基于综合气象干旱指数的干旱状况分析——以锡林河流域为例

王慧敏, 郝祥云, 朱仲元

(内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院, 呼和浩特 010018)

干旱是指在某一地理范围内，相对较长时间内无降水或降水异常偏少的一种气候现象[1]。作为世界上最为严重的自然灾害之一，干旱出现的频率之高、次数之多、持续时间之长、影响范围之广，给农牧业造成了严重的经济损失。干旱影响了牧草的正常返青与生长发育，使得地上生物量减少。随着全球气候变暖，中国北方地区干旱化趋势明显[2]。我国干旱频繁，受干旱影响较大，地处干旱和半干旱气候区的内蒙古自治区，东部及南部与半湿润的东北平原、华北平原及黄土高原接壤，是农牧交错地带，也是不同气候区的过渡带，具有较高的气候敏感性。21世纪以来，内蒙古东部及东北部地区降水严重偏少[3]。

对于干旱评价主要的方式为采用干旱指标进行评价。当前，在我国应用较为广泛的依旧为气象干旱指数(CI)[4-6]。准确地对干旱事件发生与否及程度进行判断，是开展干旱预测、评估、预警的关键[7-8]。近年来，众多学者对不同干旱监测指数的适用性及不同区域的干旱变化特征进行了研究[9-12]。针对气象干旱，2006年国家气候中心在单项干旱指标[13-14]的基础上颁布了综合气象干旱指数(CI)。这种方法在中国部分地区的干旱研究都具有较好的适用性[15-18]。但是在锡林河流域对旱涝状况的应用研究开展的却很少。本文在分析降水与温度历年变化特征的基础上，计算CI指数，分析在其表达下的研究区内历年及季节尺度下的旱涝事件变化特征。以期为研究区内的旱涝灾害预警提供依据。

1 材料与研究方法

1.1 研究区概况与数据来源

锡林浩特市位于锡林郭勒草原中部(115°13′—117°06′E，43°02′—44°52′N)，属中温带干旱半干旱大陆性季风气候，风大、少雨、寒冷，春秋短暂，夏无酷暑，冬季漫长，四季分明。本文研究区位于锡林浩特水文站控制的锡林河上游区域，控制流域面积达3 852 km2。由于锡林河流域具有特殊的季节性和地理性特点，降水和融雪水成为该地区水资源的主要来源[19]。主要的气候特征为昼夜温差大，流域多年平均径流深为137.4 mm，蒸发量大。牧草生长所需水分主要来源于大气降水，水分亏缺是牧草生物量的重要影响因素[20]。研究区位置见图1。

图1 研究区位置

文中所需要的逐月降水与气温的数据资料来源于中国气象数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn)。

1.2 研究方法

综合气象干旱指数(CI)[21]是利用近30 d(相当于月尺度)和近90 d(相当于季尺度)降水量标准化降水指数，以及近30 d相对湿润度指数进行综合而得，该指标既反映时间尺度(月)和长时间尺度(季)降水量气候异常情况，又反映短时间尺度(影响农作物)水分亏欠情况。该指数适合实时气象干旱监测和历史同期气象干旱评估。综合气象干旱指数(CI)的计算如下：

CI=aZ30+bZ90+cM30

(1)

式中：Z30为近30 d标准化降水指数，由达轻旱以上级别Z30的平均值除以历史出现最小Z30值，平均取0.4；Z90为近90 d标准化降水指数，由达轻旱以上级别Z90的平均值除以历史出现最小Z90值，平均取0.4；M30为近30 d相对湿润指数，由达轻旱以上级别M30的平均值除以历史出现最小M30值，平均取0.8。

相对湿润度指数(M)公式为：

(2)

式中：P为某时段的降水量(mm)；PE为某时段的可能蒸散量(mm)。

可能蒸散量用Thornthwaite方法计算，该方法是求算可能蒸散量的经验公式，主要特点是以月平均温度为主要依据，并考虑纬度因子(日照长度)建立的经验公式，需要输入的因子少，计算方法简单，公式为：

(3)

式中：PEm为可能蒸散量，是指月可能蒸散量(mm/月)；Ti为平均气温(℃)；H为年热量指数；A为常数。

年热量指数计算公式为：

(4)

常数A计算公式为：

A=6.75×10-7H3-7.71×10-5H2+1.792×10-2H+0.49

(5)

气象干旱等级中规定CI指数的干旱等级划分[21]见表1：

表1 综合气象干旱等级划分

2 结果与分析

2.1 主要气象要素最值曲线确定

利用1981—2016年的数据绘制气温最值与降水量最值曲线(图2)，由曲线可以看出，最高气温的变化趋势是微弱的升高状态，升高的速率为0.045℃/a,而最低气温的变化趋势呈微弱的降低状态，速率为-0.007℃/a。总体来说，36 a中的气温最值比较稳定。其中月平均气温的最高值为24.94℃，月平均气温的最低值为-23.53℃，最高温与最低温的差值达到48.47℃。降水量最值变化曲线表明，最大降水量的变化趋势呈现出减小的状态，速率为-0.359 mm/a，而最小降水量的变化趋势是微弱的升高状态，速率为0.015 mm/a，总体来说，最小降水量的历年变化不大。其中36 a来逐月降水量的最大值为178.1 mm，最小值为0 mm，最大值与最小值的降水量差为178.1 mm。

