郭小芹，李 廣，羅永忠

(1.武威市氣象局，甘肅 武威 733000；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

作為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最為敏感的氣象災(zāi)害，干旱具備發(fā)生頻率高、影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長、預(yù)防難度高、災(zāi)損評定難等特點(diǎn)，對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民生活帶來嚴(yán)重威脅，歷來成為專家學(xué)者以及災(zāi)害學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)[1-5]。伴隨全球氣候變暖，極端天氣事件與氣象災(zāi)害頻繁發(fā)生，干旱頻率與干旱烈度呈顯著增加趨勢[6-7]，比如2004年南方特旱、2005年云南50年大旱、2006年重慶百年大旱、2007-2009年遍布多省市的嚴(yán)重干旱、2013年南方重旱。研究顯示，旱災(zāi)損失占?xì)庀鬄?zāi)害損失的55%。甘肅省東西綿延1 600多km，覆蓋亞熱帶季風(fēng)、溫帶季風(fēng)、溫帶大陸性、高原高寒多種氣候類型，干旱形成原因與表現(xiàn)方式呈現(xiàn)多樣性特征。盡管干旱研究已經(jīng)成為熱門話題，但隨著研究目的不同其側(cè)重點(diǎn)差異很大[8-9]，給實(shí)際應(yīng)用帶來極大的不便。

降水量是干旱形成的直接因素，氣象評估常使用連續(xù)無雨日數(shù)、降水距平百分率、SPI標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)、PDSI干旱指數(shù)、濕潤度與干燥度等指標(biāo)[10-12]來度量干旱程度，由于干旱形成機(jī)理異常復(fù)雜，許多干旱指標(biāo)設(shè)計(jì)都具有明顯的地域性特征，利用不同評價(jià)指標(biāo)對同一干旱背景進(jìn)行評價(jià)必然會得出不同結(jié)論。針對甘肅省地域特點(diǎn)，本文利用基本氣象站降水量標(biāo)準(zhǔn)化資料，設(shè)計(jì)了干旱綜合指數(shù)以評價(jià)研究區(qū)域干旱分布特征，不僅充分發(fā)揮了Z指數(shù)時(shí)空適應(yīng)性強(qiáng)以及干旱機(jī)理簡單化的優(yōu)點(diǎn)，還能真實(shí)反映多時(shí)間尺度上干旱強(qiáng)度與范圍的變化趨勢，評估方法具有良好的穩(wěn)定性，可為區(qū)域干旱評估決策與防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

按照中國氣象地理區(qū)劃以及農(nóng)業(yè)布局特點(diǎn)，將研究區(qū)域劃分為5個(gè)相對獨(dú)立的片區(qū)：河西走廊含酒泉、張掖、武威、金昌，隴中高原含蘭州、白銀、定西、天水、臨夏和平?jīng)鑫鞑?，隴東高原含慶陽和平?jīng)龃蟛糠值貐^(qū)，甘南草原與隴南山地基本以行政單位為邊界。分析數(shù)據(jù)源于甘肅省基本氣象站點(diǎn)1971-2013年日降水量數(shù)據(jù)，其中河西走廊19個(gè)、隴中高原26個(gè)、隴東高原13個(gè)、甘南草原5個(gè)、隴南山地8個(gè)，共計(jì)71個(gè)站點(diǎn)，所選站點(diǎn)資料序列連續(xù)，站點(diǎn)布局在農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)呈密集化。數(shù)據(jù)處理工具為SPSS 13.0、Minitab Ver 8.02。

1.2 Z指數(shù)與閾值分級指標(biāo)

長時(shí)間序列的降水量因其變異性強(qiáng)、偏度大而具備典型的非正態(tài)分布性質(zhì)，按照文獻(xiàn)[13-14]方法，假定季節(jié)性降水量遵循P-Ⅲ型分布，在對降水量進(jìn)行正態(tài)化處理后將概率密度函數(shù)作Z轉(zhuǎn)化，使其滿足正態(tài)分布特征，從而使不同區(qū)域降水在時(shí)空上具備可比性，進(jìn)而能客觀地反映不同地域的干旱狀態(tài)。其轉(zhuǎn)換公式為：

(1)

其中：φI為降水標(biāo)準(zhǔn)化變量(I=1,2,…,n)；Cs為時(shí)間序列的偏態(tài)系數(shù)。分析顯示，Z指數(shù)與降水量呈顯著性相關(guān)，表明用Z指數(shù)可以充分反映研究區(qū)域的降水特征。根據(jù)Z變量正態(tài)分布曲線和研究區(qū)域干旱特征，可將Z值劃分為4個(gè)等級(見表1)，其中Z指數(shù)的負(fù)值越小，干旱等級越高，干旱程度愈加嚴(yán)重。

