基于標(biāo)準(zhǔn)降水指數(shù)的廣西旱澇特征演變分析*

姚 蕊，陳子燊

(1.中山大學(xué)水資源與環(huán)境系，廣東廣州 510275;2.廣東珠榮工程設(shè)計(jì)有限公司，廣東廣州 510610)

氣候變化引起的降水空間分布不均，從而導(dǎo)致旱澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，受到社會(huì)各界的普遍關(guān)注［1－2］。廣西屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，受冬、夏季風(fēng)交替出現(xiàn)和地理環(huán)境的影響，降水分布不均勻，旱澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。廣西歷來深受風(fēng)、潮、洪、澇、旱等災(zāi)害的侵害，其中干旱災(zāi)害占60%，洪澇災(zāi)害占13%，其他災(zāi)害占27%［3］，特別是2010年西南五省大旱，對(duì)廣西及其他四省市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)及人民生活帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)廣西民政廳統(tǒng)計(jì)，1978－2000年廣西平均每年洪澇災(zāi)害受災(zāi)面積為42萬hm2，成災(zāi)面積為27萬hm2;平均每年受旱災(zāi)面積72.4萬hm2，成災(zāi)面積44.3萬hm2［4］。旱澇災(zāi)害對(duì)廣西經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命安全產(chǎn)生了巨大的影響。目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)廣西降雨做了很多的研究，黃嘉宏等對(duì)廣西地區(qū)月降水和氣溫進(jìn)行分析，研究表明廣西年降水量沒有明顯的長(zhǎng)期變化異常，但降水趨勢(shì)有明顯的季節(jié)差異;廣西年平均氣溫有極明顯的增溫趨勢(shì)［5］;李宇中對(duì)廣西秋冬季降水特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)廣西秋季降水南多北少，冬季降水則東多西少，秋季出現(xiàn)異常干旱比較頻繁［6］;張凌云等對(duì)廣西春旱的時(shí)空分布特征進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)在春旱年，廣西上空對(duì)流層低層出現(xiàn)偏南－西南氣流異?，F(xiàn)象［7］。但是，前人對(duì)于廣西旱澇災(zāi)害的研究局限于某一季節(jié)或者研究數(shù)據(jù)比較短［5－6］。為此，本文采用標(biāo)準(zhǔn)降水指數(shù)為旱澇指標(biāo)，結(jié)合旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)對(duì)廣西旱澇時(shí)空特征進(jìn)一步深入研究，這對(duì)于全面了解廣西全區(qū)旱澇時(shí)空分布規(guī)律、防洪抗旱等問題具有重要意義。

1 資料和方法

1.1資料

本文數(shù)據(jù)采用廣西壯族自治區(qū)74個(gè)地面氣象站的1961－2008年逐月降雨量資料，資料來源于廣西壯族自治區(qū)氣象局。個(gè)別月份缺失數(shù)據(jù)利用相鄰站點(diǎn)降雨資料進(jìn)行插補(bǔ)。廣西壯族自治區(qū)的歷年旱災(zāi)和水災(zāi)受災(zāi)面積資料來源于中國氣象災(zāi)害大典(廣西卷)［4］。

1.2 方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)降水指數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)降水指數(shù) (Standardized Precipitation Index，簡(jiǎn)稱SPI)是Mckee等［8］在1993年提出，由于SPI具有多時(shí)間尺度，計(jì)算簡(jiǎn)單的特性，被廣泛的應(yīng)用。為消除樣本的自相關(guān)性，Shih-Chieh等［9］提出將時(shí)間序列中不同月份的SPI值先分別計(jì)算，再合起來得到整個(gè)時(shí)間序列的SPI值。短時(shí)間尺度(1月、3月、6月等)的SPI值可以反映農(nóng)作物在生長(zhǎng)期的水分供給情況，而長(zhǎng)時(shí)間尺度 (12月、24月、48月等)的SPI值可以用來反映河流水位、水庫水位等周期變化情況［10］。具體步驟是:設(shè)X表示月降水時(shí)間序列，Xw表示w時(shí)間尺度的累積月降水序列，其中w=1，3，6，...，Xmonw表示某月份對(duì)應(yīng)的w時(shí)間尺度的累積月降水序列，其中mon表示月份，mon=1，2，3，…，12。則計(jì)算 SPI的公式可以表示如下［8］:

其中，F(xiàn)表示Gamma分布函數(shù)，φ－1表示標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的反函數(shù)。

根據(jù)SPI值的大小可以將SPI值劃分為7個(gè)等級(jí)，具體見表1。

表1 SPI值旱澇等級(jí)Table 1 Categories defined for SPI

1.2.2 旋轉(zhuǎn)正交經(jīng)驗(yàn)函數(shù)

