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1950-2000年中国北方干旱变换特征

王志伟翟盘茂张洪涛

（山西省农业气象中心，太原030002；国家气候中心，北京100081）

摘要：根据1950 - 2000年中国629个月的逐月降水量资料，采用Z指数作为旱涝等级划分标准，根据所计算的Z指数将全国的旱涝情况，干湿度分为七个等级，并划分了干旱发生的范围。通过研究干旱范围变化趋势和特征来诊断干旱的严重程度。通过对近半个世纪来资料的分析此。 结果表明，中国北方主要农不同程度的干旱严重干旱面积均显示出扩大的趋势。 此外，不同季节和北方其他地区的干旱发生发展还有不同的特征。

关键词：中国北方；干旱范围；变化特征

1引言

多年以来，干旱一直是限制中国北方农牧业发展的主要气象灾害。近五十年来的研究表明，北方一些地区的降水量明显下降。这将加剧这些地区的干旱情况，对农牧业生造成巨大影响。在干旱和半干旱地区，自然缺水和地下水的过度开采，使生态环境日益恶化。干旱是当前时代威胁到人类环境的严重问题。人类可利用的水资源短缺及荒漠化，干旱化的加剧都是干旱发展的具体表现。

近年来，气象学家已经开展了许多旱涝情况的评估指标和方法。

Palmer（1965)干旱指数是一种多因子的客观方法，在美国被广泛应用；Mckee et al的标准化降水指数（SPI）在加拿大得到广泛的应用；除此之外还有我国国家气候中心在旱涝监测中使用的Z指数等等。

孙安健等人（2000）成功地利用Z指数夏季研究华北平原严重干旱和洪涝灾害事件，并取得良好的效果。Wuet al.（2001)用不同方法和不同的时间尺度对我国两个不同的气候区，两个极端气候事件进行了研究对比，表明国家气象中心使用的Z指数，在对我国旱涝监测应用方面效果很好，可以作为一种较好方法进行旱涝监测。

在本文中，基于近51年来700多个站点的降水资料，我们根据Z指数，将中国的旱灾和洪涝严重程度分为7个等级。把长江以北主要农业区格点化后，以各格点中达到干旱站点的多少为权重，求出格点中干旱面积，从而求出不同时间范围内干旱面积。通过研究干旱范围大小和变化趋势和特征，来判断干旱发生的严重程度，发展趋势，变化特征

2资料及干旱等级的划分

2.1资料来源

本研究以1950年至2000年中国约700个台站的月平均降水资料为依据，考虑到各站观测时间，选择了629个站点至少40年的可靠数据进行计算。

2.2旱涝等级确定

由于其不同地区的复杂原因，作为评估旱涝的一种量化标准，旱涝指数多种多样。本文使用Z指数方法：Z指数是假设降水量服从P-III型分布，通过对月降水量标准化后，可将其概率密度函数转变为以Z为变量的标准化正态分布，根据计算得到的Z指数可以确定干旱和洪涝的等级。

某一时刻的降水量皮尔逊III型概率分布密度为：

其中，和由以下确定

，，

其中，为平均值：，标准差：

为偏态系数:

式子中，，

将以上皮尔逊III型分布转变为Z变量的标准化正态分布，转换公式为:

于是：,,

利用Z值划分为7各旱涝等级.(表1)

2.3北方主要农业区域划分

根据翟盘茂研究得出的年降水量趋势以及马柱国和傅聪宾的研究成果.本文取100.E~135.E,32.N~55.N范围内的降水资料进行分析。该地区包括安徽大部分地区，江苏北部，湖北北部，四川北部，山东，山西，河南，河北，陕西，宁夏，青海，甘肃，内蒙古，北京，天津，东北三省。我们还将该地区划分为5个次区域，对干旱地区的趋势进行了深入的分析。各个小区划分：A区(110.-135.E,40.-55.N)包括：内蒙古东部，东北三省；B区(110.E-120.E，35.N-42.N)包括：山西，河北，山东，北京，天津；C区(110.E-120.E，32.N-37.N)包括：河南，安徽，江苏北部，山西南部，山东南部；D区(100.E-110.E，35.N-45.N)包括：陕西北部，青海北部，甘肃中部，内蒙古西部，宁夏；E区(100.E-110.E，32.N-37.N)包括：西川北部，山西南部。甘肃南部。青海南部。

