干旱指數在四川省的適用性分析

潘妮+衛仁娟+詹存+梁川+徐正東

摘要：干旱災害頻發嚴重制約著四川省的農業發展，為合理分析四川省干旱情況，干旱指數的選擇尤為重要。本文基于四川省39個氣象站點1960年-2013年的氣象資料，分別計算1961年、1994年、2006年和2009年-2010年各站點相對濕潤指數M、氣象干旱綜合指數CI、標準化降水指數SPI和標準化降水蒸散指數SPEI，利用Arcgis反距離插值法進行空間插值，并與中國氣象災害大典記錄的四川省典型年干旱情況進行對比分析，進而評價四種干旱指數在四川省的適用性。結果表明：對于1961年夏旱，M指數和CI指數均表現出無旱或輕旱，SPI指數結果較實際情況偏小，SPEI指數監測出了干旱的重災區，效果在四個干旱指標中最好；1994年夏伏旱，M指數監測結果偏小；CI指數出現了空報，對川東地區和川西高原的監測結果偏小，SPEI指數在達縣、巴中一帶結果偏小，而SPI指數在成都、綿陽一帶的結果偏小。2006年伏旱，M指數監測結果偏小；CI指數比M指數效果稍好，但結果仍然偏小；SPI指數和SPEI指數監測出的干旱特征與實際一致；2009年-2010年的冬春連旱，SPEI指數效果最好，M指數次之，SPI指數效果最差。SPEI指數最能反映四川省典型干旱年干旱的空間分布特征。

關鍵詞：四川省；干旱；相對濕潤指數M；標準化降水指數SPI；標準化降水蒸散指數SPEI；氣象干旱綜合指數CI

中圖分類號：S42 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）04-0071-08

Abstract：The selection of drought indexes is very important to the reasonable analysis of drought situation in Sichuan Province.Based on the daily meteorological data from 1960 to 2013 of 39 meteorological stations of Sichuan Province，we calculated the Relative Humidity Index （M），Composite Index of Meteorological Drought （CI），Standardized Precipitation Index （SPI），and Standardized Precipitation-Evapotranspiration Index （SPEI） of each station in 1961，1994，2006，and 2009-2010.We used inverse distance interpolation of Arcgis to conduct spatial interpolation，and compared the situation with the records of typical Sichuan drought disasters in the Encyclopedia of Meteorological Disasters in China.Thus，we evaluated the applicability of the four drought indexes in Sichuan Province.Results showed that：for the summer drought in 1961，the M index and CI index both indicated no drought or slight drought；the results of SPI index were smaller than the actual situation；and SPEI index reported the severely afflicted areas，showing the best effect of the four indexes.For the summer drought in 1994，the monitoring results of M index were small；CI index made false prediction，and reported smaller results in the eastern Sichuan area and western Sichuan Plateau；SPEI index showed smaller results in Bazhong and Daxian；and SPI index showed smaller results in Chengdu and Mianyang.For the midsummer drought in 2006，the results of M index were small；the results of CI index were a little better than M index，but were still smaller than the actual situation；the monitoring results of SPI and SPEI were in accordance with the actual situation.For the winter to spring drought in 2009 and 2010，SPEI showed the best results，M index came second，and SPI index was the worst.In a word，SPEI was the best drought index reflecting the spatial distribution of droughts in Sichuan Province.

Key words：Sichuan Province，drought；relative humidity index M；composite index of meteorological drought；standardized precipitation index；standardized precipitation-evapotranspiration index

由于全球氣候的持續變暖，極端氣候事件頻繁發生，青藏高原周邊地區氣候異常現象出現頻率增大，，其中干旱發生頻率上升趨勢尤為明顯，制約著經濟社會的可持續發展，影響了人類正常生產和生活[1-3]。在眾多極端氣候事件中，干旱災害以其持續時間長，致災范圍廣、發生頻率大等特點被認為是最嚴重的自然災害之一[4]。四川盆地地處青藏高原與長江中下游平原之間的過度區，受復雜地形及大氣環流季節轉換的影響，四川省干旱頻繁發生，嚴重破壞該農業大省的農業和經濟發展。因此，研究干旱對于四川省防旱減災具有重要意義[5-6]。

