基于综合气象干旱指数的海南岛干旱特征分析

收稿日期：2018－07－31基金项目：海南省气象局项目（HNQXJS201605）作者简介：张亚杰（1987－），男，河南登封人，硕士，工程师，研究方向：气象灾害研究，E-mail ：zhyajie87@163．com 第37卷第1期海南大学学报自然科学版Vol．37No．12019年3月NATUＲAL SCIENCE JOUＲNAL OF HAINAN UNIVEＲSITY Mar.2019文章编号：1004－1729（2019）01－0041－10基于综合气象干旱指数的海南岛干旱特征分析张亚杰1，3，陈升孛2，3，吴胜安1，3，邢彩盈1，3（1．海南省气候中心，海南海口570203；2．海南省气象服务中心，海南海口570203；3．海南省南海气象防灾减灾重点实验室，海南海口570203）摘要：基于海南岛18个国家气象站1960 2017年逐日气温和降水资料，对比分析改进前后的综合气象干旱指数在海南地区的适用性，统计了各地区年、季干旱发生频率、日数、强度和覆盖范围，分析了海南岛干旱的时空分布特征．结果表明：改进后的CInew 指数在不同地区3次典型干旱过程的监测中，显著减少了不连续旱情加重现象；海南岛各市县年干旱发生频率在47% 74%之间，呈现西高东低的分布特征；年干旱日数在56 104d 之间，呈西南部沿海多、中部少的分布特征；年干旱强度在－209 －123之间，呈现西南部沿海强、中东部弱的分布特征．季节干旱发生频率、日数、强度均为春季最严重，冬季次之，夏、秋季较弱．全年发生大范围干旱的年份有9年，1969、1977、1979和2004年干旱覆盖范围达到100%．关键词：干旱；综合气象干旱指数；干旱特征；海南岛中图分类号：P 429文献标志码：ADOl ：10．15886/j．cnki．hdxbzkb．2019．0007海南地处热带，属季风海洋性气候，水汽来源充足，是同纬度世界上降水量最多的地区之一，但时空分布不均，干湿季分明．旱季为11月 翌年4月，雨季一般出现在5 10月，雨季由于降水时空分布不均，时有夏旱或秋旱现象［1］．干旱是海南出现频率高、影响范围广、持续时间最长的气象灾害，对工农业生产和人民生命财产有严重危害［2－3］．为开展干旱监测和评估工作，国内外学者发展了大量的气象干旱指数［4］，常用的气象干旱指数有帕默尔干旱指数［5］、降水距平百分率［6］、标准化降水指数［7］、相对湿润度指数［8］、Z 指数［9］和综合气象干旱指数（CI ）［10］等．但由于干旱形成机制复杂，影响广泛，具有普适性的干旱指数并不存在，不同干旱指数各有优缺点．目前，气象干旱监测业务中常用的为CI 指数，该指数不仅考虑了不同时间尺度（月、季）降水量异常对当前干旱的累积效应，还考虑了降水和蒸发对干旱的影响［10］，在各省气象部门干旱实时监测评估中得到了推广使用．近年来，国内学者在河南、新疆、安徽、福建、贵州、河北、甘肃、湖南等省，以及淮河流域、渭河流域、黄土高原等区域对CI 指数的业务应用、改进方法及适用性进行了较多研究［11－28］．结果表明，CI 指数具有较广泛的适用性，较只考虑单一降水因子的干旱指数具有较大的优越性，但在干旱过程监测中会出现不连续旱情加重现象［15－18］．海南省在干旱监测和评估方面研究较少，已有的相关研究［3，29－30］中采用的干旱监测指标均为单一的降水因子指标，未考虑蒸发的影响．因此，笔者利用海南岛18个气象台站1960 2017年逐日气温和降水资料，通过引入不等权重思想［16］改进CI 指数，分析研究干旱发生频率、强度的时空演变特征及变化趋势，并采用累积频率法［14］修正干旱指数阈值，研究适用于海南的气象干旱指数，旨在克服传统CI 指数存在的问题，寻求适用于海南的气象干旱指数，为海南省的气象干旱监测、预测、预警及抗旱减灾提供科学依据．1资料与方法1．1资料文中所用资料为海南岛1960 2017年18个国家气象站逐日气象观测数据，包括日降水量、日平均气温等要素，资料来源于海南省气候中心．1．2综合气象干旱指数及改进方法综合气象干旱指数（CI）是利用近30d（相当月尺度）和近90d（相当季尺度）降水量标准化降水指数，以及近30d相对湿润指数进行综合计算而得．该指标既反映短时间尺度（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．指标既适合实时气象干旱监测又可以进行历史同期气象干旱评估［10］．参考国家标准气象GB/T20481—2006气象干旱等级标准，计算综合气象干旱指数．