2.4干旱范围计算

首先将所需按区域进行格点分区，大小为，然后，我们计算每个网格中Z值大于或等于5的观测站的比例。根据干旱站点所占权重确定每个格点干旱面积从而计算区域内干旱面积。本文还同时对于Z指数等级大于或等于6的干旱跟严重的站点进行了同样的统计分析，他们的变换相似。（图1b、1c）。

图一

2.5干旱范围变化检测

由于个别站点资料有缺漏，有可能造成某些格点也为缺测值。为了避免干旱地区的偏差估计，我们将干旱面积的覆盖范围改为实际区域干旱面积的百分比，并提供观测资料。本研究的正常值定义为51年全年干旱面积平均百分比，把支书大于等于5的干旱面积腹杆超过20%为干旱年，覆盖率越大，旱情越严重。在时间上分别计算春季，夏季，秋季和冬季干旱面积的变化趋势，并分析其变化趋势。在本文中，我们分析了其线性趋势以及年际和长期变化特征。

3 结果分析

3.1 干旱面积年变化趋势及特点

从图1上我国北方干旱面积百分率变化看出，当干旱面积增加时，严重干旱地区的覆盖面较大。这意味着干旱面积指数不仅表现了干旱面积的变化，而且也揭示了干旱严重程度的变化。

1999年主要农业区干旱地区覆盖率是中国北方最近51年来最大的，占地区面积的60％以上（图1）。其次是1965年和1997年。其他较为严重干旱年份是1972年，1982年，1986年和2000年。从趋势分析上看，51年来中国北方干旱地区的变化呈现增长趋势，同时也显示出明显的年代际变异性。因此，我们将中国北方主要农业地区近51年的干旱地区面积变化分成4各阶段。 第一阶段（1950-1964）是一个干旱面积下降的时期，干旱范围小。在此期间，平均干旱面积率约为20％。其中有7年干旱面积超过20%，但整个15年间没有发现干旱面积地区占40％以上的。

他的第二个阶段（1965-1982）是一个干旱期，其中有16年

干旱面积超过20％和4年干旱面积超过40％，没有超过60%。

第三阶段（1983 - 1990年）可以被称为与第二阶段相比的干旱衰退期。，这一时期的空间干旱面积大于第一时期，8年汇总有4年超过20%，其中有1年超过40%。

第四阶段（1991 - 2000年）显示干旱面积不断增加。 9年中有7年干旱面积20％以上，3年以上干旱40％以上1年以上60％以上。 干旱地区的迅速扩大是这一时期的主要特征。 特别是1997年，1999年和2000年，中国北方连续三年遭遇严重干旱，造成总产量大幅度下降。 据报，山西省的总作物产量从1996年的107.71公斤降至2000年的85.335公斤，减幅约为21％。

从上述4个阶段的分析可以看出，中国北方的干旱程度逐渐变得更严峻，干旱面积越来越大，各阶段间隔越来越短。 此外，也存在明显的年代际变率。 通过进一步调查，干旱面积较小的两个时期，即第一和第三个时期，不难发现，第三时期的平均水平和极端情况，比第一时期更为突出。 对于两个干旱时期，即第二和第四个时期，也有类似的干旱特征。，平均干旱面积逐渐增加，极端年份的干旱面积扩大。 如果这种趋势持续下去，那么中国北方这个水资源已经不足的环境就会恶化，水源供需矛盾越来越严重，这个地区的农业发展将面临严峻挑战。

3.2干旱面积季节变化趋势及特点

作物主要生长季节的有效降水对其产量有很大的影响，因为本季作物需要更多的水。 因此，有必要研究不同季节干旱地区的变化趋势。 研究结果表明，不同季节的旱季面积呈现不同的趋势和特征。

图二

3.2.1春季图2a显示，1962年是春季最严重干旱的一年在1950-2000年。 1986年，1965年，1993年，1995年和2000年的干旱在春季也非常严重。 中国北方春季干旱趋势趋于逐渐增加。 春季平均干旱面积大。 干旱面积超过20％干旱达到31年以上，，9年超过40％，3年超过50％。 从1950年到1962年，春季干旱发生了扩大发展态势，其间的变化非常明显。 1963 - 2000年间，干旱状况缓慢发展，年际变化相对较小。

