陜西省1470—2012年旱澇災(zāi)害時空分布特征及演變趨勢分析

徐小鈺， 朱記偉， 解建倉， 劉家宏， 李占斌

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室，陜西 西安 710048；2.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，中國 北京 100038)

陜西省1470—2012年旱澇災(zāi)害時空分布特征及演變趨勢分析

徐小鈺1， 朱記偉1， 解建倉1， 劉家宏2， 李占斌1

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室，陜西 西安 710048；2.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，中國 北京 100038)

旱澇災(zāi)害是陜西省發(fā)生頻率最高的自然災(zāi)害，研究其時空分布特征及演變趨勢對區(qū)域防汛、抗旱減災(zāi)具有重要意義。本文基于陜西省1470—2012年的旱澇災(zāi)害史料，結(jié)合累積距平法、滑動平均法、功率譜分析和小波分析等方法，分陜北、關(guān)中、陜南三個地區(qū)對其旱澇災(zāi)害進(jìn)行研究。結(jié)果表明，543年來，陜北發(fā)生旱災(zāi)最頻繁，陜南發(fā)生澇災(zāi)最頻繁，關(guān)中發(fā)生極旱最頻繁，且整個區(qū)域持續(xù)澇災(zāi)發(fā)生的可能性高于旱災(zāi)。區(qū)域旱澇等級變化具有明顯的階段性和周期性。在近30年的時間尺度上，陜北處于偏旱期，關(guān)中、陜南處于偏澇期。

旱澇災(zāi)害； 時空分布特征； 演變趨勢； 陜西省

近年來，受全球氣候變暖的影響，極端氣候災(zāi)害事件發(fā)生頻繁，人類的生產(chǎn)生活和社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展受到嚴(yán)重威脅。在眾多的自然災(zāi)害中，以旱澇災(zāi)害發(fā)生頻率最高，危害影響最大，因此致力于其的研究也成為災(zāi)害學(xué)領(lǐng)域的熱點[1]。國外對區(qū)域旱澇災(zāi)害的時空分布及演變規(guī)律的研究有較豐碩的成果，且非常重視對旱澇指標(biāo)模型的改進(jìn)與創(chuàng)新[2-4]。國內(nèi)歷史時期旱澇災(zāi)害資料豐富，從中提取氣候信息，也逐漸成為研究旱澇災(zāi)害的主要方法之一[5-6]。

目前，對陜西地區(qū)的旱澇災(zāi)害已有一定研究。萬金紅等[7]分析了西北干旱地區(qū)1470—2008年旱澇變化特征，得出539年中陜西省洪澇多發(fā)的時段明顯多于干旱；李星敏等[8]認(rèn)為陜北干旱過程持續(xù)時間較長，關(guān)中、陜南干旱時段內(nèi)常出現(xiàn)多個干旱過程。鑒于之前的研究缺少專門針對陜西地區(qū)長時間序列下的旱澇災(zāi)害發(fā)生規(guī)律及變化特征的分析，本文基于1470—2012年的旱澇災(zāi)害史料，研究陜西地區(qū)543年中的旱澇災(zāi)害時空分布特征及演變趨勢，以期為區(qū)域旱澇災(zāi)害的預(yù)測評估及制定長遠(yuǎn)的防汛抗旱減災(zāi)應(yīng)對策略提供支持。

1 資料與方法

1.1 資料來源

1.1.1 研究區(qū)域

陜西省地處中國內(nèi)陸腹地，位于105°29′～111°15′E，31°42′～39°35′N之間，是連接中國東、中部地區(qū)和西北、西南的重要區(qū)域。陜西省南北狹長，根據(jù)地理、氣候、歷史、文化、語言，可由北向南分為截然不同的三大地區(qū)：陜北、關(guān)中、陜南。省內(nèi)南北氣候差異顯著：陜北北部長城沿線處于中溫帶氣候；關(guān)中及陜北大部分屬于暖溫帶氣候；陜南則屬于北亞熱帶氣候。全省水資源時空分布嚴(yán)重不均(參考《陜西省地圖集》得陜西省多年平均降雨量圖，見圖1[9])，從時間分布上看，年降雨量的60%～70%集中于7～10月份，往往造成汛期洪澇成災(zāi)，春季旱災(zāi)頻發(fā)；從地域分布上看，秦嶺以南的長江流域，水資源量占到全省總量的71%，而秦嶺以北的黃河流域，水資源量卻僅占全省的29%[10]。針對陜西省特殊的地域特點，為更好地研究該區(qū)旱澇災(zāi)害變化特征，將其按照陜北、關(guān)中、陜南三個區(qū)域分別進(jìn)行研究。

