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1 农学学报 0,():- Journal of Agriculture 基于德玛顿干旱指数的胶东半岛干旱分析 王冰, 林修栋, 王培涛, 任可 ( 烟台市气象局, 山东烟台 00; 石岛气象台, 山东威海 0; 滨州市气象局, 山东滨州 00; 莱州市气象局, 山东烟台 0) 摘要 : 本研究为加强对胶东半岛干旱的研究, 为地方制定抗旱减灾政策提供参考, 减轻干旱 旱灾带来的影响, 根据胶东半岛 个气象观测站 0 年的气温及降水资料, 对该区域的气温和降水变化趋势进行统计分析, 然后利用德玛顿干旱指数对胶东半岛的干旱进行评估 研究发现, 胶东半岛的年及四季的平均气温呈明显上升趋势 ; 降水量变化不明显, 春季和夏季呈增加趋势, 秋季和冬季呈减少趋势, 增加和减少的幅度相当 以此导致了未来中旱发生次数将增加, 重旱发生次数将减少 德玛顿干旱指数在一定程度上能够较好地描述胶东半岛的干旱, 但对某些情况把握不佳 关键词 : 德玛顿干旱指数 ; 胶东半岛 ; 干旱 ; 气温 ; 降水 ; 统计分析中图分类号 :P.+ 文献标志码 :A 论文编号 :cjas0 Drought in Jiaodong Peninsula Based on De Martonne Aridity Index Wang Bing, Lin Xiudong,Wang Peitao, Ren Ke ( Meteorological Bureau of Yantai, Yantai 00, Shandong, China; Meteorological Observatory of Shidao, Weihai 0, Shandong, China; Meteorological Bureau of Binzhou, Binzhou 00, Shandong, China; Meteorological Bureau of Laizhou, Yantai 0, Shandong, China) Abstract: The paper aims to enhance the research on drought in Jiaodong Peninsula, and provide decisionmaking reference for the local governments to mitigate the impact of drought disasters. According to the analysis of temperature and precipitation data from to 0 at meteorological stations in Jiaodong Peninsula, the variation trends of the meteorological factors were statistically analyzed and droughts occurred in Jiaodong Peninsula were evaluated by analyzing the De Martonne Aridity Index. The results showed that: the annual and seasonal average temperatures rose significantly, while the precipitation variation was not significant, which had an increasing trend in spring and summer and a decreasing trend in autumn and winter. As a result, the occurrence of moderate drought will increase while that of heavy drought will reduce. The De Martonne Aridity Index can be used to describe the drought in Jiaodong Peninsula to a certain