安徽省氣候變化特征與旱澇區(qū)域響應(yīng)

唐寶琪，延軍平，曹永旺，劉永林

(陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710119)

安徽省氣候變化特征與旱澇區(qū)域響應(yīng)

唐寶琪，延軍平，曹永旺，劉永林

(陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710119)

基于安徽省15個(gè)氣象站點(diǎn)1961-2013年逐月降水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，運(yùn)用線性趨勢分析、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、小波分析以及Z指數(shù)，對(duì)安徽省氣候和旱澇的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明:① 近53 a安徽省氣候經(jīng)歷了冷干-冷濕-暖濕-暖干的轉(zhuǎn)變，整體呈現(xiàn)暖濕化特征，但21世紀(jì)以來則逐漸轉(zhuǎn)變成暖干化。② 四季降水不同步，夏季和冬季降水呈上升趨勢，春季和秋季降水則呈下降趨勢，其中夏季降水增加對(duì)安徽省降水變化的貢獻(xiàn)率最大。降水周期振蕩規(guī)律顯著，存在 28, 22, 14 和4 a時(shí)間尺度上的震蕩周期。③ 近53 a安徽省旱澇事件整體上表現(xiàn)為下降趨勢，存在澇-旱-澇的循環(huán)交替過程，且年代際變化比較明顯。④ 安徽省多年平均降水在空間分布上呈現(xiàn)南多北少的格局，干旱主要發(fā)生在皖西大別山北麓地區(qū)，而洪澇主要發(fā)生在淮河一帶和長江水系下游區(qū)。

氣候變化；旱澇；Z指數(shù)；安徽省

IPCC第5次評(píng)估報(bào)告指出，未來氣候系統(tǒng)的變化仍將受全球氣候變暖的影響[1]，全球地表平均氣溫相對(duì)于1986-2005年，在2016-2035年將上升0.3～0.7 ℃，2081-2100年將上升0.3～4.8 ℃[1-2]。在全球氣候持續(xù)變暖的背景下，極端降水事件增多[3]，加劇了旱澇災(zāi)害事件發(fā)生的頻率與強(qiáng)度，對(duì)人類生存和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展造成嚴(yán)重影響，由此引起國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注。黃榮輝等[4]在全球變暖的背景下對(duì)中國旱澇氣候?yàn)?zāi)害的演變特征及發(fā)展趨勢進(jìn)行分析，得出華北和華南地區(qū)夏季降水明顯變強(qiáng)，洪澇災(zāi)害增多。齊冬梅等[5]運(yùn)用Z指數(shù)對(duì)四川地區(qū)旱澇時(shí)空變化特征進(jìn)行研究，認(rèn)為旱澇發(fā)生受高原季風(fēng)的影響。施雅風(fēng)等[6]提出我國西北氣候可能從20世紀(jì)的暖干型向暖濕型轉(zhuǎn)變。此外，學(xué)者們也分別對(duì)華東[7]、寧夏[8]、四川[9]和遼寧[10]等地的旱澇進(jìn)行了研究。

安徽省位于暖溫帶與亞熱帶的過渡區(qū)域，季風(fēng)氣候顯著，降水時(shí)空分布不均且年際變化大，全省災(zāi)害頻繁，旱澇災(zāi)害是該區(qū)域常見氣象災(zāi)害之一，對(duì)人們生產(chǎn)生活等造成嚴(yán)重影響，尤其是對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響甚大。近53 a安徽省氣溫以0.22 ℃/10 a的速度上升，與華東地區(qū)平均變暖率基本一致(0.21 ℃/10 a)，降水以10.69 mm/10 a的速度上升，整個(gè)區(qū)域出現(xiàn)暖濕化，與華東暖濕化氣候特征相一致[7]，但21世紀(jì)以來降水減少，逐漸轉(zhuǎn)變成與西北等地區(qū)相同的暖干化現(xiàn)象[7-9]，因此對(duì)安徽省旱澇災(zāi)害特征分析具有重要意義。目前，針對(duì)安徽省旱澇研究主要集中在氣候?qū)r(nóng)業(yè)的影響[11-12]、單一氣象要素變化特征[13]等，而缺乏對(duì)安徽省各分區(qū)的對(duì)比分析，以及氣候突變后旱澇的變化的研究。暨此，本文綜合運(yùn)用線性趨勢等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法、Mann-Kendalll突變檢驗(yàn)[14]和Morlet小波、Z指數(shù)法對(duì)安徽省近53 a氣候變化特征和旱澇事件進(jìn)行分區(qū)分析，并探討了旱澇變化對(duì)氣候變化的響應(yīng)，以期為該地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)建設(shè)提供若干理論依據(jù)。

