發(fā)布時(shí)間：2020-03-21所屬分類：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:利用1961-2017年逐日氣溫、降水、風(fēng)速氣象資料，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)氣象干旱等級(jí)中定義的MCI指數(shù)，結(jié)合干旱歷史記載，采用多年平均值無量綱化處理、百分位數(shù)法確定致旱因子權(quán)系數(shù)和閾值，構(gòu)建與國(guó)家干旱業(yè)務(wù)體系相一致的、適合福建的氣象干旱監(jiān)測(cè)預(yù)警和強(qiáng)度評(píng)
摘要:利用1961-2017年逐日氣溫、降水、風(fēng)速氣象資料，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“氣象干旱等級(jí)”中定義的MCI指數(shù)，結(jié)合干旱歷史記載，采用多年平均值無量綱化處理、百分位數(shù)法確定致旱因子權(quán)系數(shù)和閾值，構(gòu)建與國(guó)家干旱業(yè)務(wù)體系相一致的、適合福建的氣象干旱監(jiān)測(cè)預(yù)警和強(qiáng)度評(píng)估體系:確定全省范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)氣象干旱可能帶來災(zāi)害影響的臨界閾值，用于發(fā)布干旱預(yù)警;繼而根據(jù)符合預(yù)警的歷史干旱過程，研制了福建全省和9地市不同區(qū)域氣象干旱過程強(qiáng)度定量化評(píng)估指標(biāo)，用于動(dòng)態(tài)的過程強(qiáng)度評(píng)估、相似過程比較和歷史排位分析等。經(jīng)過2018年實(shí)際業(yè)務(wù)檢驗(yàn)、2018年歷史相似年份對(duì)比分析和歷史重大干旱過程的驗(yàn)證，表明所確定的指標(biāo)具有很好的業(yè)務(wù)應(yīng)用價(jià)值。通過系統(tǒng)平臺(tái)業(yè)務(wù)化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)區(qū)域氣象干旱風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警、未來一周干旱預(yù)估和過程定量化評(píng)估，為干旱災(zāi)害防御和風(fēng)險(xiǎn)控制提供了科學(xué)的依據(jù)。
關(guān)鍵詞:氣象干旱;旱災(zāi)風(fēng)險(xiǎn);監(jiān)測(cè)預(yù)警;定量化評(píng)估;福建
福建省地處亞熱帶南沿，東臨太平洋，依山傍海，九成陸地面積為山地丘陵，俗稱“八山一水一分田”，森林覆蓋率達(dá)65.95%，居全國(guó)首位。年平均降水量1400～2000mm，但存在年際間的不均性、季節(jié)間的差異性和季內(nèi)分布的脈沖性，以及地域分布的復(fù)雜性，區(qū)域性、季節(jié)性干旱發(fā)生頻繁，降水嚴(yán)重缺乏時(shí)將形成更為嚴(yán)重的季節(jié)連旱[1]。山多地少的福建農(nóng)業(yè)，以發(fā)展特色農(nóng)業(yè)和閩臺(tái)合作農(nóng)業(yè)為主線，具有山地立體多樣化的生態(tài)農(nóng)業(yè)特點(diǎn)，每年都受到不同程度的洪澇、干旱和病蟲等自然災(zāi)害影響，尤其是旱災(zāi)發(fā)生頻率最高、影響最大，是各種氣象災(zāi)害中受災(zāi)面積最大、最為敏感[2]的災(zāi)種，制約了福建現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。
針對(duì)不同的領(lǐng)域，干旱一般可分為氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)干旱等，氣象干旱是其它類型干旱的起因和監(jiān)測(cè)評(píng)估的基礎(chǔ)。氣象干旱的表征方式很多，干旱指數(shù)是監(jiān)測(cè)預(yù)警評(píng)估干旱的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)世界氣象組織統(tǒng)計(jì)，各種應(yīng)用的干旱指數(shù)有55種之多，每種干旱指數(shù)都是建立在特定的時(shí)間和空間范圍內(nèi)，有著各自的適用范圍和應(yīng)用效果，以至于影響了在一個(gè)較大范圍內(nèi)氣象干旱特征的可比性[3-7]。