CI和MCI干旱指数在宁夏的适应性对比

高睿娜，王素艳，高 娜，左河疆

(1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏气象防灾减灾重点实验室， 宁夏 银川 750002；2.宁夏回族自治区气候中心，宁夏 银川 750002)

引 言

气候变暖背景下，中国干旱的影响范围和程度有所加剧，尤其在干旱半干旱地区[1]。宁夏地处中国西北地区东部，由南到北依次是半湿润、半干旱、干旱气候，年降水量稀少，变率大，且季节分布不均，干旱是宁夏发生次数多、影响面积广、危害最严重的气象灾害之一[1]。研究表明，宁夏干旱总体呈加重趋势，尤其是20世纪90年代之后，干旱的持续时间、强度和频率进一步增加，干旱范围亦显著扩大[2-5]。因此，探究适宜的干旱监测评估指标，对宁夏干旱地区防灾减灾意义重大。

目前，国际上公认的干旱类型主要有气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱[6]。气象干旱是其他3类干旱的基础，当气象干旱持续一段时间后，才有可能发生农业、水文和社会经济干旱，并产生相应后果，因此研究气象干旱的发生、发展规律对决策者及相关大众更加实用。干旱监测指标是气象干旱研究的基础，研究者们先后提出了帕默尔干旱指数(PDSI)、湿润度指数(MI)、K指数、标准化降水指数(SPI)、干燥度指数等50余种干旱指数[7]，其中气象行业应用比较广泛的有降水距平百分率(Pa)、SPI、K指数、PDSI和CI，但不同地区这些指标的适用性差异较大。研究表明，K指数和CI评估宁夏干旱的效果较好，但需要进一步改进[1]，采用累积频率法修正CI阈值后的指数能够更好地体现干旱的持续性，对干旱的逐日演变反映更为合理[8]，可用于宁夏干旱监测业务。然而，近年来通过几次重大干旱事件业务监测服务发现，CI对降水过程反应过于灵敏，当过程降水结束30 d或90 d后CI变化剧烈，而对长期降水偏少形成的严重干旱事件反应不明显，不符合干旱发展过程机理[9-14]。2017年国家气候中心修订了《气象干旱等级》(GB/T 20481—2006)标准，将“综合气象干旱指数(CI)”改为“气象干旱综合指数(MCI)”[15]。CI是利用近30 d(相当月尺度)和近90 d(相当季尺度)标准化降水指数以及近30 d相对湿润指数综合加权而得，该指数反映短时间尺度(月)和长时间尺度(季)降水量异常和短时间尺度(影响农作物)水分亏欠情况。MCI则考虑了近60 d内的有效降水(权重累计降水)、30 d内的蒸散(相对湿润度)以及季尺度(90 d)和近半年尺度(150 d)降水的综合影响，该指数能否适用于降水稀少、无降水日数多的宁夏呢？为此，本文利用宁夏气象站长时间序列的逐日气温、降水量等观测资料以及各县市灾情、气候影响评估报告，以CI和MCI为干旱监测指标，从干旱日数、干旱强度、典型干旱事件3方面，对比分析2种干旱指数在宁夏气象干旱监测中的差异，探讨它们在宁夏的适用性。

1 资料与方法

1.1 资 料

使用宁夏18个气象观测站1981—2017年逐日气温、降水量等资料以及《中国气象灾害大典》、中国气象局“灾害普查”项目收集的灾情资料和宁夏历年年度气候影响评价报告。

根据宁夏的气候条件、农牧业分布和生态环境状况，在宁夏气象业务中将宁夏划分为3个区域(图1)：北部引黄灌区、中部干旱带和南部山区[8]。北部引黄灌区年平均降水量200 mm以下，包括石嘴山、银川、吴忠和中卫等黄河两岸11个市县(11个气象站)；中部干旱带年平均降水量200～400 mm之间，包括吴忠市、中卫市的3个市县(3个气象站)；南部山区年平均降水量在400 mm以上，包括固原市的4个市县(4个气象站)。宁夏行政边界是基于宁夏回族自治区标准地图服务网站下载的审图号为宁S(2016)10的标准地图制作，底图无修改。

图1 宁夏气候分区Fig.1 The climate division in Ningxia

1.2 方 法

综合气象干旱指数(CI)的计算公式如下：

CI=aSPI30+bSPI90+cMI30

(1)

