淮河流域过去60年干旱趋势特征及其与极端降水的联系_刘可晶

x
1
( )
0 x
x
α - 1 -x/β
e
dx
（2）
令 t = x/ β ，式 （2） 可变为不完全的 gamma 方程
G (x ) = 1 Γ α
( )
0 t
α - 1 -t
e dt
（3）
其中，q 为降水量为 0 的概率，即降水量为 0 的观测数在总序列中的比例。 将H （x） 通过下式转换为标准正态分布函数，即得到 SPI：
（4）
SPI 所反映的旱涝等级见表 1。
等级 1
表1
2
SPI 表示的旱涝等级划分
（1，1.5） 轻涝 3 4
［4］
标准化降水指数 SPI 类型
重涝
>2
（1.5，2） 中涝
（-1，1） 正常
（-1.5，-1） 轻旱
5
（-2，-1.5） 中旱
6
<-2.00 重旱
7
2.2
湿润指数
湿润指数 HI 反映的是降水与地表潜在蒸散发量的比值关系，其计算公式为：
x ∞
标准化降水指数 SPI 是实测降水量相对于降水概率分布函数的标准偏差。假
å ln( x ) ，其中 n 为计算序 1 + 1 + 4A/3 ， β = x ， A = ln ( x ˉ)n 4A α
α
从而，该时间尺度降水量 x 的累积概率为
G ( x ) = 0 g ( x )dx =
β Γ α
（10）
行了评级 （见表 1） ，以 0.05、0.20、0.50 及 0.65 作为极干旱、干旱、半干旱、半湿润与湿润带之间 的界线。本文中采用此标准进行农业干旱程度划分。
联合国环境署全球环境监测系统 （UNEP/GEMS） 1992 年根据年尺度 HI 指数对全球地表湿润程度进
3
淮河流域气象干旱与农业干旱趋势分析
通讯作者：王文 （1967-） ，男，江苏姜堰人，教授，博士生导师，主要从事水文学与水文遥感研究。E-mail：w.wang@
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2
研究方法
干旱事件及其程度可以通过水分短缺状况的干旱指数来确定。由于降水是影响干旱的主要因
素，而且降水指标简单、直观、资料充足，因此降水指标是最重要的干旱指数，常用的有降水距平
表 2 3 个月尺度 SPI 的 MK 检验结果
站点 开封 郑州 许昌 宝丰 西华 亳州 驻马店 阜阳 信阳 寿县 固始 六安 霍山 兖州 商丘 砀山 徐州 宿州 蚌埠 盱眙 高邮 沂源 莒县 日照 赣榆 淮安 射阳 东台 -0.106 -0.119 -0.137 -0.015 -0.004 -0.020 -0.036 -0.136 0.060 0.019 0.119 -0.133 -0.013 -0.026 -0.011 0.030 0.116 0.073 0.079 0.015 1 0.020 -0.097 -0.021 -0.129 0.129 0.036 -0.067 0.066 -0.057 0.075 0.103 0.015 -0.134 0.010 2 3 -0.085 -0.125 -0.098 -0.126 -0.151 -0.122 -0.142 -0.064 -0.048 -0.094 -0.026 -0.053 -0.155 -0.073 -0.097 -0.089 -0.079 -0.086 -0.012 -0.095 -0.110 -0.067 -0.072 -0.015 -0.046 -0.053 -0.053 -0.183* 4 0.035 0.032 5 -0.035 -0.039 -0.003 -0.008 -0.070 -0.080 -0.014 -0.069 -0.039 -0.084 -0.095 0.045 0.027 0.017 -0.017 0.031 0.092 0.043 0.071 0.099 0.023 6 0.087 0.042 0.123 0.137 0.039 0.083 0.018 0.006 0.048 0.049 0.025 -0.054 -0.041 0.034 0.030 0.117 0.018 0.090 -0.051 -0.159 0.026 0.158* 0.172* 7 0.018 0.044 0.016 0.142 0.108 0.027 0.052 0.038 0.032 0.094 0.068 0.106 -0.062 -0.009 -0.065 0.159 0.024 0.089 0.136 0.124 0.077 -0.122 -0.206 0.042 8 0.046 -0.020 0.108 0.019 -0.005 0.125 -0.054 -0.006 -0.043 0.017 -0.089 0.003 -0.131 0.015 0.071 0.057 0.090 0.055 0.032 0.081 0.017 0.018 0.055 0.090 0.015 0.103 0.026 0.033 9 10 -0.036 -0.018 -0.106 -0.013 -0.051 -0.001 -0.008 -0.038 -0.125 -0.096 -0.031 -0.036 -0.101 0.002 0.026 0.017 11 -0.122 -0.146 -0.049 -0.127 0.037 0.024 0.088 0.009 0.002 12
淮河流域跨河南、安徽、江苏和山东 4 省，属暖温带半湿润季风气候，流域面积约 27 万 km ，年
2
