李 研

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

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基于多標(biāo)量干旱指數(shù)的錦州市干旱時(shí)空特性分析

李 研

(遼寧省葫蘆島水文局，遼寧 葫蘆島 125000)

基于錦州市8個(gè)氣象站的觀測(cè)數(shù)據(jù)、結(jié)合時(shí)間及空間插值法得到錦州市各行政區(qū)劃近59a的水文氣象數(shù)據(jù)，并采用多標(biāo)量干旱指數(shù)法對(duì)錦州市的干旱時(shí)空特性進(jìn)行了分析，得到錦州市干旱程度時(shí)空特性和各地區(qū)的干旱事件頻率分布情況，從而總結(jié)出錦州市各地區(qū)的干旱嚴(yán)重程度、變化情況與趨勢(shì)、以及各干旱事件的重現(xiàn)期，從而為該地區(qū)旱災(zāi)防治方案的確定提供科學(xué)指導(dǎo)。

多標(biāo)量；干旱指數(shù)；錦州市；時(shí)空特性

1 概 述

干旱是人類(lèi)面對(duì)的最常見(jiàn)的長(zhǎng)期自然災(zāi)害之一，其發(fā)生主要是因?yàn)樾杷看笥诳晒┧?，從而使得水量平衡為?fù)值，對(duì)農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、和環(huán)境具有非常大的破壞作用。干旱的防治主要有工程措施和非工程措施兩種，其中工程措施主要是指修建灌溉水工建筑物、修建水庫(kù)等蓄水設(shè)施、以及修建地下水開(kāi)發(fā)利用工程等；而非工程措施主要包括水資源調(diào)度，干旱預(yù)測(cè)，節(jié)約用水等。以上措施的制定都需要以干旱的時(shí)間與空間特性分析為基礎(chǔ)，因此干旱的時(shí)空特性分析在旱災(zāi)防治方面具有重要的應(yīng)用意義。干旱時(shí)空特性分析的前提是干旱程度的量化指標(biāo)，在過(guò)去幾十年中應(yīng)用最廣泛的為PDSI法[1]，該方法主要是基于月均水量平衡方程，主要考慮因素包括降雨、徑流、蒸發(fā)騰發(fā)量和土壤水分，但該方法受參數(shù)率定方面的影響較大，因此不適宜分析干旱的空間分布情況。 目前應(yīng)用較為廣泛的為標(biāo)準(zhǔn)降水系數(shù)(SPI)法[2]，它主要是基于長(zhǎng)期的降水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合降水?dāng)?shù)據(jù)以及概率密度函數(shù)來(lái)得到一個(gè)單一的量化的指數(shù)來(lái)表征干旱情況。該方法可采用不同的時(shí)間尺度且受參數(shù)率定的影響較小，因此可廣泛使用于干旱時(shí)空特性分析中[3]。但它的主要缺點(diǎn)是只考慮了降水對(duì)干旱的影響，而沒(méi)有考慮其它因素的影響。為進(jìn)一步解決以上問(wèn)題，Vincente-Serrano等人提出了多標(biāo)量干旱指數(shù)法，該方法在SPI方法的基礎(chǔ)之上加入了氣溫，風(fēng)速，光照以及濕度等的影響，從而使所得結(jié)果更為準(zhǔn)確。因此，文章基于多標(biāo)量干旱指數(shù)法對(duì)錦州地區(qū)的干旱時(shí)空特性進(jìn)行分析，從而對(duì)該地區(qū)旱災(zāi)防治的措施制定提供參考。

2 研究區(qū)域與分析方法

2.1 研究區(qū)域與基礎(chǔ)資料

研究區(qū)域?yàn)檫|寧省錦州市，該市位于遼寧省西南部，是連接?xùn)|北和華北地區(qū)的交通要沖，為遼寧第2大沿海城市。土地總面積10301km2，轄古塔區(qū)、凌河區(qū)、太和區(qū)、松山新區(qū)、龍棲灣新區(qū)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)(下文簡(jiǎn)稱(chēng)“經(jīng)發(fā)區(qū)”)、黑山縣、義縣、凌海市、和北鎮(zhèn)市。處歐亞大陸東部暖溫帶半濕潤(rùn)氣候區(qū)和大陸性季風(fēng)區(qū)，四季分明，風(fēng)力較大。該地區(qū)境內(nèi)有大凌河、小凌河、和繞陽(yáng)河三大水系，并有百股河、二郎洞水、觀音洞水、女兒河、小壩溝等河流。