为了克服CI指数在气象干旱实时监测中存在的不连续旱情加重问题，采用降水量不等权重累计的思路改进CI指数［16－17］，即在计算过去30d、90d SPI及30d MI时，总降水量的计算不是逐日降水量等权重的累加，而是采用线性递减的方法给逐日降水量赋予不同的权重，越靠近监测日的降水量对当前干旱缓解作用越大，赋予的权重也越大，而随着时间的向前推移，过去的降水对当前的干旱缓解作用逐渐减小，移出30d或90d范围后，权重为0，CInew=aSPI30new +bSPI90new+cMI30new，（1）其中，SPI30new，SPI90new分别为按照不等权重思路，采用线性递减权重方案计算的近30d和近90d标准化降水指数SPI值；MI30new为按照不等权重思路，采用线性递减权重方案计算的近30d相对湿润度指数；a 为SPI30new系数，平均取0．4；b为SPI90new系数，平均取0．4；c为MI30new系数，平均取0．8．1．3干旱指数阈值修正根据国家标准GB/T20481—2006气象干旱等级标准中给出了5个干旱等级所对应的综合气象干旱指数阈值，结合改进后的CInew指数，采用常用的累积频率法，对干旱指数阈值进行修正．1．4干旱过程的确定和评价当气象干旱指数连续10d为轻旱以上等级，则确定为发生一次干旱过程．干旱过程的开始日为第1天干旱指数达到轻旱以上等级的日期．在干旱发生期，当干旱指数连续10d为无旱等级时干旱解除，同时干旱过程结束，结束日期为最后1次干旱指数达到无旱等级的日期．干旱过程开始到结束期间的时间为干旱持续时间．干旱过程内所有天的干旱指数为轻旱以上的干旱等级之和，其值越小干旱过程越强．当评价某时段是否发生干旱事件时，所评价时段内必须至少出现1次干旱过程，并且累计干旱持续时间超过所评价时段的1/4时，则认为该时段发生干旱时间，其干旱强度由时段内干旱指数值为轻旱以上等级之和确定．笔者主要以年和季节作为研究时段，季节定义为：3 5月为春季，6 8月为夏季，9 11月为秋季，12月 翌年2月为冬季．1．5干旱发生频率计算分年、季节按站点统计有干旱事件发生的年份，统计标准为在当年或季节中至少出现1次干旱过程则确定该时段内发生了干旱事件，干旱发生频率，P=nNˑ100%，（2）其中，n为实际有干旱事件发生的年数，N为统计样本年数．1．6干旱覆盖范围按年、季节统计每年发生干旱事件的站点数量，计算其占总站点数的百分比．发生大范围干旱定义为90%以上站点发生轻旱以上等级的干旱事件．2结果分析2．1CInew与CI计算结果的比较选取海口、三亚、东方3个站干旱持续时间较长的典型干旱过程分析CI和CInew指数对干旱过程的描述能力．图1 3分别为海口、三亚和东方CI和CInew对干旱过程的逐日监测结果．从图1 3中可以看出，在持续无雨或少雨情况下，改进后的CInew指数监测的干旱演变过程相对平缓，未出现不连续旱情加重和监测曲线波动现象，基本反映出干旱逐渐发生发展的过程．CI指数则出现了不连续旱情加重现象，如海口2004年9月26日CI指数为－0．4（无旱等级），27日突变为－1．6（中旱等级）；三亚2005年2月22日CI指数为－1．7（中旱等级），23日突变为－2．6（特旱等级）；东方2010年3月25日CI指数为－1．6（中旱等级），26日突变为－2．4（特旱等级）．在无明显降水的情况下，CI指数监测曲线会出现波动，甚至出现干旱不合理减轻的现象，如2005年1月16日 1月22日，海口无24海南大学学报自然科学版2019年降水，但CI 指数从－1．5缓慢升至－1．1；2004年10月4日 11月2日，三亚无降水，CI 指数从－1．0降至－3．0；2010年11月16日 12月4日，东方无降水，CI 指数从－1．7缓慢升至－1．1．总体来说，改进后的CInew 指数比CI 指数更能准确反映干旱发生发展的机制．34第1期张亚杰等：基于综合气象干旱指数的海南岛干旱特征分析2．2CInew 指数阈值修正根据式（1）计算各气象站CInew 指数，将海南岛18个气象站57年38万多个样本数据进行排序，按照不同干旱等级累计频率［14］，计算出CInew 指数各个干旱等级所对应的阈值．CI 指数和修正后CInew 指数阈值见表1．文采用改进后的CInew 指数及其干旱等级阈值进行海南岛干旱时空特征分析评估．表1干旱指数等级的划分等级类型CI CInew 1无旱－0．6＜CI －0．3＜CInew 2轻旱－1．2＜CI ≤－0．6－1．9＜CInew ≤－1．33中旱－1．8＜CI ≤－1．2－2．4＜CInew ≤－1．94重旱－2．4＜CI ≤－1．8－3．0＜CInew ≤－2．45特旱CI ≤－2．4CInew ≤－3．02．3干旱发生频率图4为1961 2017年海南岛各市县年干旱发生频率分布图．