1 資料與研究方法

1.1 資料來源

本文氣象數(shù)據(jù)來自于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)《中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集》，在保證數(shù)據(jù)完整，臺(tái)站分布均勻的條件下，最終選取了安徽省15個(gè)氣象站(圖1)1961-2013年的逐月氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)具有較好的連續(xù)性和代表性。文中季節(jié)按3-5月為春季，6-8月為夏季，9-11月為秋季，12月-次年2月為冬季。

1.2 研究方法

1.2.1Z指數(shù)Z指數(shù)是表示旱澇的空間分布和程度的一種數(shù)學(xué)方法，通過對(duì)降水量進(jìn)行處理而得到的服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的序列，消除了降水量平均值不同的影響，對(duì)旱澇程度具有一定的反映能力[15]。由于某一時(shí)段的降水量一般并不服從正態(tài)分布，現(xiàn)假設(shè)月、季降水量服從PersonⅢ曲線中的Γ分布，其概率密度分布為[16]：

exp[-(x-α)/β]

(1)

對(duì)降水量X進(jìn)行正態(tài)化處理，可將概率密度函數(shù)PersonⅢ型分布轉(zhuǎn)換為以Z為變量的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，其轉(zhuǎn)換公式為[17]：

(2)

式(2)中Cs為偏態(tài)系數(shù)，φi為標(biāo)準(zhǔn)變量，均可由降水資料序列計(jì)算求得，即：

式中

根據(jù)上述公式和Z變量的正態(tài)分布曲線，劃分為7個(gè)旱澇等級(jí)并確定其相應(yīng)的Z值閾值，作為單站各級(jí)旱澇等級(jí)指標(biāo)，并根據(jù)該指標(biāo)劃分的各級(jí)旱澇等級(jí)實(shí)際頻率和累積頻率法進(jìn)行適當(dāng)修正Z值閾值(表1)。

1.2.2 區(qū)域旱澇指數(shù) 區(qū)域旱澇指標(biāo)的宗旨是表征旱澇的空間分布，反映旱澇的輕重程度[18]。

以Z指數(shù)劃分的歷年單站旱澇等級(jí)為基礎(chǔ)，根據(jù)旱澇等級(jí)權(quán)重的適當(dāng)調(diào)整而得出更適用于度量區(qū)域旱澇的指標(biāo)：

(3)

(4)

式中n1-n7分別為該區(qū)域內(nèi)Z指數(shù)為1-7級(jí)的站數(shù)，n為區(qū)域總站數(shù)，I，L分別為雨澇指標(biāo)和干旱指標(biāo)。區(qū)域旱澇指數(shù)[19]：

HL=(I-L)·100%

(5)

根據(jù)上式計(jì)算出HL值作為區(qū)域旱澇指數(shù)進(jìn)行區(qū)域旱澇等級(jí)的劃分(表1)。

表1 修正的Z指數(shù)旱澇等級(jí)和區(qū)域旱澇指數(shù)Table 1 Drought and flood grades of modified Z index and regional drought index

