基于多尺度SPI的廣西干濕特征與未來(lái)趨勢(shì)

胡甲秋,楊云川,2,3,鄧思敏,廖麗萍,2,3,楊星星,莫崇勛,2,3， 肖 良,2,3

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,南寧 530004; 2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南寧 530004; 3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣西大學(xué),南寧 530004)

在全球氣候變暖的背景下，我國(guó)近年干旱和雨澇災(zāi)害頻次呈增加的態(tài)勢(shì)[1]，特別是南方地區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)旱澇互現(xiàn)、旱澇并存現(xiàn)象顯著突出[1-2]。而廣西地處我國(guó)南方，在太平洋冬夏季風(fēng)交替和地理環(huán)境的雙重影響下[3]，降水時(shí)空分布不均，旱澇并存、旱澇急轉(zhuǎn)事件頻繁發(fā)生[4]，且旱澇呈多尺度變化之態(tài)[5]，突出的旱澇問(wèn)題已對(duì)廣西地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大威脅[3]。

旱澇急轉(zhuǎn)是一種在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生旱澇交替的異常旱澇現(xiàn)象，具有隱蔽性、轉(zhuǎn)折型、突發(fā)性等特性，預(yù)防和救災(zāi)難度大[4]；而氣象干濕特征作為區(qū)域降水的直接反映，不同時(shí)間尺度下的干濕特征差異顯著，因此對(duì)區(qū)域開(kāi)展多尺度干濕特征及干濕急轉(zhuǎn)研究具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義，此前已有諸多學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了相關(guān)的研究工作[5-7]，就廣西而言，唐伍斌[8]采用Z指數(shù)等方法對(duì)廣西旱澇時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)全區(qū)性偏澇或偏旱是秋冬季旱澇分布的主要型態(tài)；姚蕊等[3]采用SPI指數(shù)和REOF等方法對(duì)1961—2008年廣西旱澇時(shí)空特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)廣西旱澇呈階段性變化，并劃分了桂東北、桂西北、桂東南、桂西南4個(gè)旱澇區(qū)；何慧等[4]基于88個(gè)地面氣象站點(diǎn)逐日降雨資料分析了2013年廣西夏季旱澇急轉(zhuǎn)特征，表明廣西2013年夏季總降水量雖接近正常，但還是發(fā)生了旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象；縱觀前人的研究發(fā)現(xiàn)，之前的相關(guān)研究普遍存在以下問(wèn)題：(1) 研究數(shù)據(jù)數(shù)量稀疏、分布不均、且連續(xù)性差；(2) 只集中于濕潤(rùn)或干旱的研究；(3) 對(duì)廣西干濕急轉(zhuǎn)與多尺度干濕方面的分析少；(4) 應(yīng)用于廣西干濕特征風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、預(yù)測(cè)預(yù)警等方面的分析討論較少。

因此，本文基于日本APHRODITE(Asian Precipitation-Highly Resolved Observational Data Integration Towards Evaluation of Water Resources)高分辨率逐日亞洲陸地降水?dāng)?shù)據(jù)集[9]和TRMM[10](Tropical Rainfall Measuring Mission)衛(wèi)星降雨產(chǎn)品，采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)作為氣象干濕演變分析指標(biāo)，對(duì)廣西月、季、年多個(gè)尺度的氣象干濕特征和未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行分析，為廣西地區(qū)進(jìn)行更為有效的區(qū)域旱澇預(yù)警及災(zāi)害防治奠定基礎(chǔ)和提供科學(xué)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

廣西壯族自治區(qū)地處我國(guó)南疆，位于東經(jīng)104°26′—112°04′，北緯20°54′—26°24′，全區(qū)總面積23.67萬(wàn)km2，占全國(guó)陸地面積2.5%。區(qū)域內(nèi)地形復(fù)雜多變，盆地相雜、丘陵錯(cuò)綜、喀斯特廣布，地勢(shì)總體上呈西北高、東南低，并由西北向東南傾斜的特征。廣西地屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，夏季盛行偏南風(fēng)、冬季盛行偏北風(fēng)，受兩者交替影響，降水分布不均，年際變化大。多年來(lái)，區(qū)域各類(lèi)水災(zāi)害頻繁發(fā)生。

