基于CI指数的怀化市干旱时空特征分析

张 坤，王新发，姚秋云，段文静，罗文英

(1.湖南省怀化市气象局，湖南 怀化 418000；2.成都信息工程大学通信工程学院，四川 成都 620058)



基于CI指数的怀化市干旱时空特征分析

张 坤1,2，王新发1，姚秋云1，段文静1，罗文英1

(1.湖南省怀化市气象局，湖南 怀化 418000；2.成都信息工程大学通信工程学院，四川 成都 620058)

该文采用综合气象干旱指数(CI)，利用线性分析、空间分析等方法对怀化市1963—2015年气象干旱特征进行了分析。结果表明：近53 a来怀化市年干旱频率在5.6%～41.9%之间，平均为22.7%，在空间上，干旱频率分布在21.4%～24.1%之间，新晃区域干旱频率最高；1963—2015年干旱日数呈增加趋势，变化率为1.5 d/10 a，从四季看，除夏季外，其他3季干旱日数均呈增加趋势；怀化市年平均轻旱日数为44.1 d、中旱25.9 d、重旱9.4 d、特旱3.4 d。

怀化市；CI指数；干旱日数；干旱频率；空间分布

1 引言

干旱是影响怀化主要气象灾害之一，随着经济的快速发展以及全球气候变暖的加剧，干旱趋势不断加重，对人民的生活、生产，生态环境等造成了严重的影响[1-2]。近年来，许多国内外的专家学者对干旱指数进行了大量研究，其中比较常见的有标准化降水指数、Z指数、Palmer干旱指数、连续无有效降水日数等,这些干旱指数在干旱监测业务和研究中都得到了广泛的应用[3]。有不少学者基于不同的气象干旱指数对我国干旱及其气候变化特征进行研究[4]。例如任建成等[5]利用标准化降水指数对黄河三角洲地区近30 a旱涝时空特征进行了分析，认为黄河三角洲地区在20世纪80年代干旱较为频繁，90年代中后期和2002年以后则雨涝较为频繁，其他时段呈现出旱涝交替变化的趋势；王莺等[6]利用Z指数分析了石羊河流域干旱特征，发现石羊河流域的Z指数在51 a中总体呈上升趋势；张婧等[7]利用CI指数对河北省近50 a干旱时空分布进行了分析，认为河北省近50 a降水量以16.5 mm/10 a的速度递减。白美兰等[8]利用综合干旱指数分析了内蒙古中东部地区春季和夏季干旱的时空分布特征，得出气候变暖后内蒙古地区降水分配格局发生了变化，使内蒙古中东部地区春季干旱减轻，而夏旱加重。

湖南省降水分布不均匀，年际变化大，旱季明显，旱灾发生频率高[9]。怀化位于湖南西部偏南，是湖南省面积最大的地级市，具有明显的亚热带大陆性季风气候特征，旱涝灾害时有发生。例如2013年夏季出现了严重干旱，7月1日—8月6日全市平均降水量不足6 mm，比历年均值偏少98%。干旱期间，全市共有655条溪河断流，301座水库干涸，2 765眼机电井出水不足。226个乡镇3 897个行政村共计18.46万hm2农作物受旱，其中轻旱5.36万hm2，重旱6.9万hm2，干枯6.19万hm2，58.6万人和16.26万头大牲畜出现临时饮水困难。本文拟利用CI干旱指数从干旱频率、干旱日数等方面，对怀化市近53 a干旱特征进行分析，以期掌握干旱时空变化规律，为怀化市气象干旱预测和加强气象防灾减灾工作提供科学依据。

2 资料与方法

2.1 资料来源

选取怀化市11个国家气象站点1963—2015年逐日降水和气温观测资料。四季划分以：3—5月份为春季，6—8月份为夏季，9—11月份为秋季，12—2月份为冬季。

2.2 方法

2.2.1 综合气象干旱指数(CI) 综合气象干旱指数(CI)根据国家气象干旱标准《气象干旱等级GB/T 20481-2006》，计算公式如下：

CI=aZ30+bZ90+cM30

(1)

