基于区域自动站降水资料对乡镇干旱评估的指标研究——以2013—2014年桐梓为例检验分析

姚正兰，赵大清，翟英涛

(1.贵州省遵义市气象局,贵州　遵义　563002；2.贵州省桐梓县气象局,贵州　桐梓　563203)



基于区域自动站降水资料对乡镇干旱评估的指标研究
——以2013—2014年桐梓为例检验分析

姚正兰，赵大清，翟英涛

(1.贵州省遵义市气象局,贵州遵义563002；2.贵州省桐梓县气象局,贵州桐梓563203)

区域自动气象站填补了国家布局气象站空白区域的资料，加强了对中小尺度灾害性天气的监测能力，在防汛抢险中起到了极其重要的作用，在抗旱救灾也应当起到积极有效的作用。该文分析了气象干旱等级国家标准中的各种指标，表明无论是单项气象干旱指数还是综合气象干旱指数标准，在贵州乡镇一级的干旱评估中基本不适用。贵州省地方干旱标准中的干旱入旱条件、干旱解除条件、干旱等级可以作为乡镇一级干旱的判定方法，增加了干旱等级的降级和跨季干旱的规定，以便在实际业务工作中能够适时的给出不同阶段乡镇干旱的评估结论。以2013—2014年桐梓区域自动站逐日降水资料进行了检验分析，得出2013年桐梓出现了中级春旱、特重级夏旱、轻级秋旱、中级冬旱；2014年桐梓春、夏两季为轻旱，秋季基本无旱，但出现了特重级冬旱。

区域自动站；降水资料；乡镇；干旱评估

1　引言

区域自动气象站是我国近10 a来大量布设的地面自动气象观测设备，是我国综合气象观测系统的重要组成部分，标志着我国大气监测自动化系统进入了一个新的发展阶段。自动站具有获取资料准确度高、时间和空间分辨率强、并能获取空白区域资料的特点，使我国地面观测网对天气系统特别是中小尺度系统和灾害性天气系统的监测能力大大加强[1]。

贵州省遵义市辖10县2市3区，有14个国家布局的气象观测站。目前全市已建240个区域自动气象站，另外建成182个雨量自动气象站，24个六要素自动气象站，保证全市各乡镇至少有一个区域自动气象站，有些乡镇有2～3个可监测降水的自动气象站。通过多年来的应用检验，区域自动气象站在防汛救灾中的作用可以说是功不可没，比如2010年7月8—10日务川县分水镇、茅天镇、浞水镇等地[2]、2013年6月9日遵义县马蹄镇、2014年8月11日习水县良村镇等多次重大强降水天气过程，各级气象部门严密监视每10 min自动传输一次数据的区域自动站雨量实况，及时掌握雨情，预估险情，层层叫应各级相关部门，在抗洪抢险过程中为应急救援指挥调度发挥了极其重要的作用，成功避险，将灾害带来的损失降到最低程度。通过区域自动站雨量的应用分析，表明在贵州山区这种地形复杂多变的区域，国家统一布局的气象台站的探测资料并不能完全反映所在县域的气候特征，如2014年8月11日习水国家基本气象站雨量为65.3 mm，而习水县良村镇区域自动气象站雨量竟达334.3 mm，其周边大坡、山岔河、温水、寨坝4乡镇雨量都在200 mm以上，特大山洪造成巨大损失的事实对暴雨的量级也能作出相应的辅证。因此对于干旱的评估，笔者认为也不能用国家气象站的资料来代表整个县域内的干旱情况。

进入21世纪以来，贵州干旱频发、加重[3-8]，给工农业生产造成严重影响。根据多年的实践体会到，在干旱气象服务业务中，应该在干旱发生初期、干旱发展中、干旱结束后给出相应的监测报告，干旱发展过程中适时升级、适时降级、适时解除，快速作出各个乡镇、不同时期的评估报告，这样才能赢得气象服务的主动性和有效性。因此非常有必要开展不同季节乡镇干旱的监测评估技术方法的研究。

