松花江流域干旱规律研究

(辽宁省鞍山水文局，辽宁 鞍山 114000)

干旱指因水分的收支或供求不平衡所造成的水分不足现象，包括气象干旱、农业干旱、水文干旱、社会经济干旱。干旱是一种不可抗拒的气候灾害，它影响着社会经济发展、居民生活、工农业发展和社会公共安全。

目前，国内外水文工作者使用降水距平百分率 (Pa)、降水Z指数、标准化降水指数SPI[1]、帕默尔干旱指标PDSI、综合气象干旱指数CI、综合气象干旱指数DI等指标来衡量不同类型的干旱程度。袁文平等[2]基于我国不同气候区的7个气象站1951—1995 年的月降水资料，将SPI 指数和降水Z指数进行对比研究，得出在我国的气象干旱研究中，SPI指数较优于Z指数，前者能够较好地反映各个区域和各个时段的旱涝状况；安顺清等[3]利用济南(1919—1980年)、郑州(1951—1980年)两个气象站的逐年逐月气温和降水等基本资料，在修正权重因子时选用北京、青岛等12个气象站的有关资料，对帕默尔旱度模式进行了修正，建立了我国的帕默尔气象旱度模式；邹旭凯等[4]利用综合气象干旱指数CI统计分析了全国大江河流域近60年的干旱变化情况，从整体来看，近60年来中国干旱面积表现出较弱的增加趋势；赵海燕等[5]通过研究我国西南地区的干旱情况，在用加权降水量改进标准化降水指数的基础上，对综合气象干旱指数进行了修正，建立了新的综合气象干旱指数；闫桂霞等[6]通过总结对比已有气象干旱指数，结合PDSI和SPI的优点，提出了综合气象干旱指数DI；Ohlsson[7]提出用SWSI(Social Water Scarcity Inde x)反映社会经济干旱程度。但松花江流域并未作过基于MATLAB编程的干旱研究，因此本文利用松花江流域38个气象站在1961—2013年的气象资料，基于MATLAB编程计算各站点在各月的降水距平百分率Pa、标准化降水指数SPI、综合气象干旱指数CI，并与实际干旱情况相比较，最终选取适合松花江流域的最优干旱指数，在此基础上，分析松花江流域干旱的时空分布规律。

1 干旱指标计算分析

1.1 资料的可靠性分析

本文采用的资料是由中国气象数据共享网提供的松花江流域有代表性的38个气象站在1961—2013年逐月降水量、月最高气温、月最低气温、月平均气温、月平均相对湿度、月日照时数、10m处月平均风速，各气象站的纬度、经度及海拔高度，及1991—2011年间各气象站的灾害情况，数据具有可靠性、一致性和代表性。

1.2 干旱指标

1.2.1 降水距平百分率Pa

降水距平百分率 Pa 是指某时段的降水量与常年同期降水量相比的百分率：

(1)

1.2.2 标准化降水指数SPI

假设某一时段的降水量为x，则其累积概率可表示为

H(x)=q+(1+q)G(x)

(2)

式中：q为降水量为0的概率。

(3)

1.2.3 综合气象指数CI

综合气象干旱指数CI的计算式为

CI=aZ30+bZ90+cM30

(4)

式中：Z30、Z90分别为近30天、90天的标准化降水指数SPI；M30为近30天相对湿润度指数；a、b、c平均取值分别为0.4、0.4、0.8。基于MATLAB编程可计算出数列的CI值。

1.3 最优指数选取

按照《气象干旱等级》(GB/T 20481—2017)规定的降水距平百分率Pa、标准化降水指数SPI及综合气象干旱指数CI的干旱等级划分标准，基于MATLAB编程计算SPI以及CI值，结果见表1。由表1可以看出，Pa划分等级和实际干旱等级一致的有3次，SPI一致的有4次，CI一致的有7次，说明综合气象干旱指数CI对于实际干旱情况的描述与其他两种干旱指数相比更贴切一些。

在冬季，松花江流域无农作物生长，干旱对其无影响，实际旱灾中没有冬旱的记录。为统一计算，冬季也选取综合气象干旱指数CI作为其干旱指标。综上所述，最终选取综合气象指数CI作为评价松花江流域旱情的干旱指标。