表1 甘肅省季節(jié)性干旱Z指數(shù)閾值指標(biāo)Table 1 Threshold indicators of Z-index for seasonal drought in Gansu Province

1.3 干旱特征變量的提取

季節(jié)性干旱是甘肅省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要限制因子，將春夏秋冬劃分為3—5月、6—8月、9—11月、12月到翌年2月，按照季節(jié)性尺度定義以下特征變量：

干旱頻率(DFi)是以Z指數(shù)評價(jià)某地干旱發(fā)生的頻繁程度，即該地發(fā)生某一干旱等級的次數(shù)占統(tǒng)計(jì)時(shí)段總次數(shù)的百分比，本文將輕旱、中旱、重旱作為評價(jià)對象。

干旱強(qiáng)度(DIi)是用Z指數(shù)評價(jià)干旱嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)，區(qū)域干旱強(qiáng)度是指評價(jià)時(shí)段內(nèi)某一干旱等級站點(diǎn)數(shù)占區(qū)域內(nèi)總站點(diǎn)數(shù)的百分比，也可定義為區(qū)域干旱烈度(SIi)。

最能反映干旱強(qiáng)度本質(zhì)特征的是一次干旱過程持續(xù)時(shí)間(DDi)，它是構(gòu)成干旱強(qiáng)度與災(zāi)情程度的根本原因。本文按照持續(xù)性的兩季連旱、三季連旱、四季連旱3個(gè)時(shí)間段分別進(jìn)行旱情評價(jià)，從而形成揭示干旱等級程度最重要的特征量。

Mann-Kendall特征值(簡稱MK值)是基于非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法的重要參量，優(yōu)點(diǎn)是樣本不必遵從某一特定分布規(guī)律，不受少數(shù)異常值干擾，能很好表征時(shí)間序列趨勢變化。統(tǒng)計(jì)方法見文獻(xiàn)[15]。

1.4 干旱綜合指數(shù)的構(gòu)建

在區(qū)域干旱特征研究中本文引入一種評價(jià)指數(shù)即干旱綜合指數(shù)。按照信息熵理論對研究區(qū)域輕旱(LD)、中旱(MD)、重旱(SD)頻率進(jìn)行數(shù)理賦權(quán)，賦予3個(gè)等級干旱權(quán)重α、β、γ以實(shí)現(xiàn)對干旱強(qiáng)度的綜合評價(jià)，定義其為干旱綜合指數(shù)(CI)，用公式表示為：

CIi=αLDi+βMDi+γSDi

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 季節(jié)性干旱趨勢變化特征

對研究區(qū)域1971-2013年季節(jié)性Z指數(shù)進(jìn)行mann-kendall非參數(shù)檢驗(yàn)，當(dāng)特征值MK<0時(shí)表征區(qū)域存在干旱，MK值越小，表明干旱趨勢越強(qiáng)或趨旱程度越高。以研究時(shí)段平均Z指數(shù)變化特征為評價(jià)對象，從表2可以看出，春季MK值分別為隴東高原(-0.154)、隴中高原(-0.043)和隴南山地(-0.039)，隴東高原干旱趨勢十分顯著，而且還成為全區(qū)域典型趨旱季節(jié)；夏季除了隴東高原外其余各地均趨旱，其中河西走廊為-0.081、隴中高原為-0.065，甘南草原為-0.039，趨旱程度比較明顯；秋季僅隴中高原有輕微干旱(-0.017)，其余地方干旱程度普遍較弱；冬季研究區(qū)域幾乎無干旱發(fā)生，全域普遍趨于濕潤，尤以河西走廊(0.258*)為顯著?？傮w看在研究時(shí)段內(nèi)春夏兩季干旱特征趨于顯著。在地域分布上河西走廊夏季趨旱特征十分明顯，隴中高原夏春兩季趨旱顯著增強(qiáng)且具備三季連旱特征；隴東高原春季干旱非常顯著，且干旱趨勢顯著增加；甘南草原夏季趨旱明顯且強(qiáng)度不容忽視；隴南山地春季干旱明顯，其余季節(jié)基本不存在干旱。

