張美玲

(山東省滕州市氣象局，山東 滕州 277500)

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1961-2010年棗莊地區(qū)春旱時(shí)空分異特征

張美玲

(山東省滕州市氣象局，山東 滕州 277500)

摘要：[目的]研究棗莊地區(qū)春旱降雨特征。[方法]基于相對濕潤度指數(shù)的干旱分析方法，應(yīng)用棗莊地區(qū)35°N南北2個(gè)氣象站1961-2010年逐日氣象資料分析棗莊地區(qū)近50 a春旱氣候特征。[結(jié)果]1961-2010年間棗莊地區(qū)春季相對濕潤度指數(shù)平均值在-0.64～-0.59之間，呈不顯著變濕趨勢。棗莊地區(qū)35°N以北春旱頻率高達(dá)88%，35°N以南春旱頻率為76%。20世紀(jì)60、90年代及2000年代棗莊地區(qū)北部春旱比南部嚴(yán)重，70年代南北春旱等級(jí)分布基本接近， 80年代南部地區(qū)春旱比北部嚴(yán)重。60、90年代春季中旱高發(fā)，70年代、2000年代輕旱高發(fā)，80年代重旱高發(fā)。[結(jié)論]棗莊地區(qū)南北部春季暴雨日數(shù)的顯著差異是導(dǎo)致春旱頻率明顯差異的主要原因。春季干旱最明顯的振蕩周期是6 a左右。

關(guān)鍵詞：相對濕潤度指數(shù)；春旱；頻率；周期

干旱災(zāi)害是我國最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害，損失占?xì)庀鬄?zāi)害的50%左右，其發(fā)生的頻率高，范圍廣，持續(xù)時(shí)間長，后延影響大[1]。近百年來，地球正經(jīng)歷一次以變暖為主要特征的顯著變化。氣候變暖導(dǎo)致極端氣候事件增多，半濕潤區(qū)季節(jié)性干旱發(fā)生的頻率和嚴(yán)重程度也在加劇。近年來，地表干濕狀況變化引起廣大科技工作者的關(guān)注，大家分別對我國北方[2]、西北[3]、西南[4]、秦嶺南北[5]以及不同省市范圍[6～12]和全國范圍[13～15]進(jìn)行了研究。

山東省干旱發(fā)生有季節(jié)性、地域性特征，其中春旱最為嚴(yán)重[16]。在我省廣大地區(qū)，春季日照充足，空氣干燥，溫度上升很快，而且風(fēng)多風(fēng)大，蒸發(fā)強(qiáng)烈，土壤失墑很快。春季降水少，變率大，而且由南向北迅速減小，降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于蒸散量，水分虧損嚴(yán)重，常常發(fā)生干旱，素有“十年九旱”之說。棗莊地區(qū)是山東省重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，是全省降水量最多的地方之一，但由于降水量的年際變化大，和蒸散量集中度不一致，春季普遍水分虧缺，干旱程度比其它季節(jié)最為嚴(yán)重。本文選用相對濕潤度指數(shù)來研究棗莊地區(qū)春旱的氣候變化特征，認(rèn)識(shí)其變化規(guī)律，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科學(xué)決策及防災(zāi)減災(zāi)提供參考依據(jù)。

1研究區(qū)域與研究方法

1.1研究區(qū)域概況

棗莊地區(qū)地處山東南部，屬暖溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨量集中，年降水量的70%以上集中在6-9月，春季降水量僅占年降水量的16%，導(dǎo)致春季干旱少雨。我們在35°N南北各選取一個(gè)代表站，滕州站代表北部平原，棗莊站代表南部丘陵，分析緯度不同造成的區(qū)域春旱差異。

1.2數(shù)據(jù)來源

本文使用棗莊地區(qū)滕州、棗莊2個(gè)氣象站1961-2010年春季(3-5月)逐日平均風(fēng)速、平均水汽壓、最高氣溫、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、降水量以及各月各級(jí)降水日數(shù)等氣象資料，計(jì)算出各站點(diǎn)逐日參考作物蒸散量，進(jìn)而得到春季的參考作物蒸散量、水分盈虧量、相對濕潤度指數(shù)。

1.3相對濕潤度指數(shù)M

相對濕潤度指數(shù)是指某時(shí)段降水量與參考作物蒸散量的差占參考作物蒸散量的比，是表征某時(shí)段降水量與蒸發(fā)量之間平衡的指標(biāo)之一[17]。

