（气象学专业论文）江苏省干旱特征及其影响因子的研究.pdf

江苏省干旱特征及其影响园子研究 摘要 本文利用江苏全省5 9 个台站1 9 6 1 2 0 0 4 年的逐月降水量资料，引用帕尔 默干旱指标思想，建立了适用于江苏全省的区域p d s i 指数。然后详细讨论了江 苏省年、四季p d s i 指数的时空分布特征，并分析了它们与北太平洋s s l i a 场、 5 0 0 h p a 高度场等的关系，结果表明：( 1 ) 由于考虑时间因子的影响，p d s i 指数能 比较全面地综合前期水分亏缺量。它比z 指数更能反映出动态旱涝的累积演变 过程。( 2 ) p d s i 指数时空分布特征表明：( 芏) p d s i 指数具有持续性，一般持续时 间都在两年以上。除秋季外，其它季节的平均p d s i 指数的变化趋势与年平均 p d s i 指数的变化趋势一致。年、春季、夏季和冬季的周期振荡表现比较一致， 表现出了1 4 1 5 年的周期振荡，而秋季振荡周期明显不同，在8 0 年代中期前 为1 1 年左右的周期振荡，8 0 年代中期后为1 3 年和9 年左右的周期振荡。由 p d s i 指数异常响应的敏感区划分了3 个区域，即江淮区、苏南区以及淮北区。 除春季外，各区域的r l v 中心区域基本重合。( 3 ) 与北太平洋的s s t a 场分析表 明：异性相关系数场第1 模态p d s i 指数分布均为一致的负相关，s s t a 场的 正负相关区域明显不同，关键区主要集中在马绍尔群岛、夏威夷群岛、日本岛 东南部以及赤道中东部等附近。典型干旱年和湿润年，最主要的关键区位于 日本岛东部和赤道东太平洋。无论是年平均海温场，还是春季、夏季和冬季 的海温场，有一个共同特点就是；赤道东太平洋的海温在典型干旱年为负距平， 在典型湿润年为正距平。而秋季，赤道东太平洋海温场在典型干旱年和典型湿 润年均为负距平。( 4 ) 与5 0 0 h p a 高度场分析表明：异性相关系数场第1 模态秋 季的p d s i 指数分布为一致的正相关，年与其它季节为一致的负相关。而高度场 的正负相关区域明显不同，关键区主要集中在日本岛、白令海峡、西伯利亚等 附近。在于湿年，年的正负距平值较小，四季正负距平值较大。5 0 0 h p a 高度 场主要异常区往往对称，主要位于欧亚中高纬度、北太平洋的北部以及北美洲。 环流的差异还表现在中国的东部海域副热带高压的强弱，位置的南北。在干 旱年，副高往往强度较强，位置偏北。相反，在湿润年，副高则强度较弱，位 置偏南。( 5 ) 前期5 月的s s t a 场、高度场对江苏省夏季降水预测具有较好的指 导意义。 关键词：江苏，p d s i 指数，时空特征，海温场，5 0 0 h p a 高度场 江苏省干旱特征及其影响因子研究 a b s t r a c t b a s e do nt h ec l i m a t ed a mf r o m1 9 6 1t o2 0 0 4y e a r si nt h ew h o l ep r o v i n c eo f j i a n g s u ，i n t r o d u c e dp a l m e rd r o u g h ts e v e r i t yi n d e x ( p d s i ) ，c o m p a r e da n da n a l y s e d s e v e r a lc o m m o n l yu s e dm e t e o r o l o g i c a ld r o u g h ti n d e x ，p r o v e dt h er a t i o n a l i t yo f p d s i i n d e x ，t h ea r t i c l es e t su pr e g i o n a lp d s ii n d e xs u i t a b l ef o rt h ew h o l ep r o v i n c eo f j i a n g s u , t h e nd i s c u s s e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fd i s t r i b u t i o na n dt i m eo fp d s ii n d e xi n y e a r 、f o u rs e a s o n so f j i a n g s up r o v i n c e i nd e t a i l ，a n a l y z e dt h er e l a t i o no f p d s ii n d e x f i e l db e t w e e nn o r t hp a c i f i co c e a ns s l ：af i e l da n d5 0 0 h p ah e i g h ta n o m a l yf i e l d m y c o n t r i b u t i o ni s ：( 1 ) b e c a u s eo ft h et i m ef a c t o rt oc o n s i d e r , t