1.1.2 資料處理

本文通過整理《陜西省自然災(zāi)害史料》、《陜西省自然災(zāi)害簡要紀(jì)實》、《中國氣象災(zāi)害大典·陜西卷》等歷史文獻(xiàn)資料，并結(jié)合《中國西北地區(qū)近500年旱澇分布圖集(1470—2008)》中已有的榆林、延安、西安、寶雞、漢中、安康六站的災(zāi)害等級資料獲取陜西省1470—2012年543年的旱澇災(zāi)害史料數(shù)據(jù)，并參考《陜西水利年鑒》、《陜西救災(zāi)年鑒》等相關(guān)文獻(xiàn)對缺資料年份進(jìn)行補(bǔ)充[11-16]。

在《中國西北地區(qū)近500年旱澇分布圖集(1470—2008)》一書當(dāng)中，用5級去劃分旱澇災(zāi)害等級，為更好地反映旱澇災(zāi)害的嚴(yán)重程度，本文在其基礎(chǔ)上，參考《氣象干旱等級》(GB/T20481-2006)國家標(biāo)準(zhǔn)、《氣象災(zāi)情收集上報調(diào)查和評估試行規(guī)定》氣發(fā)(2005)96號文件及《中華人民共和國水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——洪澇災(zāi)情評估標(biāo)準(zhǔn)》(SL579-2012)等相關(guān)規(guī)定，制定旱澇等級劃分標(biāo)準(zhǔn)(如表1)，將旱澇災(zāi)害劃分為極澇(旱)、大澇(旱)、輕澇(旱)、正常等7級[14]。

1.2 分析方法

1.2.1 累積距平法

通過累積距平曲線可以直觀了解旱澇災(zāi)害隨時間的變化趨勢，清楚地判斷旱澇災(zāi)害的階段性。計算公式[17]為：

(1)

1.2.2 功率譜分析

功率譜分析是基于傅里葉變換的一種頻域分析方法，其通過將旱澇災(zāi)害等級序列的總能量分解到不同頻率的分量上，再根據(jù)不同頻率波的方差貢獻(xiàn)診斷出序列的主要周期[17]。首先將旱澇災(zāi)害等級序列xt展開成傅里葉級數(shù)：

(2)

式中，fi為頻率，a0、ai、bi為傅里葉系數(shù)，k為主周期及其諧波的個數(shù)。

功率譜強(qiáng)度計算公式為：

(3)

式中，I(fi)表示當(dāng)頻率為fi時功率譜的強(qiáng)度，據(jù)此對應(yīng)關(guān)系，可計算旱澇災(zāi)害等級序列的周期。

1.2.3 小波分析

小波分析是在傅里葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的對信號進(jìn)行分析與處理的方法，由于旱澇災(zāi)害演變過程是一種連續(xù)且具有多時間尺度的變化，因此本節(jié)當(dāng)中采用Morlet連續(xù)復(fù)小波變換來分析其演變周期情況[18]?；诤禎碁?zāi)害等級函數(shù)f(t)的連續(xù)小波變換為：

(4)

2 結(jié)果分析

2.1 旱澇時空分布特征

根據(jù)表1的標(biāo)準(zhǔn)，判定陜北、關(guān)中、陜南三個地區(qū)1470—2012年的旱澇災(zāi)害等級，繪制陜西地區(qū)543年的旱澇等級演變圖譜(見圖2)。