旋轉(zhuǎn)正交經(jīng)驗(yàn)函數(shù) (簡(jiǎn)稱REOF)是在EOF分析的基礎(chǔ)上對(duì)特征向量進(jìn)行極大方差正交旋轉(zhuǎn)［11］，EOF分離出要素的方差貢獻(xiàn)率盡量集中在前幾個(gè)特征向量上，其分離出的空間分布結(jié)構(gòu)不能清晰的表示不同地理區(qū)域的特征，同時(shí)取樣大小不同也會(huì)導(dǎo)致反映真實(shí)分布結(jié)構(gòu)的相似度不同［12］;旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)可以克服這些局限性，可以更好地反映不同區(qū)域的變化和相關(guān)分布狀況。設(shè)氣象場(chǎng)A=f(t，x)，其中t表示時(shí)間，x表示空間點(diǎn)的標(biāo)號(hào)，以Aij(i=1，2，…，m，j=1，2，…，n)表示第j次時(shí)間第i個(gè)空間點(diǎn)上氣象要素的觀測(cè)值。其中，m為時(shí)間序列的長(zhǎng)度，n為測(cè)站數(shù)。觀測(cè)資料矩陣Am×n可分解為兩部分:

其中，Vm×n為歸一化特征向量，矩陣Tm×n為特征向量的權(quán)重系數(shù)。按照方差極大原則做正交旋轉(zhuǎn)，提取方差最大的前幾個(gè)因子的特征向量及其相應(yīng)時(shí)間系數(shù)加以分析。

1.2.3 Mann-Kendall方法

本文采用非參數(shù)Mann-Kendall(以下簡(jiǎn)稱M-K法)趨勢(shì)檢驗(yàn)法來研究標(biāo)準(zhǔn)降水指數(shù)的趨勢(shì)變化［13］。M-K方法廣泛應(yīng)用于檢驗(yàn)水文氣象資料的趨勢(shì)成分，是世界氣象組織推薦的應(yīng)用于時(shí)間序列分析的方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)間尺度SPI及其適用性分析

利用SPI多時(shí)間尺度的優(yōu)勢(shì)，分別以1個(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月、12個(gè)月的時(shí)間尺度計(jì)算1961－2008年的 SPI值 (簡(jiǎn)稱為 SPI1、SPI3、SPI6、SPI12)，對(duì)廣西全區(qū)旱澇進(jìn)行分析。由圖1可知，1個(gè)月尺度的SPI上下波動(dòng)頻繁;隨著尺度的增大，旱澇變化的周期趨于明顯，12個(gè)月尺度SPI值則可反映旱澇趨勢(shì)變化。如廣西災(zāi)情統(tǒng)計(jì)顯示，在1963年廣西發(fā)生了全區(qū)性長(zhǎng)時(shí)期嚴(yán)重大旱［4］，春、夏、秋連旱。SPI1顯示1963年1月、4－6月、8－9月為干旱階段，SPI3顯示1－2月，4－10月為干旱階段，SPI6顯示1－11月均為干旱階段，SPI12顯示1－12月全年均為干旱階段。由此可見，隨著SPI尺度的增大可更清楚顯示出季節(jié)變化特征、旱澇的持續(xù)性和變化趨勢(shì)。本文利用SPI12對(duì)廣西旱澇加以分析，由圖1(d)中SPI12變化過程可以看出，廣西地區(qū)在1961－2008年間旱澇變化交替出現(xiàn)。根據(jù)表1的SPI旱澇等級(jí)對(duì)其分級(jí)，廣西地區(qū)極澇和極旱的年份分別為1995年和1963年;重澇年份為1994年，重旱年份為1964年和1991年;48年中正常年份有27年，其余年份都出現(xiàn)了一定程度的洪澇或干旱。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證SPI在廣西的適用性，本文對(duì)廣西1961－2007年 (注:其中缺少1967－1977年旱災(zāi)受災(zāi)面積資料和1963－1977年水災(zāi)受災(zāi)面積資料)旱災(zāi)、水災(zāi)受災(zāi)面積 (圖1e)與相應(yīng)時(shí)段的SPI12值 (圖1d)進(jìn)行比較，1963年廣西受旱災(zāi)面積最大，而SPI12達(dá)到了極旱等級(jí);1994年廣西受水災(zāi)面積最大，而1995年SPI12達(dá)到了極澇等級(jí)。同時(shí)對(duì)比其他時(shí)段的歷史旱、澇災(zāi)情況，SPI12指數(shù)基本上能反映歷史受災(zāi)記錄。因此，SPI12基本上能夠反映廣西地區(qū)的旱澇變化情況。

