基于可变模糊评价法的辽西北地区干旱分区研究

曹永强， 邵文婷， 张亮亮， 郭明

(辽宁师范大学 城市与环境学院，辽宁 大连 116029)



基于可变模糊评价法的辽西北地区干旱分区研究

曹永强， 邵文婷， 张亮亮， 郭明

(辽宁师范大学 城市与环境学院，辽宁 大连 116029)

选用辽西北地区1970—2014年14个气象站和水文观测站的数据以及历史资料信息，基于可变模糊评价法，通过变换参数模型准确、客观地反映自然因素引起的干旱事件，并通过对干旱事件时空变化特征的分析对该区旱情进行区域划分。结果表明：时间上，辽西北地区旱情整体呈现上升趋势，2000—2003年干旱集中发生且程度较重，2000年接近特大干旱,锦州市和葫芦岛市干旱情况整体趋于平稳，阜新市的干旱情况有所改善；空间上，轻度干旱高频区位于黑山县，低频区位于绥中县和兴城县，中度干旱发生的高频区位于建平县和凌源县，低频区位于锦州市；重度干旱集中在朝阳市。分区结果显示，辽西北地区干旱可以划分为4个区域，分别为重旱区、中度旱区、介于轻旱与中旱区、轻旱或不旱区。

辽西北；可变模糊评价法；时空分析；经验正交分解；干旱分区

气候变化是国内外学者普遍关注与讨论的焦点，政府间气候变化专业委员会(IPCC)第五次评估报告指出，全球气候变暖已经是毋庸置疑的事实，由于气候变暖而引发的极端气候事件时常发生[1]。在这样的背景条件下，旱灾也越来越严重。旱灾是主要的自然灾害之一，其特点主要表现为发生地区多、影响范围广、发展速度慢、发生以及后延时间较长[2]。旱灾的频发，严重影响和制约了当地农业生产和社会经济的可持续发展[3]，对地区性的干旱时空变化特征的研究和不同干旱等级的区域划分，可掌握研究区内干旱变化规律与不同旱情集中发生区域，以便为相关部门有针对性地进行防灾、减灾规划与管理等提供理论上的依据和指导，有利于实现当地农业和社会经济的可持续发展。

辽西北地区是辽宁省的重旱区，目前已有不少专家和学者对辽西北地区的干旱情况进行了分析：葛岩等[4]利用修正Z指数对辽西北地区干旱时空特性进行了分析，认为修正后的Z指数适用于辽西北地区。董婷婷[5]构建了辽西北地区的干旱监测预警与评估系统，并通过反复检验，证明其可实现对该区域旱灾发展过程的监测、预报、预警工作。张继权等[6]从辽西北地区主要粮食作物玉米入手，绘制的农业干旱灾害风险区划图与2006年辽西北地区受干旱影响粮食减产系数区划图匹配良好。目前，对于辽西北地区的干旱分区研究仍为空白，但有不少学者对其他地区的旱情分区进行了较为详细的分析：雷江群等[7]利用可变模糊评价法对渭河流域的综合干旱情况进行了分区研究，认为渭河流域干旱程度呈现增加趋势并且会一直持续；袁云等[8]基于标准化降水指数对我国冬季干旱进行了分区研究，其研究成果将中国划分为13个区域；倪深海等[9]在对我国农业干旱脆弱性分区研究中发现，全国极度重脆弱区47个、严重脆弱区104个、一般脆弱区175个、轻度脆弱区14个。

干旱的形成机理较复杂，影响因素很多，对旱灾的定量评估目前仍然处于初步阶段。现阶段的研究方法多是利用单一指标或两个指标进行干旱分析，如干旱Z指数、标准化降水指数(SPI)、帕默尔干旱指数(PDSI)、CI指数等。笔者在已有研究成果的基础上，针对辽西北地区的综合干旱问题，选取可变模糊评价法，建立气象、水文干旱的综合评价指标体系，对研究区域的综合干旱情况进行时空变化规律分析并进行区域划分。该方法较以往的单一指标或两个指标的干旱评定更具有说服力和优越性，弥补了目前大多仅对单一类型干旱问题研究中的不足以及评价结果可信度低的问题。