以區(qū)域單站點(diǎn)MK<0為研究對象，將該站點(diǎn)視為干旱點(diǎn)并進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果用區(qū)域干旱范圍DR來表示，并定義DR>50%為典型干旱評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。從表2可以看出，在研究區(qū)域中春旱范圍約為80%，干旱特征非常顯著，具體表現(xiàn)在隴東高原(100%)、隴南山地(75.0%)、隴中高原(65.4%)、甘南草原(60.0%)，其中隴東高原成為全域極端性干旱區(qū)域；夏旱范圍約為60%，涵蓋河西走廊(73.7%)、隴中高原(61.5%)、甘南草原(60.0%)，其中河西走廊成為夏季干旱典型區(qū)域；秋季干旱范圍約為20%，其中隴中高原為秋季干旱典型區(qū)域(50.9%)，其余區(qū)域干旱均不明顯；在季節(jié)性干旱中冬季干旱特征最不明顯。從區(qū)域DR分布看，季節(jié)性典型干旱主要表現(xiàn)在河西走廊夏季、隴中高原春夏秋三季、隴東高原春季、甘南草原夏季、隴南山地春夏二季?？傮w看甘肅省干旱趨勢以春夏兩季為主，干旱范圍顯著。

表2 1971-2013年研究區(qū)域季節(jié)性Z指數(shù)Mann-Kendall特征值(DR，%)Table 2 Mann-Kendall value and DR-value of seasonal Z-index in Gansu Province during 1971-2013

注：*表示P<0.05下顯著性水平；DR=(區(qū)域干旱點(diǎn)/區(qū)域總站點(diǎn))×100%。

Note：* indicates significance atP<0.05；DR=(regional drought points/regional total site)×100%.

對區(qū)域單站點(diǎn)MK值進(jìn)行分析，可以揭示研究時(shí)段典型干旱區(qū)域特征。以春季為例，典型趨旱區(qū)域集中在隴中高原之隴西(-0.138)、武山(-0.129)、秦安(-0.102)，隴東高原之靈臺(-0.238*)、寧縣(-0.180)、鎮(zhèn)原(-0.178)，隴南山地之宕昌(-0.123)；而在夏季則集中在河西走廊之馬鬃山(-0.271*)、安西(-0.255*)、敦煌(-0.171)，隴中高原之會寧(-0.136)、靖遠(yuǎn)(-0.123)，甘南草原之夏河(-0.103)以及隴南山地之文縣(-0.141)，其趨旱程度不僅代表季節(jié)性趨旱特征，也代表全域干旱極端值的分布特征。

2.2 季節(jié)性干旱綜合指數(shù)變化特征

干旱綜合指數(shù)(CI)與其他干旱特征變量相比具有明顯優(yōu)勢，該指標(biāo)既可以對區(qū)域逐站點(diǎn)同一時(shí)段不同干旱特征進(jìn)行綜合評價(jià)，也可以對同一區(qū)域不同時(shí)間段干旱特征進(jìn)行綜合評價(jià)，評價(jià)結(jié)果能夠客觀準(zhǔn)確地描述區(qū)域干旱深度與廣度，其中重旱頻率不僅決定了區(qū)域的干旱強(qiáng)度，也決定著極端干旱事件的強(qiáng)度。

從圖1可以看出：(1)春季重旱發(fā)生在1995年(隴東0.481、隴中0.269)、1979年(隴中0.325、隴南0.298、甘南0.297)、2000年(隴東0.304)、2004年(隴南0.289)以及2008年(甘南0.254)，其中1995年范圍最廣且影響最重，2000年以來干旱頻率增多，強(qiáng)度明顯；(2)夏季重旱依次為1997年(隴南0.405、隴東0.272)、1982年(隴中0.338)、1991年(隴南0.332、隴東0.321)以及1974年(甘南0.312、隴東0.308)，河西走廊在2001年(0.266)和2010年(0.245)出現(xiàn)顯著干旱，在2008-2010年出現(xiàn)持續(xù)性干旱，其中1997年是干旱強(qiáng)度最為嚴(yán)重的時(shí)段；(3)秋季重旱發(fā)生在1972年(甘南0.366、隴中0.347)、1986年(隴中0.274、隴東0.265)和1987年(隴南0.271)、1995年(隴東0.257)、1998年(隴東0.236和隴南0.232)，其中1972年干旱最重(0.263)，1986-1998年干旱頻率明顯集中，2003年后干旱強(qiáng)度明顯減弱。(4)冬季重旱出現(xiàn)在1998年隴東(0.586)、隴中(0.348)、隴南(0.268)，其中隴東、隴中還成為研究時(shí)段全域干旱的極端值；2009年甘南草原(0.449)不僅成為重旱區(qū)域，還成為年度季節(jié)性干旱之最。

圖1 甘肅省不同區(qū)域季節(jié)性干旱綜合指數(shù)時(shí)間變化特征Fig.1 Temporal variation characteristics of seasonal drought comprehensive index in different regions of Gansu Province

