发布时间：2020-03-21所属分类：农业论文浏览：1次
摘 要： 摘要:利用1961-2017年逐日气温、降水、风速气象资料，根据国家标准气象干旱等级中定义的MCI指数，结合干旱历史记载，采用多年平均值无量纲化处理、百分位数法确定致旱因子权系数和阈值，构建与国家干旱业务体系相一致的、适合福建的气象干旱监测预警和强度评
摘要:利用1961-2017年逐日气温、降水、风速气象资料，根据国家标准“气象干旱等级”中定义的MCI指数，结合干旱历史记载，采用多年平均值无量纲化处理、百分位数法确定致旱因子权系数和阈值，构建与国家干旱业务体系相一致的、适合福建的气象干旱监测预警和强度评估体系:确定全省范围内监测气象干旱可能带来灾害影响的临界阈值，用于发布干旱预警;继而根据符合预警的历史干旱过程，研制了福建全省和9地市不同区域气象干旱过程强度定量化评估指标，用于动态的过程强度评估、相似过程比较和历史排位分析等。经过2018年实际业务检验、2018年历史相似年份对比分析和历史重大干旱过程的验证，表明所确定的指标具有很好的业务应用价值。通过系统平台业务化建设，实现了对区域气象干旱风险实时动态监测预警、未来一周干旱预估和过程定量化评估，为干旱灾害防御和风险控制提供了科学的依据。
关键词:气象干旱;旱灾风险;监测预警;定量化评估;福建
福建省地处亚热带南沿，东临太平洋，依山傍海，九成陆地面积为山地丘陵，俗称“八山一水一分田”，森林覆盖率达65.95%，居全国首位。年平均降水量1400～2000mm，但存在年际间的不均性、季节间的差异性和季内分布的脉冲性，以及地域分布的复杂性，区域性、季节性干旱发生频繁，降水严重缺乏时将形成更为严重的季节连旱[1]。山多地少的福建农业，以发展特色农业和闽台合作农业为主线，具有山地立体多样化的生态农业特点，每年都受到不同程度的洪涝、干旱和病虫等自然灾害影响，尤其是旱灾发生频率最高、影响最大，是各种气象灾害中受灾面积最大、最为敏感[2]的灾种，制约了福建现代农业的发展。
针对不同的领域，干旱一般可分为气象干旱、农业干旱、水文干旱以及经济社会干旱等，气象干旱是其它类型干旱的起因和监测评估的基础。气象干旱的表征方式很多，干旱指数是监测预警评估干旱的关键参数。根据世界气象组织统计，各种应用的干旱指数有55种之多，每种干旱指数都是建立在特定的时间和空间范围内，有着各自的适用范围和应用效果，以至于影响了在一个较大范围内气象干旱特征的可比性[3-7]。各种气象干旱指数都有自身的优点，在业务应用中都存在一些问题和难点，为解决这个问题，考虑实际业务的需要，2012年国家气候中心推行了改进的气象干旱综合指数(MCI)，是综合考虑前期不同时间段降水和蒸散对当前干旱的影响而构建的一种干旱指数[8-9]，为全国干旱监测与评估业务的规范化和标准化做出了重要贡献。王素萍等[10]利用西南和华南区域129个气象站逐日和逐月气象数据，计算并对比分析了7种干旱监测指标在该区域的适用性，结果表明:在干旱监测中，MCI指数效果较好，冬、春季MCI指数最好;对干旱演变过程的刻画能力，MCI指数在干旱缓解阶段存在监测偏重的情况;综合来看，MCI指数和K指数优于其他指数，K指数更适用于月尺度干旱监测。
干旱灾害风险评估可以对干旱灾害进行早期预警，科学指导个体、社会和政府采取针对性的应对措施，改变水资源的时空分布，改善水资源的质量，进行多目标综合管理，以降低旱灾发生和发展的风险[11]。通常干旱风险监测预警评估是基于各站点逐日某种干旱指标，划分一定的阈值，进行单站干旱过程的识别，并对干旱过程的强度或干旱指数大小、空间范围或干旱站次比、持续时间、发生频率等分别统计[12]。由于干旱的影响同时取决于强度、范围、持续时间和出现时间，因而针对相关特征量的独立统计难以与历史干旱事件进行时空和强度上的比较[13]。已有大量的关于应用Copula函数进行干旱特征多变量联合分析的研究[14-16]，颜敏等[17]采用可变模糊理论通过干旱发概率和相应的干旱损失量构造风险度，进行气象干旱风险评估，规避致旱因子选择和权重确定的难点。这些方法主要适用于区域干旱风险表征以及干旱事件后评估，不能满足对正在发生发展的干旱过程及时进行诊断分析和动态评估。王学锋[18]采用区域内所有站点轻旱等级以上逐日干旱等级累积和的算术平均构建区域动态干旱强度评估指数，是最常用的又最简单的方法;段旭等[19]提出了干旱时间面积函数，将干旱特征统一在时域上进行客观分析，连续滚动地展现了干旱事件的过程演变和历史排位比较，这些研究为气象干旱发生发展过程和实时动态评估、客观评价干旱过程在历史干旱事件中的地位提供了理论支持和技术思路。
