劉振男，焦衛(wèi)國，王笑宇，徐桂弘，吳安杰

（1.貴州理工學(xué)院土木工程學(xué)院，貴州貴陽 550001；2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥 230036）

0 引言

干旱一直是抑制我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的不利因素，破壞力大、持續(xù)期久、隱蔽性強(qiáng)是干旱的典型特征［1，2］。近半個(gè)世紀(jì)以來，我國有21 年發(fā)生過特大干旱事件，因其造成經(jīng)濟(jì)損失約為當(dāng)年GDP 的3%［3］。受氣候變化與人類活動(dòng)的雙重影響，我國干旱時(shí)空演變規(guī)律出現(xiàn)顯著變化，即干旱不再是干旱、半干旱地區(qū)的專屬產(chǎn)物，諸如貴州等濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)地區(qū)也接連出現(xiàn)干旱問題。如2005 年、2006 年、2009 年及2010 年，貴州省連續(xù)發(fā)生嚴(yán)重旱情，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重威脅了該地區(qū)的糧食安全與用水安全，成為了當(dāng)?shù)刎酱鉀Q的現(xiàn)實(shí)難題。為此，準(zhǔn)確識(shí)別、模擬貴州省農(nóng)業(yè)干旱過程對(duì)其防旱減災(zāi)工作具有重要的指導(dǎo)意義。

農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)通常是依據(jù)判定土壤含水量匱乏對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)不利影響所實(shí)現(xiàn)的［4，5］。因此，學(xué)者們圍繞土壤含水量研制了諸如土壤濕度距平指數(shù)、土壤濕度百分位數(shù)指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)等大量指標(biāo)，完成了農(nóng)業(yè)干旱的識(shí)別與評(píng)價(jià)工作。郭燾等［6］基于MODIS 數(shù)據(jù)反演計(jì)算了地表含水量指數(shù)對(duì)內(nèi)蒙古錫林郭勒的干旱情況進(jìn)行了有效分析；吳志勇等［7］運(yùn)用土壤含水量距平指數(shù)對(duì)長(zhǎng)江流域上游近60 年的歷史干旱事件進(jìn)行了深度研究；周洪奎等［8］應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)對(duì)黃淮海平原的農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)；楊文靜等［9］同樣采用標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)對(duì)灤河流域的農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與分析。上述研究成果均表明利用土壤含水量構(gòu)造相應(yīng)的干旱指標(biāo)是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)干旱的有效手段。截止目前，基于土壤含水量研制的干旱指標(biāo)在貴州省農(nóng)業(yè)干旱識(shí)別與評(píng)價(jià)中的應(yīng)用鮮有發(fā)現(xiàn)，且標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)在眾多該類型指數(shù)中優(yōu)勢(shì)明顯。因此，本文基于中國陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)土壤水分產(chǎn)品計(jì)算得到了標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)，分析、評(píng)價(jià)了貴州省農(nóng)業(yè)干旱情勢(shì)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省地處我國西南，東徑103°36′～109°31′，北緯24°37′～29°13′之間，有面積在1 000 hm2以上的農(nóng)業(yè)壩子300余個(gè)，是典型的多雨、濕潤(rùn)地區(qū)，但近年來干旱事件頻發(fā)，由此引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注［10-12］。貴州省地勢(shì)特征明顯，由西至東順勢(shì)走低，平均海拔約1 100 m，山地與丘陵面積占總面積的9成以上，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年內(nèi)氣溫變幅不大，多雨但年內(nèi)分布不均，降水多出現(xiàn)于夏、秋兩季，年均降水量約為1 160.6 mm。境內(nèi)各地陰天日數(shù)一般超過150 d，常年相對(duì)濕度在70%以上。氣候不穩(wěn)定，災(zāi)害性天氣種類較多，干旱、秋風(fēng)、凌凍、冰雹等頻度大，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危害嚴(yán)重。

