基于GIS的大连春旱频率空间分布

侯彦泽， 牛桂萍， 祝青林， 尹远渊， 于蕙箐

(1.辽宁省大连市气象台，辽宁大连 116001；2.辽宁省瓦房店市气象局，辽宁瓦房店 116300)



基于GIS的大连春旱频率空间分布

侯彦泽1， 牛桂萍2， 祝青林1， 尹远渊1， 于蕙箐1

(1.辽宁省大连市气象台，辽宁大连 116001；2.辽宁省瓦房店市气象局，辽宁瓦房店 116300)

利用大连地区1990～2015年39个土壤水分观测站数据,采用墒情指标评价法作为干旱评估标准，借助地理信息系统中的Kring方法进行空间化，绘制大连地区春季干旱频率图,在此基础上分析了大连地区春季干旱的空间分布特征。结果表明，大连地区春旱具有显著的地区性。瓦房店北部、金州发生频次最高，属于春旱高发区；庄河最低，属于春旱低发区；旅顺和普兰店局部属于春旱易发区。

地理信息系统；春旱；频率；空间分布

干旱是影响大连地区工农业生产及人民群众生活的主要气象灾害之一。大连地区干旱灾害具有发生频次高、灾害影响范围大的特点。据不完全统计，近50年大连地区干旱出现频率高达70.9%。随着工农业的大力发展，城乡用水量继续增加，地下水位下降明显，加剧了干旱对当地工农业生产的影响。大连水资源主要来自大气降水，而本地降水的时空变异性大，近些年地区经济的快速发展，导致其水资源供需矛盾日益突出，在此背景下，研究干旱的空间分布特点对合理安排农业生产和抗旱防灾有重要意义。

近年来，有学者对我国北方干旱的时空分布及变化进行了研究[1-4]，如马柱国等[4]分析指出北方地区极端干旱频率显著增加，且极端干旱频发区往往对应着增温明显的地区。目前国内学者研究干旱的时空变化特征和成因较多，而干旱精细化的研究较少涉及，各地正进行农业种植结构调整，急需对各地精细化的农业干旱进行分析[5-8]。笔者利用春季墒情观测点监测数据，结合GIS插值方法，研究大连地区春旱的空间分布，以期为该地区预防减缓干旱灾害和水资源的合理利用提供理论依据。

1　资料与方法

1.1资料来源土壤墒情资料为1990～2015年大连市人工土壤温湿度观测站，测量方法为土钻法，采用烤箱(近些年多采用微波炉烘干)烘干测量。全市共有39个土壤墒情人工观测站，春季测量时间为4月份逢3日、逢8日观测，3月和5月逢8日观测。春旱是大连的主要干旱灾害，约占干旱发生总次数的40.9%，针对春季农户最关心播种时段的土壤湿度，选择10 cm耕层资料。所有资料均来自大连市气象局。各地旱情资料来自大连市气象局和大连市年鉴。

1.2干旱评估和空间化方法采用合理的标准衡量和评估干旱灾害等级，对掌握区域性旱情分布及受旱程度有重要意义。评估干旱的方法很多，包括降水距平百分率、Z指数、相对湿润度指数等，这些评估方法均是从间接角度分析干旱的状况，气象干旱评价方法在不同条件下的效果有一定的差异，但评价的干旱状况标准受主观影响大,不能完全客观揭示干旱的时空分布特征[9]。土壤墒情是反映农作物水分供应状况最直接的指标，相比其他评价方法更加客观。

1.2.1墒情指标评估法。采用土壤墒情干旱指数方法评估春季土壤干旱情况，结合对春季的土壤湿度分析，采用10 cm深度土壤湿度，分析春旱状况。根据历史旱情资料和影响，将春季连续3周10 cm土壤湿度<55%或连续2周土壤湿度<50%确定为出现轻旱；连续3周在50%以下或连续2周<45%为中旱；3周以上<40%为重旱。叠加干旱的次数作为干旱频率。

1.2.2克里格空间化方法。克里格法是从变量相关性和变异性出发，在有限区域内对区域化变量的取值进行无偏、最优估计的一种方法；从插值角度讲是对空间分布的数据求线性最优的一种方法。克里格法的适用条件是区域化变量存在空间相关性，其实质是利用区域化变量的原始数据和变异函数的结构特点，对未知样点进行线性最优估计，计算公式如下:

式中，Z(x0)为未知样点值，Z(xi)为未知样点周围的已知样本点值，ωi为第i个已知样本点对未知样点的权重，n为已知样本点个数。

2　结果与分析

2.1春旱频率的空间化首先为39个土壤墒情站添加经度、纬度、海拔高度和春旱出现频率。统计分析26年的土壤墒情记录资料,分别采用干旱等级评估方法计算得出各站出现春旱概率，最后得到每个站点发生春旱的概率值。分别将站点名、经纬度、高程、春旱频率等添加进干旱频次表(表1)。

表1　添加地理信息的干旱频次

利用Arcmap软件将带经纬度的数据文件导入，形成各站点矢量文件的属性数据层，利用ArcTools将文件投影到Beijing 1954 3 Degree GK Zone 41坐标下。添加大连地区行政边界后(图1)，采用Kriging方法进行空间内插，得到春旱分布的栅格化数据图(图2)。