本文采用的降水資料包括APHRODITE中亞子數(shù)據(jù)集APHRO_MAV1003 R1逐日降水?dāng)?shù)據(jù)集和TRMM 3B42V7的3 h降雨數(shù)據(jù)，其中，APHRO_MAV1003 R1[9]空間范圍為15°S—55°N，60°—150°E，空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)段為1951—2007年；而TRMM 3B42V7[11]空間范圍為50°N—50°S，空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)段為1998—2015年。本研究綜合上述兩組降雨數(shù)據(jù)集，提取廣西及其周邊0.5°緩沖區(qū)范圍共546個(gè)站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)；APHRO_MAV1003R1逐日降水和TRMM 3B42V7的3 h降雨分別通過(guò)累加得到月、季、年尺度降水?dāng)?shù)據(jù)集，然后通過(guò)組合兩種降水?dāng)?shù)據(jù)形成1951年1月—2016年2月的廣西月、季、年尺度下的降雨數(shù)據(jù)；年尺度按1月到12月計(jì)算，季節(jié)尺度按春季3—5月、夏季6—8月、秋季為9—11月、冬季為12—2月計(jì)算。

1.2 研究方法

(1) 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)最早由MCKEE等[12]提出，由Γ分布概率密度函數(shù)求累積概率，再將累積概率進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化求得，具有穩(wěn)定的計(jì)算特性，在不同區(qū)域和時(shí)段均能有效地反映干濕狀況。具體計(jì)算過(guò)程詳見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)[13-14]。干濕等級(jí)劃分如表1。

(2) 干濕特征分析指標(biāo)。本文基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)，采用干濕頻率、干濕站次比和干濕強(qiáng)度分析評(píng)價(jià)各尺度下區(qū)域的干濕特征。其中，干濕頻率可評(píng)價(jià)區(qū)域在一定時(shí)段內(nèi)干濕發(fā)生的頻繁程度；采用區(qū)域干濕發(fā)生的站次比來(lái)表征干濕影響范圍，干濕范圍可評(píng)估研究區(qū)域干濕發(fā)生范圍的大??；干濕強(qiáng)度用來(lái)表征干濕災(zāi)害發(fā)生的嚴(yán)重程度[13]。

表1 多時(shí)間尺度的SPI干濕等級(jí)劃分表

2 結(jié)果與分析

2.1 廣西多時(shí)間尺度SPI干濕變化特征

分別計(jì)算廣西近65 a(1951—2015年)月、季、年尺度的SPI值，結(jié)果如圖1所示。月尺度SPI序列正負(fù)波動(dòng)頻繁、干濕急轉(zhuǎn)現(xiàn)象顯著，其與月降雨序列的波動(dòng)變化基本一致；而季、年尺度SPI序列波動(dòng)頻次較月尺度有明顯的減少，干濕轉(zhuǎn)化過(guò)程更平緩，對(duì)月降雨量變化的響應(yīng)明顯減弱。另一方面，月尺度SPI序列的頻繁波動(dòng)更能體現(xiàn)序列的隨機(jī)成分特征；而季、年尺度SPI序列的波動(dòng)更能體現(xiàn)序列的周期變化特征。此外，從各尺度干濕發(fā)生頻次看(表2)，近65 a廣西月、季、年尺度發(fā)生濕潤(rùn)的頻次分別為3.88次/a，1.12次/a，0.26次/a，干旱的頻次分別為3.54次/a，1.17次/a，0.25次/a，也即隨著時(shí)間尺度的增大，干旱及濕潤(rùn)的發(fā)生頻次均隨之減少。

