基于降水距平百分率的衡水市干旱趋势分析

吴志福，陈 晓

（河北省衡水水文勘测研究中心，河北 衡水 053000）

1 概述

衡水市坐落在河北省东南部，位于东经115°10´～116°34´、北纬37°03´～38°23´，东与沧州市、山东省德州市毗邻，西与石家庄市接壤，南与邢台市相连，北与保定市和沧州市交界，总面积8815 km2，地处河北冲积平原，境内有面积达75 km2的衡水湖。衡水市属于温暖半干旱性大陆季风气候，春夏秋冬四季分明，冷暖、干湿差异较大[1]。

降水是水文循环过程中的重要组成部分，其时程变化特性对气候的影响作用具有重要意义，因此对其变化特性、未来可能的变化趋势以及区域水资源特征与演变方向的研究分析具有很强的现实意义。由此，本文采用衡水市境内1956—2015 年降水资料，从年际降水变化、季节降水变化、汛枯降水变化等多个角度着手进行深入研究分析。

干旱现象发生在区域内的一段时期，是由于降水量明显偏小造成可用水资源短缺、无法保证植物自然生长的一种现象［2］。干旱现象是世界上大部分国家和地域经常发生的自然灾害之一，中国地区受到干旱危害现象尤为严重，特别是华北平原地区所面临的干旱情况更加严重［3］。按照成因分析，干旱可分为气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱4 类［4］。目前随着针对干旱指标的研究越来越深入，各种研究成果层出不穷，但标准化降水指数SPI干旱指标难以完全体现干旱发生及形成的时空变化特征；相对湿润度指数干旱指标所需要的参数项目较多，适用性较差；帕默尔干旱指标因地表结构复杂和数据资料同化水平的限制，也存在一定难度。当仅考虑降水因素时，降水距平百分率（Percentage of precipitation anomalies）指数所构建的评价体系，可以很清楚地体现出历年降水偏少所造成的干旱现象，因此降水距平百分率在干旱指标建立、监测、预测预警及评价中得到了广泛深入的使用。

衡水市地处华北平原地区，受季风气候影响，降水量年际差异大且时空分布不均，由此所导致的干旱情况频频发生。在此情况下，本文选择对1956—2015 年衡水市雨量站降水资料整编成果进行统计，分析了降水年际变化、季节变化等情况，利用降水距平百分率作为干旱评价的等级指标分析了不同等级干旱的历史分布特征，并通过研究2001—2020 年降水变化规律对未来干旱趋势做了预测。

2 资料选取及研究方法

2.1 资料选取

本文分析资料所采用的降水数据源于衡水市现有的11 个县（市、区）内的基本雨量站，对部分缺测数据进行插补，保证所选用的基本雨量站降水资料可靠和观测资料系列长度；同时，从行政区划分布看，选用的雨量站分布均匀、密度合理，以上条件保证了本文降水资料分析的要求。

为了提高降水量资料代表性，提高面雨量计算的可靠性，同时考虑了相邻省份及相邻区县的雨量站降水成果，基本雨量站降水量资料主要来源于历年的水文整编成果，所选用的降水量资料系列为1956—2015 年共60站年。

2.2 研究方法

（1）降水量距平百分率。降水量的多少可以直接关系到干旱现象发生的概率，降水距平百分率指数可以表现出某时段的降水量与多年同期降水量的差异情况和偏离的大小幅度。计算公式如下：

式中：Pa为降水量距平百分率（%）；P为某时段降水量（mm）；为计算时段内常年同期平均降水量（mm）。

（2）降水量距平百分率干旱等级划分。综合考虑不同地理环境、四季季节影响等因素所造成的降水时空分布特性，制定符合本文所需的降水量距平百分率干旱等级划分标准，详见表1。此等级划分标准符合半湿润半干旱、具有完备的雨量监测站网监测资料的地区使用条件［5］。

