基于Z指数的吉林西部平原季节气象干旱特征分析

张 程

(盘锦市水利勘测设计有限公司，辽宁 盘锦 124000)

0 引 言

干旱灾害给我国经济社会发展带来了诸多不利影响。研究表明我国年降雨量和降雨频率虽然呈减少趋势，但是极端降雨量仍然不可忽视，闵灿等认为引起中国近40a来降雨总量增加的主要因素正是极端降雨量的增加[1-2]。干旱、洪涝的自然灾害在我国发生频率较高，尤其中国北方的旱涝变化趋势倍受各方关注,查阅资料知，以吉林省西部白城地区为例，该地区自建国以来平均每年受旱面积达16.26万hm2，占总耕地面积的20%，其中受旱最严重的年份是1972年和1989年，受灾面积严重时达48.39万hm2。旱、涝灾害不仅对人类的生存环境产生诸多不利影响，而且严重制约着我国东北商品粮基地的发展，严重旱灾对粮食安全生产造成了巨大威胁，因此对北方降雨及干旱的研究有重要的现实意义[3-4]。

吉林省位于我国东北地区中部，是国家重要的粮食主产区和商品粮基地，作为我国重要的商品粮产区，干旱将直接威胁吉林地区农业生产安全[5]。吉林省主要的农作方式是雨养农业，其境内主要种植农作物有稻、小麦、玉米、棉花、大豆等，尤以夏季生长最为迅速，根据降雨及气候特点，夏季也是吉林省旱涝灾害频发时期。近年来，吉林省频受农业自然灾害困扰。干旱、洪涝灾害等自然灾害的发生，不仅对吉林省粮食生产安全产生影响，造成大量经济损失，而且严重影响当地人民的正常生产生活。白城松原等吉林西部地区自20世纪80年代以来就为旱涝灾害的频发区域，从灾害影响区域来看，整个吉林省在进入二十一世纪后灾情日益加重。针对吉林省降水特征的研究有：韩梅等以长岭为例分析了吉林省中西部半干旱地区1953—2001年实测的降水量和空气相对湿度；廉毅等选用吉林省内有代表性的10个测站，运用功率谱的方法分析了吉林省的气温以及降水的变化趋势[6-7]。

文章基于吉林省12个测站40a的降雨数据，采用四季划分年平均降水量讨论降水的长期变化趋势，分析降水时空分布特征，运用Z旱涝指数方法研究探索吉林省近40a来降雨及干旱特征及演变规律，旨在为减轻该区域旱涝灾害损失、提高农作物产量以及合理利用水资源提供科学依据。

1 研究方法

1.1 平原区概况

吉林省西部平原区地处松嫩平原西南部，该地区内有白城、松原、长春、四平4个城市，总面积约18万km2，四市来往交通便利。气候属于温带大陆性季风气候，自东向西由半湿润地带过渡到半干旱地带。该地区蒸发>降水，是典型的农牧交错带和生态环境脆弱区。其中，降水多集中在夏季，主要分布于6—8月份，夏季降雨量占全年降水量的60%-80%。

图1 吉林西部平原地形图及降雨状况

1.2 Z指数

1990年,么枕生提出了表征干旱空间分布及程度的Z指标[8]。假设降水量服从概率密度函数Person-III分布，对降水量进行正态化处理，将降水量转化为以Z为变量的标准正态分布，通过对降水量进行频率分析，确定干旱程度。公式表达为:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Z为干旱指数；Cs为偏态系数，偏态系数越大；Z为指数分析结果越好，越能反映出旱涝程度[10]；φi为标准变量；xi为某一时间尺度的降雨量，mm；n为样本个数；x为n年的某一时间尺度的平均降雨量，mm；σ为标准差[9]。

1.3 主要内容

文章的研究内容主要包括以下几个方面：

通过吉林省西部十二个气象站的降雨量数据分析了降雨的年际和年内分布特征及利用趋势分析分析该地区降雨变化趋势。

利用Z指数对吉林西部平原区进行干旱等级划分和分析吉林西部平原区干旱规律特征，为完善灾害预测预警和防灾减灾体系建设提供重要参考和科学指导。

2 吉林省西部平原区降雨演变特征分析

2.1 降雨量年际变化特征

根据吉林省西部白城、大安、通榆等12个站点1977-2017年的观测的数据，采用算术平均法计算逐月、逐年的计算出降雨量，经过分析计算得出吉林省多年平均年降水量为480.32mm。年降水量值最大的年份是2016年，降水量为638.84mm，年降水量值最小的年份是1982年，降水量仅为296.52mm，其中极值比为2.15，最大年降水量为多年平均年降水量的1.33倍，最小年降水量为多年平均年降水量的61.7%。结果表明，40a来吉林省年降雨量变化趋势整体呈微弱下降趋势，但是整体波动也很剧烈(见图2)。