就福建而言，干旱评价长期以来使用的是连旱日数标准[20]，该标准是根据农业需水而拟定的，主要考虑季节年内整体缺水情景，未考虑前期降水逐日累积效应和蒸散量等的影响，随着社会经济飞速发展，该指标的局限性日渐明显[21]。本文根据国家标准“气象干旱等级”[22]中定义的MCI指数，分析改进的MCI指数在福建的适应性，采用简单的统计方法，构建适合福建的气象干旱监测预警和强度评估指标，在实际业务中实现对区域气象干旱实时动态监测预警和评估，通过2018年导致粮食作物受灾程度较重的春夏连旱检验，效果良好。
1研究区域、资料和方法
1.1区域和站点选择
全省区域划分为9个地市，内陆地区有南平、三明和龙岩;沿海地区有宁德、福州、莆田、泉州、厦门和漳州(表1)。沿海地区里莆田、厦门站点仅有2个，虽然站数少，计算的综合指数远大于其他区域，因考虑莆田处于闽中交界、厦门处于闽南交界，具有一定的代表性，且历史灾情里是作为独立的区域记载的，故不合并到其他区域。
1.2资料来源
气象资料来源于1961年以来66个气象观测站(表1)逐日气温、降水、风速观测资料，干旱灾情资料来源于《中国气象灾害大典福建卷》[23]和福建省民政部门收集的灾情数据。
根据福建气候特点，四季划分的月份为: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连旱日数
定义日雨量≤2mm为无有效降雨日，无有效降雨日的长时间持续且累积雨量未达到解除指标的持续少雨过程就是干旱过程(表2)，其开始日为首个无有效降雨日，结束日为达到解除雨量指标日的前1d。由于连旱日数侧重于农业耕作制度，季节划分略不同于气候季节。
101.3.2MCI指数和干旱等级
在国家标准GB/T20481-2017气象干旱等级[22]中改进的MCI指数:
MCI=Ka×(a×SPIW60+b×MI30+c×SPI90+d×SPI150)。(1)式中:SPIW60为60d标准化权重降水指数;MI30为30d湿润度指数;SPI90为90d标准化降水指数;SPI150为150d标准化降水指数。a、b、c、d为经验系数，随地区和季节变化调整，秦岭和淮河以南的南方地区，冬春季取:0.3、0.4、0.3、0.2;夏季取:0.5、0.6、0.2、0.1;Ka为季节调节系数，由不同季节主要农作物生长发育阶段对土壤水分的敏感程度确定。MCI各分量的算法详见文献[22]。
根据表3、表1和(1)式，计算全省和各地区4种类型干旱1961年以来逐日站数。
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2干旱指标适应性研究
由于逐日气象资料的不完整，计算干旱指数出现缺漏，为了真实反映连旱日数与MCI之间的关系，采用未插补订正的原始序列进行相关分析，计算的相关系数介于-0.504～-0.393之间，呈负相关关系，即连旱日数越多，MCI指数的负值越大越旱。1961-2017年66站样本数18737～10386，t介于77.53～53.38之间，查表得知t0.001=3.291，t≥t0.001，表明全省各站点的连旱日数与MCI之间存在显著的相关关系，相关系数偏小的区域主要集中在宁德地区(图1左)。再根据连旱日数的季节划分，分析季节中两者之间的关系发现，全省各站秋冬季相关性很稳定，夏季个别站相关系数较低(图1右)，但都通过0.001的t检验。可见，不论是年还是季节，MCI指数完全可以替代连旱日数，作为福建气象干旱逐日监测指标，实现与国家标准相一致的业务体系。