由图4可知，海南岛干旱发生频率呈现西高东低的分布特征，其中，西部的东方干旱发生频率最高，达到74%；其次为乐东，发生频率为64%；海口、临高、澄迈、儋州、白沙、昌江、五指山、三亚、陵水、万宁干旱发生频率在51% 60%；其余市县干旱发生频率较低，其中屯昌和琼中干旱发生频率最低，只有47%．图5为1961 2017年海南岛各季节干旱发生频率分布图．春旱的发生频率在50% 70%之间，整体呈南高北低的分布特征．其中，西部和南部大部分地区在60%以上；北部和东部的大部分地区在51% 60%之间；乐东最高，达70%，文昌最低，为50%．夏旱的发生频率在23% 65%之间，整体呈西部和东部沿海较高的分布特征．其中，西部东方发生频率最高，达65%；定安和保亭发生频率较低，低于30%；其余地区均在31% 50%之间．秋旱的发生频率在28% 56%之间，空间分布差异不大．冬旱的发生频率在35% 57%之间，整体呈南高北低的分布特征．其中，西南部大部分地区发生频率在51% 60%之间，以乐东最高，达57%；东北部大部分地区发生频率在31% 50%之间，以琼中和屯昌最低，为35%．由此可见，海南岛西部和南部为季节干旱高发区，主要发生在春季和冬季，部分地区干旱频率高达70%，秋季发生频率最低．2．4干旱日数图6为1961 2017年海南岛各市县年平均干旱日数分布图．由图6可知，西部东方年平均干旱日数最多，达到104d ；其次为南部三亚、乐东和陵水，在81 90d 之间；屯昌和琼中最少，低于60d ；其余市县在61 80d 之间．总体来看，海南岛年平均干旱日数呈现西南部沿海地区多，中部少的分布特征，除屯昌和琼中外，其余市县年平均干旱日数均在60d 以上．44海南大学学报自然科学版2019年图7为1961 2017年海南岛各季节平均干旱日数分布图．春旱的平均干旱日数在21 32d 之间，空间分布差异不大，西部东方最多，达32d ，海口和屯昌最少，为21d．夏旱的平均干旱日数在10 26d 之间，空间分布差异不大，西部东方最多，达26d ，保亭最少，为10d．秋旱的平均干旱日数在11 24d 之间，空间分布差异不大，西部东方最多，达24d ；其次为南部乐东，为20d ；其余市县低于20d ，以琼中最低，为11d．冬旱的平均干旱日数在18 30d 之间，空间分布差异不大，南部三亚最多，达30d ，琼中和屯昌最少，为18d．综上所述，海南岛各季节干旱日数空间分布差异较小，西部和南部较多，主要集中在春季和冬季，夏季最少．54第1期张亚杰等：基于综合气象干旱指数的海南岛干旱特征分析2．5干旱强度图8为1961 2017年海南岛各市县年平均干旱强度分布图．由图8可知，海南岛年平均干旱强度呈现西南部沿海较强，中东部较弱的分布特征．西部东方年平均干旱强度最强，小于－200；南部三亚、乐东、陵水较强，在－179 －170之间；其余市县较弱，均大于－160，以琼中最弱，仅－123．图9为1961 2017年海南岛各季节平均干旱强度分布图，季节强度表现为春季强于冬季，夏季最弱．春旱的平均干旱强度在－63．6 －47．7之间，整体呈西南部强，北部弱的分布特征．其中，西南部乐东、东方、三亚干旱强度较强，小于－60；其余市县大于－60，以白沙、定安、琼中、屯昌、海口较弱，大于－50．冬旱的平64海南大学学报自然科学版2019年均干旱强度在－58．1 －39．6之间，整体呈现南强北弱的分布特征．其中，南部冬旱最强普遍小于－50，以乐东最强，达－58．1；北部大于－50，以琼中最弱，为－39．6．秋旱的平均干旱强度在－51．7 －28．1之间，整体呈现北部和西南部沿海较强的特征．其中，西南部东方、乐东、三亚、陵水和北部临高、定安、海口、澄迈秋旱强度较强，在－49．9 －40．0之间；其余大部分地区强度大于－40，以琼中最弱，大于－30．夏旱的平均干旱强度在－56．0 －24．0之间，空间分布差异不大．其中，西部东方夏旱最强，平均强度小于－50；其次为万宁、三亚，在－49．9 －40．0之间；其余市县大于－40，以保亭最弱，为－24．0．2．6干旱覆盖范围图10为海南岛1961 2017年干旱覆盖范围年际变化图，可以看出，近57年来，海南岛干旱覆盖范围每10年减少3．6%，变化趋势不明显；每年均有部分地区发生不同程度的干旱事件，50%以上站点发生干旱事件的年份达到32年，发生大范围干旱的年份有9年，分别为1969、1970、1977、1979、1987、1991、2004、2005和2015年．其中1969、1977、1979和2004年全岛干旱覆盖范围达到100%，各站均出现不同程度气象干旱．