基于Z指數(shù)的福州市近51年旱澇時(shí)空特征分析

張 娜，陳 瑩，張糧鋒，童為民，朱志強(qiáng)

（福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007）

基于Z指數(shù)的福州市近51年旱澇時(shí)空特征分析

張 娜，陳 瑩*，張糧鋒，童為民，朱志強(qiáng)

（福建師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007）

基于福建省福州市9個(gè)氣象站1960年-2010年的逐月降水資料，在年和季節(jié)的尺度上計(jì)算了福州市各站點(diǎn)的Z指數(shù)及區(qū)域旱澇指數(shù)，并根據(jù)Z指數(shù)的劃分等級(jí)分析福州市的旱澇情況，討論51年旱澇災(zāi)害和季節(jié)性旱澇災(zāi)害的變化趨勢.在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用Arcgis的反距離權(quán)重插值法，分析其空間分布特征.結(jié)果表明：（1）近51年間，從旱澇災(zāi)害的年度性特征來看，福州市發(fā)生區(qū)域性干旱或洪澇均無明顯的時(shí)間變化趨勢特征；從季節(jié)性特征看，任何季節(jié)都可能出現(xiàn)旱澇災(zāi)害，與實(shí)際氣象資料記載情況大體一致；（2）從福州市旱澇災(zāi)害的空間分布來看，年尺度上無論洪澇還是干旱福州市東北部都是發(fā)生頻率最高的地區(qū)，季節(jié)尺度上西南地區(qū)發(fā)生季節(jié)性旱澇的頻率最低，而沿海一側(cè)發(fā)生季節(jié)性旱澇的頻率較高.

旱澇；Z指數(shù)；時(shí)空特征；福州市

福建省福州市位于歐亞大陸東南邊緣，東臨太平洋，亞熱帶季風(fēng)氣候顯著.受到每年季風(fēng)強(qiáng)度、出現(xiàn)時(shí)間等不確定性因素的影響，福州地區(qū)降雨量時(shí)空分布上存在不穩(wěn)定性，旱澇災(zāi)害較為常見，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裆a(chǎn)、生活造成影響，因此研究福州市旱澇時(shí)空特征對(duì)福州市社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.近年來關(guān)于旱澇的研究，不同部門或?qū)W科有不同的側(cè)重點(diǎn)，因此至今各學(xué)科還未有統(tǒng)一的旱澇指標(biāo)，其中以降水量多少為主的旱澇標(biāo)準(zhǔn)是其他旱澇指標(biāo)研究方法的基礎(chǔ).王躍民等[1]曾利用Z指數(shù)、旱澇指數(shù)和降水距平百分率三種方法設(shè)計(jì)旱澇指標(biāo)，三者所確定的旱澇等級(jí)和氣候頻率完全相同；王璐等[2]分析比較了標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、干旱偵測指數(shù)、降水成數(shù)在北京地區(qū)的應(yīng)用效果，認(rèn)為干旱偵測指數(shù)對(duì)實(shí)際情況反映要優(yōu)于另兩種方法；鞠笑生等[3]在對(duì)我國單站旱澇指標(biāo)確定和區(qū)域旱澇等級(jí)劃分研究中，比較測試了Z指數(shù)、降水距平百分率、濕度指標(biāo)三種旱澇指標(biāo)，結(jié)果表明Z指數(shù)能較好地劃分旱澇等級(jí)；劉志雄等[4]利用Z指數(shù)研究長江上游的旱澇變化特征，表明Z指數(shù)及以此為基礎(chǔ)所構(gòu)建的區(qū)域旱澇指標(biāo)能較好地反映該地區(qū)的旱澇情況；馬明衛(wèi)[5]運(yùn)用Z指數(shù)和SPI指數(shù)研究渭河流域的干旱特征，并詳細(xì)對(duì)比了兩種方法計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)二者間的相關(guān)系數(shù)隨時(shí)間尺度的增大而有所增大；江和文等[6]從Z指數(shù)出發(fā)，討論遼寧省年度旱澇災(zāi)害與季節(jié)性旱澇災(zāi)害的時(shí)空變化趨勢，認(rèn)為Z指數(shù)具有一定的合理性.因此本文在前人研究基礎(chǔ)之上，采取Z指數(shù)作為單站旱澇指標(biāo)，并以此確定區(qū)域旱澇等級(jí)，分析福州市近51年的旱澇時(shí)間變化特征，并基于Arcgis的反距離權(quán)重插值方法討論福州市的旱澇空間分布情況，彌補(bǔ)之前研究大部分只從時(shí)間特征上分析的紕漏，以期對(duì)福州旱澇災(zāi)害的監(jiān)測、評(píng)估提供支持，進(jìn)而為減輕該區(qū)域旱澇災(zāi)害損失、合理利用水資源提供科學(xué)依據(jù).