2　气象干旱等级国家标准的讨论

干旱指标是研究干旱气候的基础，也是衡量干旱程度的标准。长期以来，气象工作者对干旱及其指标研究进行了大量的研究[9-14]，据世界气象组织统计，各种应用的干旱指标有55种，但目前还没有一个干旱指标能适应所有干旱情况的研究[15]。

气象干旱等级国家标准(GB/T20481-2006)[16]中给定的单项气象干旱指数和综合气象干旱指数，在乡镇干旱评估中存在很大的局限性。如单项气象干旱指数中的降水距平百分率法(Pa)，是表征某时段降水量与常年值的比较，能直观反映降水异常引起的干旱，涉及到多年平均降水量(一般为30 a平均值)，而乡镇区域自动气象站是近10 a来逐渐布设的气象加密观测站点，再加最初几年设备不稳定，站点布局不完善，因此不可能做到与历史气候概况作比较，该方法不适合作乡镇干旱指标；相对湿润指数法(M)，是表征某时段降水量与蒸发量之间平衡的指标，需要计算某时段的可能蒸散量(PEm)，而PEm又涉及到平均气温(Ti)、年热量指数(H)、月热量指数(Hi)、地表净辐射、土壤热通量、风速、饱和水汽压等多项物理量以及常数A、γ的计算，该方法对于乡镇干旱评估也是不可能快速实现的；标准化降水指数法(SPI)，是表征某时段降水量出现概率多少的指标，同样涉及到降水量气候平均值，且计算公式复杂，不适宜作乡镇干旱的评估指标；土壤相对湿度干旱指数法(R)，是反映土壤含水量的指标，适合于某时刻土壤水分盈亏的监测，适用于旱地农业区，本方法需要测量土壤重量含水率(w)和土壤田间持水量(fc)，本方法理论上来说应该能反映土壤的墒情，但由于不同性质的土壤相对湿度存在一定的差异，加之不是自动观测，监测时也不能做到各乡镇都测量，不同的操作人员取样有差异，操作不规范等因素，不具备代表性，因此在实际乡镇干旱监测中也不适用；帕默尔干旱指数法(X)，是表征在一段时间内该地实际水分供应持续地少于当地气候适宜水分供应的水分亏缺，该指标适合月尺度的水分盈亏监测和评估，在计算水分收支平衡时，考虑了前期降水量和水分供需，物理意义明晰，但该方法需要可能蒸散量、土壤可能水分供给量、可能流量、土壤可能水分损失量、整层土壤田间持水量等众多物理量，适用于干旱事后评估研究，也不适用适时应用。对于中国气象局推荐的综合气象干旱指数Ci，虽然被广泛应用于干旱监测业务中，但在实际应用中表现并不完全合理，比如在2010年西南地区特大干旱监测评估的应用[17]，尤其对农业干旱监测实用性欠佳[18]，在2011年和2013年贵州两次严重夏旱的应用中，Ci指数给出的评估与实际情况也存在一些明显的误差。

通过上述分析，气象干旱等级国家标准中，无论是单项气象干旱指数还是综合气象干旱指数标准，在贵州乡镇一级的干旱评估中基本不适用，为此本文引用贵州省地方干旱标准(DB52/T1030-2015)[19]对乡镇干旱进行评估，并增加干旱等级的降级和跨季干旱的规定。

3　乡镇干旱评估指标的确定

根据贵州省干旱标准[19]确定乡镇干旱的入旱条件、干旱解除条件和干旱等级标准。

3.1干旱入旱条件

3.1.1春旱春季3月1日—5月31日，当一次连续降水过程总降水量为5～20 mm时，从过程结束后的第3 d起算；过程总降水量为20.1～35 mm时，从过程结束后的第5 d起算；过程总降水量在35.1 mm以上，从过程结束后的第7 d起算。

