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  气象   2013, Vol. 39 Issue (9): 1171-1175.  DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2013.09.012

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谢五三, 田红, 王胜, 等, 2013. 基于CI指数的淮河流域干旱时空特征研究[J]. 气象, 39(9): 1171-1175. DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2013.09.012.
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XIE Wusan, TIAN Hong, WANG Sheng, et al, 2013. Study on Spatial-Temporal Characteristics of Drought in Huaihe River Basin Based on CI Index[J]. Meteorological Monthly, 39(9): 1171-1175. DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2013.09.012.
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资助项目

干旱气象科学研究基金项目(IAM201107) 和淮河流域气象开放研究基金项目(HRM201101) 共同资助

第一作者

谢五三,主要从事极端天气气候事件监测及气候影响评估工作.Email:xiewusan_2008@sina.com

文章历史

2012年6月27日收稿
2013年1月06日收修定稿
基于CI指数的淮河流域干旱时空特征研究
谢五三 , 田红 , 王胜 , 唐为安     
安徽省气候中心,合肥 230031
摘要:本文运用淮河流域170个气象台站1961—2010年共50年逐日气温、降水资料以及历史干旱灾情资料,研究CI指数在淮河流域的区域适应性,并以此为基础运用多种统计方法分析淮河流域近50年的干旱时空特征。结果表明:基于CI指数计算得到的历年干旱日数与受灾面积和成灾面积的相关性通过了0.01的显著性水平检验,表明CI指数在淮河流域具有较好的区域适应性。淮河流域年均干旱日数基本呈纬向空间分布,流域北部多于南部;流域东部和西部的干旱日数略有增多趋势,而中部和北部的干旱日数有减少趋势,但均未通过0.05的显著性水平检验;EOF前3个模态累积方差贡献达94.4%,前3个分布型依次为全流域干旱日数一致多或少型、南北相反型以及东西相反型;1961年以来干旱日数共经历了由少到多4个循环交替,目前正处于相对偏少期;M-K突变检验表明近50年来淮河流域干旱日数没有明显的突变。
关键词CI指数    干旱特征    适应性    淮河流域    
Study on Spatial-Temporal Characteristics of Drought in Huaihe River Basin Based on CI Index
XIE Wusan, TIAN Hong, WANG Sheng, TANG Weian    
Anhui Climate Centre, Hefei 230031
Abstract: By using daily precipitation and temperature data in 170 meteorological stations and historical drought disaster information in the Huaihe River Basin from 1961 to 2010, this paper studies the adaptability of the CI index, and then analyzes the spatial-temporal characteristics of drought in the recent 50 years with a variety of statistical methods. The results show that the correlation coefficient between drought days calculated by CI index and drought disasters has past the 0.01 significance level test, indicating that the CI index has good regional adaptability in the Huaihe River Basin. The spatial distribution of the average drought days which descends from north to south is latitudinal. The trend of drought days ascends in the east and west, and descends in the central and north of the basin, but they all have not passed the 0.05 significance level test. The cumulative percent variance of the EOF first three modes reaches 94.4%, the first distribution pattern is consistent within the whole basin, the second is contrary between south and north, and the third is contrary between east and west. The drought days have experienced four circulations since 1961, and now are in the period less than normal. The Mann-Kendall mutation test shows that there is no obvious mutation point of drought days in the Huaihe River Basin in the recent 50 years.
Key words: CI index    drought characteristics    adaptability    Huaihe River Basin    
引言

在气候变暖背景下,干旱是我国主要的自然灾害之一,其特点是发生频率高、影响范围大、持续时间长(叶笃正等,1996邹旭恺等,2008王晓敏等,2012),如2008年底至2009年初,30年未遇的秋冬连旱袭击我国北方冬麦区,造成严重的经济损失。近年来,国内外不少专家和学者致力于干旱指标、区域干旱气候特征、干旱监测诊断及预警技术的研究(侯威等,2012杨小利,2007赵一磊等,2013),张存杰等(1998)根据旱涝实际分布概率对Z指数界限值进行了修正并以此研究出我国西北地区的旱涝变化;鞠笑生等(1998)利用干旱指数研究我国华北地区和长江流域的旱涝特征;吴洪宝(2000)利用NCEP/NCAR资料以及我国160站近50年气温和降水资料研究指出中国东南部夏季干旱指数的变率可分为4个型并阐述了各干旱型与夏季风之间的关系;白永清等(2010)运用标准化降水指数(SPI)研究出我国南方干旱的强度及周期等特征;李永华等(2006)在Z指数的基础上定义一种区域旱涝指标并研究出重庆旱涝气候变化特征;刘惠敏等(2010)利用MODIS资料开展安徽省晴空遥感干旱监测研究。国家气候中心于2006年制定发布了《气象干旱等级》国家标准(张强等,2006),给出了综合气象干旱指数(CI指数)的计算公式及各干旱等级标准,目前针对CI指数在我国的干旱监测区域适应性的研究还相对较少。淮河流域地处我国南北气候过渡带,气候条件复杂,水旱灾害频繁(吴永祥等,2011),因此基于CI指数研究淮河流域的干旱时空分布特征是很有意义的。

