中华人民共和国国家标准气象干旱等级-干旱气象科学研究.docx
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ICS07.060
A47
中华人民共和国国家标准
GB/T20481—201×
代替GB/T20481—2006
气象干旱等级
Gradesofmeteorologicaldrought
(报批稿)
(本稿完成日期:
2016年6月)
××××-××-××发布 ××××-××-××实施
国家质量监督检验检疫总局发布
GB/T××××—××××
目 次
前言 II
引言 IV
1范围 1
2规范性引用文件 1
3术语和定义 1
4降水量距平百分率 2
5相对湿润度指数 3
6标准化降水指数 3
7标准化降水蒸散指数 4
8帕默尔干旱指数 4
9气象干旱综合指数 4
附录A(规范性附录) 降水距平百分率的计算方法 6
附录B(规范性附录) 相对湿润度指数的计算方法 7
附录C(规范性附录) 潜在蒸散量的计算方法 8
附录D(规范性附录) 标准化降水指数的计算方法 15
附录E(规范性附录) 标准化降水蒸散指数的计算方法 17
附录F(规范性附录) 帕默尔干旱指数的计算方法 19
附录G(资料性附录) 标准化权重降水指数的计算方法 23
附录H(资料性附录) 季节调节系数Ka的取值方法 24
参考文献 26
II
前 言
本标准按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。
本标准代替GB/T20481—2006《气象干旱等级》,与GB/T20481—2006相比,除编辑性修改外主要技术变化如下:
——在引言部分,增加原标准需要修订的理由,说明从那几个方面进行了修订,并对修订效果进行了简要说明。
——增加“规范性引用文件”一章(见2)。
——删除了“降水量”、“气温”等常用术语和定义(见2006版的2.1-2.5),增加了“标准化降水指数”、“标准化降水蒸散指数”、“帕默尔干旱指数”、“气象干旱综合指数”等术语和定义(见3.7-3.9)。
对原来“降水距平百分率”、“潜在蒸散量”、“相对湿润度指数”、“气象干旱”、“气象干旱指数”、“气象干旱等级”等术语的定义进行了修改(见3.4-3.6、3.1-3.3,2006版的2.20、2.6、
2.10、2.12-2.14)。
——将“降水距平百分率”、“相对湿润度指数”、“标准化降水指数”、“帕默尔干旱指数”、
“气象干旱综合指数”独立成节(见4-6,8-9,2006版的3.1-3.3、3.5、4),增加“标准化降水蒸散指数”一节(见7),每一节包括概述、干旱等级和计算方法三部分。
——将“综合气象干旱指数(CI)”改为“气象干旱综合指数(MCI)”(见9,2006版的4);增加“概述”部分,对MCI的构建思路及适用范围进行了说明(见9.1);将“综合气象干旱等级”改为“气象干旱综合指数等级”,对等级划分标准和干旱影响程度的表述内容进行了修订(见9.2,
2006版的4.1);将“综合气象干旱指数的计算方法”改为“气象干旱综合指数的计算方法”,给出了新的计算公式和系数说明(见9.3,2006版的4.2)。
——将“干旱过程的确定和评价”和“气象干旱等级监测年报表(简表)”内容删除(见2006
版的4.3、附录A)。
——将常用指数的计算方法放在附录A—G中,增加附录H“季节调节系数Ka的取值方法”
(见附录A-H)。
本标准由中国气象局提出。
本标准由全国气候与气候变化标准化技术委员会(SAC/TC540)归口。
本标准起草单位:
国家气候中心、中国气象局预报与网络司、中国气象局兰州干旱气象研究所。
本标准主要起草人:
张存杰、刘海波、宋艳玲、廖要明、段居琦、蔡雯悦、王素萍。
本标准所代替标准的历次版本发布情况为:
——GB/T20481—2006
IV
引 言
干旱问题十分复杂,涉及的面也很广,一般可分为气象干旱、农业干旱、水文干旱以及经济社会干旱等,气象干旱是其它类型干旱的起因和监测评估的基础。
