基于Ci指数的衡阳市干旱及其变化特征分析

2013-01-19刘兰芳陈春燕周益平袁钦飞

衡阳师范学院学报 2013年3期

陈涛，刘兰芳，陈春燕，周益平，袁钦飞

（1.湖南衡阳市气象局，湖南衡阳 421001；2.衡阳师范学院，湖南衡阳 410002；3.湖南祁东县气象局，湖南祁东 412003）

0 引言

干旱是全球最严重的自然灾害之一，随着经济迅速发展、人口快速增长以及全球气候变暖，干旱有进一步加重趋势［1－2］。对于干旱历年变化规律及其发趋势，专家开展了广泛研究［3－8］：赵俊芳在分析湿润指数后发现，未来40a中国气候总体上呈暖干趋势；侯威在分析中国极端干旱事件时发现，我国的极端干旱事件与青藏高原气温密切相关，同时气候变化在时间尺度上具有350a左右准周期；商彦蕊认为，干旱不等于旱灾，在时间与空间分布上，旱灾往往与干旱脆弱性分布一致，而不与自然降水分布一致。

1997年美国气象学会将干旱分为四类即气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱。就气象干旱而言，它指某时段内，由于蒸发量和降水量的收支不平衡，水分支出大于水分收入而造成的水分短缺现象。对气象干旱的定量化研究，离不开干旱指数。张强等［9］在制定《气象干旱等级》国家标准中，规定了降水量距平百分率、相对湿润度指数、标准化降水指数等5种单项气象干旱指标及一项综合气象干旱指数（Ci）。其中，Ci指数同时考虑了降水和蒸发能力因子，与单纯利用降水量的干旱指数比较具有较大优越性［8］，成为目前国内干旱监测和评估业务工作中普遍使用的方法。本文基于衡阳市各观测站的日平均气温及降水资料，计算其Ci指数，以期用定量的方法分析近53a衡阳市的干旱特点及变化规律。

1 资料与方法

1.1 资料来源及说明

本文利用衡阳市7个观测站（衡山、衡阳县、衡阳市、衡南、祁东、常宁、耒阳）1960年—2012年逐日气温、降水量统计各站Ci指数并求平均。季节定义为：1月、2月及上年12月为冬季，3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季。参照国际通用标准，Ci指数气候值基于1981—2010年数据统计所得，各站逐日气温、降水量值通过了湖南省气候中心质量控制。

1.2 统计方法

1.2.1 Ci指数计算

本文参考《气象干旱等级》国家标准（GB／T 20481－2006）［9］中Ci计算方法，利用近30d（相当月尺度）和近90d（相当季尺度）降水量标准化降水指数，以及近30d相对湿润度指数综合得出，计算公式如下：

式中Z30、Z90分别为近30d和近90d标准化降水指数SPI；M30为近30d相对湿润度指数；a为近30d标准化降水系数，平均取0.4；b为近90d标准化降水系数，平均取0.4；c为近30d相对湿润系，平均取0.8。通过公式（1），利用前期平均气温、降水量可以滚动计算出每天Ci值。根据Ci值划分各气象干旱等级，见表1。

表1 综合气象干旱指数（Ci）等级

1.2.2 干旱频率

利用衡阳市近53a来逐日Ci指数，采用公式（2）计算干旱发生频率（P）：

式中n为近53a中有干旱发生日数，即出现轻旱及以上干旱等级的发生日数；N为资料样本总个数，即近53a总日数

1.2.3 干旱频率变化趋势及突变分析

对历年干旱频率变化规律采用线性倾向率分析，突变分析采用Mann－Kendall（简称MK）检验，具体方法可参考文献［10－14］，本文不再赘述。

2 各等级干旱日频率

2.1 轻度及以上干旱频率（Pd）

图1a为1960—2012年轻度及以上干旱日发生频率（简称Pd，Ci≤－0.6）的年变化曲线，整个曲线变化分为三段，1960年代初至1970年代后期及1990年代前期至2010年代为剧烈变化期，其特点是Pd值变化频率快，幅度大。1980年代为相对稳定期，曲线变化幅度小，波动频率不大，Pd值相对稳定。53a平均Pd为24.6%，气候值为24.4%。对变化曲线的线性倾向率分析显示，近53a来Pd呈极缓慢增多趋势，每10a增大0.347%，但这种变化未通过r＝0.1的显著性检验。

