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1、水灾害防治课程设计报告基于CI指数的河南栾川县干旱变化趋势分析摘要：基于栾川县气象站2000年2009年实测气象资料,利用气象干旱综合指数对河南省栾川县近10a的干旱特征进行了统计分析。根据CI指数,统计出现的干旱日数、干旱过程,在此基础上分析了干旱发生年际变化趋势和不同强度干旱的变化过程。结果表明：1、栾川县的总干旱日数年均值低于河南省平均水平。2、栾川地区总干旱日数呈现负增长趋势，总干早频率出现了正增长趋势,但重旱、特旱平均强度呈现下降趋势，即程度加强。关键词：综合气象干早指数；干早趋势变化；栾川引言干旱是指因水分的收支或供求不平衡而形成的持续的水分短缺现象，是对人类社会影响最严重的气候灾
2、害之一1，它具有出现频率高、持续时间长、波及范围广的特点。随着全球气候变暖，极端天气现象越发频繁，干旱发生频率和危害程度均呈上升趋势2.5，一般情况，把干旱分为气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱,气象干旱是其他各类干旱发生的主要原因。栾川县隶属于河南省洛阳市，地处亚热带向暖温带过渡区，属暖温带大陆性季风气候，年均气温12.1，年日照2103小时，年均降水量862.8毫米，无霜期198天。全县山多地少，水能、矿藏、旅游资源丰富，地表水年均径流量68亿立方米，水能蕴藏量11.78万千瓦，可开发量8.5万千瓦。本文从气象干旱角度出发,引入气象干旱综合指数CI,对干旱变化趋势特征等进行分析。1
3、 资料来源所用资料为通过河南省栾川县气象站2000年2009年逐日气象资料，利用GB/T 204812006干旱气象等级中规定的综合气象干旱指数CI计算方法来计算得到的。栾川县的CI指数是通过栾川县气象站2000-2009年资料完整的气象资料计算得到。所得到的站点气象资料经筛选过，均是2000-2009年完整的资料信息。2 方法计算2.1综合气象干旱指数计算综合气象干旱指数是利用近30天（相当月尺度）和近90天（相当季尺度）降水量标准化降水指数，以及近30天相对湿润度指数进行综合而得，该指标既反映短时间尺度（月）和长时间尺度（季）降水量气候异常情况，又反映短时间尺度水分亏欠情况。该指标适合实时
4、气象干旱监测和历史同期气象干旱评估。综合气象干旱指数（CI）的计算见下式： （1）式中：Z30、Z90分别为近30天和近90天标准化降水指数SPI；M30为近30天相对湿润指数；a为近30天标准化降水系数，由达轻旱以上级别Z30的平均值除以历史出现最小Z30值，平均取0.4；b为近90天标准化降水系数，由达轻旱以上级别Z90的平均值除以历史出现最小Z90值，平均取0.4；c为近30天相对湿润系数，由达轻旱以上级别M30的平均值除以历史出现最小M30值，平均取0.8。其中标准化降水指数Z30、Z90和相对湿润指数M30均需要进行再进算。1） 标准化降水指数SPI由于降水分布一般不是正态分布，而是
5、一种偏态分布，所以在进行降水分析和干旱监测、评估中，采用G分布概率来描述降水量的变化。标准化降水指数就是在计算出某时段内降水量的G分布概率后，再进行正态标准化处理，最终用标准化降水累积频率分布来划分干旱等级。标准化降水指数的计算步骤为： 假设某时段降水量为随机变量x，则其G分布的概率密度函数如式（C，1）： （C，1）式中：b0，g0分别为尺度和形状参数，b和g可用极大似然估计方法求得，见下式： （C，2） （C，3） （C，4）式中：x1为降水量资料样本；为降水量气候平均值。确定概率密度函数中的参数后，对于某一年的降水量x0，可求出随机变量x小于x0事件的概率为： （C，5）利用数值积分可以