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

考慮到氣象站建站時(shí)間不一致、有些站點(diǎn)數(shù)據(jù)缺測或不完整等原因，本文選取了資料較完整的福州市9個(gè)氣象站（羅源、閩清、閩侯、福州市、連江、永泰、長樂、福清和平潭）的逐月降水資料，資料的時(shí)間序列為1960年1月-2010年12月.

圖1 福州市氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1 Meteorological stations in Fuzhou

1.2 研究方法

雖然目前關(guān)于旱澇標(biāo)準(zhǔn)還沒有統(tǒng)一的定義，但Z指數(shù)在我國已得到廣泛運(yùn)用，研究表明Z指數(shù)響應(yīng)速度快，能較好地反映某一時(shí)段的旱澇程度.本文選取Z指數(shù)作為劃分單站旱澇情況的標(biāo)準(zhǔn)，并確定區(qū)域的旱澇等級(jí)，進(jìn)而分析福州地區(qū)旱澇情況的時(shí)間變化特征.另外，通過Arcgis軟件，利用反距離權(quán)重插值（IDW）方法，分析探討了福州地區(qū)的旱澇空間分布特征.

1.2.1 單站旱澇指標(biāo)——Z指數(shù)

降水量一般不符合正態(tài)分布，Z指數(shù)消除了降水量平均值不同所帶來的影響，它是在假定降雨量符合Pearsion-Ⅲ型分布的基礎(chǔ)上提出的.通過對(duì)降水量進(jìn)行正態(tài)化處理，可將概率密度函數(shù)Pearsion-Ⅲ型分布轉(zhuǎn)換為以Z為變量的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布.參照之前學(xué)者的研究，具體公式為[5]：

式中，Zi即為單站第i月的降水Z指數(shù)；Cs為偏態(tài)系數(shù)；φi為標(biāo)準(zhǔn)變量，后兩者可由收集到的降水序列計(jì)算求得，即

參考鞠笑生等[3]的研究.根據(jù)計(jì)算出來的Z指數(shù)，確定出單站的旱澇等級(jí).具體的各級(jí)旱澇相應(yīng)的Z指數(shù)范圍見表1.

表1 Z指數(shù)旱澇劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Classification of drought-flood intensity of Z Index

1.2.2 區(qū)域旱澇指標(biāo)的確定

要使得區(qū)域旱澇指標(biāo)盡可能合理，就要求其在表征出旱澇空間分布的基礎(chǔ)上，還必須能夠反映出旱澇的輕重程度.在計(jì)算福州市地區(qū)的區(qū)域旱澇指數(shù)時(shí)，若僅僅將各站點(diǎn)的Z指數(shù)進(jìn)行平均作為區(qū)域旱澇指數(shù)，則福州市整體旱澇情況會(huì)出現(xiàn)干旱偏輕、洪澇偏重的情況.因此在確定區(qū)域旱澇指數(shù)時(shí)必須考慮區(qū)域內(nèi)單站旱澇情況對(duì)整體區(qū)域旱澇的影響，影響程度與相應(yīng)的旱澇等級(jí)出現(xiàn)的概率成反比關(guān)系.由于實(shí)際概率與理論概率相近，在劃分出單站旱澇等級(jí)的基礎(chǔ)上，可根據(jù)各旱澇等級(jí)出現(xiàn)的理論概率比值，計(jì)算出區(qū)域旱澇指數(shù).具體計(jì)算方法參考文獻(xiàn)得到計(jì)算方法如下[6]：

式中，H為區(qū)域洪澇指數(shù)；G為區(qū)域干旱指數(shù)；n1，n2，n3，n5，n6，n7為福州市區(qū)域內(nèi)Z指數(shù)為1，2，3，5，6，7級(jí)的站數(shù)；n為總站數(shù).當(dāng)H或G的值越大則福州地區(qū)相應(yīng)時(shí)段的旱澇災(zāi)害程度越嚴(yán)重，當(dāng)H或G>1，即平均起來所有站都出現(xiàn)了偏旱或偏澇等級(jí)以上旱澇災(zāi)害，以此作為嚴(yán)重區(qū)域性旱澇的臨界指標(biāo).

