慕彩蕓，程海濤，張治雄

（1哈密地區(qū)氣象局，新疆 哈密839000；2.獨山子氣象局，新疆 獨山子833600）

哈密地區(qū)地處新疆東部，地緣遼闊，土地面積13.7萬km2，降水少而分布不均，是典型的干旱區(qū)，干旱是該區(qū)域最主要的氣象災(zāi)害。天山山脈橫亙東西，將哈密地區(qū)分割為氣候完全相異的南北兩部分，北部降水量100～250 mm，南部降水量30～50 mm，天山山區(qū)降水量可達500～600 mm，是當?shù)氐乃吹睾汀八保闪斯艿貐^(qū)主要的調(diào)節(jié)水源。哈密地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以綠洲灌溉農(nóng)業(yè)為主，山區(qū)降水和冰雪融水是河流的主要水源補給。

在對干旱的研究過程中，人們制定了許多干旱指數(shù)來對干旱進行監(jiān)測，例如有降水量距平百分率氣象干旱等級（Pa），相對濕潤度指數(shù)氣象干旱等級（M），帕默爾干旱指數(shù)（X），標準化降水指數(shù)（SPI），土壤相對濕度干旱指數(shù)（R），綜合氣象干旱指數(shù)（CI），Z指數(shù)等[1-4]。這些干旱指數(shù)大致可歸納為單要素指數(shù)和多要素指數(shù)，前者考慮因素少，但計算和所需資料簡單，便于應(yīng)用；后者考慮因素多一些，但計算復(fù)雜，需要收集資料多，有些資料在實際應(yīng)用中較難獲得。干旱的形成和發(fā)展是水分虧缺緩慢積累的過程，一個好的干旱指數(shù)既要考慮某一段時間的水分虧缺量，又要考慮持續(xù)時間。目前較為流行的帕默爾氣象干旱指數(shù)[5-11]考慮因子較為全面，有較好的時空比較性，但該指數(shù)涉及參數(shù)多，計算過程復(fù)雜，限制了它在實際干旱監(jiān)測中的應(yīng)用；而當前應(yīng)用較廣泛的Z指數(shù)只考慮降水一個因素，應(yīng)用簡便，但未考慮到干旱的累積性，且對于旱澇等級的劃分人為性大。因此，嘗試結(jié)合二者的優(yōu)點，建立一個氣象意義明顯且應(yīng)用簡便的修正帕默爾氣象干旱指數(shù)，以服務(wù)于該地區(qū)的干旱監(jiān)測、診斷業(yè)務(wù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

考慮到該地區(qū)南、北氣候差異明顯，分南、北兩個區(qū)域?qū)艿貐^(qū)干旱指數(shù)進行研究。選取1961—2010年逐月降水觀測資料，南部區(qū)域代表站為哈密、紅柳河、十三間房，北部區(qū)域代表站為巴里坤、伊吾、淖毛湖。文中所用氣象和旱情資料均來源于哈密地區(qū)氣象局。

1.2 Z指數(shù)干旱指標

Z指數(shù)是假設(shè)某時段的降水量服從PersonⅢ型分布，而后對降水量進行正態(tài)化處理，這樣可將概率密度函數(shù)PersonⅢ型分布轉(zhuǎn)換為以Z為變量的標準正態(tài)分布，消除了不同地區(qū)和時期的氣候差異，能夠較客觀地反映出降水量的正負異常狀況。Z指數(shù)的計算公式如下：

其中，Cs為偏態(tài)系數(shù)且，標準差

1.3 修正帕默爾氣象干旱指數(shù)

計算哈密地區(qū)各代表站點1961—2010年的標準化降水指數(shù)。依據(jù)帕默爾干旱指數(shù)的基本原理[5-11]，干旱強度是水分虧缺量與持續(xù)時間的函數(shù)，因此干旱指數(shù)應(yīng)包括時間這個因子。分別選取兩個區(qū)域歷史時期中不同持續(xù)時期的最旱時段的累積Z值（表1），假定歷史中的某些最旱時段達到極端干旱。

表1 歷史最旱時段持續(xù)時間及累積Z值

將Z的累積值ΣZ（縱坐標）與持續(xù)時段t（橫坐標）點繪于圖1中，得到回歸直線（實線），表示各種時間尺度的極端干旱，根據(jù)帕默爾對干旱等級的劃分[6]，假定極端干旱情況下的旱度值X＝-4.0，圖中右側(cè)的縱坐標也可從正常到極端分成4等份。在圖1中做出3條處于實線上方的直線（虛線），分別代表了輕旱、中旱和重旱的上限，旱度值Z分別為-1.0、-2.0、-3.0。

圖1 哈密南部干旱指數(shù)與水分異常積累值和持續(xù)時間關(guān)系圖

由圖建立干旱指數(shù)xi與累積值Z和時間t的關(guān)系式，建立干旱指數(shù)模式：

南部：

北部：

方程（2）、（3）僅是不同時期指數(shù)值Z的代數(shù)和，這種線性關(guān)系并不能真正代表持續(xù)時間t和旱度值xi之間的關(guān)系，為了考慮每個月對干旱嚴重程度的貢獻，對上式進行變換得到：