若降水过程结束次日至起算日之间降水量<5 mm，则判断春旱入旱，把起算日定为春旱入旱日,否则从降水过程结束后第3 d起重新判断下一个降水过程。

3.1.2夏旱夏季6月1日—8月31日，当一次连续降水过程总降水量为5～25 mm时，从过程结束后的第3 d起算；过程总降水量为25.1～50 mm时，从过程结束后的第5 d起算；过程总降水量在50.1 mm以上，从过程结束后的第7 d起算。

若降水过程结束次日至起算日之间降水量<5 mm，则判断夏旱入旱，把起算日定为夏旱入旱日,否则从降水过程结束后第3 d起重新判断下一个降水过程。

3.1.3秋旱秋季9月1日—11月30日，一次连续降水过程总降水量为5～20 mm时，从过程结束后的第3 d起算；过程总降水量为20.1～35 mm时，从过程结束后的第5 d起算；过程总降水量在35.1 mm以上，从过程结束后的第 d天起算。

若降水过程结束日至起算日之间降水量<5 mm，则判断秋旱入旱，把起算日定为秋旱入旱日, 否则从降水过程结束后第3 d起重新判断下一个降水过程。

3.1.4冬旱冬季12月1日—翌年2月28日，一次连续降水过程总降水量为2～5 mm时，从过程结束后的第3 d起算；过程总降水量为5.1～15 mm时，从过程结束后的第5 d起算；过程总降水量在15.1 mm以上，从过程结束后的第7 d起算。

若降水过程结束次日至起算日之间降水量<2 mm，则判断冬旱入旱，把起算日定为冬旱入旱日, 否则从降水过程结束后第3 d起重新判断下一个降水过程。

3.2干旱解除条件

当干旱发生后，任意连续5 d累计降水量达到表1中的干旱解除条件时，判断干旱发展状态解除，该次干旱过程结束，结束日期为达到解除降水量的当日。

表1　干旱解除条件(5 d累计降水量　单位：mm)

3.3干旱等级划分

从一次干旱的入旱日起至该次干旱解除日的前一天之间持续的时段定义为一个干旱时段。干旱时段持续日数等级划分见表2。

表2　干旱时段持续日数Dc分级标准(单位：日)

3.4干旱等级的适时升级、降级

在实际业务工作中，并不是等到干旱过程结束后提供完整的评估报告，而是需要在干旱的发展过程中，适时地对干旱给出不同阶段的评估，为各级政府部门抗旱部署提供科学的参考依据，因此需要根据干旱发展的实际情况适时升级、降级。

3.4.1干旱等级适时升级根据表2给定的标准，在干旱发展过程中，干旱时段持续日数若达到下一个等级标准时，就对干旱等级进行适时升级。

3.4.2干旱等级适时降级贵州省干旱标准[19]给出了干旱缓和的定义，指干旱发生后出现有效降水，干旱等级降低，但仍未解除干旱。在实际干旱气象服务中，各级政府很多时候是希望气象部门能给出一个明确的定论，仅仅表达干旱缓和是不够的。为此本文引入干旱等级适时降级的概念。

当干旱强度达到某一级别的等级时，出现有效降水，但没有达到表1规定的相应级别的干旱解除条件，而达到了低一个级别的干旱解除条件，此时干旱等级应适时降级为低一个级别的等级，之后若干旱再发展的话，再重新升级干旱等级。比如当前干旱等级为特旱，近5 d累计降水量>50 mm而<70 mm，就应适时将当前干旱等级由特旱降为重旱。若不采用降级办法，有时严格按照干旱解除条件的话，干旱是无法解除的。