图1　土壤墒情站点分布Fig.1　Distribution of soil moisture sites

图2　春旱发生频次空间分布Fig.2　Spatial distribution of spring drought occurrence frequency

2.2春旱的空间分布从图2可以看出，大连地区春旱发生频次地区间有显著差异，整体表现为西部重于东部、南部重于北部。根据各地区发生春旱的频次和轻重程度可划分为高发区、易发区、低发区3个区。

2.2.1春旱高发区。瓦房店北部、金州为春旱高发区。瓦房店北部、金州春季干旱出现频率最高，超过50%，为全市之首。1980年，瓦房店地区3～5月降水量仅24.9 mm，仅为常年的30%。5.60万hm2玉米有10%～20%缺苗，并有大面积三类苗，大豆播种推迟10～15 d，花生播种推迟10 d左右，到5月底仍有0.13万～0.20万hm2因干旱没有播种，水稻推迟插秧10 d左右。尤其瓦房店西北部，土质薄而贫瘠，土壤持水量小，易于蒸发，更加重了干旱程度。1989年严重干旱，该地区粮食几乎绝收。2014～2015年连年大旱使得瓦房店大田农业损失惨重，部分农户和牲畜饮水困难。

2.2.2春旱易发区。包括大连市区以及旅顺、普兰店等地，春旱出现频率较高，为30%～50%。1981年全市春季雨水稀少，地下水和土壤含水量急剧下降，旱象发展很快，严重影响春播，全市受旱农田12.47万hm2。大连3月26日～6月13日降水量仅28 mm；普兰店在4～5月降水量≤5 mm的降雨过程长达30 d。

2.2.3春旱低发区。庄河春旱出现频次最低，为10%左右。

3　结论与讨论

该研究利用大连地区1990～2015年39个土壤水分观测站数据，采用墒情指标评估法评估大连地区干旱频率，并利用Kringing方法研究当地春旱频率的空间分布。结果表明，大连地区春季干旱发生频率高，地区间差异显著。瓦房店北部、金州发生频次最高，属于春旱高发区；庄河最低，属于春旱低发区；旅顺和普兰店局部属于春旱易发区。

从灾情损失和历年数据看，以土壤墒情为基础的干旱分析方法能较好地反应当地土壤干旱出现频次。传统的干旱数据主要在点数据上分析干旱的变化特征，忽视了空间整体的连续性，干旱等气象灾害具有空间连续性。该研究将干旱频次采用Kringing方法进行空间化，将点数据信息扩展到面信息，更有利于掌握干旱空间的分布特点，对决策部门制定抗旱政策有重要意义。

干旱是大连地区农业生产主要的气象障碍性因子之一。干旱出现频率高，对农业影响大。需要从整体农业政策、开源节流等方面综合施策。首先，可以调整农业结构和种植制度。调整农业结构就是针对未来气候变化对农业的可能影响，改进作物、品种布局，有计划地培育和选用抗旱等抗逆品种。如大连地区西部沙土地较多，又是干旱少雨地区，更应做大做强甘薯产业；在金州、旅顺、瓦房店等地可以扩大滴灌技术，发展滴灌技术相关产业。

[1] 武建军,刘晓晨,吕爱峰,等.黄淮海地区干湿状况的时空分异研究[J].中国人口·资源与环境,2011(2):100-105.

[2] 赵林,武建军,吕爱锋,等.黄淮海平原及其附近地区干旱时空动态格局分析：基于标准化降雨指数[J].资源科学,2011(3):468-476.

[3] 孙永罡,白人海,谢安.中国东北地区干旱趋势的年代际变化[J].北京大学学报(自然科学版),2004(5):806-813.

[4] 马柱国,符淙斌.1951～2004年中国北方干旱化的基本事实[J].科学通报,2006(20):2429-2439.

[5] 高亮之.数字化农业气象学[J].中国农业气象,2003(2)：1-4.

[6] 林年丰, 汤洁, 孙平安, 等.农业生态环境的数字化研究[J].地学前缘,2008(2)：280-290.

[7] 温小荣, 康杰.基于GIS技术的土地整理规划数字化图件的建立及应用[J].农业网络信息,2007(7):15-18.

[8] 王卫安.地理信息系统和数字化地形图[J].同济大学学报(自然科学版),1997(5)：593-597.

[9] 王素萍,张存杰,宋连春,等.多尺度气象干旱与土壤相对湿度的关系研究[J].冰川冻土,2013(4):865-873.

Spatial Distribution of Spring Drought Frequency Based on GIS Technique in Dalian

HOU Yan-ze1, NIU Gui-ping2, ZHU Qing-lin1et al

(1.Dalian Meteorological Observatory, Dalian, Liaoning 116001; 2.Wafangdian Meteorological Observatory, Wafangdian, Liaoning 116300)

Using the data of 39 soil moisture observation stations in Dalian area during 1990-2015, adopting moisture index evaluation method and Kring method of GIS, spring drought frequency diagram of Dalian was obtained.On the basis of this, spatial distribution characteristics of spring drought in Dalian were analyzed.The results showed that spring drought in Dalian has significant regional feature.North of Wafangdian and Jinzhou belong to highest frequency area of spring drought, Zhuanghe is the lowest, Lushun and parts of Pulandian belong to spring drought prone area.

GIS; Spring drought; Frequency; Spatial distribution

侯彦泽(1988- )，男，天津人，助理工程师，从事农业气象研究。

2016-06-22

S 162

A

0517-6611(2016)24-186-02