基于降水距平百分率的安徽省近50 a干旱时空分布特征分析

2018-10-12李雪纯徐进超

中国农村水利水电 2018年9期

李雪纯，赵君，徐进超

(南京信息工程大学，南京 210044)

干旱指一定区域一定时间内，由自然或社会因素导致水分缺乏的现象，普遍存在于各个地区，不仅是严重的气候问题，也影响着人类生产生活[1]。干旱按照成因可分为多种[2]，本文从降水影响方面进行气象干旱的讨论。安徽省地处我国东部，横跨长江、淮河，北部为淮北平原，南部地区地形复杂，西南地区有大别山区，东南地区有皖南山区，中部为江淮丘陵。降水受季风和地形等影响，副高的强弱以及沿海槽的稳定影响着安徽省季节干旱的形成，梅雨量的多少尤其影响夏旱的形成[3]。干旱会造成安徽省农作物减产，严重时影响生活用水、水库发电航运及渔业等各方面，带来巨大的经济损失。

近年来，许多专家利用各种指标对干旱进行分析研究[4-8]，黄晚华[9]等利用SPI分析中国南方季节性干旱演变特征，表明我国南方干旱整体上呈现对农业生产的不利影响，并有加重趋势。张焱[10]等人采用Z指数从降水量及土壤干旱特征方面对华南干旱特征进行了分析。谢五三[11]等指出对于安徽省干旱检测业务来说Pa指标相对较好。Pa指数可以直接地反映因降水引起的干旱，在干旱测评中得到广泛的应用。关于安徽省干旱的研究目前集中在年尺度的分析，在季节等小尺度上的定量分析比较缺乏。本文根据不同季节特征细化干旱等级标准，用Pa计算方法选取了3个干旱指数，结合分析安徽省近50 a干旱时空分布特征，以期更加深入地认识安徽省干旱时空分布特征。

1 研究资料与方法

1.1 资料来源

气象数据资料来源于中国气象局信息中心，选取了安徽省分布均匀的15个站点，1965-2014年共50 a的逐日降水资料。检测所选站点的降水数据，订正存在的明显数据错误，对存在缺测漏测的数据进行插值处理，所得数据可较好地反映本地区的降水变化情况。

1.2 降水距平百分率(Pa)

Pa可以反映某时段降水与同期平均状态的偏离程度，从而反映出降水量异常引起的干旱，在我国气象业务中经常用于评估干旱事件。Pa使用降水量作为输入量，算式如下：

(1)

(2)

式中：n=50，即文本选取1965-2014年共50 a逐日降水资料。

1.3 评估等级标准

由于安徽省降水量季节差异较大，空间分布不均匀，不同季节采用的Pa划分标准有所不同。参考国家气象等级标准[12]，通过数据分析，按照季节特征划分干旱等级标准，春季3-5月，夏季6-8月，秋季9-11月，冬季12-翌年2月。本文采用的Pa划分等级见表1。

表1 基于降水距平百分率的干旱等级划分Tab.1 Division of drought levels based on percentage of precipitation anomalies

1.4 干旱评估指数

本文选取干旱频率、干旱站次比、干旱强度这3个干旱指数，从3方面评价安徽省近50 a干旱时空变化特征[13]。

(1)干旱频率(Pi)指研究站点在时段内干旱发生的频繁程度，算式如下：

Pi=(n/N)×100%

(3)

式中：N为某站有资料的总年数；n为该站发生干旱的年数。

(2)干旱站次比(Pj)指研究区域内发生干旱的站点数与总站点数的比值，用于评价干旱的严重程度，算式如下：

Pj=(m/M)×100%

(4)

式中：M为研究地区总的站点数(本文中M=50)；m为发生干旱的站点数；j为年份。

(3)干旱强度(I)用来评价干旱严重程度，算式如下：

(5)

式中：m为研究地区某年发生干旱的站点数；|Ii|为各站点的干旱指标等级，以1、2 、3 、4对应轻旱、中旱、重旱、特旱，以0对应无旱。

2 结果与分析

2.1 降水特征分析

2.1.1 年降水特征分析

图1为安徽省1965-2014年降水量变化趋势。从图1中可以看出，20世纪60年代中期到70年代中期呈波动增长，70年代中期到80年代初期波动下降，80年代以后降水波动范围较大，21世纪以后降水波动波动较小。安徽省年平均降水量为1 771 mm，1991年降水最多达到1 578.3 mm，1978年降水最少为703.5 mm，降水年际变化明显，发生干旱风险较高。