1 资料与方法

本文选用淮河流域170个气象台站1961—2010年共50年逐日气温和降水资料,气象站点分布见图 1,由图可见,流域四省(河南、安徽、山东和江苏)内的气象站点分布均匀,资料具有代表性,满足研究需要。

图 1 淮河流域气象台站分布图 Fig. 1 Distribution of meteorological stations in Huaihe River Basin

干旱指标采用《气象干旱等级》国家标准(张强等,2006)中给出的综合气象干旱指数(CI指数),它是利用近30天(相当月尺度)和近90天(相当季尺度)标准化降水指数,以及近30天相对湿润度指数综合而得,该指数既反映短时间尺度(月)和长时间尺度(季)降水量气候异常情况,又反映短时间尺度(影响农作物)水分亏欠情况,CI的计算见下式:

$ CI = a{Z_{30}} + b{Z_{90}} + c{M_{30}} $

式中:Z30Z90分别为近30天和近90天标准化降水指数SPI值;M30为近30天相对湿润度指数。基于CI指数计算淮河流域170个国家气象站近50年的逐日气象干旱值并建立时间序列,利用淮河流域历史典型大旱年灾情资料以及历年旱灾受灾面积和成灾面积对比分析CI指数在淮河流域的适用性,再运用趋势分析、EOF分析、小波分析及Mann-Kendall(M-K)检验(魏凤英,2007)等多种统计方法研究淮河流域近50年的干旱时空特征。

2 CI指数的适应性分析

利用淮河流域170个国家气象站逐日气温和降水资料及CI指数计算公式,计算淮河流域各站1961—2010年逐日CI指数值,根据气象干旱等级国标规定,当CI指数连续10天为轻旱以上等级,则确定为发生一次干旱过程(张强等,2006),干旱过程开始到结束期间的时间为干旱持续天数,提取淮河流域各站近50年的所有干旱过程,进而计算得到淮河流域1961—2010年逐年干旱日数演变图(图 2)。由图可见,淮河流域典型旱年有1966、1968、1976、1978、1981、1986、1988、1995、1997、1999和2001年等,查阅中国气象灾害大典河南卷(温克刚等,2007b)、安徽卷(温克刚等,2007d)、山东卷(温克刚等,2007c)和江苏卷(温克刚等,2007a)有关淮河流域历史干旱灾情记录可知,这与淮河流域历史典型旱年非常吻合,表明CI指数能较好地诊断出淮河流域典型旱年。

图 2 淮河流域近50年干旱日数历年演变 Fig. 2 Evolution of drought days in Huaihe River Basin in the recent 50 years

为了更好地了解CI指数在淮河流域的适应性,从安徽水旱灾害(安徽省水利厅,1998) 中收集到安徽省淮河流域1961—1994年共34年的历年干旱受灾面积和成灾面积。为使资料相互匹配,从淮河流域170站中相应提取出安徽省境内的所有气象台站,统计1961—1994年历年干旱日数,并与干旱受灾面积和成灾面积对比见图 3。由图可见,干旱受灾面积和成灾面积较重的年份与干旱日数较多的年份较为吻合,计算其相关系数可知,干旱日数与受灾面积和成灾面积的相关系数分别为0.48和0.54,通过了0.01的显著性水平检验,表明CI指数在淮河流域干旱监测中有较好的适应性。

图 3 安徽省淮河流域1961—1994年历年干旱日数与干旱灾情对比 Fig. 3 Comparison of drought days and drought disasters in Huaihe River Basin in Anhui Province from 1961 to 1994
3 干旱的时空特征分析 3.1 空间分布

根据干旱过程的定义,提取淮河流域各站1961年以来所有的干旱过程,进而计算得到各站近50年年均干旱日数空间分布(图 4)。由图可见,淮河流域年均干旱日数基本呈纬向空间分布,流域北部多于南部,南北相差2倍多,其中北部年均干旱日数140~155 d,南部65~100 d,其他地区100~140 d。

图 4 淮河流域近50年年均干旱日数空间分布(单位:d) Fig. 4 Spatial distribution of annual average drought days in Huaihe River Basin in the recent 50 years (unit: d)
3.2 趋势分析

对淮河流域170站各站50年干旱日数进行线性趋势分析,得到淮河流域1961—2010年干旱的气候变化趋势(图 5)。由图 5可见(虚线表示减少趋势,实线表示增多趋势),流域东部和西部的干旱日数略有增多趋势[1~6 d·(10 a)-1],流域中部和北部的干旱日数有减少趋势[1~12 d·(10 a)-1];趋势系数(阴影部分)表明,流域所有台站气候变化趋势均未通过0.05的显著性水平检验,表明淮河流域各地的干旱日数增多或减少趋势不显著。