式中，Z30、Z90分别为近30 d和近90 d标准化降水指数SPI值；M30为近30 d相对湿润度指数；a为近30 d标准化降水系数，由达轻旱以上级别Z30的平均值除以历史出现最小Z30值，平均取0.4；b为近90 d标准化降水系数，由达轻旱以上级别Z90的平均值除以历史出现最小Z90值，平均取0.4；c为近30 d相对湿润系数，由达轻旱以上级别M30的平均值除以历史出现最小M30值，平均取0.8[10]。

日综合干旱指数(CI)可通过式(1)，利用前期平均气温、降水量滚动计算。干旱等级划分标准见表1。

表1 综合气象干旱等级的划分

2.2.2 干旱频率 本文利用怀化市53 a逐日综合气象干旱指数(CI)，通过公式(2)计算干旱频率：

P=n/N×100%

(2)

式中：n为53 a出现CI≤-0.6的日数，N为53 a总日数。

3 干旱时空变化特征分析

3.1 干旱频率特征

统计分析可知怀化市近53 a干旱频率在5.6%～41.9%之间，平均干旱频率为22.7%，其中干旱频率最高为41.9%，出现在1963年，最低为5.6%，出现在1977年。怀化市近53 a干旱频率整体年际变化不显著，但不同年代干旱频率年际波动较大，20世纪60年代，干旱频率呈降低趋势，变化率为-29%/10 a，70年代年干旱频率波动较大，但年际变化趋势不显著，变化率仅为-1%/10 a，80年代干旱频率年际变化率为-4%/10 a，90年代干旱频率年际变化与70年代类似，变化率为1%/10 a，21世纪前15 a，干旱频率年际波动较大并呈下降趋势，变化率为-1%/10 a。

分析1963—2015年怀化市11个气象站点年平均干旱频率可知，在空间上，怀化市干旱频率分布在21.4%～24.1%之间，年平均干旱频率最高为新晃站，最低为通道站。由图1可以看出，在空间上，怀化市的新晃、沅陵、通道及怀化城区较高。

图1 怀化市年平均干旱频率空间分布Fig.1 Spatial distribution of annual average drought frequency in Huaihua City

3.2 干旱日数的年际变化

3.2.1 年干旱日数的年际变化 1963—2015年怀化市年平均干旱日数年际波动较大，年干旱日数在20.5～153.1 d之间，年平均干旱日数为82.8 d，其中干旱日数最多为153.1 d，出现在1963年，干旱日数最少为20.5 d，出现在1977年。1963—2015年怀化市干旱日数呈增加趋势，变化率为1.5 d/10 a。

3.2.2 季干旱日数的年际变化 1963—2015年怀化市春季干旱日数在0～63.4 d之间，平均干旱日数为11.7 d，其中春季干旱日数最多的为2011年，达到63.4 d，最少的为0 d，出现在1970年和2003年。从图2a可知，近53 a来春季干旱日数呈增加趋势，但变化趋势不显著，变化率为0.52 d/10 a。春季，由于南海季风开始活跃，降水增多，气候温和湿润，发生春旱的概率较低。

夏季干旱日数在0.8～74.7 d之间，平均干旱日数为27.4 d，其中夏季干旱日数最多的为1963年，达到74.7 d，最少的为1977年，干旱日数0.8 d。从图2b可知，近53 a来夏季干旱日数呈减少趋势，变化率为0.67 d/10 a。夏季雨季结束后，西太平洋副热带高压增强北跳西伸，8—9月怀化受副热带高压稳定控制，气温偏高，降水偏少，蒸发量大，极易发生夏秋连旱。