式中：SPI30、SPI90分别为近30 d和近90 d标准化降水指数；MI30为近30 d相对湿润度指数，具体方法和取值见《气象干旱等级》(GB/T 20481—2006)[16]；a、b分别为近30 d和近90 d标准化降水指数系数；c为近30 d相对湿润度指数系数。王素艳等[8]对CI等级进行了宁夏本地化修正，修正后的等级划分标准见表1。

表1 CI干旱等级划分标准Tab.1 The classification standards of drought grades based on CI

2017年国家气候中心在CI指标的基础上进行了修订[15]，建立了气象干旱综合指数(MCI)，计算公式如下：

MCI=Ka×(aSPIW60+bMI30+

cSPI90+dSPI150)

(2)

式中：SPIW60为近60 d标准化权重降水指数；MI30为近30 d相对湿润度指数；SPI90和SPI150分别为90 d和150 d标准化降水指数；a、b、c、d为各项的经验权重系数，南、北方取值有所不同；Ka为季节调节系数，根据不同季节各地主要农作物生长发育阶段对土壤水分的敏感程度确定。MCI各分量的计算方法及其权重系数取值详见《气象干旱等级》(GB/T 20481—2017)[15]。依据MCI划分的气象干旱等级见表2。

表2 MCI干旱等级划分标准Tab.2 The classification standards of drought grades based on MCI

2 CI和MCI干旱监测结果对比与分析

2.1 干旱日数的时空分布特征

宁夏中部干旱带和南部山区多年平均干旱日数在200 d以上，大旱年中部干旱带的同心、海原等部分地区常年处于干旱状态。为了比较2种干旱指数(CI和MCI)监测结果的差异，仅对宁夏各地区中旱及以上等级干旱日数及最长干旱日数进行统计分析。

1981—2016年，CI和MCI监测的宁夏多年平均中旱及以上等级干旱日数分别为130、39 d，CI较MCI监测的中旱及以上等级干旱日数明显偏多，且CI监测的中旱及以上等级每年均有发生，而MCI在个别年份监测为轻旱或无旱；2种指数监测的年平均中旱及以上等级干旱日数变化趋势一致，总体呈不显著减少趋势(未通过α=0.1的显著性检验)，气候倾向率分别为-6.2、-2.7 d·(10 a)-1，且年际波动大、年代际变化特征明显(图2)。

图2 1981—2016年CI(a)和MCI(b)监测的宁夏中旱及以上等级干旱日数年变化Fig.2 The annual change of drought days with moderate level and above based on CI (a) and MCI (b) in Ningxia during 1981-2016

图3是1981—2016年宁夏CI和MCI中旱及以上等级干旱日数和最长干旱日数的空间分布。可以看出，CI监测的宁夏年平均中旱及以上等级的干旱日数和最长干旱日数空间分布特征基本一致，呈北多南少的空间分布特征，年平均中旱及以上等级干旱日数普遍在70 d以上，同心及以北地区普遍在150 d以上，为干旱多发区，而中旱及以上等级最长干旱日数出现在大武口(239 d)；MCI监测的年平均中旱及以上等级的干旱日数和最长干旱日数空间分布特征也基本一致，呈中间多、四周少的空间分布特征，中宁及盐池以南地区为干旱多发区，年平均中旱及以上等级干旱日数普遍在50 d以上，而最长干旱日数出现在同心(369 d)。需要注意的是，虽然CI比MCI监测的宁夏干旱日数显著偏多，但MCI监测的最长干旱日数高值及其范围比CI大。

图3 1981—2016年宁夏CI(a、c)和MCI(b、d)中旱及以上等级的 干旱日数(a、b)和最长干旱日数(c、d)空间分布(单位：d)Fig.3 Spatial distribution of drought days (a, b) and the maximum drought days (c, d) with moderate level and above based on CI (a, c) and MCI (b, d)) in Ningxia during 1981-2016 (Unit: d)

