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目 录

摘要 1

Abstract 2

1 引言 3

2 资料来源与方法 4

2.1 资料来源 4

2.2 研究方法 4

2.2.1 降水Z指数 4

2.2.2 标准化降水指数SPI 5

2.2.3 标准化降水蒸散指数SPEI 6

3 结果与分析 8

3.1 冬小麦生育期内干旱指数的对比分析 8

3.1.1 降水Z指数 9

3.1.2 标准化降水指数SPI 10

3.1.3 标准化降水蒸散指数SPEI 11

3.2 不同月份中干旱等级的比较 13

3.2.1 在1月中干旱等级的比较 13

3.2.2 在2月中干旱等级的比较 13

3.2.3 在3月中干旱等级的比较 14

3.2.4 在4月中干旱等级的比较 14

3.2.5 在5月中干旱等级的比较 15

3.2.6 在10月中干旱等级的比较 15

3.2.7 在11月中干旱等级的比较 16

3.2.8 在12月中干旱等级的比较 16

4 结论与讨论 17

参考文献 17

致谢 20

郑州冬小麦干旱指数的比较研究

刘煜椿

,China

Abstract: By using daily precipitation, temperature observed data in Zhengzhou weather station from 1981 to 2010, the precipitation Z index (Z), standardized precipitation index (SPI) and the standardized precipitation evaporative index (SPEI) are calculated respectively, comparing responses of three drought indices to drought of winter wheat during growing season in Zhengzhou from 1995 to 2010 based on the calculation result at monthly scale. The main results are as follows: the three drought indices all can reflect the drought states of winter wheat field to a certain extend, and the SPEI performs better to the continuous drought. In terms of the judgement to the drought intensity, the three indexes are all weak to the light drought but accurate to the moderate drought , and the SPEI index is accurate to the severe drought. In the multi-scale analysis of monthly data, the three indices performed differently in different months, and overall the SPEI index performed more accurately.

Key words: Drought index; Precipitation Z index; SPI; SPEI; Winter wheat

1 引言

随着全球气候变暖，干旱极端天气发生的频率逐渐增多，作为首要的、危害最严重的农业气象灾害之一，干旱的发生频率高、持续时间长、波及范围大，造成损失严重。我国是农业大国，有近一半的土地面积处于干旱和半干旱地区^[1]，平均每年受旱面积约2000多公顷，造成巨大损失，严重制约我国经济社会发展、影响人民生活。在作物的生育期内，即使很短时间的干旱，也会严重影响作物生长。因此，加强干旱监测、预警、减灾与防护，干旱影响的分析与评估一直受到诸多学者的关注。

干旱指数用于量化干旱，能够反映干旱的程度、范围和持续时间^[2]，是干旱监测的基础与核心，也能在一定程度上能够反映作物的受旱情况，是研究农业干旱的关键。根据世界气象组织的资料显示，常用的干旱指数达55种之多^[3]。干旱指数可分为两大类，一是基于地面气候数据的干旱指数，二是基于遥感监测的干旱指数。美国气象学会^[4]在按照干旱的定义将干旱分为4种类型：气象干旱指数、农业干旱指数、水文干旱指数和社会经济干旱指数。其中，气象干旱指数是基础指数，在干旱监测与评估中广泛应用。常用干旱指数的有降水距平百分率（Pa）、帕默尔干旱指数（PDSI）、标准化降水指数（SPI）、标准化降水蒸散指数（SPEI）、综合气象指数（CI）、降水Z指数（Z）、相对湿润度指数（M）等等。现今，还没一个干旱指数能够描述所有类型干旱的特征，很难在时空上得以普遍使用，各类干旱指数都在逐步完善中。不同地区应对不同需求去寻到找一个适合的干旱指数，正是干旱指数研究的关键。

