基于氣象指標(biāo)SPI的洞庭湖流域洪旱災(zāi)害分析

宋佳佳

(太原理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024)

利用洪旱指標(biāo)檢測洪旱并進(jìn)行洪旱程度衡量已得到廣泛應(yīng)用。洪旱的形成及影響具有復(fù)雜性，用統(tǒng)一的指標(biāo)進(jìn)行不同洪旱檢測無法實(shí)現(xiàn)，因此，為了滿足不同需求，洪旱指標(biāo)分為4類，即氣象指標(biāo)、水文指標(biāo)、農(nóng)業(yè)指標(biāo)、社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。行業(yè)間對洪旱的定義不同，水文部門利用徑流量的豐枯來劃分洪旱等級，農(nóng)業(yè)部門以土壤的干濕狀況劃分洪旱等級，氣象部門以降雨的多少來劃分洪旱等級。為了進(jìn)行洪澇和干旱的研究，科學(xué)家們結(jié)合氣象要素(降水、蒸發(fā)、氣溫等)和水文要素(徑流量)確定了大量洪旱指標(biāo)。這些洪旱指標(biāo)包含了降水量、氣溫、蒸發(fā)量、徑流、土壤含水量、湖泊水位、地下水位等眾多基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，最終形成一系列簡單的指標(biāo)數(shù)字。

在國外，Gibbs et al.[1]提出了RD指標(biāo)(Rainfall Deciles)，Bahlme et al.[2]提出了BMDI指標(biāo)，McKee et al.[3]在1993年提出了標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index，SPI)。中國學(xué)者在洪旱指標(biāo)研究方面取得了一定的進(jìn)展。鞠笑生等[4]提出了Z指標(biāo)，張強(qiáng)等[5]提出了一個以標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、濕潤度指數(shù)及近期降水量為基礎(chǔ)的綜合洪旱指數(shù)CI。綜上所述，洪旱指標(biāo)種類繁多，常用的洪旱指標(biāo)大多建立在特定的地域和時間范圍內(nèi)，隨著3S(GIS、GPS、RS)在大范圍洪澇和干旱監(jiān)測及評價中的應(yīng)用，達(dá)到了實(shí)時、動態(tài)的監(jiān)測災(zāi)情，能對災(zāi)害造成的損失進(jìn)行綜合評價，并可以通過情景分析手段，直觀地表達(dá)出災(zāi)情和損失的空間分布情況，對洪旱特征、洪旱評價的研究以及洪旱防治措施的開展具有良好的參考價值。

洪旱指標(biāo)是進(jìn)行洪澇和干旱研究的基礎(chǔ)，依據(jù)流域的氣候和地理環(huán)境建立適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)體系，有利于進(jìn)行流域水資源系統(tǒng)特征(洪旱特征)分析。本文選取洞庭湖流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，利用氣象指標(biāo)SPI(標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù))對洞庭湖流域近50年的洪旱特征進(jìn)行分析。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用洞庭湖流域19個氣象站點(diǎn)(見圖1)1967—2017年的逐月降水量數(shù)據(jù)，利用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)分析流域內(nèi)洪旱等級。數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，各站點(diǎn)數(shù)據(jù)通過嚴(yán)格質(zhì)量控制。