平均降雨量约 900mm，降雨集中于 6—9 月，流域上游汇水面积大，中下游地势低洼。本文按地理位 置及水系分布特点分为 3 个部分，即：蚌埠站以上部分、蚌埠站与淮安站之间部分、淮安站以下部 以来到 2011 年的地面气候资料月值数据集气象数据集，包括降水、平均气温、平均最高气温、平均 最低气温、最大日降水量、日降水量≥0.1mm 日数、平均相对湿度和日照时数数据。流域范围、分 区与气象站分布见图 1。 3.1 标准化降水指数 SPI 表征的气象干旱特征 由各站的日降水资料得到逐年各月降水序列，计算
［4］
百分率、降水 Z 指数、标准化降水指数 （SPI） 和 PDSI 等。PDSI 考虑因子全面，但计算较为复杂，需要 资料较多。McKee 等提出的 SPI 只需要降水量即可计算 ；Guttman 指出 SPI 可以更好地表现出干旱的 地区差异性［5］。农业干旱指数除了考虑降水因素还要考虑地表因素，很多研究者采用了地表干燥或水 分平衡状况的指标作为农业干旱指标。本文采用 SPI 作为气象干旱的变化特征，采用湿润指数 （HI） 并对比分析二者之间的相关性。 2.1 标准化降水指数
分。使用流域内 28 个国家基本气象站 （区内临沂等站因记录缺失严重未使用） 建站 （约 1951—1958 年）
得到不同时间尺度 （1 月、2 月、3 月、6 月、12 月） 的 SPI 指数序列，用 MK 检验分析各月不同尺度 SPI 的趋势性。限于篇幅，仅在表 2 列出了所有站点的 3 个月尺度 SPI 的 MK 检验结果。下面对 1 个月、3 个月和 12 个月尺度 SPI 的 MK 检验结果进行分析。 在 1 个月时间尺度上，有 2 个时间段——即春季的 3—4 月及春未夏初 5—8 月——的 SPI 值具有全
：
（7） （8）
N 和 RA 可由太阳常数、日期、站点纬度等计算得到。 ：
4 éT + T min ù R æ ö R nl = σ ê 0.34 - 0.14 ea ç1.35 S - 0.35 ÷ （9） ú ê ú 2 R SO è ø ë û 式中： σ 为斯蒂芬 - 波尔兹曼常数； ea 为实际水汽压； Tmax、 Tmin 分别为最高、最低温度 （单位为 K） ；
WMO 对 PET 的定义为：充分供水条件下的全植被覆盖地面的蒸散发量 。与 SPI 相似，可以利用
由饱和水汽压对温度求导得出；γ为湿度计常数；λ为水的蒸发潜热；Rn 为净辐射；G 为土壤热通量。 净辐射 Rn 由短波辐射和长波辐射组成： Rns 为净短波辐射，使用 FAO 推荐的公式和参数计算
R n = R ns - R nl
(
)
RSO 为睛空条件下的地面太阳辐射。
在月尺度上，某个月 i 的日平均土壤热通量 Gi 采用下式估算 ： 其中 Ti-1、Ti、Ti+1 分别为第 i-1、i、i+1 个月的平均摄氏气温。
［6］
［10］
Gi = 0.07(Ti + 1 - Ti - 1)或Gi = 0.14 (Ti - Ti - 1)
［3］ ［2］ ［1］
北方地区湿润指数、Palmer 干旱指数 （PDSI） 和反演的土壤湿度，通过这 3 个指标和来干湿变化的时空结构；Sheffield 等 分析了 1950—2000 年间全球陆 面的干旱特征，表明全球总体上略呈变湿趋势，尤其是北美地区，但欧洲及东南亚等地区没有显著 变化，而西非等地则有变干的趋势。这些研究揭示了干旱与气候背景之间的联系及部分干旱时空变 化的规律，同时反映出干旱演变过程的时空复杂性及地域差异性。 本文将以中国大陆地区的一个典型流域——淮河流域为研究对象，分析该地区 28 个国家基本气
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H= P P ET
（5）
［9］
式中：P 为降水观测值；PET 为潜在蒸散量。
月降水与潜在蒸发量序列，在不同时间尺度上 （1 月、3 月、6 月、12 月等） 计算 HI。这里采用 Priest⁃ ley-Taylor 公式［10-11］估算各月的日平均 PET，其表达式为：
æ ö E = α ç Δ ÷ ( R n - G ) /λ （6） èΔ+γ ø 式中：α为 Priestley-Taylor 系数，对于充分供水的下垫面，α取值为 1.26；Δ为饱和水汽压曲线斜率，
摘要：利用淮河流域 28 个国家基本气象站建站 （约 1951—1958 年） 以来至 2011 年间的月值地面气象观测数据，分 析了近 60 年来干旱的趋势特征以及极端降水特征对干旱特征的影响。对不同时间尺度 （1 月、3 月、12 月） 的标准 象干旱化与湿润度下降倾向，而夏季 （尤其是 7—8 月） 有较一致的湿润化趋势；在 12 个月尺度上，流域中、西部 化降水指数 SPI 及湿润指数 HI 的变化特征分析表明，在 1 个月和 3 个月尺度上，春季 （尤其是 4 月） 有较一致的气 没有显著的气象干湿变化趋势，但西部有普遍湿润化倾向，东部则同时存在气象干旱化与湿润度下降倾向。由于 全流域总降水量无显著变化，而潜在蒸散发量呈减少趋势，使得淮河流域在过去 60 年间湿润指数 （HI） 总体有所 水的集中程度与标准化降水指数 （SPI） 具有一定的负相关性，因而降水更集中使 SPI 趋于减小，加大发生气象干 旱的可能性。 关键词：干旱；标准化降水指数；湿润指数；极端降水 中图分类号：P426.616 文献标识码：A 增大。由于整个淮河流域的日降水量≥0.1mm 日数总体呈显著下降趋势，导致降水总体有更加集中的趋势，而降