1.2.3 反距離權(quán)重插值（IDW）

在Arcgis 9柵格分析模塊中，反距離權(quán)重差值法是常見且簡單易操作的空間插值實(shí)現(xiàn)方式之一.基于相近即相似的原理，插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)的距離越近則性質(zhì)就越相似，樣本點(diǎn)被賦予的權(quán)重也越大，反之插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)的距離越遠(yuǎn)則性質(zhì)相似性就越小，樣本點(diǎn)被賦予的權(quán)重越小.具體方法可用下式表示：

式中，z代表插值點(diǎn)的估計(jì)值；Zi是第i（i=1，2，…，n）個(gè)樣本點(diǎn)值；Di代表插值點(diǎn)與樣本點(diǎn)的距離；P是影響內(nèi)插效果的關(guān)鍵值，是代表距離的冪，P值越高內(nèi)插結(jié)果越平滑[1].

2 結(jié)果與分析

2.1 年度旱澇災(zāi)害的時(shí)空變化特征

2.1.1 年度旱澇災(zāi)害的年際變化特征

基于Z指數(shù)的方法計(jì)算福州市1960-2010年9個(gè)站點(diǎn)每年的Z指數(shù)，參照表1的Z指數(shù)等級(jí)指標(biāo)，劃分出每年福州地區(qū)的澇等級(jí)情況，根據(jù)（5）式求得福州每年的H、G，以區(qū)域洪澇指標(biāo)H、區(qū)域干旱指標(biāo)G作為區(qū)域旱澇指標(biāo)時(shí)，H（G）>1為嚴(yán)重區(qū)域性旱澇的分界線，得到如圖2所示的福州市年度旱澇指標(biāo)的時(shí)間變化趨勢.從圖2可明顯觀察出各年度洪澇指數(shù)H的波峰值與干旱指數(shù)G的波谷值對(duì)應(yīng)，反映出當(dāng)該年降水異常偏多可能導(dǎo)致的洪澇程度較為嚴(yán)重時(shí)，干旱程度就較輕，反之降水異常偏少可能導(dǎo)致的干旱程度嚴(yán)重的時(shí)候，洪澇程度一般就相對(duì)較輕，這與實(shí)際情況相符.在近51年間，共有8個(gè)年份出現(xiàn)降水異常偏多現(xiàn)象，可能發(fā)生嚴(yán)重區(qū)域性洪澇（H> 1），7個(gè)年份出現(xiàn)降水異常偏少現(xiàn)象，可能發(fā)生嚴(yán)重區(qū)域性干旱.從總體趨勢看，60年代至80年代末除個(gè)別年份發(fā)生嚴(yán)重區(qū)域性干旱（1967年，1971年，1977年）外，其余年份總體正常，且發(fā)生旱澇災(zāi)害較少，程度較輕.進(jìn)入90年代，嚴(yán)重區(qū)域性旱澇災(zāi)害頻繁且交替發(fā)生，偏旱或偏澇次數(shù)相當(dāng).在2000—2010年中，有8年出現(xiàn)嚴(yán)重性區(qū)域旱澇，除2003、2004年發(fā)生干旱外主要以洪澇災(zāi)害為主，且程度較重.查閱相應(yīng)年份的氣象資料，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況大體相符.

圖2 福州市年度旱澇指標(biāo)的時(shí)間變化特征Fig.2 Time variation of annual drought and flood index of Fuzhou

2.1.2 年度旱澇災(zāi)害的空間分布特征

本文根據(jù)9個(gè)氣象站各年度旱澇Z指數(shù)等級(jí)情況，對(duì)于偏澇等級(jí)以上的洪澇年份對(duì)重澇、大澇、偏澇分別賦予3、2和1的權(quán)重，計(jì)算單站洪澇頻率[6].計(jì)算單站干旱頻率方法類似.通過Arcgis軟件利用反距離加權(quán)法繪制出福州市近51年旱澇災(zāi)害的發(fā)生頻率的空間分布圖，見圖3.分析結(jié)果表明：福州市近51年來，東北部發(fā)生洪澇頻率最高，其次是西南地區(qū)，西部、東南地區(qū)發(fā)生洪澇頻率較低，大部分地區(qū)發(fā)生洪澇頻率在43%-50%之間；而干旱情況在州市中東部、東南部發(fā)生頻率最高，中西部發(fā)生干旱頻率最低，大部分地區(qū)發(fā)生干旱頻率在40%-47%之間.