h ep d s ii n d e xi sb e t t e r r e t i e c t i n gt h ee v o l u t i o no fd r o u g h ta n df l o o dt h a n 也ezi n d e x ( 2 ) c h a r a c t e r i s t i co f d i s t r i b u t i o na n dt i m eo f p d s ii n d e xs h o w s ：( 芏) p d s ii n d e xh a sc o n t i n u a t i o n ，g e n e r a l d u r a t i o ni si na b o v et w oy e a r s b e s i d e sa u t u m n ，t h ev a r i a t i o nt e n d e n c yo fa v e r a g e p d s ii n d e xo fo t h e rs e a s o n sk e e p st h es a m ew i t ha n n u a l t h ew a v e l e ta n a l y s i s i n d i c a t e dt h a ty e a ra n ds p r i n ga n ds u m m e ra n dw i n t e rh a sc o n s i s t e n to s c i l l a t i o n p e r i o d s ，d i s p l a y e d1 4 1 5y e a r sp e r i o d i co s c i l l a t i o n , b u tt h ea u t u m nd u r a t i o no f o s c i l l a t i o n0 b v i o u sw a sd i f f e r e n t , b e f o r et h e8 0 si n t e r m e d i a t es t a g e sw a s1 1y e a r a b o u tp e r i o d i co s c i l l a t i o n , a f t e rt h e8 0 。si n t e r m e d i a t es t a g e sw e r e1 3y e a ra n d9y e a r a b o u tp e r i o d i co s c i l l a t i o n t h es e n s i t i v ea r e ae x c e p t i o n a l l yr e s p o n d sb yt h ep d s i i n d e xh a sd i v i d e d3r e g i o n s ，n a m e l yj i a n g h u a ia r e a , s u n a na r e aa n dh u a i b c ia r e a b e s i d e ss p r i n g v a r i o u sr e g i o n s 刚c e n t e rr e g i o nb a s i cs u p e r p o s i t i o n ( 3 ) a n a l y s i s i n d i c a t ew i t hs s t af i e l do fn o r t hp a c i f i c0 c e a n ：t h e1 s tm o d a lp d s ii n d e x d i s t r i b u t e di s n e g a t i v ec o r r e l a t i o n , b u tt h e s s t af i e l d p o s i t i v e a n d n e g a t i v e c o r r e l a t i o nr e g i o no b v i o u si sd i f f e r e n t , t h ee s s e n t i a la r e am a i n l yc o n c e n t r a t e si n m a r s h a l li s l a n d s ，s o u t h e a s ti nt h eh a w a i i a ni s l a n d s ，t h ed a t em a i ni s l a n da sw e l la s t h ee q u a t o re a s t e r np a r tn e a r b ya n ds oo n i nm o d e ld r o u g h ta n dm o i s ty e a r , t h e m a i nk e yd i s t r i c tl i e si ne a s ta n de a s t e r np a c i f i co ft h ee q u a t o ro fi s l a n do fj a p a n 短) r e g a r d l e s so ft