基于多标量干旱指数的锦州市干旱时空特性分析

李 研

(辽宁省葫芦岛水文局，辽宁 葫芦岛 125000)



基于多标量干旱指数的锦州市干旱时空特性分析

李 研

(辽宁省葫芦岛水文局，辽宁 葫芦岛 125000)

基于锦州市8个气象站的观测数据、结合时间及空间插值法得到锦州市各行政区划近59a的水文气象数据，并采用多标量干旱指数法对锦州市的干旱时空特性进行了分析，得到锦州市干旱程度时空特性和各地区的干旱事件频率分布情况，从而总结出锦州市各地区的干旱严重程度、变化情况与趋势、以及各干旱事件的重现期，从而为该地区旱灾防治方案的确定提供科学指导。

多标量；干旱指数；锦州市；时空特性

1 概 述

干旱是人类面对的最常见的长期自然灾害之一，其发生主要是因为需水量大于可供水量，从而使得水量平衡为负值，对农业、经济、和环境具有非常大的破坏作用。干旱的防治主要有工程措施和非工程措施两种，其中工程措施主要是指修建灌溉水工建筑物、修建水库等蓄水设施、以及修建地下水开发利用工程等；而非工程措施主要包括水资源调度，干旱预测，节约用水等。以上措施的制定都需要以干旱的时间与空间特性分析为基础，因此干旱的时空特性分析在旱灾防治方面具有重要的应用意义。干旱时空特性分析的前提是干旱程度的量化指标，在过去几十年中应用最广泛的为PDSI法[1]，该方法主要是基于月均水量平衡方程，主要考虑因素包括降雨、径流、蒸发腾发量和土壤水分，但该方法受参数率定方面的影响较大，因此不适宜分析干旱的空间分布情况。 目前应用较为广泛的为标准降水系数(SPI)法[2]，它主要是基于长期的降水监测数据，并结合降水数据以及概率密度函数来得到一个单一的量化的指数来表征干旱情况。该方法可采用不同的时间尺度且受参数率定的影响较小，因此可广泛使用于干旱时空特性分析中[3]。但它的主要缺点是只考虑了降水对干旱的影响，而没有考虑其它因素的影响。为进一步解决以上问题，Vincente-Serrano等人提出了多标量干旱指数法，该方法在SPI方法的基础之上加入了气温，风速，光照以及湿度等的影响，从而使所得结果更为准确。因此，文章基于多标量干旱指数法对锦州地区的干旱时空特性进行分析，从而对该地区旱灾防治的措施制定提供参考。

2 研究区域与分析方法

2.1 研究区域与基础资料

研究区域为辽宁省锦州市，该市位于辽宁省西南部，是连接东北和华北地区的交通要冲，为辽宁第2大沿海城市。土地总面积10301km2，辖古塔区、凌河区、太和区、松山新区、龙栖湾新区、经济技术开发区(下文简称“经发区”)、黑山县、义县、凌海市、和北镇市。处欧亚大陆东部暖温带半湿润气候区和大陆性季风区，四季分明，风力较大。该地区境内有大凌河、小凌河、和绕阳河三大水系，并有百股河、二郎洞水、观音洞水、女儿河、小坝沟等河流。

目前，该地区没有较为详尽的干旱指数资料，因此可基于多标量干旱指数法通过降水量、气温、风速、光照、湿度等气象资料对其进行计算。锦州市共有胡家、司屯、赵家屯、凌海、锦州、复兴堡、义县、和缸窑口8个气象数据监测站，但其分布并不严格按行政区划布置，因此不利于锦州市各地区旱灾防治措施的制定。因此，采用非线性时间插值和克里金空间插值法对基础数据进行处理，得到古塔区、凌河区、太和区等各地区1957—2015年共59a的气象数据基础资料。

2.2 多标量干旱指数

多标量干旱指数法是在SPI方法的基础之上加入了气温，风速，光照以及湿度等因素的影响，其中后几项气象因子的影响可用潜在蒸散发量来表示。各影响因子与潜在蒸发量的关系主要通过P-M公式来表达：

(1)