3气象干旱监测预警指标设计
日常业务中，气象干旱分析采用逐日单站MCI指数对应的干旱等级空间分布图，或者是逐日区域不同等级干旱的站数演变图(图2)，很难进行某段时间内区域干旱强度的定量化评价，因为干旱站数的变化还包含了干旱强度的变化，如全省都出现旱情，最多累积站数为66个，但是逐日各旱级站数和站点位置不同，导致很难直观评判干旱强度。同时由于降水变化大、分布不均，常导致干旱的空间变化随机，难以描述区域状况并进行历史比较。另外，采用单站过程干旱等级强度的累计值的区域算术平均表示区域干旱强度(最常用的方法)，很难体现区域干旱气候变化的时间和空间双重性。因此，为评价区域逐日MCI强度和差异，本文采用逐日干旱等级的历史均值无量纲化方法，计算区域各干旱等级的权重系数，设计任意大小区域的MCI综合指数，既能反映干旱区域变动情况，便于区域强度分级和历史比较，又能在一个大范围内实现监测预警。根据王莺等[24]利用主成分分析中国南方干旱脆弱性评价得到的农业和社会脆弱性贡献最大(54.9%)结论，以历史灾情信息中农业受旱面积为主，兼顾人饮水困难，制定综合指数预警阈值，满足干旱决策服务需求。
3.1综合指数的表达方式
考察历年逐日全省各站MCI指数，存在缺漏情况。由于采用多年平均值法计算权重系数，区域内站数资料不完整将导致较大的误差，必须对单站历史序列进行插补订正。采用站点之间相关分析，取相关最好，又具有相同气候特征的站点，插补逐日MCI指数，保证单站MCI指数序列的完整性。然后按全省和9个区域分别统计轻旱、中旱、重旱、特旱4类干旱站数多年平均值，得到不同干旱类型的权重系数列于表4，利用下式求算区域逐日MCI综合指数。
3.2逐日监测预警指标
设计监测预警指标目的提醒人们注意气象干旱的进一步发展可能带来灾害影响，适时采取有效措施趋利避害。福建降水时空分布极不均，一地短时的缺水现象很常见，常表现为断断续续、空间位置变动很大的特点，很难确定小区域过程起始时间。俗话说“水灾一条线，旱灾一大片”，大范围长时间的旱象才是值得我们关注的事件。设计的全省区域综合指数弥补了单点或小区域频繁的时空不连续带来的干扰，再结合实际旱灾事件，确定监测预警阈值。
采用百分位数法，1961年以来全省逐日MCI综合指数按照从大到小排序，剔除0指数，分别取10%(1级)，30%(2级)，70%(3级)分位数，组成3个等级阈值(表4)。再以全省2级和3级临界值的取值范围，分析MCI综合指数和灾情严重程度之间的关系，归纳总结，发现当全省逐日MCI综合指数≥5.22，且持续≥17d(中间允许一次间断1d)，气象干旱有可能发展成有影响的干旱事件。
国家气候中心每日滚动下发未来一周MCI指数预报，本预警指标可以根据预报，监测未来干旱发展状况发布预警。
3.3预警指标设计的历史拟合率
为了检验预警指标的敏感性，以全省3级预警指标(表3)截取过程，57年来一共有147个，按预警指标区分为预警过程和非预警过程，符合预警条件的有73个，不符合预警条件的有74个(不超过17d)。
在不符合预警条件的74个例中，无受旱面积记载的67例，有受旱面积记载的7例，判断无旱正确率90.5%，漏预警率9.5%。在有受灾面积记载的漏预警7例中，6例发生在上世纪60年代，最大的受旱面积为1965年的夏旱1.52万hm2，剩下的1972年夏旱1例，仅宁化有0.87万hm2的受灾面积记载。考虑社会经济发展和灾情记载历史原因，可以忽略这些漏预警的过程。
在符合预警条件的73个例中，有灾情记载的61例，无灾情记载的12例，预警正确率83.6%，空预警率16.4%。在空预警的12例中有7例发生在2010年以后，考虑灾情上报收集原因和不放过任何可能成灾的过程，空预警率的大小可以忽略。
以上分析表明，监测预警历史拟合率高，没有预警的过程基本上没有灾害，明显的旱灾过程都有预警。
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