h ea n n u a lm e a ns e af i e l d ，o rt h es p r i n g ，t h es u m n l e ra n dt h ew i n t e r 江苏省干旱特征及其影响因子研究 s f i e l d t h e r ei sac o m m o nc h a r a c t e r i s t i c ：i ke q u a t o rs e ao fe a s t e r np a c i f i ci n d r o u g h ty e a ri sn e g a t i v ed e p a r t u r e ，i nm o d e lm o i s ty e a rf o rp o s i t i v ed e p a r t u r e b u ti n a u t u m n , i ti sa l ln e g a t i v eb o t hd r o u g h ty e a ra n dm o i s ty e a r ( 4 ) a n a l y s i si n d i c a t ew i t h 5 0 0 h p ah e i g h tf i e l d ：m1 s tm o d a lp d s ii n d e xd i s t r i b u t e di sn e g a t i v ec o r r e l a t i o n i na u t u m na n di sp o s i t i v ec o r r e l a t i o ni ny e a ra n do t h e r ss e a s o n t h ef i e l dp o s i t i v ea n d n e g a t i v ec o r r e l a t i o nr e g i o no b v i o u si sd i f f e r e n ti n5 0 0 h p ah e i g h tf i e l d ，t h ee s s e n t i a l a r e am a i n l yc o n c e n t r a t e si nt h ed a t em a i ni s l a n d , b e r i n gs t r a i t , s i b e r i an e a r b ya n ds o o n t h ey e a rp o s i t i v ea n dn e g a t i v ed e p a r t u r ei ss m a l l e r , t h ef o u rs e a s o n sp o s i t i v e a n dn e g m i v ed e p a r t u r ei sb i g g e r t h e5 0 0 h p ah e i g h tf i e l du n u s u a la r e ai sm a i n l y l o c a t e di ne u r o p ea n da s i at h eh i g hl m i m d e ，n o r t hp a c i f i co c e a n sn o r t ha sw e l la s n o r t ha m e d c 钆( d t h ec i r c u l a t i o nd i f f e r e n c ea l s od i s p l a y si nc h i n a se a s t e r np a r ts e a a r e a s u b t r o p i c ss t r o n g o rw e a k , t h ep o s i t i o nn o r t ho rs o u t h i nd r o u g h ty e a r , s u b t r o p i c so f t e ni n t e n s i t ys t r o n g e r , p o s i t i o nt o w a r d st h en o r t h , o nt h ec o n l 瑚y , i n m o i s ty e a r , s u b t r o p i c st h e ni n t e n s i t yw e a k e r , a l s ot h ep o s k i o ni st o w a r d st h es o u t h ( 5 ) t h ee a r l i e rp e r i o dm a ys s t af i e l d , h i g h l yt h ef i e l ds u n l m e rp r e c i p i t a t i o nh a st h e v e r yg o o df o r e c a s ts i g n i f i c a n c et oj i a n g s up r o v i n c e k e y w o r d s ：j i a n g s u p a l m e rd r o u g h ts e v e r i t yi n d e x ，t h ec h a r a c t e r i s t i co f d i s t r i b u t i o n a n dt i m e ，s s t a ，5 0 0 h p a h e i g h tf i e l d i l l 江苏省干旱特征及其影响园子的研究 第一章引言 我国幅员辽阔，地形复杂，气候多变，是世界上自然灾害影响最严重的国家之一，而气 象灾害占各类自然灾害的7 0 。