基于干旱K指数的阿勒泰地区夏旱风险区划

潘冬梅，诺尔沙拉，潘雪梅

（1.吉木乃县气象局，新疆吉木乃 836800；2.富蕴县气象局，新疆富蕴 836100）

基于干旱K指数的阿勒泰地区夏旱风险区划

潘冬梅1，诺尔沙拉1，潘雪梅2

（1.吉木乃县气象局，新疆吉木乃 836800；2.富蕴县气象局，新疆富蕴 836100）

利用新疆阿勒泰地区7个气象站1981—2010年6—8月月平均气温、降水量资料，首先通过Thomthwaite方法计算潜在蒸发量确定K干旱指数，应用变异系数、风险概率、风险指数对阿勒泰地区夏季干旱的风险性进行了讨论和评估。结果表明：阿勒泰地区遭受干旱的风险性较高，出现偏旱的风险概率在80%左右，发生重旱的风险概率在22%～36%；综合风险区划结果显示：夏旱高风险区主要集中在阿勒泰北部和中东部，风险概率分布上偏北丘陵地区大于南部。

夏旱；风险评估；区划；阿勒泰地区

干旱是自然灾害中影响范围最广、影响人口最多的灾害之一。据统计，我国1989—1998年干旱所造成的灾害占所有灾害的50%[1]。旱灾具有影响面积大，影响范围广，明显的季节性、持续性、地域性和潜伏性以及年际变化等多个特点，严重影响了我国的经济发展，西北干旱区尤为突出。为此，研究干旱的时空规律，进行灾害风险评估及预测十分必要。在干旱分布及趋势预测等方面，国内已开展了大量的研究[2-4]；建立客观适用的气象干旱指标[5-9]，对评价本地区的干旱状况以及干旱监测发挥了重要的作用。以往的研究多侧重于干旱指标、机制及气候分析，对于干旱风险评估的研究相对较少。

阿勒泰地区位于新疆最北部，地形复杂，地势多样，辖有六县一市，干旱一直是制约该地区农牧业发展的主要灾害，属重旱灾区域[1]。特别是夏季降水占年降水量的33%～40%[10]，是造成农牧业生产丰歉的主导因素。

本文选择适合本地区的干旱指标，利用变异系数、风险概率及风险指数，对阿勒泰地区夏季干旱进行风险评估与区划研究，对进一步认识阿勒泰地区旱灾发生的风险评价及分布规律，指导防旱、抗旱、制定农牧业生产决策规划等具有重要的现实意义。

1 资料与方法

1.1 数据来源及处理

选取1981—2010年夏季阿勒泰地区6县1市6—8月降水、蒸发量资料。因蒸发皿蒸发缺测较多，记录不完整，故选择Thomthwaite方法计算潜在蒸发量，其计算相关性均通过0.01的检验。根据当地气候和农牧业生产特点，以6—8月为夏季。

1.2 夏旱指数

表征干旱的指标很多，研究[5，8]指出，基于K指数建立的阿勒泰地区干旱强度指数和面积指数，较好地反映了该地区干旱的特征。本文采用干旱K指数作为干旱指标，公式如下：

式中，K为某时段的干旱K指数；R′为该时段降水的相对变率，R′=R/Rp，其中R为该时段的降水量，Rp为该时段降水量的平均值；E′为该时段蒸发的相对变率，E′=E/Ep，其中E为该时段的蒸发量，Ep为该时段蒸发量的平均值。K越小，干旱越严重，反之，干旱不明显。

按式（1）计算了研究区各站历年K指数。在此基础上，根据表1划分的旱涝标准等级分析。

1.3 变异系数

表1 阿勒泰地区K干旱指数等级划分

变异系数表示某干旱指数序列值的幅度偏离其平均值的程度，变异系数大，则偏旱或重旱年份较多。具体公式如下：

式中，V为系数，Ki为夏旱指数为夏旱指数多年平均值，n为年数。当Ki＜0.9、n为偏旱以下年份（含重旱）时，得到偏旱界限下的变异系数，当Ki＜0.5、n为重旱以下年份时，得到重旱界限下的变异系数。V越大，则偏旱或重旱的年份多，农牧业生产的风险性大。