6、计算用（C，1）式代入（C，5）式后的时间概率近似估计值。 降水量为0时的时间概率由式（C，6）估计； （C，6）式中：降水量为0的样本数；总样本数。 对G分布概率进行正态标准化处理，即将式（C，5）、式（C，6）求得的概率值代入标准化正态分布函数，即： （C，7）对式（C，7）进行近似求解可得： （C，8） 式中：为式（C，5）或式（C，6）求得的概率；并当F0.5时，S=1，当F0.5时，S=-1；c0=2.515517；c1=0.802853；c2=0.010328；d1=1.432788；d2=0.189269；d3=0.001308。由式（C，8）求得的Z值就是此标准化降水指数SPI
7、。2）相对湿润指数相对湿润度指数的计算见式： （2）式2中，P是某时段的降水量；PE为某时段的可能蒸散量，本文中用Thornthwaite方法计算得到。Thornthwaite方法求算可能蒸散量是以月平均温度为主要依据，并考虑纬度因子（日照长度）建立的经验公式，需要输入的因子少，计算方法简单： （3）式3中，Ti是月平均气温，单位：；H是年热量指数；A为常数。年热量指数H和常数A分别由相应的经验公式计算。当月平均气温Ti 0时，月热量指数Hi = 0，可能蒸散量PE = 0（单位：mm/月）本文中计算分析的CI值为资料中原始CI值乘以0.1得到。2.2综合气象干旱指数CI分类表1 综合气象干旱
8、指数CI等级的划分表类型CI值干旱影响程度无旱-0.6CI降水正常或较常年偏多，地表湿润，无旱象轻旱-1.2CI-0.6降水较常年偏少，地表空气干燥，土壤出现水分轻度不足中旱-1.8CI-1.2降水持续较常年偏少，土壤表面干燥，土壤出现水分不足，地表植物叶片白天有枯萎现象重旱-2.4CI-1.8土壤出现水分持续严重不足，并出现较厚的干土层，植物枯萎、叶片干枯，果实脱落；对农作物和生态环境造成较严重影响，工业生产、人畜饮水产生一定影响特旱CI-2.4土壤出现水分长时间严重不足，地表植物干枯、死亡；对农作物和生态环境造成严重影响、工业生产、人畜饮水产生较大影响当日CI值符合某干旱类型CI值范围时，
9、则该日定义为该干旱类型发生日，如郑州市2009年10月25日CI值为-1.3，其CI值属于中旱范围，该日为中旱发生日。当日CI值达到轻旱及以上等级则定义为发生干旱。2.3干旱过程的确定及其强度的确定当综合气象干旱指数CI连续10天为轻旱以上等级，则确定为发生一次干旱过程。干旱过程的开始日为第1天CI指数达到轻旱以上等级的日期。在干旱发生期，当综合气象干旱指数CI连续10天为无旱等级时干旱解除，同时干旱过程结束，结束日期为最后1次CI指数达到无旱等级的的日期。干旱过程开始到结束期间的时间为干旱持续时间。干旱过程强度是指干旱过程内所有天的CI指数为轻旱以上的干旱等级之和，其值越小干旱过程越强。平均
10、干旱强度是指当发生某干旱类型时，该干旱类型CI值的平均值即为该类型干旱的平均干旱强度。年干旱过程发生次数是指该年份一共发生干旱过程的数量，由于干旱过程可能出现跨年的情况，故我们将干旱过程的起始年份统计成为干旱过程发生的年份。3 结果与分析3.1干旱日数年均值分析根据表1的CI指数划分情况，统计站点20002009年每年发生发生干旱总日数、轻旱日数、中旱日数、重旱日数、特旱日数，如表2所示，对各年发生各种干旱类型的日数取平均值，可得站点每年发生干旱总日数、轻旱日数、中旱日数、重旱日数、特旱日数的年均值，分别为113.9、66、28.2、13.4、6.3。具体情况见表2。表2 栾川站点各种干旱类型
11、年发生日时间无旱日数轻旱日数中旱日数重旱日数特旱日数干旱日数200025820534.4910820012307556401352002212120330015320032945597071200425048442131162005260692511010520062716034009420072098830281015620082489571601182009282303913183年均值251.46628.213.46.3113.9采用柱状图表示各种干旱类型的年均值，如图1所示。其中2001年、2002年、2007年干旱日数大于120d，特旱日数的年均值为6.3，占干旱总日数的5.531%