图2 主要气象要素最值曲线

历年的逐月平均气温的最高值都出现在夏季，其中有77.8%都出现在7月份，有16.7%出现在8月份，只有5.5%出现在6月份。说明7月份的气温对最高气温的贡献最大。而逐月平均气温的最低值都出现在冬季，其中有83.35%出现在1月份，有13.9%出现在12月份，只有2.8%出现在2月份，说明1月份的气温对最低气温的贡献最大。历年的逐月降水量的最值出现的时间不稳定，最大值中有88.9%出现在夏季，有8.3%出现在春季，只有2.8%出现在秋季。说明夏季的降水量对最大降水量贡献最大。而最小值中有46.0%出现在冬季，有32.4%出现在春季，有21.6%出现在秋季。由最小降水量出现的季节来看，春、秋、冬3季所占的比例相差并不大，所以对最小降水量的贡献相当。

2.2 主要气象要素相关性分析

由降水与气温的相关性(表2)可以看出，4月、5月呈正相关关系，10月份没有相关关系，其余年份为负相关关系，而在夏季的6月、7月、8月份为显著负相关关系，说明夏季降水量与气温的关系较其他季节更为密切，且在夏季中，气温越低则降水量越大，在这3个月中，历年的最高气温出现在7月份的频次最多，其次为8月份，出现在6月份的频次最少。所以在历年的降水量中，最大降水量大多出现在7月份。

表2 主要气象要素相关性

注：**表示在0.01水平上显著相关。

2.3 干旱事件季节变化分析

在1981—2016年历年的月平均气温可以得知，除2002年和2016年外，其余年份的4—10月的月平均气温为正，其他的月平均气温为负，而在2002年的9月份与2016年的5月份气温却出现了负值，在CI的计算中规定温度为负值时CI为0，当CI值为-1.2～-0.6时表示发生轻旱事件。经过计算，研究区内在1981—2016年中只有在春季、夏季和秋季3个季节中CI不为0(4—10月)，这是由于冬季的气温为负值。由不同季节CI指数图(图3)可以看出，36 a中，春季发生的干旱事件最为频繁，大约有超过一半的年份出现轻旱，秋季次之，大约有一半的年份发生轻旱；夏季发生干旱事件的频次最少，只有一小部分年份发生了轻旱。统计发现，36 a中春、夏、秋3个季节在月尺度上只发生过轻旱事件，共121次，春季发生轻旱事件48次，其中4月份发生26次，5月份发生22次；夏季发生轻旱事件32次，其中6月份发生12次，7月份发生8次，8月份发生12次；秋季发生轻旱事件41次，其中9月份发生23次，10月份发生18次。总体来看，研究区内只出现轻旱事件，没有出现过中度及以上程度的干旱事件，虽然旱情并不严重，但是出现的频次却并不少，且大多出现在春、秋两季。而春季是牧草返青的重要季节，特别是在5月份做好抗旱工作对于牧草返青及生物量具有重要的影响。

2.4 干旱事件年际分析

由干旱事件发生频次图(图4)可知，36 a中，干旱发生频次呈现出微弱的降低趋势，速率为-0.08次/10 a。除了2015年没有发生干旱事件外，其余年份均有发生，2005年发生干旱事件的次数最多为7次，在1999—2008年期间，干旱发生的最为频繁，36 a中平均每年发生干旱事件的次数为3次。而3 a滑动平均值减弱了频次最值对整个序列的影响，3 a滑动平均值显示，干旱事件发生最多的次数为5次，最少的次数为1次，且其变化趋势呈水平状态，说明在短时间内，干旱发生频次不会发生太大的变化，呈现出的是一种稳定的状态。

注：在-0.6与-1.2两条虚线之间表示发生轻旱事件。

图3CI指数季节尺度变化

注：折线表示3 a滑动平均，虚线表示趋势线。

图4干湿事件频次分布

3 结 论

(1) 36年的逐月平均气温最值曲线的变化趋势比较微弱，基本上为稳定状态。最高气温与最低气温分别为24.94℃，-23.53℃，温差为48.47℃。历年的逐月平均气温的最高值都出现在夏季，且多出现在7月份，说明7月份的气温对最高气温的贡献最大。最低值都出现在冬季，且多出现在1月份，说明1月份的气温对最低气温的贡献最大。降水量最值变化曲线表明，最大降水量的变化趋势呈现出减小的状态，而最小降水量基本无变化，降水量的最大值与最小值分别为178.1 mm和0 mm。降水量最大值多出现在夏季，而最小值出现时间并不稳定。

(2) 研究区内在1981—2016年中，只有在春季、夏季和秋季3个季节中CI值不为0。36 a中，春、夏、秋3个季节在月尺度上只发生过轻旱事件，共121次，其中春季发生的干旱事件最为频繁，为48次；秋季次之，为41次；夏季发生干旱事件的频次最少，为32次。总体来看，虽然研究区内没有出现过中度及以上旱情事件，但是轻旱事件的出现频次却并不少。

(3) 36年中，干旱发生频次呈现出微弱的降低趋势，速率为-0.08次/10 a。2005年发生干旱事件的次数最多为7次，在1999—2008年期间，干旱发生的最为频繁，3 a滑动平均值变化趋势呈水平状态，说明在短时间内，干旱发生频次不会发生太大的变化，表现出一定的稳定性。