1.4 信息扩散理论

信息扩散论是一种可以弥补信息不足的模糊数学处理方法[11]，该方法考虑优先利用样本模糊信息，对样本进行集值化，将一个观测值样本变成一个模糊集，最常用的模型是正态扩散模型。

设在某区过去的m年内各年的干旱指数分别是y1、y2、…ym，则：

Y为观测样本集合，其中的yj（j=1，2，3…m）为干旱指数。设旱灾指数论域为：

式中，u1、u2、…un为旱灾风险水平，主要由历史干旱指数序列的取值范围和变化规律确定。

一个单值观测样本yi依下式将其携带的信息扩散给U中的所有点。

其中，h称为扩散系数，可根据样本集合中样本的最大值b和最小值a及样本个数m来确定，计算公式为：

相应的模糊子集的隶属函数是:

取Y集合中的y为论域中的某一个元素ui，则超越ui的概率值为：

显然，P（ui）就是所有样本落在ui（i=1，2，3…，n）处的频率值，将其作为干旱灾害的风险估计值。

2 结果与分析

2.1 夏旱分布特点及变异系数

从各地平均夏旱指数来看，阿勒泰地区偏北部偏旱指数在0.5以下，表明该区域多数年份都处于偏旱状态；吉木乃、青河县夏旱指数在0.6左右，说明发生中度干旱年份较少。

从图1可以看出，近30 a干旱发生频率最大中心出现在布尔津县,向偏西、偏东区域递减。

图1 阿勒泰地区夏季干旱空间分布图

计算了偏旱、重旱界限下的变异系数（表2），阿勒泰地区上述两种干旱界限下的变异系数比较一致，基本上都是偏旱变异系数大的地方，则重旱界限下的变异系数也大，反之较小。各地偏旱界限下的变异系数相差不大，以西北、东北部为最大，在31%以上，尤其布尔津县最大，达38%，表明这里干旱发生的年份多，风险较高；吉木乃县最小，只有21%，表明该区发生干旱的年份少，干旱风险最小。重旱界限下的变异系数是以中东部为较大区，在25%左右，阿勒泰市最大，达28%，说明这里发生重旱的年份多，风险最高；吉木乃、青河县为较小区，吉木乃县为最小区，只有6.6%，表明该区发生重旱的年份少，干旱风险最小；其它区域一般在17%～24%。

表2 阿勒泰地区夏季干旱变异系数结果

2.2 夏旱的风险概率及风险指数

基于信息扩散论的研究把强度和发生频率有机结合在一起，物理意义明确，较客观地反映了夏旱的风险性大小[12]。本文采用正态扩散模型进行干旱风险评估，以县为单位。根据气象干旱等级的标准，哈巴河县发生干旱的年份有1981—1986，1989，1991，1994，1996—1999，2006，2008—2009。修订后，相应的干旱样本为：0.3、0.48、0.3、0.8、0.69、0.4、0.45、0.5、0.53、0.41、0.71、0.48、0.72、0.3、0.32、0.71。取干旱论域定为：U={u1，u2，…，u11}={0，0.1，0.2，…，1}，表征不同的风险水平。

按（4）式计算出扩散系数为：h=0.043，根据式（3）～（9）式计算，可得到哈巴河县旱灾在不同风险水平的超越风险概率，依次类推，分别计算出阿勒泰地区其他各县（市）的旱灾风险概率估计值。风险指数指干旱指数的大小，风险估计值表示小于该指数的概率，风险指数为0.4意为旱灾指数≤0.4出现的概率，如哈巴河县干旱风险指数为40%时风险估计值为0.338，换言之，该县平均3 a就遭受1次重旱。

按干旱K指数为0.9、0.4依次定为一般干旱、重旱标准，利用Surfer软件将各县（市）的风险计算结果作出阿勒泰地区旱灾风险图（图2）。

对于一般旱灾而言（图2a），风险概率高值区位于吉木乃、富蕴县，说明该区出现偏旱的年份较多，为风险最大区；其它的风险概率差别不大，在78%～81%。

重旱界限下（图2b），阿勒泰地区的中、北部风险概率较大，尤其阿勒泰市，达36%，为重旱高风险区；偏东、西部出现的风险概率较小，吉木乃县最小，只有21.5%，说明该区较少发生严重干旱，空间分布上呈现沿阿勒泰山脉自北向南部递减的特征。