圖1 洞庭湖流域氣象站點(diǎn)分布

1.2 研究方法

洪旱指標(biāo)用來衡量洪澇干旱程度，洪旱的形成及影響復(fù)雜，無法用統(tǒng)一的指標(biāo)進(jìn)行不同洪旱檢測，因此洪旱指標(biāo)分為4類：氣象指標(biāo)、水文指標(biāo)、農(nóng)業(yè)指標(biāo)、社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。SPI為標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index)，屬于氣象指標(biāo)，其僅需要降雨資料，就能夠反映出洪旱對不同類型的水資源可利用量的影響，既可用來評價對降雨響應(yīng)較快的土壤水分，亦可用來評價對降雨響應(yīng)相對較慢的地下水補(bǔ)給，時空適用性強(qiáng)。標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)能夠較好地反映干旱強(qiáng)度和持續(xù)時間，能以同一干旱指標(biāo)反映不同時間尺度和區(qū)域的干旱狀況。該指數(shù)考慮了降水服從偏態(tài)分布的實(shí)際情況，隨后又進(jìn)行了正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，使得同一干旱指數(shù)可以反映不同時間尺度和不同類型的水資源狀況。根據(jù)降水量的逐月數(shù)據(jù)可以求得1、3、6、12個月不同尺度的SPI值，本文選用SPI-3(3個月時間尺度)和SPI-6(6個月時間尺度)對洞庭湖流域的洪旱情況進(jìn)行分析。SPI值時空性較強(qiáng)，能很好地反映洪旱歷時和洪旱強(qiáng)度。SPI值利用不同的時間尺度反映降水量的敏感性，時間尺度越小，一次降雨的變化越顯著，其值發(fā)生的變化也越大。相反，時間尺度越大則對于一次降水的反映并不顯著，只有持續(xù)的多次降水才會使之發(fā)生波動。因此，SPI可以有效地區(qū)分土壤水分虧缺和用于補(bǔ)給的水分虧缺這兩類洪旱原因，且SPI的計(jì)算僅需要降雨量作為輸入項(xiàng)，因而得到廣泛應(yīng)用。其基本原理如下：

假設(shè)某一時段的降水量為x，則其Γ分布的概率密度函數(shù)為

(1)

(2)

式中：α為形狀參數(shù)；β為尺度參數(shù)；x為降雨量,mm；Γ(α)為Gamma函數(shù)。

最佳的α、β估計(jì)值可采用極大似然估計(jì)方法求得，即

(3)

(4)

(5)

式中：n為計(jì)算序列的長度，在計(jì)算得到累積概率密度函數(shù)G(x)后，由于Gamma函數(shù)不包含x=0的情況，而實(shí)際降雨量可以為0，所以累積概率為

H(x)=q+(1-q)G(x)

(6)

式中：q為降雨序列中0值出現(xiàn)的頻率。

累積概率H(x)可以通過以下公式轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。

當(dāng)0

(7)

(8)

當(dāng)0.5

(9)

(10)

式中：c0=2.515517；c1=0.802853；c2=0.010328；d1=1.432788；d2=0.189269；d3=0.001308。

據(jù)此求得SPI值，其旱澇等級見表1。

表1 SPI旱澇等級劃分

2 研究區(qū)概況

洞庭湖流域由湘、資、澧、沅四水及流經(jīng)水系組成，覆蓋湖南省大部和湖北省、廣西壯族自治區(qū)、貴州省和重慶市部分地區(qū)。流域總面積26.28萬km2，多年平均徑流量為2016億m3，約占長江流域地表水資源的21%，其比重為長江流域各水系之首。洞庭湖流域雖然水資源比較豐富，但年內(nèi)水量分布不均，主要用水為農(nóng)業(yè)灌溉，在目前水利工程尚不能滿足對水資源的供需適量分配的情況下，洞庭湖流域季節(jié)性缺水及洪澇等問題依然存在。

洞庭湖流域三面環(huán)山，北部敞口，形成了氣候溫和、熱量充沛、雨量集中、春秋多旱的氣候特點(diǎn)。洞庭湖流域年均氣溫16.4～17.0℃，年極端最高氣溫37.9～43.6℃、極端最低氣溫-15.7～-10.3℃。高溫地區(qū)處在流域的南邊，低溫地區(qū)在東邊，見圖2。 洞庭湖區(qū)位于濕潤氣候區(qū)，雨量充沛，多年平均降水量為1244.5～1467.9mm，平均1345.7mm。降水量的年際變化大，且年內(nèi)分配極不均勻。4—6月多暴雨，多年平均降雨量為557.1mm。4—6月降雨占全年總降水量50%以上，多為大雨和暴雨；若遇各水洪峰齊集，易成洪、澇、漬災(zāi)。洞庭湖區(qū)多年平均蒸發(fā)量為630.4mm。蒸發(fā)與氣溫關(guān)系密切，5—9月氣溫高，蒸發(fā)量大，月蒸發(fā)量均在60.0mm以上。多年平均最大月蒸發(fā)量一般發(fā)生在7月，洞庭湖區(qū)多年平均最大月蒸發(fā)量為95.4mm。 洞庭湖流域各氣象要素時間變化呈現(xiàn)中間高兩邊低的趨勢，見圖3。在芷江、南縣、常德、沅江、岳陽及石門站年均降雨量較少，年均降雨量最大值主要集中在安化和南岳。降雨量在3月之后明顯增多，而蒸發(fā)量也增大。由圖2(c)可以看出，流域內(nèi)東部地區(qū)年均蒸發(fā)量較大，而西部地區(qū)蒸發(fā)量較小。流域東南部地區(qū)常年高溫、蒸發(fā)量大，而降雨處于平均水平，因此流域東南部地區(qū)易發(fā)生干旱。