12、，发生日主要集中在2000年和2007年；重旱日数的年均值为13.4，占干旱总日数的11.765%，发生日主要集中在2000年、2004年、2007年、2008年、2009年；中旱日数的年均值为28.2，占干旱总日数的24.759%，发生日主要集中2001年、2002年、2004年、2006年、2007年和2009年；轻旱日数的年均值为66，占干旱总日数的57.946%，发生日主要集中2001年、2002年、2007年、2008年。图1 各种干旱类型发生日数年均值栾川干旱总日数年均值为113.9，河南省的干旱总日数年均值为134.4，栾川县的总干旱日数年均值低于省平均值。而且，轻旱日数、中旱日
13、数、重旱日数、特旱日数年均值均低于河南省的平均水平6。3.2干旱日数、平均强度变化过程分析20002009年，站点每年发生干旱总日数、轻旱日数、中旱日数、重旱日数、特旱日数逐年变化情况，通过制作表格来表示各种干旱类型发生日数（表2）及各种干旱类型的平均强度，详情见表3，用折线图表示每种干旱类型逐年变化情况，做出趋势线。表3 栾川站点各种干旱类型年平均强度值年平均干旱强度平均轻旱强度平均中旱强度平均重旱强度平均特旱强度2000-2.14-0.85-1.36-2.05-2.812001-1.13-0.91-1.37-1.98无2002-0.93-0.79-1.46无无2003-1.06-0.89-
14、1.48-1.89无2004-1.29-0.81-1.41-1.94-2.732005-1.07-0.81-1.42-1.88无2006-1.05-0.85-1.4无无2007-1.3-0.91-1.44-1.94-2.542008-0.99-0.81-1.29-1.94无2009-1.31-0.94-1.38-1.88-2.4图2栾川站点总干旱日数逐年变化趋势图图3栾川站点平均干旱强度逐年变化图由表2、表3可知，重旱、特旱日数最多的发生在2000年，中旱日数最多的发生在2001年，轻旱日数最多的发生在2002年。根据总干旱日数逐年变化趋势图（图2）可以看出，栾川县总体干旱日数除去02、03、
15、07年，其他年份变化波动并不明显，总体变化趋势保持平稳，呈缓慢减少状，2007年总干旱日数156天，为十年来最高一年，2003年干旱日数为十年中最少，为71天。从平均干旱强度逐年变化图（图3）可以看出，总体趋势也基本保持平稳，呈现出上升的势头，即强度值增加，强度绝对值下降，干旱日数和强烈程度呈现出减轻的趋势。平均干旱强度绝对值最大的出现在2000年，强度值为-2.14，平均干旱强度绝对值最小的出现在2002年，强度值为-0.93。图4栾川站点轻旱日数逐年变化趋势图图5栾川站点平均轻旱强度逐年变化图同样，根据栾川县轻旱日数逐年变化趋势图可以看出，轻旱干旱日数趋势基本保持平稳，呈略微上升趋势，轻旱
16、发生最多的为2002年，达到120天，最少的为2000年，仅20天。从平均轻旱强度逐年变化图可以看出，平均轻旱强度呈现出较大的波动，但其总趋势呈下降趋势状，即强度值减小，强度绝对值增加，轻旱程度不断增加。平均轻旱强度绝对值最大的出现在2009年，强度值为-0.94，2002年为平均轻旱强度绝对值最小的发生年，强度值为-0.79。图6栾川站点中旱日数逐年变化趋势图图7栾川站点平均中旱强度逐年变化趋势图由图6、7中可得，中旱日数变化震荡明显，但趋势基本稳定持平，2001年、2000年分别为中旱发生日数最多和最少的年份，分别发生了56天和5天。中旱强度变化趋势呈现出上升趋势，即中旱的程度减轻，但每年
