基于Z指數(shù)的吉林西部平原季節(jié)氣象干旱特征分析

張 程

(盤錦市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，遼寧 盤錦 124000)

0 引 言

干旱災(zāi)害給我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來了諸多不利影響。研究表明我國年降雨量和降雨頻率雖然呈減少趨勢(shì)，但是極端降雨量仍然不可忽視，閔燦等認(rèn)為引起中國近40a來降雨總量增加的主要因素正是極端降雨量的增加[1-2]。干旱、洪澇的自然災(zāi)害在我國發(fā)生頻率較高，尤其中國北方的旱澇變化趨勢(shì)倍受各方關(guān)注,查閱資料知，以吉林省西部白城地區(qū)為例，該地區(qū)自建國以來平均每年受旱面積達(dá)16.26萬hm2，占總耕地面積的20%，其中受旱最嚴(yán)重的年份是1972年和1989年，受災(zāi)面積嚴(yán)重時(shí)達(dá)48.39萬hm2。旱、澇災(zāi)害不僅對(duì)人類的生存環(huán)境產(chǎn)生諸多不利影響，而且嚴(yán)重制約著我國東北商品糧基地的發(fā)展，嚴(yán)重旱災(zāi)對(duì)糧食安全生產(chǎn)造成了巨大威脅，因此對(duì)北方降雨及干旱的研究有重要的現(xiàn)實(shí)意義[3-4]。

吉林省位于我國東北地區(qū)中部，是國家重要的糧食主產(chǎn)區(qū)和商品糧基地，作為我國重要的商品糧產(chǎn)區(qū)，干旱將直接威脅吉林地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全[5]。吉林省主要的農(nóng)作方式是雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，其境內(nèi)主要種植農(nóng)作物有稻、小麥、玉米、棉花、大豆等，尤以夏季生長最為迅速，根據(jù)降雨及氣候特點(diǎn)，夏季也是吉林省旱澇災(zāi)害頻發(fā)時(shí)期。近年來，吉林省頻受農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害困擾。干旱、洪澇災(zāi)害等自然災(zāi)害的發(fā)生，不僅對(duì)吉林省糧食生產(chǎn)安全產(chǎn)生影響，造成大量經(jīng)濟(jì)損失，而且嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厝嗣竦恼Ｉa(chǎn)生活。白城松原等吉林西部地區(qū)自20世紀(jì)80年代以來就為旱澇災(zāi)害的頻發(fā)區(qū)域，從災(zāi)害影響區(qū)域來看，整個(gè)吉林省在進(jìn)入二十一世紀(jì)后災(zāi)情日益加重。針對(duì)吉林省降水特征的研究有：韓梅等以長嶺為例分析了吉林省中西部半干旱地區(qū)1953—2001年實(shí)測(cè)的降水量和空氣相對(duì)濕度；廉毅等選用吉林省內(nèi)有代表性的10個(gè)測(cè)站，運(yùn)用功率譜的方法分析了吉林省的氣溫以及降水的變化趨勢(shì)[6-7]。

文章基于吉林省12個(gè)測(cè)站40a的降雨數(shù)據(jù)，采用四季劃分年平均降水量討論降水的長期變化趨勢(shì)，分析降水時(shí)空分布特征，運(yùn)用Z旱澇指數(shù)方法研究探索吉林省近40a來降雨及干旱特征及演變規(guī)律，旨在為減輕該區(qū)域旱澇災(zāi)害損失、提高農(nóng)作物產(chǎn)量以及合理利用水資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 平原區(qū)概況

吉林省西部平原區(qū)地處松嫩平原西南部，該地區(qū)內(nèi)有白城、松原、長春、四平4個(gè)城市，總面積約18萬km2，四市來往交通便利。氣候?qū)儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，自東向西由半濕潤地帶過渡到半干旱地帶。該地區(qū)蒸發(fā)>降水，是典型的農(nóng)牧交錯(cuò)帶和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)。其中，降水多集中在夏季，主要分布于6—8月份，夏季降雨量占全年降水量的60%-80%。