2006年发布的国标(GB/T20481—2006)中提出综合气象干旱指数(CI),该指数近年来在全国干旱监测业务服务中得到应用和检验,较好地反映了我国不同地区干旱频率分布和年内不同等级干旱的季节分布特征。
但在近几年几次重大干旱事件的监测服务中也暴露出了一些问题:
一是对降水过程反应太灵敏,干旱发展过程出现不合理的跳跃现象;二是对重大干旱过程反映偏轻,特别对降水偏少持续超过90天的干旱过程反应不明显。
针对CI指标存在的问题,项目组开展了大量的调研和对比检验,发展了新的气象干旱综合监测指数MCI,自2012年以来在国家级和省级干旱监测业务中进行了试运行和对比检验,结果表明MCI指数的监测效果好于CI指数。
相对于CI指标,MCI指标主要在如下几方面进行了改进:
一是引进了标准化权重降水指数SPIW60,使干旱发展过程的不合理跳跃现象得到明显减少;二是考虑了更长时间降水的影响(150天标准化降水指数SPI150),干旱发展的累积效应更加突出,重大干旱事件反映更明显;三是引进了季节调节系数
Ka,根据不同区域和不同季节对经验系数进行调整,使干旱监测服务更有针对性。
另外,新增加了标准化降水蒸散指数(SPEI),丰富了气象干旱监测指数的内容,供不同的用户选用。
GB/Txxxxx—xxxx
气象干旱等级
1范围
本标准规定了气象干旱指数的计算方法、等级划分标准以及干旱过程的确定方法。
本标准适用于气象、农业、水文等相关领域的干旱监测、评估业务与科研。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T20481—2006 气象干旱等级
GB/T32135—2015 区域旱情等级
GB/T32136—2015 农业干旱等级
3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1
气象干旱meteorologicaldrought
某时段内,由于蒸散量和降水量的收支不平衡,水分支出大于水分收入而造成地表水分短缺的现象。
3.2
气象干旱指数meteorologicaldroughtindex
根据气象干旱形成的原理,构建由降水量、蒸散量等要素组成的综合指标,用于监测或评价某区域某时间段内由于天气气候异常引起的地表水分短缺的程度。
3.3
气象干旱等级gradesofmeteorologicaldrought
描述气象干旱程度的级别。
3.4
降水量距平百分率 precipitationanomalyinpercentage(PA)
某时段的降水量与同期气候平均降水量之差除以同期气候平均降水量的百分比,单位用百分率(%)表示。
3.5
潜在蒸散量potentialevapotranspiration(PET)
在下垫面足够湿润条件下,水分保持充分供应的蒸散量,单位用毫米(mm)表示。
10
GB/T××××—××××
3.6
相对湿润度指数 relativemoistureindex(MI)
某时段的降水量与同期潜在蒸散量之差除以同期潜在蒸散量的值。
3.7
标准化降水指数standardizedprecipitationindex(SPI)
假设某时间段降水量服从Γ概率分布,对其经过正态标准化处理得到的指数。
3.8
标准化降水蒸散指数standardizedprecipitationevapotranspirationindex(SPEI)
假设某时间段降水量与潜在蒸散量之差服从log-logistic概率分布,对其经过正态标准化处理得到的指数。
3.9
帕默尔干旱指数palmerdroughtseverityindex(PDSI)
基于土壤水分平衡原理,考虑降水量、蒸散量、径流量和土壤有效储水量等要素,由帕默尔(WayneC.Palmer)等人提出而建立的一种干旱指数。
3.10
气象干旱综合指数meteorologicaldroughtcompositeindex(MCI)
综合考虑前期不同时间段降水和蒸散对当前干旱的影响而构建的一种干旱指数。
4降水量距平百分率
4.1概述
降水量距平百分率(PA)是用于表征某时段降水量较常年值偏多或偏少的指标之一,能直观反映降水异常引起的干旱,一般适用于半湿润、半干旱地区平均气温高于10℃的时间段干旱事件的监测和评估。
