基于CI指数的阿克苏市气象干旱分析

2021-03-26袁志伟

广东水利水电 2021年3期

袁志伟

(新疆头屯河流域管理局水利管理中心，新疆昌吉 831100)

全球气候变化大背景下，对气候变化较敏感的西北地区干旱等极端气候频发，影响着该地区的农业生产活动。干旱指数是进行旱灾风险识别、监测和干旱强度等级划分的主要依据[1]，它可将研究区内的历史干旱时间、强度、频率和等级通过数值直观地反映出来，是分析干旱特征的有力工具。

近年来，国内外学者针对不同气候地区、不同成因的干旱指数进行了研究。目前，大量的气象干旱指数得到广泛发展，如降水距平百分率(Pa)、PDSI干旱指数、标准化降水指数(standardized precipitation index，SPI)、标准化降水蒸散指数(SPEI)、相对湿润度指数(M)、综合气象干旱指数(CI)、DI指数、S指数、K指数和AI指数等[2-5]。其中，S指数、Pa和SPI仅从降水方面考虑了干旱情况，SPEI在SPI的基础上考虑了蒸散发的影响，但都短期数据比较敏感；AI和PDSI对数据要求高，DI指数注重对作物的影响，需要具体作物的生长参数。CI同时考虑了降水量和潜在蒸发量对干旱影响，在各地区的干旱特征分析中具有良好的适用性。阿克苏市位于新疆天山以南，降水量年内分布不均，热量丰富，蒸发量与植物蒸腾量大，分析该地区的干旱特征对农业发展、抗旱调度及水资源的可持续利用具有重要意义。因此，本文利用综合气象干旱指数(CI)对阿克苏市1984—2016年不同时间尺度的干旱特征进行了分析，以期为阿克苏市的干旱监测、抗旱减灾和农业灌溉提供参考依据。

1 材料与研究方法

1.1 研究区概况与数据来源

阿克苏市(北纬39°30′～41°27′，东经79°39′～82°01′)位于新疆维吾尔自治区西南部的阿克苏地区，属暖温带大陆性气候，降雨量少而蒸发量大，气候干燥；多年平均气温为10.8℃，多年平均降水量为73.2 mm[6-7]。阿克苏市得天独厚的农业发展条件，即光照时间长且昼夜温差大，使得阿克苏市成为了新疆维吾尔自治区重要的粮、棉和瓜果基地。

本文中用于计算综合气象干旱指数CI的气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网http://data.cma.cn/，数据主要包括阿克苏气象站点1984—2016年的逐月降水和气温序列。

1.2 综合气象干旱指数(CI)

本文采用《GB/T 20481—2006 气象干旱等级》中的综合气象干旱指数(CI)分析阿克苏市的干旱情况。CI不仅能反映时段内的降水情况，还能反映土壤水分亏缺情况，进而反映降水对农作物生长及人类生产、生活情况。综合气象干旱指数CI的计算公式如下[8]：

CI=aZ30+bZ90+cM30

(1)

式中Z30、Z90分别为近30 d和近90 d标准化降水指数SPI，SPI计算方法详见文献[9]；a为近30 d标准化降水系数，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；b为近90 d标准化降水系数，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；c为近30 d相对湿润系数，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；M30为近30 d相对湿润度指数，由下式计算求得：

M=(P-PE)/PE

(2)

其中P为计算时段内的降水量，mm；PE为计算时段内的潜在蒸发量，mm。为简便计算，本文采用Thornthwaite经验公式[10]计算潜在蒸发量PE。计算出的CI指数根据表1确定干旱等级。

表1 综合气象干旱等级的划分

2 结果分析

2.1 阿克苏市的月尺度干旱特征

根据阿克苏市1984—2016年的逐月降水和气温序列，通过式(1)计算得到阿克苏市近30 a来的综合气象干旱指数CI，经过统计得到月尺度各干旱等级的发生频次，结果如图1所示。

图1 月尺度上各干旱等级发生频次分布示意

图1显示，1—12月时段内无旱等级出现的频次呈现先增加后减小的规律；1984—2016年间，无旱等级在1月和12月出现次数为零，而在6—9月间出现频次较高，其中7月的出现频次达到了最大值(30次)，该现象可能与阿克苏市夏季降水量集中有关。轻旱等级的频次在1—12月间呈现震荡波动变化，在4月和10月达到了波峰，出现的频次分别为18次和15次；2月和7月为轻旱等级波动变化的波谷，频次分别为6次和3次。中旱等级出现频次在全年间呈现“V”字型分布，频次在6—8月降为零，1月和12月均有最大值12次。重旱等级出现的频次在5个等级中最少，只在1月和12月分别出现了3次和1次。特旱等级出现的规律与重旱相似，特旱情况只在1月、2月和12月分别出现了9次、19次和13次。整体看来，阿克苏市近33 a来1月至12月中6—8月最湿润，1月和12月旱象出现的次数最多，为全年中最旱的时段。

2.2 阿克苏市的季节干旱特征

按照春季为3—5月、夏季为6—8月、秋季为9—11月和冬季为12—2月划分四季，对阿克苏市1984—2016年的综合气象干旱指数CI进行了统计分析，四季中各干旱等级的分布结果如图2所示。

从图2可以看出，春季中发生的干旱等级级别最多，其中特旱占66%，中旱占19%，重旱占6%，无旱占9%；从(b)、(c)和(d)图中可以看出，重旱和特旱等级只出现在了春季，表明春季为四季中旱象最严重的季节。夏季和秋季中各干旱等级发生的情况相似，即均只有无旱和轻旱等级发生，其中夏季中无旱和轻旱等级分别占58%和42%，秋季中无旱和轻旱等级分别占85%和15%。相比于夏季和秋季，冬季中出现了中旱等级，占比为6%；表明冬季比夏季和秋季旱，为四季中仅次于春季的旱季。

图2 四季各干旱等级发生频率占比示意

2.3 阿克苏市年际干旱特征

为了解各干旱等级在年际间的分布情况及发展趋势，以年/年代为时间尺度，统计了CI指数对应的各干旱等级发生频次，结果见表2所示。

表2 各干旱等级的年际发生频次分布 a

从表2中可知，1984—2016年时段内有12 a归为特旱年，4 a为重旱年，10 a为无旱年，5 a为轻旱年，仅有1 a为中旱年；特旱年和重旱年共占比50%，无旱年和轻旱年共占46.88%，表明阿克苏市近33 a来旱象等级比较突出，但湿润年份也占近一半的比例，干旱情况趋于两极化。从各干旱等级的年代分布情况可以看出，从20世纪90年代开始，特旱年的数目在逐渐增加，同时无旱年份也从1990年以后开始增多，而轻旱年重旱年的数目却在逐渐减小(中旱年仅在2001—2010年间出现1次)；这表明随着时间的发展，阿克苏市的干旱情况正在向两极化的趋势发展。