图 5 淮河流域干旱日数线性倾向(单位:d·a-1)及趋势系数 Fig. 5 Linear trend (unit: d·a-1) and trend coefficient of drought days in Huaihe River Basin
3.3 EOF分析

为了解淮河流域干旱的空间分型,对淮河流域170个气象台站1961—2010年共50年的干旱日数作EOF分析,EOF展开前3个模态方差贡献见表 1

表 1 EOF前3个模态的方差贡献(单位:%) Table 1 Variance contribution of the EOF first three modes (unit: %)

前3个模态的空间分布及时间系数见图 6,由第一模态(图 6a1)可知,全流域一致为正,表明淮河流域干旱日数分布一致多或少,其空间分布基本呈纬向,数值上北部大于南部;第二模态(图 6b1)零线横向从中间将淮河流域分为南北两部分,北部为负,南部为正,数值相当,表明淮河流域南部和北部干旱日数呈相反的分布型式,北多(少)南少(多);第三模态(图 6c1)零线纵向从中间将淮河流域分为东西两部分,东部为负,西部为正,数值相当,表明淮河流域干旱日数还有东多(少)西少(多)的分布型。

图 6 淮河流域干旱日数EOF前3个模态的空间分布(a1, b1, c1)及时间系数(a2, b2, c2) Fig. 6 Spatial distributions (a1, b1, c1) and time coefficients (a2, b2, c2) of the EOF first three modes of drought days in Huaihe River Basin
3.4 小波分析

小波变换方法是一种时频分析方法,既可以了解时间序列不同时间的频率特征,又可以了解不同频率的时间分布特征。图 7为淮河流域干旱日数的小波变换图(虚线为负值,实线为正值,阴影部分为通过0.05的显著性水平检验的区域,粗虚线为边缘效应线),由图可见,6~8 a的周期较为明显;此外,在20世纪90年代之前,10~12 a也是一个较为明显的周期;在10~12 a的时间尺度上,1961年以来淮河流域干旱日数经历了由少到多共4个循环交替,1965—1969、1976—1978、1986—1989和1994—2002年为干旱期,由图中的0线可推知,目前淮河流域干旱日数处于相对偏少期。

图 7 淮河流域干旱日数小波变换 Fig. 7 Wavelet transform of drought days in Huaihe River basin
3.5 突变检验

Mann-Kendall(M-K)检验是一种非参数统计检验方法,当UF(正序列)值大于0表明序列呈上升趋势,小于0则表明呈下降趋势,当它们超过0.05显著性水平检验的临界线时(±1.96线),则上升或下降趋势显著。对淮河流域1961—2010年干旱日数做M-K突变检验,结果表明(图 8):UF线于20世纪90年代之前在0线上下波动,没有明显的增多或减少趋势,90年代之后略有增多趋势,但未通过0.05的显著性水平检验;由UF、UB(逆序列)及±1.96显著线可知,1961年以来淮河流域干旱日数没有明显的突变。

图 8 淮河流域干旱日数M-K突变检验 Fig. 8 Mann-Kendall mutation test of drought days in Huaihe River Basin
4 结论与讨论

(1) 本文基于CI指数及淮河流域170个国家气象站逐日气温和降水资料,计算得到淮河流域历年干旱日数演变,利用流域4省的灾害大典有关流域历史干旱灾情记录以及安徽省淮河流域共34年的干旱受灾面积和成灾面积检验表明,CI指数在淮河流域干旱监测中有较好的区域适应性。

(2) 淮河流域年均干旱日数基本呈纬向空间分布,流域北部多于南部,其中北部年均干旱日数140~155 d,而南部仅为65~100 d,南北相差2倍多。干旱日数的线性趋势表明:流域东部和西部的干旱日数略有增多趋势,而中部和北部的干旱日数有减少趋势,但均未通过0.05的显著性水平检验。

(3) EOF前3个模态累积方差贡献达94.4%,前3个分布型依次为全流域干旱日数一致多或少型、南北相反型以及东西相反型。干旱日数6~8 a的周期较为明显,此外,在20世纪90年代之前,10~12 a也是一个较为明显的周期;1961年以来干旱日数共经历了由少到多4个循环交替,目前处于相对偏少期。M-K突变检验表明近50年来淮河流域干旱日数没有明显的突变点,在20世纪90年代之后存在不显著的增多趋势。

干旱是一个非常复杂的科学问题,它与大气环流、下垫面、农作物、土壤以及人工措施等多方面因素有关。淮河流域气候条件、地形地貌、土壤类型以及农作物等状况复杂,旱灾频繁,要更深入地了解流域的干旱灾害,需要结合流域下垫面状况、季节因素、农作物生育期及防汛抗旱设施等因素,这有待于更进一步的研究。

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