張宇星，智協(xié)飛，李鳳秀

(1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，南京 210044；2.河南省氣象局，鄭州 450003；3.河南省氣候中心，鄭州 450003)

干旱是對(duì)中國影響較大的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，具有發(fā)生頻率高、影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長等特點(diǎn)，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有嚴(yán)重的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國每年因干旱造成的損失占各種自然災(zāi)害造成損失的15% 以上，每年受旱面積約占各種氣象災(zāi)害受災(zāi)面積的60%[1]，而華北地區(qū)旱災(zāi)平均受災(zāi)面積占中國受災(zāi)面積的比例最高，達(dá)28%以上[2-3]。干旱指標(biāo)作為干旱研究的基礎(chǔ)和工具，在干旱監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和評(píng)估中起著重要的作用。由于干旱的成因復(fù)雜，影響因素較多，因此干旱指數(shù)作為分析干旱事件的評(píng)價(jià)指標(biāo)，不僅要考慮前期降水，還要考慮降水 后氣候環(huán)境狀況、蒸散、土壤含水量、徑流等[4-6]。

根據(jù)《氣象干旱等級(jí)》(GB/T 20481—2017)[7],干旱指數(shù)包括：降水量距平百分率(precipitation anomaly in percentage,PA)、相對(duì)濕潤指數(shù)(relative moisture index,MI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(standardized precipitation index，SPI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI)、帕默爾干旱指數(shù)(palmer drought severity index，PDSI)和氣象干旱綜合指數(shù)(MCI)。中外學(xué)者利用不同指數(shù)對(duì)干旱多發(fā)地區(qū)干旱的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行了大量研究[8-12]。韓蘭英等[13]選用改進(jìn)的MCI作為監(jiān)測(cè)指標(biāo),詳細(xì)分析了中國干旱強(qiáng)度、頻次和持續(xù)時(shí)間變化特征及其南北差異性；馮冬蕾[14]根據(jù)MCI計(jì)算公式,分析了東北地區(qū)1961～2014年發(fā)生干旱過程的時(shí)空特征；曲學(xué)斌[15]以呼倫貝爾市16個(gè)氣象臺(tái)站1971—2014年逐日MCI為基礎(chǔ),使用層次分析法建立呼倫貝爾市干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃模型；成青燕等[16]基于甘肅省16個(gè)氣象站1961—2010年MCI對(duì)甘肅省近50 a不同季節(jié)的干旱特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析；廖要明等[17]基于MCI系統(tǒng)分析了中國及東北、華北、西北東部、西南、長江中下游、華南6大區(qū)域中旱及以上干旱日數(shù)的時(shí)空分布及氣候變化特征?；诖?，利用MCI分析平均干旱日數(shù)和干旱站次比，得出河南干旱時(shí)空變化特征，以期為干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和政府科學(xué)決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 河南概況

河南省地處中國中東部的中緯度內(nèi)陸地區(qū)，地勢(shì)西高東低，由平原和盆地、山地、丘陵、水面構(gòu)成，地理位置為北緯31°23′～36°22′，東經(jīng)110°21′～116°39′，總面積16.7×104km2。受東亞季風(fēng)環(huán)流、太陽輻射、地理?xiàng)l件等因素的綜合影響，氣候?yàn)閬啛釒蚺瘻貛н^渡的大陸性季風(fēng)氣候，具有氣候四季分明、雨熱同期、復(fù)雜多樣、氣象災(zāi)害頻繁的特點(diǎn)。河南省氣候四季分明是大陸性氣候的主要特點(diǎn)，各地年內(nèi)氣溫和降水的季節(jié)性變化趨勢(shì)一致。干旱、暴雨洪澇是河南省常出現(xiàn)的氣象災(zāi)害，根據(jù)歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)，旱澇受災(zāi)面積約占總受災(zāi)面積的80%，對(duì)河南社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著極為不利的影響。

2 資料與研究方法

2.1 資料

選取河南省110個(gè)站1971—2018年逐日氣溫和降水資料。季節(jié)劃分按照氣象上通用劃分，即 3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12—次年2月為冬季。年尺度為1—12月。

