基于三种干旱指标的朝阳市干旱特征分析

于 洋

（辽阳市水利事务服务中心，辽宁 辽阳，111000）

0 引言

旱灾持续发生，给农业生产和农民的生活带来了极大破坏，随着近代科学技术和经济的发展，世界各国防灾减灾工作逐步深入，国家高度重视对旱灾的治理。旱灾对社会经济发展负面影响巨大，存在着极大的潜在威胁。近年来，严重干旱事件的频繁发生及其导致的不利影响已逐步引起人们的广泛关注。因此，迫切需要开展干旱特征分析，全面提高抗灾减灾能力。

目前，干旱指标的计算方法主要有：降水距平百分率法、Z指数法、K指标法、Palmer指标、湿度指标法、标准化降水指数（SPI）等。我国诸多学者利用干旱指标进行干旱特征分析并取得了一定的成绩。崔磊等[1]运用Z指标、降水温度均一化指标、降水距平百分率对辽宁省丹东地区的干旱特征进行初步分析。结果表明：三种指标均能反映出丹东地区干旱等级的变化趋势，但Z指数计算的结果更接近于实际情况；赵琳琳[2]基于SPI的辽阳春夏干旱特征及周期研究，得到了一组服从标准正态分布的降水序列，进而对辽阳地区春旱、夏旱年际间干旱状态进行评估。刘启和[3]通过降水距平百分率、标准化降水指数（SPI）、降水Z指数评价了辽河流域干旱情况，结果表明SPI指数能较客观地反映辽河流域干旱程度，为辽河流域定量研究干旱事件提供合理的指标依据。由于造成干旱的因素繁多且复杂，可以用于不同时间、不同地域的指标并不明确，但应用广泛且能够准确的反应干旱特征情况的指标主要有降水距平百分率、Z指数、标准化降水指数。因此，本研究尝试将朝阳市50a降水资料作为研究对象，运用降水距平百分率、Z指数、标准化降水指数3种干旱指标对比分析朝阳市干旱特征情况，选出适用于朝阳地区干旱特征分析的指标，为该地区旱灾综合防治提供技术参考。

1 三种干旱指标简介

1.1 降水距平百分率

降水距平百分率反映了某时段内降水量相对于同期平均水平的偏离程度，国家气象中心以降水距平百分率作为衡量旱灾的主要指标[4]。降水距平百分率具有适用性强，计算简便灵活等特点，该指标计算公式如下：

式中：R为降水距平百分率的值；r为某时段降水量；r为该时段多年平均降水量。其干旱等级划分由国家气象中心发布见表1。

表1 降水距平百分率干旱等级标准

1.2 Z指数

Z指数被广泛用于国家和省级旱涝监测中心，以Z值为变量的标准正态分布[5]，公式为：

式中：Zi为 Z指数的值；Cs为偏态系数；φi为标准变量；xi为降水序列；为降水序列的平均值；n为降水时间序列；σ为降水标准差；以上均可由降水量资料序列计算求得。经计算，Z指数等级标准见表2所示[6]。

表2 Z指数干旱等级标准

1.3 SPI标准化降水指数

标准化降水指数SPI是由Mckee等在评估美国科罗拉多干旱时首次提出，该指数替代了计算较复杂的PDSI，能够较好地反映出旱灾强度以及持续时间，具有多时间尺度应用的特性。标准化降水指数不仅能够反映出不同时间尺度的干旱情况还能反映出不同方面的水资源状况[7]，因而得到了广泛的应用。其原理如下：

假设某一时间序列的降水量为X，则Γ（α）是Gamma函数分布的概率密度函数为：

式中：f（x）为降水序列符合Gamma函数分布的概率密度；α为形状参数；β为尺度参数；x为降水量的值；Γ（α）是 Gamma函数。

式（7）中最佳的α、β估计值采用极大似然估计方法算如下可得：

利用上式可求得SPI指标的值，GB/T20481-2006 SPI干旱等级标准如表3所示。

表3 标准化降水指数（SPI）干旱等级标准

2 朝阳市干旱特征分析

朝阳市位于辽宁省西部，地理坐标为东经118°55′～121°16′，北纬 40°3′～42°28′。朝阳地区因其地形相对复杂，受温带亚干旱气候影响，导致朝阳地区降水时空分布不均匀，常年干旱少雨，素有“十年九旱”之称，降水量少而集中对该地区的农业影响较为严重。因此，本研究利用朝阳地区1969～2018年共50年的降水资料作为研究对象，利用降水距平百分率、Z指数、SPI标准化降水指数分析朝阳地区干旱特征情况。

