标准化降水指数法在不同时间尺度干旱特征评估中的应用

李子越

(阜新市佳音工程项目管理有限公司，辽宁 阜新 123000)

0 引 言

近些年来，干旱指数的研究已趋于成熟，不同的干旱指数有其各自的优点和缺点，这其中标准化干旱指数由于对降水进行标准化分析，在许多区域应用效果较好。苟非洲[1-4]基于标准化降水指数对渭河流域多尺度干旱特征进行分析，结果表明标准化干旱指数可以对渭河流域的趋势性和持续性进行分析，并可以,识别干旱的历时和烈度。徐庆喆[5]基于标准化降水蒸散指数对鞍山地区的干旱特征进行分析，分析表明干旱评估结果和区域实际干旱特征吻合度较高，适合于鞍山地区的干旱评估和预警研究。韩幸烨[6]采用标准化综合干旱指数对北汝河流域进行干旱评价，评价结果表明标准化综合干旱指数对轻度干旱事件更为敏感，能较好地反映流域干旱特性及典型干旱事件的演进过程。方黎明[7]基于标准化降水蒸散指数对宁夏中部干旱带干旱进行趋势分析，分析表明标准化降水蒸散指数可以对区域与干旱发生范围和干旱发生强度进行有效识别。李亮[8]基于标准化降水蒸散指数对甘肃省的干旱时空特征进行评估，评估结果表明标准化降水蒸散指数适合于干旱半干旱区域的干旱特征分析，评估结果合理、可信。周洪华[9]采用标准化径流指数对阿克苏河水文干旱特征进行识别，识别结果表明标准化径流指数可合理的对阿克苏河水文干旱进行有效识别。徐凌基于标准化降水指数对云南省楚雄州干旱近54a演变特征进行分析，分析表明标准化降水指数可对楚雄州年度干旱和季节干旱的演变特征和发生规律进行有效评估。通过以上研究成果表明标准化降水指数在不同干旱区具有较好的适用性，这主要是因为降水是发生干旱的主要因素。为此结合标准化干旱指数，以辽宁北部为研究实例，分析该指数的适用性并对干旱特征进行评估，研究成果对于辽宁北部干旱预警指标的确定具有重要参考价值。

1 标准化降水指数计算方法

基于降水和蒸发之间的偏差程度作为标准化降水指数对区域干旱程度进行评估，其计算方法分别为：

1)将某个时间尺度作为标准化降水指数的随机降水变量，降水发生概率采用τ分布概率进行概率分布函数的计算，方程为：

(1)

在方程中β>0，γ>0分别表示为概率密度分布的尺度和形状参数，采用极大似然估计方法对βγ两个参数进行估算：

(2)

(3)

在方程(2)中

(4)

(5)

采用数值积分对方程(5)进行概率数值求解。

2)降水为0的概率随机值可采用下述方程进行计算：

F(x=0)=m/n

(6)

在方程(6)中降水量为0值的样本个数采用m进行表示；样本总体个数采用n进行表示。

(3)采用标准化正态方法对Γ分布概率密度函数进行处理，正态标准分布函数概率值采将方程(5)和(6)计算的随机变量概率，计算方程为：

(7)

对方程(7)进行求解计算：

(8)

在方程(8)中：

(9)

在方程中降水随机变量的概率值用F进行表示，其中当F>0.5时，S=1；当F<0.5时，S=0.5，在方程(8)中为c0=2.52523；c1=0.81452；c2=0.012381；d1=1.45263；d2=1.442789；d3=0.0013452。标准化降水指数采用方程(8)进行计算。

2 计算结果及干旱评价分析

2.1 干旱等级划分标准

结合辽宁北部铁岭、抚顺气象站点1954-2018年降水数据，采用标准化降水指数对辽宁北部的铁岭和抚顺两市1954-2018年的干旱指数进行计算，结合标准化降水指数的干旱评估等级标准，见表1，对辽宁北部地区近65年不同时间尺度的干旱特征进行评估。