干旱指標是描述干旱特征的量，是定量研究干旱的基礎。不同地區由于氣象、水文和下墊面條件的不同造成了干旱成因的復雜性，因此，不同地區和不同特征的干旱情況難以用一種特定干旱指標描述，即干旱指標具有不同時空尺度，是在特定的區域和時間上建立的[7-8]。氣象干旱指標是基于氣象觀測站不同時間尺度的數據，利用數學、物理等方法進行干旱指標的計算，用于監測特定地區特定時段由于氣候異常而出現的干旱[9]。1965年，Palmer提出了干旱指數PDSI，該指數具有明確的物理意義，綜合考慮了水分蒸發、徑流、土壤前期降水量、水分轉化以及水分供求對后期的影響，然而，Palmer干旱指數也有其局限性，該指數是為處理半干燥和干濕氣候區的干旱問題而設計的，前提是降水是該地區唯一或者主要來源[10]。1980年，Bhalme和Mooley提出Bhalme-Mooley干旱指標BMDI，該指標以月尺度的降雨資料進行計算，并且考慮了降水量的年內分配，與采用年尺度降水量的指標相比較，其計算更為合理[11-12]。濕潤度指數M于1992年由Humle提出，該指數為降水量和蒸發能力的比值[13]。姚玉壁，王勁松等將干燥度定義為多年平均水面蒸發量和多年平均降水量的比值，并在此基礎上重新定義相對濕潤指數M，確定干旱等級，廣泛應用于西南地區的干旱監測[14]。Mckee（1993，1995）定義的標準化降水指數SPI是實測降水量相對于降水概率分布函數的標準差。其計算簡單，對干旱較為敏感，可以進行多尺度干旱分析，廣泛應用于美國干旱監測研究[15]。2010年，Vicente-Serrano等引入潛在蒸散量，在標準化降水指數SPI的基礎上構建了基于氣候變暖背景的標準化降水蒸散指數SPEI，目前廣泛應用于氣候變化背景下的干旱分析中[16]。基于國外的干旱指標的研究，張強等提出了綜合干旱指數CI[2，17]，該指數綜合考慮了相對濕潤指數M和標準化降水指數SPI指數，適用于中國研究，已被廣泛應用[18]。本文基于國內外應用最廣泛的四種干旱指數：標準化降水指數SPI、相對濕潤指數M、氣象干旱綜合指數CI和標準化降水蒸散指數SPEI，結合中國氣象災害大典和中國氣象局干旱災害數據集記載，對比分析四川省干旱特征，分別選擇1961、1994、2006、2009年-2010年等干旱災害影響嚴重的年份作為干旱典型年，利用典型年的降水和氣溫資料，分析四種干旱指標在四川省的適用性，并選取最適合四川省的干旱指標。

1 區域概況

四川省位于我國西南部，地理位置為東經97°21′-108°31′，北緯26°03′-34°19′，地處長江上游，地勢呈西高東低走勢，地貌類型以平原、丘陵山地和高原為主，東部為四川盆地，盆周為山地，西部是向青藏高原過度的川西高原[19]。四川省位于低緯度地區，氣候類型為亞熱帶氣候，氣候上明顯分為西、東兩大部分，受東南和西南季風的共同影響。區域分布上，盆周山區降水相對豐沛，多年平均降水量介于1 200～1 600 mm，川西北高原、盆地腹部、金沙江干熱河谷降水量較低，降水量介于300～800 mm之間。年流出省境水量3 800多億m3[20]。四川省地理位置見圖1。

2.2.3 標準化降水蒸散指數SPEI

標準化降水蒸散指數SPEI[16]，是在SPI指數的基礎上，通過引入潛在蒸散而構建。月平均降水和氣溫作為標準化降水蒸散指數SPEI計算的輸入，計算得月降水與潛在蒸散的差值，并對差值做標準化處理，使其在不同地域間可以作比較，其步驟參考文獻[6]。

SPEI劃分的干旱等級[26]見表3。

3 結果與分析

3.1 四川省典型年干旱分析

1961年四川盆地發生嚴重夏旱，主要分布在內江、成都、自貢區（市）、溫江、綿陽、宜賓、達縣、南充5專區大部，雅安、樂山兩專區的局部，共115縣（市），旱期長達20～29 d的有42個縣（市），30～39 d的有25個縣（市），40～52 d的有24個縣[28]。[HJ2.1mm]

1994年四川盆地發生大范圍嚴重夏伏連旱，夏旱主要分布在宜賓、自貢、遂寧、綿陽、德陽、內江、南充7地，樂山、廣元、瀘州、廣安、巴中、雅安、成都大部分地方以及萬源。伏旱主要分布在自貢、綿陽、遂寧、廣元、巴中、南充、達州和廣元、德陽、內江、瀘州及雅安、成都、宜賓、樂山等地方[14]。