南部：

北部：

方程（4）、（5）即為哈密地區(qū)南、北部修正帕默爾氣象干旱指數(shù)的計算公式，其中Xi為上月干旱指數(shù)，間接反映了時間因子的作用。

1.4 干旱結(jié)束的計算

根據(jù)公式（4）、（5）計算干旱指數(shù)時，要確定系列當中每個月當月結(jié)束旱段或濕潤段的可能性，當月旱段或濕潤段開始的可能性以及已經(jīng)開始的干旱段或濕潤段的嚴重程度等幾個方面的信息，帕默爾以定量化的方式來確定旱段或濕潤段的開始和結(jié)束，即X≤-0.5時，認為干旱期開始，X>-0.5時，就認為干旱結(jié)束，從而可以得到某月使干旱減輕到正常狀態(tài)所需的水分即Ze，使干旱嚴重程度減輕的Z值即“有效增濕量”Uw。

南部：

北部：

計算干旱（濕潤）結(jié)束的概率Pe為：

1.5 區(qū)域干旱指數(shù)的建立

公式（4）、（5）是計算單站修正帕默爾氣象干旱指數(shù)的模式，要反映區(qū)域旱澇情況，就要建立區(qū)域干旱指數(shù)。通常情況下對于降水分布均勻的一個較小區(qū)域，如哈密地區(qū)的南、北部，某月的旱澇狀況的分布相對也較均勻，其干旱指數(shù)的計算公式為：

式中，X為某月區(qū)域干旱指數(shù)，Xij為i月j站干旱指數(shù)，m為區(qū)域內(nèi)的站點數(shù)。

計算哈密地區(qū)南、北區(qū)域1961—2010逐月修正帕默爾氣象干旱指數(shù)，根據(jù)其分布的特點將其劃分為7等級（表2）。鑒于哈密地區(qū)是極端干旱區(qū)，澇災(zāi)不是本區(qū)域的主要災(zāi)害，本文重點討論干旱發(fā)生時該指數(shù)的表現(xiàn)情況。

表2 哈密地區(qū)區(qū)域干旱等級劃分標準

2 結(jié)果與分析

2.1 修正帕默爾氣象干旱指數(shù)驗證

為使旱澇等級能真實地代表一個區(qū)域的旱澇狀況，仍按照南、北兩個區(qū)域分別計算其修正帕默爾氣象干旱指數(shù)。由干旱指數(shù)變化圖（圖2）看出，哈密地區(qū)南、北區(qū)域在1961—2010年50 a中旱澇交替，南部較北部旱澇程度波動大，南部自20世紀60年代以來先后出現(xiàn)5次較明顯的干旱，分別在1963年、1969年、1977年、1985年、1997年，北部 20世紀60—70年代干旱指數(shù)的振幅明顯小于后期，較明顯干旱主要集中在80年代至90年代初，分別為1982年、1985—1986年、1989年、1991年。

根據(jù)歷史旱情發(fā)生記錄對上述干旱指數(shù)進行驗證：1963年，哈密南部干旱嚴重，5 333.3 hm2小麥因缺水大部枯萎而死；1977年哈密市境內(nèi)部分泉眼干涸，坎兒井斷流，小麥未能按時澆頭水，嚴重缺苗，山區(qū)人畜飲水困難；1982年伊吾縣干旱嚴重，牧草干枯，禾苗受旱，糧食減產(chǎn)，幼羔損失達4 000只；1985年全地區(qū)出現(xiàn)嚴重干旱，巴里坤縣糧食、油料總產(chǎn)比上年減產(chǎn)40%，伊吾縣作物播種面積減少289.3 hm2，農(nóng)民口糧、畜牧飼料供應(yīng)嚴重困難；1986年全地區(qū)約33 333.3 hm2農(nóng)田、5萬人、20萬頭牲畜受到干旱缺水的嚴重威脅；1989年哈密地區(qū)遭遇建國以來最嚴重的春旱，農(nóng)田受災(zāi)面積7 000 hm2，占播種面積的55.5%，巴里坤縣旱情特別嚴重，糧食總產(chǎn)較上一年下降50%；1991年哈密地區(qū)普遍干旱，播種期推后一周左右，有些地方達15 d。上述旱情記錄與修正帕默爾氣象干旱指數(shù)的吻合度很高。

通過旱情記錄與所建修正帕默爾氣象干旱指數(shù)對比分析可以看出哈密地區(qū)旱情發(fā)生有如下特點：由于哈密南部灌溉用水對山區(qū)降水和積雪融水的依賴度大，而山區(qū)降水與北部區(qū)域降水特征相似，部分年份哈密北部嚴重干旱，卻導(dǎo)致全地區(qū)出現(xiàn)明顯旱災(zāi)，例如1989年、1991年；哈密南部修正帕默爾氣象干旱指數(shù)顯示嚴重干旱的1969年和1997年無旱情記錄，這是由于北部在這兩年并未出現(xiàn)明顯干旱，山區(qū)降水和積雪融水補充了哈密南部降水的不足。因此北部干旱指數(shù)的準確監(jiān)測是哈密地區(qū)干旱監(jiān)測的關(guān)鍵（圖2）。在作物生長季，修正帕默爾氣象干旱指數(shù)連續(xù)3個月以上達到中度干旱或1個月達到重度干旱即可導(dǎo)致哈密地區(qū)出現(xiàn)明顯的旱情（圖2）。