宁夏降水由南向北逐渐减少，CI监测的干旱日数、最长干旱日数的空间分布特征与宁夏降水的空间分布相符，即降水越少的地方越旱。宁夏北部引黄灌区降水量和降水日数稀少，年降水量基本在200 mm以下，远少于中南部地区，而蒸发量和气温均较南部山区明显偏高，接近中部干旱带，故北部引黄灌区气象干旱相对严重。另外，CI监测的年平均干旱日数和最长干旱日数的时空分布比MCI更适合宁夏气象干旱监测，其原因可能是：MCI放大了更长时间前(90～150 d内)降水的作用，对于风大、温高、蒸发强的西北干旱区并不适用，如1981年，宁夏降水为典型的南多北少分布型，银川降水偏少46%，为1961年以来第三少年，分别于1980年11月1日至1981年4月16日、4月18日至6月30日、8月24日至12月31日长期无有效降水过程，其间降水量仅3.4、9.7、18.4 mm，而在有效降水期间日最大降水量仅16.3 mm，且10 mm以上降水日数仅2 d，CI监测的该年气象干旱日数260 d，而MCI仅监测到34 d。MCI监测的年平均干旱日数和最长干旱日数在宁夏中南部的空间分布特征与CI相似，也符合宁夏降水分布特征。因此，下文重点分析2种干旱指数对宁夏中南部干旱强度演变及典型干旱事件的监测效果。

2.2 干旱强度年际变化特征

干旱强度定义为干旱日的干旱指数之和，干旱指数和越小，干旱强度越大[8]。春季是宁夏作物播种、出苗及返青的关键季节，重旱也主要发生在春季[8]。因此，选取干旱频发且农作物受旱影响最典型的中部干旱带的盐池、同心以及南部山区的固原、西吉，结合春季降水情况，分析探讨干旱强度变化特征以及CI和MCI监测干旱强度的能力。从图4看出，近36 a上述4个地区春季CI和MCI监测的干旱强度变化趋势基本一致，但CI的干旱强度比MCI偏强，且降水偏少越明显，CI的干旱强度比MCI越强；MCI监测的无旱日年份明显多于CI，但有些年份是有旱情发生，存在漏报现象；无旱情的年份，CI监测到有干旱发生，存在空报现象。《灾害大典》[17]记录显示：1993年同心有旱情，但MCI监测为无旱日。《2013年宁夏气候影响评价报告》显示，2012年9月26日至2013年5月7日，同心及以北大部地区连续200多d未出现2 mm以上的降水天气，给农业生产及人畜饮水造成困难，但MCI监测同心为无旱日，CI监测的干旱强度较强；1988年固原无旱情，但CI监测有旱日。总体上，CI和MCI气象干旱指数均可以反映宁夏中南部地区气象干旱的演变特征，但MCI漏报的干旱事件多于CI空报的干旱事件，所以CI监测效果更好。

图4 1981—2016年宁夏典型区域2种干旱指数监测的春季干旱强度和同期降水距平百分率年际变化 (a)盐池，(b)同心，(c)固原，(d)西吉Fig.4 The annual changes of monitored drought intensity by two drought indexes and precipitation anomaly percentage in typical zones of Ningxia in spring during 1981-2016 (a) Yanchi, (b) Tongxin, (c) Guyuan, (d) Xiji

2.3 典型干旱事件演变特征

从《中国气象灾害大典》、中国气象局项目“灾害普查”以及《宁夏年度气候影响评价报告》中整理出宁夏干旱灾情数据，筛选出1987年、2004—2006年、2008年、2016—2017年4次重大干旱事件。1987年宁夏中部干旱带出现特旱，是1949年以来第3个大旱年，中部干旱带的同心、海原降水异常偏少；2004年9月到2006年6月，持续22个月降水偏少，致使宁夏中部干旱带发生了自有气象记录以来罕见的极端干旱，各地降水量均创同期最低；2008年，宁夏中南部地区发生严重的春夏连旱，首场透雨出现日期之晚创历史之最；2016年10月28日至2017年2月19日，宁夏大部地区持续长时间未出现有效降水过程，全区平均无降水日数达111 d，平均气温创1961年以来历史新高，持续气温偏高和大部地区无有效降水，造成严重气象干旱，农作物受灾面积331 000 hm2，绝收面积23 000 hm2，直接经济损失达7.9亿元人民币。这4次干旱事件期间降水异常偏少，干旱地区降水偏少均位列1961年以来同期前3位，且灾损严重。

