基于農(nóng)業(yè)旱澇指標(biāo)的湖北省棉花生育期內(nèi)旱澇急轉(zhuǎn)特征分析

高雅文，鄧可楠，張?jiān)?，錢龍，陳誠，羅云英，黃韜幸，陳麗娟

（1.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，武漢 430072；2.中山大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州 510275；3.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225009；4.暨南大學(xué)環(huán)境學(xué)院，廣州511443；5.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州311122；6.湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢430000）

0 引言

【研究意義】受氣候變化及人類活動(dòng)影響，近年來國內(nèi)外干旱和極端降水事件頻發(fā)[1-2]。降水的極端分布會(huì)導(dǎo)致干旱和洪澇災(zāi)害交替發(fā)生，從而形成旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象。近年來旱澇急轉(zhuǎn)已引起越來越多的水利和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注[3-6]。在旱澇急轉(zhuǎn)條件下，旱、澇2 種災(zāi)害并存，往往會(huì)對(duì)農(nóng)作物的生長造成較大的威脅[7-8]。制定科學(xué)合理的灌溉排水方案是防治農(nóng)業(yè)旱澇災(zāi)害的重要手段，而農(nóng)業(yè)旱澇急轉(zhuǎn)災(zāi)害對(duì)灌溉排水工作提出了新要求。因此，研究農(nóng)業(yè)旱澇急轉(zhuǎn)災(zāi)害對(duì)于我國農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)和糧食安全保障具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。湖北省是我國商品棉重要的生產(chǎn)基地之一[9]，同時(shí)，長江中下游流域也是我國旱澇急轉(zhuǎn)災(zāi)害最嚴(yán)重的區(qū)域之一。因此，有必要結(jié)合棉花在不同時(shí)期的生長需水特性，分析湖北棉區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)事件的時(shí)空演變規(guī)律，從而為制定棉田最優(yōu)水分管理措施提供參考依據(jù)。

【研究進(jìn)展】目前國內(nèi)外學(xué)者已提出許多方法來評(píng)估區(qū)域尺度的干旱和洪澇災(zāi)害[10-12]，同時(shí)也有學(xué)者對(duì)旱澇急轉(zhuǎn)的定義及篩選方法進(jìn)行了有益的探索。Wu 等[13]根據(jù)旱澇急轉(zhuǎn)強(qiáng)度篩選旱澇急轉(zhuǎn)事件，定義了長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)，通過分析夏季5—6月和7—8月降水的差異，來判斷當(dāng)年夏季的旱澇急轉(zhuǎn)程度。何慧等[14]、孫鵬等[15]隨后分別應(yīng)用LDFAI 對(duì)華南地區(qū)和東江流域進(jìn)行了旱澇急轉(zhuǎn)特征研究。在長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)的基礎(chǔ)上，閃麗潔等[16]定義了日尺度旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)（Dry-Wet Abrupt Alternation Index，DWAAI），通過每日的旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)確定旱澇轉(zhuǎn)折點(diǎn)。樊華等[17]隨后應(yīng)用該指標(biāo)對(duì)貴州省旱澇急轉(zhuǎn)時(shí)空演變特征進(jìn)行分析。除采用以上旱澇急轉(zhuǎn)綜合指標(biāo)外，其他學(xué)者通常采用不同的旱、澇指標(biāo)分別判斷旱期、澇期，再通過二者的組合識(shí)別旱澇急轉(zhuǎn)事件。例如，程智等[18]利用日尺度的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)對(duì)長江中下游流域旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象進(jìn)行了研究。楊家偉等[19]和陶新娥等[20]利用日尺度標(biāo)準(zhǔn)化加權(quán)平均降水指數(shù)識(shí)別了長江流域旱澇急轉(zhuǎn)事件。王勝等[21]利用降水距平百分率分析了淮河流域旱澇急轉(zhuǎn)事件。張澤中等[22]利用連續(xù)無有效降水時(shí)間和累計(jì)有效降水量判別了貴州煙草生長期內(nèi)旱澇急轉(zhuǎn)特征。熊威[23]利用Palmer 旱度指標(biāo)分析了四湖流域旱澇急轉(zhuǎn)特征。陳燦等[24]通過土壤水分模型模擬了農(nóng)田土壤水分狀況并定義了水稻灌區(qū)的旱澇急轉(zhuǎn)過程。以上研究從水文和農(nóng)業(yè)等角度推進(jìn)了對(duì)旱澇急轉(zhuǎn)災(zāi)害的認(rèn)知。