表1 各干旱等级对照情况

2 干旱规律分析

2.1 干旱时间分布规律分析

2.1.1 年内分布规律

按干旱发生的月份将干旱分为4类：春旱(3—5月)、夏旱(6—8月)、秋旱(9—11月)、冬旱(12至次年2月)，每个季节若有1个月份发生干旱(CI等级值>1)，则认为此季节出现干旱。统计各站点在1961—2013年间干旱发生的次数及概率，结果见表2。

表2 各站点的春旱、夏旱、秋旱、冬旱的发生次数及频率

由表2可知，松花江流域各站点春旱和冬旱发生次数最多，多为80%～90%；秋旱次之，一般为70%～80%；夏旱发生次数最少，一般为60%～70%。

2.1.2 年际变化规律

本文采用Mann-kendall趋势检验法分析松花江流域干旱随年份的变化规律，当k>0时，CI值呈上升趋势，即干旱随年份有加重的趋势；当k<0时，CI值呈下降趋势，即干旱随年份有减弱的趋势。本文选取显著性水平α=0.05对其进行显著性检验，当结果Z的绝对值大于1.96时，表示此回归方程是显著的，否则为不显著。

表3 各月份k>0和|Z|>1.96的站点个数

各月份k>0和|Z|>1.96的站点个数见表3，由表3可知，在1月、2月、3月、4月、5月、6月、12月大部分站点为k>0，说明在这几个月份松花江流域的干旱有加重的趋势，但只有3月通过显著性检验的站点较多，因此认为松花江流域的干旱情况在3月呈现显著加重趋势，在1月、2月、4月、5月、6月、12月为不显著加重趋势。

7月没有站点通过显著性检验，共有17个站点的k>0，这些站点多集中在松花江流域的北部和东南部，可认为这些地区的干旱情况在7月呈现不显著加重趋势，其他地区则呈现不显著减弱趋势；8月仅有3个站点通过显著性检验，共有13个站点的k>0，这些站点集中于流域东南部的一小部分，则这些地区的干旱情况在8月呈现不显著加重趋势，其他地区呈现不显著减弱趋势；9月只有4个站点通过显著性检验，两个站点的k>0，可认为该流域的干旱情况在9月呈现不显著减弱趋势；10月、11月各有1个站点通过显著性检验，k>0的站点集中在流域的东部，则该区域的干旱情况在10月、11月呈现不显著加重趋势，其他区域为不显著性减弱趋势。

2.2 干旱空间分布规律分析

在流域站点图的基础上点绘各站点在1961—2013年间发生春旱、夏旱、秋旱和冬旱的次数，见图1。

图1 各站点发生干旱的次数

由图1(a)可知，在整个流域，各站点在1961—2013年间发生春旱的次数差别不大，说明春旱在整个流域上分布较均匀，没有明显的空间差异。由图1(b)可知，流域夏旱次数由西部向东部递减，其中，流域东南部发生干旱次数最少，说明松花江流域内夏旱由西部向东部减弱，流域东南部夏旱程度最轻。由图1(c)可知，流域西南部发生秋旱次数最多，其他区域发生干旱次数相对偏少，说明松花江流域西南部秋旱最严重，其他区域稍轻。由图1(d)可知，整个流域各站点在1961—2013年间发生冬旱的次数差别不大，说明冬旱在整个流域上分布较均匀，没有明显的空间差异。

3 结 语

本文采用松花江流域38个气象站在1961—2013年间的气象资料，计算各站点在各月份的降水距平百分率Pa、标准化降水指数SPI、综合气象干旱指数CI值，并由此划分干旱等级。综合3个指标划分的干旱等级与流域实际干旱情况进行对比，选取CI作为松花江流域的最优干旱指标。但在最优干旱指标的选取过程中，只考虑了降水距平百分率Pa、标准化降水指数SPI、综合气象干旱指数CI 3个气象干旱指标，没有考虑其他气象干旱指标，且在干旱规律分析时，选用的方法简单，对流域干旱规律分析不够详尽，因此后续有待进行进一步深入的研究。