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫變化特征

2.1.1 氣溫的年際變化 1961-2013年安徽省氣溫在波動(dòng)中呈明顯的上升趨勢(圖2)，上升速率為0.22 ℃/10 a，與華東地區(qū)平均變暖率基本一致(0.21 ℃/10 a)[20]。多年平均氣溫為15.10 ℃，年均氣溫最低值出現(xiàn)在1969年，為14.09 ℃；而最高值出現(xiàn)在2007年，為16.23 ℃，兩者相差2.15 ℃。通過對(duì)安徽省近53 a氣溫進(jìn)行Mann-kendall突變檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)(圖2)，1994年氣溫發(fā)生突變。1961-1994年原序列UF多在0值以下，說明此時(shí)段氣溫呈波動(dòng)下降趨勢，1994年后UF>0，氣溫回暖，上升速率加快，并于2001年超過了置信線，氣溫呈極顯著增加趨勢[21]。氣溫突變前后，年平均氣溫升高了0.81 ℃，突變前氣溫呈緩慢下降趨勢，全省處于一個(gè)較長的冷期，突變后氣溫快速上升，全省處于氣溫較高的暖期。

2.2 降水量的變化

2.2.1 降水的年際變化 1961-2013年安徽省降水量總體呈波動(dòng)上升趨勢(圖3)，上升速率為10.69 mm/10 a。近53 a平均降水量為1 167.01 mm，年降水量最大值出現(xiàn)在1991年，為1 587.32mm，最小值出現(xiàn)在1972年，為702.8 mm，相差884.52 mm。根據(jù)年代降水量，1960年代之后降水呈波動(dòng)上升趨勢，21世紀(jì)以來則降水呈波動(dòng)下降趨勢。

綜合氣溫和降水安徽省氣候大致可以劃分為4個(gè)階段：① 1961-1970為冷干期，年氣溫呈下降趨勢，多年平均氣溫為14.84 ℃，多年平均降水量為1 105.94 mm；② 1971-1994為冷濕期，年氣溫呈下降趨勢，多年平均氣溫為14.80 ℃，多年平均降水量為1 183.882 mm；③ 1995-2000為暖濕期，年氣溫呈顯著上升趨勢，多年平均氣溫為15.53℃，多年平均降水量為1 207.75 mm；④ 2001-2013為暖干期，年氣溫呈上升趨勢，增溫趨勢明顯，多年平均氣溫為15.65 ℃，多年平均降水量為1 164.02 mm。

圖2 1961-2013年安徽省平均氣溫變化特征和Mann-Kendall檢驗(yàn)Fig.2 The characteristics of annual temperature change and Mann-Kendal test in Anhui during 1961-2013

圖3 1961-2013年安徽省降水變化特征Fig.3 The characteristics of precipitation change in Anhui during 1961-2013

2.2.2 降水的季節(jié)變化 對(duì)安徽省近53 a季節(jié)降水進(jìn)行分析，結(jié)果表明夏、冬兩季的降水均呈上升的趨勢，而春秋兩季的降水量則呈下降趨勢。其中夏季降水增加最為明顯，冬季降水略有增加，說明近53 a來夏季降水增加對(duì)多年平均降水量的增加貢獻(xiàn)率最大。1)春季降水變化不穩(wěn)定(圖4a)，整體呈波動(dòng)下降趨勢，波動(dòng)特征明顯，下降速率為9.3 mm/10 a，1960-1970年代降水小幅增加，1980年代降水呈下降趨勢，1990年代降水穩(wěn)步上升，21世紀(jì)以來降水持續(xù)下降。2)夏季降水變化穩(wěn)定(圖4b)，近53 a均呈現(xiàn)穩(wěn)步的上升趨勢，上升速率為22.28 mm/10 a。3)秋季降水變化幅度較大(圖4c)，整體呈下降趨勢，下降速率為9.75 mm/10 a，其中1960-1980年代降水穩(wěn)步遞增，1990年代以來降水呈下降趨勢。4)冬季降水變化不明顯(圖4d)，整體呈現(xiàn)上升趨勢，上升速率為7.11 mm/10 a，主要表現(xiàn)為1960-1970年代降水平穩(wěn)上升，1980年代降水小幅下降，1990年代以來降水緩慢上升，總體略有增加。