季節(jié)性干旱綜合指數(shù)地域性分布差異顯著。以干旱綜合指數(shù)≥0.05為單站點(diǎn)典型干旱評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析區(qū)域干旱強(qiáng)度。以春季為例，重旱區(qū)域依次為鼎新(0.127)、華池(0.072)、蘭州、康縣、秦安、岷縣、天水(≥0.06)，典型干旱范圍占比39.4%，為季節(jié)性干旱范圍之最；夏季重旱為安西(0.072)、玉門(0.066)、西和(0.061)，河西走廊重旱集中且強(qiáng)度顯著，全區(qū)域典型干旱范圍為29.6%；秋季重旱分布在靈臺(0.061)，典型干旱范圍為26.8%；冬季重旱集中在白銀(0.103)、烏鞘嶺(0.70)、古浪(0.68)，典型干旱范圍為23.9%；總體上看春季干旱范圍最為顯著，其次為夏季。

2.3 季節(jié)性連旱綜合指數(shù)變化特征

季節(jié)性連旱綜合指數(shù)是表征在多個(gè)連續(xù)性季節(jié)內(nèi)區(qū)域逐站點(diǎn)在同一時(shí)段內(nèi)不同程度的干旱特征，也表征同一區(qū)域在不同時(shí)間段內(nèi)的干旱特征，其中區(qū)域干旱深度(SIi)是指在統(tǒng)計(jì)時(shí)段區(qū)域內(nèi)單站點(diǎn)干旱綜合指數(shù)的平均值，用以代表區(qū)域持續(xù)性干旱強(qiáng)度水平。按照全省干旱特質(zhì)，本文對三類季節(jié)性干旱進(jìn)行分析，不僅有助于解析干旱時(shí)段基本特征以及區(qū)域干旱程度，還有助于深度揭示全省干旱的趨向特征。

全省兩季連旱干旱深度為0.024，高值區(qū)(>0.03)集中在白銀、會寧、古浪、瑪曲、靈臺、永登、華池、靜寧。從圖2可以看出：春夏連旱以鼎新(0.049)、華池(0.045)、環(huán)縣(0.039)為重旱中心，形成河西走廊西端、隴東中部為主的干旱特征；夏秋連旱以會寧(0.051)、靈臺(0.043)為重旱中心，構(gòu)成以隴中～隴東高原為重旱的基本特征；秋冬連旱以古浪和白銀(0.060)為重旱中心，其次是靈臺(0.049)、靜寧、會寧及徽縣(≥0.043)，構(gòu)成以甘肅中部為主兼具偏東南部的重旱特征；冬春連旱以白銀(0.064)、瑪曲(0.054)、古浪(0.053)為主，鼎新、華池為輔(≥0.041)，形成了全省中部、甘南草原為典型特征的季節(jié)性重旱特征。在全域干旱深度中秋冬連旱為0.027，重旱范圍0.85%，表征該時(shí)段旱情最重、范圍最廣。

三季連旱干旱深度為0.014，高值區(qū)為會寧、古浪、靜寧、白銀、永登(>0.02)，從圖2可以看出：春夏秋連旱中心分布在會寧(0.031)、西峰(0.027)、鼎新、涇川、正寧、宕昌(0.026)，即以全省中東部干旱為主；夏秋冬連旱集中在會寧(0.057)，高值區(qū)在隴中高原與隴東高原東部一帶，古浪、白銀(>0.300)也具有明顯的連旱特征；秋冬春連旱以古浪(0.043)、環(huán)縣(0.031)兩地為主，形成古浪～白銀、環(huán)縣～華池以及鼎新、會寧為中心的重旱特征；冬春夏連旱以會寧(0.035)、古浪～烏鞘嶺(≥0.033)為重旱區(qū)域，形成了以河西走廊東部、隴中高原中部為典型分布特征的干旱范圍。全域干旱深度顯示，夏秋冬連旱為0.017 5，重旱范圍0.32%，干旱范圍與干旱深度非常顯著。

四季連旱干旱深度為0.007，高值區(qū)依然為會寧(0.027)，其次為古浪、西峰、靈臺、涇川(>0.160)，從圖2看到：春夏秋冬連旱突出體現(xiàn)在以涇川(0.026)為代表的隴東高原區(qū)域，會寧、古浪、白銀也有明顯的干旱特征；夏秋冬春以會寧(0.022)、鼎新(0.020)、古浪和環(huán)縣(0.019)、涇川(0.018)為主，靈臺、康縣、永登干旱特征比較明顯；秋冬春夏以會寧(0.027)、高臺(0.026)、古浪(0.025)、山丹(0.024)為主，形成以河西走廊東西向的間斷性干旱以及以會寧為中心的隴中高原干旱的典型特征；冬春夏秋連旱干旱深度最為顯著，形成以會寧(0.037)為主旱中心、以西峰～靈臺～涇川為次中心的區(qū)域特征?？傮w上看，除了冬春夏秋外，其余季節(jié)性連旱的干旱深度均表現(xiàn)顯著(>0.009)，但重旱則還是以冬春夏秋最為典型。