圖2 哈密南部（a）北部（b）1961—2010年修正帕默爾氣象干旱指數(shù)變化圖

2.2 三種干旱指數(shù)對比

將新建的哈密南北部修正帕默爾氣象干旱指數(shù)與在業(yè)務(wù)上應(yīng)用廣泛的Z指數(shù)、降水距平百分率干旱指數(shù)的計算結(jié)果進行分析（圖3，干旱等級0～4分別代表正常、輕旱、中旱、重旱），結(jié)果表明Z指數(shù)在干旱等級的表現(xiàn)方面過于遲鈍，1961—2010年干旱指數(shù)的最高級別僅為中度干旱，但其變化趨勢與修正帕默爾氣象干旱指數(shù)較為接近，要在當?shù)貞?yīng)用需重新修改干旱等級的劃分標準。降水距平百分率干旱指數(shù)在干旱等級的表現(xiàn)方面過于靈敏，以致指示的干旱程度偏重，極易達到重度干旱，因而在業(yè)務(wù)上缺乏應(yīng)用基礎(chǔ)。Z指數(shù)和降水距平百分率干旱指數(shù)等級劃分標準參見文獻[1，7]。

圖3 哈密地部2000—2010年三種干旱指數(shù)等級值比較

2.3 干旱特征分析

從表3可以看出哈密地區(qū)南、北部年代際修正帕默爾氣象干旱指數(shù)總體呈上升趨勢，南部月總降水量小，導(dǎo)致南部較北部干旱指數(shù)變幅大。20世紀60年代哈密南部為明顯的干旱期，北部的干旱指數(shù)也呈負值，表明偏干，70、80年代僅有北部在80年代干旱指數(shù)為負值，結(jié)合圖2可以看出這一時期修正帕默爾氣象干旱指數(shù)變幅大，集中出現(xiàn)了幾次持續(xù)時間較長的干旱時段，90年代后期干旱指數(shù)均為正值，無明顯干旱。

表3 20世紀60年代—21世紀第一個10 a間哈密地區(qū)修正帕默爾氣象干旱指數(shù)年代際變化

圖4分別分析了哈密地區(qū)南北部輕度、中度、重度干旱發(fā)生的頻率。自20世紀60年代哈密南部三種干旱發(fā)生頻率均呈不同程度的下降，輕度干旱發(fā)生頻率下降最快，以每10 a 5.8%的速度遞減；中度干旱發(fā)生頻率在90年代小幅反彈，但整體呈下降趨勢；重度干旱發(fā)生頻率在90年代后為0%。哈密北部輕度干旱發(fā)生頻率在20世紀70、80年代較60年代明顯下降，但90年代明顯增加，之后又顯著下降，呈 倒“S”型；中度、重度干旱發(fā)生頻率變化趨勢相似，20世紀60—70年代均為0%，80年代達到最高峰，此后遞減，其中重度干旱在90年代后頻率為0%。

3 結(jié)論與討論

圖4 哈密南部（a）、北部（b）年代際干旱發(fā)生頻率變化圖

（1）哈密地區(qū)南北區(qū)域氣候差異大，為此將哈密地區(qū)分為南、北兩部分，分別建立其區(qū)域修正帕默爾氣象干旱指數(shù)，并對其干旱等級進行客觀劃分。通過與旱情對比分析，該干旱指數(shù)能較為準確地反映出本區(qū)域干旱強度。通過與Z指數(shù)、降水距平百分率兩種干旱指數(shù)的對比，表明該指數(shù)能夠克服其它兩種干旱指數(shù)未考慮干旱積累時間，Z指數(shù)過于遲鈍而降水距平百分率指數(shù)過于敏感的缺點，簡單易用，適用于當?shù)馗珊当O(jiān)測業(yè)務(wù)。

（2）山區(qū)降水和積雪融水對哈密南部干旱影響明顯，山區(qū)降水特征與北部降水特征相似，因此北部出現(xiàn)嚴重干旱也會導(dǎo)致南部出現(xiàn)明顯的旱災(zāi)，而南部本應(yīng)出現(xiàn)的嚴重干旱也會因能得到山區(qū)水源的及時補充而無災(zāi)情。因此北部干旱指數(shù)的準確監(jiān)測是哈密地區(qū)干旱監(jiān)測的關(guān)鍵。

（3）在作物生長季，修正帕默爾氣象干旱指數(shù)連續(xù)3個月以上達到中度干旱或1個月出現(xiàn)重旱即可導(dǎo)致哈密地區(qū)出現(xiàn)明顯的旱情。

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