17、强度值的变化范围很小,最大、最小之差在0.19之内。2003年、2008年分别为最大中旱强度绝对值、最小中旱强度绝对值发生年，其值分别为-1.48和-1.29。图8栾川站点重旱日数逐年变化趋势图图9栾川站点平均重旱强度逐年变化趋势图图10栾川站点特旱日数逐年变化趋势图图11栾川站点平均特旱强度逐年变化趋势图通过图811可知，重旱日数变化虽然波动较大，但趋势同样基本保持稳定持平，20002年、2006年两年没有出现重旱情况；重旱强度变化趋势呈现出略微下降趋势，即强度绝对值增大，重旱的程度增加。2000至2009年间，共有4年发生了特旱情况，特旱日数除了2000年出现了最大值外，其余年份的日数波动
18、不大，总变化趋势呈现出了下降趋势，特旱强度变化趋势也呈现了出下降趋势，即特旱的程度有所加深。平均重旱、特旱强度绝对值最大的均发生在2000年，这与1998年2000年出现的持续两年的强拉尼娜事件，造成2000年全国大旱的情况有关。综上，栾川地区干旱时间呈现负增长趋势，强度却出现了正增长趋势,说明了干旱时间和程度有所减少，但是重旱、特旱的严重程度却有增加趋势，说明极端化气候事件发生的可能性增强。3.3干旱过程分析分析2000-2009年，站点发生干旱过程数量、每个干旱过程持续时间、起止日期及干旱过程强度，要求用表格表示，并分析出干旱过程持续时间及干旱过程强度的最大、最小值。如表5所示。表5 栾川
19、站点每个干旱过程详细参数表年份次数起始日期结束日期天数强度200022000年1月1日2000年1月24日24-21.22000年3月5日2000年6月11日99-205.3200132001年3月13日2001年4月14日33-24.22001年5月6日2001年7月7日63-662001年8月29日2001年10月23日56-48.5200242002年2月15日2002年3月8日22-14.92002年3月22日2002年5月7日47-24.72002年7月30日2002年11月4日98-69.32002年11月21日2002年12月31日41-31.3200322003年5月18日20
20、03年7月5日49-32.42003年7月25日2003年8月26日43-40.9200442004年1月3日2004年1月29日27-21.52004年2月5日2004年2月19日25-19.72004年4月1日2004年5月20日50-50.92004年6月1日2004年7月25日55-55.8200532005年1月28日2005年2月20日24-10.92005年3月8日2005年4月17日41-45.82005年11月18日2006年1月26日70-56.4200622006年8月3日2006年9月13日42-29.32006年10月27日2006年12月5日40-40.620074
21、2007年1月7日2007年2月16日41-36.52007年4月14日2007年7月13日91-120.32007年10月4日2007年11月10日38-21.82007年11月27日2007年12月30日34-18.6200832008年2月27日2008年4月17日51-33.62008年8月21日2008年10月5日46-29.82008年12月15日2009年3月7日83-112.2200912009年4月26日2009年5月20日25-15.8通过表5可知，2000年2009年，共发生了28次干旱过程。在这些干旱过程中，持续时间最长的出现在2000年，从3月5日持续到6月11日共计