3.2.2夏季1999年干旱面积最大（图2b）干旱面积达到 61％下一个严重的年份是1972年，2000年，1997年，1968年，1965年和1982年。从趋势线分析中国北方夏季干旱地区的扩张趋势明显，但其发展速度比春季慢。从干旱范围的平均值看，夏旱比春旱重。从1997年以来干旱面积显著加快，年际变幅加大。51年中，干旱范围覆盖率大于等于20%的有34年，大于等于40%的有6年，其中有1年达到60%.从5年滑动平均线看，夏季干旱面积变化和年变化相似，有着明显的上升或下降的阶段性，可见，夏季干旱面积的变化是影响年平均状况的主要因素，但从八十年代以来，振幅明显加大。在4各阶段中前3各阶段上升或下降的幅度基本一样，但第四阶段振幅加剧，干旱面积急剧扩大。

3.2.3秋季图2c显示，1957年是过去51年来中国北方秋季主要农业区干旱面积最大的一年。 干旱地区覆盖率达到58％。 接下来是1997年和1966年。51年来，8年干旱面积20％大于40％有29年。 但秋季干旱的趋势并不明显。

3.2.4冬季图2d显示，1963年和1984年是过去51年来中国北方冬季主要农业区干旱面积最大的年份。 在这两年中，干旱地区分别为67％和61％。 此外，1999年，1996年，1977年，1974年和1968年的干旱也很普遍。 在图2d中，我们可以看到，中国北方主要农业地区的干旱面积呈现快速增长态势。 与其他三个季节相比，冬季干旱时年际变化较大。 51年来，25年干旱地区覆盖率大于20％，9年大于40％，2年大于60％。

一般来说，四季的干旱地区都有增加趋势，但每个季节的变化都有所不同。 冬季和春季干旱发展趋势明显上升，夏季和秋季平稳。 干旱区平均表明，夏季和秋季干旱较严重，春季和冬季干旱较轻。 从每个时期的变化来看，我们可以看到夏季干旱面积的变化与年度变化相似。 这表明夏季干旱面积变化决定着年干旱面积的变化趋势（表2）。

3.3不同分区干旱面积变化分析

图三

由于上述主要农业区域跨越中国北方的大面积（图3），每个子区域的作物种类，种植结构和作物生长期都有很大差异。 我们还讨论了较小子区域的变化。

图4

区域A：图4a显示年平均条件的变化。 干旱变化区域A的干旱变化发展与中国北方的大片区域相似。干旱地区随着时间的面积推移而增加，也存在着相似的变化阶段。所不同的是A区干旱面积年变化振幅更大，1999年极度干旱的旱灾面积超过了70％。

四季干旱地区呈逐渐上升趋势。 冬，春季干旱发展速度较快，但秋季，夏季，春季干旱面积较大。 由于该次区域大部分作物春季播种，秋季收割，春季和夏季为主要用水需求期。 因此，本区域干旱发展趋势对农业发展非常不利。

区域B：图4b显示子区域B中的干旱区域增加在过去的51年中单调。 干旱年份干旱面积非常大，即1965年，1997年和1999年的干旱地区均超过70％，自1986年以来频繁发生的大面积旱灾是该次区域干旱变化的主要特征。在前25年，干旱覆盖率超过20％的11年，超过40％的3年，超过60％的1年。 在后面26年中，干旱地区比例大于等于20%有16年，大于等于40%的7年，大于等于60%的有4年。

季平均：除冬季外，B区其他三个季度的干旱面积都比较大，夏季干旱和冬季干旱发展速度较快，春节干旱发展相对缓慢，秋季基本上处于平均状态。

区域C：图4c显示子区域C的年变化类似于次区域B.干旱区域不断扩大。 没有明显的年代际变化信号，干旱发展速度比亚区A和B低。这一区域的平均干旱面积小于A区和B区。在前25年，有 11干旱面积超过20％，4年超过40％，1年超过60％。 过去26年来，干旱地区达20年以上，13年以上，超过40％，7年，超过60％。

季平均:该区春秋干旱面积扩大比较快，夏季发展发展较慢，冬季基本没变化。和A和B两区相比，该区干旱相对较轻。

区域D：图4d显示，年均干旱面积略有增加。 过去26年来，平均干旱面积增加，但是极端值下降。

季平均： 秋季旱灾严重程度逐渐下降，春季保持接近平均水平，夏季和冬季增加。

区域E：图4e显示了次区域E逐渐增加的年均干旱面积。干旱面积平均值较大，极端干旱面积随着时间的推移而增加。前25年，16年干旱面积超过20％，4年超过40％，1年超过60％。 过去26年来，14年干旱地区超过20％，5年40％以上3年大于等于60％。<!--

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