江淮流域相对湿润指数适应性研究

吴波

[摘要]本文应用江淮流域37个代表站1961年-2005年逐日气象资料，以penman公式为基础计算了地面各站各月的相对湿润指数。把计算出的相对湿润指数与江淮流域代表站的干旱等级、干旱持续时间进行对比。结果表明：此相对湿润指数在江淮流域北部适应性较好，从北往南，适应性逐渐降低。通过分析该指数的时空变化表明，从多年平均意义上讲江淮地区土壤水分处在平衡状态，基本满足农业需求。从湿润程度上讲，北部比南部湿润。从旱涝频率上讲，农业旱涝年际变化大，具有明显的周期性，波动频率北部大于南部。北部旱涝四季并存，春旱、夏秋和秋冬连旱频率高，夏季局部洪涝频发；南部湿润区总体湿润，干旱次数较少，以洪涝居多，但夏秋干旱依然频发。

[关键词]相对湿润指数 彭曼计算方法 适应性 时空变化

[中图分类号] F407.1 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-8-389-2

0引言

引起旱涝灾害的主要原因是降水异常，因此气象学上的旱涝指标通常考虑降水偏离常态的程度，干旱本质上是指陆地表面土壤的缺水状况，陆地表面的干湿变化情况主要受降水量和蒸发量的影响[1]。因此，研究干旱问题可以从表征降水量和地面蒸发量着手，研究干旱的特征和机制需要综合考虑降水收入和蒸发输出相对大小的问题。以前的工作在研究陆地地表干湿状况时把降水最为唯一的因素进行研究，仅考虑了其中的一个方面，尽管能反映干旱的某些特征，但难以客观全面地体现干旱的特征。如在某些地区，尽管降水是增加的，但是由于增暖而引起的地表蒸发的增加量远大于降水的增加量，地表的水分收支仍然为负，在这种背景下这个地区仍然处于干旱的状态，在冷干的气候状态下同样存在类似的问题[2]。江淮地区是南北气候过渡带，秦岭-淮河一线年平均降水量为800mm，1月份平均温度为0.C，是地理气候上的南北分界线。江淮地区地形复杂，气候多变，受梅雨影响，旱涝灾害频繁交替发生，是研究农业旱涝气象指标及检验其适应性的典型区域[3]。本文从水分的收支平衡原理出发，以气象观测资料为基础，以地表蒸散量特性为前提，计算相对湿润指数。用该指数对近50年江淮流域的旱涝时空变化进行分析，考察此相对湿润指数在江淮流域的适应性。它能够更加真实地揭示干旱的发生情况，对我们认识旱涝、防御旱涝具有重要作用[4]。

1资料和方法

1.1资料介绍及处理

本文利用了江淮地区境内40个气象台站（安阳、朝阳、济南、沂源、衮州、莒县、日照、开封、西华、驻马店、信阳、麻城、商丘、砀山、赣榆、毫州、宿县、盱眙、射阳、阜阳、固始、寿县、蚌埠、滁县、南京、东台、南通、六安、霍山、合肥、巢湖、常州、溧阳、吴县东山、武汉、杭州、南昌、上海、九江、长沙）的逐日气象资料。气象资料要素包括日平均气温、日最高气温、日最低气温、日相对湿度、日降水量、日平均风速，日照时数。大多数台站资料是从五十年代到2005年，为了比较方便，在做后来统计计算的时候，把各站时间统一到1960年到2005年，其中有三个站（上海、九江、长沙）资料不全，在做统计比较的时候，不予考虑。对资料的处理是把日平均资料处理为月平均资料，在处理时剔除缺测值，若整个月都缺测，则用前一个月和后一个月的平均值代替该月的值。在处理资料时发现，缺测比较多的是日照时数。