圖1 吉林西部平原地形圖及降雨?duì)顩r

1.2 Z指數(shù)

1990年,么枕生提出了表征干旱空間分布及程度的Z指標(biāo)[8]。假設(shè)降水量服從概率密度函數(shù)Person-III分布，對(duì)降水量進(jìn)行正態(tài)化處理，將降水量轉(zhuǎn)化為以Z為變量的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，通過對(duì)降水量進(jìn)行頻率分析，確定干旱程度。公式表達(dá)為:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Z為干旱指數(shù)；Cs為偏態(tài)系數(shù)，偏態(tài)系數(shù)越大；Z為指數(shù)分析結(jié)果越好，越能反映出旱澇程度[10]；φi為標(biāo)準(zhǔn)變量；xi為某一時(shí)間尺度的降雨量，mm；n為樣本個(gè)數(shù)；x為n年的某一時(shí)間尺度的平均降雨量，mm；σ為標(biāo)準(zhǔn)差[9]。

1.3 主要內(nèi)容

文章的研究內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：

通過吉林省西部十二個(gè)氣象站的降雨量數(shù)據(jù)分析了降雨的年際和年內(nèi)分布特征及利用趨勢(shì)分析分析該地區(qū)降雨變化趨勢(shì)。

利用Z指數(shù)對(duì)吉林西部平原區(qū)進(jìn)行干旱等級(jí)劃分和分析吉林西部平原區(qū)干旱規(guī)律特征，為完善災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)體系建設(shè)提供重要參考和科學(xué)指導(dǎo)。

2 吉林省西部平原區(qū)降雨演變特征分析

2.1 降雨量年際變化特征

根據(jù)吉林省西部白城、大安、通榆等12個(gè)站點(diǎn)1977-2017年的觀測(cè)的數(shù)據(jù)，采用算術(shù)平均法計(jì)算逐月、逐年的計(jì)算出降雨量，經(jīng)過分析計(jì)算得出吉林省多年平均年降水量為480.32mm。年降水量值最大的年份是2016年，降水量為638.84mm，年降水量值最小的年份是1982年，降水量僅為296.52mm，其中極值比為2.15，最大年降水量為多年平均年降水量的1.33倍，最小年降水量為多年平均年降水量的61.7%。結(jié)果表明，40a來吉林省年降雨量變化趨勢(shì)整體呈微弱下降趨勢(shì)，但是整體波動(dòng)也很劇烈(見圖2)。

圖2 吉林省西部降水量年際變化曲線

由圖2可以看出，吉林地區(qū)40a來的降水變化趨勢(shì)大致為：20世紀(jì)70年代降水偏多，除個(gè)別特殊年份降水量極低外，20世紀(jì)80年代降水量還比較正常，20世紀(jì)90年代降水量比照之前年份有下降趨勢(shì)，而進(jìn)入21世紀(jì)的17年間的年降水量起伏較大。

2.2 吉林省西部降水量年內(nèi)分布特征

季節(jié)劃分如下：3-5月為春季，6-8月為夏季，9-11月為秋季，頭年的12月至當(dāng)年2月為冬季。表1顯示吉林西部平原區(qū)夏季降雨量偏多，即6月、7月和8月份降雨最多，而冬天降雨最少，表現(xiàn)為1月份和2月份降雨量不足全年的1%。

表1 多年平均降水量年內(nèi)分配

2.3 吉林西部平原區(qū)干旱時(shí)間分布特征

如時(shí)間分析圖3所示，Z值為負(fù)值的年份有22年，占總年份的55%，對(duì)應(yīng)表2知偏旱年發(fā)生在1989年、1995年、1996年、1999年，2000年，2006年，2009年，2011年，占總年份的20%。大旱年發(fā)生在2001年、2004年、2007年，占總年份的7.5%。1982年為重旱年，干旱指數(shù)Z為-1.66，是所有年份中最低值，為異常少雨偏旱年，對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了極大的損失。偏澇年分別發(fā)生在1977年、1983年、1994年、2005年、2010年、2013年，占總年份的15%。大澇年發(fā)生在1985年、1990年、2012年、2016年，占總年份的10%。通過以上分析得出旱澇災(zāi)害大部分時(shí)候都是交替發(fā)生，大多發(fā)生在2000年代以后。

圖3 吉林省西部40年干旱指數(shù)Z指數(shù)變化趨勢(shì)

