基于homhwaie方法的阿勒泰地区干旱指数研究

基于homhwaie方法的阿勒泰地区干旱指数研究

干旱是对人类社会最严重的气候灾害之一。它具有高频率、高持续时间和影响范围广泛的特点。干旱的频繁发生和长期持续不但会给国民经济特别是农牧业生产等带来巨大的损失,还会造成水资源短缺、荒漠化加剧、沙尘暴频发等诸多不利影响。因此监测、研究、预测干旱具有重要的意义。我国地处东亚季风区,降水量由东南向西北逐渐减少,年降水量<200mm的干旱区面积占陆地总面积的1/3左右,严重影响了我国的经济发展,西北干旱区特别是阿勒泰地区尤为明显。在这里雨热同季,降水主要集中在暖季,降水年变率大,时空分布极不均匀。干旱是阿勒泰地区最严重的自然灾害,持续时间长,影响范围广,不但威胁着农牧业生产,甚至影响到人畜饮水,特别是春夏秋季(4-10月)是一年中农作物和牧草的主要生长成熟期和麦田的收墒期,也是水库的蓄水期,此时出现的干旱,不仅影响当时的生产生活,而且还对后期及次年的生产生活带来深远的影响。因此,研究适合该地区的干旱指标,对评价该地区的干旱状况和开展干旱监测服务有积极意义。对于干旱状况,不同部门研究干旱的概念不同,有的以降水相对变率与蒸发相对变率的比值来划分干旱等级;有的以土壤湿度的大小来确定干旱的程度;还有的利用降水、田间持水量差额和土壤最大有效含水量的比值、气温和降水等资料计算不同地区的干旱指数等等。可见,研究干旱最关键的问题是明确干旱定义和确定干旱指标。虽然,干旱指标方法研究,前人已做过很多工作,也已经建立了许多定量指标,但各地的地理位置、下垫面性质以及人类活动等因素的不同,存在着各种不同的气候差异,造成各地的降水千变万化,因此无论哪一种干旱指标都有一定的局限性,只能反映气候变化的某一个方面。由此可见,研究适用于西北干旱区阿勒泰地区气候业务的干旱监测指标,显得尤为重要。近年来李春芳、晋绿生、庄晓翠等对阿勒泰地区的寒潮、暴雪、暴雨等进行了研究,但干旱指数研究,至今仍为空白。基于以上考虑,文中拟在前人工作的基础上,利用阿勒泰地区暖季的降水量及Thomthwaite方法计算的潜在蒸发量资料,确定了干旱指数的计算方法,对该地区暖季干旱状况进行了探讨,并与降水距平和Z指数的干湿等级进行比较,分析二者对干旱描述的差异。1研究领域的概况、数据和方法1.1东北中、西部西北干旱区阿勒泰地区位于新疆维吾尔自治区最北部(图1),准噶尔盆地北沿,地形复杂,有高山丘陵、河流湖泊、沙漠戈壁,整个地势东北高,西南低,自东北部向西南至额尔齐斯河和准噶尔盆地急剧倾斜。北部到东部是阿尔泰山脉呈西北东南走向,西南部为萨吾尔山脉,呈东西向;在阿尔泰山和萨吾尔山之间,是横贯该地区五县的额尔齐斯河和乌伦古河;南部为准噶尔盆地和盆地北沿的戈壁沙漠,属北温带大陆性寒凉气候,降水(主要集中在夏季)年际变幅大,枯水年降雨量少、蒸发量大,易发生自然灾害,干旱是该区最常见的气象灾害之一。1.2月平均气温、降水量数据来自新疆阿勒泰地区1961-2008年4-10月(暖季)完整的7个国家级基准、基本气象站(图1)的月平均气温、降水量资料,以7站的平均值或合计代表阿勒泰地区。根据阿勒泰地区气候及农牧业生产特点,以4-5月为春季,6-8月为夏季,9-10月为秋季来统计资料。气候值根据世界气象组织(WMO)设定的标准气候值时段(1971-2000年)的平均值。1.3干旱指数计算反映干旱及干旱状况的指标很多,文中对张天峰、王劲松定义的干旱指数进行了修定,利用阿勒泰地区1961-2008年7个气象站点暖季的总降水量变率和潜在蒸发量变率计算干旱指数,计算公为:K=R′/E′。其中K为某时段的干旱指数,R′为该时段降水的相对变率,R′=R/Rp,R为该时段的降水量,Rp为该时段降水量的多年平均值;E′为该时段潜在蒸发的相对变率,E′=E/Ep,E为该时段潜在蒸发量,Ep为该时段潜在蒸发量的多年平均值,这样可以消除量纲不同的影响。1.4蒸发缺测记录我国各地气象台站的实际蒸发是使用蒸发皿来测定的,由于该仪器口径较小且水体温度与自由水面有很大差异,因此测定值与实际蒸发有较大的误差,又因阿勒泰地区20cm蒸发皿蒸发缺测较多,记录不完整。FAOPenman-Monteith方法是计算潜在蒸发量的最新方法,但计算过程复杂,所用参数多,不易在阿勒泰地区推广,故文中选择Thomthwaite方法来计算潜在蒸发量,其优点在于它仅依赖于温度变化,计算方便,所用参数少,计算的蒸发量也较符合实际情况,便于推广。