各種氣象干旱指數(shù)都有自身的優(yōu)點(diǎn)，在業(yè)務(wù)應(yīng)用中都存在一些問題和難點(diǎn)，為解決這個(gè)問題，考慮實(shí)際業(yè)務(wù)的需要，2012年國(guó)家氣候中心推行了改進(jìn)的氣象干旱綜合指數(shù)(MCI)，是綜合考慮前期不同時(shí)間段降水和蒸散對(duì)當(dāng)前干旱的影響而構(gòu)建的一種干旱指數(shù)[8-9]，為全國(guó)干旱監(jiān)測(cè)與評(píng)估業(yè)務(wù)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化做出了重要貢獻(xiàn)。王素萍等[10]利用西南和華南區(qū)域129個(gè)氣象站逐日和逐月氣象數(shù)據(jù)，計(jì)算并對(duì)比分析了7種干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)在該區(qū)域的適用性，結(jié)果表明:在干旱監(jiān)測(cè)中，MCI指數(shù)效果較好，冬、春季MCI指數(shù)最好;對(duì)干旱演變過程的刻畫能力，MCI指數(shù)在干旱緩解階段存在監(jiān)測(cè)偏重的情況;綜合來看，MCI指數(shù)和K指數(shù)優(yōu)于其他指數(shù)，K指數(shù)更適用于月尺度干旱監(jiān)測(cè)。
干旱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以對(duì)干旱災(zāi)害進(jìn)行早期預(yù)警，科學(xué)指導(dǎo)個(gè)體、社會(huì)和政府采取針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，改變水資源的時(shí)空分布，改善水資源的質(zhì)量，進(jìn)行多目標(biāo)綜合管理，以降低旱災(zāi)發(fā)生和發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)[11]。通常干旱風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警評(píng)估是基于各站點(diǎn)逐日某種干旱指標(biāo)，劃分一定的閾值，進(jìn)行單站干旱過程的識(shí)別，并對(duì)干旱過程的強(qiáng)度或干旱指數(shù)大小、空間范圍或干旱站次比、持續(xù)時(shí)間、發(fā)生頻率等分別統(tǒng)計(jì)[12]。由于干旱的影響同時(shí)取決于強(qiáng)度、范圍、持續(xù)時(shí)間和出現(xiàn)時(shí)間，因而針對(duì)相關(guān)特征量的獨(dú)立統(tǒng)計(jì)難以與歷史干旱事件進(jìn)行時(shí)空和強(qiáng)度上的比較[13]。已有大量的關(guān)于應(yīng)用Copula函數(shù)進(jìn)行干旱特征多變量聯(lián)合分析的研究[14-16]，顏敏等[17]采用可變模糊理論通過干旱發(fā)概率和相應(yīng)的干旱損失量構(gòu)造風(fēng)險(xiǎn)度，進(jìn)行氣象干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，規(guī)避致旱因子選擇和權(quán)重確定的難點(diǎn)。這些方法主要適用于區(qū)域干旱風(fēng)險(xiǎn)表征以及干旱事件后評(píng)估，不能滿足對(duì)正在發(fā)生發(fā)展的干旱過程及時(shí)進(jìn)行診斷分析和動(dòng)態(tài)評(píng)估。王學(xué)鋒[18]采用區(qū)域內(nèi)所有站點(diǎn)輕旱等級(jí)以上逐日干旱等級(jí)累積和的算術(shù)平均構(gòu)建區(qū)域動(dòng)態(tài)干旱強(qiáng)度評(píng)估指數(shù)，是最常用的又最簡(jiǎn)單的方法;段旭等[19]提出了干旱時(shí)間面積函數(shù)，將干旱特征統(tǒng)一在時(shí)域上進(jìn)行客觀分析，連續(xù)滾動(dòng)地展現(xiàn)了干旱事件的過程演變和歷史排位比較，這些研究為氣象干旱發(fā)生發(fā)展過程和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)評(píng)估、客觀評(píng)價(jià)干旱過程在歷史干旱事件中的地位提供了理論支持和技術(shù)思路。
