基于標準化降水指數(shù)的山東省近45年旱澇演變特征

任建成, 張婷婷

(濱州市氣象局, 山東 濱州 256612)

旱澇災害是普遍性的自然災害，不僅會使農(nóng)業(yè)受災，嚴重的旱澇災害甚至還會破壞生態(tài)環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計，旱澇災害自新中國成立以來一直是對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響最大的災種，造成了巨大的糧食損失，占我國糧食生產(chǎn)總損失的80%以上[1]。

山東省東臨太平洋，西接歐亞大陸，自然地理環(huán)境非常復雜，飽受陸地和海洋等多種自然災害頻繁襲擊[2]，其中旱災和水災也是對山東省影響最大的災種[3]。因此，研究山東省旱澇的演變特征，為山東省旱澇評估、防災減災提供氣象學依據(jù)和支撐，具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，已有的研究主要使用降水Z指數(shù)以及降水量距平百分率等探討山東省的旱澇特征。如楚鵬等[4]基于降水Z指數(shù)開展山東省旱澇特征研究，發(fā)現(xiàn)魯西南、魯東南及山東半島易發(fā)生等級較高的旱澇災害；費艷琴等[5]以降水量距平百分率分析了山東省夏季降水的時空分布特征，發(fā)現(xiàn)山東夏季降水的時空分布極不均勻。隨著全球氣候變暖，山東省的極端天氣事件頻發(fā)，表現(xiàn)出干旱頻發(fā)、旱澇急轉(zhuǎn)等特征，因此，有必要結(jié)合干旱與雨澇特點，進一步對山東省旱澇年際及季節(jié)變化特征進行更加深入的分析。

降水是影響旱澇最直接的指標之一，1993年McKee等[6]提出標準化降水指數(shù)(SPI,Standardized Precipitation Index)的概念，該指數(shù)可以在不同時間尺度上客觀反映研究區(qū)的旱澇變化特征，在國內(nèi)外得到了廣泛應用[7-11]，鑒于此，本文選用標準化降水指數(shù)來分析山東省的旱澇演變特征。

1 研究區(qū)概況

山東省地處中國東部、黃河下游，大致介于北緯34°22.9′—38°24.01′，東經(jīng)114°47.5′—122°42.3′，是我國10個沿海省市之一。山東省屬于暖溫帶季風氣候，氣候比較溫和，雨量集中，四季分明。全省年平均氣溫大致遵循由西南向東北遞減的規(guī)律，但各地平均氣溫多數(shù)都在13℃左右，地區(qū)差別不大。山東省降水量分布南多北少，大部分地區(qū)年平均降水量介于600～750 mm，降水季節(jié)分布很不均衡，夏季降水量可以占到全年降水量的60%～70%，易形成澇災，冬、春及晚秋則降水偏少，容易發(fā)生旱災，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響最大。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

降水數(shù)據(jù)源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)，包括山東省29個國家氣象站點1971—2015年的逐月降水數(shù)據(jù)，經(jīng)質(zhì)量控制，選用其中25個氣象站點的降水資料。

2.2 標準化降水指數(shù)

標準化降水指數(shù)的計算涉及到較復雜的Γ分布函數(shù)，在此不作具體討論，具體計算過程可參考文獻[12-13]，把旱澇分成不同的嚴重程度等級，具體等級劃分見表1[14]。

表1 SPI旱澇等級分類

2.3 旱澇評估指標

本文選用旱澇指標包括旱澇發(fā)生頻率、站次比和強度[15]。

(1) 旱澇頻率。旱澇頻率(Pi)可按不同程度旱澇發(fā)生的年數(shù)計算相應程度干旱頻率，計算公式為：

Pi=(n/N)×100%

(1)

式中：n為某站點發(fā)生旱澇事件的年數(shù);N為研究期總年數(shù);i為某站點。

(2) 旱澇站次比。旱澇站次比(Pj)為研究區(qū)域旱澇事件發(fā)生站點數(shù)與總站點數(shù)的百分比，計算公式為：

Pj=(m/M)×100%

(2)

式中：m為發(fā)生旱澇事件的站點數(shù);M為總站點數(shù);j為某年份。

Pj表示研究區(qū)域旱澇事件發(fā)生的范圍,可間接反映旱澇事件影響的嚴重程度。Pj<10%，無干旱或無雨澇；10%≤Pj<25%，局域性干旱或雨澇；25%≤Pj<33%，部分區(qū)域性干旱或雨澇；33%≤Pj<50%，區(qū)域性干旱或雨澇；50%≤Pj，全域性干旱或雨澇。

