基于MCI的河南干旱时空变化特征分析

2020-05-20张宇星智协飞李凤秀

科学技术与工程 2020年9期

张宇星，智协飞，李凤秀

(1.南京信息工程大学大气科学学院，南京 210044；2.河南省气象局，郑州 450003；3.河南省气候中心，郑州 450003)

干旱是对中国影响较大的主要气象灾害之一，具有发生频率高、影响范围广、持续时间长等特点，对经济社会发展具有严重的影响。据统计，中国每年因干旱造成的损失占各种自然灾害造成损失的15% 以上，每年受旱面积约占各种气象灾害受灾面积的60%[1]，而华北地区旱灾平均受灾面积占中国受灾面积的比例最高，达28%以上[2-3]。干旱指标作为干旱研究的基础和工具，在干旱监测、预测和评估中起着重要的作用。由于干旱的成因复杂，影响因素较多，因此干旱指数作为分析干旱事件的评价指标，不仅要考虑前期降水，还要考虑降水后气候环境状况、蒸散、土壤含水量、径流等[4-6]。

根据《气象干旱等级》(GB/T 20481—2017)[7],干旱指数包括：降水量距平百分率(precipitation anomaly in percentage,PA)、相对湿润指数(relative moisture index,MI)、标准化降水指数(standardized precipitation index，SPI)、标准化降水蒸散指数(standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI)、帕默尔干旱指数(palmer drought severity index，PDSI)和气象干旱综合指数(MCI)。中外学者利用不同指数对干旱多发地区干旱的时空变化规律进行了大量研究[8-12]。韩兰英等[13]选用改进的MCI作为监测指标,详细分析了中国干旱强度、频次和持续时间变化特征及其南北差异性；冯冬蕾[14]根据MCI计算公式,分析了东北地区1961～2014年发生干旱过程的时空特征；曲学斌[15]以呼伦贝尔市16个气象台站1971—2014年逐日MCI为基础,使用层次分析法建立呼伦贝尔市干旱灾害风险区划模型；成青燕等[16]基于甘肃省16个气象站1961—2010年MCI对甘肃省近50 a不同季节的干旱特征进行了统计分析；廖要明等[17]基于MCI系统分析了中国及东北、华北、西北东部、西南、长江中下游、华南6大区域中旱及以上干旱日数的时空分布及气候变化特征。基于此，利用MCI分析平均干旱日数和干旱站次比，得出河南干旱时空变化特征，以期为干旱风险评估和政府科学决策提供科学依据。

1 河南概况

河南省地处中国中东部的中纬度内陆地区，地势西高东低，由平原和盆地、山地、丘陵、水面构成，地理位置为北纬31°23′～36°22′，东经110°21′～116°39′，总面积16.7×104km2。受东亚季风环流、太阳辐射、地理条件等因素的综合影响，气候为亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候，具有气候四季分明、雨热同期、复杂多样、气象灾害频繁的特点。河南省气候四季分明是大陆性气候的主要特点，各地年内气温和降水的季节性变化趋势一致。干旱、暴雨洪涝是河南省常出现的气象灾害，根据历史灾情数据，旱涝受灾面积约占总受灾面积的80%，对河南社会经济发展有着极为不利的影响。

2 资料与研究方法

2.1 资料

选取河南省110个站1971—2018年逐日气温和降水资料。季节划分按照气象上通用划分，即 3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12—次年2月为冬季。年尺度为1—12月。

2.2 研究方法

2.2.1 MCI

MCI是综合考虑前期不同时间段降水和蒸散对当前干旱的影响而构建的一种干旱指数，是国家气候中心在目前干旱业务中推广应用的监测指标，综合考虑了业务服务的需求，利用近60 d的标准化权重降水指数(standardized precipitation index based weighted average of precipitation,SPIW(SPIW60)、近30 d的MI(MI30)、近90 d的SPI(SPI90)和近150 d的SPI(SPI150)进行综合而得，计算公式如式(1)所示：

MCI=Ka(aSPIW60+bMI30+cSPI90+d·SPI150)

(1)

式(1)中：Ka为季节调节系数，从1—12月分别取值0.6、0.8、1.0、1.2、1.2、1.2、1.2、1.1、1.0、0.8、0.6、0.4 ；a、b、c和d为权重系数，分别取值为0.5、0.6、0.2和0.1。按照《气象干旱等级》(GB/T 20481—2017)中的分级标准，干旱划分为 5个干旱等级:无旱(-0.5

