基于MCI指數的荊門市氣象干旱特征分析

摘 要：根據1961—2020年荊門市逐日氣象干旱MCI指數，采用線性回歸、M-K突變檢驗和小波分析等方法，對荊門市近60年的氣象干旱變化特征進行分析。結果表明：荊門市氣象干旱過程年均2.43次，平均每次持續58.8 d。氣象干旱日數年均123.1 d，呈緩慢下降趨勢，中旱、重旱、特旱日數呈增多趨勢。1、9、10月干旱日數較多，干旱日數冬季最多，其次是春季和秋季，特旱在春季發生頻率最高。

關鍵詞：MCI指數；氣象干旱；干旱特征；干旱趨勢；氣象災害

中圖分類號：P426.616 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–0-03

干旱是我國重要的氣象災害之一，平均每年農業受旱面積占各種災害面積的40%以上，導致糧食作物大幅減產，嚴重威脅國家糧食安全[1-4]。氣象干旱指數在干旱的監測與研究中十分重要，歷年來不同專家學者通過各種不同的指標對氣象干旱特征進行了深入研

究[5-13]。湖北省當前使用的干旱指標是基于2017年國家標準《氣象干旱等級（GB/T 20481—2017）》中的氣象干旱綜合指數（MCI）。在當前的氣象監測和預報業務中，氣象干旱的監測與評估工作還相對較少。因此，對荊門市歷年來的氣象干旱特點進行深入分析，可以為荊門市氣象干旱的預測和加強氣象災害預防及減輕提供有力的科學支撐。

1 資料和方法

氣象干旱綜合指數數據源自湖北省氣候中心，參照GB/T 20481—2017的標準，根據氣象綜合指數劃分的等級分類見表1。

表1" 氣象干旱綜合指數（MCI）的等級劃分表

等級 MCI指數 類型

1 -0.5＜MCI 無旱

2 -1.0＜MCI≤-0.5 輕旱

3 -1.5＜MCI≤-1.0 中旱

4 -2.0＜MCI≤-1.5 重旱

5 MCI≤-2.0 特旱

當MCI指數連續10 d為輕旱以上等級時，則認為出現了1次干旱過程，將第1天達到輕旱以上等級的日期作為過程開始日期。當MCI指數連續10 d為無旱等級時解除干旱，干旱過程結束，將最后1次達到輕旱以上等級的日期定義為過程結束日期。根據干旱過程持續的時間，定義持續時間10～30 d的干旱過程為輕旱，31～60 d為中旱，61～90 d為重旱，91 d及以上為特旱。季節按照春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月至翌年2月）劃分。

2 結果與分析

2.1 氣象干旱的年際變化

從1961—2020年荊門市年平均氣象干旱日數變化趨勢（圖1）可以看到，年氣象干旱日數呈較弱下降趨勢，下降趨勢為-0.7 d/10年，未通過α=0.1的顯著性檢驗。荊門市近60年年平均氣象干旱日數為123.1 d，其中1966年的氣象干旱日數最多，達到272 d，其次是2014年和1988年，氣象干旱日數均為253 d，而1964年和2017年氣象干旱日數最少，分別為16 d和17 d。2009—2014年年氣象干旱日數均在平均值以上，出現了連續多年干旱，其中2014年的干旱最嚴重。

圖1" 1961—2020年荊門市年平均氣象干旱日數的變化

對1961—2020年春、夏、秋、冬四季干旱日數進行趨勢分析（圖略），對四季線性傾向率分析結果顯示，春季、夏季和冬季呈微弱下降趨勢，下降趨勢分別為-1.2、-1.0和-1.3 d/10 a，而秋季呈上升趨勢，上升趨勢為2.6 d/10 a，四季的變化趨勢均未通過α=0.1的顯著性檢驗。

2.2 氣象干旱的年代際變化

從1961—2020年荊門市不同等級氣象年平均干旱日數年代際變化（表2）可以看到，年平均氣象干旱日數線性變化趨勢僅為-0.2 d/10年，減少趨勢并不明顯，但年平均輕旱日數的線性變化趨勢為-17.9 d/10年，減少趨勢十分明顯，中旱、重旱和特旱均呈增多的趨勢，分別是1.7 d/10年、11.1 d/10年和4.9 d/10年，說明在干旱日數基本持平的情況下干旱強度有加強的趨勢。不同年代際年平均干旱日數變化具有不同特點，1961—1970年年平均干旱日數最少，僅107.0 d，1971—1980年各級別的年均氣象干旱日數均增多，年平均干旱日數達到144.6 d，1981年后，年平均干旱日數較1971—1980年大幅減少并基本持平。

表2" 1961—1970荊門市年平均氣象干旱日數的年代際變化

年代 輕旱/d 中旱/d 重旱/d 特旱/d 總干旱/d

1961—1970 63.8 31.4 9.6 2.2 107.0

1971—1980 85.3 39.7 15.9 3.7 144.6

1981—1990 65.5 38.0 14.0 4.7 122.2

1991—2000 65.5 27.8 17.6 11.6 122.5

2001—2010 78.1 26.9 12.0 4.4 121.4

2011—2020 55.6 42.3 19.0 3.8 120.7

傾向率/（d/10年） -17.9 1.7 11.1 4.9 -0.2

從干旱的嚴重程度上看，重旱及以上日數最多的

是1991—2000年，年平均29.2 d；次少是2001—2010年，為16.4 d；最少的是1961—1970年，僅11.8 d；1961—2020年荊門市干旱嚴重程度呈先增強后減弱的趨勢。

特旱日數整體呈中間高、兩邊低的曲線變化，1991—2000年特旱日數最多，年平均達到11.6 d；從年份角度看，2000年的特旱日數為41 d，其次是1991年的36 d。重旱日數呈現出波動性變化的特征，2011—2020年最多達到19.0 d，其次是1991—2000年為17.6 d；

