石羊河流域干旱特征及预测方法探讨

罗晓玲，王润元，齐 月

(1.甘肃省武威市气象局，甘肃 武威 733000；2.中国气象局 兰州干旱气象研究所/甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局干旱气候变化与减灾重点(开放)实验室，甘肃 兰州 730020)

石羊河流域干旱特征及预测方法探讨

罗晓玲1，王润元2，齐 月2

(1.甘肃省武威市气象局，甘肃 武威 733000；2.中国气象局 兰州干旱气象研究所/甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局干旱气候变化与减灾重点(开放)实验室，甘肃 兰州 730020)

为了揭示石羊河流域干旱灾害的分布特征并对其预测预报方法进行探讨，利用该流域的降水、干旱灾害和灾情等资料，分析了旱灾分布特征。结果表明：流域内旱灾频率呈现从上游天祝到下游民勤(高海拔到低海拔)逐渐增多趋势，不论春旱、夏旱、伏旱，特重旱发生频率均是民勤最高，古浪最低，最大频次是最小频率的4～5倍；上、中、下游干旱周期分别为1～2 a、1 a左右、不足1 a，重旱以上周期分别为2～4 a、2～4 a、1～3 a；干旱年代际特征不显著，呈波浪式变化；流域内(除凉州)干旱灾害造成的直接经济损失最严重，抛开社会经济发展和物价变化，干旱灾害经济损失呈逐年下降趋势；利用ENSO事件信号对干旱趋势进行初预测，同时结合干旱预测模式，综合得出次年干旱预报结论，通过评分检验，效果良好，基本满足业务应用。

石羊河流域；干旱；特征；ENSO事件；预测预报

近年来，随着全球气候的变暖，频繁发生的旱灾已成为非常突出的环境问题，并开始影响人类的生产和生活[1-2]。石羊河流域位于甘肃省河西走廊东部，地处青藏高原、黄土高原以及蒙古高原大地形的汇集区，其水系发源于祁连山，境内山地、高山、平原、沙漠、戈壁和冰川等交错分布。天祝、古浪位于流域上游，凉州、永昌位于流域中游，民勤位于流域下游，其海拔高度在1300～3100 m之间，年降水量在110～410 mm之间，年蒸发量在1500～2700 mm之间。由于特殊的地形地貌，造成了该区天气气候的多样性、复杂性和多变性，使境内气象灾害种类多、灾情重。经统计，流域内1960～2015年春旱发生频率在21%～68%之间，春末夏初旱在13%～63%之间，伏旱在21%～90%之间，干旱是该区第二致灾灾种，年均经济损失超过5460万元，农业受灾面积最大，年均超过31639 hm2[3]，如此大的损失，对一个农业小城镇而言，是相当严重的，因此，研究该区干旱灾害风险特征与预测预报方法刻不容缓。有研究者分析了旱灾特征并进行了风险区划[4-14]，但是对旱灾预测预报方法进行研究的文章极少展示，因此笔者应用流域内旱灾及相关资料，分析了该区旱灾风险特征，并尝试对其进行预测预报，期望为干旱灾害防御提供科学依据，对农业可持续发展意义重大。

1 资料与方法

1.1资料来源

文中应用的数据主要有石羊河流域内各乡镇干旱灾害资料、5个自动气象站(凉州、民勤、永昌、古浪、天祝)的观测资料、ENSO事件和气候系统监测指数资料。

1.1.1 干旱灾情资料 干旱灾害灾情资料取自1983～2015年武威市气象灾害普查记录。

1.1.2 干旱实况资料 取自流域内1960～2015年5个自动气象站气象要素观测资料。

1.1.3 ENSO事件及强度分级标准 下载于中国气象局国家气候中心。

1.1.4 气候系统监测指数资料 下载于国家气象业务内网。

1.2统计与分析方法

根据中国气象局和甘肃省气象局制定的干旱标准结合本地实际情况，以降水距平百分率和日降水量lt;5 mm的连续天数为基础，将干旱分为轻旱、中旱、重旱、特重旱共4级。

分别将春旱、春末夏初旱和伏旱的发生频率通过旱级进行分类，进行空间及时间特征分析；以气象灾害普查数据为基础，通过直接经济损失、受灾面积等要素对干旱灾情进行灾情特征分析。