圖2 氣象要素空間分布

圖3 氣象要素時間分布

3 洞庭湖流域洪旱災(zāi)害分析

根據(jù)SPI洪旱等級標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)出流域內(nèi)不同洪旱等級發(fā)生的頻率。圖4的SPI-3降水頻率空間分布結(jié)果表明：洞庭湖流域重度洪澇主要集中在長江與洞庭湖流域的交界處附近，在零陵、道縣附近地區(qū)重度洪澇發(fā)生頻率小，中度洪澇易發(fā)生區(qū)主要集中在通道、沅陵控制站附近，其余大部分地區(qū)處于平均水平，發(fā)生洪澇頻率低。重度干旱和中度干旱發(fā)生頻率在洞庭湖流域分布均勻，只有在少數(shù)測站的控制區(qū)內(nèi)發(fā)生頻率較高。重度干旱主要發(fā)生在沅江、安化、衡陽的控制區(qū)內(nèi)，中度干旱主要集中于零陵控制區(qū)內(nèi)。

圖4 SPI-3洞庭湖流域洪旱災(zāi)害

圖5的SPI-6降水頻率空間分布結(jié)果表明：重度洪澇發(fā)生頻率較大值主要集中在常德、沅江、平江控制區(qū)內(nèi)，桑植、石門、南縣、岳陽控制區(qū)重度洪澇發(fā)生頻率次之，中度洪澇主要集中于岳陽和南縣控制區(qū)，重度干旱發(fā)生頻率較大值集中在通道、道縣、衡陽，影響范圍較小。

4 結(jié) 論

利用洞庭湖流域19個氣象站點(diǎn)1967—2017年的逐月降水量數(shù)據(jù)，分析洞庭湖流域洪旱等級和發(fā)生頻率，結(jié)論如下：

a.洞庭湖流域內(nèi)大部分地區(qū)不易發(fā)生重度干旱，發(fā)生頻率較低，發(fā)生中度干旱覆蓋面積大于重度干旱覆蓋面積，但大部分地區(qū)呈現(xiàn)中度干旱發(fā)生頻率較低的現(xiàn)象。

b.洞庭湖流域發(fā)生重度、中度洪澇的區(qū)域面積大于重度、中度干旱的區(qū)域面積。SPI-3和SPI-6監(jiān)測的洞庭湖流域洪旱災(zāi)害發(fā)生頻率結(jié)果基本一致。

c.洞庭湖流域發(fā)生中度洪澇和中度干旱頻率較高，高于重度洪澇、重度干旱。重度洪澇主要集中于洞庭湖流域北部地區(qū)，重度干旱發(fā)生于南部地區(qū)，中度洪澇發(fā)生于洞庭湖流域西部地區(qū)，中度干旱發(fā)生于洞庭湖流域東部地區(qū)。

d.洞庭湖流域各氣象要素時間變化呈現(xiàn)中間高兩

圖5 SPI-6洞庭湖流域洪旱災(zāi)害

邊低的趨勢，與SPI指標(biāo)預(yù)測結(jié)果基本一致，SPI能夠識別出洞庭湖流域近50年發(fā)生的特大洪水災(zāi)害和主要旱災(zāi)，對流域特大洪水事件監(jiān)測和預(yù)報(bào)具有潛在的應(yīng)用價值。