计算过程参见文献。通过计算得到潜在蒸发量E与同期阿勒泰地区各站20cm口径蒸发皿蒸发量相关性较高,青河和福海站相关系数通过α=0.025和0.028的检验,其它站均通过0.01的检验(表略)。1.5干旱指数及相关定义阿勒泰地区暖季降水较少,干旱是主要的气候特点,综合分析该地区的降水状况和不同年份的干旱状况及文献的标准及新疆短期气候预测的有关规定来划分,确定K指数、降水距平(R指数)、Z指数干旱标准(表1)。2结果与分析2.1降水分布夏季和夏季降水的多寡直接反映了湿润、干旱的状况及程度,是决定干旱的主要因子。由阿勒泰地区各站历年平均暖季及各季的降水量资料分布(表2)可知,该地区暖季位于河谷平原的布尔津和福海站降水量在100mm以下,其它站在100mm以上,最多的是吉木乃站为137.6mm。春季降水最多是吉木乃站为41.7mm,最少的是福海站为21.4mm,最多是最少的近2倍;夏季最少的福海站是50.3mm,最多的富蕴站是66.2mm;秋季最少的是布尔津站为22.7mm,最多的是哈巴河站33.3mm。可见,夏秋季降水量分布相对较均,春季各地差异较大,夏季降水较多,是春秋季的2倍左右;总体上是由南向北向东向西逐渐增加,即河谷平原区降水较少,山麓丘陵区降水较多。2.2潜在蒸发的季节和季节分布随季节性的分布而变化的法西北干旱区阿勒泰地区暖季潜在蒸发(图略)最大的中心在福海站,其次是布尔津站,呈西北东南向,潜在蒸发超过了500mm,青河站附近有439.9mm的潜在蒸发的小中心。春季和夏季最大值在布尔津和福海站,最小值在青河和吉木乃站,与整个暖季的分布一致;秋季最大值则位于阿勒泰和哈巴河站,与春夏季不同,最小值分布与春夏季相同。由此可见,总体来说,最大潜在蒸发由河谷向北、向东、向西减少,这种空间分布反映了该地区的地表状况差异。春夏季潜在蒸发与降水分布基本相反,降水少的地方蒸发大,降水多的地方蒸发小。与上述不同的是秋季最大潜在蒸发位于哈巴河和阿勒泰站一带,与该季降水最大值的分布一致,其机理有待进一步研究。2.3干旱指数的时空变化计算阿勒泰地区各站暖季历年平均干旱指数为1.004-1.060,接近轻旱标准,而且数值比较接近,最小的出现在东部的富蕴站,最大的出现在阿勒泰站。分析各站历年各季平均的干旱指数(表3)可知,夏秋季最小,春季最大,反映干旱在夏秋季相对比较重,春季相对较轻。在空间分布上,春季布尔津站最小,阿勒泰站最大;夏季富蕴站最小,布尔津最大;秋季青河站最小,吉木乃站最大,由此可见,春季布尔津、夏季富蕴、秋季青河站干旱相对较重。从暖季及各季降水的分布得出降水存在量级上的差异,特别是春季,而蒸发没有明显量级差异,反映降水与蒸发二者变率的比值K干旱指数差异不是非常明显,说明定义的干旱指数缩小了量级的跨度,便于干旱标准的统一,差异反映了阿勒泰地区的干旱分布特征。2.4从时间上来看,各有侧重、各轻旱、全民所水的时间分布主要集中在第一时间内根据确定的干旱标准,统计1961-2008年逐年阿勒泰地区7站的干旱状况(表4)可知,就整个暖季来说,该地区出现轻旱以上的干旱频率为56%,适宜和湿润的年份为44%,有时是极端降水造成的,这决定了该地区以干旱为主的气候特征占据了主导地位。中旱发生频率最高为25%,布尔津站为15%,相对最少;其它地方为25-33%,富蕴站最高达33%;轻旱次之,发生率为23%,吉木乃和富蕴站在20%以下,其它站为21-33%,河谷平原一带轻旱出现频率相对较高达29-33%,布尔津站最高达33%;重旱出现频率相对较少为7%,阿勒泰、哈巴河、布尔津站较高为8%。从各季来看,阿勒泰地区春季(表略)出现轻旱以上的干旱频率为50%,重旱发生频率最高达22%,吉木乃、布尔津站分别为15%、17%,其它站在20%以上,青河站达29%;其次是中旱发生频率为15%,哈巴河站为8%,其它站为15-19%,高发区在布尔津和福海站为19%;轻旱发生率为13%,阿勒泰站为4%,其它站10-19%,高发区在吉木乃站。夏季(表5)出现轻旱以上的干旱频率为55%,中旱发生频率最高达31%,布尔津站为17%,哈巴河为25%,相对较少,其它站31-40%,吉木乃站最高达40%;其次是轻旱达13%,阿勒泰站最少为4%,其它站在10%以上,布尔津站最高为19%;重旱发生率是春季的一半为11%,高发区在布尔津站为19%,吉木乃最少,发生率只有2%。