2.2.3 小波分析 圖5為安徽省1961-2013年降水小波系數(shù)的實(shí)部。圖中正值用實(shí)線表示，反映年均降水偏大的時(shí)期，負(fù)值用虛線表示，反映年均降水偏小時(shí)期，0值用加粗實(shí)線表示，反映年均降水偏大偏小的轉(zhuǎn)折。近53 a降水量存在4個(gè)峰值，依次對(duì)應(yīng)著為28，22，14，4 a的時(shí)間尺度，其中，大尺度時(shí)間上22，28 a周期震蕩最強(qiáng)，為年降水量變化的第一主周期；中尺度時(shí)間上存在14 a周期震蕩，為年降水量變化的第二主周期；小尺度時(shí)間上存在 4 a周期震蕩，為年降水量變化的第三主周期。各時(shí)間尺度在整個(gè)時(shí)間段上表現(xiàn)較為穩(wěn)定，經(jīng)歷了澇-旱-澇-旱的交替變化，且年際變化明顯。

圖5 安徽省年均降水Morlet小波變換小波系數(shù)的實(shí)部(a) 和小波方差(b)Fig.5 Real part of Morlet wavelet analysis of the precipitation and wavelet variance in Anhui

2.3 降水的空間分布

近53 a安徽省多年平均降水在空間分布上整體呈現(xiàn)由南向北逐漸遞減的規(guī)律，具有明顯的緯度地帶性，高值中心位于南部的黃山地區(qū)，最大值為2 319.79 mm，主要受南部山地丘陵影響，多形成地形雨，降水多；低值中心位于淮河以北地區(qū)，最小值為754.36 mm，主要受緯度位置和海陸位置影響降水少(圖6)。

圖6 安徽省年降水量空間分布Fig.6 The spatial distribution of annual precipitation in Anhui

3 旱澇災(zāi)害的變化特征

3.1 旱澇災(zāi)害的時(shí)間變化特征

對(duì)安徽省1961-2013年降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行Z指數(shù)處理(圖7)，結(jié)果顯示：在時(shí)間尺度上，近53 a安徽省旱澇事件具有明顯的區(qū)域差異，皖南地區(qū)的旱澇所占比率大，等級(jí)高，其次為皖北地區(qū)，江淮之間地區(qū)旱澇相對(duì)較少。表2為近53 a安徽省旱澇發(fā)生頻率。

表2 1961-2013年安徽省旱澇災(zāi)害頻率變化Table 2 Drought and flood disaster frequency variation in Anjui during 1961-2013

1)皖南地區(qū)旱澇強(qiáng)度大，發(fā)生次數(shù)多。1960年代以偏旱為主，1970年代到20世紀(jì)末旱澇事件交替發(fā)生，主要以洪澇為主，21世紀(jì)以來以偏旱為主，僅2010年發(fā)生特大洪澇。近53 a皖南地區(qū)旱澇頻發(fā)，旱澇發(fā)生率高達(dá)91%，其中干旱頻率(49.06%)高于洪澇發(fā)生頻率(41.51%)，干旱平均2a發(fā)生一次，洪澇平均2.4 a發(fā)生一次。

2)江淮之間地區(qū)旱澇強(qiáng)度小，發(fā)生次數(shù)少。1960年代以偏旱為主，僅1967年發(fā)生特大干旱，1970-1980年代中期主要以正常年份為主，1980年代中期到20世紀(jì)末旱澇災(zāi)害交替發(fā)生，且旱澇的等級(jí)低，多為偏澇、偏旱年，21世紀(jì)以來江淮之間地區(qū)基本處于正常年份，僅2010年發(fā)生嚴(yán)重洪澇。近53 a江淮之間地區(qū)干旱事件共發(fā)生16次，平均3.3 a發(fā)生一次，洪澇共發(fā)生13次，平均4 a發(fā)生一次，正常年份占24 a，頻率為43.4%。