图1b～e分别是1960—2012年冬、春、夏、秋四季Pd年变化曲线，平均Pd值分别为13.0%、9.8%、35.6%和40.0%，秋季Pd值最大，春季最小。对四季线性倾向率分析结果显示，冬季和夏季呈微弱下降变化，每10a分别下降0.077%和2.297%。而春、秋季Pd值为上升的，每10a分别上升了0.781%和2.966%。由于春、秋季Pd上升较冬、夏季减少更为明显，导致年Pd值呈上升变化。同样，四季Pd曲线的倾向率变化均也未通过r＝0.1的显著性检验。

在各季节Pd曲线变化中，冬季（图1b）相对平缓；夏季（图1d）变幅较大，从其5a滑动平均变化可以看出，有10～15年左右的变化周期；春季Pd曲线在1980年代之前，有周期性的干旱变化，之后周期变化不明显，但变幅有逐渐增大趋势；而秋季变幅大，且无明显规律。

2.2 重、特旱频率

衡阳市是湖南省重要的农业生产基地之一，也是全国著名的严重干旱区［15］。由于对农业生产的重视，现已建设了较为完备的水利设施，通常轻、中等程度干旱对其影响较小，但重、特旱出现时，受灾将十分严重。在以下分析中，重点对重、特旱出现频率予以讨论。

2.2.1 重旱频率（Pz）

重旱频率是指重旱日（－2.4＜Ci≤－1.8）年出现频率（Pz），期间土壤出现水分持续严重不足，土壤出现较厚的干土层，对农作物和生态环境造成较严重影响［9］。近53a衡阳市Pz为3.1%（图2a），其中最高值为14.0%（1992年），其次为11.2%（2007年），另有3a未出现重旱（1975、1993、2002年），占总年数的5.7%。对其线性倾向率分析发现，53a间Pz呈极缓慢上升趋势，每10a上升0.107%，其变化未通过r＝0.1显著性检验。有四个阶段Pz波动较大，分别是1961—1967、1973—1982、1990—1993、2002—2012年，目前是Pz波动明显期。

2.2.2 特干频率（Pt）

特干频率指特旱日（Ci≤－2.4）年出现频率（Pt）。期间土壤出现水分长时间持续严重不足，地表植物干枯、死亡，人畜饮水产生较大影响等［9］。1960—2012年平均Pt为1.2%（图2b），较Pz下降了1.9%。从历史情况分析，Pt最高为7.1%（1966年），其次是5.8%（2011年），53a间有12a未出现特旱日，占总年份的22.6%。线性倾向率分析表明，Pt为每10a上升0.066%，较Pz增幅偏小。从时间变化分析，Pt波动较大有两阶段，第一段是1962—1967年，第二段是2002年至今，其它时期出现频率较小，且波动幅度不大。

图3 1960—2012年衡阳市重、特旱频率年变化叠加图（细线为重旱，粗实线特旱）

对Pt及Pz曲线叠加（图3）分析，大部分年份，两曲线变化趋势基本相同，在Pz值高的年份，其Pt也明显偏高。通常而言，特旱是在重旱基础上发展而来，在重旱偏多时，特旱出现频率也加大。但也有例外，如1966年，由于旱情发展迅速，大部分重旱都发展为特旱，当年Pt为7.3%，Pz值为3.2%；另一种情况是重旱较多，而特旱较少。如1992年，其Pz、Pt值分别为14.0%和1.2%。

2.3 Pd年代际及月变化

2.3.1 年代际特点

图4为不同等级干旱日在各年代际（1960—2000年代）的出现频率，其中图4a为Pd的频率变化，其在1990年代最小（21.2%），2000年代最大（26.7%）；重度干旱日发生频率（图4b）在1980年代达到低谷之后（2.5%），连续上升，在2000年代达到最大（1.5%）；而特大干旱日出现频率（图4c）呈弧形变化，两端高，中间低。由此可见，不同年代际干旱日频率变化具有不同特点：1960年代是特旱日发生频率相对较高；1970年代重干日发生频率处于中等水平，特旱日减少；1980年代重度及以上干旱日发生频率为历史最低点；1990年代尽管干旱发生频率较低，但重旱及以上干旱呈上升趋势；2000年代则是不同程度干旱集中爆发时期。