首先通过分析ENSO事件对该流域干旱的影响，然后对其发生趋势进行初步预测，进一步应用常规观测、气候系统监测指数等资料构建干旱等级、旱段预测预报模式，最后综合做出干旱趋势预测。

应用Excel 2003、SPSS 16.0、VB 6.0和Surfer 8.0软件，对资料进行统计、处理和分析。

2 结果与分析

2.1干旱标准

不同地方对干旱定义不同，根据中国气象局和甘肃省气象局制定的干旱标准结合武威市的实际情况，制定了石羊河流域干旱分类标准，具体见表1。

表1 干旱分类标准

注：春旱、春末初夏旱的标准:连续2旬△R≤-50%,△D≥35 d，伏旱：1旬△R≤-50%，△D≥15 d(△R为降水距平百分率，△D为日降水量lt;5 mm的连续天数)。

2.2干旱特征

受地形地貌的影响，流域内旱灾频率从上游的天祝到下游的民勤(高海拔到低海拔)呈现出逐渐增多的趋势；春旱-夏旱-伏旱，以及特重旱的发生频率均以民勤的最高，古浪的则最低。最大频率是最小频率的4～5倍。

2.2.1 空间分布特征 流域内5个站点1960～2015年的干旱资料显示，56 a中各地出现春旱的年份分别为：凉州30 a、民勤38 a、古浪12 a、天祝17 a、永昌32 a，其发生频率分别为53.6%、67.9%、21.4%、30.4%、57.1%(图1-a)。其中，轻旱发生频率最大的为民勤(25.0%)，最小的为天祝(1.8%)；中旱发生频率最大的为永昌(19.6%)，最小的为古浪(3.6%)；重旱发生频率最大的为凉州(19.6%)，最小的为民勤(7.1%)；特重旱发生频率最大的为民勤(32.1%)，最小的为古浪、天祝(5.4%)(图1-b)。

出现春末夏初旱的年份分别为：凉州30 a、民勤31 a、古浪9 a、天祝7 a、永昌25 a，其发生频率分别为53.6%、55.4%、16.1%、12.5%、44.6%(图2-a)。其中，轻旱发生频率最大的为民勤(16.1%)，最小的为天祝(1.8%)；中旱发生频率最大的为凉州(19.6%)最小的为古浪(0.0%)；重旱发生频率最大的为凉州(16.1%)，最小的为古浪(3.6%)；特重旱发生频率最大的为民勤(21.4%)，最小的为天祝(1.8%)(图2-b)。

出现伏旱的年份分别为：凉州42 a、民勤48 a、古浪26 a、天祝13 a、永昌36 a，其发生频率分别为75.0%、85.7%、46.4%、23.2%、64.3%(图3-a)。其中，轻旱发生频率最大的为民勤(21.4%)，最小的为天祝(1.8%)；中旱发生频率最大的为永昌(26.8%)，最小的为古浪、天祝(10.7%)；重旱发生频率最大的为古浪(17.9%)，最小的为天祝(1.8%)；特重旱发生频率最大的为民勤(25.0%)，最小的为古浪、天祝(8.9%)(图3-b)。

图1 石羊河流域各站春旱分布趋势

图2 石羊河流域各站春末夏初旱分布趋势

图3 石羊河流域各站伏旱分布趋势

2.2.2 时间分布特征

2.2.2.1 周期特征 规定一年中只要出现一次干旱(包括春旱、夏旱、伏旱)就定为一个干旱年，统计发现，56 a中凉州只有2007年和2014年未出现干旱，民勤只有2014年未出现干旱，古浪23 a未出现干旱，天祝28 a未出干旱，永昌7 a未出现干旱。凉州和民勤干旱周期不足一年，几乎年年发生干旱；古浪干旱周期是1～2 a；天祝干旱大周期是3～4 a，小周期是1～2 a；永昌干旱周期是1 a。

