基于农业旱涝指标的湖北省棉花生育期内旱涝急(2)

1.3 日尺度标准化前期降水蒸散指数（SAPEI）

标准化前期降水蒸散指数（SAPEI）[25]不仅考虑了土壤中前期水分的影响，还能较为准确地反映降水时间和降水量对当日旱涝情况的影响，可用于日尺度旱涝的监测。SAPEI的具体计算过程如下：

1）计算每日农田水分收支量ΔW（mm）。在不考虑灌溉、地表径流和地下径流的影响时，认为土壤计划湿润层含水量的补给量为降水量，消耗量为作物需水量：

式中：P为降水量（mm）；ETc为作物需水量（mm）；ET0为参考作物蒸散量（mm），采用联合国粮农组织推荐的Penman-Monteith 公式计算；Kc为作物系数，采用单作物系数法计算[31-32]，Kcini、Kcmid、Kcend分别取0.35、1.08、0.58，湖北省棉花各生育阶段起止日期参考《中国主要作物需水量与灌溉》[33]。

2）考虑前期农田水分状况对当日的影响，计算每日前期累计降水与蒸散差值指数：

式中：m为前推天数，取值100；i为前推日序数；K为衰减系数，权衡前1日农田水分状况对后1日的影响，按经验取0.955；ΔWi为第i日的农田水分收支量（mm）。

3）历年每日的APEIi构成一个序列，并采用三参数的log-Logistic 概率分布F(x)对该序列进行正态化，拟合并得出每日对应F(x)值：

式中：Γ为Gamma 函数；ωs为APEIi序列的概率权重矩，s=0, 1, 2；N为APEI序列长度；i为按升序排列时APEI的序数。

4）对累计概率密度进行标准化，从而得到SAPEI：

当累计概率P≤0.5 时：

当P＞0.5 时，P=1-P，同时：

式中：c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

根据以上步骤计算出逐日SAPEI后，根据SAPEI的旱涝分类标准对逐日旱涝程度进行判断。SAPEI的旱涝分类标准参照SAPEI及SPEI的有关文献[25,30]，如表1 所示。

表1SAPEI旱涝等级标准Table 1 Criterions of drought and flood disasterswhen usingSAPEI等级名称 SAPEI 阈值 概率严重干旱 SAPEI≤-2.0 2.3重度干旱 -2.0＜SAPEI≤-1.5 4.4中等干旱 -1.5＜SAPEI≤-1.0 9.2轻度干旱 -1.0＜SAPEI≤-0.5 15.0正常 -0.5＜SAPEI≤0.5 38.0轻度涝渍 0.5＜SAPEI≤1.0 15.0中等涝渍 1.0＜SAPEI≤1.5 9.2重度涝渍 1.5＜SAPEI≤2.0 4.4严重涝渍 SAPEI＞2.0 2.3

1.4 农业旱涝急转事件识别

本文截取SAPEI达到干旱阈值的时段作为旱涝急转事件中的旱期，将解除期包含在急转间隔内。涝期同理。参考我国对干旱事件的常见划分方式[34]，本文的干旱事件判断标准为：SAPEI值连续10d 达到轻旱或轻旱以上等级，且将第1 次达到轻旱等级的日期定义为旱事件起始。与之相似，涝事件的判断标准为：SAPEI值连续10d 达到轻涝或以上等级，且将第1 次达到轻涝等级的日期定义为1 次涝事件的起始。此外，结合农作物实际遭受旱涝急转胁迫的可能情景，本文将农田旱转涝事件定义为：在1 次干旱开始后，从干旱过程中SAPEI值恢复正常的第1 天起，3 d 内发生涝事件；将农田涝转旱事件定义为：在1 次涝渍开始后，从涝渍过程中SAPEI值恢复正常的第1 天起，持续无雨，直到发生干旱事件。

1.5 农业旱涝急转事件的强度指标

旱涝急转对农作物的危害与旱涝事件持续时间和程度均有关。基于此，本文定义了旱涝急转强度指数来表征农业旱涝急转强度：

式中：SAPEIi为干旱过程中第i天的SAPEI值；m为旱期持续时间；SAPEIj为涝渍过程中第j天的SAPEI值；n为涝期持续时间。Q值越大，表明旱涝急转强度越大。

此外，一个地区总体遭受旱涝急转灾害的风险与该地区发生旱涝急转事件的次数和各次旱涝急转事件的强度有关。因此，本文定义累计旱涝急转强度指数（S）来表示旱涝急转受灾风险：

式中：N为计算时段内所有旱涝急转（旱转涝或涝转旱）次数；Qi为第i次旱涝急转的旱涝急转强度指数。

2 结果与分析

2.1SAPEI模型的适用性检验

SAPEI指标计算过程中假设前期累计降水蒸散差指数（APEI）频率曲线服从log-Logistic 函数曲线，当日尺度前期累计降水蒸散差序列频率分布曲线与log-Logistic 拟合曲线分布大致相近时，可认为SAPEI模型适用于该序列[25]。因此，本文首先检验了研究区的日尺度APEI是否服从三参数的log-Logistic 概率分布。在综合考虑湖北省气候分区和棉花种植分布的情况下，选取了黄冈、荆州、宜昌和襄阳这4 个棉花高产地区分别作为湖北省东、南、西和北部的验证代表站，计算各站1961—2019年APEI序列的经验频率和log-Logistic 理论概率（图1）。由图1 可知，log-Logistic函数拟合不同气候站点的APEI分布的效果均能满足要求，所以SAPEI适用于反映湖北省棉花的每日水分盈亏状况。

文章来源：《灌溉排水学报》 网址: http://www.ggpsxbzz.cn/qikandaodu/2021/0709/872.html