气象灾害种类多、范围广、强度大、频率高，造成的损失 严重，给生态、环境、社会、经济带来诸多问题。据统计，气象灾害造成的经济损失平均每 年约占国内生产总值g d p 的3 - 6 ，我国每年因气象灾害造成的农田受灾面积高达3 4 0 0 万 公顷。叶笃正等口】指出：在1 9 6 1 1 9 9 0 年，长江流域旱涝灾害造成的损失约占整个气象灾 害的7 8 ，而干旱就占了其中的5 0 。 近百年来全球气候变化最突出的特征是气候的显著变暖，它带来的主要问题之一是全 球干旱问题日趋严重，特别是在中国地区，因此对于干旱的研究目前正是气象领域研究的热 点而江苏省地处我国南北交界之处，东临黄海【j j ，地处长江、淮河下游，是两大河流的入 海口，降水量从南到北的变化很大，干早和洪涝时常交替发生，近5 0 年来干旱的发生次数 呈显著增加趋势，强度也越来越强，对社会发展的影响也越来越大，如在1 9 5 8 1 9 6 0 年、 1 9 7 8 1 9 7 9 年、1 9 8 8 年、1 9 9 4 年以及2 0 0 4 年下半年的持续干旱造成的影响对工农业生产、 城市供电供水等各方面都造成了非常大的影响。加之江苏地处长江三角洲经济区，人口密集。 经济繁荣，工农业发达，干旱会造成的巨大的损失从地理位置看，江苏省淮河以北地区处 于我国华北半干旱区的南部边缘地区，年降水量在8 0 0 9 0 0 毫米，降水分布不均，雨季到 来的迟早以及降水的强度大小，对农业和生态环境构成严重威胁；淮河以南地区为较湿润地 区年降水量在1 0 0 0 毫米以上。许多研究表明，影响江苏省降水涉及到的因子很多，包括 海温场、高度场等等。 1 1国内外关于干旱指标的研究工作及进展 干旱指标是反映干旱成因和程度的量度，是干旱监测的基础与核心。它吸收了降水量、 积雪、径流和水分供缺等大量的信息，形成易于理解的指标数值来反映千旱程度或范围、持 续时间等1 4 j ，对于决策者、公众乃至科研人员来说更加实用和直观。虽然干旱研究已经进行 了一个多世纪，但由于干旱闯题的科学复杂性。至今还有许多问题没有解决，甚至连干旱的 定义和指标这类基本问题也没有统一。据世界气象组织统计，各国应用的干旱指标有5 5 4 种之多。根据应用于不同需求的各种干旱指数，归纳各种干旱指标大致可分为四类，即气象 指标、水文指标、农业指标、社会经济指标嘲 不同部门有不同的干旱定义和指标，以上各种干旱指标在各自领域得到应用，但由于千 旱的复杂性和影响的广泛性，要寻求一个适用于各部门的干旱定义和指标是困难的，也是不 可能的。农业干旱、水文干早和社会经济干早都与气象干旱有关，都取决于相当长的异常天 气影响。因此。气象干旱是其他各类干旱的基础。 1 1 1国外关于干旱指标的研究进展 干旱是区域现象，一些专家试图在区域的基础上使干旱指数能客观定量化。2 0 世纪6 0 年代中期，w a y n e c p a l m e r 根据其干旱指标。分析了美国东北部地区干旱范围和程度等区 域特征f 7 j ，建立了帕尔默干早指数( p d s i ) 。d i c k e r s o n 和d e t h l e r 在1 9 7 0 应用帕尔默早度 江苏省干旱特征及其影响因予的研究 模式得出了美国东北部地区各种干旱程度出现的概率嗍。1 9 7 5 年，s k a g g s 对美国1 9 3 1 1 9 4 0 年间的帕尔默干旱指数进行了特征向量分析唧。d i a z 和q u a y l e ( 1 9 7 8 ，1 9 8 0 ) 用美国各地温 度、降水资料和帕尔默旱度模式为美国4 8 个临近地区建立了旱度指标l l q “j 1 9 8 3 年和1 9 8 6 年，k a r l t l 2 ”j 分析了干旱持续时间的空间变化特征及p d s i ，z 指数的敏感性。1 9 9 7 年，l o h a n i 和l o g a n a t h a n 将帕尔默旱度模式与非线性m a r k o v 链结合来分析干旱随机出现的特性 0 4 1 同时有人将帕尔默早度模式与火灾、城市和灌溉供水等方面结合应用，如k a p p e l i ”1 用 帕尔默旱度模式图建立了明尼苏达州和威斯康新州干旱和火灾发生的关系。 在国际上，帕尔默早度模式也享有盛名，澳大利亚、加拿大、南非等国家曾先后对其方 法的适用性进行了检验。k o t h a v a l a 等人i l ”利用一个耦合海洋大气的g c m 模式，模拟了澳 大利弧东部地区3 0 a 的降水和温度，并用p d s i 评估干旱的严重程度和持续时间。分析该 地区未来干旱的时空特征。s z h o r v a t h 利用逐月的p d s i 指数序列，采用因子分析、簇分 析( c l u s t e ra n a l y s i s ) 和m a s h 分析等统计分析方法。