2.2 研究方法

2.2.1 MCI

MCI是綜合考慮前期不同時(shí)間段降水和蒸散對(duì)當(dāng)前干旱的影響而構(gòu)建的一種干旱指數(shù)，是國家氣候中心在目前干旱業(yè)務(wù)中推廣應(yīng)用的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，綜合考慮了業(yè)務(wù)服務(wù)的需求，利用近60 d的標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重降水指數(shù)(standardized precipitation index based weighted average of precipitation,SPIW(SPIW60)、近30 d的MI(MI30)、近90 d的SPI(SPI90)和近150 d的SPI(SPI150)進(jìn)行綜合而得，計(jì)算公式如式(1)所示：

MCI=Ka(aSPIW60+bMI30+cSPI90+d·SPI150)

(1)

式(1)中：Ka為季節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù) ，從1—12月分別取值0.6、0.8、1.0、1.2、1.2、1.2、1.2、1.1、1.0、0.8、0.6、0.4 ；a、b、c和d為權(quán)重系數(shù)，分別取值為0.5、0.6、0.2和0.1。按照《氣象干旱等級(jí) 》(GB/T 20481—2017)中的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，干旱劃分為 5個(gè)干旱等級(jí):無旱(-0.5

2.2.2 干旱評(píng)估指標(biāo)

(1)平均干旱日數(shù)：平均干旱日數(shù)為某一站點(diǎn)固定時(shí)間內(nèi)發(fā)生干旱的日數(shù)。

(2)干旱站次比(Pj)：干旱站次比利用某區(qū)域內(nèi)發(fā)生干旱的站數(shù)占該區(qū)域內(nèi)總站數(shù)的比例來評(píng)價(jià)干旱影響范圍的大小。Pj<10%時(shí)，可認(rèn)為無明顯的干旱發(fā)生；10% ≤Pj<25%時(shí)為局域性干旱；25% ≤Pj<33% 時(shí)為部分區(qū)域性干旱；33%≤Pj<50%時(shí)為區(qū)域性干旱；Pj≥50%時(shí)為全域性干旱[18]。

3 結(jié)果分析

3.1 干旱日數(shù)

3.1.1 河南年平均干旱日數(shù)空間分布

從1971—2018年全省各地年平均干旱日數(shù)的空間分布(圖1)可以看出，年輕旱及以上等級(jí)平均干旱日數(shù)在78.3～141.3 d，干旱日數(shù)最多的為新鄉(xiāng)站，最少的為信陽新縣站，整體趨勢(shì)自南向北逐漸增加。信陽南部干旱日數(shù)最少，為90.9 d以下，站點(diǎn)數(shù)為4個(gè)；豫北安陽、濮陽、鶴壁、新鄉(xiāng)和焦作干旱情況最為嚴(yán)重，干旱日數(shù)普遍在128.8 d以上，站點(diǎn)數(shù)為28個(gè)；三門峽、洛陽、平頂山、鄭州、開封和商丘干旱日數(shù)為116.2～128.7 d，站點(diǎn)數(shù)為49個(gè)；漯河、駐馬店等地干旱日數(shù)為91～116.1 d，其中干旱日數(shù)在91～103.5 d的站點(diǎn)數(shù)為9個(gè)，103.6～116.1 d的站點(diǎn)數(shù)為20個(gè)。

圖1 河南省年平均干旱日數(shù)空間分布Fig.1 The spatial distribution of annual average drought days in Henan Province

3.1.2 河南各等級(jí)(輕、中、重、特)年平均干旱日數(shù)空間分布

從各等級(jí)年平均干旱日數(shù)空間分布(圖2)可知，河南各地輕旱等級(jí)年平均干旱日數(shù)大體呈北多南少的趨勢(shì)[圖2(a)]，最小值為信陽新縣站(42.8 d)，最大值為安陽滑縣站(77.2 d)。信陽南部年平均干旱日數(shù)最少，為49.6 d以下，站點(diǎn)數(shù)為5個(gè);安陽、濮陽、鶴壁和新鄉(xiāng)大部分區(qū)域年平均干旱日數(shù)在70.4 d以上，站點(diǎn)數(shù)為18個(gè)；其他區(qū)域年平均干旱日數(shù)為49.7～70.3 d，其中49.7～56.5 d的站點(diǎn)數(shù)為16個(gè)，56.6～63.4 d的站點(diǎn)數(shù)為42個(gè)，63.5～70.3 d的站點(diǎn)數(shù)為29個(gè)。