3 結(jié) 論

本文通過干旱閾值Z指標(biāo)構(gòu)建了基于干旱頻率、干旱強(qiáng)度的干旱綜合指數(shù),從季度性干旱、季節(jié)性連旱著手深入分析了研究區(qū)域干旱特征。

研究表明：季節(jié)性趨旱(MK<0)差異顯著。春季MK值依次為隴東高原-0.154、隴中高原-0.043、隴南山地-0.039，趨旱范圍為隴東高原100%、隴南山地75.0%、隴中高原65.4%、甘南草原60.0%，其中隴東高原趨旱最為典型，具體表現(xiàn)在靈臺-0.238*、寧縣-0.180、鎮(zhèn)原-0.178；夏季MK值為河西走廊-0.081、隴中高原-0.065、甘南草原-0.039，趨旱范圍河西走廊73.7%、隴中高原61.5%、甘南草原60.0%，其中河西走廊趨旱突出表現(xiàn)在馬鬃山-0.271*、安西-0.255*、敦煌-0.171；秋季隴中高原MK值為-0.017，其中會寧為-0.186，隴中高原干旱范圍為50.9%；甘南草原夏季與隴南山地春季趨旱程度也比較明顯。盡管在季節(jié)性趨旱程度上冬季表現(xiàn)尚不明顯，但趨旱范圍也不容忽視。

季節(jié)性干旱綜合指數(shù)(CI)時(shí)間變化特征顯示，春季重旱在1995年隴東(0.481)；夏季重旱為1997年隴南(0.405)；秋季重旱在1972年(甘南0.366、隴中0.347)；冬季重旱在1998年(隴東0.586)且該時(shí)段為全域干旱的極端值，2009年甘南草原(0.449)也非常明顯。典型干旱(CI≥0.05)顯示，春季以鼎新(0.127)、華池(0.072)為重旱，典型干旱占比39.4%；夏季以安西(0.072)、玉門(0.066)、西和(0.061)為重旱，典型干旱占29.6%；秋季重旱在靈臺(0.061)，典型干旱為26.8%；冬季集中在白銀(0.103)、烏鞘嶺(0.70)、古浪(0.68)，典型干旱范圍為23.9%。總體上看，春季干旱特征最為顯著，作為夏糧產(chǎn)量的關(guān)鍵影響因子，春季干旱已變成氣候暖干化的重要標(biāo)志[18]，不僅成為甘肅省最重要的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，還給現(xiàn)行農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

圖2 甘肅省季節(jié)性連旱的空間分布特征Fig.2 Spatial distribution characteristics of seasonal continuous drought in Gansu Province

季節(jié)性連旱更好地反映了區(qū)域持續(xù)性干旱強(qiáng)度。兩季連旱綜合指數(shù)高值區(qū)分布在白銀、會寧、古浪、瑪曲、靈臺、永登、華池、靜寧等地(>0.030)，三季連旱在會寧、古浪、靜寧、白銀、永登等地(>0.020)，四季連旱在會寧、古浪、西峰、靈臺、涇川(>0.015)等地。兩季連旱中秋冬連旱最重(0.0274)，三季連旱以夏秋冬連旱最為顯著(0.0175)；四季連旱中除了冬春夏秋外，其余季節(jié)性連旱均表現(xiàn)顯著(>0.009)。

季節(jié)性干旱分析結(jié)論與降水資源特征相一致[19]，當(dāng)降水量增多時(shí)其干旱深度會有所減弱，重旱程度相應(yīng)降低，這表明以干旱閾值指標(biāo)和信息熵為基礎(chǔ)的干旱綜合指數(shù)能夠客觀而準(zhǔn)確地反映研究區(qū)域干旱空間分布特征，相比傳統(tǒng)權(quán)重設(shè)定方法其指標(biāo)具備集成度、精算度的特點(diǎn)，從而為不同等級干旱強(qiáng)度與干旱評估提供了科學(xué)而精準(zhǔn)的度量標(biāo)準(zhǔn)。另外，干旱持續(xù)時(shí)間越長，干旱累積效應(yīng)越大，時(shí)間節(jié)點(diǎn)處的災(zāi)情程度就越為嚴(yán)重，因此分段式干旱特征的研究顯得非常重要且具備深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。