由于石羊河流域所辖地区都是以农业为主的小城镇，春旱和春末夏初旱对农业生产的影响较大，故规定一年中只要出现一次重度以上的春旱或春末夏初干旱(包括重旱和特重旱)，就定为一个重旱年，其中，凉州出现23 a重旱，重旱大周期是3～4 a，小周期是1～2 a；民勤出现30 a重旱，重旱周期是1～3 a，特别1973～1981年连续9 a出现重旱；古浪出现12 a重旱，重旱大周期是5～6 a，小周期是2～3 a；天祝出现11 a重旱，重旱大周期是9～10 a，小周期是2～4 a；永昌出现22 a重旱，重旱大周期是5～6 a，小周期是2～3 a。

2.2.2.2 年代际特征 从图4-a看出，春旱发生频率从20世纪60年代开始到2015年，上游呈下降趋势，其线性倾向率为-2.29%/a，其中60年代发生频率最高为40%，2001～2010年的发生频率最低，为15%；中游略有上升趋势，其线性倾向率为1.14%/a，其中80年代发生频率最高为75%,70年代发生频率最低为45%；下游呈上升趋势，其线性倾向率为2.0%/a，其中，2010～2015年的发生频率最高为80%,2001～2010年最低为60%。

图4-b显示，春末夏初旱发生频率从20世纪60年代开始到2015年，上游呈下降趋势，其线性倾向率为-2.57%/a，其中60年代、70年代和2001～2010年发生频率最高为20%，2011～2015年发生频率最低为0%；中游略有下降趋势，其线性倾向率为-1.71%/a，其中60年代发生频率最高为65%,80年代发生频率最低为35%；下游呈明显下降趋势，其线性倾向率为-5.14%/a，其中，60、70年代发生频率最高为70%,80、90年代和2011～2015年最低为40%。

图4-c显示,伏旱发生频率从20世纪60年代开始到2015年，上游略有上升，其线性倾向率为1.57%/a，其中70年代发生频率最高为50%，60年代发生频率最低为20%；中游呈显著下降趋势，其线性倾向率为-4.43%/a，其中60、70年代发生频率最高为85%,90年代发生频率最低为50%；下游略有下降，其线性倾向率为-1.71%/a，其中，60、80年代发生频率最高为100%,70年代最低为70%。

图4 石羊河流域干旱年代际的变化趋势

以重度以上干旱发生频率分别绘制年代际曲线发现(图5-a、图5-b、图5-c)，流域内各站年代际趋势均不相同，上游天祝，重度春旱和夏旱发生频率均以20世纪60年代的最高，之后呈波浪式逐渐下降，近5 a发生频率最低；伏旱呈波浪式变化，70年代和2001～2010年发生频率高，1991～2000年和近5 a发生频率低。上游古浪，重度春旱70、80年代和近5 a发生频率高，60年代、1991～2010年发生频率低；重度夏旱60、70年代和2001～2010年发生频率较高，但总体呈下降趋势，近5 a发生频率最低(未发生)；重度伏旱70、80年代发生频率最高，后逐年下降，近5 a发生频率最低(未发生)。中游凉州，重度春旱呈波浪式变化，80年代发生频率最高，之后逐年降低，近5 a又反弹增多；重度夏旱60年代和近5 a发生频率最高，90年代发生频率最低；重度伏旱70年代发生频率最高，后逐年呈下降趋势，近5 a略有反弹。中游永昌，重度春旱70年代最高，后逐年呈波浪式下降趋势，2001～2010年最低(未发生)；夏旱60年代最高，后逐年呈波浪式下降趋势，1991～2000年和近5 a最低(未发生)；伏旱70年代最高，后逐年下降。下游民勤重度春旱70、80、90年代发生频率较高，后逐渐下降；夏旱70年代发生频率最高，后呈波浪式变化，近5 a发生频率最低(未发生)；伏旱是80年代发生频率最高，总体呈波浪式变化。

调查研究表明，72%的少数民族大学生对人际关系能力的自我评价较高，善于维系老朋友之间的关系，经常互相帮助，但交友渠道较单一，对新朋友的结交和维系缺乏主动性。

图5 石羊河流域各站重度干旱年代际变化趋势

2.3灾情特征(直接经济损失)