式中：WT为饱和水汽压-温度关系曲线斜；Fb为冠层表面净辐射量；RT为土壤热通量；S为湿度计常数(干湿球常数)；T为2m高度处日平均气温；V在地面以上2m高处的风速；qb为空气饱和水汽压；qk为空气实际水汽压。

多标量干旱指数法主要采用Gamma概率分布来计算锦州市各地区的干旱指数，首先计算降水量与潜在蒸散发量之间的差值，在将该差值映射到Gamma概率分布方程中，该方程的表达式为：

(2)

式中：ω为降雨量与潜在蒸散发量的差值；T为时间尺度参数，l为形状参量。其中：

(3)

假设监测资料的共有N组，则

(4)

根据以上方程，当ω值不为0时，可得到干旱数值的累计概率方程，可表达为：

(5)

假设监测资料的共有N组，则

(6)

根据以上方程，当ω值不为0时，可得到干旱数值的累计概率方程，可表达为：

(7)

当ω值为0时，可得到干旱数值的累计概率方程为：

F0(ω)=f0+(1-f0)F(ω)

(8)

式中：f0表示降水量与潜在蒸散发量值相等的概率。

基于FORTRAN语言、采用处理所得的锦州市各地区近59a的气象数据资料计算以上累计概率方程，并采用模糊逻辑法转化为干旱指数值R，该指数的大小与干旱程度的关系为：

(9)

3 干旱时空特性分析

3.1 降雨与气温统计特性

采用非线性时间插值和克里金空间插值法对基础数据进行处理，得到锦州市各地区1957—2015年共59a的气象数据基础资料，对处理后的数据进行进一步的统计分析，可得到各参数的标准差Sd与变异系数Cv，它们的方程分别为：

(10)

(11)

式中：N为观测数据组数；x为观测值；u为所有观测值的平均值。

锦州市干旱时空特性分析主要基于多标量干旱指数法，其中的直接参数为降水量和潜在蒸发量。降水量可直接采用观测值；而潜在蒸发量可通过气温、风速、光照和湿度数据和PM公式进行计算，其中气温为潜在蒸散发量的最主要影响因子。因此，锦州市的干旱情况可通过降水量和气温的统计特征值进行初步的判断。其中锦州市各地区年降水量的统计特征值如表1所示。

表1 锦州市各地区年降水量统计特征值

由表1可知，义县的平均年降水量最小，为563.98mm，而凌海市的最大，为577.78mm，两者相差13.8mm。各地区按降水量由小到大排列分别为义县、龙栖湾、黑山县、北镇市、太和区、凌河区、古塔区、松山区、经发区、和凌海市。但各地区降水量的标准差和变异系数的平均值均较大，分别为144.16mm和25.24%，说明锦州市各地区的降水时间分布十分不均，这也是该地区旱涝灾频繁交替发生的主要原因之一。锦州市各地年气温统计特征值见表2。

表2 锦州市各地年气温统计特征值

锦州市各地年气温的统计特征值如表2所示。由其可知，锦州市义县地区的平均气温较小，为9.34 °C，而北镇市的平均气温相对较高，为9.53 °C。各地区气温由小到大排列分别为义县、黑山县、经发区、古塔区、龙栖湾、松山区、凌河区、太和区、凌海市、和北镇市。各地区气温的标准差和变异系数的平均值分别为0.95 °C和10.01%；其中变异系数明显小于降水量的变异系数，说明锦州市各年份干旱情况不同主要是因为降水量的变化。

3.2 干旱程度时空特性

基于多标量干旱指数法结合锦州市的水文气象资料得到各地区干旱指数的时间序列，结果如图1所示。观测图1可知，古塔区、凌河区、和松山区的大多数干旱指数值>0，因此总体而言，这些地区属于无干旱地区，而其它地区均以负值为主，因此都存在不同程度的干旱。各地区的干旱指数不相同，因此锦州市的干旱情况具有较明显的空间分布特性。锦州市各年份的干旱指数呈下降趋势，因此，锦州市旱灾压力呈逐渐增大趋势；各年份干旱指数差别较大，因此锦州市的干旱情况存在明显的时间特性。