2.2.2 干旱评估指标

(1)平均干旱日数：平均干旱日数为某一站点固定时间内发生干旱的日数。

(2)干旱站次比(Pj)：干旱站次比利用某区域内发生干旱的站数占该区域内总站数的比例来评价干旱影响范围的大小。Pj<10%时，可认为无明显的干旱发生；10% ≤Pj<25%时为局域性干旱；25% ≤Pj<33% 时为部分区域性干旱；33%≤Pj<50%时为区域性干旱；Pj≥50%时为全域性干旱[18]。

3 结果分析

3.1 干旱日数

3.1.1 河南年平均干旱日数空间分布

从1971—2018年全省各地年平均干旱日数的空间分布(图1)可以看出，年轻旱及以上等级平均干旱日数在78.3～141.3 d，干旱日数最多的为新乡站，最少的为信阳新县站，整体趋势自南向北逐渐增加。信阳南部干旱日数最少，为90.9 d以下，站点数为4个；豫北安阳、濮阳、鹤壁、新乡和焦作干旱情况最为严重，干旱日数普遍在128.8 d以上，站点数为28个；三门峡、洛阳、平顶山、郑州、开封和商丘干旱日数为116.2～128.7 d，站点数为49个；漯河、驻马店等地干旱日数为91～116.1 d，其中干旱日数在91～103.5 d的站点数为9个，103.6～116.1 d的站点数为20个。

图1 河南省年平均干旱日数空间分布Fig.1 The spatial distribution of annual average drought days in Henan Province

3.1.2 河南各等级(轻、中、重、特)年平均干旱日数空间分布

从各等级年平均干旱日数空间分布(图2)可知，河南各地轻旱等级年平均干旱日数大体呈北多南少的趋势[图2(a)]，最小值为信阳新县站(42.8 d)，最大值为安阳滑县站(77.2 d)。信阳南部年平均干旱日数最少，为49.6 d以下，站点数为5个;安阳、濮阳、鹤壁和新乡大部分区域年平均干旱日数在70.4 d以上，站点数为18个；其他区域年平均干旱日数为49.7～70.3 d，其中49.7～56.5 d的站点数为16个，56.6～63.4 d的站点数为42个，63.5～70.3 d的站点数为29个。

河南各地中旱等级年平均干旱日数大体呈北多南少的趋势[图2(b)]，最小值为信阳新县站(20.8 d)，最大值为新乡站(42.1 d)；信阳南部中旱等级年平均干旱日数最少，为25 d以下，站点数为5个；安阳、鹤壁、濮阳和新乡年平均干旱日数在37.9 d以上，站点数为23个；其他区域年平均干旱日数为25.1～37.8 d，其中25.1～29.3 d的站点数为9个，29.4～33.6 d的站点数为35个，33.7～37.8 d的站点数为38个。

河南各地重旱等级年平均干旱日数空间分布趋势不明显[图2(c)]，大体成南少北多的趋势，最小值为信阳新县站(8.2 d)，最大值为焦作博爱站(19.1 d)；信阳南部重旱等级年平均干旱日数最少，为10.3 d以下，站点数为4个;北部和中部大部分区域年平均干旱日数在14.8 d以上，其中14.8～16.9 d的站点数为54个，17～19.1 d的站点数为17个；其他区域年平均干旱日数为10.4～14.7 d，其中10.4～12.5 d的站点数为7个，12.6～14.7 d的站点数为28个。

河南各地特旱等级年平均干旱日数空间分布趋势无明显特征[图2(d)]，最小值为新乡封丘站5.4 d，最大值为洛阳新安站10.7 d；三门峡和洛阳部分区域特旱等级年平均干旱日数在9.7 d以上，站点数为8个；其他区域年平均干旱日数为5.4～9.6 d，其中5.4～6.5 d的站点数为11个，6.6～7.5 d的站点数为42个，7.6～8.6 d的站点数为31个，8.7～9.6 d的站点数为18个。

图2 河南省不同等级干旱日数年平均空间分布Fig.2 The spatial distribution of annual average drought days of different grades in Henan Province