河南各地中旱等級(jí)年平均干旱日數(shù)大體呈北多南少的趨勢(shì)[圖2(b)]，最小值為信陽新縣站(20.8 d)，最大值為新鄉(xiāng)站(42.1 d)；信陽南部中旱等級(jí)年平均干旱日數(shù)最少，為25 d以下，站點(diǎn)數(shù)為5個(gè)；安陽、鶴壁、濮陽和新鄉(xiāng)年平均干旱日數(shù)在37.9 d以上，站點(diǎn)數(shù)為23個(gè)；其他區(qū)域年平均干旱日數(shù)為25.1～37.8 d，其中25.1～29.3 d的站點(diǎn)數(shù)為9個(gè)，29.4～33.6 d的站點(diǎn)數(shù)為35個(gè)，33.7～37.8 d的站點(diǎn)數(shù)為38個(gè)。

河南各地重旱等級(jí)年平均干旱日數(shù)空間分布趨勢(shì)不明顯[圖2(c)]，大體成南少北多的趨勢(shì)，最小值為信陽新縣站(8.2 d)，最大值為焦作博愛站(19.1 d)；信陽南部重旱等級(jí)年平均干旱日數(shù)最少，為10.3 d以下，站點(diǎn)數(shù)為4個(gè);北部和中部大部分區(qū)域年平均干旱日數(shù)在14.8 d以上，其中14.8～16.9 d的站點(diǎn)數(shù)為54個(gè)，17～19.1 d的站點(diǎn)數(shù)為17個(gè)；其他區(qū)域年平均干旱日數(shù)為10.4～14.7 d，其中10.4～12.5 d的站點(diǎn)數(shù)為7個(gè)，12.6～14.7 d的站點(diǎn)數(shù)為28個(gè)。

河南各地特旱等級(jí)年平均干旱日數(shù)空間分布趨勢(shì)無明顯特征[圖2(d)]，最小值為新鄉(xiāng)封丘站5.4 d，最大值為洛陽新安站10.7 d；三門峽和洛陽部分區(qū)域特旱等級(jí)年平均干旱日數(shù)在9.7 d以上，站點(diǎn)數(shù)為8個(gè)；其他區(qū)域年平均干旱日數(shù)為5.4～9.6 d，其中5.4～6.5 d的站點(diǎn)數(shù)為11個(gè)，6.6～7.5 d的站點(diǎn)數(shù)為42個(gè)，7.6～8.6 d的站點(diǎn)數(shù)為31個(gè)，8.7～9.6 d的站點(diǎn)數(shù)為18個(gè)。

圖2 河南省不同等級(jí)干旱日數(shù)年平均空間分布Fig.2 The spatial distribution of annual average drought days of different grades in Henan Province

3.1.3 河南各季節(jié)平均干旱日數(shù)空間分布

河南各地春季輕旱以上等級(jí)平均干旱日數(shù)呈北多南少的趨勢(shì)[圖3(a)]，最小值為信陽商城站(20.3 d)，最大值為新鄉(xiāng)衛(wèi)輝站(43.5 d)。信陽南部春季平均干旱日數(shù)最少，為24.9 d以下，站點(diǎn)數(shù)為6個(gè)；安陽、濮陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作以及鄭州部分區(qū)域平均干旱日數(shù)在38.9 d以上，站點(diǎn)數(shù)為31個(gè)；其他區(qū)域年平均干旱日數(shù)為25～38.8 d，其中25～29.5 d的站點(diǎn)數(shù)為8個(gè)，29.6～34.2 d的站點(diǎn)數(shù)為26個(gè)，34.3～38.8 d的站點(diǎn)數(shù)為39個(gè)。