2.2 季節(jié)性旱澇災(zāi)害的時(shí)空變化特征

本文采用氣候?qū)W上常用的季節(jié)劃分方法：將3-5月、6-8月、9-11月、12月至翌年2月，分別劃分為春季、夏季、秋季、冬季.同樣以H（G）是否大于1作為劃分嚴(yán)重區(qū)域性旱澇的分界線，得到春季、夏季、秋季、冬季旱澇指標(biāo)的時(shí)間變化趨勢圖（見圖4）.從圖4可明顯觀察到：

2.2.1 季節(jié)性旱澇災(zāi)害的年際變化特征

從季節(jié)性的區(qū)域旱澇指數(shù)的年代際變化特征來看：降水異常偏多或偏少現(xiàn)象在任何季節(jié)都可能發(fā)生，由季節(jié)性降水異?？赡軐?dǎo)致的嚴(yán)重區(qū)域性旱澇出現(xiàn)的年份明顯要多于年度性旱澇出現(xiàn)的年份.春季、干旱和雨澇在不同時(shí)期程度不同且變化幅度大，20世紀(jì)60年代至70年代初，旱澇災(zāi)害以干旱為主，干旱程度較重，幾乎沒有出現(xiàn)雨澇情況；70年代至90年代初，雨澇災(zāi)害頻率高于干旱，以雨澇災(zāi)害為主，90年代除了初期發(fā)生過一次干旱和一次洪澇災(zāi)害，總體上沒有旱澇災(zāi)害，進(jìn)入21世紀(jì)后初期以干旱災(zāi)害為主且程度較重，而2005年之后則相反，雨澇災(zāi)害較頻繁無旱澇災(zāi)害.夏季，總體上60年代至70年代發(fā)生旱澇災(zāi)害的年份較少且旱澇程度相當(dāng)，80年代沒有出現(xiàn)雨澇災(zāi)害，以干旱災(zāi)害為主，有4個(gè)年份發(fā)生干旱災(zāi)害，90年代只發(fā)生一次干旱且程度較輕，進(jìn)入21世紀(jì)后這時(shí)期主要以雨澇災(zāi)害為主，雨澇程度較重.秋季，福州地區(qū)總體上在80年代中期以前以干旱災(zāi)害為主，之后則以雨澇災(zāi)害為主，且程度較重、發(fā)生旱澇的次數(shù)相當(dāng)，旱澇每隔幾年交替發(fā)生.冬季，旱澇災(zāi)害發(fā)生頻率較低，程度較輕，60年代至80年代期間干濕交替發(fā)生，程度相當(dāng)，進(jìn)入90年代后以雨澇災(zāi)害為主，干旱僅發(fā)生過一次.

2.2.2 季節(jié)性旱澇災(zāi)害的空間分布特征

分析季節(jié)性旱澇災(zāi)害的空間分布是根據(jù)9個(gè)氣象站各自季度性旱澇Z指數(shù)等級(jí)情況，對(duì)于偏澇等級(jí)以上的洪澇季度對(duì)重澇、大澇、偏澇分別賦予3，2，1的權(quán)重，計(jì)算單站每個(gè)季度的洪澇頻率，干旱類似，得到的季節(jié)性旱澇災(zāi)害頻率空間分布圖，見圖5所示.

圖3 1960-2010年福州市年度旱澇頻率的空間分布Fig.3 The spatial distribution of Fuzhou’s annual drought-flood rate from 1960 to 2010

圖4 春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）旱澇指標(biāo)的時(shí)間變化特征Fig.4Time variation of drought and flood index of（a）spring；（b）summer；（c）autumn；（d）winter

圖5 1960-2010年福州市季節(jié)性(春季a、夏季b、秋季c、冬季d)旱澇頻率的空間分布Fig.5 The spatial distribution of Fuzhou’s seasonal drought-flood rate from 1960 to 2010

從季節(jié)性洪澇看，春季，福州北部發(fā)生洪澇頻率較高，南部較小，并有兩個(gè)強(qiáng)度相當(dāng)?shù)母咧抵行?，一個(gè)位于東部地區(qū)，另一個(gè)位于西部地區(qū)；夏季，東北部、東部地區(qū)相對(duì)于西南地區(qū)來說，發(fā)生洪澇頻率較高；秋季發(fā)生洪澇頻率自東往西降低，東部地區(qū)整體發(fā)生洪澇頻率最高，西部地區(qū)整體發(fā)生洪澇概率較低；冬季洪澇發(fā)生頻率最高的地區(qū)在東北部，從北至南發(fā)生洪澇概率逐漸降低.從季節(jié)性干旱角度看，春季東北部發(fā)生干旱頻率較高，西部、西南部較低；夏季，中部、東北部及西南海壇島發(fā)生干旱頻率較其他地區(qū)高，其中中部地區(qū)發(fā)生干旱頻率最高；進(jìn)入秋季，發(fā)生高頻率干旱的區(qū)域較少，集中在西部和東南部的小部分地區(qū)；冬季發(fā)生高頻率干旱的區(qū)域面積最大，主要分布在中部和東部地區(qū)，中部發(fā)生干旱頻率最高，西部和東南部發(fā)生干旱概率較低.