1.2研究方法

气象业务上采用的相对湿润指数为[5]：

Mi为相对湿润指数，P为降水量，ET0为参考作物蒸散量，即此相对湿润指数是降水量和参考作物蒸散量的相对比值，反映了实际降水供水量与最大水分需要量的平衡关系，是一个具有时间和空间变化的气象意义上的旱涝评价指标。降水量的资料容易获得，要得到高质量的相对湿润指数，关键在于找到更科学的方法，对蒸散量进行较为准确的计算。最大可能蒸散的计算决定了干湿指数的计算精度，国际上最大可能蒸散一般都由机理模型计算而来，计算模型有几十种[6]，其中最常被应用的有Penman模型、Thornthwaite模型和Selianinov模型。我们常采用综合法中的彭曼公式为代表，它是一种半经验理论，考虑了空气热力因子、空气动力因子以及太阳辐射对潜在蒸散量的影响，与实际比较符合，并有较充分的物理学理论依，一般适用于半湿润和湿润的平原地区。

所以有

式中Mm为计算时段内的相对湿润指数；P为月平均降水量；ETm 为月平均作物潜在蒸散量，本文采用改進的penman公式来计算。

彭曼简式为

式中E为水面蒸发量；R为辐射平衡值；Eα为空气干燥力；r为干湿球常数；△为饱和水汽压曲线的斜率[7]。

2相对湿润指数的计算及其适应性比较

2.1相对湿润指数与干旱等级标准

等级划分：

相对湿润度指数反映了实际降水供给的水量与最大水分需要量的平衡，故利用相对湿润度指数划分干旱等级不同地区和不同时间尺度也有较大差别，表1（图略）适合我国半干旱、半湿润地区月尺度的干旱等级标准。

干旱分析方法当中经常以年为单位[8]，当Mi>-0.5时是湿润年，当Mi <-0.5时为干旱年。本次分析将应用到各月，利用月蒸散量和月平均降水量计算出逐月Mi值，当Mi <-0.5时定义为干旱月，利用江淮地区37个代表站的1961-2005年逐月降水和逐月蒸发资料，计算出各月的Mi值，应用到各月来评定干旱程度，得出各站的适应性。同时对典型区域的春季（3月-5月）、夏季（6月-8月）、秋季（9月-11月）、冬季（12月-2月）旱涝的分析结果与实际发生情况进行对比。

2.2实况干旱等级的划分标准

根据《中国气象灾害大典》中对各区域的干旱实况记录，根据以下标准可得出各站的干旱等级。

（1）正常或湿涝：特点为降水正常或较常年偏多，地表湿润，无旱象；

（2）轻旱：连续无降雨天数春季达16-30天、夏季16-25天、秋冬季31-50天，特点为降水较常年偏少，地表空气干燥，土壤出现水分轻度不足，对农作物有轻微影响；

（3）中旱：连续无降雨天数，春季达31-45天、夏季26-35天、秋冬季51-70天，特点为降水持续较常年偏少，土壤表面干燥，土壤出现水分不足，地表植物叶片白天有萎蔫现象，对农作物和生态环境造成一定影响；

（4）重旱：连续无降雨天数，春季达46-60天、夏季36-45天、秋冬季71-90天，特点为土壤出现水分持续严重不足，土壤出现较厚的干土层，植物萎蔫、叶片干枯，果实脱落，对农作物和生态环境造成较严重影响，对工业生产、人畜饮水产生一定影响；

（5）特旱：连续无降雨天数，春季在61天以上、夏季在46天以上、秋冬季在91天以上。特点为土壤出现水分长时间严重不足，地表植物干枯、死亡，对农作物和生态环境造成严重影响，工业生产、人畜饮水产生较大影响。

该等级标准规范全国范围通用，具有空间和时间可比较性，能较为客观地描述干旱的发生、发展、持续和解除等过程，以及干旱发生程度和范围的等级标准的干旱监测指标。根据该等级标准，对照《中国气象灾旱大典》历史记录，查找实际干旱等级，再与根据相对湿润指数确定的干旱等级进行对照，分析两者的一致性大小。