这与文献［2，29］记载，海南岛自1968年入冬以来降雨较少，特别是南部地区基本无雨，1969年5月全岛普遍出现干旱灾情；1977年海南岛出现历史上罕见的大旱，从1976年11月起，持续大旱时间长达1年多，是历史上持续大旱时间最长、受旱面积最大最严重的一年；1979年海南岛普遍出现旱情，特别是西南部和南部旱情发展迅速，严重影响农业生产和群众生活；2004年海南岛无热带气旋影响，导致该年出现大范围严重干旱，是继1977年之后的又一次全省性大范围的四季连旱等情况相吻合．春季海南岛出现大范围干旱的年份较多，有7年，分别为1971、1977、1980、1991、1995、2005和2015年，如图11a 所示．其中，1971、1977和2005年春季全岛干旱覆盖范围达到100%，各站均出现不同程度气象干旱．与文献［2］记载的1970年10月 1971年5月、1976年11月上旬 1977年5月下旬出现的全岛74第1期张亚杰等：基于综合气象干旱指数的海南岛干旱特征分析大部分地区出现秋冬春连旱，2004年9月 2005年7月，出现的全省性大范围的四季连旱等情况相吻合．从干旱覆盖范围年际变化趋势来看，春旱近57年基本无变化．夏季海南岛出现大范围干旱的年份仅1年，为2015年，如图11b 所示．2015年夏季由于全岛降水偏少、气温偏高，气象干旱反复出现并发展，维持时间长，影响范围大，局部地区异常严重．从干旱覆盖范围年际变化趋势来看，夏旱近57年基本无变化．秋季海南岛出现大范围干旱的年份较多，有7年，分别为1966、1977、1979、1992、2003、2004和2006年，如图11c 所示．其中，1966、1979、1992、2003和2004年秋季全岛干旱覆盖范围达到100%．据文献［2，29］灾情资料记载上述年份均出现了大范围秋季干旱．从干旱覆盖范围年际变化趋势来看，秋旱近57年基本无变化．冬季海南岛出现大范围干旱的年份较多，有8年，分别为1969、1977、1979、1983、1985、1993、2004和2007年，如图11d 所示．其中，1969、1977、1979和1985年冬季全岛干旱覆盖范围达到100%，各站均出现不同程度气象干旱，也与文献记载相吻合．从干旱覆盖范围年际变化趋势来看，全岛每10年减少0．5%，变化趋势不明显．84海南大学学报自然科学版2019年3结束语改进的综合气象干旱指数CInew 指数克服了在持续无雨或少雨情况下不连续旱情加重、监测曲线波动等问题，相比CI 指数更能准确反映干旱发生发展的机制．采用CInew 指数对1961 2017年海南岛干旱进行了分析，得出以下结论：从年际变化趋势来看，海南岛全年干旱覆盖范围每10年减少3．6%，各季节除冬季有减少趋势外，其他季节均基本无变化；全年发生大范围干旱的年份有9年，其中，1969、1977、1979和2004年达到100%，也是建国以来海南岛发生的几次持续性大范围干旱发生的年份，这一结论与文献［2，29］记载相吻合．季节大范围干旱发生的年份冬季最多，为8年．从空间分布来看，年平均干旱发生频率呈现西高东低的分布特征，干旱日数、干旱强度均呈西南部沿海强，中部弱的分布特征；季节干旱发生频率，春季和冬季呈现西南部较高的分布特征，夏季西部和东部较高，秋季西南部和北部较高；干旱日数各季节空间分布差异不大，春、夏、秋季均以东方最多，冬季以三亚最多；干旱强度春季西南部强、北部弱，冬季南强北弱，夏、秋季空间分布差异较小．年和季节干旱发生频率、日数、强度均为春季最强，冬季次之，夏、秋季较弱．总体而言，海南岛各市县干旱具有明显的地域差异和季节差异，这主要是由于降水时空分布不均匀造成的，年降水主要集中在5 10月份，雨量占全年80．4% 90．5%，年均雨量最多在中部和东部沿海地区，最少在西部沿海地区．综合气象干旱指数考虑了降水和蒸散对当前干旱的累积效应，所用资料易于获得，在各省气象部门干旱实时监测评估中得到了推广使用，改进后的CInew 指数虽然解决了CI 指数出现的部分问题，但仍然存在长期积累干旱无法识别、服务针对性不强等问题．因此，下一步工作需对干旱指数进行进一步修正，提高指数的适应性，为开展干旱监测、预报、预警及应对提供科学依据．参考文献：［1］王春乙．海南气候［M ］．北京：气象出版社，2014．［2］温克刚．中国气象灾害大典．海南卷［M ］．北京：气象出版社，2008．［3］李伟光，陈汇林，朱乃海，等．标准化降水指标在海南岛干旱监测中的应用分析［J ］．中国生态农业学报，2009，17（1）：178－182．［4］李忆平，李耀辉．气象干旱指数在中国的适应性研究进展［J ］．干旱气象，2017，35（5）：709－723．［5］Palmer W C．Meteorological Drought ［Ｒ］．Washington ，D．C．：U．S．Department of Commerce ，1965．