图4 1960—2000年代年际衡阳Pd（a）、Pz（b）、Pt（c）变化曲线

2.3.2 月变化特点

图5为衡阳市干旱日（图4a）及重、特旱日（图5b）月变化情况。从图5a可以看出，1～4月，Pd值较小，期间最高发生频率为10.8%。自5月开始，其发生频率直线上升，8～10月达到峰值，分别为44.2%、44.6%和44.8%，其后又快速下降。图5b为重、特旱日变化曲线，1～5月，两曲线变化基本相同，在低位徘徊，6月及以后，两者差距明显增大，Pz上升十分明显，11月两者差距达到最大（5.6%）。

从上述分析可以发现，Pd、Pz及Pt的月变化曲线存在明显差异，这与各月降水量及气温高低有关。1～6月衡阳市雨水充沛，重、特旱日出现几率小，但轻～中等程度干旱日时有发生。在6月底雨季结束以后，在7～9月有一段明显的高温少雨时期，蒸发量增大，气温迅速上升，干旱日发生频率达到峰值。6～10月衡阳市降水整体呈减少趋势，8月受台风等天气系统影响，其中雨、大雨及暴雨出现次数较7月分别偏多11.2%、14.6%和16.9%，由于干旱发生具有滞后性。故在9月的重、特干旱发生频率明显下降，但轻、中度干旱发生频率仍未完成较高水平。秋季是衡阳市降水偏少时期，且气温较冬季明显偏高，秋干物燥，导致10月Pz及Pt继续上升。

3 气温突变分析

图6为1960—2012年干旱频率曲线MK突变分析结果。由于所以UF曲线均未突破±1.96线，表明近53a来，干旱增多或减少状况未发生根本突变。图6a为Pd曲线频率MK分析结果，自1967年以后，其UF曲线就在0线附近波动，波幅变化不大，Pd值较为稳定；Pz曲线（图6b）的MK分析表明在1963—1966年重旱有增多趋势，1967—1987年重旱发生频率为减少，1987年以后，UF值在0线附近波动，表明重旱变化不明显。图6c结果显示自1980年以后，UF值在0线以上波动，显示出特旱频率加大。

4 结论

本文利用综合气象干旱指数（Ci）对衡阳市干旱分类并统计不同程度干旱的发生频率及其年、季度变化情况，从统计角度量化分析了衡阳市的干旱特点及变化趋势，其结果如下：

（1）衡阳市不同程度干旱的发生频率不同，Pd、Pz及Pt年平均出现频率分别为24.6%、3.1%和1.2%。干旱日每年均有出现，有94.3%和77.4%年份出现重旱及特旱日。近53a来，干旱、重旱、特旱日发生频率呈略增多趋势，为每10a发生频率分别上升0.347%、0.107%和0.066%，主要表现为轻－中度干旱增多相对明显，重旱次之，但这些变化未能通过r＝0.1的信度检验。进入21世纪之后，干旱频率变化加大，一旦有干旱出现，重、特旱发生几率增大。在通常情况下，在重旱偏多的年份，特旱发生频率也增大，但也有例外。

（2）在冬、春、夏、秋四季中，平均Pd值分别为13.0%、9.8%、35.6%和40.0%。曲线线性倾向率分析结果是冬季和夏季呈微弱下降变化，而春季和秋季上升，在Pd值大的季节，其倾向率增大（减小）更为明显。

（3）在1～5月，各等级干旱均处于低发期，Pd值在8～9月达到最大，而Pt和Pz在9月以后达到较高水平。8月受台风影响，衡阳市不同降水量级发生次数较7月增多，且量级越大，增大越明显，由于干旱的滞后性，在9月的重旱及特旱发生频率减少。重旱及特旱在1980年代出现频率最低，2000年代最高。

（4）MK突变分析表明近53a中，Pd、Pz及Pt曲线变化均未发生突变，但特旱UF值自1980年以后一直在0线以上波动，显示出特旱频率加大。

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