基于云模型的山东省干旱时空分布特征.pdf

基于云模型的山东省干旱时空分布特征崔素芳1，张保祥2，荣燕妮1，姜欣2，王振1，刘振1，付军1（1.山东农业工程学院,济南250100；2.山东省水利科学研究院,济南250014）摘要：基于山东省 29 个气象站 19512017 年的实测气象数据，主要采用降水量距平百分率作为气象干旱等级评价指标，通过云模型分析山东省干旱时空分布的均匀性和稳定性特征，并采用 ArcGIS 的反距离权重法分析不同时间尺度下的干旱频次空间分布特征。结果表明：山东省降水量距平百分率呈逐年波动式下降趋势，但下降趋势不明显，干旱发生具有明显的季节性，呈现出季节性连旱现象；从时间尺度来看，年尺度上干旱分布的模糊性和随机性较小，干旱的确定性更容易度量，干旱分布不均匀性的稳定程度较低；对季节间云数字特征的对比显示，多年来冬、秋季干旱分布的模糊性和随机性较大，冬季干旱分布的确定性最难以度量；在稳定性方面秋季最稳定，春季次之，夏季最不稳定；在空间尺度上，鲁西北地区发生干旱、严重干旱和特大干旱的频次最高；发生轻度干旱的频次最高区位于胶东半岛，鲁南地区次之；发生中度干旱的频次最高区位于鲁中地区，鲁南地区次之；由超熵值大小判定干旱分布不均匀性的稳定程度，表现为鲁西北地区最稳定，鲁中地区次之，胶东半岛最不稳定；从干旱分布的均匀性分析得出鲁西南地区干旱分布最不均匀，鲁西北地区干旱分布最均衡；山东省干旱频次在空间上的分布表现为春旱和冬旱呈从西北向东南递减的趋势，秋旱比较严重。云模型针对半湿润地区的干旱分布具有较好的应用前景。关键词：干旱；降水量距平百分率；均匀性；稳定性；云模型中图分类号：TV213文献标志码：ADOI：10.13476/ki.nsbdqk.2023.0067干旱是一种不确定性极高的慢性自然灾害，除了具有影响范围大、持续时间长、危害程度深等特点外，干旱事件还具有模糊性和随机性的特点，其对社会和经济发展的危害和影响早已引起国际社会的广泛重视，并成为气候变化研究中的热点问题之一1-4。随机性与必然性相对，源于随机数学，指事件本身的定义是确定的，但事件是否发生不确定。模糊性与精确性相对，源于模糊数学，指对事件本身的认知不确定，模糊性和随机性统称为不确定性。干旱的本质是降水偏少导致水分亏缺，降水现象是随机发生的气象事件，导致干旱事件的发生具有随机性特点。旱情发生后干旱历时及干旱烈度等干旱特征指标也具有随机性的特点。干旱事件的模糊性是指当前对于干旱指标选取、干旱过程识别、干旱特征变量提取、干旱频次分析等方面的现有研究仅是对干旱这一自然事件演化及致灾机理的初步认识，认识水平有待进一步深入。由于干旱成因复杂、影响因素繁多，目前的干旱定义尚没有统一。现有研究多从行业角度把干旱分为气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱，其中气象干旱是其他 3 种干旱类型的基础，持续性气象干旱将诱发其他 3 种干旱的发生。干旱将会导致粮食减产、河道断流、湿地减少、生态退化、生物多样性减少、荒漠化加剧、缺水风险增加等方面问题，严重影响到粮食安全、生态环境、供水安全、经济发展及社会稳定5-7。因此，研究气象干旱的发生规律具有重要意义。国内外学者8-11对干旱的研究主要聚焦在干旱风险评估及管理、干旱监测及预警、干旱指标构建、干旱胁迫影响、干旱演变过程等方面，而对干旱发生的随机性和模糊性研究较少。收稿日期：2023-01-03修回日期：2023-07-18网络出版时间：2023-08-08网络出版地址：https:/ 1580万 hm2，是我国重要的农产区，素有“粮棉油之库”“水果水产之乡”之称，粮食产量居全国第 2 位，并拥有全国最大的蔬菜基地12-14。由于山东省气候处于南北方交接地带，是湿润与半湿润交界区，该区域对气候变化响应较为敏感和强烈。干旱灾害频发，“十年九旱”是山东省省情和水情的真实写照15-17。据统计，19612011 年的 51 年间，除 1964年外，有 50 年发生不同程度的干旱灾害，全省平均每年干旱受灾面积 173.72 万 hm2，成灾面积 106.54万 hm218。因此，干旱已经成为山东省农业生产的重要制约因素，对农业生产造成了巨大的损失。2数据来源及研究方法2.1数据来源采用中国气象科学数据共享服务网作为主要的数据来源，选取山东省 29 个气象站点近 67 年逐月气象数据。29 个气象站降水数据均存在一定程度的缺失，数据缺失率为 0.56%，采用时间插值和空间插值两种方法对缺失数据进行插补处理，插补后对所得降水数据采用 vonNeumannratio（N）、standnormalhomogeneitytest(SNHT)、Pettitttest3 种统计方法进行均一性验证，处理后的数据均通过了 95%置信度的均一性验证19-20。2.2研究方法2.2.1降水量距平百分率降水量距平百分率（Pa）表示某时段降水量与同期平均状态的偏离程度，优点在于能直观反映降水异常引起的干旱，常被作为划分旱涝等级标准的依据。计算公式及干旱等级划分详见气象干旱等级标准（GB/T204812017）21。降水量距平百分率干旱等级标准见表 1。