钱塘江流域干旱时空分析

钱塘江流域干旱时空分析

林盛吉

林盛吉

宁波市奉化区松岙镇人民政府315500

摘要：随着人口增长、农业和工业用水需求量的增大以及全球环境的变化，干旱化趋势在进一步发展中。干旱已成为影响我国农业生产最为严重的自然灾害。干旱指数是干旱监测和预测的基础，近年来国内外学者已经研究了不少干旱评价的指标和方法，但尚未有相关工作研究气候变化下钱塘江流域的未来干旱情况，随着全球变暖，湿润地区干旱的预测和评估也同样引起了众人的关注。

关键词：干旱、多时间尺度、SPI、统计降尺度、支持向量机、干旱烈度、钱塘江流域

一、研究背景

干旱是气候灾害中最主要的灾害之一，全球干旱面积约4800万km2，占陆地面积的33%，全球每年因干旱损失近70亿美元，其出现的次数、影响的范围和造成的经济损失居各种气象灾害之首，远远超过了其它气象灾害。中国也是受干旱灾害种类最频繁、危害最为严重的国家之一。

我国是大陆性季风气候，年季间季风变化不稳定，造成了全国范围的干旱频发，尤其是西北地区。众所周知，中国南方地区四季分明、温和湿润、雨量丰沛，发生干旱的次数和程度均小于西北地区。但是，近年来南方湿润地区的干旱灾害逐渐凸显出来，即使是降水比较充沛的地区，近几年也饱受干旱困扰。2003年，浙江省经历了50年一遇的高温和干旱的严峻考验，降雨量明显少于多年平均值，而蒸发量又大于多年平均水面蒸发量，浙江省经历了严重的大旱。

二、国内外研究现状和进展

干旱研究历史悠久，在干旱成因、规律、指标和监测预报等方面已取得了不同程度的进展。对于干旱定量化的研究，一般是结合干旱区域特点和掌握的实测气象资料来建立不同的干旱指标。美国气象学会（AMS）将干旱分为四类，即气象干旱（降水和蒸发的收支不平衡造成的水分异常短缺的现象）、农业干旱（农即发生水分亏缺、影响作物正常生长发育，进而导致减产的现象）、水文干旱（由降水和地表水或地下水收支不平衡现象）和社会经济干旱（自然系统与人类社会系统中的水资源工序不平衡现象）。前人已经做了大量的研究工作，建立了不同应用效果的干旱指标。

地貌类型以山地、盆地、平原为主。海拔1500m以上的山峰有10余座，较大的盆地有11处，其中金衢盆地是流域内最大的走廊式盆地，面积3500km2。

三、钱塘江流域历年干旱时空分析

在本文中，钱塘江流域的降水数据主要来自中国气象局，共采用了23个站点的月降水数据，具体站点及各站降水数据资料可分别见表1。其中兰江流域有8个站点，新安江流域有7个站点，富春江流域至出口占8个站点，各站在钱塘江流域分布较为均匀，有较强的代表性

四、干旱指标的选取

干旱是气候灾害中最主要的灾害之一，即使是降水比较充沛的浙江省，近几年也饱受干旱困扰。而且随着经济的迅速发展、人口的快速增长以及全球气候的变暖，干旱有进一步加重的趋势。干旱是一种危害很大的自然灾害，不同地区有着不同的地理状况和气候特点，对干旱的定义也不同，要定量化地研究干旱，离不开干旱指数。1997年美国气象学会将干旱分为四类，即气候干旱、农业干旱和水文干旱和社会经济干旱。相应的干旱指标也分为四类，即气候干旱指标、农业干旱指标和水文干旱指标和社会经济干旱指标。

选择适当的指标来预测、评估旱情的发生、发展和变化情况，就可以为水资源合理持续利用提供科学依据。目前在干旱的分析研究中，广泛应用于国内外各个区域且效果较为理想的干旱指数有Z指数、标准化降水指数（SPI）和Palmer干旱指数。SPI由Mckee等人在评估美国科罗拉多干旱状况时首次被提出，并用累计概率提出了多时间尺度标准化降水指数[67]。Mishra和Desai[68]应用ARIMA方法对Kansabati盆地多尺度标准化降水指数进行了预测。早在1995年中国国家气候中心就使用Z指数监测全国各地的水分条件[69]。黄道友[70]等用Z指数分析了中国南方季节性干旱，与实际情况取得了很好的一致性。Hayes[71]等人应用多时间尺度干旱指数监测美国干旱得到了很好的效果。

1、Z指数

Z指数计算方法如下：假设某时段降水量服从P-III型分布，通过对降水量X进行正态化处理后，则可将其概率密度函数通过转换运算，得到下式：

式中，为偏态系数，为标准变量，均可由降水量资料得到，其中为降水量序列。

式中，n为降水量序列的长度。

由于gamma方程不包含x=0的情况，而实际降水量可能为0，假设m为序列中降水量为0的数量，令u=m/n。于是，一定时间尺度的累计概率由下式计算：

（4.9）

，

4.3趋势特征分析和突变检验

趋势分析的方法很多，常用的方法有线性倾向估计法、滑动平均法、累积距平法、二次平滑法、Mann-Kendall法等等。到目前为止，趋势分析应用于水文，气候、水质以及其他自然时间序列已有三十多年了，在世界上许多国家及地区广泛应用[72][73][74]。本文尝试应用Mann-Kendall来检验钱塘江流域的多时间尺度SPI的变化趋势，并计算了倾斜度用于反映序列单调趋势的大小。然后采用Man-Kendall法检验多时间尺度SPI的显著性趋势和突变点。Mann-Kendall检验是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法，最初由Mann和Kendall提出，它不建立在样本分布服从一定假设基础上，对样本容量和研究对象的某些的计量水平要求不严格，而且计算简便。它与参数检验相比，更适用于非正态分布，所以在水文气象中应用广泛。