3.1.3 河南各季节平均干旱日数空间分布

河南各地春季轻旱以上等级平均干旱日数呈北多南少的趋势[图3(a)]，最小值为信阳商城站(20.3 d)，最大值为新乡卫辉站(43.5 d)。信阳南部春季平均干旱日数最少，为24.9 d以下，站点数为6个；安阳、濮阳、鹤壁、新乡、焦作以及郑州部分区域平均干旱日数在38.9 d以上，站点数为31个；其他区域年平均干旱日数为25～38.8 d，其中25～29.5 d的站点数为8个，29.6～34.2 d的站点数为26个，34.3～38.8 d的站点数为39个。

河南各地夏季轻旱以上等级平均干旱日数大体呈北多南少的趋势[图3(b)]，最小值为信阳新县站25.4 d，最大值为新乡站(41.4 d)。除驻马店和信阳外，其他地区年平均干旱日数基本在35.1 d以上，其中35.1～38.2 d的站点数为60个，38.3～41.4 d的站点数为19个。驻马店和信阳等地区平均干旱日数为25.4～35 d，其中25.4～28.6 d的站点数为2个，28.7～31.8 d的站点数为7个，31.9～35 d的站点数为22个。

由图3(c)可知，河南各地秋季轻旱以上等级平均干旱日数空间分布趋势不明显，最小值为信阳新县站(22.5 d)，最大值为濮阳站(36.3 d)。平均干旱日数在33.6 d以上的区域主要集中在安阳、鹤壁和濮阳一带，站点数为10个。其他大部分区域平均干旱日数为22.5～33.5 d，其中22.5～25.3 d的站点数为4个，25.4～28 d的站点数为22个，28.1～30.8 d的站点数为48个，30.9～33.5 d的站点数为26个。

河南各地冬季轻旱以上等级平均干旱日数呈北多南少的趋势[图3(d)]，最小值为信阳商城站(8.5 d)，最大值为安阳滑县站(25.2 d)。信阳南部冬季平均干旱日数最少，为11.9 d以下，站点数为6个；安阳、鹤壁、濮阳、新乡和焦作、郑州部分区域平均干旱日数在22 d以上，站点数为25个；其他区域干旱日数为12～21.9 d，其中12～15.2 d的站点数为13个，15.3～18.5 d的站点数为32个，18.6～21.9 d的站点数为34个。

图3 河南省不同季节干旱日数空间分布Fig.3 The spatial distribution of drought days of different season in Henan Province

3.2 干旱站次比

3.2.1 年际变化特征分析

由历年干旱站次比的变化可知(图4)，干旱站次比的变化为7.1%～52.3%，变化范围较大。河南近48 a中只有2001年为全域性干旱，其干旱站次比达到了52.3%。区域性干旱发生的年份有20年，所占的比例为41.7%，在该地区出现的频率最高，发生的时段主要集中在20世纪80年代、90年代和2011—2018年，其中20世纪90年代有6年出现了区域性干旱。部分区域性干旱发生的年份有17年，所占的比例为35.4%，发生的时段主要集中在20世纪90年代和2001—2010年。局域性干旱发生的年份有9年，所占的比例为18.8%，发生的时段主要集中在20世纪70年代。2003年无明显的干旱发生，其干旱站次比仅为7.1%。从干旱站次比的年代际变化来看，20世纪70年代、80年代、90年代和2001—2010年、2011—2018年的干旱站次比分别为29.8%、32.2%、35%、31.2%和35.8%，2011—2018年干旱站次比最大，影响范围最广，20世纪70年代干旱站次比最小，影响范围最小。近48 a来，干旱站次比的线性倾向率为0.813/10a，说明整休来看，河南干旱发生的范围有加大的趋势，以区域性干旱和部分区域性干旱为主。

图4 1971—2018年河南省干旱站次比变化特征Fig.4 Variations of ratio of drought stations from 1971 to 2018,in Henan Province

3.2.2 季节变化特征分析

图5 1971—2018年河南省不同季节干旱站次比变化特征Fig.5 Seasonal variations of ratio of drought stations from 1971 to 2018,in Henan Province