［6］韦开，王全九，周蓓蓓，等．基于降水距平百分率的陕西省干旱时空分布特征［J ］．水土保持学报，2017，31（1）：318－322．［7］Mckee T B ，Doesken N J ，Kleist J．The relationship of drought frequency and duration to time scales ：proceedings of theEighth Conference on Applied Climatology ，Anaheim ，January 17－22，1993［C ］．［S．l．］：［s．n．］，1993．［8］冯建设，王建源，王新堂，等．相对湿润度指数在农业干旱监测业务中的应用［J ］．应用气象学报，2011，22（6）：766－772．［9］齐冬梅，李跃清，王莺，等．基于Z 指数的四川干旱时空分布特征［J ］．干旱气象，2017，35（5）：734－744．［10］国家质量监督检验检疫总局．GB /T 20481—2006气象干旱等级标准［S ］．北京：中国标准出版社，2006：1－17．［11］李树岩，刘荣花，师丽魁，等．基于CI 指数的河南省近40a 干旱特征分析［J ］．干旱气象，2009，27（2）：97－102．［12］邹旭恺，任国玉，张强．基于综合气象干旱指数的中国干旱变化趋势研究［J 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Mitigation of Hainan Province，Haikou570203，China）Abstract：Based on the daily temperature and precipitation data of18national meteorological stations in Hainan Island from1960to2017，the daily meteorological drought composite index（CI）and improved CInew were compared and analyzed．The occurrence frequency，days，intensity and coverage area of the annual and seasonal droughts in each region were analyzed．The results indicated that CInew index can decrease uncontinuous en-hancement of drought to the most extent in three typical drought processes in different regions．The annual drought frequency of each city and county in Hainan Island was between47% 74%，and the drought frequency in the west was higher than that in the east．The annual drought days were between56and104d，the annual drought days of the southwest coast was more than that of the central part．The annual drought intensity was be-tween－209and－123，and the annual drought intensity in the southwest coast was stronger than that in the east-central part．The frequency，days and intensity of seasonal drought in spring were the highest，followed by that in winter，that in summer and autumn．The large area drought in whole year occurred in9years，and the area coverage reached100%in1969，1977，1979and2004．Keywords：drought；meteorological drought composite index；characteristics of drought；Hainan Island。