分析了匈牙利t i s z 8 河流域的干旱变 化特征1 1 ”。经过长时间的实践检验，帕尔默干旱指数发展到目前已成为中欧及美国使用最广 泛的区域干旱指数。r i c h a r dr h e i m 在2 0 0 0 年的“全球变化评估”国际会议上曾预言： 即使3 0 年之后，帕尔默旱度模式仍然会得到广泛的应用【l “。 1 1 2 国内关于干旱指标的研究进展 干旱指标是干早研究的基础问题，也是热点问题。干旱指标可以分为两类：单站干旱指 数和区域干旱指数。在单站干早指标方面已经有不少的研究，鞠笑生i l ”用距平百分率。王 绍武口”用湿度指数来分析长江、黄河流域的旱涝时空分布。张尚印口”用k 指标对我国北方 地区进行早涝时段划分。张存杰口”、孙安键口3 l 等利用z 指数进行旱涝分析。而吴洪宝【“、 黄嘉佑瞄1 认为，由于降水的局地性强，观测误差大，时空结构复杂。从气候异常成因看，降 水异常只是气候异常的一个表现方面，它与其它要素特别是气温异常相联系，且气温异常的 时空结构要简单些。因此，可以通过气温或气温和降水组成的指数反映旱涝。国内外已有几 种不同的干旱指数 2 4 - 2 ”，他们的共同点是假设降水偏少( 多) 与气温偏高( 低) 相联系。两 者负相关，干旱指数的大小对应着高温少雨和低温多雨两种异常状态，然而这种干早指数对 黄河上游和辽宁等地不适应。魏风英1 2 8 以降水量为主，兼顾底墒及蒸发状况，定义了华北地 区2 4 站春、夏季干旱指数。 对于区域干旱指数，主要有两类：一类是用单站干旱指数划分区域内备站的单站干早等 级，然后把这些干旱等级在全区域内加权平均即为区域干旱指数，如张强口q 等人利用华北地 区各站的干旱指数得出区域干旱指数；另一类是运用各站的降水量，降水正负距平面积及强 度综合为区域干旱指数。此外。吴洪宝l 有些研究直接用正交分解的e o f 或r e o f 的时间 主成分作为区域的降水指数，以及根据区域内降水与气温的反相关关系应用一种考虑气温的 千旱指数。2 0 0 6 年杨金虎d 0 1 等人还利用降水与无雨日数显著负相关的特点对西北地区夏季 干早指数进行了研究。 2 0 世纪7 0 年代，帕尔默旱度模式引入我国，1 9 8 4 年范嘉泉1 3 lj 等人简要地介绍了帕尔默 干旱指标的原理、优点和计算方法。1 9 8 5 年安顺清田1 等人用济南、郑州等1 4 个气象站气温 和降水资料，对帕尔默早度模式进行了修正，建立了我国的气象早度模式。1 9 9 5 年赵惠嫒j 、 2 0 0 1 年徐向阳 3 4 1 等利用帕尔默旱度的基本原理，分别对松嫩平原西部地区和徐州建立了修 正的旱度模式。2 0 0 4 年李新周mj 等利用帕尔默指数研究了近百年来全球主要干旱区的干旱 2 江苏省干旱特征及其影响园子的研究 化特征分析。 1 2 本文研究的目的及意义 正如前面提到的，目前国内外对于气候干旱分析，反映较好的，应用最广泛的是p d s i 指数。研究表明，p d s i 指数对于干旱、洪涝过程，特别是持续性旱涝灾害，有很好的指导 意义。它可以定量地看出干旱的发生、发展、减弱和结束过程。从而为干旱监测、评估提供 依据。 干旱是正常的周期性的气候特征，它本身包含很多复杂因子，不仅与降水量多少和分配 有关，还与地形、土壤性质、水利设施、地理位置、下垫面性质等多种因素有关目前对于 早已有许多的研究，但大多集中在干旱或半干旱地区的干旱成因研究，而对于江苏这种处于 温带气候区的干旱研究比较少。实际上，干旱在所有的气候区都会出现，只是在不同的气候 区其特征完全不同。干旱是由于水分的收支或供求不平衡形成的水分短缺现象，是一种十分 复杂的综合现象，发生比较缓慢，不易察觉，可以出现在任何季节，因而对其的研究也十分 困难。但对于江苏省而言，降水鼍的多少是最主要原因。本文将从降水特征出发，考虑江苏 省特殊的南北不同的气候特点，系统的研究江苏省干早的发生特征。为江苏省防灾减火提供 基础信息。 1 3本文的研究内容、研究方法、应用资料 1 3 1 研究内容 本文研究内容主要有以下儿个方面： ( 1 ) 对几种常用的气象干旱指标进行对比分析，确定p d s i 指数的优越性。 ( 2 ) 应用进一步修正的帕尔默早度模式计算出江苏全省5 9 个台站逐年逐月早度值，建立 各个站点的早度序列。 ( 3 ) 应用计算出的早度值分析江苏省干旱的时空分布规律，包括干旱发生的频率、干旱地 区、干旱时段以及干旱周期。 ( 4 ) 分析北太平洋s s t a 与江苏省年和季节p d s i 指数的异常关系。 ( 5 ) 分析北半球5 0 0 h p a 高度场与江苏省年和季节p d s i 指数的异常关系。 ( 6 ) 分析江苏省年和季节典型干早年和湿润年的海温场及高度场特征。 1 3 2 研究方法 本文所采用的研究方法包括e o f 、r e o f 、m o r l e t 小波、m a n n - k e n d a l l 法、s v d 分析法 等。 