如2013年桐梓楚米从6月25日开始无降水(见图1)，7月1日达到入旱条件，连续无雨持续到7月31日，此时已到达重旱标准，8月1—4日出现有效降水，累计雨量为28.4 mm，但未能达到夏旱的重旱解除条件，8月5日之后到15日又是一少雨时段，期间仅8日出现7.0 mm的降水，16—20日出现连续降水，5 d累计雨量为68.7 mm。若8月1—4日的降水对干旱仅是缓和的话，之后的少雨时段势必应该与之前的干旱时段累加，这样干旱时段持续日数就达46 d，为特旱等级，那么16—20日5 d的累计雨量没达70 mm，干旱仍不能解除，而之后也没有连续5 d累计降水≥70 mm的情况，那干旱就一直持续下去吗？若8月1—4日的降水按表1规定没达重旱解除条件而达中旱解除条件，把当前的干旱等级降低一个等级为中旱，那么8月16—20日的降水就顺理成章的解除了旱情。事实上当年楚米8月1—20日累计降水量为105.2 mm，到8月下旬旱情已基本解除了，只是库塘蓄水没能得到解决。这样的实例在业务工作中是极其常见的。

图1　桐梓县楚米2013年6—8月逐日降水量Fig.1　The daily precipitation at Chumi Tongzi from Jun. to Aug. 2013

3.5跨季节连旱

相邻季节之间发生的跨季节连续干旱，称为季节连旱，如春夏连旱、夏秋连旱、秋冬连续、冬春连续等。但有时没有达到季节连旱，又存在跨季节干旱时，作如下补充规定：当一个季节的初期少雨，但又没有达到本季节的入旱条件，而上一个季节末期的干旱又未解除，这时就应当把本季节初的少雨期归为上一季节的干旱时段；当一个季节的末期少雨，但又没有达到本季节的入旱条件，而下一个季节初期已达入旱条件，这时就应当把本季节末的少雨期归为下一季节的干旱时段。如5月下旬少雨(之前无春旱或春旱已解除)，6月初已达夏旱入旱条件，这种情况就当把5月下旬的少雨期归为夏旱时段；夏旱持续到8月底仍未解除，9月上旬仍然少雨(但没达到秋旱入旱条件)，这种情况就当把9月上旬的少雨期归为夏旱时段，直至干旱解除。

3.6县(市、区)域干旱强度等级划分

无论是春、夏、秋、冬干旱还是季节连旱，县(市、区)域干旱强度等级以县(市、区)域内区域自动气象站数频率为依据，表3为县(市、区)域干旱强度分级标准。

表3　县(市、区)域干旱强度分级标准

4　2013—2014年桐梓干旱检验分析

4.12013年桐梓干旱评估

桐梓国家基准气候站2013年年降水量仅666.9 mm，为1951年来的最少值(见图2)，降水量的偏少特别是夏季降水量的严重不足，造成当年桐梓出现了特重夏旱。据县民政局通报，旱灾影响遍及全县24个乡镇，秋粮大幅减产，农业直接经济损失达71 614万元。

图2　1951—2014年桐梓国家气候站逐年降水量变化Fig.2　The change of precipitation at Tongzi national weather stations from 1951 to 2014

根据上述乡镇干旱评估指标，以2013年桐梓县24个乡镇的区域自动气象站逐日降水量对乡镇干旱进行评估。有些乡镇有2个以上区域自动站的，按“定高不定低”的原则，选取旱情最重的区域站资料代表该乡镇雨情。本研究区域各乡镇分布如图2所示。

图3　桐梓县乡镇分布图Fig.3　The map of Tongzi

4.1.12013年桐梓春旱桐梓2013年春季出现了两段春旱过程。各乡镇从2月23日开始各地先后达到春旱入旱条件，至3月下旬各地陆续解除春旱。本次春旱过程全县达中旱强度，其中茅石、木瓜、等7乡镇达重旱标准(见图4a)。4月上半月各地降水较多，但从4月中旬后期开始，部分地方再次进入少雨时段，其中新站达中旱标准，木瓜、坡渡等中部以北14个乡镇为轻旱，本次春旱过程全县为轻旱等级(图略)。5月全县各地降水充沛，无旱象发生。

