甘肃省季节性干旱综合指数的特征

郭小芹，李 广，罗永忠

(1.武威市气象局，甘肃 武威 733000；2.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州 730070)

作为影响农业生产最为敏感的气象灾害，干旱具备发生频率高、影响范围广、持续时间长、预防难度高、灾损评定难等特点，对社会经济发展及人民生活带来严重威胁，历来成为专家学者以及灾害学领域关注的焦点[1-5]。伴随全球气候变暖，极端天气事件与气象灾害频繁发生，干旱频率与干旱烈度呈显著增加趋势[6-7]，比如2004年南方特旱、2005年云南50年大旱、2006年重庆百年大旱、2007-2009年遍布多省市的严重干旱、2013年南方重旱。研究显示，旱灾损失占气象灾害损失的55%。甘肃省东西绵延1 600多km，覆盖亚热带季风、温带季风、温带大陆性、高原高寒多种气候类型，干旱形成原因与表现方式呈现多样性特征。尽管干旱研究已经成为热门话题，但随着研究目的不同其侧重点差异很大[8-9]，给实际应用带来极大的不便。

降水量是干旱形成的直接因素，气象评估常使用连续无雨日数、降水距平百分率、SPI标准化指数、PDSI干旱指数、湿润度与干燥度等指标[10-12]来度量干旱程度，由于干旱形成机理异常复杂，许多干旱指标设计都具有明显的地域性特征，利用不同评价指标对同一干旱背景进行评价必然会得出不同结论。针对甘肃省地域特点，本文利用基本气象站降水量标准化资料，设计了干旱综合指数以评价研究区域干旱分布特征，不仅充分发挥了Z指数时空适应性强以及干旱机理简单化的优点，还能真实反映多时间尺度上干旱强度与范围的变化趋势，评估方法具有良好的稳定性，可为区域干旱评估决策与防灾减灾提供科学依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域与数据来源

按照中国气象地理区划以及农业布局特点，将研究区域划分为5个相对独立的片区：河西走廊含酒泉、张掖、武威、金昌，陇中高原含兰州、白银、定西、天水、临夏和平凉西部，陇东高原含庆阳和平凉大部分地区，甘南草原与陇南山地基本以行政单位为边界。分析数据源于甘肃省基本气象站点1971-2013年日降水量数据，其中河西走廊19个、陇中高原26个、陇东高原13个、甘南草原5个、陇南山地8个，共计71个站点，所选站点资料序列连续，站点布局在农业主产区呈密集化。数据处理工具为SPSS 13.0、Minitab Ver 8.02。

1.2 Z指数与阈值分级指标

长时间序列的降水量因其变异性强、偏度大而具备典型的非正态分布性质，按照文献[13-14]方法，假定季节性降水量遵循P-Ⅲ型分布，在对降水量进行正态化处理后将概率密度函数作Z转化，使其满足正态分布特征，从而使不同区域降水在时空上具备可比性，进而能客观地反映不同地域的干旱状态。其转换公式为：

(1)

其中：φI为降水标准化变量(I=1,2,…,n)；Cs为时间序列的偏态系数。分析显示，Z指数与降水量呈显著性相关，表明用Z指数可以充分反映研究区域的降水特征。根据Z变量正态分布曲线和研究区域干旱特征，可将Z值划分为4个等级(见表1)，其中Z指数的负值越小，干旱等级越高，干旱程度愈加严重。

表1 甘肃省季节性干旱Z指数阈值指标Table 1 Threshold indicators of Z-index for seasonal drought in Gansu Province

1.3 干旱特征变量的提取

季节性干旱是甘肃省农业生产主要限制因子，将春夏秋冬划分为3—5月、6—8月、9—11月、12月到翌年2月，按照季节性尺度定义以下特征变量：

干旱频率(DFi)是以Z指数评价某地干旱发生的频繁程度，即该地发生某一干旱等级的次数占统计时段总次数的百分比，本文将轻旱、中旱、重旱作为评价对象。

干旱强度(DIi)是用Z指数评价干旱严重程度的重要指标，区域干旱强度是指评价时段内某一干旱等级站点数占区域内总站点数的百分比，也可定义为区域干旱烈度(SIi)。

最能反映干旱强度本质特征的是一次干旱过程持续时间(DDi)，它是构成干旱强度与灾情程度的根本原因。本文按照持续性的两季连旱、三季连旱、四季连旱3个时间段分别进行旱情评价，从而形成揭示干旱等级程度最重要的特征量。