22、99天，其过程强度为-205.3；最短的出现在2002年，从2月15日到3月8日，共计22天，其过程强度为-14.9。而就干旱过程强度而言，最大值出现在2005年的第一次干旱过程，从1月28日到2月20日共24天，强度值为-10.9；最小值出现在2000年第二次干旱过程，强度值为-205.3。表6 干旱过程发生季节统计发生季节2000200120022003200420052006200720082009第一次干旱过程冬季春季冬季春季冬季冬季夏季冬季冬季春季第二次干旱过程春季春季春季夏季冬季春季秋季春季夏季第三次干旱过程夏季夏季春季秋季秋季冬季第四次干旱过程秋季夏季秋季表6将每次干旱发生的季节
23、表示出来，本文对季节的划分定义为:1、2月和上年的12月为冬季,3-5月为春季,6-8月为夏季,9-11月为秋季。以干旱过程的开始时间划分季节，其中春旱发生9次，冬旱8次，夏旱6次，秋旱5次。冬旱和春旱发生的次数较多，且持续时间较长，与河南省的整体趋势略有不同7。4小结与讨论从气候学的角度来说，栾川是半干旱半湿润地区，属暖温带大陆性季风气候，干旱是栾川地区出现较频繁、持续时间最长的气候灾害。本文利用气象综合干旱指数CI，计算了栾川的干旱等级，分析了近10年来栾川区域的干早分布和变化情况，并对干早强度进行分类定义。具体结果如下：（1）栾川县干旱经常出现的时间多集中在春季，与河南省的干旱发生频率略
24、有不同7。自2000年以来，发生较大干旱的有2000年、2005年、2007年，90年代以前10年一遇或两遇特大旱,但从90年代中后期开始重旱频率急剧增加,上升到10年3或4遇特大旱8。（2）栾川干旱总日数年均值为113.9，同河南省的平均水平相比，栾川县的总干旱日数年均值低于省平均值（河南省的干旱日数年均值为134.46）。而且，轻旱日数、中旱日数、重旱日数、特旱日数年均值均低于河南省平均水平。（3）从总干旱日数的变化来看，栾川地区呈现负增长趋势；从总干早强度的变化来看，栾川地区出现了正增长趋势，但是强度绝对值是减小的，说明干旱程度正在减轻，与河南省的整体变化相反，原因可能与本文只是对于CI
25、指数进行分析，忽略了其他相关影响因素有关，存在一定的局限性。但是应注意重旱、特旱的变化趋势，重旱的发生日数基本保持稳定，特旱为减小趋势，两者的平均强度均出现了下降趋势，即干旱程度不断加深。随着社会经济的不断发展，人口的膨胀，环境气候逐渐出现极端化，干旱的严重程度、强度不断加深的现象，实时有效地监测干旱的发生、发展，为农业生产、节水灌溉提供科学服务一直是急待解决的问题。本文的分析结果可以为以后研究栾川局部地区干旱的影响因子及发生机理提供基本的统计资料和诊断结果，并可以为开展干旱预报、预警及制定减缓干旱影响的适应性对策提供依据。气象干旱综合指数是比较容易获得的气象资料，便于在业务服务中应用，但是其
26、本身存在一定的缺陷性，没能够充分考虑到其他方面的影响因素。若从气象为农业生产服务的角度出发，气象干旱综合指数可作为一项重要的气象指标，辅助指导农业生产，具有一定的适用价值。参考文献：1邹旭恺，张强.近半个世纪我国干旱变化的初步研究J.应用气象学报，2008，19（6）：679-6872孙卫国,程炳岩.河南省近50年来旱涝变化的多时间尺度分析J.南京气象学院学报,2000,23(2):251-255.3成林,刘荣花,申双和等.河南省冬小麦干旱规律分析J.气象与环境科学,2007,30(4):3-6.4刘荣花,朱自玺,方文松等.华北平原冬小麦干旱灾损风险区划J.生态学杂志,2006,25(9):1068-1072.5孙淑清.近50年来华北地区旱涝特征与全球变化的研究及对未来趋势的探讨J.高原气象,1999,18(4):541-5516杨帆,胡彩虹等.基于Cl指数的区域干旱分布及变化趋势分析A.农业、生态水安全及寒区水科学第八届中国水论坛摘要集C；2010 年7李树岩，马志红，师丽魁.基于CI指数的河南省近40a干旱特征分析J.干旱气象，2009,27（2）：97-1028张俊洁,高宾永,雪原,姬鸿丽.近46年洛阳地区气候变化特征分析J.气象与环境科学，2008,31：138-141