1.2 數(shù)據(jù)來源

中國氣象局全球大氣∕陸面再分析產(chǎn)品（CMA-RA）是由國家氣象信息中心牽頭研制的，更適用于我國實(shí)際情況的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。其中，全球陸面再分析產(chǎn)品（CMA-RA∕Land）是基于離線的陸面模式研發(fā)，并參考國際其他數(shù)據(jù)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)制備的，該產(chǎn)品包括34 km×34 km、0.5°×0.5°、1.0°×1.0°三種空間分辨率，3 h、1 d、1個(gè)月3種時(shí)間分辨率，數(shù)據(jù)產(chǎn)品為netCDF 格式，可登錄中國氣象數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)（http：∕∕data.cma.cn∕）進(jìn)行檢索下載。已有研究證實(shí)，0～10 cm 土層的含水量能夠有效表征農(nóng)業(yè)干旱的實(shí)際情況［13，14］。因此，本文采用0.5°×0.5°空間分辨率、1 個(gè)月時(shí)間分辨率的同化產(chǎn)品“CRA40LAND”中的土壤含水量數(shù)據(jù)（0～10 cm）進(jìn)行研究，時(shí)間跨度為2009年01月至2020年12月。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)（Standardized Soil moisture Index，SSI）是評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)干旱最有效的指標(biāo)之一［15］，其具體計(jì)算原理與標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（Standardized Precipitation Index，SPI）等干旱指標(biāo)相近，即基于已有的概率密度函數(shù)對(duì)土壤含水量數(shù)據(jù)序列進(jìn)行擬合試算，采用Kolmogorov-Smirnov 檢驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而優(yōu)選出最適合構(gòu)建干旱指標(biāo)的概率分布函數(shù)，通常采用的概率密度函數(shù)包括正態(tài)分布、伽馬分布、皮爾遜III 型分布、廣義極值分布等。若優(yōu)選得到的概率分布不是正態(tài)分布，則需要對(duì)土壤含水量數(shù)據(jù)序列的累積分布函數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。由于研究區(qū)的土壤含水量數(shù)據(jù)序列經(jīng)K-S檢驗(yàn)（顯著性為0.826）符合正態(tài)分布，因此，月尺度SSI的值可由下式計(jì)算：

式中：SM代表月尺度土壤含水量的數(shù)值；μ代表月尺度土壤含水量的平均值；σ代表月尺度土壤含水量數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)差。

若SSI的值大于0，則表示濕潤(rùn)；反之，則表示干旱。依據(jù)世界氣象組織（WMO）建議的干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)［16］，即干旱等級(jí)應(yīng)包括輕旱、中旱、重旱以及特旱。若基礎(chǔ)數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布且對(duì)應(yīng)的干旱指數(shù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化操作，則干旱等級(jí)可按1σ、1.5σ與2σ作為分隔點(diǎn)進(jìn)行劃分，故表1 給出了SSI的干旱劃分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)（SSI）干旱等級(jí)劃分表Tab.1 drought classification table of SSI

1.4 趨勢(shì)分析方法

圖1 研究區(qū)地理位置圖（摘自貴州省自然資源廳）Fig.1 Location of Guizhou Province

Mann-Kendall（M-K）檢驗(yàn)方法作為一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn)在于不要求假設(shè)目標(biāo)數(shù)據(jù)符合任何分布，即可對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行長(zhǎng)期變化趨勢(shì)分析，且計(jì)算過程簡(jiǎn)便易行，具體原理可參見文獻(xiàn)［17］。本文采用該方法對(duì)貴州省農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)行長(zhǎng)期趨勢(shì)變化分析，關(guān)鍵在于計(jì)算評(píng)價(jià)M-K 的統(tǒng)計(jì)量Z值。當(dāng)Z>0 時(shí)，代表趨勢(shì)上行；反之，代表趨勢(shì)下行。若∣Z∣>1.64，說明結(jié)果通過了置信水平為10%的顯著性檢驗(yàn)；若∣Z∣>2.32，說明結(jié)果通過了置信水平為5%的顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)的適用性分析

貴州省實(shí)際干旱情況收集自由中國水利部每年定時(shí)發(fā)布的《中國水旱災(zāi)害公報(bào)》，網(wǎng)址為http：∕∕www.mwr.gov.cn∕sj∕tjgb∕zgshzhgb∕，自2019 年起，更名為《中國水旱災(zāi)害防御公報(bào)》。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2009 年至2020 年的12 年間，貴州省共有5 年出現(xiàn)了干旱情況，分別發(fā)生于2009 年、2010 年、2011 年、2012 年及2014年。為了提高標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)在干旱識(shí)別中的靈敏度，以SSI≤-0.5 作為干旱發(fā)生的判別條件，以其持續(xù)的時(shí)間作為干旱歷時(shí)，以其最小值作為干旱強(qiáng)度的判別條件。