表1降水量距平百分率干旱等级标准Tab.1Standardofclassificationfordroughtbasedonprecipitationanomalypercentage等级类型降水量距平百分率/%季尺度年尺度1无旱25Pa15Pa2轻度干旱50Pa2530Pa153中度干旱70Pa5040Pa304重度干旱80Pa7045中度干旱（7.2%）特大干旱(3.2%)严重干旱（1.6%），说明山东省干旱等级主要以轻度干旱为主。由图 4（a）可见，鲁西北地区、胶东半岛发生干旱的频次较高，鲁西北地区的东营、德州、陵县发生干旱频次较高，胶东半岛地区的福山、成山、青岛发生干旱频次较高，鲁中地区、鲁西地区和鲁南地区干旱发生频次差距不大。由图 4（b）可见：发生轻度干旱的频次主要以胶东半岛、鲁南地区、鲁西南地区为主，鲁西北地区和鲁中地区差别较小，鲁西北比鲁中地区发生轻度干旱的频次高 0.1%；胶东半岛主要是福山、石岛、海阳轻度干旱频次较高，鲁南地区主要表现为日照和临沂轻度干旱频次较高，鲁西南地区主要是兖州轻度干旱频次较高。由图 4（c）可见：中度干旱第21卷第4期南水北调与水利科技（中英文）2023年 8 月682主要发生在鲁中地区和鲁南地区，鲁中地区主要发生在沂源、淄博、淄川；中度干旱频次最高值位于鲁西北地区的垦利、其次为胶东半岛的青岛市。由图 4（d）可见，严重干旱主要发生在鲁西北地区、鲁中地区、鲁西南地区，胶东半岛和鲁南地区发生频次较低。由图 4（e）可见，特大干旱主要发生在鲁西北地区。总之，发生干旱、严重干旱和特大干旱频次最高的区域位于鲁西北地区；发生轻度干旱频次最高的区域位于胶东半岛，鲁南地区次之；鲁中地区发生中度干旱的频次最高，鲁南地区次之。1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.101.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10150 10050050100150200隶属度降水量距平百分率/%(a)春季(b)夏季(c)秋季(d)冬季(e)19512017 年10050050100150隶属度降水量距平百分率/%150 10050050100200150隶属度降水量距平百分率/%1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1010050050100150隶属度降水量距平百分率/%1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.101.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10200 150 100 50050100200150隶属度降水量距平百分率/%图3山东省 19512017 年不同时间尺度的降水量距平百分率隶属度云图Fig.3MembershipdegreecloudmapofprecipitaionanlomalypercentageatdifferenttimescaleinShandongProvincefrom1951to2017临沂市潍坊市烟台市菏泽市济宁市青岛市德州市济南市滨州市聊城市泰安市东营市淄博市威海市日照市枣庄市图例干旱频次高:38.82低:22.82临沂市潍坊市烟台市菏泽市济宁市青岛市德州市济南市滨州市聊城市泰安市东营市淄博市威海市日照市枣庄市临沂市潍坊市烟台市菏泽市济宁市青岛市德州市济南市滨州市聊城市泰安市东营市淄博市威海市日照市枣庄市临沂市潍坊市烟台市菏泽市济宁市青岛市德州市济南市滨州市聊城市泰安市东营市淄博市威海市日照市枣庄市临沂市潍坊市烟台市菏泽市济宁市青岛市德州市济南市滨州市聊城市泰安市东营市淄博市威海市日照市枣庄市图例干旱频次高:27.72低:8.78图例干旱频次高:4.69低:0图例干旱频次高:15.68低:0图例干旱频次高:17.91低:0(a)全部干旱(b)轻度干旱(c)中度干旱(e)特大干旱(d)严重干旱崔素芳，等基于云模型的山东省干旱时空分布特征683临沂市潍坊市烟台市菏泽市济宁市青岛市德州市济南市滨州市聊城市泰安市东营市淄博市威海市日照市枣庄市图例干旱频次高:38.82低:22.82临沂市潍坊市烟台市菏泽市济宁市青岛市德州市济南市滨州市聊城市泰安市东营市淄博市威海市日照市枣庄市临沂市潍坊市烟台市菏泽市济宁市青岛市德州市济南市滨州市聊城市泰安市东营市淄博市威海市日照市枣庄市临沂市潍坊市烟台市菏泽市济宁市青岛市德州市济南市滨州市聊城市泰安市东营市淄博市威海市日照市枣庄市临沂市潍坊市烟台市菏泽市济宁市青岛市德州市济南市滨州市聊城市泰安市东营市淄博市威海市日照市枣庄市图例干旱频次高:27.72低:8.78图例干旱频次高:4.69低:0图例干旱频次高:15.68低:0图例干旱频次高:17.91低:0(a)全部干旱(b)轻度干旱(c)中度干旱(e)特大干旱(d)严重干旱图4山东省不同干旱等级空间分布Fig.4SpatialdistributionofdifferentdroughtgradesinShandongProvince底图来源：山东省 2020 年地理省情监测数据成果山东省不同区域降水量距平百分率空间分布云模型数字特征见表 5，降水量距平百分率空间分布的隶属度云图见图 5。由表 5 可知：熵值 En鲁西北地区胶东半岛鲁中地区鲁南地区鲁西南地区，表明多年来鲁西北地区干旱分布的模糊性和随机性最大；超熵值 He鲁西北地区鲁中地区鲁南地区胶东半岛鲁西南地区，表明多年来鲁西北地区干旱分布的稳定性最强，胶东半岛最不稳定。