4.1.22013年桐梓夏旱2013年6月上旬，全县各乡镇降水集中，多大雨、暴雨天气过程。6月中旬全县各地基本无雨。6月下旬初到下旬中期，县内大部分地方出现中到大雨天气过程，部分乡镇出现暴雨，使得中旬的少雨时段没有形成干旱。7月全县进入少雨期，娄山关、高桥等乡镇全月降水量不足1.0 mm，全县大部分乡镇从6月底—7月初陆续入旱，而风水、花秋等乡镇由于6月下旬仅有阵雨量级降水出现，因此6月中旬就已入旱。全县干旱持续到7月底。8月初大部分地方出现有效降水，部分地方干旱解除，一些地方旱情仍未完全解除，直至8月中旬全县再次出现大范围的中到大雨、部分地方暴雨的降水天气过程，至此本次夏旱过程基本结束。桐梓2013年夏季全县各乡镇均出现了中旱以上等级的干旱(见图4b)，其中芭蕉、松坎等7个乡镇为重旱，风水、官仓等8个乡镇为特旱，全县达到特旱等级标准。

4.1.32013年桐梓秋旱2013年8月下半月—9月上半月全县各地多雨，充分解除了前期的夏旱。9月下半月—10月上半月降水较少，期间仅有2次降水过程，部分地方降水量级较小，形成秋旱。其中娄山关、高桥、九坝3乡镇达中旱标准，新站、天坪等7乡镇为轻旱，全县秋旱为轻旱等级(见图4c)。10月下旬—11月全县无旱。

图4　2013年桐梓县四季干旱分布情况(a.春旱； b.夏旱； c.秋旱； d.冬旱)Fig.4　The map of drought in Tongzi in four seasons(a.spring drought； b.summer drought； c.autumn drought； d.winter drought)

4.1.42013年桐梓冬旱2013年冬季(统计时段为2013年12月1日—2014年2月28日)，从12月下旬—2月中旬期间降水较少，全县除官仓和花秋外，其余各地都有轻旱以上等级的冬旱发生，其中松坎、楚米等8乡镇达重旱等级，全县为中旱等级(见图4d)。值得注意的是，冬季当高海拔地区出现固态降水时，由于区域自动站的承水器没有自动融化功能，传感器传输的降水量信息可能就是无，这时应当参考周边低海拔区域自动站的降水情况加以判断，比如桐梓黄连乡冬季常常会出现长时间无降水的情况，实际上有时是承水器被冻着了。

4.22014年桐梓干旱评估

桐梓国家基准气候站2014年年降水量达1 402.3 mm，为1951年来的次多值，仅少于1954年(见图2)，丰沛的降水使得全年基本无旱象发生，但也不排除局部地方在部分时段出现干旱的可能，以下对各乡镇各季节作检验(图略)。

4.2.12014年桐梓春旱2014年春季桐梓各地总体降水量充沛，大部分地方仅在3月上旬—中旬和3月底—4月中旬出现了两段少雨期，其中松坎、坡渡、狮溪、小水、羊磴、新站6乡镇到达中级春旱标准，其余各地则为轻旱，而黄莲无春旱发生，全县总体评估为轻级春旱。

4.2.22014年桐梓夏旱2014年整个夏季降水量桐梓降水量较多，仅在7月下旬—8月中旬降水偏少，其中高桥出现了23 d的中旱，其余乡镇出现了8～18 d的轻旱，全县为轻级夏旱。

4.2.32014年桐梓秋旱2014年9—10月桐梓各地降水偏多，部分地方还出现了秋汛，无旱象发生。11月以阴雨天气为主，也基本无旱，全县仅天坪出现了37 d的中级秋旱，马鬃和羊磴分别出现了23 d和25 d的轻旱外，其余各乡镇无秋旱发生，全县总体评估为秋季基本无旱。

4.2.42014年桐梓冬旱2014年冬季(统计时段为2014年12月1日—2015年2月28日)，整个冬季气温高，降水少，是一个典型的暖冬年份。从12月中旬开始到2月底，部分地方持续少雨，北部和中部地区的狮溪、新站等8个乡镇冬旱日数超过60 d以上，达特旱等级，坡渡、木瓜为重旱，其余乡镇为中旱以下等级。就全县总体评估重旱以上合计站数≥40%，其中特旱站数≥30%，因此桐梓2014、2015年冬季出现了特重级冬旱，只是由于前期春、夏、秋季降水均偏多，库塘蓄水充足，故而所带来的影响不显著而已。