就福建而言，干旱評(píng)價(jià)長(zhǎng)期以來使用的是連旱日數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[20]，該標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)農(nóng)業(yè)需水而擬定的，主要考慮季節(jié)年內(nèi)整體缺水情景，未考慮前期降水逐日累積效應(yīng)和蒸散量等的影響，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，該指標(biāo)的局限性日漸明顯[21]。本文根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“氣象干旱等級(jí)”[22]中定義的MCI指數(shù)，分析改進(jìn)的MCI指數(shù)在福建的適應(yīng)性，采用簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)方法，構(gòu)建適合福建的氣象干旱監(jiān)測(cè)預(yù)警和強(qiáng)度評(píng)估指標(biāo)，在實(shí)際業(yè)務(wù)中實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域氣象干旱實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警和評(píng)估，通過2018年導(dǎo)致糧食作物受災(zāi)程度較重的春夏連旱檢驗(yàn)，效果良好。
1研究區(qū)域、資料和方法
1.1區(qū)域和站點(diǎn)選擇
全省區(qū)域劃分為9個(gè)地市，內(nèi)陸地區(qū)有南平、三明和龍巖;沿海地區(qū)有寧德、福州、莆田、泉州、廈門和漳州(表1)。沿海地區(qū)里莆田、廈門站點(diǎn)僅有2個(gè)，雖然站數(shù)少，計(jì)算的綜合指數(shù)遠(yuǎn)大于其他區(qū)域，因考慮莆田處于閩中交界、廈門處于閩南交界，具有一定的代表性，且歷史災(zāi)情里是作為獨(dú)立的區(qū)域記載的，故不合并到其他區(qū)域。
1.2資料來源
氣象資料來源于1961年以來66個(gè)氣象觀測(cè)站(表1)逐日氣溫、降水、風(fēng)速觀測(cè)資料，干旱災(zāi)情資料來源于《中國(guó)氣象災(zāi)害大典福建卷》[23]和福建省民政部門收集的災(zāi)情數(shù)據(jù)。
根據(jù)福建氣候特點(diǎn)，四季劃分的月份為:春季3-6月，夏季7-9月，秋季10-11月，冬季12至翌年2月。
1.3方法
1.3.1連旱日數(shù)
定義日雨量≤2mm為無有效降雨日，無有效降雨日的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)且累積雨量未達(dá)到解除指標(biāo)的持續(xù)少雨過程就是干旱過程(表2)，其開始日為首個(gè)無有效降雨日，結(jié)束日為達(dá)到解除雨量指標(biāo)日的前1d。由于連旱日數(shù)側(cè)重于農(nóng)業(yè)耕作制度，季節(jié)劃分略不同于氣候季節(jié)。
101.3.2MCI指數(shù)和干旱等級(jí)
在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20481-2017氣象干旱等級(jí)[22]中改進(jìn)的MCI指數(shù):
MCI=Ka×(a×SPIW60+b×MI30+c×SPI90+d×SPI150)。(1)式中:SPIW60為60d標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重降水指數(shù);MI30為30d濕潤(rùn)度指數(shù);SPI90為90d標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù);SPI150為150d標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)。a、b、c、d為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，隨地區(qū)和季節(jié)變化調(diào)整，秦嶺和淮河以南的南方地區(qū)，冬春季取:0.3、0.4、0.3、0.2;夏季取:0.5、0.6、0.2、0.1;Ka為季節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù)，由不同季節(jié)主要農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育階段對(duì)土壤水分的敏感程度確定。MCI各分量的算法詳見文獻(xiàn)[22]。
