李雪純,趙 君,徐進(jìn)超
(南京信息工程大學(xué),南京 210044)
干旱指一定區(qū)域一定時間內(nèi),由自然或社會因素導(dǎo)致水分缺乏的現(xiàn)象,普遍存在于各個地區(qū),不僅是嚴(yán)重的氣候問題,也影響著人類生產(chǎn)生活[1]。干旱按照成因可分為多種[2],本文從降水影響方面進(jìn)行氣象干旱的討論。安徽省地處我國東部,橫跨長江、淮河,北部為淮北平原,南部地區(qū)地形復(fù)雜,西南地區(qū)有大別山區(qū),東南地區(qū)有皖南山區(qū),中部為江淮丘陵。降水受季風(fēng)和地形等影響,副高的強(qiáng)弱以及沿海槽的穩(wěn)定影響著安徽省季節(jié)干旱的形成,梅雨量的多少尤其影響夏旱的形成[3]。干旱會造成安徽省農(nóng)作物減產(chǎn),嚴(yán)重時影響生活用水、水庫發(fā)電航運及漁業(yè)等各方面,帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
近年來,許多專家利用各種指標(biāo)對干旱進(jìn)行分析研究[4-8],黃晚華[9]等利用SPI分析中國南方季節(jié)性干旱演變特征,表明我國南方干旱整體上呈現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不利影響,并有加重趨勢。張焱[10]等人采用Z指數(shù)從降水量及土壤干旱特征方面對華南干旱特征進(jìn)行了分析。謝五三[11]等指出對于安徽省干旱檢測業(yè)務(wù)來說Pa指標(biāo)相對較好。Pa指數(shù)可以直接地反映因降水引起的干旱,在干旱測評中得到廣泛的應(yīng)用。關(guān)于安徽省干旱的研究目前集中在年尺度的分析,在季節(jié)等小尺度上的定量分析比較缺乏。本文根據(jù)不同季節(jié)特征細(xì)化干旱等級標(biāo)準(zhǔn),用Pa計算方法選取了3個干旱指數(shù),結(jié)合分析安徽省近50 a干旱時空分布特征,以期更加深入地認(rèn)識安徽省干旱時空分布特征。
氣象數(shù)據(jù)資料來源于中國氣象局信息中心,選取了安徽省分布均勻的15個站點,1965-2014年共50 a的逐日降水資料。檢測所選站點的降水?dāng)?shù)據(jù),訂正存在的明顯數(shù)據(jù)錯誤,對存在缺測漏測的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理,所得數(shù)據(jù)可較好地反映本地區(qū)的降水變化情況。
Pa可以反映某時段降水與同期平均狀態(tài)的偏離程度,從而反映出降水量異常引起的干旱,在我國氣象業(yè)務(wù)中經(jīng)常用于評估干旱事件。Pa使用降水量作為輸入量,算式如下:
(1)
(2)
式中:n=50,即文本選取1965-2014年共50 a逐日降水資料。
由于安徽省降水量季節(jié)差異較大,空間分布不均勻,不同季節(jié)采用的Pa劃分標(biāo)準(zhǔn)有所不同。參考國家氣象等級標(biāo)準(zhǔn)[12],通過數(shù)據(jù)分析,按照季節(jié)特征劃分干旱等級標(biāo)準(zhǔn),春季3-5月,夏季6-8月,秋季9-11月,冬季12-翌年2月。本文采用的Pa劃分等級見表1。
表1 基于降水距平百分率的干旱等級劃分Tab.1 Division of drought levels based on percentage of precipitation anomalies
本文選取干旱頻率、干旱站次比、干旱強(qiáng)度這3個干旱指數(shù),從3方面評價安徽省近50 a干旱時空變化特征[13]。
(1)干旱頻率(Pi)指研究站點在時段內(nèi)干旱發(fā)生的頻繁程度,算式如下:
Pi=(n/N)×100%
(3)
式中:N為某站有資料的總年數(shù);n為該站發(fā)生干旱的年數(shù)。
(2)干旱站次比(Pj)指研究區(qū)域內(nèi)發(fā)生干旱的站點數(shù)與總站點數(shù)的比值,用于評價干旱的嚴(yán)重程度,算式如下:
Pj=(m/M)×100%
(4)
式中:M為研究地區(qū)總的站點數(shù)(本文中M=50);m為發(fā)生干旱的站點數(shù);j為年份。
(3)干旱強(qiáng)度(I)用來評價干旱嚴(yán)重程度,算式如下:
(5)
式中:m為研究地區(qū)某年發(fā)生干旱的站點數(shù);|Ii|為各站點的干旱指標(biāo)等級,以1、2 、3 、4對應(yīng)輕旱、中旱、重旱、特旱,以0對應(yīng)無旱。
2.1.1 年降水特征分析
圖1為安徽省1965-2014年降水量變化趨勢。從圖1中可以看出,20世紀(jì)60年代中期到70年代中期呈波動增長,70年代中期到80年代初期波動下降,80年代以后降水波動范圍較大,21世紀(jì)以后降水波動波動較小。安徽省年平均降水量為1 771 mm,1991年降水最多達(dá)到1 578.3 mm,1978年降水最少為703.5 mm,降水年際變化明顯,發(fā)生干旱風(fēng)險較高。
圖1 安徽省1965-2014年降水量變化趨勢Fig.1 Precipitation changes in Anhui Province from 1965 to 2014
2.1.2 季節(jié)降水特征分析
安徽省季節(jié)降水變化明顯,夏季降水最多,逐次是秋季、冬季、春季。春季降水量變化范圍147~487 mm,夏季降水量變化范圍972~3 556 mm,秋季降水量變化范圍294~1 551 mm,冬季降水量變化范圍208~1 006 mm,見圖2。綜上表明,夏季和秋季降水變化幅度較大,春季和冬季降水幅度較小,降水幅度變化較大更容易引起季節(jié)性干旱。
圖2 安徽省1965-2014年季節(jié)降水量變化趨勢Fig.2 Trend of seasonal precipitation change in Anhui Province from 1965 to 2014
2.2.1 年尺度干旱的時空分布特征
安徽省近50 a發(fā)生過不同程度的干旱,50 a中共13 a發(fā)生干旱,其中11 a發(fā)生輕度干旱,干旱頻率為26%,平均每年5個站點出現(xiàn)干旱現(xiàn)象,最多年份干旱站點為14個。與1979年之前相比,1979年之后到2004年干旱頻率增加,但強(qiáng)度有所減弱。
(1)年尺度干旱的空間分布特征。計算安徽省50 a共15個站點的年干旱頻率,采用反距離權(quán)重插值方法進(jìn)行插值,生成空間柵格數(shù)據(jù),在地圖上顯示,得到圖3。逐站統(tǒng)計各級別干旱頻率,即各級別干旱在每一站出現(xiàn)的次數(shù)占50 a的百分比,安徽省平均干旱頻率為37%,輕旱占18%,中旱占7%,重旱占5%,特旱占7%。北部地區(qū)和西南地區(qū)干旱頻率略高,為38%~44%,其中以安慶市干旱頻率最高達(dá)44%。安慶市位于大別山區(qū)與皖南山區(qū)之間,對流活動弱,相對降水較少,干旱出現(xiàn)頻率較高。中部地區(qū)和東南地區(qū)干旱頻率略低,為30%~36%,以巢湖市干旱頻率最低為30%。綜上,安徽省干旱空間上分布不均,呈現(xiàn)出北部地區(qū)及西南地區(qū)干旱發(fā)生頻率高,中部地區(qū)及東南地區(qū)發(fā)生頻率較低的空間特征。
圖3 安徽省年尺度干旱頻率空間分布Fig. 3 Spatial distribution of drought frequency at the annual scale in Anhui Province