1 3 3 应用资料 本文所用的资料主要包括江苏省5 9 个台站1 9 6 1 2 0 0 4 年逐月的降水资料、 n c e p n c a r 再分析资料的北太平洋的逐月s s t a 资料、网格距为2 。2 。，北半球5 0 0 h p a 高度月平均格点资料、网格距为2 5 。x 2 5 。 3 江苏省干旱特征及其影响因子的研究 第二章几种常用气象干旱指标 干旱是经常发生的自然灾害，选择适宜的指标、恰当的方法来预测、评估旱情的发生、 发展和变化情况，就可以为区域有限的水资源合理持续利用提供科学依据。下面主要对气象 干旱指标计算方法作简要的综述 2 1 常见的气象干旱指标 降水指标是气候干旱分析中最为常见的一种评估干旱的指标，主要有降水量值指标、降 水距平指标和均方差指标。由于降水量是影响干旱的主要因素，降水量的多少基本反映了天 气的千湿状况，所以降水指标具有简便、直观、资料充足的特点。由于研究目标和研究区所 在的地域的不同，采用降水指标确定干早指数的定义和方法也存在很大差别。目前，在干旱 分析评价和相关研究中所采用的降水指标有很多，下面将常用的儿种以降水指标确定的干旱 指数及其计算方法作简要介绍。 ( 1 ) 降水距平百分率 该干旱指数是基于降水距平百分率指标建立起来的。通常采用的降水距平百分率是表征 某时段降水量异常的方法之一。其计算方法为： ，一墨兰 ( 2 1 ) 1 p2 r u j7 式中：r 为某时段降水量，豆为多年平均降水量。 五：1 翌n 枷麟 经：， 寺善如 式中：玛柳年j 月的降水量，n 为样本数，置为监测月份f 月的降水量，z f 为f 月的降水 4 江苏省干旱特征及1 t 影响园子的研究 z = 熹+ 击z “ 眩， 式中：x l 为本月的干旱指数；x “为前一个月的干早指数表示了前期的干旱程度对本月 的影响。式中系数a ，b 则根据不同最干旱期长度时的降水距平百分率五的累积值e z , 与 干旱长度f 的直线回归方程互= a t + b ( 其中4 = 口，b = 6 ) 求得 ( 2 ) 降水z 指数 由于某一时段的降水量一般并不服从正态分布，假设服从p i i i 型分布，通过对降水量 进行正态化处理，可将概率密度函数p - i l l 型分布转换为以z 为变量的标准正态分布p ”， 公式为： z = 虿6l i 了c s q + - ) 1 1 36 g + 导 c z m 式中：q 为降水的标准化变量，c ：为偏态系数，即约翰逊( j o l u l n ) 偏度系数，均可由降水 资料序列计算求得，计算公式为： ( 置一豆) 3 g = 且磊广 q ：墨世 盯 式中，盯为均方差，r 。为某年月的降水量，n 为样本数，r 为n 年乎均降水量 ( 3 ) 标准化降水指标 降水分布是一种偏态分布，在不少降水分析中，常用r 分布概率来描述降水量的变化 标准化降水指标( l ) ，就是先求出降水量f 分布概率，然后再正态标准化而得，计算式： = s 腼t - - 瓦( c 2 t 而+ c 1 ) t + c o ( 。s ) 式中：t = i n l p 2 ，p 为概率。 指标不仅考虑了降水服从偏态分布的实际而且又进行了正态标准处理，从而使l 适合确定不同时间尺度的干旱监测、评价，具有相同干旱等级划分标准，能进行多时问尺度 早涝等级对比分析是一种较好的气候干旱指标，其不足是没有考虑影响干旱发生的其它因 子 ( 4 ) 下次降水平均等待时间( a w t p ) 江苏省干旱特征及其影响因子的研究 粱巧情p 9 烽在对广东冬半年干旱进行分析的过程中，以无降水日作为统计日，引入了下 次降水平均等待时间( a w t p ) ，以表述干旱的指数。对于给定时问长度为l 的时间序列，有： 彳w t p = 善陋舢劫 亿s ， 式中：j 为某相邻两次降水的干期( 无降水期) 时间( 天) ，n 为该时间序列出现的最长干期天数。 f i ，) 为在l 天时间序列内出现长度为i 的干期次数。 a w t p 反映了某时段里干期持续时间及它们在整个时间序列中分布的综合效果，可以用 来衡量平均干期的长短或干旱的轻重程度。但a w t p 只是用来描述干早( 趋势) 程度的指数， 而不能用于描述降水的多少或早涝，并且对予用a 、 n 甲值划分干旱等级的标准还有待于进 一步探讨 ( 5 ) p d s i 指数 1 9 6 5 年p a l m e r l 4 0 1 提出了目前国际上应用最为广泛的帕尔默干旱指标( p d s i ) 帕尔驮定 义干旱为持久的异常水分缺乏。并建立了能够进行干旱程度分析的指标体系1 4 1 1 由于干旱作 用具有累积性，所以在表示干旱作用强度时采用递归的方法使考察时段前的干旱作用得以累 积表达。最终给出的旱度模式为： m i = 。名+ 6 1 ( 2 7 ) 膨，值系统地考虑了水分补给、水分流失和水分储存，经常被用于表示水文干旱程度， 即p a l m e r 水文干旱指标蚴。当计算山的肘。值为0 时表明前一阶段的干旱或湿润已经结束， 理想的水分需求已经实现。 p d s i 指数建立了一套完整的确定干旱持续时间的规则，能保证在以月为时间尺度上确 定干旱的起始时刻和终止时刻。