從圖中可知，543年來陜西省各地旱澇災(zāi)害發(fā)生頻繁，旱澇等級序列存在多次轉(zhuǎn)折與突變，旱澇階段往往交替出現(xiàn)，極澇、大澇、極旱、大旱等嚴(yán)重旱澇災(zāi)害多發(fā)且集中。如：陜北地區(qū)1623—1633年的10年間，就發(fā)生極(大)澇災(zāi)害2年，極(大)旱災(zāi)害5年；關(guān)中地區(qū)1621—1653年間，連續(xù)3年的洪澇災(zāi)害之后，出現(xiàn)了長達(dá)9年的偏旱期；陜南地區(qū)1928—1935年間、1959—1969年間，連年極(大)旱災(zāi)后都發(fā)生了嚴(yán)重的澇災(zāi)。三個地區(qū)中，陜北地區(qū)干旱災(zāi)害發(fā)生頻率遠(yuǎn)高于洪澇災(zāi)害，陜南地區(qū)洪澇災(zāi)害發(fā)生頻率遠(yuǎn)高于干旱災(zāi)害，關(guān)中地區(qū)發(fā)生極旱災(zāi)害的頻率遠(yuǎn)高于其它兩個地區(qū)。

進(jìn)一步統(tǒng)計不同時間段上不同區(qū)域旱澇災(zāi)害等級的分布情況(見表2)。

就陜北而言，543年中共發(fā)生洪澇災(zāi)害144年，干旱災(zāi)害250年。其中發(fā)生極澇災(zāi)害6年，平均90.5年發(fā)生一次；發(fā)生極旱災(zāi)害11年，平均49.4年發(fā)生一次。在所有的時間段中，1900—2012年發(fā)生旱澇災(zāi)害最頻繁，共計發(fā)生101年，平均1.1年發(fā)生一次。就關(guān)中而言，543年中共發(fā)生洪澇災(zāi)害204年，干旱災(zāi)害207年。其中發(fā)生極澇災(zāi)害17年，平均31.9年發(fā)生一次；發(fā)生極旱災(zāi)害22年，平均24.7年發(fā)生一次。在所有的時間段中，1900—2012年發(fā)生旱澇災(zāi)害最頻繁，共計108年，平均1.0年發(fā)生一次。就陜南而言，543年中共發(fā)生洪澇災(zāi)害216年，干旱災(zāi)害137年。其中發(fā)生極澇災(zāi)害26年，平均20.9年發(fā)生一次；發(fā)生極旱災(zāi)害7年，平均77.6年發(fā)生一次。在所有時間段中，1900—2012年發(fā)生旱澇災(zāi)害最頻繁，共計101年。由此可見，陜西地區(qū)旱澇災(zāi)害具有明顯的階段性和區(qū)域性，不同時間段、不同區(qū)域的旱澇災(zāi)害發(fā)生情況不盡相同，同時旱澇災(zāi)害的發(fā)生還具有同步性，極(大)旱災(zāi)多發(fā)時段，極(大)澇災(zāi)往往也多發(fā)。

2.2 旱澇演變趨勢分析

2.2.1 旱澇變化階段性特征

為了解陜西地區(qū)的旱澇災(zāi)害總體變化趨勢和階段性特征，對陜北、關(guān)中、陜南三個地區(qū)1470—2012年的旱澇等級序列分別進(jìn)行累積距平，并計算21年的滑動平均，以此濾去小于21年高頻分量振動的影響，體現(xiàn)較大周期尺度下的變化趨勢，最后根據(jù)結(jié)果繪制累積距平曲線和滑動平均曲線如圖3。定義曲線的上升表示偏旱期，曲線下降表示偏澇期。從圖3可知，3個地區(qū)的旱澇等級序列均有較明顯的上升下降變化趨勢。進(jìn)一步利用滑動T檢驗法判斷相鄰變化階段是否具有顯著差異，轉(zhuǎn)折點是否具有突變性，結(jié)果表明：陜北地區(qū)在超過t0.01顯著性水平下存在1542年、1648年、1782年、1804年、1974年等5個突變點，此外在1573年處也有明顯變化，超過t0.05顯著性水平；關(guān)中地區(qū)在t0.01顯著性水平下僅存在1648年1個突變點；陜南地區(qū)在t0.01顯著性水平下，存在1554年、1646年、1747年、1769年、1781年、1818年、1871年、1880年8個突變點，此外在1573年處也有明顯變化，超過t0.05顯著性水平。據(jù)此劃分陜西地區(qū)旱澇階段(見表3)：陜北可劃分為4個偏旱期和3個偏澇期，其中偏旱期、偏澇期最長持續(xù)時間分別為74年和169年，最短持續(xù)時間分別達(dá)到21年和30年，即偏澇期的持續(xù)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于偏旱期；關(guān)中地區(qū)可劃分為1個偏旱期和1個偏澇期，偏旱期和偏澇期的持續(xù)時間分別為178年和364年，且偏旱期與郭瑞等[19]提出的1470—1639年是涇河流域旱災(zāi)多發(fā)時段的研究結(jié)果相一致；陜南地區(qū)可劃分為5個偏旱期和5個偏澇期，其中偏旱期、偏澇期持續(xù)最長時間分別為91年和132年，持續(xù)最短時間為8年和11年，偏旱期、偏澇期平均發(fā)生年數(shù)分別為44.6年、62.2年。且目前陜北處于偏旱期，關(guān)中和陜南處于偏澇期。由此可知，543年中陜西各地區(qū)旱澇災(zāi)害交替出現(xiàn)，且差異顯著，其中發(fā)生偏澇期的持續(xù)性較偏旱期強(qiáng)，即持續(xù)洪澇災(zāi)害發(fā)生的可能性高于干旱災(zāi)害，這與萬金紅等[8]得出的陜西旱澇變化特征結(jié)果相同。