目前，該地區(qū)沒(méi)有較為詳盡的干旱指數(shù)資料，因此可基于多標(biāo)量干旱指數(shù)法通過(guò)降水量、氣溫、風(fēng)速、光照、濕度等氣象資料對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。錦州市共有胡家、司屯、趙家屯、凌海、錦州、復(fù)興堡、義縣、和缸窯口8個(gè)氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)站，但其分布并不嚴(yán)格按行政區(qū)劃布置，因此不利于錦州市各地區(qū)旱災(zāi)防治措施的制定。因此，采用非線(xiàn)性時(shí)間插值和克里金空間插值法對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到古塔區(qū)、凌河區(qū)、太和區(qū)等各地區(qū)1957—2015年共59a的氣象數(shù)據(jù)基礎(chǔ)資料。

2.2 多標(biāo)量干旱指數(shù)

多標(biāo)量干旱指數(shù)法是在SPI方法的基礎(chǔ)之上加入了氣溫，風(fēng)速，光照以及濕度等因素的影響，其中后幾項(xiàng)氣象因子的影響可用潛在蒸散發(fā)量來(lái)表示。各影響因子與潛在蒸發(fā)量的關(guān)系主要通過(guò)P-M公式來(lái)表達(dá)：

(1)

式中：WT為飽和水汽壓-溫度關(guān)系曲線(xiàn)斜；Fb為冠層表面凈輻射量；RT為土壤熱通量；S為濕度計(jì)常數(shù)(干濕球常數(shù))；T為2m高度處日平均氣溫；V在地面以上2m高處的風(fēng)速；qb為空氣飽和水汽壓；qk為空氣實(shí)際水汽壓。

多標(biāo)量干旱指數(shù)法主要采用Gamma概率分布來(lái)計(jì)算錦州市各地區(qū)的干旱指數(shù)，首先計(jì)算降水量與潛在蒸散發(fā)量之間的差值，在將該差值映射到Gamma概率分布方程中，該方程的表達(dá)式為：

(2)

式中：ω為降雨量與潛在蒸散發(fā)量的差值；T為時(shí)間尺度參數(shù)，l為形狀參量。其中：

(3)

假設(shè)監(jiān)測(cè)資料的共有N組，則

(4)

根據(jù)以上方程，當(dāng)ω值不為0時(shí)，可得到干旱數(shù)值的累計(jì)概率方程，可表達(dá)為：

(5)

假設(shè)監(jiān)測(cè)資料的共有N組，則

(6)

根據(jù)以上方程，當(dāng)ω值不為0時(shí)，可得到干旱數(shù)值的累計(jì)概率方程，可表達(dá)為：

(7)

當(dāng)ω值為0時(shí)，可得到干旱數(shù)值的累計(jì)概率方程為：

F0(ω)=f0+(1-f0)F(ω)

(8)

式中：f0表示降水量與潛在蒸散發(fā)量值相等的概率。

基于FORTRAN語(yǔ)言、采用處理所得的錦州市各地區(qū)近59a的氣象數(shù)據(jù)資料計(jì)算以上累計(jì)概率方程，并采用模糊邏輯法轉(zhuǎn)化為干旱指數(shù)值R，該指數(shù)的大小與干旱程度的關(guān)系為：

(9)

3 干旱時(shí)空特性分析

3.1 降雨與氣溫統(tǒng)計(jì)特性

采用非線(xiàn)性時(shí)間插值和克里金空間插值法對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到錦州市各地區(qū)1957—2015年共59a的氣象數(shù)據(jù)基礎(chǔ)資料，對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析，可得到各參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差Sd與變異系數(shù)Cv，它們的方程分別為：

(10)

(11)

式中：N為觀測(cè)數(shù)據(jù)組數(shù)；x為觀測(cè)值；u為所有觀測(cè)值的平均值。

錦州市干旱時(shí)空特性分析主要基于多標(biāo)量干旱指數(shù)法，其中的直接參數(shù)為降水量和潛在蒸發(fā)量。降水量可直接采用觀測(cè)值；而潛在蒸發(fā)量可通過(guò)氣溫、風(fēng)速、光照和濕度數(shù)據(jù)和PM公式進(jìn)行計(jì)算，其中氣溫為潛在蒸散發(fā)量的最主要影響因子。因此，錦州市的干旱情況可通過(guò)降水量和氣溫的統(tǒng)計(jì)特征值進(jìn)行初步的判斷。其中錦州市各地區(qū)年降水量的統(tǒng)計(jì)特征值如表1所示。

