基于德玛顿干旱指数的胶东半岛干旱分析

基于德玛顿干旱指数的胶东半岛干旱分析-农学论文基于德玛顿干旱指数的胶东半岛干旱分析 王冰1，林修栋2，王培涛3，任可4 （1烟台市气象局，山东烟台264003；2石岛气象台，山东威海264309；3滨州市气象局，山东滨州256600；4莱州市气象局，山东烟台261400） 摘要：本研究为加强对胶东半岛干旱的研究，为地方制定抗旱减灾政策提供参考，减轻干旱、旱灾带来的影响，根据胶东半岛24 个气象观测站19712012 年的气温及降水资料，对该区域的气温和降水变化趋势进行统计分析，然后利用德玛顿干旱指数对胶东半岛的干旱进行评估。研究发现，胶东半岛的年及四季的平均气温呈明显上升趋势；降水量变化不明显，春季和夏季呈增加趋势，秋季和冬季呈减少趋势，增加和减少的幅度相当。以此导致了未来中旱发生次数将增加，重旱发生次数将减少。德玛顿干旱指数在一定程度上能够较好地描述胶东半岛的干旱，但对某些情况把握不佳。 关键词：德玛顿干旱指数；胶东半岛；干旱；气温；降水；统计分析 中图分类号：P426.2+2 文献标志码：A 论文编号：cjas16010016 基金项目：山东省气象局2014 年科学技术研究项目“气候条件对牟平小麦玉米生长发育影响的研究”(sdqx2014xm13)；烟台市气象局2013 年科学技术研究项目“烟台地区干旱特征分析”(YTQX2013005)。 第一作者简介：王冰，男，1982 年出生，山东诸城人，工程师，硕士，主要从事农业气象、防灾减灾研究等工作。通信地址：264003 山东省烟台市莱山区海林路33 号烟台市气象局，E-mail：emailprotected。 收稿日期：2016-01-22，修回日期：2016-02-22。 0 引言 胶东半岛位于山东半岛东部，属鲁东丘陵区，在气候上属于暖温带大陆性季风气候，年降水量650850 mm。其中，半岛南部地区的降水量在800mm以上；西北部地区滨海平原约600 mm。年降水量约60%集中于夏季，强度大，常出现暴雨，降水年均相对变率约20%，当地素有“十年九旱”的说法。有研究表明，进入1990s 以后，该地区由湿润区转为半湿润区1。干旱作为胶东半岛的主要影响气象灾害，开展针对干旱的研究，减轻减免旱灾的出现，有着非常重要的意义。 之前对胶东半岛干旱的研究大多集中在较小的范围，如王冰等2利用SPI 指数对烟台干旱特征进行了分析；李佶椿3建议通过合理配置水资源，制定中长期水利建设规划，大力推行节约用水等措施来减轻地处胶东半岛西北部的招远市干旱影响。或对降水、气温等变化进行分析，如刘德林等4以大沽夹河为例，分析胶东半岛丘陵区典型流域气温降水的变化特征；田清等5分析了胶东半岛近50 年气温和降水的变化特征，发现其降水量于1980 年前后开始明显减少，而后气温于1990 年前后突然上升。上述研究对胶东半岛的干旱全面性的评价、评估仍缺乏。因此，笔者通过对胶东半岛的气温、降水特征进行统计分析，应用干旱指数对干旱进行描述，以期得到胶东半岛气候变化特征，为当地防灾减灾工作提供参考。 1 资料与方法 1.1 数据来源及预处理 选用胶东半岛的24 个国家级气象观测站19712012 年42 年的降水和气温资料。其中，福山的气象资料始于1981年，故19711980年间其对应资料通过插值生成。其间多个台站迁移站址，但满足中国气象局对观测资料一致性的相关规定。为便于描述，19711980 为20 世纪70 年代，记为1970s，相应的有1980s、1990s、2000s，20012012年视为2010s。 1.2 研究方法 1.2.1 干旱指数 德玛顿干旱指数6（ De Martonne Aridity Index，即IDM），见公式(1)。 式中，R和T分别代表月累计降水和月平均气温。 