近50年長(zhǎng)江中下游地區(qū)旱澇時(shí)空分布

郭群善

摘要：長(zhǎng)江中下游地區(qū)是我國(guó)重要的糧棉油產(chǎn)地之一，但是頻繁發(fā)生的旱澇災(zāi)害經(jīng)常造成該區(qū)域作物減產(chǎn)。利用長(zhǎng)江中下游地區(qū)72個(gè)氣象站的逐月氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）、正交經(jīng)驗(yàn)分解函數(shù)（EOF）等方法，結(jié)合GIS技術(shù)，分析了近50年長(zhǎng)江中下游地區(qū)旱澇時(shí)空變化分布特征。結(jié)果表明：長(zhǎng)江中下游地區(qū)的旱澇SPI3空間格局既有全區(qū)一致的現(xiàn)象，也存在區(qū)域內(nèi)部南北、東西方向的差異，但是其主要特點(diǎn)依然為緯向分布型。由于受氣候影響，長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏秋兩季旱澇災(zāi)害交替發(fā)生，但以澇災(zāi)為主。

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）、正交經(jīng)驗(yàn)分解函數(shù)（EOF）、長(zhǎng)江中下游地區(qū)、旱澇災(zāi)害

中圖分類號(hào)：P468.024 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2016）04-0072-05

Abstract：The middle and lower reaches of the Yangtze River are important production bases of grains，cotton and oil crops in China， where droughts and floods occur frequently， which often result in the reduction of crop output.In this paper，based on the monthly meteorological data of 72 meteorological stations in the Yangtze River region， the temporal and spatial variation in droughts and floods of the Yangtze River region in near 50 years was analyzed using standardized precipitation index （SPI），empirical orthogonal function （EOF），and geo-statistical analysis combined with GIS technology.The results showed that the spatial distribution pattern of droughts and floods SPI3 in the Yangtze River region was almost the same in the whole region，but there was a difference in the south-north direction.Due to the climate，droughts and floods in Yangtze River region appeared alternately in summer and autumn，and the flood disaster occurred mainly in the critical period of growth and development of crop.

Key words：standardized precipitation index（SPI）；empirical orthogonal function（EOF）；the middle and downstream area of Yangtze River；drought-flood

長(zhǎng)江中下游地區(qū)多為平原地區(qū)，降水時(shí)空變化很大，旱澇災(zāi)害嚴(yán)重。據(jù)人地系統(tǒng)主題數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，1980年-1995年16年間，發(fā)生澇漬災(zāi)害的年份有15年。

本文旨在研究分析長(zhǎng)江中下游地區(qū)旱澇災(zāi)害發(fā)生的時(shí)空分布規(guī)律，當(dāng)前評(píng)價(jià)旱澇時(shí)空特征的方法主要有Palmer旱澇指數(shù)[1]、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）[2]、Z指數(shù)[3-4]等相關(guān)旱澇指數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)區(qū)域旱澇強(qiáng)度的指數(shù)，它的計(jì)算只需要超過30年的降水量觀測(cè)資料，即可計(jì)算不同時(shí)間尺度的旱澇指數(shù)。SPI指標(biāo)的計(jì)算具有穩(wěn)定性好、對(duì)于旱澇災(zāi)害反映靈敏、能夠滿足任意時(shí)間尺度的指標(biāo)計(jì)算、計(jì)算簡(jiǎn)單、資料容易獲取的優(yōu)點(diǎn)，不足之處在于未考慮水分支出。本文通過采用高橋浩一郎公式[5-6]計(jì)算蒸發(fā)量來(lái)考慮水分支出，并利用正交經(jīng)驗(yàn)分解函數(shù)（EOF）、對(duì)單站SPI進(jìn)行空間分析，研究旱澇災(zāi)害的時(shí)空分布特征，進(jìn)而明確旱澇災(zāi)害發(fā)生的規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)以及空間分布特征和變異規(guī)律，為該地區(qū)的澇漬災(zāi)害防治提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

數(shù)據(jù)資料來(lái)源于中國(guó)氣象局?jǐn)?shù)據(jù)共享平臺(tái)（www.cma.gov.cn），包括長(zhǎng)江中下游河南、上海、湖北、湖南、江蘇、安徽、江西、浙江八省（市）共72個(gè)地氣象站1960年-2010年逐月降水和平均氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)，站點(diǎn)分布見圖1。