由图 5 可知：根据期望值距离区间Ex-3En，Ex+3En两端远近，可以判定出鲁西北地区干旱的确定性相对于其他地区更容易度量；根据“云滴”的分布和“云层”的厚薄程度，判定出在干旱分布的不均匀性上，鲁西南地区最不均匀，鲁西北地区最均匀。究其原因可以归结为鲁西北平原区受海陆位置及季风气候的影响，降雨量偏少，加之地形平坦，不易形成地形雨，因此干旱分布比较均匀。有学者对鲁西南地区的降雨特征进行分析，表明近 50 年来鲁西南地区中南部降水量增加趋势明显，中北部减少趋势明显，契合了鲁西南地区干旱分布不均匀性的规律30。表5山东省 19512017 年降水量距平百分率空间分布云模型数字特征Tab.5CloudmodeldigitalcharacteristicofprecipitationanomalypercentageofspatialdistributioninShandongProvincefrom1951to2017地区云模型数字特征ExEnHe胶东半岛0.277026.8945.601鲁中地区0.259026.0007.293鲁西北地区1.733029.8519.079鲁西南地区0.491024.0435.596鲁南地区0.028124.5645.703第21卷第4期南水北调与水利科技（中英文）2023年 8 月6841.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1015010050050100隶属度降水量距平百分率/%(a)胶东半岛1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1010050050200150100隶属度降水量距平百分率/%(b)鲁中地区1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1015010050050200150100隶属度降水量距平百分率/%(c)鲁西北地区1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1015010050050150100隶属度降水量距平百分率/%(d)鲁西南地区1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1010050050150100隶属度降水量距平百分率/%(e)鲁南地区图5山东省 19512017 年降水量距平百分率空间分布的隶属度云图Fig.5MembershipdegreecloudmapofprecipitaionanlomalypercentagespatialdistributioninShandongProvincefrom1951to2017统计计算山东省各气象站点（19512017 年）四季及全年的干旱频次，采用 ArcGIS10.2 软件中的反距离权重法进行插值处理，绘制得到山东省干旱频次空间分布图见图 6。(a)春季(b)夏季(c)秋季(d)冬季(e)全年临沂市潍坊市烟台市菏泽市济宁市青岛市德州市济南市滨州市聊城市泰安市东营市淄博市威海市日照市枣庄市图例干旱频次高:59.56 低:43.29 临沂市潍坊市烟台市菏泽市济宁市青岛市德州市济南市滨州市聊城市泰安市东营市淄博市威海市日照市枣庄市临沂市潍坊市烟台市菏泽市济宁市青岛市德州市济南市滨州市聊城市泰安市东营市淄博市威海市日照市枣庄市临沂市潍坊市烟台市菏泽市济宁市青岛市德州市济南市滨州市聊城市泰安市东营市淄博市威海市日照市枣庄市临沂市潍坊市烟台市菏泽市济宁市青岛市德州市济南市滨州市聊城市泰安市东营市淄博市威海市日照市枣庄市图例干旱频次高:56.21低:41.03图例干旱频次高:64.05低:46.97图例干旱频次高:38.83低:22.83图例干旱频次高:58.22低:38.46崔素芳，等基于云模型的山东省干旱时空分布特征685(a)春季(b)夏季(c)秋季(d)冬季(e)全年临沂市潍坊市烟台市菏泽市济宁市青岛市德州市济南市滨州市聊城市泰安市东营市淄博市威海市日照市枣庄市图例干旱频次高:59.56 低:43.29 临沂市潍坊市烟台市菏泽市济宁市青岛市德州市济南市滨州市聊城市泰安市东营市淄博市威海市日照市枣庄市临沂市潍坊市烟台市菏泽市济宁市青岛市德州市济南市滨州市聊城市泰安市东营市淄博市威海市日照市枣庄市临沂市潍坊市烟台市菏泽市济宁市青岛市德州市济南市滨州市聊城市泰安市东营市淄博市威海市日照市枣庄市临沂市潍坊市烟台市菏泽市济宁市青岛市德州市济南市滨州市聊城市泰安市东营市淄博市威海市日照市枣庄市图例干旱频次高:56.21低:41.03图例干旱频次高:64.05低:46.97图例干旱频次高:38.83低:22.83图例干旱频次高:58.22低:38.46图6山东省不同时间尺度干旱频次空间分布Fig.6SpatialdistributionoffrequencyofdroughtatdifferenttimescaleinShandongProvince底图来源：山东省 2020 年地理省情监测数据成果由图 6 可知：春季干旱发生频次基本上呈现由西北向东南递减的趋势，聊城春旱最为严重，鲁西北地区多年平均降水量小于 650mm，约 70%降水集中在夏季，其次是秋季，所以春旱比较严重；夏季干旱发生的频次相比其他 3 个季节偏低，东营市发生夏旱的频次最高；秋季旱情除烟台市部分地区外，其他地区旱情都比较严重，这与近几十年来秋季降水持续偏少有关；冬季干旱发生的频次呈现由西北向东南递减的趋势，聊城、德州、东营、滨州、泰安冬旱比较严重。