2.1 降水距平百分率分析朝阳干旱特征

依据1969～2018年共50年的降水数据，利用降水距平百分率指标分析朝阳干旱特征情况，运用MATLAB对数据进行处理，结果如图1所示，并对照表2降水距平百分率干旱等级标准，评价朝阳干旱特征。

图1 1969～2018年朝阳降水距平百分率

如图1结果所示，朝阳1969～2018年共50年降水距平百分率结果，发现朝阳降水距平百分率反映出的正常年份（-25%＜R＜25%）共有31年，占总年份的62%；朝阳年降水距平百分率反映出的偏旱年份（-50%＜R≤-25%）共有9年，占总年份的18%，偏旱年份发生在1980年、1981年、1982年、1992年、1999年、2009年、2013年、2015年、2018年；其中1982年降水距平百分率为-44.2%，是所有年份中降水负距平百分率最低值，为严重干旱年份。朝阳降水距平百分率波动较大，灾害发生年份较多，给当地农业生产带来了一定的影响。

2.2 Z指数分析朝阳干旱特征

运用朝阳地区1969～2018年共50年来的年均降水资料，计算出各年对应的Zi值，计算结果如图2，并对比表2 Z指数干旱等级标准，分析统计朝阳干旱特征，结果如表4所示。

图2 1969～2018年朝阳地区Z指数

表4 应用Z指数统计干旱年份

从表4可以看出，1969～2018年朝阳年降水正常年份共有30年，占总数的60%；发生旱灾的年份共有9年，其中，偏旱年份共有2年，大旱年份共有5年，重旱年份共有2年，主要集中在1981、1982年。总的来看，朝阳地区自然灾害频繁发生，旱灾的发生频率较高，不利于当地农作物的生长、发育。

2.3 SPI标准化降水指数分析朝阳干旱特征

朝阳地区1969～2018年SPI标准化降水指数变化如图3所示，SPI指数干旱年份统计结果如表5所示。

图3 1969～2018年朝阳SPI指标

表5 应用SPI指数统计1969～2018年朝阳干旱年份

由表5可知，SPI标准化降水指数统计朝阳近50年来年降水正常年份共有16年，占总数的32%；发生旱灾的年份共有15年，轻微干旱有5年，中等干旱有7年，严重干旱共有3年分别是1980、1982、1981年。总的来看，虽然SPI标准化降水指标与Z指数划分等级标准不同，SPI标准化降水指数划分干旱等级情况更为细致，SPI标准化降水指标将旱灾划分为四个等级，Z指数将旱灾划分为三个等级，朝阳地区发生严重干旱的年份主要集中在1980、1982、1981年与实际情况相符。

3 结 论

本文运用降水距平百分率、Z指数、标准化降水指数分析朝阳地区1969～2018年干旱特征，对以上3种指标进行对比发现3种指标均能较好的反映出朝阳地区的旱灾情况，有优点的同时也存在一定的弊端。主要结论如下：

（1）降水距平百分率指标计算简便，结果直观，能够准确反映出降水量相对于同期平均值的偏离程度。但该指标反映干旱的程度较弱，对降水量的平均值有较大的依赖性，且没有考虑到降水的空间分布特征，不能运用该指标进行干旱空间分析。

（2）Z指数消除了对降水量平均值的依赖，具有较快的响应速度，能够客观的反映出干旱等级。该指标不仅考虑旱灾与降水量间的关系，还考虑了降水的空间分布情况，对于干旱事件具有相对较强的敏感性，可用于反映旱灾的空间分布特征。

（3）SPI标准化降水指标与Z指数得到的朝阳地区干旱特征情况基本一致，能较好地反映出旱灾的强度。SPI指标可以适用于不同时间尺度的旱灾评价，能进行多时间尺度干旱等级对比分析，是一种较好的气候干旱指标。该指标既考虑了降水服从偏态分布，又将降水数据进行正态标准化处理，消除了降水的时空分布差异，具有较好的稳定性。其不足是没有考虑影响干旱发生的其他因子。

（4）朝阳地区1969～2018年旱灾频繁发生，各干旱指标的评价结果表现出一致性。朝阳市发生严重干旱的年份主要集中在1980、1981、1982年，与实际年鉴记载相符合，连续三年发生严重干旱导致朝阳地区近百万亩农作物受灾，对人民群众的生产生活和经济收入等造成严重影响。