图2 吉林省西部降水量年际变化曲线

由图2可以看出，吉林地区40a来的降水变化趋势大致为：20世纪70年代降水偏多，除个别特殊年份降水量极低外，20世纪80年代降水量还比较正常，20世纪90年代降水量比照之前年份有下降趋势，而进入21世纪的17年间的年降水量起伏较大。

2.2 吉林省西部降水量年内分布特征

季节划分如下：3-5月为春季，6-8月为夏季，9-11月为秋季，头年的12月至当年2月为冬季。表1显示吉林西部平原区夏季降雨量偏多，即6月、7月和8月份降雨最多，而冬天降雨最少，表现为1月份和2月份降雨量不足全年的1%。

表1 多年平均降水量年内分配

2.3 吉林西部平原区干旱时间分布特征

如时间分析图3所示，Z值为负值的年份有22年，占总年份的55%，对应表2知偏旱年发生在1989年、1995年、1996年、1999年，2000年，2006年，2009年，2011年，占总年份的20%。大旱年发生在2001年、2004年、2007年，占总年份的7.5%。1982年为重旱年，干旱指数Z为-1.66，是所有年份中最低值，为异常少雨偏旱年，对当地的农业生产造成了极大的损失。偏涝年分别发生在1977年、1983年、1994年、2005年、2010年、2013年，占总年份的15%。大涝年发生在1985年、1990年、2012年、2016年，占总年份的10%。通过以上分析得出旱涝灾害大部分时候都是交替发生，大多发生在2000年代以后。

图3 吉林省西部40年干旱指数Z指数变化趋势

表2 修正后的Z指数旱涝等级标准

2.3.1 春季Z值演变特征分析

根据1977-2017年12个降雨测站各月的资料，可计算出多年Z值演变趋势，见图4所示。1977-2017年吉林省的春季(3-5月)Z指数变化起伏较大。2001年春季降雨量出现最低值，导致该年春季出现干旱情况，2010年出现40年春季降雨量最大值，由此Z值出现最大值。进入21世纪初期Z值<0的情况增多，出现春季连续干旱的年份。

图4 吉林省西部1977-2017春季Z指数变化趋势

2.3.2 夏季Z值演变特征分析

1977至2017年吉林省的夏季(6-8月)Z值变化趋势见图5。

图5 吉林省西部1977-2017夏季Z指数变化趋势

由图5可以看出：20世纪70年代Z指数变化幅度不大，没有发生大旱灾害；1982年出现40a间最低值；20世纪90年代降水较少，Z值<0的频率增多，出现连年夏季干旱的情况。由图表可知吉林省西部近40aZ值呈现下降趋势。2000年后夏季降雨量略有减少，导致Z值出现负值频率增加。

2.3.3 秋季Z值演变特征分析

1977年到2017年吉林省各年的秋季(9-11月)Z值变化趋势见图6。

图6 吉林省西部1977-2017秋季Z指数变化趋势

由图6可以看出：吉林省西部平原区秋季以干旱灾害为主，20世纪70年代后期降水量出现递减趋势，Z值呈下降趋势，1982年降水量明显减少，Z值出现最低值，20世纪90年代由于秋季降水量普遍较多，尤其是20世纪90年代初降水较多，Z值基本位置在正数范围内，2000年后秋季降水量减少，Z值出现负值频率增多，并出现严重的秋季干旱情况。

2.3.4 冬季Z值演变特征分析

1977-1997 年吉林省的冬季(12 月-翌年2 月)Z值变化趋势见图7。

图7 吉林省西部1977-2017冬季Z指数变化趋势

由图7可以看出：吉林省西部近40a冬季多为干旱年，20世纪80年代冬季干旱情况较严重，1994-1998年出现连续冬季干旱年。

3 结 论

为了吉林西部平原区更好地进行灌溉决策，文章以吉林西部平原区12个气象站的降水量数据作为研究对象，基于Z指数的方法，研究了吉林西部平原区的降雨特征及干旱的时空分布特征及演变规律。研究结果与结论如下：

1977年至2017年降雨量整体呈微弱下降趋势，并且整体波动很剧烈。在季度降雨量的分析中，可以看出降雨主要集中在夏季即6、7、8三个月份。

在对干旱特征的分析中，从时间上看吉林西部平原区旱涝灾害大部分时候都是交替发生，其中旱灾大多发生在2000年以后。

40a来吉林平原区降雨呈现均衡分布的趋势且均匀分配程度趋于平稳。整体上看，吉林平原区西部降雨规律性很差且降雨不稳定，这容易导致部分年份的突发性干旱。由于吉林平原区降雨分散性强，相对降雨集中期趋向于后延，因此加强该区域阶段性旱灾响应措施至关重要。