基于克里金插值法的南充市2022年汛期高溫干旱天氣分析

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Analysis of HighTemperatureand Drought WeatherinNanchong CityDuring the022FloodSeasonBasedonKriging Interpolation Method

RAO Zhi-jie12，ZHANG Qi-hui12 ，HU Xiao-qin ^1，3 et al（1. Severe Weather in Northeast Sichuan Key Laboratory of Nanchong City，Nanchong，Sichuan637o;2.ogoutyeteorlgicalBureau，og，uan 676;3.XichogCotyeteorlgicalureaichog， Sichuan 637200）

AbstractBasedonteKigingiterpolatiotod，spatialiterpolatioaspfodusingprecipiatiodatafo89eteoloicalsta tionsandemperatuedatafrom222meteorolgicalstatiosinNanchongCitytoanalyeteightemperatureanddoughtweatherdurigte floodseason（MaytoSeptember）inNanchongCityin22Teprecipitationiterolationfitigresultserevalidatedusing63epreta tive meteorologicalstatios.Theresultsshowedthatduringthefloodseasonin222，theoverallclimateofNanchong Cityshowedrendof hightemperatureandlitlein，ih15stiosbakingteistoicalcodfordailymaxiumtemperaturead23statiosbeaking e historicalrecordforaveragetemperature.Thenumberof hightemperaturedayswastehighestinhistorysince1959，withawideoverage longdurationdgintesitofghtmperure，llofchereaeistyyinteplatigteeregeofbolpiiati on，itouldbecocludedthatthrewillevaingdegresofdroughtinNanchongCitduringthefooseasoofO.Thedroughtaa， mild，moderate，and severe drought areas in August were the largest，accounting for 85.08% ， 30.57% ， 40.01% and 12.92% ，respectively. The particularly severe drought area was the largest，accounting for 9.26% ，in July，and the drought situation was the lightest in September. 63representativemeteorologicalstatioswithpreipiatioaoalypercentagandftingvaluesfromJunetoAugust222wereselectedfor comparative analysis. The correlation was good，especially in Julyand August when drought was severe，with R² values of 0.857 9 and 0.7797，espeieleigiicaestfOOsssd，ncatigtatthigingiteplatimethdandfooht nitoring in Nanchong area.

Key WordsKriging interpolationmethod;Meteorological stations;Flood season;High temperature;Drought

干旱是我國主要的氣象災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活，干旱是氣候變化研究領(lǐng)域的前沿問題[1-2]。我國60多年來干旱在頻次和范圍上呈明顯增加的態(tài)勢[3]。在全球氣候變暖的背景下，2022年我國極端天氣事件多發(fā)頻發(fā)，各地旱情形勢嚴(yán)峻[4-8]；四川地區(qū)夏伏旱范圍廣，綜合站次比位列歷史同期最大[9]

目前，很多專家學(xué)者對2022年異常高溫天氣進(jìn)行了研究，章大全等[10]研究表明西太平洋副熱帶高壓加強(qiáng)西伸和北拾，對長江流域持續(xù)性異常高溫天氣起到重要作用;李瑩等[11]研究表明2022年夏季異常天氣與西太平洋副熱帶高壓活動異常有關(guān)，西太平洋副熱帶高壓是位于西北太平洋地區(qū)對流層中下層的永久性高壓系統(tǒng)，主要呈現(xiàn)為東西扁長形，對我國夏季天氣影響特別嚴(yán)重；周春花等[12]研究表明2022年夏季四川受強(qiáng)大的高壓控制，出現(xiàn)長時間的干旱高溫現(xiàn)象。判別干旱的方法很多，常用的有基于遙感數(shù)據(jù)、土壤墑情數(shù)據(jù)等，多適用于大尺度區(qū)域開展，其中降水量距平百分率是一種能夠很好地反映干旱的方法，在小尺度的干旱監(jiān)測中廣泛使用，具有簡單、直觀的優(yōu)點(diǎn)[13-21]。南充地區(qū)降水隨機(jī)性較強(qiáng)，空間差異大，且氣象觀測站點(diǎn)分布不均，因南充地區(qū)空間尺度關(guān)系和土壤水分站點(diǎn)偏少的原因，該研究采用降水量距平百分率干旱等級劃分方法，根據(jù)南充本地實(shí)際情況進(jìn)行分級；基于統(tǒng)計(jì)學(xué)上較常用的克里金插值方法[22-23]，利用南充市289個氣象站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)和222個氣象站點(diǎn)的氣溫數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，對南充市2022年5—9月高溫干旱天氣過程進(jìn)行分析，并利用63個數(shù)據(jù)具有代表性的氣象站點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)性驗(yàn)證，評估數(shù)據(jù)的精度和可用性，針對南充地區(qū)高溫干旱天氣提出相應(yīng)的對策建議，為政府和相關(guān)部門開展防災(zāi)減災(zāi)、有效應(yīng)對氣象災(zāi)害提供參考。