表1 錦州市各地區(qū)年降水量統(tǒng)計(jì)特征值

由表1可知，義縣的平均年降水量最小，為563.98mm，而凌海市的最大，為577.78mm，兩者相差13.8mm。各地區(qū)按降水量由小到大排列分別為義縣、龍棲灣、黑山縣、北鎮(zhèn)市、太和區(qū)、凌河區(qū)、古塔區(qū)、松山區(qū)、經(jīng)發(fā)區(qū)、和凌海市。但各地區(qū)降水量的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的平均值均較大，分別為144.16mm和25.24%，說(shuō)明錦州市各地區(qū)的降水時(shí)間分布十分不均，這也是該地區(qū)旱澇災(zāi)頻繁交替發(fā)生的主要原因之一。錦州市各地年氣溫統(tǒng)計(jì)特征值見(jiàn)表2。

表2 錦州市各地年氣溫統(tǒng)計(jì)特征值

錦州市各地年氣溫的統(tǒng)計(jì)特征值如表2所示。由其可知，錦州市義縣地區(qū)的平均氣溫較小，為9.34 °C，而北鎮(zhèn)市的平均氣溫相對(duì)較高，為9.53 °C。各地區(qū)氣溫由小到大排列分別為義縣、黑山縣、經(jīng)發(fā)區(qū)、古塔區(qū)、龍棲灣、松山區(qū)、凌河區(qū)、太和區(qū)、凌海市、和北鎮(zhèn)市。各地區(qū)氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)的平均值分別為0.95 °C和10.01%；其中變異系數(shù)明顯小于降水量的變異系數(shù)，說(shuō)明錦州市各年份干旱情況不同主要是因?yàn)榻邓康淖兓?/p>

3.2 干旱程度時(shí)空特性

基于多標(biāo)量干旱指數(shù)法結(jié)合錦州市的水文氣象資料得到各地區(qū)干旱指數(shù)的時(shí)間序列，結(jié)果如圖1所示。觀測(cè)圖1可知，古塔區(qū)、凌河區(qū)、和松山區(qū)的大多數(shù)干旱指數(shù)值>0，因此總體而言，這些地區(qū)屬于無(wú)干旱地區(qū)，而其它地區(qū)均以負(fù)值為主，因此都存在不同程度的干旱。各地區(qū)的干旱指數(shù)不相同，因此錦州市的干旱情況具有較明顯的空間分布特性。錦州市各年份的干旱指數(shù)呈下降趨勢(shì)，因此，錦州市旱災(zāi)壓力呈逐漸增大趨勢(shì)；各年份干旱指數(shù)差別較大，因此錦州市的干旱情況存在明顯的時(shí)間特性。

圖1 錦州市各地干旱指數(shù)時(shí)間序列

為進(jìn)一步量化地分析錦州市的干旱時(shí)空特性，對(duì)圖1所示數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到錦州市各地干旱指數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征值，如表3所示。由表中數(shù)據(jù)可知，各地區(qū)按干旱指數(shù)由小到大(即干旱嚴(yán)重程度由大到小)排序分別為：義縣、黑山縣、龍棲灣、凌海市、北鎮(zhèn)市、經(jīng)發(fā)區(qū)、太和區(qū)、古塔區(qū)、松山區(qū)、和凌河區(qū)。各地區(qū)的干旱指數(shù)變化傾向率皆為負(fù)值，這說(shuō)明干旱程度均呈加重趨勢(shì)，其中經(jīng)發(fā)區(qū)的加重速度較小，為-0.018，而凌海市的加重速度最大，達(dá)-0.031?？傮w而言，錦州市的平均干旱指數(shù)為-0.071，屬輕度干旱；平均最小值為-2.517，即最嚴(yán)重情況可達(dá)極度干旱；平均最大值為2.743，即理想情況下無(wú)干旱事件發(fā)生；平均傾向率為-0.024，即干旱程度呈加重趨勢(shì)。