3)皖北地區(qū)旱澇事件發(fā)生強(qiáng)度大，發(fā)生次數(shù)較多。1960年代前5 a以偏澇為主，后5 a以干旱為主；1970年代到20世紀(jì)末旱澇年份和正常年份交替出現(xiàn)，大體相當(dāng)；21世紀(jì)以來，旱澇事件減少，等級(jí)降低，以干旱為主，僅2000、2003、2007三年發(fā)生澇災(zāi)。近53 a來皖北發(fā)生旱澇事件39次，旱澇發(fā)生率為74.5%，其中干旱共發(fā)生20次，平均2.65 a發(fā)生一次旱災(zāi)，澇災(zāi)共發(fā)生19次，平均2.79 a發(fā)生一次澇災(zāi)，正常年份占26.4%。

圖7 1961-2013年安徽省旱澇等級(jí)Fig.7 Drought and flood level in Anhui during 1961-2013

3.2 氣溫突變后旱澇的時(shí)間變化特征

對(duì)氣溫突變前后旱澇發(fā)生頻率進(jìn)行對(duì)比分析(表3)，結(jié)果表明，從區(qū)域角度看，氣溫突變后旱澇整體呈下降趨勢，僅皖南地區(qū)洪澇略有上升，其中，江淮之間地區(qū)下降幅度最大，皖南、皖北下降幅度小。

1)皖南地區(qū)旱的比率由50%下降到47.37%，下降2.63%；澇的比率由41.18%變?yōu)?2.11%，上升0.93%；正常年份比率由8.82%上升為10.53%，上升幅度為1.71%。由此可知，氣溫發(fā)生突變后，皖南地區(qū)旱澇變化較小，其中干旱事件略有下降，而洪澇略有上升，正常年份所占比率上升但整體仍以旱澇為主。

2)江淮之間地區(qū)干旱事件比率由38.24%下降到15.79%，下降幅度高達(dá)22.45%，洪澇比率由26.47%下降到21.05%，正常年份比率由35.29%上升到63.16%，上升幅度高達(dá)27.87%。氣溫發(fā)生突變后，江淮之間地區(qū)旱澇事件急劇減少，以旱災(zāi)下降最為顯著，正常年份比例快速上升。

3)皖北地區(qū)干旱事件比率由38.24%下降到36.84%，洪澇比率由38.24%下降到31.58%，正常年份比率由26.42%上升到31.58%，上升5.16%。氣溫發(fā)生突變后，皖北地區(qū)旱澇事件減少，正常年份比率增加。

3.3 旱澇災(zāi)害的空間變化特征

對(duì)各站點(diǎn)的Z指數(shù)進(jìn)行空間插值，得到安徽省旱澇事件空間分布圖。近53 a旱災(zāi)頻率整體呈西高東低的格局(圖8a)，高值中心位于皖西大別山地區(qū)和皖南黃山地區(qū)，低值中心在巢湖的東側(cè)。

表3 1994年前后安徽旱澇等級(jí)所占比例Table 3 The proportion of drought and flood grade around 1994 in Anhui %

整體上皖南地區(qū)干旱頻率差異不大，且干旱頻率相對(duì)較高。江淮之間地區(qū)干旱頻率區(qū)域差異大，呈西高東低的狀態(tài)；皖北干旱區(qū)域差異較小，旱災(zāi)呈由南向北遞減的趨勢。

圖8b為洪澇頻率空間分布圖，1961-2013年安徽省洪澇頻率高值中心位于淮河沿線，此外，在安徽境內(nèi)長江水系下游區(qū)形成次級(jí)中心，低值中心位于皖西大別山區(qū)和安徽北部碭山區(qū)。整體上皖南地區(qū)洪澇頻率較高，洪澇頻率基本一致；江淮之間地區(qū)洪澇頻率較低，僅六安地區(qū)洪澇頻率較高；皖北地區(qū)洪澇發(fā)生頻率差異大，呈現(xiàn)自淮河流域逐漸向北遞減的規(guī)律。

圖8 安徽省年尺度干旱和洪澇頻率空間分布Fig.8 Spatial distribution of the anneal drought (a) and flood (b) frequency in Anhui

