基于多標量干旱指數的錦州市干旱時空特性分析

李 研

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

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基于多標量干旱指數的錦州市干旱時空特性分析

李 研

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

基于錦州市8個氣象站的觀測數據、結合時間及空間插值法得到錦州市各行政區劃近59a的水文氣象數據，并采用多標量干旱指數法對錦州市的干旱時空特性進行了分析，得到錦州市干旱程度時空特性和各地區的干旱事件頻率分布情況，從而總結出錦州市各地區的干旱嚴重程度、變化情況與趨勢、以及各干旱事件的重現期，從而為該地區旱災防治方案的確定提供科學指導。

多標量；干旱指數；錦州市；時空特性

1 概 述

干旱是人類面對的最常見的長期自然災害之一，其發生主要是因為需水量大于可供水量，從而使得水量平衡為負值，對農業、經濟、和環境具有非常大的破壞作用。干旱的防治主要有工程措施和非工程措施兩種，其中工程措施主要是指修建灌溉水工建筑物、修建水庫等蓄水設施、以及修建地下水開發利用工程等；而非工程措施主要包括水資源調度，干旱預測，節約用水等。以上措施的制定都需要以干旱的時間與空間特性分析為基礎，因此干旱的時空特性分析在旱災防治方面具有重要的應用意義。干旱時空特性分析的前提是干旱程度的量化指標，在過去幾十年中應用最廣泛的為PDSI法[1]，該方法主要是基于月均水量平衡方程，主要考慮因素包括降雨、徑流、蒸發騰發量和土壤水分，但該方法受參數率定方面的影響較大，因此不適宜分析干旱的空間分布情況。 目前應用較為廣泛的為標準降水系數(SPI)法[2]，它主要是基于長期的降水監測數據，并結合降水數據以及概率密度函數來得到一個單一的量化的指數來表征干旱情況。該方法可采用不同的時間尺度且受參數率定的影響較小，因此可廣泛使用于干旱時空特性分析中[3]。但它的主要缺點是只考慮了降水對干旱的影響，而沒有考慮其它因素的影響。為進一步解決以上問題，Vincente-Serrano等人提出了多標量干旱指數法，該方法在SPI方法的基礎之上加入了氣溫，風速，光照以及濕度等的影響，從而使所得結果更為準確。因此，文章基于多標量干旱指數法對錦州地區的干旱時空特性進行分析，從而對該地區旱災防治的措施制定提供參考。

2 研究區域與分析方法

2.1 研究區域與基礎資料

研究區域為遼寧省錦州市，該市位于遼寧省西南部，是連接東北和華北地區的交通要沖，為遼寧第2大沿海城市。土地總面積10301km2，轄古塔區、凌河區、太和區、松山新區、龍棲灣新區、經濟技術開發區(下文簡稱“經發區”)、黑山縣、義縣、凌海市、和北鎮市。處歐亞大陸東部暖溫帶半濕潤氣候區和大陸性季風區，四季分明，風力較大。該地區境內有大凌河、小凌河、和繞陽河三大水系，并有百股河、二郎洞水、觀音洞水、女兒河、小壩溝等河流。

目前，該地區沒有較為詳盡的干旱指數資料，因此可基于多標量干旱指數法通過降水量、氣溫、風速、光照、濕度等氣象資料對其進行計算。錦州市共有胡家、司屯、趙家屯、凌海、錦州、復興堡、義縣、和缸窯口8個氣象數據監測站，但其分布并不嚴格按行政區劃布置，因此不利于錦州市各地區旱災防治措施的制定。因此，采用非線性時間插值和克里金空間插值法對基礎數據進行處理，得到古塔區、凌河區、太和區等各地區1957—2015年共59a的氣象數據基礎資料。

2.2 多標量干旱指數

多標量干旱指數法是在SPI方法的基礎之上加入了氣溫，風速，光照以及濕度等因素的影響，其中后幾項氣象因子的影響可用潛在蒸散發量來表示。各影響因子與潛在蒸發量的關系主要通過P-M公式來表達：

(1)

式中：WT為飽和水汽壓-溫度關系曲線斜；Fb為冠層表面凈輻射量；RT為土壤熱通量；S為濕度計常數(干濕球常數)；T為2m高度處日平均氣溫；V在地面以上2m高處的風速；qb為空氣飽和水汽壓；qk為空氣實際水汽壓。