表3 錦州市各地干旱指數(shù)統(tǒng)計(jì)特征值

3.3 干旱事件頻率分析

干旱時(shí)空特性也可用各地區(qū)的干旱事件頻率來(lái)表征。根據(jù)干旱嚴(yán)重程度，共可分為無(wú)干旱、輕度干旱、中等干旱、嚴(yán)重干旱、和極嚴(yán)重干旱5類(lèi)事件。各干旱事件的頻率Pi主要可采用圖1所示數(shù)據(jù)并通過(guò)下式確定：

(12)

式中：Ni為某干旱事件發(fā)生的年份數(shù)，而N是所有的研究年份數(shù)。

錦州市各地干旱頻率分布情況的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由圖2所示數(shù)據(jù)可知，錦州市無(wú)干旱、輕度干旱、中等干旱、嚴(yán)重干旱、和極嚴(yán)重干旱5類(lèi)事件發(fā)生的頻率依次降低，分別為45.93%、28.98%、10.51%、8.47%、和6.10%，與實(shí)際情況基本相符。各地區(qū)中，經(jīng)發(fā)區(qū)無(wú)干旱事件的頻率最高，約為25.54%，因此其抗旱壓力較??；而龍棲灣區(qū)干旱事件的頻率最低，約為35.59%，因此其抗旱壓力較大。義縣極嚴(yán)重干旱事件發(fā)生的頻率最高，可達(dá)10.17%，因此該地區(qū)因旱災(zāi)所受的破壞較大；而凌河區(qū)極嚴(yán)重干旱事件發(fā)生的頻率最低，約為1.69%，因此該地區(qū)因旱災(zāi)所受的破壞較小。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，可確定錦州各地區(qū)不同嚴(yán)重等級(jí)旱災(zāi)的重現(xiàn)年情況，從而為確定防治措施標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

圖2 錦州市各地干旱頻率分布情況

4 結(jié) 論

基于多標(biāo)量干旱指數(shù)法對(duì)錦州市的干旱時(shí)空特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

1)錦州市干旱情況具有明顯的時(shí)空分布特性。

2)錦州市的平均干旱指數(shù)為-0.071，屬輕度干旱。

3) 錦州市各地區(qū)的旱災(zāi)呈逐漸加重趨勢(shì)。

4)各地區(qū)按干旱嚴(yán)重程度由大到小排序分別為：義縣、黑山縣、龍棲灣、凌海市、北鎮(zhèn)市、經(jīng)發(fā)區(qū)、太和區(qū)、古塔區(qū)、松山區(qū)、和凌河區(qū)。

5) 經(jīng)發(fā)區(qū)抗旱壓力較小，而龍棲灣區(qū)抗旱壓力較大。

6) 義縣因旱災(zāi)所受的破壞較大，因旱災(zāi)所受的破壞較小。

[1]王春宇.修正PDSI指數(shù)在遼寧中東部地區(qū)干旱頻率分析中的應(yīng)用研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2016(06)：25-27.

[2]孫玥.標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)在遼西地區(qū)干旱評(píng)價(jià)中的運(yùn)用[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2016(04)：64-65.

[3]周游.不同干旱指數(shù)在遼寧西部地區(qū)的對(duì)比及適用性分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2016(01)：43-45.

Spatiotemporal Characteristics Analysis of Drought in Jinzhou City Based on Multi-scalar Drought Index Method

LI Yan

(Huludao Hydrological Bureau of Liaoning Province,Huludao 125000, China)

By using temporal and spatial interpolation methods, the hydrological and meteorological data in each administrative area of Jinzhou City for recent 59 years were obtained based on the measured data at 8 stations. The spatiotemporal characteristics of drought in Jinzhou City were analyzed based on the mult-scalar drought index method, and the spatiotemporal characteristics of drought and distribution of drought frequency in each area of Jinzhou City were obtained. Therefore, the severity, variation and trend as well as the reoccurrence of drought for each area in Jinzhou City were summarized, which could be used to provide scientific guidance for determining sound drought mitigation measures.

multi-scalar;drought index; Jinzhou City; spatiotemporal characteristics

1007-7596(2017)03-0017-04

2017-02-20

李研(1986-)，女，遼寧葫蘆島人，工程師，研究方向?yàn)樗乃Y源論證等。

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