河南各地夏季輕旱以上等級(jí)平均干旱日數(shù)大體呈北多南少的趨勢(shì)[圖3(b)]，最小值為信陽新縣站25.4 d，最大值為新鄉(xiāng)站(41.4 d)。除駐馬店和信陽外，其他地區(qū)年平均干旱日數(shù)基本在35.1 d以上，其中35.1～38.2 d的站點(diǎn)數(shù)為60個(gè)，38.3～41.4 d的站點(diǎn)數(shù)為19個(gè)。駐馬店和信陽等地區(qū)平均干旱日數(shù)為25.4～35 d，其中25.4～28.6 d的站點(diǎn)數(shù)為2個(gè)，28.7～31.8 d的站點(diǎn)數(shù)為7個(gè)，31.9～35 d的站點(diǎn)數(shù)為22個(gè)。

由圖3(c)可知，河南各地秋季輕旱以上等級(jí)平均干旱日數(shù)空間分布趨勢(shì)不明顯，最小值為信陽新縣站(22.5 d)，最大值為濮陽站(36.3 d)。平均干旱日數(shù)在33.6 d以上的區(qū)域主要集中在安陽、鶴壁和濮陽一帶，站點(diǎn)數(shù)為10個(gè)。其他大部分區(qū)域平均干旱日數(shù)為22.5～33.5 d，其中22.5～25.3 d的站點(diǎn)數(shù)為4個(gè)，25.4～28 d的站點(diǎn)數(shù)為22個(gè)，28.1～30.8 d的站點(diǎn)數(shù)為48個(gè)，30.9～33.5 d的站點(diǎn)數(shù)為26個(gè)。

河南各地冬季輕旱以上等級(jí)平均干旱日數(shù)呈北多南少的趨勢(shì)[圖3(d)]，最小值為信陽商城站(8.5 d)，最大值為安陽滑縣站(25.2 d)。信陽南部冬季平均干旱日數(shù)最少，為11.9 d以下，站點(diǎn)數(shù)為6個(gè)；安陽、鶴壁、濮陽、新鄉(xiāng)和焦作、鄭州部分區(qū)域平均干旱日數(shù)在22 d以上，站點(diǎn)數(shù)為25個(gè)；其他區(qū)域干旱日數(shù)為12～21.9 d，其中12～15.2 d的站點(diǎn)數(shù)為13個(gè)，15.3～18.5 d的站點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，18.6～21.9 d的站點(diǎn)數(shù)為34個(gè)。

圖3 河南省不同季節(jié)干旱日數(shù)空間分布Fig.3 The spatial distribution of drought days of different season in Henan Province

3.2 干旱站次比

3.2.1 年際變化特征分析

由歷年干旱站次比的變化可知(圖4)，干旱站次比的變化為7.1%～52.3%，變化范圍較大。河南近48 a中只有2001年為全域性干旱，其干旱站次比達(dá)到了52.3%。區(qū)域性干旱發(fā)生的年份有20年，所占的比例為41.7%，在該地區(qū)出現(xiàn)的頻率最高，發(fā)生的時(shí)段主要集中在20世紀(jì)80年代、90年代和2011—2018年，其中20世紀(jì)90年代有6年出現(xiàn)了區(qū)域性干旱。部分區(qū)域性干旱發(fā)生的年份有17年，所占的比例為35.4%，發(fā)生的時(shí)段主要集中在20世紀(jì)90年代和2001—2010年。局域性干旱發(fā)生的年份有9年，所占的比例為18.8%，發(fā)生的時(shí)段主要集中在20世紀(jì)70年代。2003年無明顯的干旱發(fā)生，其干旱站次比僅為7.1%。從干旱站次比的年代際變化來看，20世紀(jì)70年代、80年代、90年代和2001—2010年、2011—2018年的干旱站次比分別為29.8%、32.2%、35%、31.2%和35.8%，2011—2018年干旱站次比最大，影響范圍最廣，20世紀(jì)70年代干旱站次比最小，影響范圍最小。近48 a來，干旱站次比的線性傾向率為0.813/10a，說明整休來看，河南干旱發(fā)生的范圍有加大的趨勢(shì)，以區(qū)域性干旱和部分區(qū)域性干旱為主。