綜上可知，廣西不同時(shí)間尺度SPI序列對(duì)干濕演變規(guī)律的表征差異顯著，較小的時(shí)間尺度能更好地反映干濕的隨機(jī)性特征，表現(xiàn)為較頻繁的干濕交替現(xiàn)象；較大的時(shí)間尺度能更好地反映干濕轉(zhuǎn)化的周期性特征，并不同程度地均化了SPI值，降低了干濕頻次。

表2 不同時(shí)間尺度干濕等級(jí)頻次統(tǒng)計(jì)表 次/a

2.2 廣西多時(shí)間尺度SPI干濕綜合特征

2.2.1 SPI干濕頻率特征 基于SPI的廣西(1951—2015年)月、季、年尺度濕潤(rùn)、干旱發(fā)生頻率空間分布分別附圖4—7。

廣西近65 a來(lái)，濕潤(rùn)發(fā)生頻率的空間分布在月、季、年不同時(shí)間尺度上存在顯著的差異。在年尺度上，濕潤(rùn)頻率平均值為26.20%，最大值為46.15%，高值出現(xiàn)在桂西南、桂西北和桂中地區(qū)，低值出現(xiàn)在百色、桂林及北海局部地區(qū)。在季尺度上，濕潤(rùn)頻率總體呈“春秋大，夏冬小”分布，其中，春、秋季濕潤(rùn)頻率在全區(qū)范圍內(nèi)普遍大于30%，而夏、冬季濕潤(rùn)頻率在全區(qū)大部分區(qū)域均小于30%，夏季主要呈中部向南、北方向遞減分布，冬季呈現(xiàn)由南向北遞減分布。在月尺度上，不同月份濕潤(rùn)頻率空間分布差異顯著，其中，2月、4月、8月是全區(qū)濕潤(rùn)頻發(fā)的月份，濕潤(rùn)頻率普遍大于40%，而6月、7月為全區(qū)濕潤(rùn)頻率最低月份，普遍小于30%。

廣西近65 a來(lái)，干旱發(fā)生頻率空間分布在月、季、年不同時(shí)間尺度上也存在顯著的差異。在年尺度上，干旱頻率平均值為28.42%，最大值為46.15%，高值出現(xiàn)在桂西南和桂中局部地區(qū)，低值出現(xiàn)在百色及桂林局部地區(qū)。在季尺度上，干旱頻率總體亦呈“春秋大，夏冬小”分布，且春、秋季干旱頻率普遍大于30%，其中春季在桂南局部、秋季在桂西北、桂東局部干旱頻率大于40%；而冬季干旱頻率基本在20%～30%，并呈現(xiàn)由東南向西北遞減分布，夏季普遍小于20%，大體呈“西北高、東南低”分布。在月尺度上，不同月份干旱頻率空間分布差異明顯，其中，4月、8月濕潤(rùn)頻率最大，基本大于40%，1月、2月、6月全區(qū)濕潤(rùn)頻率較低，平均干旱頻率均小于26%。

濕潤(rùn)頻率與干旱頻率空間分布在年尺度上分布較一致，在桂中及桂東南局部均出現(xiàn)了濕潤(rùn)和干旱頻率高值中心，在桂西北局部出現(xiàn)濕潤(rùn)和干旱頻率低值中心；在季尺度上，春、秋、冬季干濕空間分布較為一致，但夏季干濕分布存在顯著差異；在月尺度上，各月份濕潤(rùn)和干旱頻率較年、季尺度有更顯著的空間差異性。