4.2降水量距平百分率干旱等级
依据降水量距平百分率(PA)划分的干旱等级见表1。
表1降水量距平百分率干旱等级划分表
等级
类型
降水量距平百分率(%)
月尺度
季尺度
年尺度
1
无旱
-40<PA
-25<PA
-15<PA
2
轻旱
-60<PA≤-40
-50<PA≤-25
-30<PA≤-15
3
中旱
-80<PA≤-60
-70<PA≤-50
-40<PA≤-30
4
重旱
-95<PA≤-80
-80<PA≤-70
-45<PA≤-40
5
特旱
PA≤-95
PA≤-80
PA≤-45
4.3降水量距平百分率计算方法
降水量距平百分率的计算原理和方法见附录A。
5相对湿润度指数
5.1概述
相对湿润度指数(MI)是用于表征某时段降水量与蒸散量之间平衡状况的指标之一。
本指数反映作物生长季节大气中的水分平衡特征,适用于作物生长季节月以上尺度的干旱监测和评估。
5.2相对湿润度指数干旱等级
依据相对湿润度指数划分的干旱等级见表2。
表2相对湿润度干旱等级的划分表
等级
类型
相对湿润度
1
无旱
-0.40<MI
2
轻旱
-0.65<MI≤-0.40
3
中旱
-0.80<MI≤-0.65
4
重旱
-0.95<MI≤-0.80
5
特旱
MI≤-0.95
4.2.3 相对湿润度指数计算方法
相对湿润度指数的计算原理和方法见附录B,其中潜在蒸散量的计算方法见附录C。
6.标准化降水指数
6.1概述
标准化降水指数(SPI)是用以表征某时段降水量出现概率多少的指标,该指标适用于不同地区不同时间尺度干旱的监测与评估。
6.2标准化降水指数干旱等级
依据标准化降水指数划分的干旱等级见表3。
表3 标准化降水指数干旱等级划分表
等级
类型
SPI
1
无旱
-0.5<SPI
2
轻旱
-1.0<SPI≤-0.5
3
中旱
-1.5<SPI≤-1.0
4
重旱
-2.0<SPI≤-1.5
5
特旱
SPI≤-2.0
6.3标准化降水指数计算方法
标准化降水指数的计算原理和方法见附录D。
7标准化降水蒸散指数
7.1概述
标准化降水蒸散指数(SPEI)是用于表征某时段降水量与蒸散量之差出现概率多少的指标,该指标适合于半干旱、半湿润地区不同时间尺度干旱的监测与评估。
7.2标准化降水蒸散指数干旱等级
依据标准化降水蒸散指数划分的干旱等级见表4。
表4 标准化降水蒸散指数干旱等级划分表
等级
类型
SPEI
1
无旱
-0.5<SPEI
2
轻旱
-1.0<SPEI≤-0.5
3
中旱
-1.5<SPEI≤-1.0
4
重旱
-2.0<SPEI≤-1.5
5
特旱
SPEI≤-2.0
7.3标准化降水蒸散指数计算方法
标准化降水蒸散指数的计算原理和方法见附录E。
8帕默尔干旱指数
8.1概述
帕默尔干旱指数(PDSI)依据土壤水分平衡原理建立,用于表征某时间段某地区土壤实际水分供应相对于当地气候适宜水分供应的亏缺程度。
针对不同的地区,需要对计算公式中用到的各种参数进行修订。
该指标适用于月以上尺度的干旱监测和评估。
8.2帕默尔干旱指数干旱等级
依据帕默尔干旱指数划分的干旱等级见表5。
表5 帕默尔干旱指数干旱等级划分表
等级
类型
PDSI
1
无旱
-1.0<PDSI
2
轻旱
-2.0<PDSI≤-1.0
3
中旱
-3.0<PDSI≤-2.00
4
重旱
-4.0<PDSI≤-3.0
5
特旱
PDSI≤-4.0
8.3帕默尔干旱指数计算方法
帕默尔干旱指数的计算原理和方法见附录F。
9气象干旱综合指数
9.1概述
干旱是由于降水长期亏缺和近期亏缺综合效应累加的结果,气象干旱综合指数(MCI)考虑了60天内的有效降水(权重累积降水)、30天内蒸散(相对湿润度)以及季度尺度(90天)降水和近半年尺度(150天)降水的综合影响。
该指数考虑了业务服务的需求,增加了季节调节系数。
该指数适用于作物生长季逐日气象干旱的监测和评估。
9.2气象干旱综合指数等级
依据气象干旱综合指数划分的气象干旱等级见表6。
等级
类型
MCI
干旱影响程度
1
无旱
-0.5<MCI
地表湿润,作物水分供应充足;地表水资源充足,能满足
人们生产、生活需要。
2
轻旱
-1.0<MCI≤-0.5