extent, but it is not applicable in some cases. Key words: De Martonne Aridity Index; Jiaodong Peninsula; Drought; Temperature; Precipitation; Statistical Analysis 0 引言 胶东半岛位于山东半岛东部, 属鲁东丘陵区, 在气候 上属于暖温带大陆性季风气候, 年降水量 0~0 mm 其中, 半岛南部地区的降水量在 00 mm 以上 ; 西北部地区 滨海平原约 00 mm 年降水量约 0% 集中于夏季, 强 度大, 常出现暴雨, 降水年均相对变率约 0%, 当地素 基金项目 : 山东省气象局 0 年科学技术研究项目 气候条件对牟平小麦玉米生长发育影响的研究 (sdqx0xm); 烟台市气象局 0 年科学技术研究项目 烟台地区干旱特征分析 (YTQX00) 第一作者简介 : 王冰, 男, 年出生, 山东诸城人, 工程师, 硕士, 主要从事农业气象 防灾减灾研究等工作 通信地址 :00 山东省烟台市莱山区海林路 号烟台市气象局, 00@qq.com 收稿日期 :0-0-, 修回日期 :0-0-

2 王冰等 : 基于德玛顿干旱指数的胶东半岛干旱分析 有 十年九旱 的说法 有研究表明, 进入 s 以后, 该地区由湿润区转为半湿润区 [] 干旱作为胶东半岛 的主要影响气象灾害, 开展针对干旱的研究, 减轻减免 旱灾的出现, 有着非常重要的意义 之前对胶东半岛干旱的研究大多集中在较小的范 [] 围, 如王冰等利用 SPI 指数对烟台干旱特征进行了分 [] 析 ; 李佶椿建议通过合理配置水资源, 制定中长期水 利建设规划, 大力推行节约用水等措施来减轻地处胶 东半岛西北部的招远市干旱影响 或对降水 气温等 [] 变化进行分析, 如刘德林等以大沽夹河为例, 分析胶 东半岛丘陵区典型流域气温 降水的变化特征 ; 田清 [] 等分析了胶东半岛近 0 年气温和降水的变化特征, 发现其降水量于 年前后开始明显减少, 而后气温 于 年前后突然上升 上述研究对胶东半岛的干 旱全面性的评价 评估仍缺乏 因此, 笔者通过对胶东 半岛的气温 降水特征进行统计分析, 应用干旱指数对 干旱进行描述, 以期得到胶东半岛气候变化特征, 为当 地防灾减灾工作提供参考 资料与方法. 数据来源及预处理 选用胶东半岛的 个国家级气象观测站 0 年 年的降水和气温资料 其中, 福山的气象资 料始于 年, 故 年间其对应资料通过插 值生成 其间多个台站迁移站址, 但满足中国气象局 对观测资料一致性的相关规定 为便于描述, 为 0 世纪 0 年代, 记为 s, 相应的有 s s 000s,00 0 年视为 0s. 研究方法 [].. 干旱指数德玛顿干旱指数 (De Martonne Aridity Index, 即 I DM), 见公式 () I DM=R/(T+) () 式中,R 和 T 分别代表月累计降水和月平均气温 当计算值小于 时, 表明重度干旱, 农作物亟需 人工进行灌溉 ; 当计算值在 ~0 之间时, 表明中等干 旱, 农作物需加强灌溉及助锄保墒 ; 当计算值大于 0, 表明气候湿润, 降水充沛, 作物无需进行灌溉 德玛顿 干旱指数由于其资料获取及计算过程的便易性, 且与 作物和水分的对应性强 [] 自 0 世纪 0 年代末提出 [] 后广泛应用气候区划等 Botzan 等利用 I DM 划分的水 文特征建立了新的农业干旱指标 Weck [] 根据 I DM 建 立了德国的气候模型 Roberts [] 对比了美国西南的亚 利桑那州和中国西北的乌鲁木齐两处沙漠地区的干旱 [] 情况 国内利用 I DM 的情况较少, 李建芳等对该公式 [] 在宝鸡地区进行了修正, 引入湿润指数 王旭东等 利用 I FM 和 00 年乌海气温 降水等资料计算了 相应的气候生产力, 并建立了二元回归评判模型 本 研究试图使用该指数对胶东半岛干旱进行研究分析.. 气候倾向率对于某一时间序列变化的倾向率, 可以用该序列的线性变化率来代表 为了判断变化趋 势的程度是否显著, 一般要求出时间 t 和时间序列之 间的相关系数 r, 然后对相关系数进行显著检验, 确定显著水平 α, 若 r > r α, 表明时间序列随时 t 的变化趋 势是显著的, 否则表明变化趋势是不显著的 [].. 