基于不同干旱指標(biāo)的鄭州市旱澇災(zāi)害評估

摘 要：根據(jù)鄭州市1951—2013年的年降水資料，基于降水距平百分率R指數(shù)、Z指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差d指數(shù)方法劃分鄭州市的旱澇等級，對鄭州市的旱澇情況作出評估。三種干旱指數(shù)對同一旱澇情況的響應(yīng)快慢不同，判定正常的年份是一致的，只是判定的旱澇等級存在差別。Z指數(shù)判定旱澇趨勢的可信度最高，d指數(shù)次之，R指數(shù)最低。

關(guān)鍵詞：降水距平百分率；Z指數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)差指數(shù)；旱澇等級

中圖分類號：S271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號： 1003-5168（2018）01-0158-03

Estimation of Drought and Flood in Zhengzhou City Based on

Different Drought Indexes

SONG Yanhong ZHU Xuelan PENG Gaohui ZHANG Yuanzhang

（College of Statistics，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450046）

Abstract： According to the annual precipitation data of Zhengzhou City from 1951 to 2013， the drought and flood level of Zhengzhou City was divided based on the percentage of precipitation anomaly， Z index and standard deviation index， and the drought and flood conditions are evaluated. The results showed that compared with other indexes， the Z index can accurately evaluate the drought and flood disaster in Zhengzhou City and provide reference for its later forecast.

Keywords： evaluation；Z index；standard deviation index；drought and flood rank

1 研究背景

旱澇是河南省常見的自然災(zāi)害，具有范圍廣、強(qiáng)度大、時(shí)間長的特點(diǎn)。河南省的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，每年因旱澇災(zāi)害都會(huì)遭受到嚴(yán)重?fù)p失。鄭州市位于黃河中下游地區(qū)，屬于氣候從南往北由亞熱帶過渡到暖溫帶、從東向西由平原過渡到丘陵的“兩大氣候過渡性”地區(qū)[1]。同時(shí)，鄭州市作為河南省內(nèi)陸中心地域特大城市，又是中原地區(qū)中心城市群的主要建設(shè)者，人口多、基本建設(shè)規(guī)模大、工業(yè)化程度高。因此，分析鄭州市的旱澇變化，對中原城市群的水環(huán)境研究尤為重要。

近年來，許多學(xué)者都對該地區(qū)的旱澇情況進(jìn)行了研究。王志良等依據(jù)鄭州市1951—2010年的月降水資料，利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，分析了鄭州市不同時(shí)間尺度的旱澇變化狀況；劉德林依據(jù)鄭州市1951—2008年年降水資料，采用線性傾向估計(jì)和MK變電檢測法，對鄭州市降水的年季變化趨勢、年內(nèi)分布特征及突變進(jìn)行了分析；王紀(jì)軍等依據(jù)鄭州市1955—2011年夏季降水日逐分鐘降水量資料，對鄭州市降水日的降水量及其場次的年內(nèi)和年際變化進(jìn)行分析；羅黨等依據(jù)鄭州市1955—2014年年降水資料，運(yùn)用均值-標(biāo)準(zhǔn)差法，對鄭州市的旱澇進(jìn)行了分析。但上述研究均未采用多種方法對比分析鄭州市旱澇特征的趨勢變化。為此，本文結(jié)合鄭州市的實(shí)際情況，采用降水距平百分率、Z指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差法對鄭州市的旱澇特征進(jìn)行對比分析，進(jìn)一步為鄭州市旱澇災(zāi)害的分析和預(yù)測提供參考。

2 干旱指數(shù)及旱澇標(biāo)準(zhǔn)

本文依據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma. cn/site/index.html）提供的鄭州市1951—2013年年降水量數(shù)據(jù)，用三種干旱指數(shù)來對比分析鄭州市的旱澇情況。