(3) 旱澇強度。旱澇強度(Sij)用來評價旱澇嚴重程度，表示某站在某一時間段內(nèi)的旱澇強度，通常由SPI值反映，SPI的絕對值越大，表示旱澇強度越嚴重。計算公式為：

(3)

式中：m為發(fā)生旱澇事件的氣象站數(shù);i為某站點;j為某年份;|SPIi|為站點i的SPI絕對值。根據(jù)25個氣象站點的降水數(shù)據(jù),分別求出1971—2015年山東省逐月平均降水量,計算出的SPI12的絕對值即山東省當年發(fā)生的旱澇強度值。

3 結(jié)果與分析

3.1 山東省旱澇發(fā)生頻率

SPI(12個月)可以反映旱澇的年際變化規(guī)律[16]。山東省多年平均干旱頻率為24.4%，雨澇頻率為31.1%，雨澇頻率高于干旱頻率。使用ArcGIS軟件對全省旱澇頻率進行反距離插值(圖1)。

可以看出，全省旱澇頻率地區(qū)不均，魯西北東部、魯西南東部、魯中東部、魯東南及半島南部地區(qū)干旱發(fā)生頻率較高。魯西北中西部、魯中大部及魯南地區(qū)為雨澇高發(fā)區(qū)。全省多年不同旱澇等級發(fā)生頻率差異較大(表2)。對比不同等級季節(jié)干旱的發(fā)生頻率得到：春、夏、秋季干旱發(fā)生頻率大體一致，冬季發(fā)生干旱的頻率略低，夏、秋季易發(fā)生重旱以上干旱。春季和秋季發(fā)生雨澇的頻率最高，冬季和秋季易發(fā)生重澇以上雨澇。

圖1 山東省多年旱澇頻率分布

表2 山東省不同月、季的旱澇發(fā)生頻率

3.2 山東省旱澇發(fā)生范圍

3.2.1 山東省年際旱澇發(fā)生范圍 山東省近45 a旱澇站次比變化特征見圖2。全省干旱站次比在0～96%波動，1977年、1981年、1983年、1986年、1988年、1989年、1992年、1997年、1999年、2002年、2006年、2014年干旱站次比均大于50%，發(fā)生了全域性干旱。45 a間，無干旱、局域性干旱、部分區(qū)域性干旱、區(qū)域性干旱發(fā)生的年數(shù)分別為：12，15，2，4 a。全省雨澇站次比在也是在0～96%波動，其中1971年、1973年、1974年、1985年、1990年、1993年、1998年、2003年、2004年、2005年、2007年雨澇站次比大于50%，發(fā)生了全域性雨澇。45 a間，無雨澇、局域性雨澇、部分區(qū)域性雨澇、區(qū)域性雨澇發(fā)生的年數(shù)分別為：12，9，8，5 a?？傮w來看，全省旱澇影響范圍大致相當，全域性干旱發(fā)生的概率略高于全域性雨澇發(fā)生的概率。20世紀80，90年代發(fā)生全域性干旱最多，而21世紀10年代發(fā)生全域性雨澇最多。

圖2 1971-2015年山東省旱澇站次比變化特征

3.2.2 山東省季節(jié)旱澇發(fā)生范圍 研究表明[16]，可以使用3個月時間尺度的SPI進行季節(jié)干旱特征分析?；谏綎|省氣候特點，分別用3—5月、6—8月、9—11月、12月—次年2月的SPI值，代表春夏秋冬四季的SPI值(圖3)。

圖3 1971-2015年山東省不同季節(jié)旱澇站次比變化特征

(1) 春季(圖3A)。山東省春季雨澇的影響范圍略高于干旱，全域性雨澇的影響范圍明顯高于全域性干旱的范圍。1971—2015年春季，山東省發(fā)生全域性、區(qū)域性、部分區(qū)域性、局域性干旱事件的年數(shù)分別為9，6，8，7 a；全域性、區(qū)域性、部分區(qū)域性、局域性雨澇事件發(fā)生的年數(shù)分別為：14，3，5，9 a。20世紀80年代后，山東省春季雨澇影響范圍呈現(xiàn)逐步擴大的態(tài)勢，而干旱影響范圍呈現(xiàn)逐步減少的趨勢。

(2) 夏季(圖3B)。山東省夏季雨澇的影響范圍明顯高于干旱。45 a間夏季，山東省發(fā)生全域性、區(qū)域性、部分區(qū)域性、局域性干旱的年數(shù)分別為8，8，6，8 a；全域性、區(qū)域性、部分區(qū)域性、局域性雨澇發(fā)生的年數(shù)分別為：11，11，2，11 a。從趨勢線變化來看，夏季干旱趨勢線波動起伏較大，雨澇趨勢線相對比較平緩，這與山東省氣候雨熱同期，降水主要集中在夏季的氣候特點是一致的。