突变分析 (Mann- Kendall 法 ) 对序列 X i (i =,,n), 构造一秩统计量, 见公式 () k S k = i = r i (k =,,,n) () 其中,x i>x j 时,r i=, 否则为 0,j=,,,i 假定任一时刻均遵从同一分布, 有统计量 [ S ] k - E( S k ) UF k =,k=,,,,n 其中,UF = 0,E( S k ) ( Var S k ) 和 Var S k 是累计数 S k 的均值和方差 UF i 是按时间 序列 x,x,,x n 计算出的统计量序列, 给定显著水平 α, 查正态分布表, 若 UF i > U α, 则表明序列存在明显 的变化趋势 按时间序列的逆序 x n,x n-,,x, 再重复 计算 次, 记为 UB i, 同时使 UB i = -UF k, k = n,n -,,,UB = 0 UF i 和 UB i 交点若处于临 界值线之间, 那么交点处对应的时刻便是突变开始时 间 [-].. 小波分析对于任意一维时间序列 x(t), 其小波 变换定义为公式 () W ( a,b ) = x( ) α t ( t - b) φ* α dt () 其中,W ( a,b ) 是小波系数,a 是尺度参数,b 是位置平移参数,φ * ( t ) 是小波母函数 Ψ( t ) 的共扼函数 本研究使用 Morlet 小波来分析 当母小波 : φ( t ) = e -β t / cos πt 时, 称为 Morlet 小波, 其缩放平移后 的子小波为 :φ a,b ( t ) = exp é t - b ù ë ê ú cos é α û ë ê t - b ù ú α û Morlet 小波的余弦会随时间衰减, 参数 β 影响控制小波 - β ( ) π( ) 的形状和转换后在时间轴与频率轴上的分辨率 : 当 β= 0 时, 小波有最佳的频率分辨率 ; 随着 β 值上升, 频率的 分辨率下降, 时间轴的分辨率上升, 到达无限大时, 拥 有最佳的时间分辨率 [-].. 统计分析本研究采用 Excel 00 和 DPS 数据处 理系统 ( 版本.0) 对数据进行处理分析

3 结果与分析. 胶东半岛气温变化特征 因 IDM 是建立在气温和降水的变化上的 因此 先 对气温和降水的变化进行分析.. 气温年代际变化特征 由图 和图 可知 胶东半 岛各地气温不仅在区域中差别明显 在年代际变化中 a. 年 b. 年 c. 000 年 d.00 0 年 图 胶东半岛气温年代际分布 气温 a 4 3 3 2 2 胶东半岛气温年代际变化 线性 胶东半岛气温年代际变化 天移动平均 胶东半岛气温年代际变化 y 33 x 6 6 2 R 436 97 976 989 8699 9962 262 年份 图 胶东半岛气温年代际分布趋势图(a)和突变检验结果图(b)

4 王冰等 : 基于德玛顿干旱指数的胶东半岛干旱分析 也不尽相同 由图 a 可知,s 胶东半岛气温较低, 为 s 0s 的最低值 由图 b 可知, 进入 s 后胶东半岛年平均气温较 s 有所升高 图 c 与图 d 不同, 显示 s 为近期的年平均气温最高值, 进入 l 世纪以后, 胶东半岛的年平均气温有所下降 显然, 西部内陆地区气温明显高于东部, 北部又高于南部, 西北部的莱州和南部的胶州 胶南等地气温均较其他地区偏高 由图 a 可知, 胶东半岛地区的年平均气温呈上升趋势, 气候趋势系数达到了 0. / a, 远高于全国的平均趋势 0. / a [-], 该气候趋势系数通过了 P= 0.0 的显著性检验 图 b 显示在 年前之前, 胶东半岛处于偏冷期, 之后年平均气温产生了突变, 升高幅度加大, 进入偏暖期, 至 0 年前后, 气温有所下降.. 胶东半岛季节平均气温的年际变化特征由图 可知, 个季节的平均气温均呈上升趋势, 气候趋势系数分别为春季 0. / a, 夏季 0. / a, 秋季 0.0 / a 和冬季 0. / a, 其中冬季通过了 P=0.0 的显著性检验, 春夏秋 季通过了 P=0.00 的极显著检验 表明气温上升趋势非常明显 图 为 个季节的小波分析图 由图 a 可知, 春 春夏秋冬 气温 年份 图 胶东半岛四季气温年际变化趋势季平均气温存在着 ~ 年的周期, 这个周期在 s 前期和 000s 异常明显 图 b 显示, 夏季平均气温存在 ~ 年的短周期, 在年代际变化中还存在着 年左右的长周期 图 c 可知, 秋季平均气温存在着 ~ 年的变化周期, 该周期在 s 初期约为 年, 然后逐渐增加至 ~ 年 图 d 可知, 冬季平均气温也存在着 ~ 年的短周期变化, 年代际尺度上存在着 ~ 年的周 a. 春季,b. 夏季,c. 秋季,d. 冬季 图 胶东半岛季节平均气温年际变化的小波分析