Mann-Kendall特征值(简称MK值)是基于非参数统计检验方法的重要参量，优点是样本不必遵从某一特定分布规律，不受少数异常值干扰，能很好表征时间序列趋势变化。统计方法见文献[15]。

1.4 干旱综合指数的构建

在区域干旱特征研究中本文引入一种评价指数即干旱综合指数。按照信息熵理论对研究区域轻旱(LD)、中旱(MD)、重旱(SD)频率进行数理赋权，赋予3个等级干旱权重α、β、γ以实现对干旱强度的综合评价，定义其为干旱综合指数(CI)，用公式表示为：

CIi=αLDi+βMDi+γSDi

(2)

2 结果与分析

2.1 季节性干旱趋势变化特征

对研究区域1971-2013年季节性Z指数进行mann-kendall非参数检验，当特征值MK<0时表征区域存在干旱，MK值越小，表明干旱趋势越强或趋旱程度越高。以研究时段平均Z指数变化特征为评价对象，从表2可以看出，春季MK值分别为陇东高原(-0.154)、陇中高原(-0.043)和陇南山地(-0.039)，陇东高原干旱趋势十分显著，而且还成为全区域典型趋旱季节；夏季除了陇东高原外其余各地均趋旱，其中河西走廊为-0.081、陇中高原为-0.065，甘南草原为-0.039，趋旱程度比较明显；秋季仅陇中高原有轻微干旱(-0.017)，其余地方干旱程度普遍较弱；冬季研究区域几乎无干旱发生，全域普遍趋于湿润，尤以河西走廊(0.258*)为显著。总体看在研究时段内春夏两季干旱特征趋于显著。在地域分布上河西走廊夏季趋旱特征十分明显，陇中高原夏春两季趋旱显著增强且具备三季连旱特征；陇东高原春季干旱非常显著，且干旱趋势显著增加；甘南草原夏季趋旱明显且强度不容忽视；陇南山地春季干旱明显，其余季节基本不存在干旱。

以区域单站点MK<0为研究对象，将该站点视为干旱点并进行频率统计，其结果用区域干旱范围DR来表示，并定义DR>50%为典型干旱评价标准。从表2可以看出，在研究区域中春旱范围约为80%，干旱特征非常显著，具体表现在陇东高原(100%)、陇南山地(75.0%)、陇中高原(65.4%)、甘南草原(60.0%)，其中陇东高原成为全域极端性干旱区域；夏旱范围约为60%，涵盖河西走廊(73.7%)、陇中高原(61.5%)、甘南草原(60.0%)，其中河西走廊成为夏季干旱典型区域；秋季干旱范围约为20%，其中陇中高原为秋季干旱典型区域(50.9%)，其余区域干旱均不明显；在季节性干旱中冬季干旱特征最不明显。从区域DR分布看，季节性典型干旱主要表现在河西走廊夏季、陇中高原春夏秋三季、陇东高原春季、甘南草原夏季、陇南山地春夏二季。总体看甘肃省干旱趋势以春夏两季为主，干旱范围显著。

表2 1971-2013年研究区域季节性Z指数Mann-Kendall特征值(DR，%)Table 2 Mann-Kendall value and DR-value of seasonal Z-index in Gansu Province during 1971-2013

注：*表示P<0.05下显著性水平；DR=(区域干旱点/区域总站点)×100%。

Note：* indicates significance atP<0.05；DR=(regional drought points/regional total site)×100%.

对区域单站点MK值进行分析，可以揭示研究时段典型干旱区域特征。以春季为例，典型趋旱区域集中在陇中高原之陇西(-0.138)、武山(-0.129)、秦安(-0.102)，陇东高原之灵台(-0.238*)、宁县(-0.180)、镇原(-0.178)，陇南山地之宕昌(-0.123)；而在夏季则集中在河西走廊之马鬃山(-0.271*)、安西(-0.255*)、敦煌(-0.171)，陇中高原之会宁(-0.136)、靖远(-0.123)，甘南草原之夏河(-0.103)以及陇南山地之文县(-0.141)，其趋旱程度不仅代表季节性趋旱特征，也代表全域干旱极端值的分布特征。

2.2 季节性干旱综合指数变化特征

干旱综合指数(CI)与其他干旱特征变量相比具有明显优势，该指标既可以对区域逐站点同一时段不同干旱特征进行综合评价，也可以对同一区域不同时间段干旱特征进行综合评价，评价结果能够客观准确地描述区域干旱深度与广度，其中重旱频率不仅决定了区域的干旱强度，也决定着极端干旱事件的强度。