1.2 研究方法

旱澇實(shí)際上是指某地水分的缺余，其不僅與降雨量的多少有關(guān)，還與蒸發(fā)量相關(guān)。因此，在定義單站旱澇指數(shù)時(shí)，采用降水量與蒸發(fā)量之差作為來(lái)計(jì)算旱澇指數(shù)。計(jì)算蒸發(fā)量的方法采用高橋浩一郎[5-6]公式：

設(shè)某一時(shí)間尺度下的水分余缺為X， 計(jì)算SPI的方法根據(jù)文獻(xiàn)[7-11]進(jìn)行，將某一時(shí)間尺度的水分余缺時(shí)間序列看作服從Γ分布，考慮了水分余缺服從偏態(tài)分布的實(shí)際，通過水分余缺的Γ分布概率密度函數(shù)求累積概率，再將累積概率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理而得到。

根據(jù)《氣象干旱等級(jí)》（GB/T 20481-2006）中旱澇的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)及等級(jí)命名， 并參考國(guó)內(nèi)外應(yīng)用 SPI 研究旱澇的相關(guān)文獻(xiàn)[12-13，19-21]，對(duì)單站旱澇嚴(yán)重程度的等級(jí)進(jìn)行劃分。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時(shí)間尺度旱澇變化特征

SPI具有多時(shí)間尺度（1， 3， 6， 12， 24， 48個(gè)月等）的特征，如12月份1個(gè)月時(shí)間尺度的SPI1代表了12月份降水量的標(biāo)準(zhǔn)差，12月份3個(gè)月時(shí)間尺度SPI3代表了10月-12月3個(gè)月降水量的標(biāo)準(zhǔn)差， 12月份12個(gè)月時(shí)間尺度SPI12代表了1月-12月12個(gè)月降水量的標(biāo)準(zhǔn)差。本文主要分析1個(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月和12個(gè)月時(shí)間尺度的SPI。

從圖2中SPI12時(shí)間尺度下旱澇指數(shù)逐月變化過程可以看出，長(zhǎng)江中下游地區(qū)1963年-2010年共出現(xiàn)區(qū)域性重旱8次，其中1963年、1978年、1979年出現(xiàn)持續(xù)性區(qū)域重旱，持續(xù)時(shí)間均在3個(gè)月以上，1978和1979年持續(xù)時(shí)間更是長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月以上；區(qū)域性重澇共出現(xiàn)8次，其中1973年、1998年、2000年、2002年、2003年出現(xiàn)持續(xù)性區(qū)域重澇，持續(xù)時(shí)間均在3個(gè)月以上，1973年和1998年持續(xù)時(shí)間更是長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月以上。

在完成不同時(shí)間尺度的單站SPI計(jì)算后，利用式3計(jì)算區(qū)域旱澇指數(shù)（圖2）?？梢钥闯觯煌瑫r(shí)間尺度相應(yīng)的區(qū)域旱澇指數(shù)IFD值沿時(shí)間上下振動(dòng)，時(shí)間尺度越短振幅越大，這種交替變化越明顯。IFD1能夠較好地說明旱澇發(fā)生時(shí)間與嚴(yán)重程度。IFD3也屬于短時(shí)間尺度，但能夠能較好反映旱澇的季節(jié)性變化特征。IFD6與IFD12則為長(zhǎng)時(shí)間尺度，其數(shù)值隨著時(shí)間尺度的增長(zhǎng)受短期降水的影響不斷減小，周期比較明顯，特征比較穩(wěn)定，能夠反映長(zhǎng)期旱澇變化的趨勢(shì)。隨著時(shí)間尺度的增加，旱澇等級(jí)會(huì)發(fā)生變化，而且旱澇的起始和結(jié)束時(shí)間相應(yīng)延后，能夠充分反映了前期降水變化的累積影響[8]。

2.2 不同季節(jié)旱澇變化特征

農(nóng)業(yè)旱澇變化狀況的季節(jié)旱澇分析通常采用3個(gè)月時(shí)間尺度的區(qū)域性SPI（IFD）指標(biāo)[14-18]，因此，本研究采用SPI3（IFD3）來(lái)分析區(qū)域旱澇的季節(jié)變化，用方差分析每個(gè)季節(jié)旱澇的變化幅度。

