相对湿润度指数在干旱易发区预测中的应用——以锦州市为例

刘 洋

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)

1 研究背景

干旱是指某一地区长期无雨或高温少雨，使得空气与土壤水分缺失的现象，它是人类社会面对的最长期的自然灾害之一，具有出现频率高、持续时间长、波及范围广的特点。干旱会给社会经济带来巨大的损失，此外还会造成水资源短缺、荒漠化加剧、沙尘暴频发等诸多生态和环境方面的不利影响[1]，因此干旱防治一直是人类的重点研究课题。干旱易发区的识别与预测有利于人们将有限的人力与物力资源集中在最需要的地方，从而可提高干旱防治工作的整体成效，对提高防旱抗旱水平、确保农业安全具有重要意义[2]。但是，目前干旱易发区的识别研究大多只是基于历史数据，但由于没有充分考虑气候变化的影响，这在以往的实践中具有较大的实用性，因此在当前全球气候明显变化的背景下则其可信度存在一定的问题。干旱易发区的识别可以采用不同的指标[3]，其中相对湿润指数是以降水量和蒸发量为主要计算参数，不仅机理明确、计算简便，还可充分考虑气候变化的影响，因此在干旱易发区的预测中具有较强的优势[4]。为此，本文验证了4个不同大气环流模式在预测锦州市气象因子方面的适用性，并采用其中的最佳模型预测了锦州市2017～2050年间各地区的蒸发量与降水量，再采用相对湿润度指数法判断出该市的干旱易发区，为该地区的水资源规划管理、防旱抗旱工作部署提供科学依据。

2 研究方法

2.1 研究区域

锦州市位于辽宁省的西南部，地理坐标为东经120°43′～122°36′，北纬40°48′～42°08′。南临渤海，北依松岭山脉，东接“辽中南”工业区，西连“京津唐”工业区，是环渤海经济圈、东北亚经济圈的交汇点，连接东北内陆与渤海的黄金走廊。锦州市总面积10301km2，海岸线124km，人口302.6万，是环渤海经济区重要的沿海开放城市。锦州市地处暖温带半湿润气候，四季分明，降水集中、季风明显、风力较大。年平均气温为7.8～9.0℃，年无霜期为144～180天，年平均降水量为567mm，降水四季分布不均，60%～70%的降水集中在夏季。源于境外流经境内而且流域面积大于3000km2的较大水系有小凌河、大凌河、绕阳河3条，锦州城郊有女儿河、百股河、小坝沟、观音洞水、二郎洞水等河流。在锦州市干旱的分相关研究中，李研[5]采用了多标量干旱指数对其干旱时空特性进行了分析，但该研究主要是基于历史数据；据笔者所知，目前几乎没有基于相对湿润指数法且考虑了全球气候变化影响的锦州市干旱易发区预测成果。

2.2 相对湿润指数

相对湿润指数是反映某一时段降水量和蒸发量之间平衡的指标，适用于作物生长的干旱监测与评估，其公式为[6]：

(1)

式中,P—降水量，E—蒸发量。

由于全球变化条件下某一地区的降水量与蒸发量可通过大气环流模式等方式来预测，因此采用相对湿润指数可以对气候变化情况下某地区的干旱易发区进行预测。

相对湿润指数的干旱分级因地区而异，一般该指数值越高则干旱较不易发，根据锦州市的水资源具体情况，确定其干旱分级标准如下：

(2)

2.3 气象因子预测

气象因子的预测主要采用大气环流模式[7]结合降尺度法[8]。目前，大气环流模式的类型较多，且结果存在较为明显的差异，因此需要对各模型在当地的适用性进行分析[9]，本文主要对4个常用的模型进行了试验，分别为PCM(Parallel Climate Model)， HadCM3(Hadley Centre Coupled Model，version 3)，CGCM3(the Third Generation Coupled Global Climate Model)，CNRM(Center National Water Research Model)。降尺度分析主要采用Quantile-Quantile法结合当地实测资料，所采用的资料为锦州市1980～2016年间各地的逐日气象数据，数据主要来源于中国气象数据共享服务网、各地气象局、相关文献等[10]。

3 研究结果

3.1 方法适用性分析

相对湿润指数由降水量和蒸发量两个变量决定，因此分析不同方法的适用性即是判断其预测降水量和蒸发量的精确程度。采用不同模型对锦州市1980～2016年间的降水量进行模拟，按月进行汇总，并与实测值进行比较，结果如图1所示。