从图1可以看出：(1)春季重旱发生在1995年(陇东0.481、陇中0.269)、1979年(陇中0.325、陇南0.298、甘南0.297)、2000年(陇东0.304)、2004年(陇南0.289)以及2008年(甘南0.254)，其中1995年范围最广且影响最重，2000年以来干旱频率增多，强度明显；(2)夏季重旱依次为1997年(陇南0.405、陇东0.272)、1982年(陇中0.338)、1991年(陇南0.332、陇东0.321)以及1974年(甘南0.312、陇东0.308)，河西走廊在2001年(0.266)和2010年(0.245)出现显著干旱，在2008-2010年出现持续性干旱，其中1997年是干旱强度最为严重的时段；(3)秋季重旱发生在1972年(甘南0.366、陇中0.347)、1986年(陇中0.274、陇东0.265)和1987年(陇南0.271)、1995年(陇东0.257)、1998年(陇东0.236和陇南0.232)，其中1972年干旱最重(0.263)，1986-1998年干旱频率明显集中，2003年后干旱强度明显减弱。(4)冬季重旱出现在1998年陇东(0.586)、陇中(0.348)、陇南(0.268)，其中陇东、陇中还成为研究时段全域干旱的极端值；2009年甘南草原(0.449)不仅成为重旱区域，还成为年度季节性干旱之最。

图1 甘肃省不同区域季节性干旱综合指数时间变化特征Fig.1 Temporal variation characteristics of seasonal drought comprehensive index in different regions of Gansu Province

季节性干旱综合指数地域性分布差异显著。以干旱综合指数≥0.05为单站点典型干旱评价标准，分析区域干旱强度。以春季为例，重旱区域依次为鼎新(0.127)、华池(0.072)、兰州、康县、秦安、岷县、天水(≥0.06)，典型干旱范围占比39.4%，为季节性干旱范围之最；夏季重旱为安西(0.072)、玉门(0.066)、西和(0.061)，河西走廊重旱集中且强度显著，全区域典型干旱范围为29.6%；秋季重旱分布在灵台(0.061)，典型干旱范围为26.8%；冬季重旱集中在白银(0.103)、乌鞘岭(0.70)、古浪(0.68)，典型干旱范围为23.9%；总体上看春季干旱范围最为显著，其次为夏季。

2.3 季节性连旱综合指数变化特征

季节性连旱综合指数是表征在多个连续性季节内区域逐站点在同一时段内不同程度的干旱特征，也表征同一区域在不同时间段内的干旱特征，其中区域干旱深度(SIi)是指在统计时段区域内单站点干旱综合指数的平均值，用以代表区域持续性干旱强度水平。按照全省干旱特质，本文对三类季节性干旱进行分析，不仅有助于解析干旱时段基本特征以及区域干旱程度，还有助于深度揭示全省干旱的趋向特征。

全省两季连旱干旱深度为0.024，高值区(>0.03)集中在白银、会宁、古浪、玛曲、灵台、永登、华池、静宁。从图2可以看出：春夏连旱以鼎新(0.049)、华池(0.045)、环县(0.039)为重旱中心，形成河西走廊西端、陇东中部为主的干旱特征；夏秋连旱以会宁(0.051)、灵台(0.043)为重旱中心，构成以陇中～陇东高原为重旱的基本特征；秋冬连旱以古浪和白银(0.060)为重旱中心，其次是灵台(0.049)、静宁、会宁及徽县(≥0.043)，构成以甘肃中部为主兼具偏东南部的重旱特征；冬春连旱以白银(0.064)、玛曲(0.054)、古浪(0.053)为主，鼎新、华池为辅(≥0.041)，形成了全省中部、甘南草原为典型特征的季节性重旱特征。在全域干旱深度中秋冬连旱为0.027，重旱范围0.85%，表征该时段旱情最重、范围最广。

三季连旱干旱深度为0.014，高值区为会宁、古浪、静宁、白银、永登(>0.02)，从图2可以看出：春夏秋连旱中心分布在会宁(0.031)、西峰(0.027)、鼎新、泾川、正宁、宕昌(0.026)，即以全省中东部干旱为主；夏秋冬连旱集中在会宁(0.057)，高值区在陇中高原与陇东高原东部一带，古浪、白银(>0.300)也具有明显的连旱特征；秋冬春连旱以古浪(0.043)、环县(0.031)两地为主，形成古浪～白银、环县～华池以及鼎新、会宁为中心的重旱特征；冬春夏连旱以会宁(0.035)、古浪～乌鞘岭(≥0.033)为重旱区域，形成了以河西走廊东部、陇中高原中部为典型分布特征的干旱范围。全域干旱深度显示，夏秋冬连旱为0.017 5，重旱范围0.32%，干旱范围与干旱深度非常显著。