所以自从建立之初，p d s 指数i 就被广泛的应用到各个领域 评估和监测较长时期的干旱，同时也是衡量土壤水分和确定干旱始终时刻最有效的工具 2 2 对比分析 降水距平百分率的概念简单，干旱开始的时间对计算累计距平是至关重要的，但降水距 平不能清楚地反映这个特性，另外，距平或累计距平的重要性取决于它相对于典型距平标准 值( 如标准偏差) 的大小。降水距平百分率对平均值的依赖性较大，对于降水空间分布极不 均匀的地区不宜使用统一的降水距平百分率标准。降水标准化变量虽然消除了降水平均值不 同而造成的影响，但是频率分布不太合理，对于不服从正态分布的降水时段不适用。z 指数 是对不服从正态分布的变量经过正态化处理以后而得到的。 卫捷1 4 j 1 等以1 9 9 8 、1 9 9 9 年我国旱涝过程为例，对修正的p d s i 指数与降水距平表征旱 涝的强度进行了对比分析。结果表明：对于我国东部地区的干早、洪涝过程，特别是持续性 旱涝灾害，p d s i 指数有很好的指示意义。对照p d s i 指数干早等级的定义，便可得到有关地 区的干旱情况。分析其时间变化特征可以定量地看出干旱的发生、发展，减弱和结束的过 程，从而为干早监测、评估提供依据。 6 让苏省千旱特征及其影响因子的研究 综上可见，各项降水指标在描述和分析特定干旱方面具有各自的特点和优势，但由于降 水指标只考虑了降水，没有考虑农作物下垫面及其它相关因素的影响情况，因此，难以判 别干旱的起迄时期等比如，由降水距平百分率确定的干旱指标，对于降水平稳的随机序列 和均匀的时空分布，表征是十分明确的，但是自然界的降水往往在时空分布上有很大差别， 在确定不同地区、不同时间尺度的旱涝时。没有统一的标准，该指标不能适用于早涝等级对 比的分析。p d s i 作为干旱的指示器，可用于估计干旱范围，异常干旱与湿润气候增长频率， 描述干旱面积、指山灌水供应的有效性、库塘储水水位及储水总量，以及森林火灾的潜在强 度，它可以表明长期和异常湿度缺乏与过剩 2 3 本章小结 研究表明，降水距平百分率的概念简单。但它对平均值的依赖性较大，不能反映干旱 开始的时问，因此降水空问分布极不均匀的地区不宣；降水标准化变量虽然消除了降水平均 值不同而造成的影响，但是频率分布不太合理，对于不服从正态分布的降水时段不适用；z 指数是对不服从正态分布的变鼍经过正态化处理以后而得到的，但由于它没有考虑到时间因 子，不能反映于早起始、发展过程；p d s i 指数可以定量地看出干早的发生、发展，减弱和 结束的过程，从而为干旱监测、评估提供依据 7 江苏省干旱特征及其影响因子的研究 第三章江苏全省p d s i 指数的确定 干旱是正常的周期性的气候特征，在所有的气候区、在任何季节都会出现，只是在不同 的气候区其特征完全不同。干旱过程是一种十分复杂的综合现象，发生比较缓慢，不易察觉， 因而对其的研究也十分困难六十年代中期，w c 帕尔默 4 4 j ( p a l m e r ) 提山了帕尔默干旱 指数，它比较全面地综合了水分亏缺量和持续因子等对干旱程度的影响，并考虑了前期的天 气气候状况，有较好的时空比较性。该指标可进行客观地描述早情的各项特征，能给出干旱 开始、发展、减弱和结柬过程，能定量给出任意时刻的干旱程度，能科学合理地预测预报千 早的未来趋势和影响程度。 对于江苏省而言，降水量的多少是最主要原因。本文就使用江苏省5 9 个台站1 9 6 1 2 0 0 4 年逐月降水资料，以帕尔默干旱指数为基础 t g , 4 s - “l ，从降水特征出发，寻求一种适用于江苏 全省干旱灾害的实时、动态监测以及干旱灾害季节性演变特点的干旱指标。 3 1资科及方法 本文使用了江苏省5 9 个台站逐月降水资料年代为1 9 6 1 2 0 0 4 年。然后通过引入帕尔 默干旱指数的计算方法，建立动态干早监测指标。 3 2p d s i 指标的建立 3 2 1 干旱的累积因素 降水指标是气候干旱分析中最为常见的一种评估干旱的指标，由于降水量是影响干旱的 主要因素，降水鼍的多少基本反映了天气的干湿状况，所以降水指标具有简便、直观、资料 充足的特点本文采用降水z 指数建立简单的干旱指标由于某一时段的降水量一般并不服 从正态分布，假设服从p 1 1 1 型分布，通过对降水量进行正态化处理，可将概率密度函数p - h i 型分布转换为以z 为变量的标准正态分布1 4 7 - 4 9 1 ，公式( 2 4 ) 计算出的z 反映了当月降水与 同期平均状态的异常程度，它不仅考虑了月降水服从偏态分布的实际，而且进行了正态标准 化处理，消除了不同地区和时期的气候差异，是一个具有时空对比性的相对指标。 干旱是一个水分持续积累和持续亏却的结果，仅仅某一个月降水量的偏少并不一定能 引起干旱的发生，而连续数月的降水偏少才容易引起严重干早的发生。因此，判定某一月 的干旱程度，需要知道前期水分的累积状况。降水z 指数虽然能够较好的反映出当月的降 水量多少引起的干旱程度，但不能反映出前期水分的积累特征，因此需要研究能够反映出 前期水分持续状况的动态干旱监测指标。 我们选取了全省地区历史降水z 指数中不同持续期的最早时段( m ；= - a 0 ) 的累积z 值( z 1 ) ，如表3 1 8 江苏省干旱特征及其影响因子的研究 表3 1扛苏全省不同持续期最早时段的累积z 值 若以z 的累积值z ，为纵坐标，以累积时段t ( 月数) 为横坐标，表3 1 中的互值 与t 对应点绘于图3 1 中，则坐标上的任一点均为水分亏缺累积值互与持续时间的函数。 