秋季出现轻旱以上的干旱频率为59%,是干旱发生率最高的季节;中旱发生频率最高达26%,福海站为17%,哈巴河为19%,相对较少,其它站26-31%,吉木乃、富蕴站最高达31%;其次是轻旱达18%,阿勒泰站最少为8%,其它站在13-31%以上,青河站最高为31%;重旱发生率较夏季高为16%,高发区在阿勒泰和哈巴河站为19%,吉木乃和青河站发生率最低为13%。综上所述,阿勒泰地区整个暖季,中旱发生率最高,轻旱次之,重旱较少;在空间上,中旱富蕴站、轻旱布尔津站、重旱阿勒泰、哈巴河、布尔津站发生率最高。从季节分布来看,春季重旱发生率最高,中旱次之,轻旱较少;在空间上,重旱青河、中旱河谷平原、轻旱吉木乃站最高。夏季和秋季干旱发生的程度与暖季相同,中旱发生率最高,但频率与区域有差异。夏季中旱吉木乃站、重旱和轻旱布尔津站最高;秋季中旱是吉木乃和富蕴站、轻旱青河站、重旱阿勒泰和哈巴河站最高。阿勒泰地区处于中高纬度,中纬度西风带及副热带系统决定降水的多与少,特别是副热带高压的活动,当位置比较偏南时,该地区降水偏少,容易出现干旱。春季副热带系统逐渐北进,位置偏南,因此该季出现重旱的频率较高;夏季副热带系统位于一年中最北的位置,重旱的发生率最少;秋季副热带系统逐渐南撤,故重旱率较夏季多,比春季少。通过分析阿勒泰地区干旱频率可知该地区为干旱、半干旱区,与降水分布和气候上的分区基本一致,说明定义的干旱指数和确定的干旱指标能够较好地反映该地区的干旱状况。2.5干旱指数k对降水量距平百分率干旱指标、Z指数干旱指标、K指数干旱指标分别简称为R指数、Z指数、K指数。据民政部门调查,阿勒泰地区自1961-2008年间有10年发生了较大范围的干旱。根据阿勒泰地区1961-2008年逐月气象资料,分别计算了这10年各气象台站在发生干旱时段(5-9月)的各类干旱指数。1962、1974年重旱年K指数达到重旱的台站百分率分别为100%、71%,Z指数是57%、43%,R指数则为29%、0%,说明K指数对重旱年反映较好,Z指数次之,R指数最差(表6),反映明显偏轻。由表6可知,对其它中旱年,K指数反映结果也较好,如1975、1982、2006年都达到了100%,1963和2008年也达到了86%,其它的中旱年(1991、1996、2002)也达到了3-4站(全地区共7站)的干旱程度,属较大范围干旱;Z指数只有2008年为71%,1963、1982和2006年达3-4站;而R指数却在43%以下,反映明显偏轻,范围也相对较小;进一步分析表明,在研究时段内,3种干旱指数3站以上达干旱的台站数是:K指数为100%,Z指数为60%,R指数则为40%。分析表明:R指数和Z指数对干旱的诊断往往程度较轻,尤其是R指数;K指数能较客观地反映发生干旱年的干旱状况。上述结果与干旱指数的计算方法有关,R指数把旱涝程度与降水量看成一次线性关系,这种线性方程建立在降水量为正态分布的假设前提下,与实际情况有较大差异。在计算Z指数时,假设某段时间降水量服从P-Ⅲ型分布,这种假定较为接近实际情况,并对降水量进行标准正态化处理后,根据其概率密度函数,经转换得到;通过偏态系数Cs的引入,Z指数不只与降水量有关,还与降水分布特征有关,因而比R指数要客观一些,虽然Z指数消除了降水的时空分布差异,但由于Z指数仅考虑了单一的降水量对干旱的影响,因此仍有一定的局限性。K干旱指数的设计,紧紧抓住了干旱的主要原因,即同时考虑了降水和蒸发的影响,物理意义明确,且指数计算过程中由于所含的变量少,由变量所带来的计算误差也就相应减小;另一方面,K干旱指数是降水的相对变率与蒸发的相对变率的比值,这样相当于对干旱指数进行了标准化,消除了量纲不同的影响,使得干旱标准便于统一,这是K指数优于R指数和Z指数的原因,K指数确定的暖季干湿状况更客观,更符合实际。3暖季干旱指数建立的理论依据(1)分析阿勒泰地区暖季降水、蒸发和干旱指数的气候特征,表明降水的时空分布差异较大。夏秋季降水量各地分布相对较均,春季差异较大,最多是最少的2倍;夏季降水较多,是春秋季的2倍左右;总体上是由南向北向东向西逐渐增加,即河谷平原区降水较少,山麓丘陵区降水较多。春夏季潜在蒸发与降水分布基本相反,降水少的地方蒸发大,降水多的地方蒸发小;秋季最大潜在蒸发位于哈巴河和阿勒泰站一