(3) 秋季(圖3C)。山東省秋季雨澇的影響范圍略高于干旱，全域性雨澇的影響范圍低于全域性干旱。45 a間秋季，山東省發(fā)生全域性、區(qū)域性、部分區(qū)域性、局域性干旱的年數(shù)分別為12，4，1，11 a；全域性、區(qū)域性、部分區(qū)域性、局域性雨澇發(fā)生的年數(shù)分別為：9，11，2，8 a。從變化趨勢來看，進入21世紀，雨澇影響范圍呈現(xiàn)緩慢擴大的趨勢，而干旱的影響范圍則呈現(xiàn)緩慢減少的趨勢。

(4) 冬季(圖3D)。山東省冬季干旱的影響范圍高于雨澇，全域性干旱發(fā)生年數(shù)略低于全域性雨澇的發(fā)生年數(shù)。冬季發(fā)生全域性、區(qū)域性、部分區(qū)域性、局域性干旱的年數(shù)分別為10，4，1，13 a；全域性、區(qū)域性、部分區(qū)域性、局域性雨澇發(fā)生的年數(shù)分別為：12，6，1，6 a。從發(fā)展趨勢來看，雨澇影響范圍呈緩慢減少的趨勢，干旱影響范圍呈現(xiàn)先緩慢上升后緩慢減少的趨勢。

3.3 山東省旱澇發(fā)生強度

3.3.1 山東省年際旱澇發(fā)生強度 由圖4可以看出，山東省近45 a的SPI值在-2.2～2.29變化。特旱、重旱、中旱發(fā)生年數(shù)分別為1，3，7 a，特澇、重澇、中澇發(fā)生年數(shù)分別為1，2，2 a?？梢钥闯?，山東省雨澇以輕澇為主，中澇以上雨澇遠少于中旱以上干旱發(fā)生的年數(shù)。45 a間，山東省平均干旱強度為-1.44，為中旱級別，接近重旱級別；平均雨澇強度為1.04，達到中澇級別，略高于輕澇級別。山東省45 a間正常年份為20 a，每年發(fā)生旱澇事件的概率約為56%。從發(fā)展趨勢來看，進入21世紀，趨勢線緩慢上升，說明近年來山東省氣候有緩慢變濕的趨勢。

3.3.2 山東省季節(jié)旱澇發(fā)生強度 (1) 春季(圖5A)。山東省春季旱澇呈交替出現(xiàn)的特點。SPI值為-2.69～1.82。45 a間，山東省春季發(fā)生雨澇的年數(shù)多于發(fā)生干旱的年數(shù)，但旱澇級別差異明顯。45 a間春季發(fā)生特旱、重旱和中旱各2 a，發(fā)生重澇和輕澇的年數(shù)分別為2，6 a，沒有特澇發(fā)生。春季SPI值總體上呈緩慢上升趨勢，干旱強度大于雨澇強度。

圖4 1971-2015年山東省旱澇強度(SPI12)變化特征

(2) 夏季(圖5B)。山東省夏季旱澇呈現(xiàn)交替出現(xiàn)趨勢。SPI值為-2.42～2.06。夏季發(fā)生雨澇的年數(shù)略多于發(fā)生干旱的年數(shù)，夏季發(fā)生特旱和特澇各1 a，發(fā)生中旱和中澇各1 a，發(fā)生重旱年數(shù)為5 a，遠多于發(fā)生重澇的年數(shù)1 a。夏季SPI值總體上呈緩慢下降趨勢，干旱強度大于雨澇強度。

(3) 秋季(圖5C)。山東省秋季在20世紀70年代旱澇狀態(tài)以正常為主，而后呈現(xiàn)旱澇交替出現(xiàn)的特點。SPI值為-2.36～2.09，秋季發(fā)生雨澇的年數(shù)多于發(fā)生干旱的年數(shù)，旱澇級別差異明顯。秋季發(fā)生特旱、重旱、重旱的年數(shù)分別為2，4，2 a，發(fā)生特澇、重澇、中澇的年數(shù)分別為1，2，3 a，重旱以上旱情發(fā)生的年數(shù)遠高于重澇以上澇情發(fā)生的年數(shù)。秋季SPI值呈緩慢下降趨勢，干旱強度大于雨澇強度。