(2)年尺度干旱的時間分布特征。圖4為安徽省50 a干旱站次比和干旱強(qiáng)度的年際變化特征圖。站次比的波動為13%~93%,共37 a干旱明顯,其中9 a發(fā)生局域性干旱,4 a發(fā)生部分區(qū)域干旱,10 a發(fā)生區(qū)域性干旱,14 a發(fā)生全區(qū)域干旱。通過特征圖可以看出1993年之前干旱影響范圍呈跳躍狀,其中1966、1978、1988、1994和2011年均在峰值,這與記錄中安徽省這幾年發(fā)生大范圍干旱結(jié)果一致,表明數(shù)據(jù)計算的準(zhǔn)確性。通過特征圖看出,安徽省近50 a干旱強(qiáng)度為0.1~2.9,平均干旱強(qiáng)度為0.7,共37 a發(fā)生干旱,其中9 a干旱強(qiáng)度高于1,表明安徽省近50 a發(fā)生干旱大多數(shù)年份是輕度干旱。從圖4中可以看出安徽省年際干旱主要是輕度干旱和中度干旱。綜上表明,安徽省近50 a年際干旱強(qiáng)度呈波動減少趨勢,區(qū)域性干旱和全域性干旱在20世紀(jì)90年代以后范圍逐漸縮小,干旱范圍從區(qū)域性和全域性逐漸變成局域性和部分區(qū)域性。
圖4 1965-2014年安徽省站次比和干旱強(qiáng)度的年際變化Fig.4 Interannual variability of stations proportion and drought intensity in Anhui Province from 1965 to 2014
2.2.2 季尺度干旱時空分布特征
安徽省近50 a出現(xiàn)的干旱中,夏旱出現(xiàn)6 a,春旱出現(xiàn)3 a,秋旱出現(xiàn)5 a,冬旱出現(xiàn)6 a,干旱出現(xiàn)頻率季節(jié)性明顯。1978年發(fā)生重度干旱,伴隨著季節(jié)尺度上春旱、夏旱、秋旱和冬旱均有發(fā)生。
(1)季尺度干旱的空間分布特征。圖5為安徽省季節(jié)尺度干旱頻率空間分布圖,由此分析安徽省季度干旱特征:①春季干旱頻率為14%~44%,北部地區(qū)略高,南部地區(qū)略低,春旱頻率由南到北逐漸增加。②夏季干旱頻率在18%~34%,中部和南部地區(qū)略高,夏旱頻率由中部到西北和東部逐漸增大,從東南到西南逐漸減小。③秋季干旱頻率在18%~42%,秋旱頻率西北和西南地區(qū)略高,東部地區(qū)略低,西南地區(qū)干旱頻率略高,并向東北方向延伸到中部地區(qū)。④冬季干旱頻率在12%~36%,冬旱北部地區(qū)略高,南部地區(qū)略低,從中部到冬南部冬旱頻率有所增大,再往南到皖南山區(qū)冬旱頻率有所降低。
綜上可得,安徽省季節(jié)干旱頻率:秋旱>夏旱>春旱>冬旱,其中冬旱頻率遠(yuǎn)低于其他3個季節(jié)。各季節(jié)干旱整體上是北部頻率偏高,南部頻率偏低。夏旱與秋旱相比,夏旱在東部頻率較高,而秋旱在東部頻率較低。春旱與冬旱南北頻率差異較大,夏旱與秋旱不僅南北差異明顯,東南差異也較為明顯。
圖5 安徽省季節(jié)尺度干旱頻率空間分布Fig.5 Spatial distribution of drought frequency at seasonal scale in Anhui Province
(2)季節(jié)尺度干旱的時間分布特征。圖6是安徽省季節(jié)尺度上干旱站次比和干旱強(qiáng)度的年際變化,由此分析季節(jié)時空特征如下。
①春旱。從站次比來看,共17 a發(fā)生全域性或區(qū)域性干旱。1981-1982年,1996-1997年,2000-2001年均連續(xù)2 a出現(xiàn)全域性或區(qū)域性干旱,此后每隔0~5 a會出現(xiàn)全域性或區(qū)域性干旱。從干旱強(qiáng)度來看,干旱強(qiáng)度波動曲線與站次比波動曲線基本一致,站次比峰值出現(xiàn)的年份干旱強(qiáng)度也處在峰值,其中2001年春旱強(qiáng)度最強(qiáng),屬于重度干旱。安徽省春旱站次比與春旱強(qiáng)度呈波動增長趨勢,表明春旱范圍逐年增加,全域性或區(qū)域性干旱增多,春旱強(qiáng)度略微增強(qiáng)。
②夏旱。從站次比來看,1965-1980年先減少再增大,于1966年達(dá)到峰值,1980-1995年波動增長,1995-2014年波動減少,共16 a出現(xiàn)全域性或區(qū)域性干旱。從干旱強(qiáng)度來看,強(qiáng)度最強(qiáng)的年份為1967年,站次比最高的年份為1966年。安徽省夏旱站次比與夏旱強(qiáng)度呈先波動增長,后逐漸降低的趨勢,表明夏旱范圍逐年減少,全域性或區(qū)域性干旱減少,夏旱強(qiáng)度略微減弱。