2.3.1 空间分布特征 1984～2016年，石羊河流域武威市共发生干旱灾害57次，年均经济损失达5460.29万元，年均农业受灾面积达31639.67 hm2。其中年均经济损失分别为凉州7940.64万元、民勤4029.5万元、古浪5578.58万元、天祝4438.21万元、永昌5636.25万元；年均农业受灾面积分别为凉州16586.7 hm2、民勤13239.3 hm2、古浪28039.5 hm2、天祝53487.0 hm2、永昌17104.3 hm2。由于各站地形、地貌、拔海高度等不同，各种灾害造成的经济损失不尽相同，各类灾害经济损失从高到低排序依次是[3]，凉州：冻害gt;干旱gt;大风沙尘暴gt;暴雨洪涝gt;冰雹；民勤：干旱gt;冻害gt;大风沙尘暴gt;暴雨洪涝gt;冰雹；古浪：干旱gt;大风沙尘暴gt;暴雨洪涝gt;冻害gt;冰雹；天祝：干旱gt;冻害gt;暴雨洪涝gt;冰雹gt;大风沙尘暴；永昌：干旱gt;冻害gt;大风沙尘暴gt;暴雨洪涝gt;冰雹(图6)。由此可见，流域内(除凉州)干旱天气造成的经济损失是最严重的。

2.3.2 年代际分布特征 不计物价及货币升值率等因素，1984～2016年武威市干旱年均经济损失5460.29万元，其中1984～1993年年均经济损失1654.2万元，1994～2003年年均经济损失7094.5万元，2004～2013年年均经济损失4854.6万元。抛开社会经济发展和物价变化，干旱灾害经济损失呈逐年下降趋势。

图6 1984～2016年武威市各站分类

2.4干旱预测技术探讨

2.4.1 ENSO事件对干旱影响及趋势预测

2.4.1.1 影响分析 将1963～2016年54 a发生的暖事件(17次)和冷事件(11次)峰值年定义为ENSO事件年[15-19]，按国家气候中心划分的强度分别定义为-3～4，其中强冷事件为-3、中等冷事件为-2、弱冷事件为-1、正常年份为0、弱暖事件为1、中等暖事件为2、强暖事件为3、超强暖事件为4。将干旱等级与之对应分别定义为0～4，其中无旱为0、轻旱为1、中旱为2、重旱为3、特重旱为4。分析发现暖事件对干旱影响不是太明显，而冷事件与干旱关系非常密切(图7)，石羊河流域武威市是一个农业小城市，4～6月是农作物生长关键期，也是需水高峰期，此时出现干旱对农业生产危害极大，当地将这段时间的干旱俗称为“卡脖子旱”，统计显示，拉尼娜年发生中度以上春旱的概率：凉州45.5%、民勤54.5%、永昌54.5%、古浪18.2%、天祝18.2%，拉尼娜次年发生中度以上春旱的概率：凉州72.7%、民勤90.9%、永昌72.7%、古浪27.3%、天祝45.5%；拉尼娜年发生中度以上春末夏初旱的概率：凉州72.7%、民勤63.6%、永昌36.4%、古浪18.2%、天祝9.1%，拉尼娜次年发生中度以上春末夏初旱的概率：凉州54.5%、民勤36.4%、永昌27.3%、古浪18.2%、天祝18.2%。

综上所述，拉尼娜次年流域中下游发生春旱的概率较高，拉尼娜当年流域中下游发生春末夏初旱的概率较高。由于流域上游属浅山区气候，发生春旱及春末夏初旱的概率极低，因此，拉尼娜当年和次年不一定出现干旱，反之，出现干旱则与拉尼娜有关，例如古浪54 a中共发生重度以上春末夏初旱6次，其中2次发生在拉尼娜年，2次发生在拉尼娜次年，天祝54 a中共发生重度以上春旱7次，其中1次发生在拉尼娜年，3次发生在拉尼娜次年。可以认为拉尼娜事件是造成该流域干旱的主要影响因子之一。