图1 锦州市各地干旱指数时间序列

为进一步量化地分析锦州市的干旱时空特性，对图1所示数据进行统计分析，得到锦州市各地干旱指数的统计特征值，如表3所示。由表中数据可知，各地区按干旱指数由小到大(即干旱严重程度由大到小)排序分别为：义县、黑山县、龙栖湾、凌海市、北镇市、经发区、太和区、古塔区、松山区、和凌河区。各地区的干旱指数变化倾向率皆为负值，这说明干旱程度均呈加重趋势，其中经发区的加重速度较小，为-0.018，而凌海市的加重速度最大，达-0.031。总体而言，锦州市的平均干旱指数为-0.071，属轻度干旱；平均最小值为-2.517，即最严重情况可达极度干旱；平均最大值为2.743，即理想情况下无干旱事件发生；平均倾向率为-0.024，即干旱程度呈加重趋势。

表3 锦州市各地干旱指数统计特征值

3.3 干旱事件频率分析

干旱时空特性也可用各地区的干旱事件频率来表征。根据干旱严重程度，共可分为无干旱、轻度干旱、中等干旱、严重干旱、和极严重干旱5类事件。各干旱事件的频率Pi主要可采用图1所示数据并通过下式确定：

(12)

式中：Ni为某干旱事件发生的年份数，而N是所有的研究年份数。

锦州市各地干旱频率分布情况的计算结果如图2所示。由图2所示数据可知，锦州市无干旱、轻度干旱、中等干旱、严重干旱、和极严重干旱5类事件发生的频率依次降低，分别为45.93%、28.98%、10.51%、8.47%、和6.10%，与实际情况基本相符。各地区中，经发区无干旱事件的频率最高，约为25.54%，因此其抗旱压力较小；而龙栖湾区干旱事件的频率最低，约为35.59%，因此其抗旱压力较大。义县极严重干旱事件发生的频率最高，可达10.17%，因此该地区因旱灾所受的破坏较大；而凌河区极严重干旱事件发生的频率最低，约为1.69%，因此该地区因旱灾所受的破坏较小。

根据以上数据及分析结果，可确定锦州各地区不同严重等级旱灾的重现年情况，从而为确定防治措施标准提供参考。

图2 锦州市各地干旱频率分布情况

4 结 论

基于多标量干旱指数法对锦州市的干旱时空特性进行了分析，结果表明：

1)锦州市干旱情况具有明显的时空分布特性。

2)锦州市的平均干旱指数为-0.071，属轻度干旱。

3) 锦州市各地区的旱灾呈逐渐加重趋势。

4)各地区按干旱严重程度由大到小排序分别为：义县、黑山县、龙栖湾、凌海市、北镇市、经发区、太和区、古塔区、松山区、和凌河区。

5) 经发区抗旱压力较小，而龙栖湾区抗旱压力较大。

6) 义县因旱灾所受的破坏较大，因旱灾所受的破坏较小。

[1]王春宇.修正PDSI指数在辽宁中东部地区干旱频率分析中的应用研究[J].水利规划与设计，2016(06)：25-27.

[2]孙玥.标准化降水指数在辽西地区干旱评价中的运用[J].水利规划与设计，2016(04)：64-65.

[3]周游.不同干旱指数在辽宁西部地区的对比及适用性分析[J].水利规划与设计，2016(01)：43-45.

Spatiotemporal Characteristics Analysis of Drought in Jinzhou City Based on Multi-scalar Drought Index Method

LI Yan

(Huludao Hydrological Bureau of Liaoning Province,Huludao 125000, China)

By using temporal and spatial interpolation methods, the hydrological and meteorological data in each administrative area of Jinzhou City for recent 59 years were obtained based on the measured data at 8 stations. The spatiotemporal characteristics of drought in Jinzhou City were analyzed based on the mult-scalar drought index method, and the spatiotemporal characteristics of drought and distribution of drought frequency in each area of Jinzhou City were obtained. Therefore, the severity, variation and trend as well as the reoccurrence of drought for each area in Jinzhou City were summarized, which could be used to provide scientific guidance for determining sound drought mitigation measures.

multi-scalar;drought index; Jinzhou City; spatiotemporal characteristics

1007-7596(2017)03-0017-04

2017-02-20

李研(1986-)，女，辽宁葫芦岛人，工程师，研究方向为水文水资源论证等。

S

B