当计算值小于10 时，表明重度干旱，农作物亟需人工进行灌溉；当计算值在1030 之间时，表明中等干旱，农作物需加强灌溉及助锄保墒；当计算值大于30，表明气候湿润，降水充沛，作物无需进行灌溉。德玛顿干旱指数由于其资料获取及计算过程的便易性，且与作物和水分的对应性强7。自20 世纪20 年代末提出后广泛应用气候区划等。Botzan 等8利用IDM划分的水文特征建立了新的农业干旱指标。Weck9根据IDM建立了德国的气候模型。Roberts10对比了美国西南的亚利桑那州和中国西北的乌鲁木齐两处沙漠地区的干旱情况。国内利用IDM的情况较少，李建芳等11对该公式在宝鸡地区进行了修正，引入湿润指数。王旭东等12利用IFM和19612008 年乌海气温、降水等资料计算了相应的气候生产力，并建立了二元回归评判模型。本研究试图使用该指数对胶东半岛干旱进行研究分析。1.2.2 气候倾向率对于某一时间序列变化的倾向率，可以用该序列的线性变化率来代表。为了判断变化趋势的程度是否显著，一般要求出时间t 和时间序列之间的相关系数r，然后对相关系数进行显著检验，确定显著水平，若|r | r ，表明时间序列随时t 的变化趋势是显著的，否则表明变化趋势是不显著的13。 1.2.3 突变分析（Mann- Kendall 法） 对序列Xi(i =1,2,n) ，构造一秩统计量，见公式(2)。 其中，xixj时，ri=1，否则为0，j=1,2,i。 假定任一时刻均遵从同一分布，有统计量和VarSk 是累计数Sk 的均值和方差。UFi 是按时间序列x1,x2, ,xn计算出的统计量序列，给定显著水平，查正态分布表，若|UF | i U ，则表明序列存在明显的变化趋势。按时间序列的逆序xn,xn-1, ,x1，再重复计算1 次，记为UBi ，同时使UBi =-UFk ，k =n，n -1，1 ，UB1 =0 。UFi和UBi交点若处于临界值线之间，那么交点处对应的时刻便是突变开始时间14-15。 1.2.4 小波分析对于任意一维时间序列x(t)，其小波变换定义为公式(3)。 其中，W(a,b)是小波系数，a是尺度参数，b是位置平移参数，*(t) 是小波母函数 (t) 的共扼函数。本研究使用Morlet 小波来分析。当母小波：(t) =e-2t2/2 cost 时，称为Morlet 小波，其缩放平移后Morlet 小波的余弦会随时间衰减，参数影响控制小波的形状和转换后在时间轴与频率轴上的分辨率：当=0 时，小波有最佳的频率分辨率；随着值上升，频率的分辨率下降，时间轴的分辨率上升，到达无限大时，拥有最佳的时间分辨率16-17。 1.2.5 统计分析本研究采用Excel 2007 和DPS数据处理系统（版本7.05）对数据进行处理分析。 2 结果与分析 因IDM是建立在气温和降水的变化上的，因此，先对气温和降水的变化进行分析。 2.1 胶东半岛气温变化特征 2.1.1 气温年代际变化特征由图1和图2可知，胶东半岛各地气温不仅在区域中差别明显，在年代际变化中也不尽相同。由图1a 可知，1970s 胶东半岛气温较低，为1970s2010s 的最低值。由图1b 可知，进入1980s后胶东半岛年平均气温较1970s 有所升高。图1c 与图1d 不同，显示1990s 为近期的年平均气温最高值，进入2l 世纪以后，胶东半岛的年平均气温有所下降。显然，西部内陆地区气温明显高于东部，北部又高于南部，西北部的莱州和南部的胶州、胶南等地气温均较其他地区偏高。 由图2a 可知，胶东半岛地区的年平均气温呈上升趋势，气候趋势系数达到了0.34/10 a，远高于全国的平均趋势0.22/10 a18-19，该气候趋势系数通过了P=0.01 的显著性检验。图2b 显示在1986 年前之前，胶东半岛处于偏冷期，之后年平均气温产生了突变，升高幅度加大，进入偏暖期，至2010年前后，气温有所下降。