貴州省實(shí)際的干旱情況與標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)間的對(duì)比情況如表2 與圖2 所示。由表2 與圖2 可知，采用SSI對(duì)貴州省旱情進(jìn)行識(shí)別的結(jié)果與實(shí)際情況大體相同，不僅干旱歷時(shí)評(píng)價(jià)客觀，且干旱強(qiáng)度也較為準(zhǔn)確。相較之下，SSI對(duì)2009年至2010年的秋冬春三季連旱與2011 年至2012 年的連旱評(píng)價(jià)更為精準(zhǔn)，尤其是在干旱強(qiáng)度評(píng)價(jià)方面優(yōu)勢(shì)明顯，如《中國水旱災(zāi)害公報(bào)》里有3 次明確指出最嚴(yán)重旱情出現(xiàn)的時(shí)間分別為2010 年3月與4 月、2011 年9 月及2012 年3 月，而SSI的最小值對(duì)應(yīng)的時(shí)間亦為2010 年3 月、2011 年9 月及2012 年3 月。上述結(jié)果表明，月尺度標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)對(duì)研究區(qū)的干旱評(píng)價(jià)具有較好的適用性與可信度。

圖2 貴州省標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)月均值時(shí)間序列Fig.2 Time series of monthly SSI in Guizhou Province

表2 標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)（SSI）與實(shí)際旱情對(duì)比統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Comparative statistics between SSI and actual drought

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)監(jiān)測(cè)干旱過程的能力分析

以2009 年9 月至2010 年4 月發(fā)生的秋冬春三季連旱為例，分析月尺度SSI對(duì)干旱全過程的監(jiān)測(cè)能力?！吨袊禐?zāi)害公報(bào)》顯示：貴州省于2009 年9 月中旬開始出現(xiàn)旱情，旱情先發(fā)于貴州省銅仁、遵義、畢節(jié)、黔東南、黔南等地，即貴州省東北部、北部、西北部及東南部，直至2009 年12 月旱情開始蔓延至全省，2010年3月與4月，貴州省西部及南部旱情等級(jí)達(dá)到特旱。

圖3給出了貴州省2009年9月至2010年4月干旱事件演變過程情況。從時(shí)間角度分析，本次旱情從2009 年9 月開始發(fā)生［圖3（a）］，并逐漸加重，直至2010 年3 月達(dá)到峰值［圖3（g），-3.018 5，特旱］，而后旱情有所緩解；從空間角度分析，本輪旱情發(fā)源于貴州省東北部，旱情等級(jí)為重旱，同時(shí)東南部也出現(xiàn)了中旱［圖3（a）］，2009 年11 月旱情蔓延至全省，大部分地區(qū)的旱情等級(jí)為中旱［圖3（c）］，2010 年3 月旱情逐漸加重，西部與南部地區(qū)的旱情等級(jí)普遍達(dá)到特旱，東部地區(qū)的旱情已開始有所減弱。綜上可知，月尺度SSI的時(shí)空演變特征與實(shí)際情況高度一致，唯有旱情蔓延至全省的時(shí)間較實(shí)際情況提前了1個(gè)月，表明標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)能夠有效反映實(shí)際的干旱情況，時(shí)間響應(yīng)及時(shí)、空間表征客觀，是捕捉貴州省旱情時(shí)空發(fā)展規(guī)律的有效指標(biāo)。

圖3 2009-2010年貴州省旱情時(shí)空演變過程Fig.3 Temporal and spatial evolution of drought in Guizhou Province from 2009 to 2010

2.3 貴州省干濕演變趨勢(shì)分析

由于M-K 檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)值Z能夠反映干濕變化趨勢(shì)，Z值為正表示濕潤(rùn)，反之為干旱。為此，圖4 給出了2009 年01 月至2020 年12 月間貴州省SSI的Z值空間分布情況。由圖4 可知，貴州省總體上呈現(xiàn)出了自西向東逐漸由濕變干的總趨勢(shì)。具體表現(xiàn)為：貴州省變濕的地區(qū)主要集中在西北部、西南部等地，且大部分地區(qū)通過了置信水平為10%的顯著性檢驗(yàn)，特別是畢節(jié)地區(qū)通過了置信水平為5%的顯著性檢驗(yàn)；與此同時(shí)，貴州省東南部地區(qū)表現(xiàn)出了變干趨勢(shì)，且部分區(qū)域通過了置信水平為10%的顯著性檢驗(yàn)?？梢?，未來貴州省應(yīng)加強(qiáng)東南部地區(qū)的防旱減災(zāi)工作力度。