2006年四川盆地伏旱，四川省東部被高溫天氣籠罩，廣安、遂寧、內江、瀘州、資陽五市和宜賓、自貢、南充三市大部、達州市及三臺、巴中共45縣（市）7yue -8月日極端最高氣溫均突破40 ℃，特別是四川省東部和中部地區，溫度平均偏高3～4 ℃[29]。

2009年冬季-2010年春季冬春連旱，四川省有13個市（州）、71個縣、市（區）受災，攀枝花，涼山州占受災人數大部，直接經濟損失13.8億元[30]。

3.2 典型年干旱指數對比分析結果

分別計算1961年、1994年、2006年、2009年-2010年的相對濕潤指數M、標準化降水指數SPI、標準化降水蒸散指數SPEI、和氣象干旱綜合指數CI，并利用Arcgis進行空間插值作四種干旱指數在四川省各典型年的空間分布，見圖2-圖5。

由圖2可以看出，整個四川，相對濕潤指數M和氣象干旱綜合指數CI均表現為無旱或者輕旱，不能反映出典型年1961年5月-6月四川省的夏旱特征，特別是未能反映此次干旱災害的重災區（川東地區）的干旱特征。相對而言，標準化降水指數SPI和標準化降水蒸散指數SPEI對1961年干旱的監測效果較好，SPI指數監測出了高坪、宜賓、內江等重旱區，而對達縣、綿陽和雅安部分地區的監測結果較實際情況小，川西地區的甘孜、道孚等地以及川西南地區監測結果偏高。SPEI指數監測出了1961年四川省夏季干旱的重災區內江、成都、自貢區（市）、溫江、綿陽、宜賓、達縣、南充等地，同時也監測出了雅安、樂山東部地區的干旱特征，效果在四個干旱指標中最好。

由圖3可知，M指數的效果最差，在川東地區的重旱區出現空報，對整個四川省的干旱監測結果偏小，未能反映出此次夏伏連旱的特征。CI指數效果次之差，對雅安、成都等地出現了空報，對川東地區和川西高原的監測結果偏小。SPI指數和SPEI指數對1994年夏伏連旱的監測效果最好，均能夠反映出此次干旱的特征，相比較而言，SPEI指數在達縣、巴中一帶結果偏小，而SPI指數在成都、綿陽一帶的監測結果偏小。

由圖4可以看出，M指數的效果最差，對2006年伏旱監測結果整體偏小，川中部分地區出現漏報，川中丘陵區及川西南山地地區干旱強度監測結果偏小；CI指數比M指數效果稍好，雖然監測出了川西南山地和川中丘陵區的干旱，但監測出的干旱強度較實際情況仍然偏小；SPI指數和SPEI指數監測出的干旱特征與實際的干旱結果一致，SPI指數對達縣、成都、敘永附近出現了輕報，而對樂山的部分地區出現了重報。

2009年-2010年的冬春連旱主要發生在川南地區的攀枝花、涼山一帶，干旱等級達到重旱。由圖5可以看出，SPEI指數效果最好，M指數次之，SPI指數效果最差。M指數和SPEI指數可以反映攀枝花和涼山一帶的干旱特征。M指數對川西北高原和川中丘陵區形成重報，SPI指數和CI指數未能監測出攀枝花地區的重旱，SPI指數對川北若爾蓋等地監測結果偏小。

4 結論

通過計算四川省各氣象站點四種干旱指數，利用Arcgis進行四種干旱指數的空間分析，并與中國氣象災害大典記錄的四川省典型年干旱情況進行對比分析，得出以下結論：

（1）對于1961年夏旱，相對濕潤指數M和氣象干旱綜合指數CI均表現出無旱或者輕旱，標準化降水指數SPI和標準化降水蒸散指數SPEI對此次干旱的監測效果較好，SPEI指數監測效果在四個干旱指標中最好。

（2）1994年夏旱，M指數的效果最差，CI指數效果次之差，SPI指數和SPEI指數對1994年夏伏連旱的監測效果最好。

（3）2006年伏旱，M指數的效果最差，CI指數比M指數效果稍好，SPI指數和SPEI指數監測出的干旱特征與實際的干旱結果一致。

（4）2009年-2010年的冬春連旱，SPEI指數效果最好，M指數次之，SPI指數效果最差。

綜合而言，SPEI指數是四個指數中最能描述四川省典型年干旱空間分布的干旱指標，相較而言是最適合四川省的干旱指標。干旱指數適用性研究為合理分析四川省干旱提供基礎，對推進四川省農業發展有重要的研究意義。

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