秋季，由于极地气团与温带气团的交界面逐渐南移，副高北挺西伸，受单一的暖气团稳定控制，晴热少雨[11]，是怀化发生干旱最频繁的季节，秋季干旱日数在3.6～84.4 d之间，平均干旱日数为31.4 d，其中秋季干旱日数最多的为1992年，达到84.4 d，最少的为1977年，干旱日数3.6 d。从图2c可知，近53 a来秋季干旱日数呈增加趋势，变化率为1.27 d/10 a。

冬季干旱日数在0～40.8 d之间，平均干旱日数为12.8 d，其中冬季干旱日数最多的为1988年，达到40.8 d，最少的出现在1963、1972、1982、1994、1997、2000年，干旱日数0 d。从图2d可知，近53 a来冬季干旱日数呈增加趋势，变化率为1.44 d/10 a。冬季北方冷高压脊南伸，怀化处于高压低部，寒冷干燥，但蒸发量较夏季少，较春季大，故冬季也易发生干旱，但轻于夏秋季干旱，重于春季。

图2 1963—2015年怀化市四季干旱日数的年际变化(a.春季；b.夏季；c.秋季；d.冬季)Fig.2 Inter annual variation of the seasonal drought days in Huaihua city during 1963—2015 (a. spring; b. summer; c. autumn; d. winter)

3.3 不同干旱等级干旱日数的空间分布

怀化市分布在25°～35°N、108°～112°E之间，南北跨度大，东西狭窄，所受气候背景相同，但局部存在差异。受地形等因素的共同影响，各县市出现干旱的情况也不相同。怀化北部处于武陵山脉下风坡，容易产生下沉气流，降水偏少，南部处于南岭山脉余脉，降水相对偏多。而西部处于云贵高原向山地、丘陵的过渡带，地势高，降水少，东部处于雪峰山山脉的迎风坡，对降水有增益作用。

从图3a可知，怀化市轻旱日数大体呈由北向南依次递减的分布趋势，轻旱日数较多的为北部的沅陵区域。1963—2015年怀化市年平均轻旱日数分布在41.6～48.2 d之间，轻旱日数最多的是沅陵站，最少的是洪江站，11个气象站点平均轻旱日数为44.1 d；从图3b可知，怀化市中旱日数总体呈北部区域小于南部区域的分布趋势，中旱日数较多的区域为怀化南部。1963—2015年怀化市年平均中旱日数分布在23.5～28.1 d之间，中旱日数最多的是辰溪站，最少的是怀化站，11个气象站点平均中旱日数为25.9 d；从图3c可知，怀化市重旱日数总体呈北少南多的分布趋势，重旱日数较多的区域为怀化西部。1963—2015年怀化市年平均重旱日数分布在7.8～13.2 d之间，重旱日数最多的是新晃站，最少的是沅陵站，11个气象站点平均重旱日数为9.4 d；从图3d可知，怀化市特旱日数总体呈由西北部向东南部依次递减的分布趋势，特旱日数较多的区域为怀化西北部。1963—2015年怀化市年平均特旱日数分布在2.3～4.3 d之间，特旱日数最多的是辰溪站，最少的是洪江站，11个气象站点平均特旱日数为3.4 d。

图3 怀化市不同干旱等级干旱日数的空间分布(a.轻旱；b.中旱；c.重旱；d.特旱)Fig.3 Spatial distribution of drought days in different drought days in Huaihua city (a.light drought; b.moderate drought;c.severe drought; d.extreme drought)

4 结论

本文使用综合气象干旱指数(CI指数)，从干旱频率、干旱日数的年际变化以及不同干旱等级干旱日数的空间分布等3个方面对怀化市1963—2015年气象干旱特征进行了分析，可以得出：

①怀化市近53 a年平均干旱频率在5.6%～41.9%之间，平均为22.7%，从空间分布看，年平均干旱频率在21.4%～24.1%之间，怀化西部的新晃区域干旱频率最高。