相對濕潤度指數(shù)的計(jì)算公式為

式中：M為相對濕潤度指數(shù)，P為某時(shí)段降水量，單位為mm，ET0為某時(shí)段的參考作物蒸散量，單位為mm。相對濕潤度指數(shù)干旱等級(jí)劃分見表1。

參考作物蒸散量ET0采用FAO推薦的Penman-Monteith公式[18,19]求得。

表1相對濕潤度指數(shù)干旱等級(jí)劃分表

Table1Droughtgradepartitiontableofrelativemoistureindex

等級(jí)Grade類型Type相對濕潤度指數(shù)Relativemoistureindex1無旱-0.40

式中：Rn為作物表面凈輻射/MJ·m-2·d-1；G為土壤熱通量/MJ·m-2·d-1；T為日平均氣溫/℃，為日最高氣溫和日最低氣溫的平均值；u2為2m高處風(fēng)速/m·s-1；es為飽和水汽壓/kPa；ea為實(shí)際水汽壓/kPa；Δ為飽和水汽壓曲線斜率/kPa·℃-1；γ為干濕表常數(shù)/kPa·℃-1。

1.4統(tǒng)計(jì)方法

本文利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[20]，采用相關(guān)分析、一元線性回歸、Kruskal-Wallis檢驗(yàn)[21]、諧波分析[22]、小波分析等方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和周期分析，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2結(jié)果分析

2.1棗莊地區(qū)春季相對濕潤度指數(shù)及相關(guān)因子基本特征

通過對棗莊地區(qū)春季相對濕潤度指數(shù)及相關(guān)因子特征值分析(表2)，我們發(fā)現(xiàn)1961-2010年棗莊地區(qū)春季降水量平均值在114.8～133.5mm之間，而春季ET0平均值在329.7～335.3mm之間，水分虧缺嚴(yán)重，平均虧缺201.9～214.9mm之間，M指數(shù)平均值在-0.64～-0.59之間。春季降水量年際變化很大，最少年僅20多毫米，最多年接近300mm。ET0相對比較穩(wěn)定，最少值150mm左右，最大時(shí)420mm左右。水分盈虧量最大時(shí)盈余20～30mm左右，最小時(shí)虧損接近380mm。水分盈虧量和M指數(shù)變化、降水量年際變化密切相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.95以上。

表2　棗莊地區(qū)春季相對濕潤度指數(shù)及相關(guān)因子特征值

圖1　棗莊春季M指數(shù)逐年變化(a)和累積距平變化(b)曲線Fig.1　Variation curves of spring M index change by years(a)and accumulative anomaly(b)in Zaozhuang

近50a來降水量呈不顯著上升趨勢，ET0呈下降趨勢，南部地區(qū)達(dá)到了0.05的顯著水平，水分盈虧量、M指數(shù)也呈不顯著上升趨勢(圖1a)。降水量極值出現(xiàn)年份與M指數(shù)完全一致。M指數(shù)大致分為偏濕-偏干-偏濕-偏干-偏濕幾個(gè)階段交替變化(圖1b)。

2.2棗莊地區(qū)春季干旱等級(jí)南北差異分析

我們對棗莊地區(qū)近50a各年代南北部春旱等級(jí)進(jìn)行對比分析(表3)，發(fā)現(xiàn)近50a來?xiàng)椙f地區(qū)北部春季無旱頻率僅為12%，比南部偏少12%，差異比較明顯。北部地區(qū)春旱頻率高達(dá)88%，接近十年九旱，而南部春旱頻率為76%。其中北部地區(qū)比南部輕旱偏多8%，中旱和重旱年分別偏多2%。棗莊地區(qū)春季均無特旱年出現(xiàn)。

逐年干旱等級(jí)對比發(fā)現(xiàn)，南北干旱等級(jí)相同年數(shù)為31a，其中無旱6a，輕旱11a，中旱6a，重旱8a，出現(xiàn)頻率為62%。從出現(xiàn)年代來看，60年代和80年代各5a，70年代9a，90年代和2000年代各6a；北部地區(qū)比南部高一個(gè)干旱等級(jí)的有14a，出現(xiàn)頻率為28%，其中70、80年代各1a，其余3個(gè)年代各4a；北部地區(qū)比南部低一個(gè)干旱等級(jí)的有5a，出現(xiàn)頻率為10%，其中60年代1a，80年代4a。

近50a來北部地區(qū)1986-1997年春季出現(xiàn)最長12a的連續(xù)春旱，南部地區(qū)1975-1984年春季出現(xiàn)最長10a的連續(xù)春旱。北部地區(qū)出現(xiàn)4次連續(xù)2a的重旱，分別出現(xiàn)在1970-1971、1981-1982、1986-1987、2000-2001年，南部地區(qū)2000-2001年出現(xiàn)1次連續(xù)2a的重旱，1981-1983年出現(xiàn)了1次連續(xù)3a的重旱。