3相对湿润指数在江淮流域的应用

3.1相对湿润指数的区域性分布

江淮流域不同的区域发生干旱灾害的频率和严重程度是不同的，根据统计，纬度越高，发生干旱的频率就越高，比如，河南大部分地区，山东中西部，在1961-2000间的40年之间，发生不同程度的干旱大多数在40次以上，即平均每年都有不同程度的旱灾发生。而在苏南地区，这40年之间的干旱年份都在20次以下。计算37个站各站的1961-2005年的平均相对湿润指数，浙江北部、江苏南部、江西北部、湖北地区的45年累计平均相对湿润指数大于0.30，发生洪涝的概率要大于发生干旱的概率，这些地区的植被覆盖和生态环境一般比较好，蓄水能力强，不易发生干旱，这些地区定义为湿润区，代表站点有南昌、杭州、霍山、武汉、溧阳、麻城、吴县东山。江淮流域37个站1961年-2005年累计平均相对湿润指数反映了江淮地区空间上多年农业旱涝的平均状况。

3.2相对湿润指数的季节性变化

各区域近45年相对湿润指数月平均值的年变化趋势表明，春季相对湿润指数分布南北差异最显著。随时间变化趋势各区均不显著，夏季南北差异缩小。随年代的变化趋势差异比较大， 90年代中后期最湿润，随后急剧下降。秋季三个区域的数值差异进一步缩小，最大值出现在80年代中期，随年代下降趋势半湿润区不显著，波动区显著，湿润区极显著，90年代后期半湿润区和波动区数值超过湿润区。从地域分布看，北部旱涝交替，南部以涝为主，但季节性干旱明显。从年内分布看，半湿润区春季以干旱为主，涝灾偏轻，夏秋冬三季干旱、涝灾均很严重，轻度和中等以上程度比例基本各半。波动区春季也是以旱为主，强度小于半湿润区，其余各季旱涝交替，干旱以轻度居多，涝灾则是中等以上居多。湿润区涝灾比例明显大于旱灾，但夏秋干旱频率也较高，与北部两区接近，以湖北为例进行分析可知，湖北发生干旱的季节主要在夏秋两季，春季次之，有别于偏北的河南地区，半湿润区以春季干旱频率最高。从实际与计算干旱对比来看，本相对湿润指数可以比较真是地反映干旱实际情况，把相对湿润指数应用到来确定旱涝月比较合理。

4结论

（1）相对湿润指数在江淮流域各区的适应性不同，在半湿润区，即淮河和黄河之间的适应性最好，与实际的符合程度能达到80%以上，在过渡区的适应性次之，在降水偏多的长江及以南地区，适应相对较差，甚至达不到50%。

（2）旱涝在空间上分布也不均匀。降水量越少的地方发生干旱的频率越高，降水量越多的地方发生洪涝的频率越高，江淮流域北部发生干旱的频率最高，此相对湿润指数在北部半湿润区的适应性最好。旱涝在时间上分布也不均匀，农业旱涝年际变化大，变化幅度北部大于南部。北部旱涝都频繁发生，春旱、夏秋连旱和秋冬连旱发生频率较高，夏季局部地区洪涝很严重；南部平均总体湿润，以洪涝居多，但夏秋（7-9月）干旱频发。

参考文献

[1]马柱国，符淙斌，2001. 中国北方地表湿润状况的年际变化趋势[J].气象学报，59（6）：737-746.

[2]马柱国，华丽娟，任小波.中国近代北方极端干湿事件的演变规律[J] .地理学报[J]，2003，9（58）增刊：69-74.

[3]陈喜，姜彤.不同气候区月蒸散发能力计算模式适用性分析.水文[J].2004，24（5）：1-4.

[4]杨小利，蒲金涌，马鹏里，姚小英.陆面潜在蒸散计算模型在甘肃黄土高原的适用性研究[J].安徽农业学报，2010，30 （2）：184-189.

[5]申双和，张方敏，盛琼.1975-2004年中国湿润指数时空变化特征[J].农业工程学报，2009，25（1）：11-15.

[6]马小群，吴文玉，张辉.利用累計湿润指数分析江淮地区农业旱涝时空变化[J].资源科学，2008，30（3）：371-377.

[7]牛振国，李保国，张凤荣等.参考作物蒸散量的分布式模型[J].水科学进展，2002，13（3）：303-307.