表1 标准化降水指数的不同干旱划分标准

2.2 年尺度干旱特征评估

基于铁岭、抚顺两市气象站点1954-2018年年降水观测数据，采用标准化降水指数对辽北地区年尺度干旱进行评估，统计其尺度不同等级干旱发生的频次，见表2所示。

从表中可看出，铁岭和抚顺两市发生总干旱的频率分别为7.8%和69.0%，铁岭地区发生年尺度干旱的频率要高于抚顺地区，但发生极端干旱频率要低于抚顺地区，通过调查评估，标准化降水指数对两市年尺度干旱评估结果和区域实际干旱情况吻合度较高，这主要是因为标准化降水指数以降水作为唯一因子进行分析，而区域发生干旱的主要因素则是因为有效降水得到不到满足，因此标准化降水指数可以取得较为理想的评估结果。此外从表中还可看出，辽宁北部地区发生微旱和中旱的频率明显高于严重干旱和极端干旱发生的频率。

2.3 季尺度干旱特征评估

考虑到农作物需水受到季节干旱的影响，结合气象站点各季节降水观测数据对辽宁北部的铁岭和抚顺地区季节干旱的频次进行统计分析，结果见表3。

表3 辽宁北部地区季节尺度不同等级干旱发生的频次统计结果

从表中可看出，铁岭地区和抚顺地区季节干旱发生频次较为相似，这主要是因为两个地区气候特征具有一定的相似性。从表中可看出，两个地区均在冬季和春季发生干旱的频次高于其他两个季节。冬季由于干燥少雨，使得有效降水量得到不到有效满足，铁岭和抚顺地区冬季发生总干旱的频率分别为49.4%和49.6%，虽然冬季干旱频次较高，但是冬季基本不种植农作物，因此对于农作物的影响程度较低。而进入春季后，两个区域发生总干旱的频率分别为41.4%和45.3%，而春季正好是农作物耕种的时间，因此这个季节出现干旱对农作物影响较大。这一个季节主要是因为有效降水偏少，使得区域农作物的需水不能得到有效满足，从而出现干旱的情况。而进入夏季，发生干旱的频率有所减少，这主要是因为夏季降水增多，区域有效降水可满足农作物生长的需水要求，因此发生干旱的频次减少。而进入秋季后，发生干旱的频次增多，尤其是易发生极端干旱的情况。

2.4 月尺度干旱特征评估

在年尺度和季节尺度干旱频次分析的基础上，结合标准化降水指数对辽宁北部地区的铁岭和抚顺市不同月份的干旱频次进行统计分析，结果见表4。

辽宁北部地区各月发生干旱的频次和季节干旱频次具有一定的相似性，在春季(3-5月)以及冬季(11、12、1月)发生干旱的频率较高，干旱频率的变化主要和区域有效降水量变化具有相关性，有效降水量偏多的月份，发生干旱频次较低，而有效降水偏少的月份，其发生干旱的频率较高，尤其是易发生严重和极端干旱。12月份和8月份属于辽宁北部干旱易发生的两个月份，通过对这两个月的有效降水量进行分析，5月和8月分铁岭和抚顺地区有效降水量相比于年平均值占比仅为5.9%和6.3%，因此这两个月分发生干旱的频率较高，尤其是12月份和8月份发生极端干旱的频次均高于6%，属于易发生极端干旱的月份，因此在这两个月份尤其是在8月份要注意抗旱应急补水措施的制定。

表4 辽宁北部地区月尺度不同等级干旱发生的频次统计结果

3 结 论

1)标准化降水指数以降水作为唯一评定指标，对于考虑农业干旱特征的区域具有较好的适用性，评估结果符合区域实际干旱特征。

2)辽宁北部地区发生微旱和中旱的频率明显高于严重干旱和极端干旱发生的频率，主要是因为夏季有效降水量可以得到有效满足，春季和冬季发生极端干旱的频次较高，应注意中两个季节的干旱预警。

3)辽宁北部地区月尺度干旱频次分布和季节干旱具有较好的相关性，8月分和12月份是区域易旱的两个月份，尤其是在8月，发生极端干旱的频率明显高于其他月份，应加强辽宁北部地区8月份抗旱应急补水规划措施。