山东省在年尺度上干旱发生频次高值区位于鲁西北地区（德州、东营）、胶东半岛（青岛、烟台、威海）、鲁中地区的济南靠近德州的部分地区、鲁南地区的日照临海地区。胶东半岛干旱的原因之一可以归结为地理位置因素、厄尔尼诺现象。胶东半岛大致位于南北分界线以北，受夏季风影响较小，为典型的温带季风性气候。夏季高温多雨，降水集中，雨水下渗快，不易保存；冬季寒冷干燥。厄尔尼诺现象的出现会在一定程度上加重南涝北旱的情况，也是造成胶东半岛旱情加重的主要原因。4结论采用降水量距平百分率作为干旱指标，识别出的不同等级干旱发生时间与干旱实际发生时间基本吻合。从干旱发生的季节来看，具有明显的季节性特点，出现季节性连旱的现象。根据云模型的数字特征及云图分布特征，判断出：在年尺度上，干旱的确定性比较容易识别，干旱分布最不均匀，稳定性也最低；在季尺度上，冬、秋季干旱分布的模糊性和随机性较大，冬季干旱分布的确定性最难以度量。秋季干旱分布的不均匀性最稳定，夏季最不稳定。从干旱发生的空间规律来看：鲁西北地区最容易发生干旱、严重干旱和特大干旱；胶东半岛易发生轻度干旱；鲁中地区易发生中度干旱。从干旱分布的模糊性和随机性来看，鲁西北地区最大，鲁西南地区最小。从干旱分布的稳定性和均匀性上分析可知，鲁西北地区干旱分布的稳定性最强，均匀第21卷第4期南水北调与水利科技（中英文）2023年 8 月686性最好。春旱和冬旱基本上呈现由西北向东南递减的趋势。夏季干旱发生的频次相比其他 3 个季节偏低，东营市发生夏旱的频次最高。秋季旱情比较严重，除烟台市部分地区外，其他地区旱情都比较严重。在年尺度上表现为鲁西北地区发生干旱的概率最高。参考文献：BONGAARTS J.Special report on climate changeand land use.Intergovernmental panel on 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Agriculture and Engineering University,Jinan 250100,China；2.Water Resources Research Institute of Shandong Province,Jinan 250014,China）Abstract:Withtheaccelerationofglobalwarmingandfrequentoccurrenceofagriculturalnaturaldisasters,droughthasbecomeanimportantrestrictivefactorforagriculturalproductioninShandongProvinceandhascausedhugelossestoagriculture.Asanimportantregionofthenationalecologicalprotectionandhigh-qualitydevelopmentstrategyintheYellowRiverbasin,thehigh-qualitydevelopmentofecologicalagricultureisparticularlyimportantin Shandong Province,and drought is one of the limiting factors affecting the high-quality development ofecologicalagriculture.Sothestudyofdroughtisbecomingmoreandmoreimportant.Inrecentyears,therehavebeenmoreandmoreresearchonextremedroughtmonitoring,riskassessmentmodelsandsystems,andavarietyofmeteorologicalhydrologicaldroughtindexmodelshavebeenwidelyused.Theprecipitationanomalypercentagemodel is superior to the other drought index models because it can directly reflect the drought caused byprecipitation.Althoughsomeresearchhasbeenconductedinrecentyearsontemporal-spatialdroughtdistribution,therearefewresearchesonthefuzziness,randomnessandunevennessofdroughtdistribution.Basedonthemeasureddataofmeteorologicaldatafrom1951to2017in29meteorologicalstationsinShandongProvince,theprecipitationanomalypercentageisusedastheevaluationindexofmeteorologicaldroughtgrade,thecloud