不顯著，變化率僅為-1%/10 a，80年代干旱頻率年際變化率為-4%/10 a，90年代干旱頻率年際變化與70年代類似，變化率為1%/10 a，21世紀前15 a，干旱頻率年際波動較大并呈下降趨勢，變化率為-1%/10 a。

分析1963—2015年懷化市11個氣象站點年平均干旱頻率可知，在空間上，懷化市干旱頻率分布在21.4%～24.1%之間，年平均干旱頻率最高為新晃站，最低為通道站。由圖1可以看出，在空間上，懷化市的新晃、沅陵、通道及懷化城區較高。

圖1 懷化市年平均干旱頻率空間分布Fig.1 Spatial distribution of annual average drought frequency in Huaihua City

3.2 干旱日數的年際變化

3.2.1 年干旱日數的年際變化 1963—2015年懷化市年平均干旱日數年際波動較大，年干旱日數在20.5～153.1 d之間，年平均干旱日數為82.8 d，其中干旱日數最多為153.1 d，出現在1963年，干旱日數最少為20.5 d，出現在1977年。1963—2015年懷化市干旱日數呈增加趨勢，變化率為1.5 d/10 a。

3.2.2 季干旱日數的年際變化 1963—2015年懷化市春季干旱日數在0～63.4 d之間，平均干旱日數為11.7 d，其中春季干旱日數最多的為2011年，達到63.4 d，最少的為0 d，出現在1970年和2003年。從圖2a可知，近53 a來春季干旱日數呈增加趨勢，但變化趨勢不顯著，變化率為0.52 d/10 a。春季，由于南海季風開始活躍，降水增多，氣候溫和濕潤，發生春旱的概率較低。

夏季干旱日數在0.8～74.7 d之間，平均干旱日數為27.4 d，其中夏季干旱日數最多的為1963年，達到74.7 d，最少的為1977年，干旱日數0.8 d。從圖2b可知，近53 a來夏季干旱日數呈減少趨勢，變化率為0.67 d/10 a。夏季雨季結束后，西太平洋副熱帶高壓增強北跳西伸，8—9月懷化受副熱帶高壓穩定控制，氣溫偏高，降水偏少，蒸發量大，極易發生夏秋連旱。

秋季，由于極地氣團與溫帶氣團的交界面逐漸南移，副高北挺西伸，受單一的暖氣團穩定控制，晴熱少雨[11]，是懷化發生干旱最頻繁的季節，秋季干旱日數在3.6～84.4 d之間，平均干旱日數為31.4 d，其中秋季干旱日數最多的為1992年，達到84.4 d，最少的為1977年，干旱日數3.6 d。從圖2c可知，近53 a來秋季干旱日數呈增加趨勢，變化率為1.27 d/10 a。

冬季干旱日數在0～40.8 d之間，平均干旱日數為12.8 d，其中冬季干旱日數最多的為1988年，達到40.8 d，最少的出現在1963、1972、1982、1994、1997、2000年，干旱日數0 d。從圖2d可知，近53 a來冬季干旱日數呈增加趨勢，變化率為1.44 d/10 a。冬季北方冷高壓脊南伸，懷化處于高壓低部，寒冷干燥，但蒸發量較夏季少，較春季大，故冬季也易發生干旱，但輕于夏秋季干旱，重于春季。

圖2 1963—2015年懷化市四季干旱日數的年際變化(a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季)Fig.2 Inter annual variation of the seasonal drought days in Huaihua city during 1963—2015 (a. spring; b. summer; c. autumn; d. winter)

3.3 不同干旱等級干旱日數的空間分布

懷化市分布在25°～35°N、108°～112°E之間，南北跨度大，東西狹窄，所受氣候背景相同，但局部存在差異。受地形等因素的共同影響，各縣市出現干旱的情況也不相同。懷化北部處于武陵山脈下風坡，容易產生下沉氣流，降水偏少，南部處于南嶺山脈余脈，降水相對偏多。而西部處于云貴高原向山地、丘陵的過渡帶，地勢高，降水少，東部處于雪峰山山脈的迎風坡，對降水有增益作用。