1999年是重旱日數出現最多的年份，為74 d，其次是2019年的63 d和2013年的54 d。

2.3 氣象干旱的月、季變化

從1961—2020年荊門市各級別逐月平均氣象干旱日數（圖2）可以看出，荊門市每個月都有干旱發生，但變化不明顯，輕旱以上日數最多的是1、9、10月，分別是12.0、11.1、11.0 d，日數最少的是7、11、8月，分別是8.7、8.9、9.2 d。中旱以上日數最多的是9、10月，分別是6.5、5.3 d，其次是3月和4月，均為5.1 d。在農事季節上，9—10月是秋收作物生長收獲和秋播的關鍵期，3—4月是春耕春播的關鍵期，這段時間的中度以上干旱對農作物播種影響較大。重旱和特旱的變化與輕旱以上日數的逐月變化有比較明顯的差異，其中，1月干旱日數偏多但重、特旱日數偏少。

從各季氣象干旱日數（圖略）來看，輕旱以上日數較多的是冬季、春季和秋季，分別是32.3、31.7、31 d，最少的是夏季28.1 d，而中旱以上最多的是秋季的

15.5 d，其次是春季13.9 d。春季特旱發生的頻率為30.9%，遠高于其他季節，2000、2004、2011年春季荊門市均出現極端干旱。雖然夏季的干旱日數較少，但在梅雨期結束后的7—8月晴熱少雨，特旱發生頻率較高。

圖2" 1961—2020年荊門市各級別逐月平均氣象干旱日數的分布

2.4 氣象干旱過程的特征

持續的干旱事件對工農業生產和人們的日常生活影響較大，例如，2000年4月12—5月23日出現連續干旱事件，造成全市9.33萬hm2的農作物受災，無水插秧的農田高達1.67萬hm2，16.9萬人和4.5萬頭大牲畜飲水困難，造成經濟損失1.3億元，其中農業損失1.1億元。根據統計數據，從1961—2020年荊門市經歷146次干旱過程，平均每年2.43次，平均每次持續時間48.8 d，其中最長干旱持續時間197 d，出現在2010年12月4日—2011年6月18日，為冬、春、夏三季連旱，其中，輕旱過程出現73次，占總干旱過程的50%，頻率為1.22，為1年/次；中旱過程出現31次，占總干旱過程的21.2%，頻率為0.52，為2年/次；重旱過程出現15次，占總干旱過程的10.3%，頻率為0.25，4年/次；特旱過程出現27次，占總干旱過程的18.5%，頻率為0.45，2年/次。荊門市的干旱過程以輕旱為主，中旱和特旱次之。

2.5 干旱趨勢的周期

通過小波分析方法，研究了1961—2020年荊門市年氣象干旱日數的周期性特征，從小波實部圖中（圖3）可以觀察到，荊門市年氣象干旱日數的周期有比較明顯的交替波動趨勢，大的周期尺度變化下包含小的周期尺度變化，存在多個時間尺度的周期變化特征，方差圖（圖略）上存在多個明顯的峰值點，對應著2、5、12、30年左右的周期性特征，其中準30年的周期尺度擾動信號最為強烈，是年氣象干旱日數的主周期，并在近60年間出現準2次震蕩，其次分別是2、12、5年的周期波動。

2.6 干旱變化趨勢的突變分析

為了更進一步分析氣象干旱的趨勢和突變特征，利用M-K檢驗法對1961—2020年荊門市氣象干旱日數進行了突變性檢驗。從統計曲線（圖4），可以看出，1961—1970年的干旱日數總體上呈現出偏少的態勢，而從1971年開始至2020年干旱日數總體上呈現出偏多的態勢，但這種趨勢并沒有超過0.05的顯著性水平臨界線，這表明偏少或偏多的趨勢并不是很明顯。此外，UF和UB的曲線在1961—1970年和2017—2020年都出現了數個交叉點，并且都在0.05的顯著性檢驗的范圍內。因此，通過分析可以推斷出1970年和2019年是荊門市氣象干旱日數的突變點，并且干旱日數從偏少逐漸轉向偏多。

圖3" 1961—2020年荊門市氣象干旱日數的小波實部

圖4" 1961—2021年荊門市年氣象干旱日數M-K檢驗

3 結論

利用氣象干旱綜合指數（MCI）對1961—2020年荊門市氣象干旱特征進行統計分析，結論如下：

（1）近1961—2020年荊門市年氣象干旱日數呈緩慢下降趨勢，春季、夏季和冬季也呈緩慢下降趨勢，秋季則有上升趨勢。1961—1970年荊門市年平均氣象干旱日數為123.1 d，其中，1966年的氣象干旱日數最多，為272 d。

（2）從年代際特征來看，1961—2020年荊門市干旱總日數變化趨勢不明顯，輕旱日數呈減少趨勢，中旱、重旱、特旱均呈增多的趨勢。從月、季特征來看，干旱總日數最多的是1、9、10月。干旱總日數較多的是冬季、春季和秋季，春季特旱發生的頻率高于其他季節。

（3）近1961—2020年荊門市干旱過程共146次，平均每年2.43次，平均每次干旱過程持續時間58.8 d，特旱過程2年一遇。

（4）近1961—2020年荊門市年氣象干旱日數存在準2、5、12、30年左右的周期尺度，其中準30年是年氣象干旱日數變化的主周期。1970年和2019年氣象干旱日數存在由少向多轉變的突變點。

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收稿日期：2024-06-19

作者簡介：張新貝（1992—），男，湖北天門人，工程師，研究方向為天氣預報、氣象服務。