②1963—2015年，怀化市干旱日数年际波动较大，呈增加趋势，变化率为1.5 d/10 a，从四季变化趋势来看，除夏季外，其他3季干旱日数均呈增加趋势；

③怀化市年平均轻旱日数为44.1 d，大体呈由北向南依次递减的分布趋势，中旱日数25.9 d，总体呈北部区域小于南部的分布趋势，重旱日数9.4 d，总体呈北少南多的分布趋势，特旱日数3.4 d，总体呈由西北部向东南部依次递减的分布趋势。

[1] 张金凤,冯杰,何祺胜.基于CI指数的贵州省干旱时空变化规律研究[J].水电能源科学,2014,32(4):4-8.

[2] 王巍,阳文亮,甘武阳,等. 基于CI指数的衡阳县2013年干旱特点分析[J].贵州气象,2015,39(2):45-47.

[3] 蔡新玲,叶殿秀,李茜,等.基于CI指数的陕西干旱时空变化特征分析[J].干旱地区农业研究,2013,31(5):1-8.

[4] 刘可群,李仁东,刘志雄,等.基于CI指数的湖北干旱及其变化特征分析[J].长江流域资源与环境,2012,21(10):1 274-1 280.

[5] 任建成,巩在武,郑宝枝.基于SPI的近30年黄河三角洲地区旱涝时空特征[J].水土保持研究,2016,23(1):268-277.

[6] 王莺,赵福年,姚玉璧,等.基于Z指数的石羊河流域干旱特征分析[J].灾害学,2013,28(2):100-106.

[7] 张婧,梁树柏,许晓光,等.基于CI指数的河北省近50年干旱时空分布特征[J].资源科学,2012,34(6):1 089-1 094.

[8] 白美兰,李金田,李喜仓,等.近50 年内蒙古中东部地区春夏季干旱特征分析[J].干旱区资源与环境,2013,27(5):131-136.

[9] 张剑明,廖玉芳,彭嘉栋,等.湖南气象干旱日数的时空变化特征[J].中国农业气象, 2013,34(6):621-628.

[10]张强,邹旭恺,肖风劲.GB/T20481-2006气象干旱等级[S].北京:中国标准出版社,2006:17.

[11]潘志祥,黎祖贤,叶成志.湖南省天气预报手册[M].北京:气象出版社,2015.

Analysis of temporal-spatial characteristics of drought in Huaihua City based on compound meteorological drought index (CI)

ZHANG Kun1,2,WANG Xinfa1,YAO Qiuyun1,DUAN Wenjing1,LUO Wenying1

(1.Meteorological Administration of Huaihua City, Huaihua 418000,China; 2.College of Communicaion Engineering,Chengdu University of Information Technology, Chengdu 620058, China)

Based on compound meteorological drought index (CI), the characteristics of meteorological drought in Huaihua City from 1963 to 2015 were analyzed by using linear analysis and spatial analysis. The results show that: the annual drought frequency of Huaihua City in recent 53 a was between 5.6%～41.9%, with an average of 22.7%. In space, the frequency of drought is distributed between 24.1%～21.4%, and it's the highest frequency of drought in Xinhuang County areas. The meteorological drought days showed an increasing trend during 1963 to 2015, its rate of change was 1.5 d/10 a.From the four seasons, the number of dry days showed an increasing trend in other three seasons except summer. The average of annual drought days in Huaihua city: the light drought days 44.1 d, the middle drought days 25.9 d, the heavy drought days 9.4 d, the special drought days 3.4 d.

Huaihua City; compound meteorological drought index (CI); meteorological drought days; drought frequency; spatial distribution

1003-6598(2016)06-0059-05

2016-08-24

张坤(1985—)，女，硕士在读，工程师,主要从事气象科技服务工作，E-mail:398355393@qq.com。

湖南省气象局2016年短平快课题(XQKJ16B064)。

P426.616

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