圖1 廣西不同時(shí)間尺度SPI值和農(nóng)業(yè)旱災(zāi)、水災(zāi)受災(zāi)面積變化情況Fig.1 Change of multiple time scale SPI and drought-affected and flood-affected agriculture fields in Guangxi

2.2 旱澇年際變化特征

圖2為廣西48年SPI12時(shí)間序列的M-K趨勢(shì)圖，由圖可以看出Z1曲線變化的總體趨勢(shì)為降－升－降—升－降。20世紀(jì)60年代呈下降趨勢(shì) (趨于干旱)，70年代和80年代中期呈上升趨勢(shì) (趨于洪澇)，80年代中期至90年代中期呈下降趨勢(shì)，90年代中后期至21世紀(jì)初是上升趨勢(shì)，此后轉(zhuǎn)為下降趨勢(shì)。圖3為廣西74個(gè)氣象站中受各等級(jí)雨澇與干旱影響的百分比。由圖3可見，受極澇影響的年份主要發(fā)生在1995年，站點(diǎn)數(shù)超過了50%;受極旱影響的年份主要發(fā)生在1963年，站點(diǎn)數(shù)也超過了50%。近48年中受雨澇影響的站點(diǎn)數(shù)整體上表現(xiàn)為升－降－升－降，受干旱影響的站點(diǎn)數(shù)趨勢(shì)表現(xiàn)為降－升－降－升。

圖2 廣西1961－2008年SPI12值M－K趨勢(shì)圖Fig.2 The trend of M-K test for SPI12form 1961 to 2008 in Guangxi

圖3 廣西受各等級(jí)雨澇和干旱影響站點(diǎn)的百分比%Fig.3 Percentage of stations influenced by floods and droughts of Different classes in Guangxi

2.3 旱澇空間特征分析

對(duì)廣西地區(qū)SPI12進(jìn)行REOF分析，按照符合North特征值誤差范圍及旋轉(zhuǎn)后高荷載區(qū)基本上布滿全區(qū)的原則，對(duì)廣西旱澇進(jìn)行客觀分區(qū)以研究區(qū)域旱澇特征［14］。廣西地區(qū)SPI12的REOF分析結(jié)果顯示，前4個(gè)旋轉(zhuǎn)向量的方差貢獻(xiàn)分別為24.49%、17.00%、12.65%、11.52%，其累積方差貢獻(xiàn)率為65.66%。圖4為前4個(gè)旋轉(zhuǎn)特征向量等值線圖，可以看出，旋轉(zhuǎn)后的主分量分布均勻。等值線密集的地區(qū)表示旱澇變率顯著的地區(qū)［15］。從圖4(a)可以看出正高荷載區(qū)位于桂東北地區(qū)，大值區(qū)出現(xiàn)在桂林市附近，表明桂東北地區(qū)是廣西旱澇災(zāi)害最頻繁的區(qū)域，這一地區(qū)屬于桂東北多雨區(qū)，多雨中心永福年降雨量最高達(dá)2 868.3 mm，年暴雨日數(shù)7.6 d，汛期暴雨洪澇災(zāi)害多。廣西地區(qū)雖然降雨豐富，但是年內(nèi)分配不均及水資源調(diào)節(jié)能力低，導(dǎo)致桂東北地區(qū)的桂林、賀州等地區(qū)的夏旱和秋旱的頻率高于廣西的其他地區(qū)［4，16］。從圖4(b)可以看出正高荷載區(qū)位于桂西北地區(qū)，說明桂西北地區(qū)也是廣西旱澇災(zāi)害的多發(fā)區(qū)域。桂西北地區(qū)凌云等地區(qū)的年平均暴雨日數(shù)在6－8天，中洪澇發(fā)生的頻率為30%－75%，而且桂西北的春旱頻率達(dá)到80%以上，是廣西地區(qū)春旱易發(fā)地區(qū)［16－17］。從圖4(c)可以看出正高荷載位于桂東南地區(qū)。桂東南地區(qū)是屬于廣西三個(gè)多雨區(qū)中的桂東南多雨區(qū)，陸川年平均降水量達(dá)1 906.4 mm，年暴雨日數(shù)達(dá)8日。桂東南地區(qū)干旱主要以夏旱為主，但是干旱頻率低于桂東北地區(qū)［16］。從圖4(d)可以看出正高荷載位于桂西南部地區(qū)。桂西南地區(qū)的欽州和防城港地區(qū)也是廣西三大多雨區(qū)之一，該區(qū)域發(fā)生中澇和重澇的頻率高。同時(shí)該區(qū)域的干旱主要為春旱，發(fā)生頻率在50%－80%之間。根據(jù)以上分析，把廣西旱澇分成四個(gè)區(qū)域:桂東北地區(qū) (主要包括桂林市、柳州市、賀州市)，桂西北地區(qū) (主要包括河池市和百色市)，桂東南部地區(qū) (主要包括梧州市、貴港市、玉林市、來賓市東部)，桂西南地區(qū) (主要包括崇左市、防城港市、欽州市、北海市及南寧市北部地區(qū))。按照旋轉(zhuǎn)向量高荷載區(qū) (等值線值≥0.12)分布區(qū)域來考慮，將廣西分成4個(gè)不同的區(qū)域:桂東北區(qū)、桂西北區(qū)、桂東南區(qū)、桂西南區(qū)。按照上述方法進(jìn)行分區(qū)，雖然相鄰區(qū)域存在部分重疊地帶，但是重疊區(qū)域都比較小，并且分區(qū)基本上布滿廣西全區(qū)，這充分反映出REOF是一種比較客觀的分區(qū)方法。