(1)春季：由春季干旱站次比的变化[图5(a)]可知，春季干旱站次比的变化为1.3%～91.4%，变化范围较大。全域性干旱发生的年份有15年，所占比例为31.3%，为所有类型干旱中比例最大，发生的时段主要集中在20世纪80年代和2011—2018年，春季干旱发生的范围最大值为2000年的91.4%。区域性干旱发生的年份有9年，所占比例为18.8%，其中20世纪70年代有5年发生区域性干旱。部分区域性干旱和局域性干旱发生的年份分别为11、9年，所占比例分别为22.9%和18.8%。1979、1990、1998、2003年无明显的干旱发生，1990年和1998年的干旱站次比仅为1.8%和1.3%。从干旱站次比的年代际变化来看，20世纪70年代、20世纪80年代、20世纪90年代和2001—2010年、2011—2018年的春季干旱站次比分别为33.4%、33.9%、37.7%、38.8%和42.5%，2011—2018年干旱站次比最大，影响范围最广。近48 a来，春季干旱站次比的线性倾向率为1.042/10a，说明整体来看，河南干旱发生的范围有逐渐加大的趋势，春季旱情较为严重，且全域性干旱所占的比重最大。

(2)夏季：由夏季干旱站次比的变化[图5(b)]可知，夏季干旱站次比的变化为8.5%～76.9%，变化范围较大。全域性干旱发生的年份有14年，所占比例为29.2%，为所有类型干旱中比例最大，发生的时段主要集中在20世纪80年代，夏季干旱发生的范围最大值为1997年的76.9%。区域性干旱发生的年份有12年，所占比例为25%，发生的时段主要为2011—2018年，共有4年发生了区域性干旱。部分区域性干旱发生的年份有12年，所占比例为25%，主要集中在2001—2010年，共有5年发生了部分区域性干旱。局域性干旱发生的年份有9年，所占比例为18.8%。1998年无明显的干旱发生，其干旱站次比仅为8.5%。从干旱站次比的年代际变化来看，20世纪70年代、80年代、90年代和2001—2010年、2011—2018年的春季干旱站次比分别为37%、38.7%、39.3%、32.3%和50.3%，2011—2018年干旱站次比最大，影响范围最广，超过了50%，2001～2010年干旱站次比最小，影响范围最小。近48 a来，夏季干旱站次比的线性倾向率为0.973/10a，说明整体来看，河南夏季干旱发生的范围有加大的趋势，旱情较为严重，且全域性干旱所占的比重最大。

(3)秋季：由秋季干旱站次比的变化[图5(c)]可知，秋季干旱站次比的变化为0.2%～73.9%，变化范围较大。全域性干旱发生的年份有11年，所占比例为22.9%，发生的时段主要集中在20世纪90年代和2001—2010年，各有4年发生了全域性干旱。区域性干旱和部分区域性干旱发生的年份分别为11、7年，所占比例分别为22.9%和14.6%，区域性干旱主要集中在20世纪70年代，10年中发生了4年。局域性干旱发生的年份有12年，所占比例为25%，发生的时段主要集中在20世纪90年代，10年中共有4年发生局域性干旱。1975、1983、1984、2000、2003、2002、2014年没有明显的干旱发生，其中1984、2003年的干旱站次比仅为1%和0.2%。20世纪70年代、80年代、90年代和2001—2010年、2011—2018年的春季干旱站次比分别为28.9%、27.2%、38.1%、36.6%和32.7%，20世纪90年代干旱站次比最大，影响范围最广，20世纪80年代干旱站次比最小，影响范围最小。近48 a来，秋季干旱站次比的线性倾向率为2.005/10a，说明整体来看，河南秋季干旱发生的范围有明显加大的趋势，旱情较为严重。

(4)冬季：由秋季干旱站次比的变化[图5(d)]可知，秋季干旱站次比的变化为0.1%～84.3%，变化范围较大。1973、1976、1998、2008、2010年发生了全域性干旱，所占比例为10.4%，最大值为2010年的84.3%。区域性干旱和部分区域性干旱发生的年份分别为6年和2年，所占比例分别为12.5%和4.1%。局域性干旱发生的年份有17年，所占比例为35.5%，发生的时段主要集中在20世纪90年代、2001—2010年和2011—2018年。共有18年没有明显的干旱发生，所占比例为37.5%，冬季干旱站次比的最小值为2016年的0.1%。从干旱站次比的年代际变化来看，20世纪70年代、80年代、90年代和2001—2010年、2011—2018年的冬季干旱站次比分别为20.8%、21.1%、24.1%、22%和13.3%，除2011—2018年外，其他时期的平均干旱站次比都大20%以上。近48 a来，秋季干旱站次比的线性倾向率为-0.792/10a，说明整体来看，河南冬季干旱发生的范围有减小的趋势。