2.3 夏旱综合风险区划

为了更综合地反映阿勒泰地区的夏旱风险并进行风险区划，首先对重旱界限下的上述风险指标（变异系数、风险概率）进行极差标准化，使其值都处于0～1，以消除量纲的影响；同时参考上述变异系数、风险概率和风险指数，将阿勒泰地区分为高风险区、较高风险区、低风险区，具体方法采用聚类分析法[13]，具体区划结果见图3。

图2 阿勒泰地区夏季偏旱（a）、重旱（b）风险指数分布图

Ⅰ区包括阿勒泰市、哈巴河、富蕴县，为夏旱高风险区；Ⅱ区包括福海、布尔津、青河县为较高风险区；西部吉木乃县风险最小，划分为Ⅲ区。

2.4 阿勒泰地区夏季干旱成因分析

综上所述，阿勒泰地区干旱重灾区即高风险区分布在哈巴河—阿勒泰市—富蕴县一带，呈现沿阿勒泰山脉西北-东南排列的偏北区域,分析结果和以往的研究成果[14]较为一致，可见这样分区是合理的。分析可知，受阿勒泰山脉走向影响，干旱高风险区地势高，纬度偏北，受北风气流影响比较大，蒸发力强，因此遭受干旱最为严重。而低风险区分布在阿勒泰地区西南部，主要受西南气流影响，尤其是沿额尔齐斯河河谷进入的西风气流，夏季受地形的抬升作用凝云致雨因而往往干旱程度较轻。

图3 阿勒泰地区夏旱风险区划

3 结论与讨论

（1）阿勒泰地区夏季降水较少且不稳定，风多，蒸发量大，降雨多在5 mm以下，在农业生产中意义不大，不能形成雨养农业，遭受夏旱的风险性相对较大。各县市夏季发生干旱的概率在50%～60%；大部分区域偏旱界限下的变异系数差别不大；重旱界限下的变异系数是以中东部为较大区，在25%左右，阿勒泰市最大，达28%；吉木乃为最小区，只有6.6%。

（2）对于一般旱灾，各地风险概率差别不大，在78%～81%，高值区在吉木乃、富蕴县。重旱界限下，阿勒泰地区北部、中东部风险概率较大，尤其阿勒泰市，达36%，为重旱高风险区，偏东、西部出现的风险概率较小，吉木乃县最小，只有21.5%。

（3）依据综合风险指数将阿勒泰地区夏季干旱划分为3个风险区，其受灾风险依次为Ⅰ区＞Ⅱ区＞Ⅲ区；空间分布上呈现沿阿勒泰山脉自北向南递减的特征。

Ⅰ区：主要包括阿勒泰市、哈巴河县、富蕴县等偏北区域。

Ⅱ区:主要包括布尔津、福海、青河县等偏南区域。

Ⅲ区：指吉木乃县。

本文不但分析了夏旱平均状况，同时从变异系数、风险概率、风险指数等方面进一步对干旱的风险程度进行了分析，给出了夏旱风险区划图，对当地农牧业生产有直接的指导意义。

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Risk Zone of Summer Drought in Altay Area Based on Drought K Index

PAN Dongmei1，Ruershala1，Pan Xuemei2
（1.Jimunai Meteorological Station，Jimunai 836800，China；2.Fuyun Meteorological Station，Fuyun 836100，China）

Using the monthly average temperature and precipitation data that observed by seven weather stations in Altay area from June to August,from 1981 to 2010.The drought index,K,is determined firstly by calculating the potential evaporation through Thomthwaite method,the risk of the summer drought in Altay area were discussed and evaluated using the variation coefficient,the risk probability and risk index of the drought index（K）.The results show that the risk of the summer drought was high in Altay.The probability of precipitation less than normal in summer was about 80%and the probability of serious drought was 22%～36%.The results of the comprehensive risk division show that the high possibility of summer drought concentrated in the northern and middle easthern regions in Altay area,while the probability of risk decreased from the northern to southern Altay area.

summer drought；risk assessment；zoning；Altay area

S162

B

1002-0799（2013）06-0068-05

10.3969/j.issn.1002-0799.2013.06.011

2012-05-31；

2013-03-18

新疆气象局青年基金项目（201228）。

潘冬梅（1968-），女，工程师，现从事天气预报及气候研究工作。E-mail：pdm-1968628@163.com