總體來說60、90、2000年代北部地區(qū)春旱程度比南部嚴(yán)重，70年代南北春旱程度基本接近，80年代南部春旱程度比北部嚴(yán)重。棗莊地區(qū)60、90年代春季中旱高發(fā)， 70年代和2000年代輕旱高發(fā)，80年代重旱高發(fā)。

2.3棗莊地區(qū)春季暴雨與干旱

為分析棗莊地區(qū)南北干旱頻率顯著差異的原因，我們對南北部的春季M指數(shù)、降水量、ET0做K-W檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)并無顯著差異。對兩地春季各級(jí)降水日數(shù)進(jìn)行K-W檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)春季≥50mm降水日數(shù)差異顯著，進(jìn)一步檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，南北部5月≥50mm降水日數(shù)存在顯著差異(表4)。

表3　棗莊地區(qū)南北部各時(shí)段春季干旱等級(jí)對比

表4棗莊地區(qū)春季暴雨日數(shù)K-W檢驗(yàn)

Table4K-WtestfornumbersofspringheavyrainydaysinZaozhuang

項(xiàng)目Project4月April5月May春季Spring北部235南部61521K-W檢驗(yàn)值1.407.528.79顯著水平不顯著0.0060.003

近50a來?xiàng)椙f地區(qū)南部春季共出現(xiàn)21個(gè)暴雨日，北部地區(qū)僅有5個(gè)。他們均出現(xiàn)在4-5月份，南部地區(qū)最早，出現(xiàn)在4月4日。3月份無暴雨出現(xiàn)。北部地區(qū)春季80%的暴雨發(fā)生在4月下旬和5月上旬。南部地區(qū)76%的暴雨發(fā)生在4月下旬至5月中旬。棗莊地區(qū)春季一日最大降水量極值為105.7mm，出現(xiàn)在2003年5月7日。

我們將春季暴雨與干旱等級(jí)進(jìn)行對比分析(表5)，發(fā)現(xiàn)南部春季無旱年中83%的年份有暴雨出現(xiàn)，輕旱年中40%的年份有暴雨出現(xiàn)。近50a來南部地區(qū)多出的6個(gè)無旱年均有1～2個(gè)暴雨日。春季暴雨日數(shù)的顯著差異使得南部各級(jí)干旱頻率分布格局與北部有所不同，也是導(dǎo)致兩地春季干旱頻率顯著差異的主要原因。

表5棗莊地區(qū)春季暴雨與干旱等級(jí)

Table5SpringheavyrainanddroughtgradeinZaozhuang

項(xiàng)目Project無旱年Nodroughtyear輕旱年Lightdroughtyear中旱年Moderatedroughtyear北部南部有暴雨年數(shù)230總 年 數(shù)61913比 值33%16%0%有暴雨年數(shù)1061總 年 數(shù)121512比 值83%40%8%

2.4棗莊地區(qū)不同干旱等級(jí)相關(guān)因子閾值分析

表6列出了近50a各干旱等級(jí)中相關(guān)因子的數(shù)值范圍。根據(jù)表6分析，我們大致確定棗莊地區(qū)重旱年降水量25～75mm，水分虧損量260～380mm；中旱年降水量70～125mm，水分虧損量200～300mm；輕旱年降水量115～185mm，水分虧損量125～215mm；無旱年降水量180～300mm，水分虧損小于120mm。

表6　棗莊地區(qū)各干旱等級(jí)相關(guān)因子統(tǒng)計(jì)值

2.5用降水量估算水分盈虧量

在日常業(yè)務(wù)工作中，降水量預(yù)測和實(shí)測資料容易直接獲取，參考作物蒸散量所需因子較多，計(jì)算復(fù)雜，較難直接獲取，因此水分盈虧量也較難獲取。我們可以利用春季降水量和水分盈虧量極高的相關(guān)性，建立回歸方程，估算水分盈虧量。

用春季降水量 (x)和水分盈虧量(y)建立一元線性回歸方程(表7)，回歸方程均通過顯著性檢驗(yàn)。棗莊地區(qū)南北部春季降水量和水分盈虧量相關(guān)系數(shù)均達(dá)0.95以上，回歸方程決定系數(shù)均達(dá)0.90以上，剩余標(biāo)準(zhǔn)差在24mm左右。估算的水分盈虧量可以為農(nóng)田灌溉提供科學(xué)指導(dǎo)，在實(shí)際工作中有較高的應(yīng)用價(jià)值。