地表空气干燥,土壤出现水分轻度不足,作物轻微缺水,叶色不正;水资源出现短缺,但对生产、生活影响不大。
3
中旱
-1.5<MCI≤-1.0
土壤表面干燥,土壤出现水分不足,作物叶片出现萎蔫现
象;水资源短缺,对生产、生活造成影响。
4
重旱
-2.0<MCI≤-1.5
土壤水分持续严重不足,出现干土层(1-10厘米),作物
出现枯死现象;河流出现断流,水资源严重不足,对生产生活造成较重影响。
5
特旱
MCI≤-2.0
土壤水分持续严重不足,出现较厚干土层(大于10厘米)作物出现大面积枯死;多条河流出现断流,水资源严重不
足,对生产、生活造成严重影响。
表6气象干旱综合指数等级的划分表
、
,
9.3气象干旱综合指数计算方法
气象干旱综合指数(MCI)的计算见式
(1):
MCI
=Ka´(a´SPIW60
+b´MI30
+c´SPI90+d
´SPI
150)„„„
(1)
式中:
MCI——气象干旱综合指数;
MI30——近30天相对湿润度指数,计算方法见附录B;
SPI90——近90天标准化降水指数,计算方法见附录C;
SPI150——近150天标准化降水指数,计算方法见附录C;
SPIW60——为近60天标准化权重降水指数,计算方法见附录G;
a——SPIW60项的权重系数,北方及西部地区取0.3,南方地区取0.5;
b——MI30项的权重系数,北方及西部地区取0.5,南方地区取0.6;
c——SPI90项的权重系数,北方及西部地区取0.3,南方地区取0.2;
d——SPI150项的权重系数,北方及西部地区取0.2,南方地区取0.1;
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,取值方法参见附录H。
注:
本标准中北方及西部地区指我国西北、东北、华北和西南地区,南方地区指我国华南、华中、华东地区等地。
附录A
(规范性附录)
降水量距平百分率的计算方法
降水量距平百分率反映某一时段降水量与同期平均状态的偏离程度,按式(A.1)计算:
PA=
P-PP
´100%
„„„„„„„„„„„„„„„„„(A.1)
式中:
PA——某时段降水量距平百分率,用%表示;
P——某时段降水量,单位为毫米(mm);
P——计算时段同期气候平均降水量,单位为毫米(mm),按式(A.2)计算。
P=1
n
n
åPi
i=1
„„„„„„„„„„„„„„„„„(A.2)
式中:
n——一般取30,指30日(月或年);
Pi——计算时段第i日(月或年)降水量,单位为毫米(mm)。
附录B
(规范性附录)
相对湿润度指数的计算方法
相对湿润度指数为某段时间的降水量与同时段内潜在蒸散量之差再除以同时段内潜在蒸散量得到的指数,按式(B.1)计算:
MI=P
-PET
„„„„„„„„„„„„„„„„„„(B.1)
式中:
PET
MI——某时段相对湿润度;
P——某时段的降水量,单位毫米(mm);
PET——某时段的潜在蒸散量,用FAOPenman-Monteith或Thornthwaite方法计算,单位毫米(mm)。
附录C
(规范性附录)潜在蒸散量的计算方法
C.1潜在蒸散量的计算
本标准推荐两种方法计算潜在蒸散量,即Thornthwaite方法和FAOPenman-Monteith方法。
FAOPenman-Monteith方法计算误差小,但需要的气象要素多,Thornthwaite方法计算相对简单,需要的气象要素少,但有一定的局限性。
使用者请根据资料条件选择合适的计算方法。
C.2Thornthwaite方法
Thornthwaite方法求算潜在蒸散量是以月平均温度为主要依据,并考虑纬度因子(日照长度)建立的经验公式,需要输入的因子少,计算方法简单:
PET
=16.0´(10Ti)A
H
„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(C.1)
式中:
PET——潜在蒸散量,此处是指月的潜在蒸散量,单位为毫米每月(mm/mon);
Ti——月的平均气温,单位为摄氏度(℃);
H——年热量指数;
A——常数。
各月热量指数Hi由下式计算:
H=Ti