近50年春夏秋冬四季區(qū)域性SPI3指標(biāo)（IFD3）的方差分別為：春季為50.19，夏季為28.42，秋季為21.40，冬季為38.38，可以看出春季旱澇變化幅度最大，冬季次之，秋季最小。

春季（見圖3）：1961年-1974年旱澇災(zāi)害頻繁交替發(fā)生，且1965年為50年最嚴(yán)重干旱；1975年-1979年比較平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)比較嚴(yán)重的區(qū)域性旱澇災(zāi)害；1980年-1987年區(qū)域性旱澇災(zāi)害交替發(fā)生，且災(zāi)情比較嚴(yán)重；1987年-1998年區(qū)域性旱澇災(zāi)害比較嚴(yán)重，以水澇災(zāi)害為主，1999年出現(xiàn)嚴(yán)重的旱災(zāi)；2000年-2008年比較平穩(wěn)，2009年出現(xiàn)嚴(yán)重旱災(zāi)。春季SPI3（IFD3）趨勢(shì)線傾向率0.0004，說明從長(zhǎng)期變化趨勢(shì)上看，長(zhǎng)江中下游春季旱災(zāi)減少，水澇災(zāi)害加重。

夏季（圖4）：1961年-1977年長(zhǎng)江中下游地區(qū)旱澇災(zāi)害交替發(fā)生且災(zāi)情比較嚴(yán)重，且以水澇災(zāi)害為主，出現(xiàn)重澇以上災(zāi)情共有1964、1973、1975、1977共4個(gè)年份，僅1971年出現(xiàn)重旱以上災(zāi)情；1978年-1991年比較平穩(wěn)，僅1985年出現(xiàn)重旱災(zāi)情，1991年出現(xiàn)重澇災(zāi)情；1992年-1998年比較平穩(wěn)，沒有重旱或重澇災(zāi)情的發(fā)生；1999年-2010年，重災(zāi)以上災(zāi)情的旱澇災(zāi)害交替且頻繁發(fā)生。夏季SPI3（IFD3）趨勢(shì)線傾向率-0.0001，說明從長(zhǎng)期變化趨勢(shì)上看，長(zhǎng)江中下游夏季水澇災(zāi)害減少，旱災(zāi)呈微弱增加趨勢(shì)。

秋季（圖5）：從1961年-1995年，長(zhǎng)江中下游地區(qū)區(qū)域性重旱災(zāi)害發(fā)生頻繁，分別出現(xiàn)于1966年、1972年、1978年，區(qū)域性重澇災(zāi)害沒有發(fā)生；自1996年-1999年，在1996年、1998年、1999年發(fā)生三次區(qū)域性重澇災(zāi)害；2000年-2010年沒有發(fā)生嚴(yán)重的旱澇災(zāi)害。秋季SPI3（IFD3）趨勢(shì)線傾向率0.0002，說明從長(zhǎng)期變化趨勢(shì)上看，長(zhǎng)江中下游秋季旱災(zāi)呈減少趨勢(shì)，水澇災(zāi)害呈加重趨勢(shì)。

冬季（圖6）：1961年冬季發(fā)生重澇災(zāi)害， 1962年-1971年，長(zhǎng)江中下游地區(qū)冬季主要以旱災(zāi)為主；1972年-1979年，嚴(yán)重旱澇災(zāi)害交替頻繁發(fā)生，其中1973年12月其區(qū)域性旱澇指標(biāo)為-18；1979年12月其區(qū)域性旱澇指標(biāo)為-22.9，說明這兩年冬季發(fā)生極為嚴(yán)重的干旱；1980年-1987年，除1980年10月和1983年11月發(fā)生重澇災(zāi)害外，其余年份冬季沒有嚴(yán)重旱澇災(zāi)害發(fā)生；1988年-1996年，區(qū)域性干旱災(zāi)害發(fā)生頻繁，分別于1988年、1992年發(fā)生嚴(yán)重干旱；1997年-2006年，旱澇災(zāi)害交替發(fā)生，主要以水澇災(zāi)害為主，其中1997年、2002年出現(xiàn)重澇以上的災(zāi)情；2007年以后，以旱災(zāi)為主要災(zāi)害，分別于2007和2009年發(fā)生重旱災(zāi)害。計(jì)算冬季SPI3（IFD3）趨勢(shì)線傾向率-0.0002，說明從長(zhǎng)期變化趨勢(shì)上看，長(zhǎng)江中下游冬季水澇災(zāi)害減少，旱災(zāi)呈弱增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2.3 旱澇空間分布特征