2.1.2 胶东半岛季节平均气温的年际变化特征由图3可知，4 个季节的平均气温均呈上升趋势，气候趋势系数分别为春季0.43/10 a，夏季0.23/10 a，秋季0.40/10 a 和冬季0.36/10 a，其中冬季通过了P=0.01的显著性检验，春夏秋3 季通过了P=0.001 的极显著检验。表明气温上升趋势非常明显。 图4 为4 个季节的小波分析图。由图4a 可知，春季平均气温存在着57 年的周期，这个周期在1990s 前期和2000s 异常明显。图4b 显示，夏季平均气温存在23 年的短周期，在年代际变化中还存在着18 年左右的长周期。图4c 可知，秋季平均气温存在着59 年的变化周期，该周期在1980s 初期约为5 年，然后逐渐增加至89 年。图4d 可知，冬季平均气温也存在着23年的短周期变化，年代际尺度上存在着1519 年的周期。4 个小波分析图均未闭合，未来4 个季节的气温将均处于整体上升、短期上升的阶段。 图5分别为春夏秋冬四季的M-K检验结果，可见4个季节的气温变化呈明显上升趋势，且均产生了突变，具体为春季的1994年、夏季的1992年、秋季的1988年、冬季的1979年和1988年；达到极显著水平0.001(U0.001=2.56)的时间为春季的1998 年、夏季的2007 年、秋季的1998年、冬季的1988年。春季气温从1998年至今呈极明显上升趋势，夏季气温在20072012 年呈波动上升趋势，秋季气温在19982000年呈波动趋势，之后呈极明显上升趋势，冬季气温在1979年呈增温趋势，1979年有所下降，至1998年开始呈极明显上升趋势。 2.2 胶东半岛降水变化特征 2.2.1 降水量年内分布如图6所示，胶东半岛降水量最小值出现在12月，最大值出现在78月。进入冬季，胶东半岛的降水以降雪或雨夹雪为主20-21，按照暴雨雪标准（暴雨50 mm，暴雪（雨夹雪）10 mm）换算，理论上3 月是每年的降水最少值。7、8 月的降水占全年的5成以上，夏季（68月）占全年降水总量的6成。 2.2.2 降水年际和年代际变化由图7a 可见，胶东半岛的年均降水量呈下降趋势，但不明显，气候趋势系数仅为-0.02 mm/10 a，未通过P=0.01 显著性检验。降水量最多的是1975 年，达976.7 mm，最少的是1981 年，为418.6 mm，两者相差350 mm以上。由图7b 可知，年降水量的波动周期较大，呈“多少少多”分布，存在23 年、57 年、812 年和1517 年的周期变化，其中57年是主周期，812年是次周期。 同样的，由年代际分布图（略）可知，1970s 年降水量为各年代最高值，高出平均值达617 mm/10 a，1980s为各年代最低值，低于平均值639 mm/10 a；1970s 仅有3 年年均降水量低于平均值，而1980s 的10 年中仅有2年年均降水量高于平均值。 2.2.3 降水季节分布及变化趋势图8 为胶东半岛降水量季节分布和变化趋势。四季平均降水量分别为，春季105.3 mm、夏季415.9 mm、秋季127.3 mm 和冬季34.1 mm。显然，夏季降水是全年降水的主要贡献因子，这与章节2.2.1年内变化结论相一致。 四季降水量变化趋势不一，春季和夏季的降水量呈增加趋势，气候趋势系数分别为3.1 mm/10 a 和5.0 mm/10 a，而秋季和冬季降水量呈减少趋势，分别为-5.9 mm/10 a 和-0.3 mm/10 a，均未通过显著性P 检验。可以认为，春季和夏季的增加与秋季和冬季的减少相抵消，造成全年的降水量变化不明显。四季降水量的Morlet小波分析如下： 如图9a 所示，春季降水量年际变化呈“少多少多”趋势，其中19711988 年总体偏少，19891991 年短暂偏多，19922001 年整体偏少，20022012 年整体偏多；其中19711988 年波动显著，又存在1 个“少多少多少”的内周期变化。2013 年小波未进入闭合期，表明春季降水量将进入整体偏多短期内偏少期。