1　研究区概况与研究方法

1.1研究区概况与数据来源

不同的学者对于辽西北地区范围的划定有所不同，在分析与综合不同研究者分区结果的基础上[10]，确定辽西北地区的范围包括：朝阳、阜新、锦州、葫芦岛4个地级市及所辖区县，沈阳市的康平县、法库县和铁岭市的昌图县。该地区土地瘠薄，旱情严重并且发生旱灾频率比较高。气候条件属于暖温带半湿润、半干旱气候，受季风影响较大，降雨集中在夏季，春季多大风，降雨量少且蒸发量大、容易产生春旱，秋季温凉少雨，冬季寒冷而干燥。

气象数据为1970—2014年逐日气象数据资料[11]，径流数据采用河道来水量数据的逐日资料。经过数据筛选，将月内缺测数据达5 d及以上的站点剔除，最终选取了分布均匀、数据完整的14个站点的逐日资料。研究区范围及相应测站如图1所示。

图1　辽西北地区站点分布

1.2研究方法

1.2.1可变模糊评价法

可变模糊集理论是以工程模糊集理论为基础，

相对隶属度、相对差异度和模糊可变集合为核心的一个比较系统的可变模糊集体系。它能够量化地描述事物的质变与量变，在模型变化和模型参数的选择上选取了多组分类进行分析，提高了评价识别的可靠性，增加了决策的可信度[12]。

可变模糊集合定义：设论域U上的一个模糊概念(事物、现象)，对论域U中的任意元素u(u∈U)，在相对隶属函数的连续数轴任一点上，u对表示吸引性质A的相对隶属度为μA(u)，对表示排斥性质AC的相对隶属度为μAC(u)。根据可变模糊评价模型，得到各指标的综合相对隶属度。应用级别特征值计算样本级别特征值，最终得出综合干旱风险评价等级。可变模糊评价法与其他评价方法相比，模型参数变化不同，能够灵活且客观地反映干旱的综合情况。

1.2.2评价指标体系的建立

1)降水距平指标。该指标能够表征某时段的降雨量与多年同期平均降雨量的差异，能够直观反映降雨量异常变化所引起的干旱，可以作为灾害评价的实时指标。

2)连续无雨日指标。该指标包括15 d无降雨、连续21 d或更多天数降雨少于常值的1/3；年降雨量少于常值的3/4；月降雨量少于常值的3/5；任何(天数的)降雨量少于常值的17/20。

3)河道来水量距平指标。河道来水量距平是指计算期内河道流量与多年同期平均流量的差值。河道来水距平百分率指河道来水距平值与多年同期平均值的百分比，它反映一个地区地表水的丰枯程度。

4)相对湿润度指标。该指标是指某时段降雨量与蒸发量的差值同蒸发量的比，是表征某时段降雨量与蒸发量之间平衡的指标之一。

为了定量地对辽西北地区的综合干旱情况进行判定，并根据干旱级别特征值对辽西北地区进行区域划分，建立基于可变模糊评价法的辽西北地区综合干旱评价指标体系，同时结合辽西北地区的实际情况，将干旱程度划分为从不旱到特旱5个等级，具体见表1。

表1　干旱等级评价指标标准值

1.2.3经验正交分析和旋转经验正交分析法

由经验正交函数EOF展开得到的前几个特征向量，可以最大限度地表征气候变量场整个区域的变率结构。在EOF分析的基础上，根据干旱级别特征值序列进一步做方差最大旋转，对EOF进行展开，得到旋转经验正交函数REOF，其实质是将各因子轴旋转到某个位置，使每个变量在旋转后的因子轴上做极大、极小两极分化，从而使高载荷只出现在少数变量上，即在旋转因子矩阵中，少数变量有高载荷，其余变量均接近于零。EOF分解技术在各领域中被广泛使用[13-14]，它具有以下优点：没有固定的函数；能在有限区域对不规则分布的站点进行分解；展开收敛速度快，很容易将变量场的信息集中在几个模态上；分离出的空间结构具有一定的物理意义。

2　辽西北地区干旱时空规律分析

2.1干旱时间分析

基于建立的评价指标体系，通过可变模糊评价法计算得到辽西北3个典型地区的干旱级别特征值，并绘制成曲线，如图2所示。

干旱等级：1—不干旱；2—轻度干旱；3—中度干旱；4—重度干旱；5—特大干旱；

综合辽西北地区整体干旱情况可以发现，旱情在特殊年份有所波动，但整体趋势较为平稳，45 年来的变化率不大。1988—1992年,3区整体干旱程度较严重，基本都维持在中度干旱以上;1996—2000年,干旱发生集中且程度较重；相比较其他两个地区，阜新市的干旱程度最为严重，旱情等级大部分年份在锦州市和朝阳市之上，1988年该区的旱情达到特大干旱；朝阳市旱情相对较平稳，在1985—1991年旱情出现明显的加重趋势。锦州市的旱情以轻中度为主，1972年、1977年、1987年、2002年出现了重度干旱。