图1 安徽省1965-2014年降水量变化趋势Fig.1 Precipitation changes in Anhui Province from 1965 to 2014

2.1.2 季节降水特征分析

安徽省季节降水变化明显，夏季降水最多，逐次是秋季、冬季、春季。春季降水量变化范围147～487 mm，夏季降水量变化范围972～3 556 mm，秋季降水量变化范围294～1 551 mm，冬季降水量变化范围208～1 006 mm，见图2。综上表明，夏季和秋季降水变化幅度较大，春季和冬季降水幅度较小，降水幅度变化较大更容易引起季节性干旱。

图2 安徽省1965-2014年季节降水量变化趋势Fig.2 Trend of seasonal precipitation change in Anhui Province from 1965 to 2014

2.2 干旱特征分析

2.2.1 年尺度干旱的时空分布特征

安徽省近50 a发生过不同程度的干旱，50 a中共13 a发生干旱，其中11 a发生轻度干旱，干旱频率为26%，平均每年5个站点出现干旱现象，最多年份干旱站点为14个。与1979年之前相比，1979年之后到2004年干旱频率增加，但强度有所减弱。

(1)年尺度干旱的空间分布特征。计算安徽省50 a共15个站点的年干旱频率，采用反距离权重插值方法进行插值，生成空间栅格数据，在地图上显示，得到图3。逐站统计各级别干旱频率，即各级别干旱在每一站出现的次数占50 a的百分比，安徽省平均干旱频率为37%，轻旱占18%，中旱占7%，重旱占5%，特旱占7%。北部地区和西南地区干旱频率略高，为38%～44%，其中以安庆市干旱频率最高达44%。安庆市位于大别山区与皖南山区之间，对流活动弱，相对降水较少，干旱出现频率较高。中部地区和东南地区干旱频率略低，为30%～36%，以巢湖市干旱频率最低为30%。综上，安徽省干旱空间上分布不均，呈现出北部地区及西南地区干旱发生频率高，中部地区及东南地区发生频率较低的空间特征。

图3 安徽省年尺度干旱频率空间分布Fig. 3 Spatial distribution of drought frequency at the annual scale in Anhui Province

(2)年尺度干旱的时间分布特征。图4为安徽省50 a干旱站次比和干旱强度的年际变化特征图。站次比的波动为13%～93%，共37 a干旱明显，其中9 a发生局域性干旱，4 a发生部分区域干旱，10 a发生区域性干旱，14 a发生全区域干旱。通过特征图可以看出1993年之前干旱影响范围呈跳跃状，其中1966、1978、1988、1994和2011年均在峰值，这与记录中安徽省这几年发生大范围干旱结果一致，表明数据计算的准确性。通过特征图看出，安徽省近50 a干旱强度为0.1～2.9，平均干旱强度为0.7，共37 a发生干旱，其中9 a干旱强度高于1，表明安徽省近50 a发生干旱大多数年份是轻度干旱。从图4中可以看出安徽省年际干旱主要是轻度干旱和中度干旱。综上表明，安徽省近50 a年际干旱强度呈波动减少趋势，区域性干旱和全域性干旱在20世纪90年代以后范围逐渐缩小，干旱范围从区域性和全域性逐渐变成局域性和部分区域性。

图4 1965-2014年安徽省站次比和干旱强度的年际变化Fig.4 Interannual variability of stations proportion and drought intensity in Anhui Province from 1965 to 2014

2.2.2 季尺度干旱时空分布特征

安徽省近50 a出现的干旱中，夏旱出现6 a，春旱出现3 a，秋旱出现5 a，冬旱出现6 a，干旱出现频率季节性明显。1978年发生重度干旱，伴随着季节尺度上春旱、夏旱、秋旱和冬旱均有发生。