③秋旱。從站次比來看,1965-1976年,1978-1988年先減少再增加,1989-2014年波動變化,增長不明顯,共24 a出現(xiàn)全域性或區(qū)域性秋旱。從干旱強(qiáng)度來看,站次比最高的年份秋旱強(qiáng)度同樣很強(qiáng),強(qiáng)度均大于2。安徽省秋旱站次比和秋旱強(qiáng)度呈波動變化,趨勢增加不明顯,全域性和區(qū)域性秋旱主要集中在21世紀(jì)90年代和21世紀(jì),秋旱強(qiáng)度較強(qiáng)。
④冬旱。從站次比來看,1965-1977年,冬旱站次比呈波動減少,1977-2004年波動幅度較大,2004-2014年波動增加。共15 a出現(xiàn)全域性或區(qū)域性冬旱,1996-1997年,1982-1983年,1995-1996年均出現(xiàn)連續(xù)區(qū)域性或全域性干旱,1967-1977年共10 a未發(fā)生區(qū)域性或全域性干旱。從干旱強(qiáng)度來看,冬旱強(qiáng)度最強(qiáng)的年份1999年,冬旱站次比也很高。1965-1999年,先減弱后波動增強(qiáng)。安徽省冬旱站次比呈波動趨勢,波動幅度較大,整體減小不明顯,冬旱強(qiáng)度波動增加,增加較弱。
圖6 安徽省1965-2014年季節(jié)干旱站次比和干旱強(qiáng)度的年際變化Fig.6 Interannual variation of seasonal stations proportion and drought intensity in Anhui Province from 1965 to 2014
結(jié)合降水特征及干旱特征進(jìn)行分析,安徽省未來干旱趨勢受地形及降水的影響,從降水特征上來看,安徽省近50 a降水略微增長,增長不明顯,但變化幅度較大,1978年降水突然減少導(dǎo)致大規(guī)模的干旱發(fā)生,這種不規(guī)律的降水對未來干旱的發(fā)成影響極大。從干旱特征上來看,安徽省北部地區(qū)干旱頻率較南部地區(qū)較南部略高,北部地區(qū)干旱發(fā)生呈增加趨勢,南部地區(qū)增加不明顯。在季節(jié)干旱方面,夏季和冬季降水趨勢呈增長狀態(tài),而春季和秋季呈減少狀態(tài),尤其是秋季降水降低趨勢明顯。結(jié)合干旱特征分析,秋旱在安徽省最易發(fā)生,強(qiáng)度較大,降水趨勢的降低在未來會加劇秋旱發(fā)生程度及頻率,安徽省季節(jié)性干旱抗旱形勢嚴(yán)峻。
(1)安徽省干旱在空間上分布不均,北部地區(qū)和西南地區(qū)干旱發(fā)生頻率高,中部地區(qū)和東南地區(qū)發(fā)生頻率較低,從南向北干旱頻率逐漸升高。年際上干旱強(qiáng)度呈減弱趨勢。在季節(jié)尺度上,秋旱干旱頻率最高,干旱強(qiáng)度最大,干旱范圍最廣,逐次是夏旱、冬旱和春旱,其中春旱和秋旱有加重趨勢,而夏旱和冬旱趨勢不明顯。
(2)本文干旱分析的結(jié)果與降水變化分析的結(jié)果基本一致,降水增多的地區(qū)或季節(jié),干旱有所減弱。對于干旱指標(biāo)發(fā)展趨勢的評價結(jié)果,與歷史資料記載相比較基本一致,表明運用降水量距平百分比分析安徽省近50 a干旱特征,能夠比較真實地反應(yīng)安徽省干旱的時空特征。
(3)在全球氣候變暖,極端氣候出現(xiàn)增加的背景下,安徽省季節(jié)尺度上干旱呈加重趨勢,其中秋旱和春旱加重明顯,需更加重視季節(jié)尺度上的干旱變化。降水距平百分率只考慮到降水量因素,有待綜合考慮更多自然因素和人文因素,進(jìn)一步深入研究干旱成因,為安徽省干旱的評估預(yù)警和農(nóng)業(yè)活動提供科學(xué)依據(jù)。
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