5　结论与讨论

①通过分析，气象干旱等级国家标准(GB/T20481-2006)[16]中，无论是单项气象干旱指数还是综合气象干旱指数标准，在贵州乡镇一级的干旱评估中基本不适用。贵州省地方干旱标准(DB52/T1030-2015)[19]中的干旱入旱条件、干旱解除条件、干旱等级划分可以应用到乡镇一级的干旱评估，其简单易行，可以作为一种快速、便捷的干旱判定方法，本文增加了干旱等级的降级和跨季干旱的规定，在实际业务工作中能够适时的给出不同阶段乡镇干旱的评估结论。

②通过2013—2014年桐梓区域自动站降水资料的检验应用，得出：2013年桐梓出现两次春旱过程，其中在2月下旬后期—3月下旬前期全县出现了中旱，茅石、木瓜等7乡镇为重旱；4月中、下旬全县出现了轻旱。2013年夏季全县出现了特重级夏旱，其中芭蕉、松坎等7个乡镇为重旱，风水、官仓等8个乡镇为特旱，特旱区域主要出现在南部乡镇。2013年秋季全县秋旱不重，仅在9月下半月—10月上半月新站、天坪等7乡镇出现轻旱，娄山关、高桥、九坝3乡镇达中旱。2013年12月—2014年2月，全县出现中旱等级的冬旱，其中松坎、楚米等8乡镇达重旱等级。通过本评估方法得出的结论与实际相符，特别是夏旱的评定，与2013年桐梓夏旱属贵州当年特旱县之一[7-8]的事实吻合。2014年桐梓春、夏两季为轻旱，秋季基本无旱，但出现了特重级冬旱。

③干旱的评估方法和种类很多，不同行业对干旱的等级划分标准不同，采用不同标准对同一干旱过程进行评估时得到的结论也不相同。气象部门所规定的常用干旱指数分级标准更多地考虑气象条件对农业生产的影响程度[20]，仅从专业需要出发，为更加准确定量化描述干旱，更多地考虑了易于监测的资料，而没有考虑水利设施对干旱的防御能力，事实上，水利设施的好坏决定着抗旱能力的大小。本文仅从区域自动站降水资料对乡镇干旱过程进行了验证分析，对于更加真实、客观地反映干旱程度，准确评估干旱等级指标还有待进一步研究。

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The Research on the Drought Assessment Indexes of Towns Based on the Data from Regional Automatic Weather Stations——The Analyses in Tongzi from 2013 to 2014

YAO Zhenglan1，ZHAO Daqing2，ZHAI Yingtao1

(1. Zunyi Meteorological Administration Bureau of Guizhou Province, Zunyi 563002, China；2.Guizhou Tongzi Meteorological Administration Bureau of Guizhou Province, Tongzi 563203, China)

The data of regional automatic weather stations fill the blanks of the state data in the areas where there are no national weather stations, strengthening the ability of monitoring small and medium bad weather. They also play an extremely important role in flood control and emergency rescue and a positive and effective role in drought relief. All the national standards about drought are not useful in assessing the drought of towns. The standards of drought in Guizhou about drought grades, how to become drought and how to end drought are useful for drought assessment in towns. Some regulations about the downgrading and season crossing of drought were added so as to get the assessment of drought in towns in proper time. From 2013 to 2014 the regional automatic weather station in Tongzi analyzed the data of daily precipitation and got the conclusion: in 2013 moderate spring drought, heavy summer drought, light winter drought and moderate winter drought in 2013; in 2014, light drought in spring and summer, no drought in autumn, but heavy drought in winter.

regional automatic weather stations; data of precipitation: towns; assessment of drought

1003-6598(2016)02-0020-07

2015-07-08

姚正兰(1965-)，女，高工，主要从事天气预报、气候变化研究工作，E-mail:gzzyyzl@sohu.com。

P426.616

B