春季降水量5 7 年的主周期和10 12年的次周期很明显，18 22年的周期不太明显。 由图9b 可知，夏季降水量年际变化呈“多少多少多”的趋势，其中19711978 年整体偏多，19791993 年整体偏少，19941996 年短暂偏多，19972006 年整体偏少，20072012 年整体偏多，偏多偏少年交替出现，且图像未闭合；其中，19972006年偏多偏少年交替出现。2013 年小波未进入闭合期，夏季降水量将进入整体偏多短期偏少期。夏季降水量存在23 年和911年的主周期。 由图9c 可知，秋季降水量年际变化呈“多少多少”趋势，其中19711985 年整体偏多，19871991 年整体偏少，19921994 年短暂偏多，19952012 年整体偏少；其中19711981 存在着810 年的周期，进入1990s，这个周期延长至711 年；由于小波基本闭合，未来秋季降水量进入整体偏少短期偏少期。 由图9d 可知，冬季降水量年际变化呈“少多少”趋势，19711983 年整体偏少，19842005 年整体偏多，20062012 年整体偏少。在19842005 年间，还存在着6 7 年的周期变化。小波基本闭合，未来冬季降水量进入整体偏少短期偏少期。 通过Mann-Kendall 法发现，四季降水年际变化均无突变存在（图略）。 2.3 胶东半岛干旱的IDM特征分析 2.3.1 IDM干旱指数年际和年代际分布根据德玛顿干旱指数IDM的计算公式，得到胶东半岛干旱指数。由得到的19712012 年的干旱指数，统计干旱年际分布（见表1）和干旱年内分布（见表2）。由表1 可以看出，胶东半岛年干旱发生次数为8.5 次，其中中旱发生5.0次，重旱发生3.5次，占全年12个月的7 成以上，频率相当高。干旱发生次数最多的是1981年、1997年和1999年这3 年，均为11 次；其次为1977 年、19821983 年、1986 年、1988 年、1991 年、1995 年和2002 年这8 年，均为10 次。中旱发生最多的是1997 年，达9 次，其次为1979 年和2003 年，均为8 次。重旱发生最多的是1981年、1986 年和1988 年，均为6 次，也是干旱发生次数较多的3年；最少的是2003年，无重旱发生。干旱和中旱的发生次数呈不明显上升趋势（图略），重旱发生次数呈不明显下降趋势，且均未通过P 检验。中旱和重旱的小波分析（图略）显示，未来中旱发生次数将长期增多短期增多，重旱将长期减少短期减少。 干旱的年代际分布上看，1970s 发生次数最少，为78 次，2000s 次数最多，达99 次，但考虑到本研究的2000s 的统计年数为12 年，实际上，1990s 的干旱次数虽略少（93 次），但频次最高。中旱发生次数最少的是1970s，比最多的1990s 少13 次。重旱发生次数最多的是1980s，最少的是1970s。可知1970s 无论是从干旱发生次数还是干旱强度（中旱/重旱），均为最少的年代；1980s 发生的次数较1990s 少，但程度更重一些。2.3.2 降水年内和季节分布显然，受降水分布的影响，78 月的干旱次数和中旱次数为全年最少，分别为4次和9 次，且无重旱发生。10 月次年3 月干旱发生次数接近，42 年累计发生在3738 次，接近年均1 次。中旱发生次数最多的是4 月和10 月，均为25 次；其次为5月和12月的22次。重旱发生次数最多的是2月和1月，分别为25次和23次。 就季节分布来看，冬季干旱次数最多，42 年累计为112 次；夏季次数最少，为40 次。中旱次数最多的是春季，其次为秋季。重旱次数最多的是冬季，其次为秋季和冬季。 3 讨论 （1）根据灾情实况数据，发现德玛顿干旱指数对严重旱灾年，如19821983 年、1995 年、1998 年、2000年、2002 年和2006 年的灾情实况对应较好，但对一些相当中等强度的旱灾，如1984