根據(jù)表3、表1和(1)式，計(jì)算全省和各地區(qū)4種類型干旱1961年以來逐日站數(shù)。
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2干旱指標(biāo)適應(yīng)性研究
由于逐日氣象資料的不完整，計(jì)算干旱指數(shù)出現(xiàn)缺漏，為了真實(shí)反映連旱日數(shù)與MCI之間的關(guān)系，采用未插補(bǔ)訂正的原始序列進(jìn)行相關(guān)分析，計(jì)算的相關(guān)系數(shù)介于-0.504～-0.393之間，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即連旱日數(shù)越多，MCI指數(shù)的負(fù)值越大越旱。1961-2017年66站樣本數(shù)18737～10386，t介于77.53～53.38之間，查表得知t0.001=3.291，t≥t0.001，表明全省各站點(diǎn)的連旱日數(shù)與MCI之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)偏小的區(qū)域主要集中在寧德地區(qū)(圖1左)。再根據(jù)連旱日數(shù)的季節(jié)劃分，分析季節(jié)中兩者之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，全省各站秋冬季相關(guān)性很穩(wěn)定，夏季個(gè)別站相關(guān)系數(shù)較低(圖1右)，但都通過0.001的t檢驗(yàn)。可見，不論是年還是季節(jié)，MCI指數(shù)完全可以替代連旱日數(shù)，作為福建氣象干旱逐日監(jiān)測(cè)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相一致的業(yè)務(wù)體系。
3氣象干旱監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)設(shè)計(jì)
日常業(yè)務(wù)中，氣象干旱分析采用逐日單站MCI指數(shù)對(duì)應(yīng)的干旱等級(jí)空間分布圖，或者是逐日區(qū)域不同等級(jí)干旱的站數(shù)演變圖(圖2)，很難進(jìn)行某段時(shí)間內(nèi)區(qū)域干旱強(qiáng)度的定量化評(píng)價(jià)，因?yàn)楦珊嫡緮?shù)的變化還包含了干旱強(qiáng)度的變化，如全省都出現(xiàn)旱情，最多累積站數(shù)為66個(gè)，但是逐日各旱級(jí)站數(shù)和站點(diǎn)位置不同，導(dǎo)致很難直觀評(píng)判干旱強(qiáng)度。同時(shí)由于降水變化大、分布不均，常導(dǎo)致干旱的空間變化隨機(jī)，難以描述區(qū)域狀況并進(jìn)行歷史比較。另外，采用單站過程干旱等級(jí)強(qiáng)度的累計(jì)值的區(qū)域算術(shù)平均表示區(qū)域干旱強(qiáng)度(最常用的方法)，很難體現(xiàn)區(qū)域干旱氣候變化的時(shí)間和空間雙重性。因此，為評(píng)價(jià)區(qū)域逐日MCI強(qiáng)度和差異，本文采用逐日干旱等級(jí)的歷史均值無量綱化方法，計(jì)算區(qū)域各干旱等級(jí)的權(quán)重系數(shù)，設(shè)計(jì)任意大小區(qū)域的MCI綜合指數(shù)，既能反映干旱區(qū)域變動(dòng)情況，便于區(qū)域強(qiáng)度分級(jí)和歷史比較，又能在一個(gè)大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警。根據(jù)王鶯等[24]利用主成分分析中國(guó)南方干旱脆弱性評(píng)價(jià)得到的農(nóng)業(yè)和社會(huì)脆弱性貢獻(xiàn)最大(54.9%)結(jié)論，以歷史災(zāi)情信息中農(nóng)業(yè)受旱面積為主，兼顧人飲水困難，制定綜合指數(shù)預(yù)警閾值，滿足干旱決策服務(wù)需求。