2.1 降水距平百分率法

降水距平百分率反映了某時(shí)段降水量相對于同期平均狀態(tài)的偏離程度。計(jì)算公式為：

[Ri=Pi-PP×100%] （1）

式（1）中：[Ri]為降水距平百分率（%）；[Pi]為每年的年降水量（mm）；[P]為多年平均值（mm）。

2.2 指數(shù)法

某一時(shí)段的降水量一般并不服從正態(tài)分布，Z指數(shù)消除了降水量平均值不同帶來的影響，其是在假定降雨量符合P-Ⅲ型分布的基礎(chǔ)上提出的。而在我國用P-Ⅲ型分布擬合某一時(shí)段的降水效果較好，因此用Z指數(shù)來判之。對降水量進(jìn)行正態(tài)化處理，可將其概率密度函數(shù)通過轉(zhuǎn)換運(yùn)算得到式（2）：

[Zi=6Cs（Cs2?i+1）13-6Cs+Cs6Cs=i=1n（xi-x）3nσ3，?i=xi-xσ] （2）

式（2）中：[Zi]為指數(shù)；[Cs]為偏態(tài)系數(shù)；[?i]為標(biāo)準(zhǔn)化變化量；[xi]為降水量（mm）；[x]為降水量的多年平均值（mm）；[σ]為均方差；n為資料年數(shù)。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)差法

標(biāo)準(zhǔn)差法反映了降水量相對于平均降水量的偏離程度，用均值和標(biāo)準(zhǔn)差能反映不同年份降水量的差異。其指標(biāo)計(jì)算公式為：

[d=1σ（Pi-P）σ=（Pi-P）2N] （3）

式中字母意義同上。

三種干旱指數(shù)的旱澇等級判斷標(biāo)準(zhǔn)見表1。為方便比較，以R、Z和d分別代表降水距平百分率、Z指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差法，并對旱澇等級進(jìn)行了賦值。

3 年降水序列分析

3.1 三種干旱指數(shù)的年降水

根據(jù)式（1）～（3）計(jì)算出三種干旱指數(shù)的指標(biāo)值，畫出對應(yīng)的折線圖（見圖1），對序列作一個(gè)整體的分析。

圖1 1951—2013年鄭州市三種干旱指數(shù)值

根據(jù)年降水資料計(jì)算得出鄭州市1951—2013年每年平均降水量為635.1mm。其中，1964年的年降水量達(dá)到1 040.7mm，而2013年的年降水量僅有353.2mm，兩者相差2.95倍，可見，年際間的降水變化量差別較大。由圖1知，三種干旱指數(shù)值的變化趨勢相同，其中降水距平百分率主要在-0.5到0.5之間波動(dòng)，而指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算的結(jié)果差異性較小。

3.2 三種干旱指數(shù)旱澇等級統(tǒng)計(jì)

為了更清楚地分析各干旱指數(shù)、不同旱澇等級上發(fā)生的次數(shù)及每年的旱澇情況，對三種干旱指數(shù)的旱澇等級進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2；以指數(shù)為指標(biāo)統(tǒng)計(jì)出不同旱澇等級發(fā)生的年數(shù)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 1951—2013年年降水量變化圖和Z指數(shù)曲線圖

鄭州市1964年降水正距平百分率為63.87%，為1951—2013年降水正距平百分率最高值；2013年降水負(fù)距平百分率為-44.38%，為異常少雨年。從表2知，鄭州市1951—2013年出現(xiàn)重澇和重旱的年份為0，而資料顯示，1984年、1998年和2003年屬于重澇，1959年和1999年屬于重旱?？梢?，與實(shí)際情況相比，降水距平百分率判別的旱澇等級在級別上偏輕。

Z指數(shù)法判斷的旱澇等級中，鄭州市干旱程度在大旱以上（大旱和重旱）的年份有13個(gè)，占總年數(shù)的20.6%，其中1986年、1997年和2013年為重旱，其他年份為大旱；發(fā)生大澇和重澇的年份共有9個(gè)，占總年數(shù)的14.3%，其中1964年、1983年和2003年為重澇。對比表2和圖2可知，其變化趨勢基本相同，當(dāng)降水量達(dá)到極大（小）值時(shí)，Z指數(shù)值也達(dá)到極大（?。┲?。由此得知，Z指數(shù)作為判定該地區(qū)旱澇程度的指標(biāo)是準(zhǔn)確可行的。