3 結(jié)果與討論

（1）根據(jù)之前學(xué)者所做研究表明，基于Z指數(shù)確定單站旱澇等級(jí)比較合理[4].但需要指出的是，利用Z指數(shù)確定的旱澇等級(jí)是基于根據(jù)某地降水量的多少判斷是否發(fā)生旱澇的假設(shè)，即某地降水異常偏多會(huì)發(fā)生洪澇，反之異常偏少則發(fā)生干旱.因此，在利用Z指數(shù)確定的旱澇等級(jí)基礎(chǔ)上得出的旱澇頻率表示的是該區(qū)域發(fā)生降水異常偏少或降水異常偏多的概率，與旱澇災(zāi)害實(shí)際發(fā)生頻率有一定的關(guān)系，但并非就是等于旱澇發(fā)生的實(shí)際頻率.

（2）對(duì)福州市區(qū)域而言，洪澇指數(shù)H，旱澇指數(shù)G是相對(duì)值，指數(shù)大小可反映該區(qū)域旱澇程度，從而選取典型的旱澇年份或分析季節(jié)旱澇程度.1960-2010年間，從旱澇災(zāi)害的年度性特征來看，福州市有8個(gè)年份降水異常偏多而可能導(dǎo)致區(qū)域性洪澇，7個(gè)年份降水異常偏少而可能導(dǎo)致區(qū)域性干旱，無論干旱或洪澇均無明顯的時(shí)間變化趨勢特征.從旱澇災(zāi)害的季節(jié)性特征看，洪澇和干旱可以發(fā)生在任何一個(gè)季節(jié)，且具有較明顯的年代際變化特征.

（3）從福州旱澇災(zāi)害的空間分布來看，對(duì)于大范圍的福州區(qū)域來說一般不會(huì)出現(xiàn)所有站都出現(xiàn)特澇或特旱.從年度旱澇災(zāi)害分布看，無論洪澇還是干旱，福州市東北部都是發(fā)生頻率最高的地區(qū)，另外中部和西南部地區(qū)洪澇頻率較高，干旱頻率較高還有中部、東南部地區(qū).從季節(jié)性旱澇頻率來看，總體上西南地區(qū)發(fā)生季節(jié)性旱澇的頻率最低，而沿海一側(cè)（包括東北、東部、東南地區(qū)）發(fā)生季節(jié)性旱澇的頻率較高，應(yīng)加強(qiáng)旱澇災(zāi)害的抗災(zāi)減災(zāi)工作.

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責(zé)任編輯：劉 紅

Spatiotemporal Distribution of Drought and Flood Disasters over the Last 51 Years of Fuzhou City Based on Z Index

ZHANG Na，CHEN Ying*，ZHANG Liangfeng，TONG Weiming，Zhu Zhiqiang
（School of Geographic Science，F(xiàn)ujian Normal University，F(xiàn)uzhou 350007，China）

Based on the monthly precipitation data from1960 to 2010 from 9 meteorological stations located in Fuzhou city, Fujian Province,this paper analyzed the drought and flood situation of Fuzhou,51 years’s drought and flood change trends and seasonal change trends by calculating Z index of each meteorological station and regional flood and drought indexes and ranking the Z index.On this basis,using Inverse Distance Weighting interpolation of ArcGIS to get the result of temporal and spatial characteristics in Fuzhou:（1）There was no obvious temporal variation trend in drought and flood，and droughts and floods which could happen in any season,and this agreed with recorded data.（2）The northeast of Fuzhou City is the region which suffers drought and flood most frequently in a year;the southwest of Fuzhou suffered drought and flood mainly fre?quently in a season,but the coastal areas of Fuzhou city suffered with the highest frequency.

Drought and flood；Z index；Spatiotemporal Distribution；Fuzhou City

P 426.616

A

1674-4942（2015）03-0292-06

2015-06-29

國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金項(xiàng)目（J1210067）

*通訊作者