圖1 1951-2015年廣西月、季、年尺度SPI及月降雨序列變化

2.2.2 SPI干濕影響范圍特征 由圖2可知，廣西近65 a來(lái)，濕潤(rùn)和干旱影響范圍在月、季、年不同時(shí)間尺度上亦存在顯著差異。一方面，在年尺度上，發(fā)生區(qū)域性及以上濕潤(rùn)的年數(shù)為21 a，其中全域性濕潤(rùn)為16 a。在季尺度上，春、夏、秋、冬季發(fā)生區(qū)域性及以上濕潤(rùn)的年數(shù)分別為35 a，16 a，31 a，24 a，其中全域性濕潤(rùn)分別為22 a，7 a，25 a，14 a。在月尺度上，各月發(fā)生區(qū)域性及以上濕潤(rùn)年數(shù)在17～40 a(基本以全域性濕潤(rùn)為主)，其中4月發(fā)生年數(shù)最多，6月發(fā)生年數(shù)最少。另一方面，在年尺度上，發(fā)生區(qū)域性及以上干旱的年數(shù)為26 a，其中全域性干旱為19 a。在季尺度上，春、夏、秋、冬季發(fā)生區(qū)域性及以上干旱的年數(shù)分別為29 a，23 a，29 a，27 a，其中全域性干旱分別為19 a，14 a，24 a，15 a。在月尺度上，各月發(fā)生區(qū)域性及以上干旱年數(shù)在19～28 a(基本以全域性干旱為主)，其中2月發(fā)生年數(shù)最多，8月發(fā)生年數(shù)最少。通過(guò)對(duì)比濕潤(rùn)和干旱影響范圍可知，不同時(shí)間尺度下干濕影響范圍的效應(yīng)不同。在年尺度上，區(qū)域性及以上干旱的年數(shù)比濕潤(rùn)年數(shù)多；在季尺度上，夏、冬季區(qū)域性及以上干旱的年數(shù)比濕潤(rùn)年數(shù)多，但春、秋季發(fā)生區(qū)域性及以上干旱的年數(shù)比濕潤(rùn)年數(shù)少；在月尺度上，大部分月份發(fā)生區(qū)域性及以上干旱的年數(shù)比濕潤(rùn)年數(shù)少，僅6月、7月、12月情況相反。

由表3可知，廣西不同時(shí)間尺度干濕站次比增減變化趨勢(shì)差異明顯，年尺度濕潤(rùn)和干旱均呈增大趨勢(shì)；而對(duì)干濕影響范圍均較大的春季來(lái)說(shuō)，濕潤(rùn)和干旱分別呈減弱和增大趨勢(shì)，秋、冬季節(jié)干濕基本上呈增加趨勢(shì)，而夏季干旱趨于減弱、濕潤(rùn)趨于增強(qiáng)；對(duì)于月尺度而言，各月份增減趨勢(shì)存在較大差異，無(wú)明顯時(shí)間分布規(guī)律，其中干濕影響范圍最大的4月、8月濕潤(rùn)均趨于減弱，干旱趨于增強(qiáng)。

根據(jù)月、季、年尺度SPI值大于1.5(重濕)和小于-1.5(重旱)的站次比，得廣西近65 a來(lái)各尺度下重度及以上的濕潤(rùn)、干旱影響范圍隨時(shí)間變化曲線(圖3)。一方面，時(shí)間尺度越大，干濕站次比序列波動(dòng)越強(qiáng)烈，波動(dòng)頻次越高，全區(qū)大范圍發(fā)生重度及以上干濕的概率越小。另一方面，對(duì)比干旱和濕潤(rùn)站次比序列可發(fā)現(xiàn)，在同一時(shí)刻旱(濕)站次比高時(shí)，對(duì)應(yīng)的濕(旱)站次比較低，表明不同時(shí)刻廣西地區(qū)干濕交替現(xiàn)象顯著，且時(shí)間尺度越小，交替越頻繁、也即交替周期越短。