標(biāo)準(zhǔn)差法劃分的旱澇等級中，鄭州市旱澇等級為偏澇以上（包括偏澇和澇）的年份有21個(gè)，占總年數(shù)的33.3%；旱澇等級為偏旱以上的年份有21個(gè)，占總年份的33.4%；正常的年份有21個(gè)，占總年份的33.3%。其中，偏旱和偏澇的年份有24個(gè)，占總年份的38.1%。標(biāo)準(zhǔn)差法劃分的旱澇等級較少，尤其是對于澇與旱級別的劃分，沒有顯示出輕重程度，相對來說等級劃分較為粗略。

3.3 三種干旱指數(shù)的應(yīng)用比較

為了進(jìn)行評估分析，將三種干旱指數(shù)的旱澇等級結(jié)果繪制成圖（見圖3）。

當(dāng)降水量比常年同期平均降水量顯著增加（減少）時(shí)，三種干旱指數(shù)對同一旱澇情況響應(yīng)（即敏感性）的快慢程度是不同的。從圖3可以看出，這三種干旱指數(shù)判定的旱澇等級雖然有一定差別，但判定的正常年份都是一致的。利用降水距平百分率得出的旱澇等級顯示，鄭州市1951—2013年沒有發(fā)生重澇和重旱的年份，與實(shí)際情況不相符。這主要是因?yàn)榻邓嗥桨俜致蕦邓淖兓憫?yīng)比較慢，因此其反映的干旱程度也比較弱。

由式（2）可以看出，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)變量確定時(shí)，Z值主要取決于偏態(tài)系數(shù)值。這說明Z指標(biāo)不僅與降水量有關(guān)，還與該地區(qū)的降水分布特征有關(guān)。當(dāng)降水總量明顯增加或減少時(shí)，Z指標(biāo)要比降水距平百分率響應(yīng)得快。從鄭州地區(qū)的計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出，1986年和1997年降水量的顯著減少在Z指標(biāo)中以重旱等級得到體現(xiàn)，而在降水距平百分率中以偏旱的形式體現(xiàn)。

[R][d][Z][1951 1956 1961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001 2006 2011][年份][6

5

4

3

2

1][旱澇等級]

圖3 1951—2013年鄭州市三種干旱指數(shù)的旱澇等級值

與標(biāo)準(zhǔn)差法分析的結(jié)果相比較，采用Z指數(shù)所判別的旱澇等級有所不同?？傮w來說，使用標(biāo)準(zhǔn)差法和Z指數(shù)兩種方法得到的旱澇等級變化趨勢基本相同。與Z指數(shù)相比，降水距平百分率方法簡單、直觀，但對旱澇程度的敏感性較弱，且其對平均值的依賴性較大。Z指數(shù)消除了平均值的影響，比降水距平百分率響應(yīng)快，又能明顯客觀地反映出旱澇程度及變化趨勢，因此用Z指數(shù)指標(biāo)判定該地區(qū)的旱澇程度較為準(zhǔn)確。

4 結(jié)語

依據(jù)年尺度降水量數(shù)據(jù)，分別采用三種判別指數(shù)對1951—2013年鄭州市的旱澇情況進(jìn)行判別，并對三種指數(shù)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

①鄭州市的年降水量變化圖和Z指數(shù)的曲線圖有相同的趨勢，即當(dāng)降水量達(dá)到極值時(shí)，Z指數(shù)也相應(yīng)達(dá)到極值，因此，用Z指數(shù)指標(biāo)判定該地區(qū)的旱澇程度相對來說比較準(zhǔn)確。

②根據(jù)三種指數(shù)的理論知識(shí)及計(jì)算結(jié)果得知，相對來說，Z指數(shù)判別洪澇的趨勢可信度最高，d指數(shù)次之，R指數(shù)相對較低。

③文中三種干旱指數(shù)僅考慮了年降水量一個(gè)因素，能在一定程度上反映氣象干旱的特征，但未考慮人類活動(dòng)及其他因素的共同影響，因此有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]王麗娟.鄭州市50年來的氣候變化及城市化對其貢獻(xiàn)率[D].蕪湖：安徽師范大學(xué)，2010.