观察图1可知，CNRM模型偏离实测值较大，尤其在降水量较大的月份；例如，其估算的7月份降水量明显高于实测值，而又明显低估了8月份的降水量。HadCM3模型相对于CNRM模型较为精确，但也明显高估了8月份的降水量。PCM和CGCM3都能较为准确的预测锦州市的降水量，但对图1所示数据进行进一步的分析可知，PCM模型各月平均低估了3.5mm，而CGCM3模型各月份平均的低估值仅为0.8mm，因此可以认为CGCM3模型在锦州市的降水量预测中性能最好。

图2 锦州市蒸发量实测与模拟值

同理，采用相同方法得到锦州市蒸发量实测与模拟值的比较图(图2)，观察可知，HadCM3模型在5月份蒸发量的预测中出现较大的偏差；PCM模型相对HadCM3模型更接近实测值，但相对于其它两种模型偏差较大；CNRM模型和CGCM3都能较为准确的预测锦州市的蒸发，但由于CNRM模型在锦州市降水量的预测中精确度性较不理想，因此，总体而言，CGCM3模型可最为准确地预测锦州市的气象因子，在该市降水量与蒸发量的预测中具有最高的综合适用性。

3.2 相对湿润指数值

基于CGCM3模型模拟了锦州市市区、义县、凌海市、北镇市和黑山县在2016～2050年间的逐年降水量P与蒸发量E。以E值为横坐标，P-E值为纵坐标作图，其斜率则为相对湿润指数，同时做出M=-0.4、M=-0.5、M=-0.7、M=-0.8四项区间值的直线，如图3所示。

图3 锦州市相对湿度指数变量值

根据图3数据可知，锦州市在未来33年间的最低年降水量为269mm，最高年降水量为1197mm，两者相差较大，说明锦州市的降水量具有较大的时间变异性，增加了该地区防旱抗旱工作的难度，也强调了对该市干旱易发区进行预测的必要性与重要性。该地区的最低年蒸发量为1202mm，最高年蒸发量为2470mm，远高于降水量，因此锦州市对境外流入水源依赖性较重，水资源稳定性面临较大威胁。计算市区、义县、凌海市、北镇市和黑山县的平均相对湿润度指数，结果分别为-0.5954、-0.6183、-0.6060、-0.6100和-0.6384，皆表现为中等的干旱程度；按平均相对湿润指数由高到低排序分别为市区、凌海市、北镇市、义县、黑山县，总体呈现由东南(沿海)至西北(山区)逐渐降低的趋势。

3.3 干旱易发区分析

平均相对湿润指数只可以表征各地区的平均干旱程度，但不能表现其易发性。鉴于此，将锦州市各地区的相对湿度指数预测值进行排序，确定在2017～2050年间出现无旱、轻旱、中旱、重旱、特旱事件的年数，并将之转化为不同程度干旱的发生频率，结果如表1所示。

表1 锦州市不同程度干旱发生频率 单位：%

根据表1结果可知，出现无旱事件最多的为凌海市，为20.59%，因此可以认为凌海市相对锦州市其它地区较不易出现干旱事件；义县和黑山县出现无旱事件的频率皆为2.94%，是最容易出现干旱的两个地区，但义县的干旱事件中有17.65%为轻旱，而黑山县的干旱事件中有88.24%为中旱及以上程度，因此可以认为黑山县为锦州市最为严重的干旱易发区。各地区的特旱事件发生频率较为接近，主要因为特旱事件影响范围较大，各地基本保持一致；锦州市区蒸发量较大，因此当降水量较少时，更容易出现特旱事件。综上，锦州市各地区按照干旱易发程度由高到底排序分别为：黑山县、义县、北镇市、市区、凌海市。

4 结论

CGCM3模型在锦州市气象因子的预测中具有较好的适用性；各地按平均相对湿润指数皆表现为中等的干旱程度，由高到低排序分别为市区、凌海市、北镇市、义县、黑山县，总体呈现由东南(沿海)至西北(山区)逐渐降低的趋势；各地区按照干旱易发程度由高到底排序分别为：黑山县、义县、北镇市、市区、凌海市。本文成果可为锦州市的水资源合理配置提供参考，但其中干旱等级的划分还不可避免地具有一定的主观性，在以后的研究中还应该更为精细地探讨锦州市干旱等级的客观化确定方法。

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