2.2.3 SPI干濕強(qiáng)度特征 由圖4及表4可知，廣西近65 a來(lái)，濕潤(rùn)和干旱強(qiáng)度在月、季、年不同時(shí)間尺度上亦存在顯著差異。就濕潤(rùn)強(qiáng)度而言，在年尺度上，多年平均濕潤(rùn)強(qiáng)度為0.84，近65 a發(fā)生中度及以上濕潤(rùn)的年數(shù)為21 a；在季尺度上，春季濕潤(rùn)強(qiáng)度最大，為1.53，接著依次為秋季、冬季、夏季，春、夏、秋、冬季發(fā)生中度及以上濕潤(rùn)的年數(shù)分別為52 a，7 a，48 a，18 a；在月尺度上，各月濕潤(rùn)強(qiáng)度分布在0.58～2.28，中度及以上濕潤(rùn)年數(shù)在1～56 a，其中4月濕潤(rùn)強(qiáng)度及中度以上濕潤(rùn)發(fā)生年數(shù)最多，而7月濕潤(rùn)強(qiáng)度最低，6月中度以上濕潤(rùn)發(fā)生年數(shù)最少。就干旱強(qiáng)度而言，在年尺度上，多年平均干旱強(qiáng)度為-0.79，發(fā)生中度及以上干旱的年數(shù)為16 a；在季尺度上，春季干旱強(qiáng)度最嚴(yán)重，為-1.36，接著依次為秋季、冬季、夏季，春、夏、秋、冬季發(fā)生中度及以上干旱的年數(shù)分別為52 a，7 a，41 a，18 a；在月尺度上，各月干旱強(qiáng)度分布在-2.10～-0.62，發(fā)生中度及以上干旱年數(shù)在1～56 a，其中4月干旱強(qiáng)度及中度以上干旱發(fā)生年數(shù)最多，而7月干旱強(qiáng)度最低，6月中度以上干旱發(fā)生年數(shù)最少。對(duì)比不同時(shí)間尺度下的濕潤(rùn)強(qiáng)度與干旱強(qiáng)度可知，廣西濕潤(rùn)和干旱的強(qiáng)度發(fā)生頻率在大部分時(shí)段下基本相同，但在春季、秋季、4月、5月、8月時(shí)段濕潤(rùn)強(qiáng)度發(fā)生頻率顯著大于干旱強(qiáng)度發(fā)生頻率。

從表4可知，廣西各時(shí)間尺度下干濕強(qiáng)度及其強(qiáng)弱增減趨勢(shì)存在顯著差異，其中4月、8月干濕強(qiáng)度最大，多年平均濕潤(rùn)強(qiáng)度SPI大于1.18，干旱強(qiáng)度SPI小于-1.6，且濕潤(rùn)強(qiáng)度均呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，而干旱強(qiáng)度均呈增大趨勢(shì)。

近65 a廣西地區(qū)不同時(shí)間尺度干濕強(qiáng)度隨時(shí)間變化的特征如圖5所示，從圖可知，一方面，不同時(shí)間尺度濕潤(rùn)強(qiáng)度隨時(shí)間變化存在較大差異，時(shí)間尺度越小，濕潤(rùn)強(qiáng)度SPI序列波動(dòng)幅度越大、波動(dòng)頻率越高、濕潤(rùn)突變?cè)筋l繁，受短期降水影響越劇烈。另一方面，干旱強(qiáng)度SPI在月、季、年尺度下隨時(shí)間變化也存在較大差異，時(shí)間尺度越小，干旱強(qiáng)度SPI序列波動(dòng)幅度越大、波動(dòng)頻率越高、干旱突變?cè)筋l繁，受短期無(wú)雨日數(shù)影響越劇烈。對(duì)比濕潤(rùn)和干旱強(qiáng)度隨時(shí)間變化特征可知，廣西在月、季、年尺度下均存在較明顯的干濕交替特征，且隨時(shí)間尺度越小，干濕交替越頻繁，也即交替周期越短。

圖2 廣西不同時(shí)間尺度區(qū)域性和全域性干濕分布情況

2.3 廣西多時(shí)間尺度SPI干濕未來(lái)趨勢(shì)

表3 廣西不同時(shí)間尺度SPI干濕站次比變化趨勢(shì)

圖3 廣西月、季、年尺度重度及以上干濕影響范圍隨時(shí)間的變化特征

圖4 廣西月、季、年尺度中濕(旱)、重濕(旱)和極濕(旱)強(qiáng)度的頻次分布特征

由附圖8A1—Q1可知，廣西過(guò)去65 a的SPI序列傾向率空間分布、增減趨勢(shì)差異顯著，年、夏季SPI序列主要呈增大趨勢(shì)，春、秋、冬季大部分地區(qū)增減趨勢(shì)不明顯，但局部地區(qū)呈減小或增大趨勢(shì)。而各月份SPI傾向率空間分布差異較大，其中總體趨于減小月份為：2月、4月、8月、10月，趨于增大為：5月、6月、7月、11月，而其他月份全區(qū)大部分地區(qū)增減趨勢(shì)不明顯。結(jié)合Hurst指數(shù)特征可知，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，廣西大部分地區(qū)在不同時(shí)間尺度下SPI序列變化趨勢(shì)與過(guò)去變化特征一致。