图7 石羊河流域春末初夏旱级别与ENSO事件强度的关系

2.4.1.2 趋势预测 根据以上分析，如果确定发生了拉尼娜事件，则可预测次年有发生春旱或春末夏初旱的可能，应提前做好抗旱准备，建议合理调整种植结构，积极开展人工增雨雪，有效增加水资源。

2.4.2 构建干旱预测模型

2.4.2.1 模式建立 选取1968～2010年流域内5个自动气象站的旬、月气温、气压、降水、日照、蒸发、相对湿度、地温等资料，以及国家气候中心下发的130项气候系统监测指数资料(包括大气环流指数88项，海温指数26项，收集下载的其他指数16项)共165项作为预报因子(x)，将1970～2012年各站春旱、春末夏初旱、伏旱的干旱级别和旱段，以及3～4月、5～6月和7～8月降水距平作为预报对象(y)，将所有参数处理为距平值，利用press算子进行因子普查后，精选出相关较好的因子进入因子库，将精选因子x与y利用最优子集回归方法构建5站预测模式(旱级、旱段、降水趋势)，以中游凉州春旱模式为例：

y1=2.449443+0.030235x1-0.02176x2-0.51413x3-0.00431x4-0.00517x5+0.720067x6+0.318647x7+0.015186x8

(1)

其中,y1为凉州春旱级别，x1为永昌前一年1～2月平均最低气温之和，x2为永昌前一年1～2月平均最高气温之和，x3为前一年11月西太平洋编号台风数，x4为民勤前一年9月降水量，x5为民勤当年1～2月极端最低气温之和，x6为前一年2月NINO C区海表温度距平指数，x7为前一年1～7月热带印度洋海温偶极子指数之和，x8为永昌当年5～6月平均气温之和。方程拟合率为87%，准确率为50.0%。

y2=41.88791-0.15367x1+0.012388x2+0.015357x3+3.663946x4+0.135762x5-3.80054x6+0.007435x7

(2)

其中,y2为凉州春旱旱段天数，x1为古浪前一年2～3月日照之和，x2为乌鞘岭当年6月下旬～7月上旬降水量之和，x3为民勤前一年5～7月降水之和，x4为前一年3～7月热带印度洋海温偶极子指数之和，x5为永昌前一年2月平均最低气温，x6为当年3月NINO 3区海表温度距平指数，x7为古浪当年6～7月降水量之和。方程拟合率为90.9%，准确率为50.0%。

y3=-36.6+2.3334x1+1.54851x2+1.7501x3-3.628x4-16.46x5+0.9128x6-0.923x7+18.856x8

(3)

其中,y3为凉州春季降水趋势，x1为民勤当年6月下旬气温，x2为永昌当年4月上旬降水量，x3为乌鞘岭前一年5月日照，x4为凉州前一年3月相对湿度，x5为前一年10月～当年8月热带印度洋海温偶极子指数之和，x6为乌鞘岭当年2月降水量，x7为民勤前一年2～4月极端最高气温之和，x8为当年4～7月暖池型ENSO指数之和。方程拟合率为84.7%，准确率为70.0%。

结合方程(1)、(2)、(3)结果对次年干旱趋势做出预测，若方程(1)预测旱级≥2，且方程(2)预测旱段≥35(或15)，同时方程(3)预测相应时段降水比常年同期偏少2成以上，则直接预测次年有干旱，旱级根据方程(1)确定；若方程(1)预测旱级≥4，且方程(2)预测旱段≥35(或15)，同时方程(3)预测相应时段降水与常年相比在±2成之间，则预测次年有中度干旱；若方程(1)预测旱级≥2，且方程(2)预测旱段≥35(或15)，但方程(3)预测相应时段降水比常年同期偏多2成以上，则预测次年无干旱。若方程(1)预测旱级≥2，或方程(2)预测旱段≥35(或15)，方程(3)预测相应时段降水比常年同期偏少2成以上，则预测次年有轻度干旱，降水比常年同期偏少5成以上，则预测次年有中度以上干旱。易发生干旱的中下游年降水量较小，故以上预测主要以降水趋势为主，其他为副，其权重为降水0.4、旱级0.4、旱段0.2。