2.6棗莊地區(qū)相對濕潤度指數(shù)周期分析

為探討棗莊地區(qū)近50a春季干旱的周期變化，對春季M指數(shù)進(jìn)行周期分析。周期分析主要采用Morlet小波變換和諧波分析。Morlet小波系數(shù)方差反映了波動(dòng)的能量尺度的分布，可以用來定量地分析時(shí)間序列的主要周期。圖2為棗莊地區(qū)M指數(shù)小波方差圖，可以看出，棗莊地區(qū)春季干旱最明顯的振蕩周期是6a左右。用諧波分析發(fā)現(xiàn)，北部地區(qū)有6.3a(α=0.04)和5.0a(α=0.02)的周期，南部地區(qū)有5.6a(α=0.008)的周期。這與小波分析的結(jié)論是吻合的。

表7棗莊地區(qū)春季水分盈虧量一元線性回歸方程

Table7One-knoblinearregressionequationofspringwatersurplusandshortage

項(xiàng)目Project北部Northernpart南部Southernpart相關(guān)系數(shù)0.95060.9661顯著水平0.00000.0000決定系數(shù)0.90370.9333剩余標(biāo)準(zhǔn)差24.131023.7245回歸方程y=-370.3066+1.3532xy=-377.7892+1.3181x

圖2　棗莊地區(qū)M指數(shù)小波方差圖Fig.2　Wavelet variogram of M index in Zaozhuang

3結(jié)論

(1)1961-2010年間棗莊地區(qū)春季M指數(shù)平均值在-0.64～-0.59之間，呈不顯著變濕趨勢。春季M指數(shù)最明顯的振蕩周期是6a左右。

(2)近50a來?xiàng)椙f地區(qū)北部春旱頻率高達(dá)88%，而南部春旱頻率為76%。南北干旱等級(jí)相同頻率為62%，北部比南部高一個(gè)干旱等級(jí)的頻率為28%，低一個(gè)干旱等級(jí)的頻率為10%。南北部春季暴雨日數(shù)的顯著差異是導(dǎo)致春旱頻率明顯差異的主要原因。

(3)從年代際變化來看，棗莊地區(qū)60、90年代及2000年代北部春旱比南部嚴(yán)重，80年代南部地區(qū)春旱比北部嚴(yán)重，70年代南北春旱程度相近。60、90年代春季中旱高發(fā)，70年代及2000年代輕旱高發(fā)，80年代重旱高發(fā)。

(4)棗莊地區(qū)春季降水量和水分盈虧量相關(guān)系數(shù)極高，可根據(jù)春季降水量預(yù)測值或?qū)崪y值估算水分盈虧量，估算方法可供業(yè)務(wù)使用，為農(nóng)業(yè)灌溉提供科學(xué)指導(dǎo)。

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(編輯：梁文俊)

收稿日期：2016-03-29 修回日期：2016-05-10

作者簡介：張美玲(1968-)，女(漢)，山東滕州人，高級(jí)工程師，研究方向：氣候變化

中圖分類號(hào)：P467

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-8151(2016)08-0580-04

VariationcharacteristicsofspatialdistributionandtemporalvariationofspringdroughtinZaozhuangfrom1961to2010

ZhangMeiling

(Tengzhou meteorological bureau,Shandong Province,Tengzhou 277500)

Abstract:[Objective]In order to study the characteristics of sprirg drought. [Methods]Drought analysis method which was based on relative moisture index,used daily meteorological data from 1961 to 2010 of the two stations on both sides of 35 ° N in Zaozhuang,climate characteristics of spring drought was analysis for recent 50 years in Zaozhuang. [Results]The results showed that average of spring relative moisture index in Zaozhuang was between 0.64～0.59 from 1961 to 2010, present not significant wet trends. Spring drought frequency as high as 88% in northern of 35° N in Zaozhuang, spring drought frequency was 76% in southern of 35° N. Northern spring drought degree was more serious than southern for 60 s, 90 s, 2000 s in Zaozhuang. Drought degree was closed of northern and southern for 70 s, southern drought degree was more serious than northern for 80 s. Moderate drought occurred frequently in 60 s and 90 s, light drought occurred frequently in 70 s and 2000 s,heavy drought occurred frequently in 80 s.[Conclusion]Significant differences of Spring heavy rainy days was the main reason of obvious differences of spring drought frequency in northern and southern of Zaozhuang. The main oscillation period of spring drought was around 6 a.

Key words:Relative moisture index; Spring drought; Frequency; Period