應(yīng)用正交經(jīng)驗(yàn)分解函數(shù)對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)各個(gè)觀測(cè)站SPI3進(jìn)行分析，并將結(jié)果在地理信息系統(tǒng)分析軟件中進(jìn)行空間分析。

由表1可以看出，長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水量場(chǎng)收斂性很好，第一特征向量的方差占總體方差的1/3左右，前5個(gè)特征向量方差累積貢獻(xiàn)率分別達(dá)72.30%，第五個(gè)以后所占貢獻(xiàn)很小，期間差異也很小。顯然，前五個(gè)主成分及其特征向量就可以很好地表征長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水變化和空間分布特征。

第一特征向量均為負(fù)值，取值范圍在-0.2～-0.8之間 ，而且高荷載值集中于岳陽(yáng)、嘉魚、黃石一帶，這表明由于降水受大尺度天氣形勢(shì)影響，長(zhǎng)江中下游地區(qū)旱澇具有總體一致的變化趨勢(shì)，而且中部地區(qū)對(duì)全區(qū)域旱澇的貢獻(xiàn)大于北部和南部，是旱澇變率最大的地區(qū)。

第二特征向量取值范圍為-0.5～0.6之間，南方為正值區(qū)，北方為負(fù)值區(qū)，反映了南北相反的旱澇發(fā)生趨勢(shì)，且向南北兩個(gè)方向這種趨勢(shì)表現(xiàn)更為明顯，這方面的表現(xiàn)主要是受季風(fēng)等氣候引起的南北降水量變異的影響。

第三特征向量取值范圍為-0.5～0.4之間，東南方為正值區(qū)，西北方為負(fù)值區(qū)，反映了東西相反的旱澇發(fā)生趨勢(shì)，且向東西兩個(gè)方向這種趨勢(shì)表現(xiàn)更為明顯。

第四特征向量取值范圍為-0.4～0.4之間，從南向北分為三個(gè)區(qū)域，其中南北兩個(gè)區(qū)域?yàn)樨?fù)值區(qū)，中部區(qū)域?yàn)檎祬^(qū)，反映了南北兩個(gè)區(qū)域和中部區(qū)域相反的旱澇發(fā)生趨勢(shì)。

第五特征向量取值范圍為-0.3～0.3之間，分為四個(gè)區(qū)域，其中東西兩個(gè)區(qū)域?yàn)樨?fù)值區(qū)，南北兩個(gè)區(qū)域正值區(qū)，反映了旱澇發(fā)生趨勢(shì)在東西和南北方向上和差異。

將SPI3通過EOF展開方法，從其特征向量分布規(guī)律可以看出，長(zhǎng)江中下游地區(qū)的旱澇空間格局既有全區(qū)一致的現(xiàn)象，也存在區(qū)域內(nèi)部南北、東西方向的差異以及地形因子的差異，但是其主要特點(diǎn)依然為緯向分布型。

3 結(jié)論

由于降水受大尺度天氣形勢(shì)影響，長(zhǎng)江中下游地區(qū)旱澇具有總體一致的變化趨勢(shì)，中部為旱澇脆弱區(qū)。由于受季風(fēng)等氣候引起的南北降水量變異的影響，南北具有相反的旱澇發(fā)生趨勢(shì)，且向南北兩個(gè)方向這種趨勢(shì)表現(xiàn)更為明顯。受地理位置等方面的地理因素的影響，在東西方向上呈相反的旱澇發(fā)生趨勢(shì)，且向東西兩個(gè)方向這種趨勢(shì)表現(xiàn)更為明顯。

近50年春夏秋冬四季區(qū)域性三個(gè)月時(shí)間尺度旱澇指標(biāo)（IFD3）的方差分別為：春季為50.19，夏季為28.42，秋季為21.40，冬季為38.38，春季旱澇變化幅度最大，冬季次之，秋季最小。長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏秋兩季旱澇災(zāi)害交替發(fā)生，且以澇災(zāi)為主，且澇災(zāi)多發(fā)生在夏秋兩季。

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