多標量干旱指數法主要采用Gamma概率分布來計算錦州市各地區的干旱指數，首先計算降水量與潛在蒸散發量之間的差值，在將該差值映射到Gamma概率分布方程中，該方程的表達式為：

(2)

式中：ω為降雨量與潛在蒸散發量的差值；T為時間尺度參數，l為形狀參量。其中：

(3)

假設監測資料的共有N組，則

(4)

根據以上方程，當ω值不為0時，可得到干旱數值的累計概率方程，可表達為：

(5)

假設監測資料的共有N組，則

(6)

根據以上方程，當ω值不為0時，可得到干旱數值的累計概率方程，可表達為：

(7)

當ω值為0時，可得到干旱數值的累計概率方程為：

F0(ω)=f0+(1-f0)F(ω)

(8)

式中：f0表示降水量與潛在蒸散發量值相等的概率。

基于FORTRAN語言、采用處理所得的錦州市各地區近59a的氣象數據資料計算以上累計概率方程，并采用模糊邏輯法轉化為干旱指數值R，該指數的大小與干旱程度的關系為：

(9)

3 干旱時空特性分析

3.1 降雨與氣溫統計特性

采用非線性時間插值和克里金空間插值法對基礎數據進行處理，得到錦州市各地區1957—2015年共59a的氣象數據基礎資料，對處理后的數據進行進一步的統計分析，可得到各參數的標準差Sd與變異系數Cv，它們的方程分別為：

(10)

(11)

式中：N為觀測數據組數；x為觀測值；u為所有觀測值的平均值。

錦州市干旱時空特性分析主要基于多標量干旱指數法，其中的直接參數為降水量和潛在蒸發量。降水量可直接采用觀測值；而潛在蒸發量可通過氣溫、風速、光照和濕度數據和PM公式進行計算，其中氣溫為潛在蒸散發量的最主要影響因子。因此，錦州市的干旱情況可通過降水量和氣溫的統計特征值進行初步的判斷。其中錦州市各地區年降水量的統計特征值如表1所示。

表1 錦州市各地區年降水量統計特征值

由表1可知，義縣的平均年降水量最小，為563.98mm，而凌海市的最大，為577.78mm，兩者相差13.8mm。各地區按降水量由小到大排列分別為義縣、龍棲灣、黑山縣、北鎮市、太和區、凌河區、古塔區、松山區、經發區、和凌海市。但各地區降水量的標準差和變異系數的平均值均較大，分別為144.16mm和25.24%，說明錦州市各地區的降水時間分布十分不均，這也是該地區旱澇災頻繁交替發生的主要原因之一。錦州市各地年氣溫統計特征值見表2。

表2 錦州市各地年氣溫統計特征值

錦州市各地年氣溫的統計特征值如表2所示。由其可知，錦州市義縣地區的平均氣溫較小，為9.34 °C，而北鎮市的平均氣溫相對較高，為9.53 °C。各地區氣溫由小到大排列分別為義縣、黑山縣、經發區、古塔區、龍棲灣、松山區、凌河區、太和區、凌海市、和北鎮市。各地區氣溫的標準差和變異系數的平均值分別為0.95 °C和10.01%；其中變異系數明顯小于降水量的變異系數，說明錦州市各年份干旱情況不同主要是因為降水量的變化。

3.2 干旱程度時空特性

基于多標量干旱指數法結合錦州市的水文氣象資料得到各地區干旱指數的時間序列，結果如圖1所示。觀測圖1可知，古塔區、凌河區、和松山區的大多數干旱指數值>0，因此總體而言，這些地區屬于無干旱地區，而其它地區均以負值為主，因此都存在不同程度的干旱。各地區的干旱指數不相同，因此錦州市的干旱情況具有較明顯的空間分布特性。錦州市各年份的干旱指數呈下降趨勢，因此，錦州市旱災壓力呈逐漸增大趨勢；各年份干旱指數差別較大，因此錦州市的干旱情況存在明顯的時間特性。