5 期 个小波分析图均未闭合 未来 个季节的气温将 年 冬季的 年 春季气温从 年至今呈极 均处于整体上升 短期上升的阶段 明显上升趋势 夏季气温在 00 0 年呈波动上升 图 分别为春夏秋冬四季的 M-K 检验结果 可见 趋势 秋季气温在 000 年呈波动趋势 之后呈极 个季节的气温变化呈明显上升趋势 且均产生了突变 明显上升趋势 冬季气温在 年呈增温趋势 年 具体为春季的 年 夏季的 年 秋季的 年 有所下降 至 年开始呈极明显上升趋势 冬季的 年和 年 达到极显著水平 0.00(U0.00=. 胶东半岛降水变化特征.)的时间为春季的 年 夏季的 00 年 秋季的.. 降水量年内分布 如图 所示 胶东半岛降水量最 a.春季 b.夏季 c.秋季 d.冬季 图 胶东半岛季节平均气温年际变化的突变检验结果 降水量 mm 2 8 6 4 2 8 小值出现在 月 最大值出现在 月 进入冬季 7 6 2 4 胶东半岛的降水以降雪或雨夹雪为主[0-] 按照暴雨雪 标准 暴雨 0 mm 暴雪 雨夹雪 mm 换算 理论 上 月是每年的降水最少值 月的降水占全年的 7 8 4 8 6 3 4 4 8 4 2 9 成以上 夏季 月 占全年降水总量的 成 7 3 34 22 4 2 3 4 6 7 8 9 2 月份 图 胶东半岛降水量年内分布.. 降水年际和年代际变化 由图 a 可见 胶东半岛 的年均降水量呈下降趋势 但不明显 气候趋势系数仅 为-0.0 mm/ a 未通过 P=0.0 显著性检验 降水量 最多的是 年 达. mm 最少的是 年 为. mm 两者相差 0 mm 以上 由图 b 可知 年降 水量的波动周期较大 呈 多 少 少 多 分布 存在 ~ 年 ~ 年 ~ 年和 ~ 年的周期变化 其中 ~ 年是主周期 ~ 年是次周期

6 王冰等 : 基于德玛顿干旱指数的胶东半岛干旱分析 降水量 年份 图 降水量年际变化趋势图 (a) 和小波分析图 (b) 同样的, 由年代际分布图 ( 略 ) 可知,s 年降水 量为各年代最高值, 高出平均值达 mm/ a,s 为各年代最低值, 低于平均值 mm/ a;s 仅有 年年均降水量低于平均值, 而 s 的 年中仅有 年年均降水量高于平均值.. 降水季节分布及变化趋势图 为胶东半岛降水 量季节分布和变化趋势 四季平均降水量分别为, 春 季. mm 夏季. mm 秋季. mm 和冬季. mm 显然, 夏季降水是全年降水的主要贡献因 子, 这与章节.. 年内变化结论相一致 降水量 春季秋季 图 降水量季节分布及变化趋势 夏季冬季 年份 四季降水量变化趋势不一, 春季和夏季的降水量 呈增加趋势, 气候趋势系数分别为. mm/ a 和.0 mm/ a, 而秋季和冬季降水量呈减少趋势, 分别 为 -. mm/ a 和 -0. mm/ a, 均未通过显著性 P 检 验 可以认为, 春季和夏季的增加与秋季和冬季的减 少相抵消, 造成全年的降水量变化不明显 四季降水 量的 Morlet 小波分析如下 : 如图 a 所示, 春季降水量年际变化呈 少 多 少 多 趋势, 其中 年总体偏少, 年短暂偏多, 00 年整体偏少,00 0 年整体偏多 ; 其中 年波动显著, 又存在 个 少 多 少 多 少 的内周期变化 0 年小波未进入闭合期, 表明春季降水量将进入整体偏多短期内偏少期 春季降水量 ~ 年的主周期和 ~ 年的次周期很明显,~ 年的周期不太明显 由图 b 可知, 夏季降水量年际变化呈 多 少 多 少 多 的趋势, 其中 年整体偏多, 年整体偏少, 年短暂偏多, 00 年整体偏少,00 0 年整体偏多, 偏多偏少年交替出现, 且图像未闭合 ; 其中, 00 年偏多偏少年交替出现 0 年小波未进入闭合期, 夏季降水量将进入整体偏多短期偏少期 夏季降水量存在 ~ 年和 ~ 年的主周期 