表3 陜西省543年旱澇等級階段性

Tab.3 Stage of drought and flood grades in Shaanxi Province for recent 543 years

2.2.2 旱澇變化的周期性特征

旱澇災(zāi)害不僅存在階段性、突變性以及多時間尺度的結(jié)構(gòu)，還具有趨勢性和周期性。本文利用功率譜和基于Morlet函數(shù)的小波分析方法分析陜西地區(qū)1470—2012年的不同區(qū)域不同時間尺度上的旱澇災(zāi)害等級序列，以揭示隱藏在災(zāi)害等級序列中的多種變化周期，充分反映災(zāi)害在不同時間尺度下的變化情況。根據(jù)式(2)～(3)計算功率譜頻率強(qiáng)度，繪制旱澇災(zāi)害等級序列的功率譜分析圖，如圖4。從圖中可知，陜北地區(qū)存在2～5年、8年、11年、13～14年、22～24年、37年、49年等顯著周期；關(guān)中地區(qū)存在4～5年、7～11年、13～16年、22～25年、28年、45年等顯著周期；陜南地區(qū)存在2～5年、7～11年、13年、25年～29年、38年、47年等顯著周期。由此可知，陜西地區(qū)1470—2012年間，旱澇災(zāi)害變化具有明顯的周期性，不同區(qū)域其周期長度不盡相同，但均具有4～5年、8年、11年、13年左右時間尺度的周期，其中4～5年和11年的周期分別與厄爾尼諾(3～7年)和太陽黑子活動(11年)的周期相對應(yīng)，因此可推斷太陽黑子和厄爾尼諾現(xiàn)象對陜西地區(qū)旱澇災(zāi)害發(fā)生存在一定的影響[20]。

利用式(4)，計算連續(xù)小波變換系數(shù)的實部，并根據(jù)結(jié)果繪制陜西地區(qū)1470—2012年旱澇等級序列小波分析圖，如圖5。為便于分析，對不同的計算值用不同的顏色加以區(qū)分，并用“+”表示正值中心，代表旱期；用“-”表示負(fù)值中心，代表澇期[21]。從圖中可清楚地看到，543年來陜西各地區(qū)的旱澇災(zāi)害變化存在明顯的多時間尺度特征。就陜北地區(qū)而言，在全時間尺度上存在2～5年、7～11年、13～15年的顯著周期，其中1470—1560年間存在8年和49年、1560—1680年間存在7～14年和24年、1820—2012年間存在4～6年和8～14年的高頻周期振蕩。就關(guān)中地區(qū)而言，在整個時間尺度上存在22～25年、34～39年、45年的顯著周期；其中1550—1640年間存在34～39年的高頻周期振蕩，具有旱澇交替的準(zhǔn)3次振蕩；1640—1710年間存在13年、22～25年、39年的高頻周期振蕩；1720—1800年間存在20～24年、31～34年的高頻周期振蕩；1830—2012年間存在11～16年、22～25年、34～39年的高頻周期振蕩，其中11～16年的時間尺度上出現(xiàn)了旱澇交替的準(zhǔn)3次振蕩。陜南在全時間尺度上存在24～29年、38年的周期，其中1470—1530年間存在47年、1865—1895年間存在24～26年、1925—2012年間存在13年和38～43年的高頻周期振蕩。進(jìn)一步讀圖可判斷，目前陜北處于旱期，關(guān)中、陜南處于澇期，這與階段性分析的結(jié)果相同。