表2 修正后的Z指數(shù)旱澇等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1 春季Z值演變特征分析

根據(jù)1977-2017年12個(gè)降雨測(cè)站各月的資料，可計(jì)算出多年Z值演變趨勢(shì)，見圖4所示。1977-2017年吉林省的春季(3-5月)Z指數(shù)變化起伏較大。2001年春季降雨量出現(xiàn)最低值，導(dǎo)致該年春季出現(xiàn)干旱情況，2010年出現(xiàn)40年春季降雨量最大值，由此Z值出現(xiàn)最大值。進(jìn)入21世紀(jì)初期Z值<0的情況增多，出現(xiàn)春季連續(xù)干旱的年份。

圖4 吉林省西部1977-2017春季Z指數(shù)變化趨勢(shì)

2.3.2 夏季Z值演變特征分析

1977至2017年吉林省的夏季(6-8月)Z值變化趨勢(shì)見圖5。

圖5 吉林省西部1977-2017夏季Z指數(shù)變化趨勢(shì)

由圖5可以看出：20世紀(jì)70年代Z指數(shù)變化幅度不大，沒有發(fā)生大旱災(zāi)害；1982年出現(xiàn)40a間最低值；20世紀(jì)90年代降水較少，Z值<0的頻率增多，出現(xiàn)連年夏季干旱的情況。由圖表可知吉林省西部近40aZ值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。2000年后夏季降雨量略有減少，導(dǎo)致Z值出現(xiàn)負(fù)值頻率增加。

2.3.3 秋季Z值演變特征分析

1977年到2017年吉林省各年的秋季(9-11月)Z值變化趨勢(shì)見圖6。

圖6 吉林省西部1977-2017秋季Z指數(shù)變化趨勢(shì)

由圖6可以看出：吉林省西部平原區(qū)秋季以干旱災(zāi)害為主，20世紀(jì)70年代后期降水量出現(xiàn)遞減趨勢(shì)，Z值呈下降趨勢(shì)，1982年降水量明顯減少，Z值出現(xiàn)最低值，20世紀(jì)90年代由于秋季降水量普遍較多，尤其是20世紀(jì)90年代初降水較多，Z值基本位置在正數(shù)范圍內(nèi)，2000年后秋季降水量減少，Z值出現(xiàn)負(fù)值頻率增多，并出現(xiàn)嚴(yán)重的秋季干旱情況。

2.3.4 冬季Z值演變特征分析

1977-1997 年吉林省的冬季(12 月-翌年2 月)Z值變化趨勢(shì)見圖7。

圖7 吉林省西部1977-2017冬季Z指數(shù)變化趨勢(shì)

由圖7可以看出：吉林省西部近40a冬季多為干旱年，20世紀(jì)80年代冬季干旱情況較嚴(yán)重，1994-1998年出現(xiàn)連續(xù)冬季干旱年。

3 結(jié) 論

為了吉林西部平原區(qū)更好地進(jìn)行灌溉決策，文章以吉林西部平原區(qū)12個(gè)氣象站的降水量數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，基于Z指數(shù)的方法，研究了吉林西部平原區(qū)的降雨特征及干旱的時(shí)空分布特征及演變規(guī)律。研究結(jié)果與結(jié)論如下：

1977年至2017年降雨量整體呈微弱下降趨勢(shì)，并且整體波動(dòng)很劇烈。在季度降雨量的分析中，可以看出降雨主要集中在夏季即6、7、8三個(gè)月份。

在對(duì)干旱特征的分析中，從時(shí)間上看吉林西部平原區(qū)旱澇災(zāi)害大部分時(shí)候都是交替發(fā)生，其中旱災(zāi)大多發(fā)生在2000年以后。

40a來吉林平原區(qū)降雨呈現(xiàn)均衡分布的趨勢(shì)且均勻分配程度趨于平穩(wěn)。整體上看，吉林平原區(qū)西部降雨規(guī)律性很差且降雨不穩(wěn)定，這容易導(dǎo)致部分年份的突發(fā)性干旱。由于吉林平原區(qū)降雨分散性強(qiáng)，相對(duì)降雨集中期趨向于后延，因此加強(qiáng)該區(qū)域階段性旱災(zāi)響應(yīng)措施至關(guān)重要。