由图 c 可知, 秋季降水量年际变化呈 多 少 多 少 趋势, 其中 年整体偏多, 年整体偏少, 年短暂偏多, 0 年整体偏少 ; 其中 存在着 ~ 年的周期, 进入 s, 这个周期延长至 ~ 年 ; 由于小波基本闭合, 未来秋季降水量进入整体偏少短期偏少期 由图 d 可知, 冬季降水量年际变化呈 少 多 少 趋势, 年整体偏少, 00 年整体偏多,00 0 年整体偏少 在 00 年间, 还存在着 ~ 年的周期变化 小波基本闭合, 未来冬季降水量进入整体偏少短期偏少期 通过 Mann-Kendall 法发现, 四季降水年际变化均无突变存在 ( 图略 )

7 a. 春季,b. 夏季,c. 秋季,d. 冬季 图 降水量四季变化小波分析. 胶东半岛干旱的 I DM 特征分析.. I DM 干旱指数年际和年代际分布根据德玛顿干旱指数 I DM 的计算公式, 得到胶东半岛干旱指数 由得到的 0 年的干旱指数, 统计干旱年际分布 ( 见表 ) 和干旱年内分布 ( 见表 ) 由表 可以看出, 胶东半岛年干旱发生次数为. 次, 其中中旱发生.0 次, 重旱发生. 次, 占全年 个月的 成以上, 频率相当高 干旱发生次数最多的是 年 年和 表 胶东半岛干旱年际分布 次 年份正常中旱重旱总体年份正常中旱重旱总体

8 0 王冰等 : 基于德玛顿干旱指数的胶东半岛干旱分析 续表 年份正常中旱重旱总体年份正常中旱重旱总体 表 胶东半岛干旱年内和季节分布 次 项目 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 春 夏 秋 冬 中旱 重旱 合计 0 0 年这 年, 均为 次 ; 其次为 年 年 年 年 年 年和 00 年这 年, 均为 次 中旱发生最多的是 年, 达 次, 其次为 年和 00 年, 均为 次 重旱发生最多的是 年 年和 年, 均为 次, 也是干旱发生次数较多的 年 ; 最少的是 00 年, 无重旱发生 干旱和中旱的发生次数呈不明显上升趋势 ( 图略 ), 重旱发生次数呈不明显下降趋势, 且均未通过 P 检验 中旱和重旱的小波分析 ( 图略 ) 显示, 未来中旱发生次数将长期增多短期增多, 重旱将长期减少短期减少 干旱的年代际分布上看,s 发生次数最少, 为 次,000s 次数最多, 达 次, 但考虑到本研究的 000s 的统计年数为 年, 实际上,s 的干旱次数虽略少 ( 次 ), 但频次最高 中旱发生次数最少的是 s, 比最多的 s 少 次 重旱发生次数最多的是 s, 最少的是 s 可知 s 无论是从干旱发生次数还是干旱强度 ( 中旱 / 重旱 ), 均为最少的年代 ;s 发生的次数较 s 少, 但程度更重一些.. 降水年内和季节分布显然, 受降水分布的影响, 月的干旱次数和中旱次数为全年最少, 分别为 次和 次, 且无重旱发生 月 次年 月干旱发生次数接近, 年累计发生在 ~ 次, 接近年均 次 中旱发生次数最多的是 月和 月, 均为 次 ; 其次为 月和 月的 次 重旱发生次数最多的是 月和 月, 分别为 次和 次 就季节分布来看, 冬季干旱次数最多, 年累计为 次 ; 夏季次数最少, 为 0 次 中旱次数最多的是春季, 其次为秋季 重旱次数最多的是冬季, 其次为秋季和冬季 讨论 () 根据灾情实况数据, 发现德玛顿干旱指数对严重旱灾年, 如 年 年 年 000 年 00 年和 00 年的灾情实况对应较好, 但对一些相当中等强度的旱灾, 如 年仍未指出 德玛顿干旱指标的降水是建立在多年平均降水的基础上, 其应用有着局限性 () 考虑胶东半岛地区在冬季 ( 月 次年 月 ) 低温 雨雪天气较多, 土壤水分冻结, 此时干旱指数偏大, 特别是在接近 0 时, 计算公式已较难准确表征干旱情况 结论 () 胶东半岛年干旱发生次数为. 次, 其中中旱发生.0 次, 重旱发生. 次, 占全年 个月的 成以上, 频率相当高 干旱发生次数最多的是 年 年和 年 中旱发生最多的是 年 重旱发生最多的是 年 年和 年 ; 最少的是 00 年, 无重旱发生 干旱和中旱的发生次数呈不明显上升趋势, 重旱发生次数呈不明显下降趋势