綜合功率譜方法和小波分析的結(jié)果可知，陜北地區(qū)主要存在2～5年、8年、11年、13～14年的周期，其中2～5年周期與甘肅旱澇準(zhǔn)4年周期相對應(yīng)；關(guān)中地區(qū)主要存在22～25年、45年的周期，其中25年的周期與蘭州地區(qū)旱澇災(zāi)害變化的25～26年的周期相對應(yīng)；陜南地區(qū)主要存在25～29年、38年的周期，其中25～29年周期與中國北方旱澇變化存在20～30年時間尺度的周期振蕩相對應(yīng)[22-24]。

3 結(jié) 論

1) 從旱澇時空變化特征上看：543年來陜西省各地旱澇災(zāi)害發(fā)生頻繁，在空間分布上，陜北是旱災(zāi)發(fā)生最頻繁的地區(qū)，陜南是澇災(zāi)發(fā)生最頻繁的地區(qū)，與多年降雨量南多北少的趨勢相吻合。在時間分布上，三個地區(qū)的旱澇災(zāi)害的發(fā)生具有一定的一致性。

2) 從旱澇災(zāi)害階段性特征上看：543年中陜西各地旱澇災(zāi)害交替出現(xiàn)且差異顯著，并具有明顯的階段性和區(qū)域性。其中：陜北地區(qū)可劃分為4個偏旱期和3個偏澇期；關(guān)中地區(qū)可劃分為1個偏旱期和1個偏澇期；陜南地區(qū)可劃分為5個偏旱期和5個偏澇期。同時，整個區(qū)域持續(xù)洪澇災(zāi)害發(fā)生的可能性高于干旱災(zāi)害。

3) 從旱澇災(zāi)害周期特征上看：543年來陜西各地區(qū)的旱澇災(zāi)害變化存在明顯的多時間尺度特征。其中，陜北地區(qū)主要存在2～5年、8年、11年、13～14年的周期；關(guān)中地區(qū)主要存在22～25年、45年的周期；陜南地區(qū)主要存在25～29年、38年的周期。目前陜北處于偏旱期，關(guān)中、陜南處于偏澇期。

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(責(zé)任編輯 周蓓)

Analysis of spatial and temporal distribution characteristics and evolution trend of drought and flood disasters from 1470 to 2012 in Shaanxi Province

XU Xiaoyu1， ZHU Jiwei1， XIE Jiancang1， LIU Jiahong2， LI Zhanbin1

(1. State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China；2. State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China)

Drought and flood disasters are the most frequent natural disasters in Shaanxi Province. Research on spatial and temporal distribution characteristics and evolution trend of drought and flood disasters is of the vital significance to regional flood control and drought resistance. Based on the drought and flood disaster historical data of Shaanxi Province from 1470 to 2012, and combined with the accumulative anomaly method, moving average method, power spectrum analysis and wavelet analysis method, drought and flood disasters are studied from three different areas，that is Shanbei, Guanzhong as well as Shannan. The results show that the drought disasters occurred most frequently in shanbei，the flood disasters occurred most frequently in shannan，the extreme drought disasters occurred most frequently in Guanzhong，and the occurrence probability of continuous flooding is higher than that of drought in the whole district during the 543 years. The grade changes of regional drought and flood disasters have had obvious stage and multiple time scale characteristics in different regions. During the recent 30 years，Shanbei is in partial drought period, the Guanzhong and Shannan in partial flood period.

drought and flood disasters； spatial and temporal distribution characteristics； evolution trend； Shaanxi Province

1006-4710(2015)02-0231-07

2014-11-15

國家自然科學(xué)基金資助項目(51209170，51479160)。

徐小鈺，女，碩士生，研究方向為水資源規(guī)劃與應(yīng)急管理。E-mail：xautxxy@163.com。

朱記偉，男，副教授，博士，研究方向為水資源管理與系統(tǒng)工程。E-mail：zhujiwei@xaut.edu.cn。

P461

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