圖4 1971—2018年河南省干旱站次比變化特征Fig.4 Variations of ratio of drought stations from 1971 to 2018,in Henan Province

3.2.2 季節(jié)變化特征分析

圖5 1971—2018年河南省不同季節(jié)干旱站次比變化特征Fig.5 Seasonal variations of ratio of drought stations from 1971 to 2018,in Henan Province

(1)春季：由春季干旱站次比的變化[圖5(a)]可知，春季干旱站次比的變化為1.3%～91.4%，變化范圍較大。全域性干旱發(fā)生的年份有15年，所占比例為31.3%，為所有類型干旱中比例最大，發(fā)生的時(shí)段主要集中在20世紀(jì)80年代和2011—2018年，春季干旱發(fā)生的范圍最大值為2000年的91.4%。區(qū)域性干旱發(fā)生的年份有9年，所占比例為18.8%，其中20世紀(jì)70年代有5年發(fā)生區(qū)域性干旱。部分區(qū)域性干旱和局域性干旱發(fā)生的年份分別為11、9年，所占比例分別為22.9%和18.8%。1979、1990、1998、2003年無明顯的干旱發(fā)生，1990年和1998年的干旱站次比僅為1.8%和1.3%。從干旱站次比的年代際變化來看，20世紀(jì)70年代、20世紀(jì)80年代、20世紀(jì)90年代和2001—2010年、2011—2018年的春季干旱站次比分別為33.4%、33.9%、37.7%、38.8%和42.5%，2011—2018年干旱站次比最大，影響范圍最廣。近48 a來，春季干旱站次比的線性傾向率為1.042/10a，說明整體來看，河南干旱發(fā)生的范圍有逐漸加大的趨勢(shì)，春季旱情較為嚴(yán)重，且全域性干旱所占的比重最大。

(2)夏季：由夏季干旱站次比的變化[圖5(b)]可知，夏季干旱站次比的變化為8.5%～76.9%，變化范圍較大。全域性干旱發(fā)生的年份有14年，所占比例為29.2%，為所有類型干旱中比例最大，發(fā)生的時(shí)段主要集中在20世紀(jì)80年代，夏季干旱發(fā)生的范圍最大值為1997年的76.9%。區(qū)域性干旱發(fā)生的年份有12年，所占比例為25%，發(fā)生的時(shí)段主要為2011—2018年，共有4年發(fā)生了區(qū)域性干旱。部分區(qū)域性干旱發(fā)生的年份有12年，所占比例為25%，主要集中在2001—2010年，共有5年發(fā)生了部分區(qū)域性干旱。局域性干旱發(fā)生的年份有9年，所占比例為18.8%。1998年無明顯的干旱發(fā)生，其干旱站次比僅為8.5%。從干旱站次比的年代際變化來看，20世紀(jì)70年代、80年代、90年代和2001—2010年、2011—2018年的春季干旱站次比分別為37%、38.7%、39.3%、32.3%和50.3%，2011—2018年干旱站次比最大，影響范圍最廣，超過了50%，2001～2010年干旱站次比最小，影響范圍最小。近48 a來，夏季干旱站次比的線性傾向率為0.973/10a，說明整體來看，河南夏季干旱發(fā)生的范圍有加大的趨勢(shì)，旱情較為嚴(yán)重，且全域性干旱所占的比重最大。