1資料與方法

1.1研究區(qū)概況南充位于四川盆地東北部，地處嘉陵江中游，介于 105^°27^′～106^°58^′E.30^°35^′～31^°51^′N. 。東西跨度143km ，南北跨度 165km ，幅員面積 12494km² 。地處中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，每年海陸季風(fēng)交替更迭，夏季受西太平洋副熱帶高壓控制，冬季受西伯利亞和蒙古冷空氣影響，春早、夏長、秋短、霜雪少、冬暖，全年四季分明，常年平均氣溫在 17.1^qC 左右，全年極端最低氣溫為 -2.5～5.7°C ，極端最高氣溫在 39.0～41.3^circC ，最熱的月份為7、8月，大部分地方的月平均氣溫均在 27.0°C 以上，干旱是主要的氣象災(zāi)害之一[24]。

1.2數(shù)據(jù)來源所用資料來源于南充市352個氣象觀測站點(diǎn)數(shù)據(jù)，插值取用氣溫觀測要素的站點(diǎn)222個，降水觀測要素的站點(diǎn)289個，降水?dāng)?shù)據(jù)驗(yàn)證站點(diǎn)63個。歷史同期對比數(shù)據(jù)來源1991—2020 年同期數(shù)據(jù)平均值，若建站時間在1991年后的站點(diǎn)，則歷史同期數(shù)據(jù)為建站時間至2020年。站點(diǎn)分布見圖1。

圖1研究區(qū)氣象站點(diǎn)分布

Fig.1Distribution of meteorological stations in the study area

1.3 研究方法

1.3.1降水量距平百分率干旱等級劃分法。降水量距平百分率可以很好地反映研究時段的降水量較歷史同期偏多、偏少的程度，該研究參考《氣象干旱等級》《旱情等級標(biāo)準(zhǔn)》中降水量距平百分率（見公式1、2）干旱等級劃分方法，根據(jù)南充本地實(shí)際情況進(jìn)行分級，將干旱等級劃分為輕度干旱、中度干旱、嚴(yán)重干旱、特重干旱4類[13-15]，劃分情況如表1所示。

式中：PA為某一時段降水量距平百分率； P 為某一時段降水量 （mm ）； 為計(jì)算時段平均降水量（mm）； n 為時間長度； i 為研究樣點(diǎn)數(shù)量。

1.3.2克里金插值方法。在氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)固定的情況下，不同的插值方法對精度有很大的影響，克里金插值方法是最常用的插值方法之一，廣泛用于氣象、環(huán)境、地理等研究方向，主要是利用方差函數(shù)對隨機(jī)過程進(jìn)行空間建模和插值的算法，相比普通的插值方法，它最大限度地利用了空間現(xiàn)有所提供的信息，比其他傳統(tǒng)方法更加精確[25-28]。因南充地區(qū)氣象觀測站點(diǎn)分布不均，該研究利用克里金插值法對氣象要素進(jìn)行空間插值，利用指數(shù)函數(shù)生成 0.5^°×0.5^° 分辨率格點(diǎn)進(jìn)行分析[22-23]。主要公式如下：

表1降水量距平百分率干旱等級劃分

Table1 Drought level cassificationof precipitationanomalypercentage

式中： Z（x_i），Z（x_i-h） 表示隨機(jī)變量 Z 在 x_i，x_i-h 點(diǎn)的樣點(diǎn)值： N（h） 為研究區(qū)內(nèi)距離為 h 的樣點(diǎn)個數(shù)。定義 γ（h） 為 Z （x_i） 與 Z（x_i-h） 之差的方差的一半，將它定義為區(qū)域化變量Z（x_i） 在 x 軸方向上的變異函數(shù)，即半方差函數(shù)。在二階平穩(wěn)假設(shè)條件下，運(yùn)用指數(shù)函數(shù)模型，對半方差函數(shù)進(jìn)行計(jì)算[29-30] 。