2.4 廣西各區(qū)旱澇演變趨勢(shì)

在對(duì)廣西旱澇進(jìn)行分區(qū)的基礎(chǔ)上，分別計(jì)算廣西4個(gè)區(qū)域的平均SPI12值，按照表1中SPI旱澇等級(jí)對(duì)極澇、重澇、極旱、重旱進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。從表2中可以看出，4個(gè)分區(qū)的極端旱澇變化總體上和全區(qū)保持一致性，如1963年的全區(qū)大旱，1994－1995年全區(qū)雨澇;同時(shí)也存在一定的區(qū)域差異性。2004年6月桂東北區(qū)與桂西北區(qū)均達(dá)到了重旱，而桂東南區(qū)與桂西南區(qū)均沒有達(dá)到重旱;1989年10－11月，桂東南區(qū)與桂西南區(qū)均達(dá)到了重旱，而桂東北區(qū)與桂西北區(qū)均沒達(dá)到重旱;1991年桂東北區(qū)及桂東南區(qū)達(dá)到了重旱和極旱，而桂西北區(qū)及桂西南區(qū)均沒有達(dá)到重旱。1986年6－8月桂西南地區(qū)發(fā)生了洪澇災(zāi)害，7月時(shí)達(dá)到了極澇，其他3個(gè)區(qū)域均沒達(dá)到重澇。桂東北區(qū)和桂東南區(qū)的重旱發(fā)生月份大于其他兩個(gè)地區(qū)，桂西南地區(qū)的重澇發(fā)生月份是全區(qū)最多的，桂西北地區(qū)以重旱發(fā)生月份較多。圖5為廣西各個(gè)旋轉(zhuǎn)特征向量對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)，其中時(shí)間系數(shù)為正值代表偏澇，為負(fù)值代表偏旱。由圖5可知，近48年廣西各分區(qū)旱澇具有階段性，廣西四個(gè)分區(qū)總體表現(xiàn)出了與全區(qū)的旱澇變化情況大致相同的趨勢(shì)，20世紀(jì)60年代后期到80年代中后期以及90年代中期到21世紀(jì)初，廣西所有地區(qū)是偏澇的;其他時(shí)間段廣西地區(qū)是偏旱的。

圖4 前4個(gè)旋轉(zhuǎn)特征向量分布圖Fig.4 Four rotating eigenvectors in REOF analysis of SPI12in Guangxi

表2 四個(gè)區(qū)域主要旱澇階段的發(fā)生時(shí)段Table 2 The occurrence time of drought and flood in four areas

圖5 廣西前4個(gè)旋轉(zhuǎn)特征向量的時(shí)間系數(shù)Fig.5 Time coefficient of four rotating eigenvectors in Guangxi Province

3 結(jié)論

本文采用SPI指數(shù)作為廣西地區(qū)旱澇評(píng)價(jià)因子，對(duì)其1961－2008年旱澇特征進(jìn)行時(shí)空分析，得出以下主要結(jié)論:

1)廣西旱澇變化呈階段性，20世紀(jì)60年代、80年代中后期至90年代初期、21世紀(jì)以來主要以干旱為主，70年代至80年代中期、90年代中后期以洪澇為主。

2)通過REOF對(duì)廣西進(jìn)行旱澇分區(qū)，廣西可以大致分為桂東北、桂西北、桂東南、桂西南4大區(qū)域，各分區(qū)的極端旱澇變化總體上和全區(qū)保持一致性，但是不同區(qū)域之間重度旱澇存在一定的差異性。桂東北和桂東南地區(qū)重旱發(fā)生的頻率大于其他地區(qū)，桂西南重澇發(fā)生的頻率大。通過研究不同地區(qū)的旱澇變化情況，可為廣西地區(qū)的防洪抗旱與水資源規(guī)劃管理提供科學(xué)依據(jù)。

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