9 () 从年代际变化上看,s 干旱发生次数最少,s 的干旱发生次数最多 中旱发生次数最少的是 s, 比最多的 s 少 次 重旱发生次数最多的是 s, 最少的是 s 可知 s 无论是从干旱发生次数还是干旱强度 ( 中旱 / 重旱 ), 均为最少的年代 ;s 发生的次数不如 s, 但程度更重一些 () 受降水分布的影响, 月的干旱次数和中旱次数为全年最少, 分别为 次和 次, 且无重旱发生 月 次年 月干旱发生次数接近, 年累计发生在 ~ 次, 接近年均 次 中旱发生次数最多的是 月和 月, 均为 次 ; 其次为 月和 月的 次 重旱发生次数最多的是 月和 月, 分别为 次和 次 就季节分布来看, 冬季干旱次数最多, 年累计为 次 ; 夏季次数最少, 为 0 次 中旱次数最多的是春季, 其次为秋季 重旱次数最多的是冬季, 其次为秋季和冬季 参考文献 [] 薛德强, 王建国, 王兴堂, 等. 山东省的干旱化特征分析 [J]. 自然灾害学报,00,0:0-. [] 王冰, 余锦华, 程志攀, 等. 基于 SPI 的烟台地区干旱特征分析 [J]. 山东农业大学学报 : 自然科学版,0,0:-. [] 李佶椿. 招远市采取多种措施探索抗旱新路子 [J]. 中国防汛抗旱, 00,0:-0. [] 刘德林, 刘贤赵, 刘健利, 等. 胶东半岛丘陵区典型流域气温 降水的变化特征及突变分析 以大沽夹河为例 [J]. 中国农村水利水电,00,:-. [] 田清, 王庆, 张贵军, 等. 最近 0 年来胶东半岛海岸带气候变化研究 [J]. 鲁东大学学报 : 自然科学版,0,0:-0,. [] De Martonne E. Regions of interior-basin drainage[j].geographical Review,,():-. [] Koleva E, Alexandrov V. Drought in the Bulgarian low regions during the 0 th century[j].theoretical Applied Climatology,00, ():-. [] Botzan T M, Mariño M A, Necula A I. Modified De Martonne aridity index: application to the Napa basin, California[J].Physical Geography,,():-0. [] Weck, J. An improved CVP- index for the delimitation of the potential productivity zones of forest lands of India[J].Indian Forester,,:-. [] Roberts, B. R. Water management in desert environments[m]. Berlin: Spring-Verlag,. [] 李建芳, 李建军, 陈卫东. 宝鸡地区的干旱研究 [J]. 陕西农业科学, 00,0:-. [] 王旭东, 李忠, 包伟民, 等. 乌海气候生产力对气候暖干化的响应 [J]. 干旱区资源与环境,0,:0-. [] 魏凤英编著. 现代气候统计诊断与预测技术 [M]. 气象出版社, :-. [] 王旭东. 00 年阿拉善盟暖干 ( 湿 ) 气候变化特征及其影响研究 [D]. 甘肃兰州 : 兰州大学,00:-. [] 张新刚. 近 年来焦作市降水变化趋势分析及突变检验 [A]. 经济策论 ( 下 )[C].0:. [] 刘春霞. 广东热带气旋年际变化的小波分析 [J]. 热带气象学报, 00,0:-0. [] 任春辉, 魏平, 肖先赐. 改进的 Morlet 小波在信号特征提取中的应用 [J]. 电波科学学报,00,0:-. [] 任国玉, 初子莹, 周雅清, 等. 中国气温变化研究最新进展 [J]. 气候与环境研究,00,0:0-. [] 丁一汇, 任国玉, 赵宗慈, 等. 中国气候变化的检测及预估 [J]. 沙漠与绿洲气象,00,0:-. [0] 于群, 周发琇, 汤子东, 等. 冬季山东半岛局地性降水气候的形成 [J]. 高原气象,0,0:-. [] 于群. 山东降水的多尺度性与地域特征研究 [D]. 山东青岛 : 中国海洋大学,0:-.

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