2.2干旱空间分析

辽西北干旱区干旱频次分布如图3所示，图中数字为14个气象站点的编号，与图1中的站点对应。

从辽西北轻度干旱频次分布图3(a)中可以明显看出：轻度干旱发生高频区位于锦州市范围内，以黑山县为中心；而低频区则位于葫芦岛市范围内的绥中县和兴城县两地，北票市也处于低频中心区。辽西北地区其他各县市均有不同频次的轻度干旱发生，轻度干旱发生频率为5%～48%，轻度干旱在辽西北地区发生的频率还是较高的。辽西北地区中度干旱(图3(b))发生的频率较轻度干旱要低很多，中度干旱发生的高频区位于朝阳市范围内的建平县、凌源县以及葫芦岛市的绥中县；中度干旱发生的低频区则位于锦州市、朝阳市的东西部地区和葫芦

图3　各级干旱频次分布图

岛市的东北部地区，康平县与法库县以及铁岭市的昌图县也有稍高频次的中度干旱发生。重度干旱(图3(c))则集中于朝阳市境内，与其相邻的葫芦岛市、阜新市、锦州市也有一定频率的重度干旱发生，葫芦岛市、阜新市部分地区以及康平县、法库县、铁岭市的昌图县均为重度干旱发生的低频区。

3　辽西北区域综合干旱分区分析

3.1变量场空间结构分析

为了研究辽西北地区干旱情况的区域性，依据上述可变模糊评价法得到评价结果即级别特征值，各主成分的主要结果见表2。

表2　EOF与REOF分析中方差与累计方差贡献

3.2EOF分析

通过对辽西北地区1970—2014年干旱级别特征值进行EOF分析,得到前4个主成分对原始变量场的累积解释方差贡献率接近90%，因子分析的结果较理想。图4给出了前4个主成分所对应的4个特征场，总体反映了辽西北地区干旱程度的几种主要的大范围空间分布特征。

辽西北地区干旱程度的第一特征场，累积方差贡献率为49.093%。该区域呈现东北部为正值，西南部为负值，由东北向西南呈现阶梯层次分布结构，说明辽西北地区干旱情况东西部地区的差异性。第一特征向量场的高值区位于锦州市和阜新市的部分地区以及铁岭市的昌图县。第二特征场也呈现阶梯层次分布结构，此外还表现出由西至东，高、低、高、低分布的特点，西南部为负值，东北部为正值，表现出东西部地区干旱程度的差异与反向性。第三特征向量场高值区位于辽西北地区的西南与东北两端，中心地区为负值，表现出中心低、两端高的特点，总体呈现为凹型结构。第四特征向量场表现出与第三特征向量场完全相反的形态，其中高值区位于锦州市和阜新市的部分地区，而低值区位于两端，呈现出凸型结构。

图4　EOF各级特征向量场

3.3REOF分析

为更好地了解辽西北地区各干旱等级的空间分布特征，对辽西北地区45 年来的干旱级别特征值进行REOF展开分解，得到了细致的地理分区，精细描述不同的地理区域特征。按载荷绝对值大于0.5的高载荷分布区域来考虑，将辽西北地区划分为4个区域。通过REOF分析得出，不同的地理位置上干旱发生的程度不同。第一旋转载荷向量场的高载荷区位于朝阳市范围内，这一区域是偏重度干旱易发区，在辽西北整个地区中该区域属于相对重旱区。第二旋转载荷向量的高荷载区集中在黑山县和义县，第二旋转荷载区还包括阜新市的部分地区。第三旋转载荷向量的高荷载区为康平县、法库县以及昌图县。第四旋转载荷向量的高载荷区位于建昌县与绥中县。