四季连旱干旱深度为0.007，高值区依然为会宁(0.027)，其次为古浪、西峰、灵台、泾川(>0.160)，从图2看到：春夏秋冬连旱突出体现在以泾川(0.026)为代表的陇东高原区域，会宁、古浪、白银也有明显的干旱特征；夏秋冬春以会宁(0.022)、鼎新(0.020)、古浪和环县(0.019)、泾川(0.018)为主，灵台、康县、永登干旱特征比较明显；秋冬春夏以会宁(0.027)、高台(0.026)、古浪(0.025)、山丹(0.024)为主，形成以河西走廊东西向的间断性干旱以及以会宁为中心的陇中高原干旱的典型特征；冬春夏秋连旱干旱深度最为显著，形成以会宁(0.037)为主旱中心、以西峰～灵台～泾川为次中心的区域特征。总体上看，除了冬春夏秋外，其余季节性连旱的干旱深度均表现显著(>0.009)，但重旱则还是以冬春夏秋最为典型。

3 结 论

本文通过干旱阈值Z指标构建了基于干旱频率、干旱强度的干旱综合指数,从季度性干旱、季节性连旱着手深入分析了研究区域干旱特征。

研究表明：季节性趋旱(MK<0)差异显著。春季MK值依次为陇东高原-0.154、陇中高原-0.043、陇南山地-0.039，趋旱范围为陇东高原100%、陇南山地75.0%、陇中高原65.4%、甘南草原60.0%，其中陇东高原趋旱最为典型，具体表现在灵台-0.238*、宁县-0.180、镇原-0.178；夏季MK值为河西走廊-0.081、陇中高原-0.065、甘南草原-0.039，趋旱范围河西走廊73.7%、陇中高原61.5%、甘南草原60.0%，其中河西走廊趋旱突出表现在马鬃山-0.271*、安西-0.255*、敦煌-0.171；秋季陇中高原MK值为-0.017，其中会宁为-0.186，陇中高原干旱范围为50.9%；甘南草原夏季与陇南山地春季趋旱程度也比较明显。尽管在季节性趋旱程度上冬季表现尚不明显，但趋旱范围也不容忽视。

季节性干旱综合指数(CI)时间变化特征显示，春季重旱在1995年陇东(0.481)；夏季重旱为1997年陇南(0.405)；秋季重旱在1972年(甘南0.366、陇中0.347)；冬季重旱在1998年(陇东0.586)且该时段为全域干旱的极端值，2009年甘南草原(0.449)也非常明显。典型干旱(CI≥0.05)显示，春季以鼎新(0.127)、华池(0.072)为重旱，典型干旱占比39.4%；夏季以安西(0.072)、玉门(0.066)、西和(0.061)为重旱，典型干旱占29.6%；秋季重旱在灵台(0.061)，典型干旱为26.8%；冬季集中在白银(0.103)、乌鞘岭(0.70)、古浪(0.68)，典型干旱范围为23.9%。总体上看，春季干旱特征最为显著，作为夏粮产量的关键影响因子，春季干旱已变成气候暖干化的重要标志[18]，不仅成为甘肃省最重要的农业气象灾害，还给现行农业结构调整提出了严峻的挑战。

图2 甘肃省季节性连旱的空间分布特征Fig.2 Spatial distribution characteristics of seasonal continuous drought in Gansu Province

季节性连旱更好地反映了区域持续性干旱强度。两季连旱综合指数高值区分布在白银、会宁、古浪、玛曲、灵台、永登、华池、静宁等地(>0.030)，三季连旱在会宁、古浪、静宁、白银、永登等地(>0.020)，四季连旱在会宁、古浪、西峰、灵台、泾川(>0.015)等地。两季连旱中秋冬连旱最重(0.0274)，三季连旱以夏秋冬连旱最为显著(0.0175)；四季连旱中除了冬春夏秋外，其余季节性连旱均表现显著(>0.009)。

季节性干旱分析结论与降水资源特征相一致[19]，当降水量增多时其干旱深度会有所减弱，重旱程度相应降低，这表明以干旱阈值指标和信息熵为基础的干旱综合指数能够客观而准确地反映研究区域干旱空间分布特征，相比传统权重设定方法其指标具备集成度、精算度的特点，从而为不同等级干旱强度与干旱评估提供了科学而精准的度量标准。另外，干旱持续时间越长，干旱累积效应越大，时间节点处的灾情程度就越为严重，因此分段式干旱特征的研究显得非常重要且具备深远的现实意义。