4 結(jié) 論

本文利用1961-2013年安徽省月平均氣溫等資料，分析了在全球氣候變暖的背景下安徽省旱澇的時(shí)空變化特征，發(fā)現(xiàn)安徽省旱澇嚴(yán)重，具有明顯的區(qū)域性、周期性等特征。大致表現(xiàn)為：近53 a整體上呈暖濕化，21世紀(jì)以來逐漸轉(zhuǎn)變成暖干變化，與華東區(qū)域暖濕化趨勢有所不同[7]。主要結(jié)論如下：

1)近53 a氣溫以0.22 ℃/10 a的速度變暖，年均氣溫在1994年發(fā)生突變，突變前氣溫呈緩慢下降趨勢，全省處于一個(gè)較長的冷期，突變后氣溫快速上升，全省處于氣溫較高的暖期。

2)近53 a降水量呈波動(dòng)上升趨勢，上升速率為10.69 mm/10 a，1960年代到20世紀(jì)末降水呈波動(dòng)上升，21世紀(jì)初降水呈波動(dòng)下降趨勢。四季降水不同步，夏季降水增加最為明顯，冬季降水略有增加，而春秋兩季降水均呈下降趨勢。

3)在時(shí)間上，近53 a安徽省旱澇事件具有區(qū)域差異，皖南地區(qū)的旱澇嚴(yán)重，且干旱頻率高于洪澇發(fā)生頻率；皖北地區(qū)旱澇次之，但旱澇等級(jí)較高，旱、澇發(fā)生率基本一致；江淮之間地區(qū)旱澇災(zāi)害總體相對(duì)較輕，正常年份居多。

4)氣溫突變后，旱澇事件呈下降趨勢，僅皖南地區(qū)洪澇略有上升，其中江淮之間地區(qū)下降幅度最大。時(shí)間尺度上年降水存在28, 22, 14, 4 a的震蕩周期。

5)在空間上，多年平均降水呈南多北少的格局，主要受緯度位置和海陸位置影響。皖南地區(qū)旱澇頻率高，差異??；江淮之間地區(qū)干旱頻率差異大，呈西高東低的規(guī)律，洪澇發(fā)生頻率較低，僅六安地區(qū)頻率較高；皖北地區(qū)旱澇頻率呈自南向北遞減的規(guī)律。

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Climatic change and drought-flood regional responses in Anhui

TANG Baoqi，YAN Junping，CAO Yongwang，LIU Yonglin

(College of Tourism and Environmental，Shaanxi Normal University，Xi’an 710119，China)

Based on the meteorological data of 15 stations in Anhui province, influences of different disaster inducing factors on drought and flood were analyzed by using linear regression, Mann-Kendall test method, wavelet analysis andZindex to explore the trend of drought and floor in this province under global warming condition. The results showed that: ① Anhui has experienced a series of climate phase transformation from cold-dry to cold-wet, warm-wet, and warm-dry during recent 53 years, with warming and wetting trend on the whole, but warming and drying since the 21th century. ② The summer and winter precipitation shows an upward trend, while the autumn and spring precipitation decreases; summer precipitation increase makes the largest contribution to the precipitation changes. On the time scale, there are 28, 22, 14 and 4 year oscillation cycles. ③ Droughts and floods in recent 53 years present a seriously overall downward trend, with alternation of floods and droughts and an obvious inter-decadal variation. ④ In the aspect of spatial distribution, droughts mainly occur at the juncture of Wanxi area, while floods mainly occur in the Huaihe River and the Yangtze River downstream.

climate change; drought-flood;Zindex; Anhui province

10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.05.021

2015-09-14

國家重點(diǎn)社會(huì)科學(xué)基金資助項(xiàng)目(14AZD094)

唐寶琪(1991年生)，女；研究方向：區(qū)域開發(fā)與城鄉(xiāng)發(fā)展及自然災(zāi)害預(yù)測等;通訊作者：延軍平; E-mail:yanjp@snnu.edu.cn

P429

A

0529-6579(2016)05-0127-08