参考各分区干旱程度(图5)，分析4个区域的干旱情况。整体看来：Ⅰ区的干旱程度较严重，对于Ⅰ区着重于对重度干旱的分析与治理；Ⅲ区干旱程度仅次于Ⅰ区，轻旱与中旱的发生频次均高于Ⅰ区，所以Ⅲ区需要重视轻度干旱的改善；对于Ⅱ区与Ⅳ区，这两个区域的干旱易发点截然相反，Ⅱ区更易发生轻度干旱，需要加以重视；Ⅳ区发生轻度干旱的频率是4个区域中最低的，中度干旱发生的频率更低。经分析可知，4个区域中Ⅰ区的干旱程度最严重，也最容易发生干旱；Ⅳ区的干旱程度最轻，发生干旱的可能性相对较低。

由此可见：Ⅰ区为重旱区；Ⅱ区旱情基本在中度范围内；Ⅲ区旱情介于轻旱与中旱之间；Ⅳ区为轻旱或不旱。因此，相关部门对于Ⅰ区县、市的旱情应予高度重视，集中更多精力制定防旱、抗旱预案与应急措施，并投入相对多的抗旱资金。

图5　辽西北地区干旱分区及干旱频次分布

4　结　语

1)辽西北地区干旱程度较为严重，呈现上升趋势，2000—2003年，干旱发生集中且程度较重，2000年接近特大干旱；锦州市和葫芦岛市的干旱情况整体趋势平稳，轻度上升。近年来，阜新市的干旱情况有较好改善，锦州市和朝阳市附近的反而恶化，应引起当地甚至辽宁省相关部门的重视，以便将旱灾给该区域以及全省带来的损失降至最低。

2)轻度干旱的高频区位于黑山县，低频区位于绥中县和兴城县，北票市也处于低频中心区；中度干旱发生的高频区位于建平县、凌源县以及绥中县，低频区位于锦州市、朝阳市东西部地区和葫芦岛市东北部地区，康平县与法库县以及昌图县有轻度、中度干旱发生；重度干旱则集中于朝阳市。

3)通过EOF分析得出，第一、二特征向量场体现了东部与西部地区反向型特征，第三、四特征向量场以锦州市和阜新市为中心的对称同向性。REOF分区在EOF分析的基础上做了方差最大正交旋转，对辽西北地区进行综合干旱分区，将辽西北地区旱区划分为4个主要干旱区，西部干旱频发，且旱情最重(重度干旱频次高)；东部干旱情况次之(轻度和中度干旱频次高)；辽西北地区中部地区干旱频次较低。

4)基于建立的气象、水文干旱综合评价指标体系，通过可变模糊评价法对辽西北地区的综合旱情进行了时空变化规律分析与区域划分，区域划分结果与实际旱情相匹配。说明可变模糊评价法在旱情区域划分方面适用性较好。

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(责任编辑:杜明侠)

Research on Drought Partition in the Northwest of Liaoning Province Based on the Variable Fuzzy Assessment Method

CAO Yongqiang, SHAO Wenting, ZHANG liangliang, GUO Ming

(School of Urban Planning and Environmental Science, Liaoning Normal University, Dalian 116029, China)

According to the hydrological datum and the historical datum of 14 meteorological and hydrological stations from 1970 to 2014, based on the variable fuzzy assessment method and through changing parametric models, this paper reflected the drought which was caused by the natural factors accurately and objectively. The drought of this area was partitioned through analyzing the variable characteristics of drought from time and space. The results showed: temporally, the drought in the northwest of Liaoning presented a increasing trend overall, the drought was concentrated and heavier from 2000 to 2003, and was closed to serious drought in 2000, the drought conditions as a whole tended to be steady in Jinzhou City and Huludao City, but the drought conditions was better in Fuxin City; spatially, the high-frequency area of mild drought located in Heishan County, and the low-frequency area was in Suizhong County and Xingcheng County, the high-frequency area of moderate drought located in Jianping County and Lingyuan County, and the low-frequency area located in Jinzhou City, the serious drought concentrated in Chaoyang City. Partition results showed that the drought in the northwest of Liaoning could be partitioned to 4 areas, which were the serious arid area, the moderate arid area, the arid area between light drought and serious drought, the mild arid area and the zero arid area.

the northwest of Liaoning; variable fuzzy assessment method; spatial-temporal analysis; empirical orthogonal decomposition; drought partition

2015-08-19

国家自然科学基金(51279072)；中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室开放基金项目(IAM201511)。

曹永强(1972—)，男，内蒙古丰镇人，教授，博士，主要从事水文水资源方面的研究。E-mail:caoyongqiang@lnnu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.01.005

TV125;S161.6+2

A

1002-5634(2016)01-0029-06