圖1 錦州市各地干旱指數時間序列

為進一步量化地分析錦州市的干旱時空特性，對圖1所示數據進行統計分析，得到錦州市各地干旱指數的統計特征值，如表3所示。由表中數據可知，各地區按干旱指數由小到大(即干旱嚴重程度由大到小)排序分別為：義縣、黑山縣、龍棲灣、凌海市、北鎮市、經發區、太和區、古塔區、松山區、和凌河區。各地區的干旱指數變化傾向率皆為負值，這說明干旱程度均呈加重趨勢，其中經發區的加重速度較小，為-0.018，而凌海市的加重速度最大，達-0.031。總體而言，錦州市的平均干旱指數為-0.071，屬輕度干旱；平均最小值為-2.517，即最嚴重情況可達極度干旱；平均最大值為2.743，即理想情況下無干旱事件發生；平均傾向率為-0.024，即干旱程度呈加重趨勢。

表3 錦州市各地干旱指數統計特征值

3.3 干旱事件頻率分析

干旱時空特性也可用各地區的干旱事件頻率來表征。根據干旱嚴重程度，共可分為無干旱、輕度干旱、中等干旱、嚴重干旱、和極嚴重干旱5類事件。各干旱事件的頻率Pi主要可采用圖1所示數據并通過下式確定：

(12)

式中：Ni為某干旱事件發生的年份數，而N是所有的研究年份數。

錦州市各地干旱頻率分布情況的計算結果如圖2所示。由圖2所示數據可知，錦州市無干旱、輕度干旱、中等干旱、嚴重干旱、和極嚴重干旱5類事件發生的頻率依次降低，分別為45.93%、28.98%、10.51%、8.47%、和6.10%，與實際情況基本相符。各地區中，經發區無干旱事件的頻率最高，約為25.54%，因此其抗旱壓力較小；而龍棲灣區干旱事件的頻率最低，約為35.59%，因此其抗旱壓力較大。義縣極嚴重干旱事件發生的頻率最高，可達10.17%，因此該地區因旱災所受的破壞較大；而凌河區極嚴重干旱事件發生的頻率最低，約為1.69%，因此該地區因旱災所受的破壞較小。

根據以上數據及分析結果，可確定錦州各地區不同嚴重等級旱災的重現年情況，從而為確定防治措施標準提供參考。

圖2 錦州市各地干旱頻率分布情況

4 結 論

基于多標量干旱指數法對錦州市的干旱時空特性進行了分析，結果表明：

1)錦州市干旱情況具有明顯的時空分布特性。

2)錦州市的平均干旱指數為-0.071，屬輕度干旱。

3) 錦州市各地區的旱災呈逐漸加重趨勢。

4)各地區按干旱嚴重程度由大到小排序分別為：義縣、黑山縣、龍棲灣、凌海市、北鎮市、經發區、太和區、古塔區、松山區、和凌河區。

5) 經發區抗旱壓力較小，而龍棲灣區抗旱壓力較大。

6) 義縣因旱災所受的破壞較大，因旱災所受的破壞較小。

[1]王春宇.修正PDSI指數在遼寧中東部地區干旱頻率分析中的應用研究[J].水利規劃與設計，2016(06)：25-27.

[2]孫玥.標準化降水指數在遼西地區干旱評價中的運用[J].水利規劃與設計，2016(04)：64-65.

[3]周游.不同干旱指數在遼寧西部地區的對比及適用性分析[J].水利規劃與設計，2016(01)：43-45.

Spatiotemporal Characteristics Analysis of Drought in Jinzhou City Based on Multi-scalar Drought Index Method

LI Yan

(Huludao Hydrological Bureau of Liaoning Province,Huludao 125000, China)

By using temporal and spatial interpolation methods, the hydrological and meteorological data in each administrative area of Jinzhou City for recent 59 years were obtained based on the measured data at 8 stations. The spatiotemporal characteristics of drought in Jinzhou City were analyzed based on the mult-scalar drought index method, and the spatiotemporal characteristics of drought and distribution of drought frequency in each area of Jinzhou City were obtained. Therefore, the severity, variation and trend as well as the reoccurrence of drought for each area in Jinzhou City were summarized, which could be used to provide scientific guidance for determining sound drought mitigation measures.

multi-scalar;drought index; Jinzhou City; spatiotemporal characteristics

1007-7596(2017)03-0017-04

2017-02-20

李研(1986-)，女，遼寧葫蘆島人，工程師，研究方向為水文水資源論證等。

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