(4) 冬季(圖5D)。山東省冬季旱澇呈現(xiàn)交替出現(xiàn)趨勢。SPI值為-2.31～1.77。冬季發(fā)生雨澇的年數(shù)多于發(fā)生干旱的年數(shù)，旱澇級別差異明顯。45 a中山東省冬季發(fā)生特旱和重旱各2 a，中旱的發(fā)生年數(shù)為3 a，重澇和中澇發(fā)生年數(shù)分別為3，6 a，沒有特澇發(fā)生。冬季SPI值變化不明顯，干旱強度大于雨澇強度。

圖5 1971-2015年山東省不同季節(jié)SPI值變化趨勢

3.4 山東省旱澇年代際變化

由于計算標準化降水指數(shù)需對降水數(shù)據(jù)進行均化，可能導致部分季節(jié)、年際旱澇強度值不存在。為了進一步研究山東省旱澇長期演變特征，需對各年代際不同季節(jié)的旱澇影響范圍及強度進行分析(圖6)。

圖6 山東省各年代旱澇站次比、旱澇強度

分析山東省各年代旱澇影響范圍及強度可以看出：總體來說，山東省受干旱的影響大于雨澇，但20世紀70年代雨澇的強度和范圍均明顯大于干旱，21世紀10年代干旱的影響范圍小于雨澇。干旱的影響范圍在20世紀80年代最大，平均干旱站次比達到55.1%，同時也是干旱強度最大值出現(xiàn)的年代，達到1.65，雨澇的影響范圍在21世紀10年代最大，平均雨澇站次比達到52%，雨澇強度最大值出現(xiàn)在20世紀80年代，達到1.55。

從年代際季節(jié)旱澇特征來看，20世紀80年代的秋季干旱影響范圍最大，平均干旱站次比達到了60%，20世紀70，80，90年代的冬季、20世紀90年代的夏季及21世紀10年代的秋季，平均干旱站次比均高于50%；20世紀80年代的冬季雨澇影響范圍最大，平均雨澇站次比達到68%，20世紀70年代的冬季、90年代的秋季和冬季、21世紀10年代的春季，2011—2015年期間的冬季，平均雨澇站次比高于50%。21世紀10年代的春季干旱強度最大，平均干旱強度值達到2.7，其次為20世紀10年代的夏季，平均干旱強度值達到2.4，20世紀70年代、80年代和90年代的冬季、20世紀90年代的夏季，平均干旱強度均大于1.5；21世紀10年代的冬季雨澇強度最大，平均雨澇強度達到1.51，其他年代各季節(jié)平均雨澇強度均低于1.5。

4 結(jié)論與討論

(1) 山東省多年平均雨澇頻率高于干旱頻率，但不同旱澇等級、不同地區(qū)的旱澇發(fā)生頻率差異較大。春、夏、秋季干旱發(fā)生頻率大體一致，冬季發(fā)生干旱的頻率略低，夏、秋季易發(fā)生重旱以上干旱。春季和秋季發(fā)生雨澇的頻率最高，冬季和秋季易發(fā)生重澇以上雨澇?？傮w上山東省旱澇事件呈常態(tài)化發(fā)展趨勢，從月份、季節(jié)及年際上發(fā)生旱澇事件的可能性均較大。

(2) 山東省旱澇影響范圍大致相當，全域性干旱發(fā)生概率略高于全域性雨澇發(fā)生概率。各季節(jié)旱澇狀態(tài)以交替出現(xiàn)為主，但20世紀70年代的秋季旱澇狀態(tài)以正常為主。各季節(jié)發(fā)生雨澇年數(shù)均高于發(fā)生干旱的年數(shù)，但多年和各季節(jié)的平均干旱強度均高于平均雨澇強度。

(3) 從年代際旱澇特征來看，山東省受干旱的影響總體上大于雨澇，但20世紀70年代雨澇的強度和范圍均明顯大于干旱，21世紀10年代干旱的影響范圍小于雨澇。20世紀80年代的秋季干旱影響范圍最大，20世紀80年代的冬季雨澇影響范圍最大。

本文結(jié)合山東省的氣候特點，基于標準化降水指數(shù)，從整體上對山東省旱澇年際及季節(jié)變化特征進行了比較深入的分析，以期為山東省旱澇評估、防災減災提供氣象學依據(jù)和支撐。但標準化降水指數(shù)僅使用了降水因素，計算方法存在一定的不足之處；且山東省自然地理環(huán)境非常復雜，受陸地和海洋氣候的共同影響，不同地域間旱澇特征差異較大。因此，下一步還需結(jié)合溫度等其他旱澇指標，因地制宜的探討山東省不同地域的旱澇特征。