由附圖8(A2—Q2)可知，廣西不同時(shí)間尺度SPI序列Hurst指數(shù)基本大于0.5(持續(xù)性)，僅冬季、6月、12月局部地區(qū)小于0.5(反持續(xù)性)；但不同地區(qū)的Hurst指數(shù)差異明顯，具有較強(qiáng)空間差異性。

由2.2節(jié)可知，廣西地區(qū)在春季、冬季、2月、4月、8月、10月的干旱或濕潤(rùn)強(qiáng)度較大，結(jié)合其對(duì)應(yīng)的SPI傾向率分析，發(fā)現(xiàn)這些季節(jié)或月份SPI均呈減弱的趨勢(shì)，由此可推知，該時(shí)段濕潤(rùn)災(zāi)害有減弱的趨勢(shì)，而干旱災(zāi)害有加強(qiáng)的趨勢(shì)，該結(jié)論與圖2，圖3結(jié)果基本一致，從側(cè)面說(shuō)明本文采用SPI指數(shù)對(duì)廣西干濕分析的結(jié)果有較好的適應(yīng)性。

表4 廣西月、季、年尺度SPI干濕強(qiáng)度變化趨勢(shì)

圖5 廣西月、季、年尺度干濕強(qiáng)度隨時(shí)間的變化特征

3 結(jié) 論

(1) 月SPI對(duì)逐月降水敏感度最高，干濕急轉(zhuǎn)現(xiàn)象顯著，無(wú)顯著周期特征，能較好地反映因降水變化引起的頻繁干濕交替現(xiàn)象；季、年SPI雖對(duì)逐月降水敏感度較弱，但周期性顯著，能較好地反映中長(zhǎng)期水文干濕演變規(guī)律。

(2) 廣西年、季、月尺度干濕頻率、干濕范圍、干濕強(qiáng)度特征差異顯著，其中4月、8月干濕發(fā)生頻率、范圍和強(qiáng)度最大，干濕頻率大于40%、區(qū)域性及以上干濕發(fā)生年數(shù)超過(guò)27 a，中度及以上干濕發(fā)生年數(shù)超過(guò)40 a。此外，月尺度干濕范圍和強(qiáng)度隨時(shí)間變化較年、季尺度波動(dòng)變幅更大、波動(dòng)周期更短、干濕突變及干濕急轉(zhuǎn)現(xiàn)象頻次更高。

(3) 未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)，廣西地區(qū)在春季、秋季、4月、8月、10月的濕潤(rùn)強(qiáng)度有減弱趨勢(shì)，干旱強(qiáng)度有增強(qiáng)趨勢(shì)；而在全年、夏季、5月、6月、7月、11月的濕潤(rùn)強(qiáng)度有增強(qiáng)趨勢(shì)，干旱強(qiáng)度有減弱趨勢(shì)；其他時(shí)段干濕強(qiáng)度增減趨勢(shì)總體不顯著。

總而言之，廣西干濕交替、干濕突變等干濕特征突出，且隨著時(shí)間尺度減小，干濕交替變化和并存現(xiàn)象更為顯著。因此，在對(duì)廣西地區(qū)進(jìn)行干濕研究時(shí)，不僅要從年季尺度上分析長(zhǎng)期的干濕特征，更應(yīng)采用月或更精細(xì)化的時(shí)間尺度分析廣西地區(qū)的干濕急轉(zhuǎn)特征，以便更有效地提高廣西地區(qū)旱澇監(jiān)測(cè)及預(yù)警能力。