圖4 貴州省標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)序列統(tǒng)計(jì)值Z空間分布Fig.4 Spatial distribution of SSI series of Z in Guizhou Province

為了進(jìn)一步為當(dāng)?shù)馗珊殿A(yù)警防治工作提供有效信息，以每年首次出現(xiàn)SSI≤-0.5 的時(shí)間作為干旱發(fā)生月份，統(tǒng)計(jì)了干旱發(fā)生月份與其對(duì)應(yīng)的頻率值，以最大頻率為標(biāo)準(zhǔn)，遴選出各格點(diǎn)干旱最可能開始發(fā)生月份，據(jù)此繪制了貴州省干旱最可能開始發(fā)生月份的空間分布。由圖5 可知，貴州省西北地區(qū)干旱起始時(shí)間主要集中在1 月份，東部及東南地區(qū)干旱起始時(shí)間主要發(fā)生在2 月份，中部地區(qū)干旱起始時(shí)間通常出現(xiàn)在3 月份與4 月份，西南地區(qū)干旱起始時(shí)間大多集中在4月份。

圖5 貴州省干旱最可能開始發(fā)生月份空間分布Fig.5 Spatial distribution of the most likely onset of drought in Guizhou Province

3 討論

由于貴州省是典型喀斯特地貌，導(dǎo)致其土壤水分情況較其他地區(qū)更難探明，進(jìn)而使農(nóng)業(yè)干旱研究進(jìn)程相對(duì)遲緩。為此，本文基于中國陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)土壤水分產(chǎn)品，計(jì)算了月尺度SSI，從SSI與實(shí)際災(zāi)害記錄對(duì)比、SSI監(jiān)測(cè)干旱過程能力以及SSI表征干濕趨勢(shì)變化角度，綜合評(píng)價(jià)了SSI監(jiān)測(cè)貴州省農(nóng)業(yè)干旱的適用性與可靠性，研究成果可為貴州省農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)以及抗旱減災(zāi)工作提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

雖然研究取得了一些成果，但尚有不足。土壤含水量數(shù)據(jù)是基于同化模型模擬所得，空間分辨率僅為0.5°，無法全面刻畫研究區(qū)土壤水分空間分布細(xì)節(jié)信息，今后可采用降尺度等方法提高數(shù)據(jù)精度，以便更準(zhǔn)確、客觀地監(jiān)測(cè)研究區(qū)干旱空間分布情況。另外，基于土壤含水量構(gòu)建的農(nóng)業(yè)干旱指數(shù)種類繁多，本文僅圍繞SSI展開了相關(guān)研究，未對(duì)SSI與其他同類型干旱指數(shù)間的差異性進(jìn)行對(duì)比分析，后續(xù)可就此開展專題討論。

4 結(jié)論

基于中國氣象局全球陸面再分析產(chǎn)品（CMA-RA∕Land）對(duì)貴州省的土壤含水量進(jìn)行了提取處理，并據(jù)此計(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)對(duì)該地區(qū)的農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析。結(jié)果表明：

（1）標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)貴州省近10年的農(nóng)業(yè)干旱情況，可作為研究區(qū)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)干旱的有效指標(biāo)；

（2）標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)在監(jiān)測(cè)重旱以上旱情過程方面能力突出，通過與2009-2010 年秋冬春三季連旱實(shí)測(cè)災(zāi)害記錄對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該指數(shù)在描述農(nóng)業(yè)干旱時(shí)空演變規(guī)律中，時(shí)間響應(yīng)及時(shí)、空間表征客觀；

（3）貴州省干濕演變趨勢(shì)特征明顯，總體上呈現(xiàn)出了自西向東逐漸由濕變干的總趨勢(shì)，尤其是研究區(qū)東南部等地未來發(fā)生干旱的可能性較大，當(dāng)?shù)貞?yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)防旱減災(zāi)工作力度。