1.514
„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(C.2)
( )
i 5
年热量指数H为:
12 12
Ti1.514
H=åHi=å(5)
„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(C.3)
i=1 i=1
常数A由下式计算:
A=6.75´10-7H3-7.71´10-5H2+1.792´10-2H+0.49
„„„„(C.4)
当月平均气温T≤0℃时,月热量指数H
C.3FAOPenman-Monteith方法
C.3.1FAOPenman-Monteith方法介绍
=0,潜在蒸散量PET
=0[mm/mon]。
FAOPenman-Monteith方法是世界粮农组织(FAO)推荐计算潜在蒸散量的方法。
这里,定义潜在蒸散量为一种假想参照作物冠层的蒸散速率。
假设作物植株高度为0.12m,固定的作物表面阻力为70m/s,反射率为0.23,非常类似于表面开阔、高度一致、生长旺盛、完全遮盖地面而水分充分适宜的绿色草地的蒸散量。
FAOPenman-Monteith修正公式表达如下:
0.408D(R
-G)+g
900
u(e
-e)
n T +2732 s a
PET
=mean
D+g(1+0.34u2)
„„„„„„„(C.5)
式中:
PET——潜在蒸散量,单位为毫米每天(mm·d-1);
n
R——地表净辐射,单位为兆焦每米每天(MJ·m-1·d-1);
G——土壤热通量,单位为兆焦每平方米每天(MJ·m-2·d-1);
Tmean——日平均气温,单位为摄氏度(℃);u2——2米高处风速,单位为米每秒(m/s);es——饱和水汽压,单位为千帕(kPa);
ea——实际水汽压,单位为千帕(kPa);
D——饱和水汽压曲线斜率,单位为千帕每摄氏度(kPa·℃-1);
g——干湿表常数,单位为千帕每摄氏度(kPa·℃-1)。
C.3.2FAOPenman-Monteith方法潜在蒸散量计算步骤
C.3.2.1计算日平均气温(Tmean)
由于FAOPenman-Monteith公式中温度资料的非线性分布,某时段的平均气温以该时段的日最高气温、日最低气温计算得来。
月、季、年的日最高气温、日最低气温为月、季、年日最高气温、日最低气温的总和除以月、季、年的总日数得到。
FAOPenman-Monteith公式中用到的日平均气温(Tmean),建议由日最高气温(Tmax)和日最低气温(Tmin)的平均值计算得到,而不是当日24小时逐时(或一日4次、8次)观测气温的平均值。
Tmean
=Tmax+Tmin
2
„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ (C.6)
式中:
TmeanTmaxTmin
——日平均气温,单位为摄氏度(℃);
——日最高气温,单位为摄氏度(℃);
——日最低气温,单位为摄氏度(℃)。
C.3.2.2计算2米高处风速(u)
在计算潜在蒸散时,需要2米高处测量的风速。
其他高度观测到的风速可以根据下式进行订正:
u2=u
4.87
zln(67.8z-5.42)
„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(C.7)
式中:
2
u——2米高处的风速,单位为米每秒(ms-1);
z
u——z米高处测量的风速,单位为米每秒(ms-1);
z——风速计仪器安放的离地面高度,单位为米(m)。
C.3.2.3计算平均饱和水汽压 (es)
饱和水汽压e0与气温相关,计算公式如下:
e0(T)=0.6108´exp[
式中:
17.27T]
T+237.3
„„„„„„„„„„„„„„„„(C.8)
e0(T)——气温为T时的饱和水汽压,单位为千帕(kPa);
T——空气温度,单位为摄氏度(℃)。
由于饱和水汽压方程(C.8)的非线性,日、旬、月等时间段的平均饱和水汽压应当以该时段的日最高气温、日最低气温计算出来的饱和水汽压的平均值来计算:
es
式中:
=e0(Tmax)+e0(Tmin)