2南充市2022年汛期高溫千旱天氣分析

2.1高溫分布特征分析南充市 222個含氣溫觀測要素的氣象觀測站點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在2022年5—9月，如圖 2a 所示，有215個氣象觀測站點(diǎn)日最高氣溫突破歷史記錄，大部分地方日最高氣溫在 42.0^°C 以上，其中高坪區(qū)、蓬安縣、營山縣部分地方日最高氣溫在 43.0^°C 以上，日最高氣溫最大值出現(xiàn)在2022年8月16日華鳳鎮(zhèn)氣象觀測站點(diǎn)，為 46.8⁴⁶C ；如圖2b所示，有213個氣象觀測站點(diǎn)平均氣溫突破歷史記錄，大部分地方平均氣溫與常年同期值相比偏高 1.0～1.9⁹C ，與2021年同期相比偏高 0.5～1.7^°C ，高坪區(qū)、蓬安縣平均氣溫普遍在 26.0‰ 以上，平均氣溫最大值出現(xiàn)在嘉陵火花氣象觀測站點(diǎn)，為 27.5‰ ；如圖2c所示，高溫日數(shù)（日最高氣溫?35.0^qC ）為1959年以來歷史同期最多，且遠(yuǎn)超過常年平均值，高坪區(qū)、蓬安縣、營山縣部分地方在 50d 以上。2022年5-9月南充市氣候總體呈現(xiàn)高溫少雨的態(tài)勢，高溫覆蓋范圍廣、持續(xù)時間長、強(qiáng)度大，均為歷史罕見。綜上評估，南充區(qū)域高溫事件綜合強(qiáng)度居有氣象數(shù)據(jù)記錄以來歷史第一。

圖2南充市2022年5—9月日最高氣溫（a）、平均氣溫（b）和高溫日數(shù)（c）空間分布

Fig.2Spatialdistributionofdailymaximumtemperature（a），average temperature（b）andnumberofhightemperaturedays（c）inNan chong City from May to September 2022

2.2干旱分布特征采用降水量距平百分率干旱等級劃分方法，根據(jù)南充本地實(shí)際情況進(jìn)行分級，并利用克里金插值方法對南充市2022年5—9月逐月降水量距平百分率進(jìn)行空間插值，插值結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，南充地區(qū)2022年4月降水正常，未出現(xiàn)旱情;5月東北部開始出現(xiàn)輕度干旱，高坪區(qū)、蓬安縣個別地方出現(xiàn)中度干旱，閬中市、南部縣、儀隴縣未出現(xiàn)干旱；6月干旱明顯加重，全市大部分地方出現(xiàn)不同程度的干旱，其中閬中市西北部、東北部，營山縣東部邊緣，儀隴縣、蓬安縣、南部縣、順慶區(qū)、高坪區(qū)部分地方出現(xiàn)了嚴(yán)重干旱，西充縣干旱程度較輕；7月旱情持續(xù)加重，全市大部分地方出現(xiàn)不同程度的干旱，其中閬中市、南部縣大部分地方出現(xiàn)了嚴(yán)重干旱，部分地方出現(xiàn)特重干旱；8月旱情持續(xù)，大部分地方都出現(xiàn)了不同程度的干旱，其中南部縣、西充縣、嘉陵區(qū)、儀隴縣、蓬安縣、營山縣部分地方出現(xiàn)了嚴(yán)重及以上干旱；9月干旱明顯減弱，除闐中市、西充縣、南部縣西部部分地方出現(xiàn)干旱外，其余地方均無旱情。

為進(jìn)一步分析，通過提取 0.5^°×0.5^° 分辨率格點(diǎn)，計(jì)算出不同干旱等級的面積占比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)（表2），南充市2022年4月未出現(xiàn)旱情，5—9月均出現(xiàn)不同程度的干旱，8月干旱面積最大，占比為 85.08% ，其次是6、7月，干旱面積占比分別為 64.88%.53.11%，5.9 月的干旱面積相對較輕，占比分別為 24.08% 和 12.56% ，其中8月輕度、中度、嚴(yán)重干旱的面積均為最大，占比分別為 30.57%.40.01%.12.92%，7 月的特重干旱面積最大，占比為 9.26% 。