3.1綜合指數(shù)的表達(dá)方式
考察歷年逐日全省各站MCI指數(shù)，存在缺漏情況。由于采用多年平均值法計(jì)算權(quán)重系數(shù)，區(qū)域內(nèi)站數(shù)資料不完整將導(dǎo)致較大的誤差，必須對(duì)單站歷史序列進(jìn)行插補(bǔ)訂正。采用站點(diǎn)之間相關(guān)分析，取相關(guān)最好，又具有相同氣候特征的站點(diǎn)，插補(bǔ)逐日MCI指數(shù)，保證單站MCI指數(shù)序列的完整性。然后按全省和9個(gè)區(qū)域分別統(tǒng)計(jì)輕旱、中旱、重旱、特旱4類干旱站數(shù)多年平均值，得到不同干旱類型的權(quán)重系數(shù)列于表4，利用下式求算區(qū)域逐日MCI綜合指數(shù)。
3.2逐日監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)
設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)目的提醒人們注意氣象干旱的進(jìn)一步發(fā)展可能帶來災(zāi)害影響，適時(shí)采取有效措施趨利避害。福建降水時(shí)空分布極不均，一地短時(shí)的缺水現(xiàn)象很常見，常表現(xiàn)為斷斷續(xù)續(xù)、空間位置變動(dòng)很大的特點(diǎn)，很難確定小區(qū)域過程起始時(shí)間。俗話說“水災(zāi)一條線，旱災(zāi)一大片”，大范圍長(zhǎng)時(shí)間的旱象才是值得我們關(guān)注的事件。設(shè)計(jì)的全省區(qū)域綜合指數(shù)彌補(bǔ)了單點(diǎn)或小區(qū)域頻繁的時(shí)空不連續(xù)帶來的干擾，再結(jié)合實(shí)際旱災(zāi)事件，確定監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值。
采用百分位數(shù)法，1961年以來全省逐日MCI綜合指數(shù)按照從大到小排序，剔除0指數(shù)，分別取10%(1級(jí))，30%(2級(jí))，70%(3級(jí))分位數(shù)，組成3個(gè)等級(jí)閾值(表4)。再以全省2級(jí)和3級(jí)臨界值的取值范圍，分析MCI綜合指數(shù)和災(zāi)情嚴(yán)重程度之間的關(guān)系，歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)全省逐日MCI綜合指數(shù)≥5.22，且持續(xù)≥17d(中間允許一次間斷1d)，氣象干旱有可能發(fā)展成有影響的干旱事件。
國(guó)家氣候中心每日滾動(dòng)下發(fā)未來一周MCI指數(shù)預(yù)報(bào)，本預(yù)警指標(biāo)可以根據(jù)預(yù)報(bào)，監(jiān)測(cè)未來干旱發(fā)展?fàn)顩r發(fā)布預(yù)警。
3.3預(yù)警指標(biāo)設(shè)計(jì)的歷史擬合率
為了檢驗(yàn)預(yù)警指標(biāo)的敏感性，以全省3級(jí)預(yù)警指標(biāo)(表3)截取過程，57年來一共有147個(gè)，按預(yù)警指標(biāo)區(qū)分為預(yù)警過程和非預(yù)警過程，符合預(yù)警條件的有73個(gè)，不符合預(yù)警條件的有74個(gè)(不超過17d)。
在不符合預(yù)警條件的74個(gè)例中，無受旱面積記載的67例，有受旱面積記載的7例，判斷無旱正確率90.5%，漏預(yù)警率9.5%。在有受災(zāi)面積記載的漏預(yù)警7例中，6例發(fā)生在上世紀(jì)60年代，最大的受旱面積為1965年的夏旱1.52萬hm2，剩下的1972年夏旱1例，僅寧化有0.87萬hm2的受災(zāi)面積記載。考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和災(zāi)情記載歷史原因，可以忽略這些漏預(yù)警的過程。
在符合預(yù)警條件的73個(gè)例中，有災(zāi)情記載的61例，無災(zāi)情記載的12例，預(yù)警正確率83.6%，空預(yù)警率16.4%。在空預(yù)警的12例中有7例發(fā)生在2010年以后，考慮災(zāi)情上報(bào)收集原因和不放過任何可能成災(zāi)的過程，空預(yù)警率的大小可以忽略。
以上分析表明，監(jiān)測(cè)預(yù)警歷史擬合率高，沒有預(yù)警的過程基本上沒有災(zāi)害，明顯的旱災(zāi)過程都有預(yù)警。