從圖3a可知，懷化市輕旱日數大體呈由北向南依次遞減的分布趨勢，輕旱日數較多的為北部的沅陵區域。1963—2015年懷化市年平均輕旱日數分布在41.6～48.2 d之間，輕旱日數最多的是沅陵站，最少的是洪江站，11個氣象站點平均輕旱日數為44.1 d；從圖3b可知，懷化市中旱日數總體呈北部區域小于南部區域的分布趨勢，中旱日數較多的區域為懷化南部。1963—2015年懷化市年平均中旱日數分布在23.5～28.1 d之間，中旱日數最多的是辰溪站，最少的是懷化站，11個氣象站點平均中旱日數為25.9 d；從圖3c可知，懷化市重旱日數總體呈北少南多的分布趨勢，重旱日數較多的區域為懷化西部。1963—2015年懷化市年平均重旱日數分布在7.8～13.2 d之間，重旱日數最多的是新晃站，最少的是沅陵站，11個氣象站點平均重旱日數為9.4 d；從圖3d可知，懷化市特旱日數總體呈由西北部向東南部依次遞減的分布趨勢，特旱日數較多的區域為懷化西北部。1963—2015年懷化市年平均特旱日數分布在2.3～4.3 d之間，特旱日數最多的是辰溪站，最少的是洪江站，11個氣象站點平均特旱日數為3.4 d。

圖3 懷化市不同干旱等級干旱日數的空間分布(a.輕旱；b.中旱；c.重旱；d.特旱)Fig.3 Spatial distribution of drought days in different drought days in Huaihua city (a.light drought; b.moderate drought;c.severe drought; d.extreme drought)

4 結論

本文使用綜合氣象干旱指數(CI指數)，從干旱頻率、干旱日數的年際變化以及不同干旱等級干旱日數的空間分布等3個方面對懷化市1963—2015年氣象干旱特征進行了分析，可以得出：

①懷化市近53 a年平均干旱頻率在5.6%～41.9%之間，平均為22.7%，從空間分布看，年平均干旱頻率在21.4%～24.1%之間，懷化西部的新晃區域干旱頻率最高。

②1963—2015年，懷化市干旱日數年際波動較大，呈增加趨勢，變化率為1.5 d/10 a，從四季變化趨勢來看，除夏季外，其他3季干旱日數均呈增加趨勢；

③懷化市年平均輕旱日數為44.1 d，大體呈由北向南依次遞減的分布趨勢，中旱日數25.9 d，總體呈北部區域小于南部的分布趨勢，重旱日數9.4 d，總體呈北少南多的分布趨勢，特旱日數3.4 d，總體呈由西北部向東南部依次遞減的分布趨勢。

[1] 張金鳳,馮杰,何祺勝.基于CI指數的貴州省干旱時空變化規律研究[J].水電能源科學,2014,32(4):4-8.

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[4] 劉可群,李仁東,劉志雄,等.基于CI指數的湖北干旱及其變化特征分析[J].長江流域資源與環境,2012,21(10):1 274-1 280.

[5] 任建成,鞏在武,鄭寶枝.基于SPI的近30年黃河三角洲地區旱澇時空特征[J].水土保持研究,2016,23(1):268-277.

[6] 王鶯,趙福年,姚玉璧,等.基于Z指數的石羊河流域干旱特征分析[J].災害學,2013,28(2):100-106.

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[9] 張劍明,廖玉芳,彭嘉棟,等.湖南氣象干旱日數的時空變化特征[J].中國農業氣象, 2013,34(6):621-628.

[10]張強,鄒旭愷,肖風勁.GB/T20481-2006氣象干旱等級[S].北京:中國標準出版社,2006:17.

[11]潘志祥,黎祖賢,葉成志.湖南省天氣預報手冊[M].北京:氣象出版社,2015.

Analysis of temporal-spatial characteristics of drought in Huaihua City based on compound meteorological drought index (CI)

ZHANG Kun1,2,WANG Xinfa1,YAO Qiuyun1,DUAN Wenjing1,LUO Wenying1

(1.Meteorological Administration of Huaihua City, Huaihua 418000,China; 2.College of Communicaion Engineering,Chengdu University of Information Technology, Chengdu 620058, China)

Based on compound meteorological drought index (CI), the characteristics of meteorological drought in Huaihua City from 1963 to 2015 were analyzed by using linear analysis and spatial analysis. The results show that: the annual drought frequency of Huaihua City in recent 53 a was between 5.6%～41.9%, with an average of 22.7%. In space, the frequency of drought is distributed between 24.1%～21.4%, and it's the highest frequency of drought in Xinhuang County areas. The meteorological drought days showed an increasing trend during 1963 to 2015, its rate of change was 1.5 d/10 a.From the four seasons, the number of dry days showed an increasing trend in other three seasons except summer. The average of annual drought days in Huaihua city: the light drought days 44.1 d, the middle drought days 25.9 d, the heavy drought days 9.4 d, the special drought days 3.4 d.

Huaihua City; compound meteorological drought index (CI); meteorological drought days; drought frequency; spatial distribution

1003-6598(2016)06-0059-05

2016-08-24

張坤(1985—)，女，碩士在讀，工程師,主要從事氣象科技服務工作，E-mail:398355393@qq.com。

湖南省氣象局2016年短平快課題(XQKJ16B064)。

P426.616

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