圖3南充市2022年4—9月干旱分布

Fig.3Distribution of drought in NanchongCity from April to September 2022

2.3相關(guān)性驗(yàn)證為保證數(shù)據(jù)的可用性，驗(yàn)證克里金插值的精度，選取南充市63個數(shù)據(jù)具有代表性的氣象站點(diǎn)，對干旱較為嚴(yán)重的2022年6、7、8月降水量距平插值格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖4所示，得出2022年6、7、8月利用克里金插值的擬合值與實(shí)際值的 R² 分別為0.6198、0.8579、0.7797，說明降水距平百分率空間插值與實(shí)際值的相關(guān)性較好，尤其是干旱比較嚴(yán)重的7、8月，均通過了0.05顯著水平檢驗(yàn)，可用于南充地區(qū)大范圍的干旱監(jiān)測。通過分析原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，插值數(shù)據(jù)有一定的平滑效應(yīng)，在降水偏少的地方，擬合值大于實(shí)際值，在降水偏多的地方，擬合值小于實(shí)際值，利用這個規(guī)律，在實(shí)際運(yùn)用中可以適當(dāng)對擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

表2南充市2022年4—9月干旱面積占比 Table2Proportion of drought areas in Nanchong City from April to September2022 單位： % （20

3對策建議

南充是四川的農(nóng)業(yè)大市，是國家重要商品糧保障基地，晚熟柑橘總面積居全省第—[24]。2022年汛期（5—9月），南充市以高溫少雨天氣為主，高溫持續(xù)時間長、覆蓋范圍廣、強(qiáng)度大，均為歷史罕見，根據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，2022年8月南充市持續(xù)干旱共造成652618人不同程度受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失29615.94萬元，農(nóng)作物受災(zāi)面積 34478.77hm² ，其中絕收面積 1967.48hm² 。高溫干旱天氣會導(dǎo)致柑橘果樹葉色發(fā)黃，持續(xù)時間長則會導(dǎo)致果樹失水干枯、果皮粗糙變厚、果實(shí)膨大、卷葉落果等，嚴(yán)重影響柑橘生長發(fā)育。針對高溫干旱，提出以下幾點(diǎn)防御措施：

（1）產(chǎn)業(yè)園區(qū)應(yīng)加大蓄水設(shè)施建設(shè)。關(guān)注最近天氣預(yù)報，及時儲備灌溉用水，高溫干旱天氣發(fā)生時，避開高溫時段，加大灌水力度，通過滴灌、噴灌、點(diǎn)灌的方式，每日建議灌溉2～3次，增加園區(qū)內(nèi)的濕度，但切忌灌溉過度。同時有條件可以搭建遮陽網(wǎng)，避免午后陽光直射。

（2）加強(qiáng)土壤、樹枝管理。7月正值晚熟柑橘掛果期，及時清理修剪園區(qū)內(nèi)已經(jīng)受害的落果和枝干，避免滋生病蟲害，對受旱情影響嚴(yán)重的果樹，應(yīng)及時補(bǔ)苗；利用秸稈、谷殼等覆蓋樹盤，達(dá)到減少水分蒸發(fā)，提高抗旱能力的效果。

（3）定期施加磷、鉀等肥料，補(bǔ)充果樹營養(yǎng)，提前預(yù)防煙煤病、青霉病等病蟲害，同時要疏通溝渠，防止主汛期旱澇急轉(zhuǎn)等轉(zhuǎn)折性天氣發(fā)生。

4結(jié)論

該研究基于克里金插值法，利用南充市289個氣象站點(diǎn)的降水?dāng)?shù)據(jù)和222個氣象站點(diǎn)的氣溫數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，對南充市2022年汛期（5—9月）高溫干旱天氣過程進(jìn)行分析，并利用63個數(shù)據(jù)具有代表性的氣象站點(diǎn)對降水插值擬合結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

（1）2022年5—9月南充市氣候總體呈現(xiàn)高溫少雨的態(tài)勢，有215個站點(diǎn)日最高氣溫突破歷史記錄，213個站點(diǎn)平均氣溫突破歷史記錄，高溫日數(shù)為1959年以來歷史同期最多，高溫覆蓋范圍廣、持續(xù)時間長、強(qiáng)度大，均為歷史罕見。經(jīng)評估，南充區(qū)域高溫事件綜合強(qiáng)度居有氣象數(shù)據(jù)記錄以來歷史第一。

（2）2022年汛期南充市出現(xiàn)不同程度的旱情，8月干旱面積、輕度、中度、嚴(yán)重干旱面積均為最大，占比分別為85.08%.30.57%.40.01%.12.92% 。7月的特重十旱面積最大，占比達(dá) 9.26% ，9月的干旱最輕，面積占比為 12.56% 。

（3）利用克里金插值的降水量距平擬合值與實(shí)際值相關(guān)性較好，特別是干旱嚴(yán)重的7、8月份， R² 分別為0.8579、0.7797，通過了0.05顯著水平檢驗(yàn)，表明克里金插值法擬合的降水量距平百分率可用于南充地區(qū)的干旱監(jiān)測。

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