并可以拟合出一条直线，这条直线表示在极端干旱期中z 值随时间增加的，因此这条直线 可以表示极端干旱( m 。= - 4 o ) ，由帕尔默的思想拟合山方程： f m = 互( 0 2 2 8 t + 0 2 1 6 ) ( 3 1 ) - = ii 对于不同的干旱程度。对图3 1 的纵坐标从正常到极端分成四等份，分别令它们为- 1 0 ， - 2 0 与一3 0 ，可以看出均可以用( 3 1 ) 式计算，显然计算的m 。值不同，则这些虚线上的m 就分别表示轻微、中等和严重干旱的上限指标 9 江苏省干旱特征及其影响囡子的研究 累_ 5 积 z 值- 1 0 1 5 持续时问( 月) 图3 1 全省各区时问k 度尺度最干期的累积指标艺z i 3 2 2 干旱的持续因素 ( 轻镑i ) ( d e 等) ( 严重) ( 极端) 方程0 1 ) 并不能很好地用于逐月的干旱指数计算，因为式中直接含有时间因素，造成 随时间的变化干旱指数呈线性变化，且因为互有正有负，随着t 的增加，z f 趋于零， 指数m 也趋于零。m 。只是我们所要寻求关系的一个近似式，仅是不同时段指标z 的代数 和。这样处理可能产生一些影响：即在长期干早中的一个特别湿的月，即使在数月后也会 直接反映在z i 中。几个湿润月之后的1 个极千月造成的干旱，比在几个相对干旱之后的 同样极千月所造成的干旱更严重，很显然，这是不符合实际的，因为在较长的干旱期中。 仅仅一个湿月往往对持续干旱的严重程度影响不大因此必须排除直接考虑时闻因子，而 使其间接地成为各月对干旱严重程度贡献的累积结果 为了估计每个月的贡献，令方程( 3 1 ) 中：卢l ，户l ，因此得到： m l = z , o 4 4 4 c 3 2 ) 这是最初的月份。囡为，= 0 时，z o = 0 ，所以m o = 0 ，因此： m 一= a m l = z l o 4 4 4 c 3 3 ) 然而这并不是完整形式从直观上我们知道，对于一次极端干旱，如果在其后来的月 份中都属于正常天气，则这一极端干旱也是无法维持的。考虑到上一月干旱对本月干旱影 响的贡献，方程( 3 3 ) 中增加一个上月的影响项，即： m = ( z f o 4 4 4 ) + 洲，_ l ( 3 4 ) t o 江苏省干旱特征及其影响园子的研究 袁冉：幽l = m i m t 4 对( 3 4 ) 式中的c 值，若给定对于任意两个m - l 等于m 的值和任意两个t 值所计算 的z 值，如表3 2 。 表3 2 任意两个相等的m 值所需互 划由( 3 4 ) 式，得到： 埘= o = - - 0 - 觋4 4 4 ) “o c 埘= o = - 0 儡4 4 4 ) 3 o c 由上述二式，均可得到c = - o 5 1 ，最终各站干旱指数计算公式为： m l = 2 2 5 z j + o 4 9 t 。 ( 3 5 ) 式中：m 为本月的干旱指数，m i 为前一个月的干旱指数，表示了前期的干旱程度 对本月的影响，互为当月的标准化降水指数，由( 2 4 ) 式求得。方程( 3 5 ) 可用来计算 各月对干旱严重程度的贡献 区域干旱指数的计算方法： 膨2 去萎 。6 式中：m 为区域干早指数， 毛为第i 月，站干旱指数，m 为区域内的站数 3 2 3 干旱等级 帕尔默在1 9 6 5 年提出干旱的基本思想，他提出一个干旱定义为。一个持续的、异常的 水分缺乏”。干旱的严重程度取决于异常的水分缺乏的历时和数量。帕尔默指标是能够进行 干旱严重程度时空比较，并能对地区气候反常现象评价的指标此外，帕尔默指数不仅可 以表示早度，而且可以表示湿润情况。根据各月的指数值，就可得到每月干早的严重程度 坚蔓塑! 呈丝堡墨苎墅堕里王箜里窒 或湿润程度，帕尔致干湿等级划分标准见表3 3 表3 3 帕尔默千湿等级划分标准 干旱指数值m 等级类型 4 0极端湿润 3 0 0 3 9 9严重湿润 2 0 0 2 9 9中等湿润 1 0 0 1 9 9轻微湿润 0 9 9 0 9 9正常 1 1 9 9轻微干旱 - 2 0 0 - 2 9 9中等干旱 - 3 0 0 一- 3 9 9严重干旱 - 4 0极端干旱 3 3 干旱指数与实际干旱对比分析 表3 41 9 7 8 年三个代表站的z 指教、m 指数及降水量 1234 567891 0i i1 2l z - 0 9 3 1 1 4 - o 2 l - 1 7 0 - o 1 8 - 0 6 5 - 1 1 10 2 7 也- o 1 9 0 2 1 , 0 2 40 5 1 新m 1 1 7 3 3 3 - 2 6 4 5 5 4 4 0 0 4 0 7 - 5 1 4 2 7 3 - 1 8 9 1 6 6 0 6 0 - o 9 3 0 5 4 沂r 0 01 12 2 61 64 9 24 4 41 3 1 0 1 6 8 17 0 42 8 62 8 77 52 0 1 丑1 5 11 7 43 1 95 5 3 6 6 49 9 i ”1 8 1 5 8