改进的综合气象干旱指数在保山市的适用性分析

祁 倩

(云南省保山市气象局，云南 保山 678000)

1 引言

干旱已成为全球最为常见的自然灾害，其造成的经济损失远远超过了其它气象灾害。美国气象学会将干旱分为气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱4种类型。其中气象干旱的发生是最直接和最频繁的，也是其他类型干旱发生发展的基础[1-3]。据统计，近60 a来中国平均每年干旱受旱面积达到20多万平方公里[4-5]。因此，极有必要对气象干旱进行研究。同时，在实际应用中，由于地理位置、下垫面性质以及人类经济活动因素的影响差别，各地干旱的成因和差异明显，因此，在不同的地区，监测和评估干旱的指数适用性存在差异。

保山市位于滇西地区，是干旱多发区、重灾区。目前，干旱监测、预警的气象服务主要依靠云南省气象局下发的利用CI指数[6]计算出的指导产品，该指数既反映短时间尺度(月)和长时间尺度(季)降水量气候异常情况，又反映短时间尺度(影响农作物)水分亏欠情况，是一个具有空间时间可比性的适用于表述干旱发生发展和结束过程的动态监测指标。CI指数在干旱实时监测和评估工作中得到广泛应用[7-10]。但在描述干旱过程动态方面，CI指数存在指示旱情不合理加剧问题，即在没有降水或降水持续偏少情况下，干旱突然加剧[11]。本文针对这一问题，提出改进的综合气象干旱指数CI，并结合保山市的地理、气候等特征对比分析和验证其适用性，以期促进保山市的干旱监测和评估工作。

2 资料和方法

2.1 资料选取

气象资料为1951—2013年保山市5个气象观测站逐日降水量、最高气温、最低气温等气象要素。

保山市受高黎贡山横断山脉影响，东西两侧县区之间气候现出一定的差异性。本文选取山脉东、西两侧，具有代表性的隆阳站和腾冲站，对改进前后的CI指数及其分量进行对比分析。

2.2 计算方法

根据中国国家标准化管理委员会发布的《气象干旱等级(GB/T20481-2006)》[6], 综合气象干旱指数CI是利用近30 d(相当月尺度)和近90 d(相当季尺度)标准化降水指数，以及近30 d相对湿润指数进行综合而得，即

CI=aSPI30+bSPI90+cMI30

(1)

SPI30、SPI90分别为最近30 d和90 d标准化降水指数SPI值。MI30为最近30 d相对湿润度指数。

a、b、c分别为SPI30、SPI90、MI30的权重系数，取值分别为0.4、0.4、0.8。

由式(1)可见，CI本质上是对前30 d和前90 d的降水和可能蒸散量等权累加而得，29 d前和89 d前的某日降水贡献和最末一日降水量对当日的CI贡献是等量的。于是，当一个明显降水过程移出30 d和90 d时，SPI30、SPI90和MI30会出现突然下降，会导致CI出现突然明显下降，指示出现旱情不合理加剧的现象[11]。

针对上述CI旱情不合理加剧问题，拟改进CI计算方法，针对降水、可能蒸散量的影响采用不等权累计的思路，得到改进综合气象干旱指数CI。具体方法为：对公式(1)中的SPI30、SPI90、MI30按照不等权思路，采用线性递减权重方案计算[5]，即假定当日降水对CInew的贡献最大，权重为1，随着时间前移，过去的降水对CInew的贡献呈线性递减，直到移出30 d或90 d的计算窗口时，权重减小到0(图1)。

时间距离(d)图1 降水和可能蒸散累计权重随相对当日的时间距离(d)的变化Fig.1 Variation of accumulative weight of daily precipitation and potential evaporation with time distance

3 结果和分析

3.1 指数统计特征比较

比较隆阳站和腾冲站的CI、CInew及其分量(SPI30、SPI90和MI30)可知：改进前后的隆阳站和腾冲站SPI30、SPI90指数均接近符合平均值为0、标准差为1的标准正态分布(表1、表2)。MI30对CI指数的影响权重比SPI30、SPI90大。

表1 隆阳站CI和CInew及其分量的统计数值(1951—2013年)Tab.1 Statistic of Longyang station CI, CInew and its components(1951—2013)

表2 腾冲站 CInew和CI及其分量的统计数值(1951—2013年)Tab.2 Statistic of Tengchong station CI, CInew and its components(1951—2013)

3.2 旱情不合理加剧频次比较

当出现轻度以上干旱(即当天CI<-0.6)，且相邻2 d干旱等级增加一级以上(即当天与前一天的CI之差≤-0.6)判定为是1次旱情等级不合理加剧。针对MI30、SPI30、SPI30参数，同理作相应界定。

对比1951—013年隆阳站和腾冲站旱情不合理加剧次数(表3)，隆阳站MI30new、SPI30new、SPI90new不合理加剧次数明显减少6～16倍，CInew比CI减少6倍。腾冲站MI30new、SPI30new、SPI90new不合理加剧次数明显减少6～17倍，CInew比CI减少11倍。

表3 隆阳站、腾冲站旱情不合理加剧次数比较(1951—2013年)Tab.3 Unreasonable drought frequency of Longyang and Tengchong(1951—2013年)