表1 降水量距平百分率干旱等级划分

3 降水特性分析

3.1 年际变化特性

通过分析1956—2015 年衡水市降水资料，可以得出本地区降水量的年际变化特征，如图1所示。

图1 衡水市降水量年际变化

由图1 可知，1964 年降水量最大为934.5 mm，1997 年降水量最小为271.2 mm；降水年际变化较大，呈现逐年减小的趋势，降水倾向率为-15.88 mm/10 a。在逐年降水量逐渐减小的趋势下，发生干旱的风险将大大增加。

3.2 季节变化特性

通过分析1956—2015 年衡水市降水资料，可以得出本地区降水量的季节变化特征，如图2所示。

图2 衡水市降水量季节变化

由图2可知，春、夏、秋、冬4个季节的降水量分别为1～91.3、39.8～271.8、129.5～616.2、4.9～167.1 mm；季节降水倾向率分别为春季-0.34 mm/10 a，夏季1.68 mm/10 a，秋季-15.95 mm/10 a，冬季-1.26 mm/10 a。除夏季呈现缓慢上涨趋势外，春季、秋季、冬季均呈现下降趋势，减小速率秋季＞冬季＞春季。

3.3 时空分布特征

对衡水市11 县（市、区）降水量资料进行统计分析，时空分布不均是造成各地的旱情严重程度出现差异的原因。

各县（市、区）的多年平均降水量情况，如图3所示。

图3 各县（市、区）多年平均降水量分布

由图3 可知，多年平均降水量最大为阜城县537.5 mm，最小为冀州470 mm，呈现东部大西部小的趋势，降水的空间分布差异直接导致干旱分布的不均匀性。

4 干旱特征分析及未来趋势分析

4.1 时间序列上的特征分析

1956—2015 年衡水市降水距平百分率变化情况，如图4所示。

图4 1956-2015年衡水市降水距平百分率变化曲线

由图4 可知，1956—1957、1964—1965、1968—1969、1972—1977、2002—2003 年发生旱涝交替的自然灾害，1965—1968、1979—1984、1997—1999、2004—2007 年出现降水连续偏少的现象，60 a 中共有17 a发生干旱，发生频率为28%，平均2～3 a发生1 次，其中9 a 发生轻度干旱、5 a 发生中度干旱、2 a发生严重干旱、1 a发生特大干旱。

干旱年份降水距平百分率值，详见表2。

表2 干旱年份降水距平百分率

由表2 可知，1957、1975、1982、1986、1989、1998、2005—2007 年发生轻度干旱，1972、1992、1999、2002、2014 年发生中度干旱，1965、1968 年发生严重干旱，1997年发生特大干旱。

4.2 未来干旱趋势分析

2001年以来，受气候变化和人类活动等因素影响，衡水市干旱呈现上升态势，因此着重分析2001—2020年的干旱特征及降水变化趋势，如图5所示，有助于预估衡水市地区的未来干旱发展前景。

图5 2001—2020年衡水市降水变化趋势

由图5 可知，2001 年以来衡水市降水呈现增长的趋势，降水倾向率为4.08 mm/10 a，表明未来发生干旱的概率将大大减小。

5 结语

基于降水距平百分率，利用1956—2015 年衡水市地区现有的11个县（市、区）内的基本雨量站降水资料，对降水与干旱的分布特征进行了系统分析。结果表明，衡水市夏季降水呈现增长趋势，降水年际及春、秋、冬季均呈现减小变化，降水年际和季节变化明显，但是2001—2020 年降水呈现增长的态势，表明未来发生干旱的可能性降低。

降水量距平百分率指标只考虑了降水量对干旱评价指标体系建立的影响，能在一定程度上体现出干旱现象发生的情况，但还不能全面表现出干旱特征发展变化影响因素的多样性、真实状态和自然规律，应综合考量温度、降水、蒸发等其他水文气象因素以及研究区域内的自然条件以及人为影响等因素，这些都有待于进一步深入研究，研究成果可以为衡水市的干旱监测、预测预警、评价和防灾减灾抗旱工作提供可靠的数据支撑服务。