近年来，国内外许多专家学者在不同地区利用不同的干旱指数评价干旱，从各个方面对比分析不同干旱指数的适用性，同时提出适应性修订，在干旱指数的计算方法上已经取得了丰硕的研究成果：20世纪中期，Palmer提出的帕默尔指数（PDSI）是干旱研究史上的里程碑，是目前国际上应用最为广泛的气象干旱指数^[5]；1998年安顺清^[6]等对帕默尔干旱指数进行了修订，建立了适应我国的修正的帕默尔指数（sc-PDSI），在定量描述旱情方面表现较好，被广泛应用在气象业务和干旱研究中；姚玉璧等^[7]利用PDSI研究中国春季区域干旱，发现中国干旱的区域特征差别显著，存在着12个干旱特征区；王劲松等^[8]改进帕默尔旱度模式，使其更适于监测河西干旱；许志丽等^[9]将帕默尔指数在长江中下游地区的进行修订，分析得出修订后的指数对该地区的旱涝监测有较好的适应性。1993年McKee提出的标准化降水指数（SPI），被广泛应用于美国的干旱风险监测^[10]，袁文平等^[11]计算我国不同气候区的SPI指数和Z指数，结果表示在各个区域、时段SPI都有良好的时间稳定性，比Z指数的表现更优秀；杨晓静等^[12]基于SPI指数分析云南旱涝演变特征发现，SPI指数能在较长时间系列尺度上反映研究区年际和季节性旱涝变化。张强等^[13]结合SPI指数和M指数得到综合气象干旱指数CI，广泛用于我国全国范围内的逐日实时干旱监测，效果较好；王春林等^[14]针对CI提出改进的综合气象干旱指数CI_new，旨在解决CI指数计算结果的跳跃性加剧，提高了指数的合理化；赵海燕等^[15]通过对CI指数的修订，使其更适用于西南地区的干旱评估。张成才等^[16]利用多个指数分析郑州市的干旱时发现，Z指数在表达郑州干旱灾害时不够理想，划分界限值存在一定的问题，并对其进行了修订，使其符合郑州实际情况。Vicente-Serrano提出的标准化降水蒸散指数(SPEI)，结合了降水和蒸散，成为监测、分析干旱的理想指数；Ebrahimpour M等^[17]利用亚洲西南部小麦的气象数据，比较多个干旱指数，指出SPEI能够更好的监测小麦产量；杨娟等^[1]利用SPI指数和SPEI指数评价泾惠渠灌区的干旱和对冬小麦的影响时得出，SPEI指数更能灵敏监测干旱，但在干旱-产量影响方面并没有更好的表现。

综上所述，各种干旱指数都在不断的修订和对比中，是干旱研究的热点。本文主主要选取常用的三个以气象因子为基础的指数：降水Z指数（Z）、标准化降水指数（SPI）和标准化降水蒸散指数（SPEI），利用郑州1981-2010年逐日降水、气温数据，计算月尺度的干旱指数，并与1995-2010年郑州小冬麦生育期内记录的历史受旱情况进行对比，讨论不同指数在郑州冬小麦生育期内的表现情况。

2 资料来源与方法

2.1 资料来源

用来自于中国气象局气象数据中心(http://data.cma.cn/)提供的郑州站（57083）1981-2010年地面气候资料日值数据，用于月尺度的干旱指数计算；同时利用河南农作物生长发育和农田土壤湿度旬值数据，整理郑州冬小麦生育期内受旱情况，资料记录1995年到2010年冬小麦生育期内作物受旱情况。

2.2 研究方法

2.2.1 降水Z指数

农业干旱的直接原因是降水量异常偏少，Z指数消除了降水量平均值不同的影响，对干旱具有一定的客观的反应能力，是单站划分旱涝中使用最为广泛的指数^[18]。Z指数的计算过程简单明了，并且可用于任一时间尺度。计算方法如下：

降水Z指数假设降水量服从Person III型分布，概率密度分布为：

首先正态化处理降水量x，将概率密度函数Person III型分布的降水量转换为以Z为变量的标准正态分布的降水量，计算由下：

其中，Q为降水的标准化变量；Cs为偏态系数

式中，σ为标准差；Ri为某年月的降水量（mm）；n为样本数；为多年平均降水量（mm）。

由于干旱等级划分界限值在不同地区实际应用中表达能力有所局限，Z指数的大小不仅与降水量有关，还与降水的时空分布有关，Z指数的旱涝指数等级划分在表达郑州的旱涝情况时，对干旱灾害表现不够理想^[16]，此处选取根据郑州情况修订后的降水Z指数的等级划分界限值，如表1：

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