基于SPI指數(shù)的近55 a淮河流域旱澇時(shí)空分布

姚海濤 顏雅瓊 唐雪嬌 孟韓春 王 熾 張志林

（1.江蘇省宿遷市氣象局，江蘇宿遷 223800；2.江蘇省沭陽縣氣象局，江蘇沭陽 223600）

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域概況 淮河流域地處中國東部，流域總面積約27萬km2。流域內(nèi)包括安徽、河南、湖北、江蘇及山東的部分區(qū)域（本文將山東省考慮在內(nèi)），地處中國南北氣候過渡帶，東臨黃海，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，其氣候特點(diǎn)為冬季和春季干燥少雨，夏季和秋季悶熱多雨。流域內(nèi)的主要地形包括山地、丘陵和平原。

1.2 數(shù)據(jù)來源 分析整理1961-2015年淮河流域各省地面氣象臺(tái)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的逐日降雨資料，將位置變動(dòng)較大的站點(diǎn)剔除，缺測(cè)資料進(jìn)行插值補(bǔ)充，經(jīng)過處理后的時(shí)間序列趨勢(shì)結(jié)果具有較高的可信度。氣象站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 氣象站點(diǎn)分布圖

1.3 研究方法 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)是表征某時(shí)段降雨量出現(xiàn)概率的指標(biāo)之一，它可以進(jìn)行不同時(shí)間尺度的旱澇情況分析，因此廣泛用于氣象、農(nóng)業(yè)、水文和生態(tài)發(fā)展的各個(gè)方面。標(biāo)準(zhǔn)化降雨指數(shù)基于降雨量的偏態(tài)分布，利用概率密度函數(shù)進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，具體計(jì)算過程參考相關(guān)文獻(xiàn)[1]，通過SPI指數(shù)對(duì)區(qū)域旱澇情況進(jìn)行分析。通過經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）對(duì)淮河流域63個(gè)氣象站點(diǎn)SPI3和SPI12的空間分布進(jìn)行分析，并結(jié)合ARCGIS反權(quán)重空間插值分析淮河流域近55 a旱澇的空間變化趨勢(shì)。

基于SPI值的旱澇等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[2-3]，具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。可見，SPI=-0.5為干旱界值，SPI=0.5為雨澇界值。

表1 旱澇分級(jí)指標(biāo)

2 結(jié)果與分析

2.1 淮河流域SPI的年變化特征 淮河流域SPI12的整體分布情況如圖2所示。

圖2 淮河流域SPI12的整體分布情況

2.2 淮河流域SPI的季節(jié)變化特征 3個(gè)月時(shí)間尺度的旱澇情況研究對(duì)于區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的意義，圖3a、圖3b、圖3c、圖3d分別對(duì)應(yīng)春季、夏季、秋季和冬季的SPI3的變化?；春恿饔虻腟PI3值在春季和秋季呈減小趨勢(shì)，表明該時(shí)段淮河流域向干旱化方向發(fā)展；夏季和冬季的SPI3值呈增加趨勢(shì)，表明區(qū)域向濕潤化方向發(fā)展。在春季，淮河流域各發(fā)生12次洪澇和干旱，其中重旱2次，中旱2次，中澇6次，其余為輕度旱澇。在夏季，除1962年的極旱外，其余時(shí)段發(fā)展較為平穩(wěn)，共有8次輕澇、5次輕旱、1次中旱。相較夏季而言，秋季的旱澇發(fā)生次數(shù)明顯增加，共13次干旱，其中重旱1次、中旱1次；洪澇12次，其中2次中澇，其余為輕澇。相較其他時(shí)段而言，冬季具有更加復(fù)雜的分布特征，旱澇發(fā)生次數(shù)最多，旱澇各15次，其中1次重澇、8次中澇、2次重旱、4次中旱，其余為輕度旱澇。

圖3 季節(jié)SPI3

2.3 基于EOF的淮河流域年旱澇時(shí)空變化分析 淮河流域的地貌廣闊，受降雨量和區(qū)域地形特征的影響，區(qū)域旱澇狀況也存在復(fù)雜的時(shí)空變化。通過對(duì)淮河流域63個(gè)氣象站點(diǎn)SPI12值的研究來定量分析區(qū)域旱澇的空間分布情況。結(jié)果表明，前兩個(gè)特征向量的累積貢獻(xiàn)率達(dá)82.7%，圖4為SPI12的前兩個(gè)特征向量的空間分布圖，第一特征向量（圖4a）占總方差貢獻(xiàn)率的74.4%，是淮河流域旱澇時(shí)空分布的主要形態(tài)。第一特征向量的空間分布顯示，淮河流域的西部和東部具有不同的旱澇空間分布，可以發(fā)現(xiàn)，就第一特征向量分布而言，淮河流域西部、山東東部和東南部為正值區(qū)，其余為負(fù)值區(qū)，負(fù)值中心出現(xiàn)在江蘇的南京地區(qū)，表明這一地區(qū)的旱澇變化相對(duì)顯著，是旱澇變化的敏感區(qū)，且淮河流域東西具有相反的旱澇變化特征。在此特征下，淮河流域東部的負(fù)值區(qū)存在干旱加劇的趨勢(shì)，西部正值區(qū)干旱減弱的變化趨勢(shì)，這種狀況與近年來東部地區(qū)降水減少而西部增加有關(guān)。此外，受區(qū)域內(nèi)夏季風(fēng)和地形等因素的影響。第二特征向量的方差貢獻(xiàn)為8.3%，除高郵外，其他區(qū)域具有一致的空間分布特征，為淮河流域降水分布的第二型。表明在該空間模態(tài)的控制下，淮河流域基本呈現(xiàn)干旱增加的趨勢(shì)。

圖4 SPI12的EOF特征向量

3 結(jié)語

旱澇狀況的發(fā)生與發(fā)展對(duì)區(qū)域農(nóng)業(yè)、交通等各方面的發(fā)展產(chǎn)生極大的限制，尤其是農(nóng)業(yè)的發(fā)展。本文基于1961-2015年淮河流域63個(gè)氣象站點(diǎn)逐日降水資料的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，首先對(duì)淮河流域進(jìn)行分區(qū)處理，并結(jié)合正交經(jīng)驗(yàn)函數(shù)（EOF）和ARCGIS反權(quán)重空間插值等方法，獲得淮河流域近55 a旱澇分布的時(shí)間和空間分布特征，以期為有關(guān)部門應(yīng)對(duì)旱澇發(fā)生帶來的各種災(zāi)害提供依據(jù)。

就淮河流域旱澇情況的時(shí)間分布來說，區(qū)域內(nèi)主要以輕澇和中澇為主，僅在少數(shù)年份出現(xiàn)重澇和極澇的情況。就區(qū)域整體而言，SPI12在近55 a呈遞增趨勢(shì)，表明就年旱澇分布來說，淮河流域向濕澇方向發(fā)展，從季節(jié)SPI3的年際分布可以看出，淮河流域在春季和秋季有干旱加重的趨勢(shì)，在夏季和冬季有洪澇加重趨勢(shì)。其中，干旱以中輕度為主，洪澇以輕度為主。