model is used to study the uniformity and stability characteristics of the drought spatial and temporaldistribution in Shandong Province and the inverse distance weighting method is used to analyze the spatialdistributioncharacteristicsofdroughtfrequencyatdifferenttimescales.Resultsshowedthat:theprecipitationanomalypercentageinShandongProvinceshowsadownwardtrendoffluctuation year by year,but the decreasing trend was not obvious;the occurrence of drought has obviousseasonality,showing the phenomenon of seasonal continuous drought.On the time scale,the ambiguity andrandomnessofthedroughtdistributionontheannualscalearesmallerthantheseasonalscale,thedeterminismofthedroughtiseasiertomeasurethantheseasonalscale,andthestabilityoftheunevennessofdistributionislow;thecomparisonofthenumericalcharacteristicsoftheinter-seasonalcloudshowsthatthedistributionofwinterandautumn droughts has been relatively vague and random over the years,and the certainty of winter droughtdistributionisthemostdifficulttomeasure.Intermsofstability,autumnisthemoststable,followedbyspring,andthemostunstableissummer.On the spatial scale,the frequency of drought,severe drought and extreme drought in the northwesternShandongareaisthehighest;thefrequencyofmilddroughtintheJiaodongPeninsulaareaisthehighest,followedbythesouthernShandongarea;thefrequencyofmoderatedroughtisthehighestinmiddleShandongProvince,followedbysouthShandongProvince.Thestabilityofdroughtdistributionwasjudgedbythevalueofsuper-entropy,whichshowedthatthenorthwestofShandongwasthemoststable,themiddleofShandongwasthesecond,andtheJiaodongPeninsulawasthemostunstable.Basedontheanalysisoftheuniformityofdroughtdistribution,itis concluded that the drought distribution in southwest Shandong is the most uneven,and that the droughtdistributioninnorthwestShandongisthemostbalanced.ThespatialdistributionofdroughtfrequencyinShandongProvinceshowedthatspringdroughtandwinterdroughtdecreasedfromnorthwesttosoutheast,andautumndroughtwasmoreserious.Thecloudmodelhasagoodapplicationprospectfordroughtdistributioninsubhumidarea.Keywords:drought；precipitationanomalypercentage；homogeneity；stability；cloudmodel第21卷第4期南水北调与水利科技（中英文）2023年 8 月688