3.3 干旱频率的季节变化

由表4和表5可见，隆阳、腾冲降水具有明显的季节性：隆阳6—10月为雨季，11月—次年5月为旱季；腾冲5—10月为雨季，11月—次年4月为旱季。滇西主要受西南气流影响，隆阳处于背风坡，腾冲处于迎风坡，隆阳降水明显少于腾冲，干旱频率也明显高于腾冲。

从干旱强度上看两站CInew都保持了原CI正态分布，即轻旱频率>中旱频率>重旱频率>特旱频率。干旱频率的年平均分布上，两站CInew除中旱频率略偏多外，其他等级的干旱频率与CI差异不显著。在各月的分布特征上，CI和CInew基本都能反映隆阳、腾冲的旱涝气候特征。以隆阳站为例，隆阳站雨季的干旱频率要远低于旱季，11月—次年6月的月干旱频率均在30%以上。值得注意的是，11月降水少于3、4、5月，但干旱频率却低于这3个月；6月份已经进入雨季，但干旱频率依然在30%以上。这是由于11月旱季刚开始，虽然降水减少，但由于前期降水较多，干旱不会迅速发展；6月雨季刚开始，虽然降水逐渐增多，但由于前期降水较少，所以干旱缓解较缓慢。CI和CInew都能够刻画干旱缓解相对于多雨时段的滞后效应。7月进入主汛期，干旱频率迅速回落。CI、CInew均能反映降水对季节性干旱变化的影响。

表4 隆阳站逐月降水及CI和CInew的各等级干旱频率Tab.4 Monthly precipitation and CI, CInew drought frequency of Longyang station

表5 腾冲站逐月降水及CI和CInew的各等级干旱频率Tab.5 Monthly precipitation and CI, CInew drought frequency of Tengchong station

4 典型干旱过程干旱指数的逐日变化比较

以隆阳站2012年10月11日—2013年3月30日干旱过程为例(图2)，CI与CInew计算出的干旱过程比较一致，在持续无雨或少雨的情况下，CI与CInew呈下降趋势。在有降水时，2个指标均呈上升趋势。但两个指标在变化上存在差异。12月6—8日，CI指数从中旱达到特旱(从-1.2～-2.5)，出现指示旱情不合理加剧现象；11月9日—2月17日无明显降水，CI出现指示干旱缓解现象，这难以作出合理解释。相比而言，CInew没有出现指示旱情不合理加剧现象，同时在长时间无明显降水发生时，没有出现旱情缓解现象。遇到降水，CInew反应迅速，对于降水的灵敏度要高一些，与降水量大小变化关系更密切。

图2 隆阳站2012年10月11日—2013年3月30日干旱期间逐日降水量、CI和CInewFig.2 Daily Precipitation, CI, and CInew during the drought course from October 11, 2012 to March 30, 2013 in Longyang

以腾冲站2012年11月6日—2013年4月30日干旱过程为例(图3)，CI与CInew计算出的干旱过程比较一致；在持续无雨或少雨的情况下，CI与CInew呈下降趋势；在出现明显降水时，2个指标均呈上升趋势。但两个指标在趋势变化上存在差异。12月10日—12日，CI干旱等级从轻旱达到特旱(-0.8～-1.7)；2月4—5日，CI指示干旱等级从中旱达到特旱(-1.7～-2.7)出现明显不合理的旱情加剧现象；11月6—8日出现降水，CI指数出现下降后又上升；12月15—1月9日无明显降水，CI出现干旱缓解现象，这明显与实际情况相悖。CInew在无明显降水时下降较缓慢，没有指示旱情不合理跳跃现象；同时，在长时间无明显降水发生时没有指示旱情不合理缓解的现象。CInew反应迅速，对于降水的灵敏度要高一些，与降水量大小变化关系更密切。

图3 腾冲站2012年11月6日—2013年4月30日干旱期间逐日降水量、CI和CInewFig.3 Daily Precipitation, CI, and CInew during the drought course from November 6, 2012 to April 30,2013 in Tengchong

5 结论

本文针对综合气象干旱指数CI会在某些情况下指示旱情等级不合理变化问题，采用线性递减权重的方案代替CI的等权重方案来计算前期30d、90d的降水和可能蒸散的影响，得到改进的综合气象干旱指数CInew并进行效果检验对比，得到如下结论。

①CI和CInew指数基本都能较合理地反映保山市日干旱频率的季节分布特征。但CInew指示的干旱次数和中旱频率有所增加。这一特征有其合理性：干旱的形成和发展是前期和当前水分收入、支出累积的结果，包含有时间过程；距离当前越久的前期气象条件对当前干旱的影响权重自然更小。

②对于CI指示 “旱情等级不合理加剧”现象，CInew有较大的改善；CInew指示的旱情等级不合理跳跃频次数比CI减少6～11倍。

③在较长时间内无明显降水发生时，CInew下降缓慢，没有出现指示旱情缓解的现象。同时，遇到降水，CInew反应迅速、灵敏度更高，并与降水量大小变化关系更密切。

④采用线性递减权重方案计算出的CInew，与原CI指数在演变趋势上保持一致，但CInew连续性保持的更好，对实际干旱的演变描述更合理，适用于保山的干旱监测。

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