2.4.2.2 干旱预测综合结论 根据模式预测结论结合2.4.1中冷事件趋势预测结果综合判断是否次年出现干旱。若模式和冷事件同时预测有干旱，则预测次年有中度以上干旱；若模式或冷事件有一方预测有干旱，则预测次年有轻度干旱。

经2013～2016年式运行春旱预测准确率为18/20=90.0%，其中空报1次，漏报1次，6次预测有旱，但旱级有差距(基本正确)(表2)。春末夏初旱预测准确率为16/20=80.0%，其中空报2次，漏报2次，1次预测有旱，但旱级有差距(基本正确)(表3)，可满足正常业务需求。

表2 各站春旱预测结果评定

表3 各站春末夏初旱预测结果评定

3 结论与讨论

(1)石羊河流域干旱灾害频率呈现从上游天祝到下游民勤(高海拔到低海拔)逐渐增多趋势，不论春旱、夏旱、伏旱，特重旱发生频率均是民勤最高，古浪最低，最大频率是最小频率的4～5倍；上、中、下游干旱周期分别为1～2 a、1 a左右、不足1 a，重旱以上周期分别为2～4 a、2～4 a、1～3 a；干旱年代际特征不显著，呈波浪式变化；流域内(除凉州)干旱天气造成的直接经济损失最严重，抛开社会经济发展和物价变化，干旱灾害经济损失呈逐年下降趋势；利用ENSO事件信号对干旱趋势进行初预测，同时结合干旱预测模式，综合得出次年干旱预测结论，通过评分检验，效果良好，可满足业务应用。

(2)石羊河流域属干旱半干旱区，局地的短时强降水偶有发生，对干旱旱段及强度的确定影响较大。

(3)流域内地形复杂，测站稀少，区域气象站资料年代短，要素少，在干旱范围确定及旱灾收集方面有一定影响，需改进。

(4)加强对GRAPSE-LZ区域高分辨率数值模式的业务应用，努力提高干旱预测水平。

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(责任编辑：曾小军)

StudyonDroughtCharacteristicsandPredictionMethodinShiyangRiverBasin

LUO Xiao-ling1, WANG Run-yuan2, QI Yue2

(1. Meteorological Bureau of Wuwei City in Gansu Province, Wuwei 733000, China; 2. Lanzhou Arid Meteorology Research Institute, China Meteorological Administration / Gansu Provincial Key Laboratory of Arid Climate Change and Disaster Reduction / Key and Opening Laboratory of Arid Climate Change and Disaster Reduction, China Meteorological Administration, Lanzhou 730020, China)

Using the data of rainfall, drought disaster and disastrous situation in the Shiyang River basin, we analyzed the distribution characteristics of drought disaster in this basin, and explored its forecast method. The results indicated that the drought frequency increased from the upper reaches (Tianzhu) to the lower reaches (Minqin) (from high-altitude region to low-altitude region) of this basin. The occurrence frequencies of spring drought, summer drought, midsummer drought and specially-severe drought all were the highest in Minqin, all were the lowest in Gulang, and the maximum frequency was 4～5 times the minimum frequency. In the upper, middle and lower reaches, the cycle of drought was 1～2 years, about 1 year and less than 1 year, respectively; the cycle of severe or specially severe drought was 2～4 years, 2～4 years and 1～3 years, separately. The drought revealed wave-type changes without significant decadal characteristics. The direct economic loss caused by drought disasters in this basin (except for Liangzhou) was the most serious, but the economic loss caused by drought disasters decreased year by year. By combining the signals of ENSO event with the drought prediction model, the drought trend in the next year was initially predicted, and the predictive effect was good through the score verification.

Shiyang River basin; Drought; Characteristics; ENSO event; Prediction

S423；P732

A

1001-8581(2017)12-0107-08

2017-07-25

中国气象局气候变化专项“西北区域春小麦对干旱的适应性及其致灾临界条件”(CCSF201713)；国家自然基金“半干旱区作物干旱致灾过程特征及其若干阈值研究”(41275118)。

罗晓玲(1966─)，女，高级工程师，主要从事天气气候预报预测及其相关研究。