针对以上4次典型干旱事件，选取受灾严重的中部干旱带同心为研究区域，结合同期降水量，对比分析CI和MCI干旱等级演变特征(图5)。可以看出，4次干旱过程CI和MCI监测的干旱等级总体变化趋势一致，但2种指数在干旱等级、持续时间、起始时间、结束时间、跳跃性等方面存在差异；4次干旱过程期间，同心出现10 mm以上有效降水的日数均在5 d及以下。表3统计对比了宁夏4次典型干旱事件2种指数监测的干旱情况。可以看出，在4次典型干旱事件中，CI监测的干旱强度强，3次监测到有持续性特旱，而MCI监测的干旱等级大多数时间比CI小1～2个等级，监测到特旱的日数很少；CI监测的干旱持续时间长，开始时间早；2种指数均无从较轻等级跨等级跳跃至较重等级的现象，但CI对降水响应更加敏感，在小量级降水时跨几个等级的跳跃现象明显多于MCI，如1987年11月中旬，出现不足10 mm的降水，CI从重旱变为无旱，而MCI则从中旱变为无旱；2005年2月中旬，降水量仅3 mm，CI从重旱变为轻旱，而MCI的干旱等级无变化。此外，3次持续性特旱事件中CI出现18次等级跳跃现象，MCI仅出现5次跳跃现象，表明MCI对春、夏、秋季出现的较强持续性气象干旱的监测效果更稳定，但强度偏弱，而对于降水量级较小的冬季，2种干旱指数的监测能力均较弱，如2016/2017年冬季，宁夏全区无降水日数达111 d，干旱严重，而CI和MCI分别监测为持续中旱到重旱、无旱到中旱。

图5 4次典型干旱事件CI和MCI监测的宁夏同心干旱等级和降水量逐日变化 (a)1987年, (b)2004年9月至2006年6月，(c)2008年3—10月，(d)2016年10月至2017年2月Fig.5 The daily changes of monitored drought grade by CI and MCI and precipitation during four typical drought events in Tongxin of Ningxia (a) 1987, (b) from September 2004 to June 2006, (c) from March to October 2008, (d) from October 2016 to February 2017

表3 宁夏同心4次典型干旱事件CI和MCI监测的干旱情况综合对比Tab.3 Comprehensive comparison of monitored drought conditions between CI and MCI for four typical drought events in Tongxin of Ningxia

可见，宁夏降水量总体较少，且集中在5—9月，MCI考虑前期150 d降水影响使其干旱表征比实际干旱程度偏轻，CI更接近实际，故而宁夏气象干旱监测业务中可采用CI指数监测逐日气象干旱，并结合MCI指数对干旱监测的稳定性，制作干旱监测产品，尤其出现小量级降水时。

3 结 论

(1)1981—2016年，CI和MCI监测的宁夏年平均中旱及以上等级干旱日数的变化趋势一致，总体呈不显著减少趋势，且年际波动幅度大、年代际变化特征明显，但CI的年平均干旱日数较MCI总体偏多。

(2)CI和MCI监测的宁夏年平均中旱及以上等级的干旱日数空间分布特征不尽一致，尤其是北部干旱区差异显著。CI监测的中旱及以上等级年平均干旱日数和最长干旱日数的空间分布特征符合宁夏降水的空间分布，即降水越少的地方越旱；MCI监测的2种干旱日数在宁夏中南部的分布特征与CI相似，也符合降水的分布特征。综合来看，CI总体比MCI更适合于宁夏气象干旱监测，其原因可能是：MCI放大了更长时间前(90～150 d)降水量的作用，对于风大、温高、蒸发强的西北干旱区并不合适。

(3)宁夏CI和MCI干旱强度的变化趋势基本一致，但CI的干旱强度比MCI强，且降水偏少越明显，CI的干旱强度比MCI越强。宁夏干旱多发生在春季，MCI漏报的干旱事件多于CI空报的干旱事件，故CI对春旱监测效果更好。

(4)针对4次典型干旱事件，CI监测的干旱强度强、持续时间长、开始时间早，但跨等级的跳跃次数比MCI明显偏多，不符合干旱的演变特征，而MCI干旱监测效果更稳定，持续性更好，但干旱强度偏轻。相对CI，MCI考虑了前150 d降水的影响，使得干旱的累积和滞后效应得到有效表征，但宁夏降水总体偏少，多集中在5—9月，且蒸发量大，考虑前150 d降水的影响致使MCI表征的干旱比实际干旱程度偏轻。综合来看，CI总体比MCI更适合于宁夏逐日气象干旱监测，但2种干旱指数均可反映宁夏中南部地区气象干旱日数和强度的时间演变特征。