(3)秋季：由秋季干旱站次比的變化[圖5(c)]可知，秋季干旱站次比的變化為0.2%～73.9%，變化范圍較大。全域性干旱發(fā)生的年份有11年，所占比例為22.9%，發(fā)生的時(shí)段主要集中在20世紀(jì)90年代和2001—2010年，各有4年發(fā)生了全域性干旱。區(qū)域性干旱和部分區(qū)域性干旱發(fā)生的年份分別為11、7年，所占比例分別為22.9%和14.6%，區(qū)域性干旱主要集中在20世紀(jì)70年代，10年中發(fā)生了4年。局域性干旱發(fā)生的年份有12年，所占比例為25%，發(fā)生的時(shí)段主要集中在20世紀(jì)90年代，10年中共有4年發(fā)生局域性干旱。1975、1983、1984、2000、2003、2002、2014年沒有明顯的干旱發(fā)生，其中1984、2003年的干旱站次比僅為1%和0.2%。20世紀(jì)70年代、80年代、90年代和2001—2010年、2011—2018年的春季干旱站次比分別為28.9%、27.2%、38.1%、36.6%和32.7%，20世紀(jì)90年代干旱站次比最大，影響范圍最廣，20世紀(jì)80年代干旱站次比最小，影響范圍最小。近48 a來，秋季干旱站次比的線性傾向率為2.005/10a，說明整體來看，河南秋季干旱發(fā)生的范圍有明顯加大的趨勢(shì)，旱情較為嚴(yán)重。

(4)冬季：由秋季干旱站次比的變化[圖5(d)]可知，秋季干旱站次比的變化為0.1%～84.3%，變化范圍較大。1973、1976、1998、2008、2010年發(fā)生了全域性干旱，所占比例為10.4%，最大值為2010年的84.3%。區(qū)域性干旱和部分區(qū)域性干旱發(fā)生的年份分別為6年和2年，所占比例分別為12.5%和4.1%。局域性干旱發(fā)生的年份有17年，所占比例為35.5%，發(fā)生的時(shí)段主要集中在20世紀(jì)90年代、2001—2010年和2011—2018年。共有18年沒有明顯的干旱發(fā)生，所占比例為37.5%，冬季干旱站次比的最小值為2016年的0.1%。從干旱站次比的年代際變化來看，20世紀(jì)70年代、80年代、90年代和2001—2010年、2011—2018年的冬季干旱站次比分別為20.8%、21.1%、24.1%、22%和13.3%，除2011—2018年外，其他時(shí)期的平均干旱站次比都大20%以上。近48 a來，秋季干旱站次比的線性傾向率為-0.792/10a，說明整體來看，河南冬季干旱發(fā)生的范圍有減小的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

(1)近48 a來河南年平均干旱日數(shù)整體趨勢(shì)自南向北逐漸增加,信陽南部年平均干旱日數(shù)最少，豫北五地市最多，年平均干旱日數(shù)為116.2～128.7 d的站點(diǎn)數(shù)最多，有49個(gè)。

(2)近48 a來河南各地輕旱、中旱等級(jí)年平均干旱日數(shù)呈北多南少趨勢(shì)，信陽南部年平均干旱日數(shù)最少，豫北年平均干旱日數(shù)最多。重旱和特旱等級(jí)年平均干旱日數(shù)空間分布趨勢(shì)不明顯，年平均干旱日數(shù)明顯小于輕旱和中旱等級(jí)。

(3)近48 a來春季、夏季和冬季平均干旱日數(shù)呈北多南少趨勢(shì)，信陽南部平均干旱日數(shù)最少，春季和冬季豫北平均干旱日數(shù)最多。秋季平均干旱日數(shù)空間分布趨勢(shì)不明顯，冬季的干旱日數(shù)明顯小于其他三個(gè)季節(jié)。

(4)近48 a來干旱站次比的變化范圍較大，區(qū)域性干旱在該地區(qū)出現(xiàn)的頻率最高，1年達(dá)到全域性干旱，1年無明顯的干旱發(fā)生。2011—2018年干旱站次比最大，影響范圍最廣，河南干旱發(fā)生的范圍有加大的趨勢(shì)。

(5)近48 a來各季節(jié)干旱站次比變化范圍較大，除冬季外其他三個(gè)季節(jié)干旱發(fā)生的范圍有逐漸加大的趨勢(shì)。春季和夏季全域性干旱發(fā)生的概率最大，其中2011—2018年干旱站次比最大，影響范圍最廣。冬季沒有明顯的干旱發(fā)生的年份所占比例最大，20世紀(jì)90年代秋季和冬季干旱站次比最大，影響范圍最廣。