(1)季尺度干旱的空间分布特征。图5为安徽省季节尺度干旱频率空间分布图，由此分析安徽省季度干旱特征：①春季干旱频率为14%～44%，北部地区略高，南部地区略低，春旱频率由南到北逐渐增加。②夏季干旱频率在18%～34%，中部和南部地区略高，夏旱频率由中部到西北和东部逐渐增大，从东南到西南逐渐减小。③秋季干旱频率在18%～42%，秋旱频率西北和西南地区略高，东部地区略低，西南地区干旱频率略高，并向东北方向延伸到中部地区。④冬季干旱频率在12%～36%，冬旱北部地区略高，南部地区略低，从中部到冬南部冬旱频率有所增大，再往南到皖南山区冬旱频率有所降低。

综上可得，安徽省季节干旱频率：秋旱>夏旱>春旱>冬旱，其中冬旱频率远低于其他3个季节。各季节干旱整体上是北部频率偏高，南部频率偏低。夏旱与秋旱相比，夏旱在东部频率较高，而秋旱在东部频率较低。春旱与冬旱南北频率差异较大，夏旱与秋旱不仅南北差异明显，东南差异也较为明显。

图5 安徽省季节尺度干旱频率空间分布Fig.5 Spatial distribution of drought frequency at seasonal scale in Anhui Province

(2)季节尺度干旱的时间分布特征。图6是安徽省季节尺度上干旱站次比和干旱强度的年际变化，由此分析季节时空特征如下。

①春旱。从站次比来看，共17 a发生全域性或区域性干旱。1981-1982年，1996-1997年，2000-2001年均连续2 a出现全域性或区域性干旱，此后每隔0～5 a会出现全域性或区域性干旱。从干旱强度来看，干旱强度波动曲线与站次比波动曲线基本一致，站次比峰值出现的年份干旱强度也处在峰值，其中2001年春旱强度最强，属于重度干旱。安徽省春旱站次比与春旱强度呈波动增长趋势，表明春旱范围逐年增加，全域性或区域性干旱增多，春旱强度略微增强。

②夏旱。从站次比来看，1965-1980年先减少再增大，于1966年达到峰值，1980-1995年波动增长，1995-2014年波动减少，共16 a出现全域性或区域性干旱。从干旱强度来看，强度最强的年份为1967年，站次比最高的年份为1966年。安徽省夏旱站次比与夏旱强度呈先波动增长，后逐渐降低的趋势，表明夏旱范围逐年减少，全域性或区域性干旱减少，夏旱强度略微减弱。

③秋旱。从站次比来看，1965-1976年，1978-1988年先减少再增加，1989-2014年波动变化，增长不明显，共24 a出现全域性或区域性秋旱。从干旱强度来看，站次比最高的年份秋旱强度同样很强，强度均大于2。安徽省秋旱站次比和秋旱强度呈波动变化，趋势增加不明显，全域性和区域性秋旱主要集中在21世纪90年代和21世纪，秋旱强度较强。

④冬旱。从站次比来看，1965-1977年，冬旱站次比呈波动减少，1977-2004年波动幅度较大，2004-2014年波动增加。共15 a出现全域性或区域性冬旱，1996-1997年，1982-1983年，1995-1996年均出现连续区域性或全域性干旱，1967-1977年共10 a未发生区域性或全域性干旱。从干旱强度来看，冬旱强度最强的年份1999年，冬旱站次比也很高。1965-1999年，先减弱后波动增强。安徽省冬旱站次比呈波动趋势，波动幅度较大，整体减小不明显，冬旱强度波动增加，增加较弱。

图6 安徽省1965-2014年季节干旱站次比和干旱强度的年际变化Fig.6 Interannual variation of seasonal stations proportion and drought intensity in Anhui Province from 1965 to 2014

2.3 干旱趋势分析

结合降水特征及干旱特征进行分析，安徽省未来干旱趋势受地形及降水的影响，从降水特征上来看，安徽省近50 a降水略微增长，增长不明显，但变化幅度较大，1978年降水突然减少导致大规模的干旱发生，这种不规律的降水对未来干旱的发成影响极大。从干旱特征上来看，安徽省北部地区干旱频率较南部地区较南部略高，北部地区干旱发生呈增加趋势，南部地区增加不明显。在季节干旱方面，夏季和冬季降水趋势呈增长状态，而春季和秋季呈减少状态，尤其是秋季降水降低趋势明显。结合干旱特征分析，秋旱在安徽省最易发生，强度较大，降水趋势的降低在未来会加剧秋旱发生程度及频率，安徽省季节性干旱抗旱形势严峻。