【切入點(diǎn)】對(duì)于農(nóng)業(yè)旱澇急轉(zhuǎn)事件的識(shí)別，需綜合考慮氣象、作物和土壤水分等多方面因素的影響。如使用單一的氣象旱澇指標(biāo)，則難以考慮作物在不同生育期對(duì)水分需求的差異，從而使旱澇急轉(zhuǎn)事件的篩選一定程度上偏離實(shí)際災(zāi)情。此外，旱澇急轉(zhuǎn)分析的時(shí)間尺度宜更加精細(xì)，否則容易發(fā)生旱澇中和以及識(shí)別滯后的現(xiàn)象。目前已有的關(guān)注農(nóng)業(yè)旱澇急轉(zhuǎn)的研究主要在較小尺度的區(qū)域開展[23-24]，其方法大多具有一定的理論基礎(chǔ)和較高的識(shí)別精度，但對(duì)運(yùn)行資料要求較高，因此難以應(yīng)用到資料匱乏的大尺度區(qū)域。因此，有必要提出一種既考慮了農(nóng)作物生長需水特征，又能便捷地應(yīng)用于大區(qū)域尺度的農(nóng)業(yè)旱澇急轉(zhuǎn)評(píng)估方法?！緮M解決的關(guān)鍵問題】針對(duì)上述問題，本文引入日尺度的標(biāo)準(zhǔn)化前期降水蒸散指數(shù)（SAPEI）[25]對(duì)農(nóng)田旱澇事件進(jìn)行判斷。SAPEI是由廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）[12,26-27]改進(jìn)而來，其優(yōu)點(diǎn)在于：①考慮了農(nóng)田中前期土壤墑情對(duì)后期旱澇事件的影響；②考慮了作物不同生育期的需水特性；③能夠?qū)崿F(xiàn)日尺度的農(nóng)田旱澇情況識(shí)別。本文以SAPEI指標(biāo)為基礎(chǔ)并結(jié)合農(nóng)田旱澇急轉(zhuǎn)情境，提出了農(nóng)業(yè)旱澇急轉(zhuǎn)事件的識(shí)別方法，對(duì)1961―2019年湖北省棉花不同生育期內(nèi)的旱澇急轉(zhuǎn)事件的時(shí)空演變規(guī)律進(jìn)行了研究，以期為棉田最優(yōu)水分管理措施的制定和旱澇災(zāi)害防治提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

湖北省位于長江中下游地區(qū)，介于108°21′—116°07′E，29°05′—33°20′N，地貌類型多樣，以山地為主。湖北省除高山地區(qū)外，大部分屬于亞熱帶季風(fēng)氣候。地形及氣候因素導(dǎo)致本區(qū)降水的時(shí)空分布不均勻，鄂東南和鄂西南降水量較多，鄂西北較少[28]；夏季最多，冬季最少。棉花是湖北省重要的經(jīng)濟(jì)作物，2017年占湖北省主要農(nóng)作物播種面積的14%[29]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/），包括1961—2019年湖北省內(nèi)各國家級(jí)氣象站的逐日氣壓、氣溫、降水量、相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)間等。選取湖北省26 個(gè)氣象數(shù)據(jù)系列較長的站點(diǎn)，對(duì)于個(gè)別站點(diǎn)數(shù)據(jù)缺測(cè)的情況，采用了插值法和其他要素推求法進(jìn)行了補(bǔ)充。

1.3 日尺度標(biāo)準(zhǔn)化前期降水蒸散指數(shù)（SAPEI）

標(biāo)準(zhǔn)化前期降水蒸散指數(shù)（SAPEI）[25]不僅考慮了土壤中前期水分的影響，還能較為準(zhǔn)確地反映降水時(shí)間和降水量對(duì)當(dāng)日旱澇情況的影響，可用于日尺度旱澇的監(jiān)測(cè)。SAPEI的具體計(jì)算過程如下：

1）計(jì)算每日農(nóng)田水分收支量ΔW（mm）。在不考慮灌溉、地表徑流和地下徑流的影響時(shí)，認(rèn)為土壤計(jì)劃濕潤層含水量的補(bǔ)給量為降水量，消耗量為作物需水量：

式中：P為降水量（mm）；ETc為作物需水量（mm）；ET0為參考作物蒸散量（mm），采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith 公式計(jì)算；Kc為作物系數(shù)，采用單作物系數(shù)法計(jì)算[31-32]，Kcini、Kcmid、Kcend分別取0.35、1.08、0.58，湖北省棉花各生育階段起止日期參考《中國主要作物需水量與灌溉》[33]。

2）考慮前期農(nóng)田水分狀況對(duì)當(dāng)日的影響，計(jì)算每日前期累計(jì)降水與蒸散差值指數(shù)：

式中：m為前推天數(shù)，取值100；i為前推日序數(shù)；K為衰減系數(shù)，權(quán)衡前1日農(nóng)田水分狀況對(duì)后1日的影響，按經(jīng)驗(yàn)取0.955；ΔWi為第i日的農(nóng)田水分收支量（mm）。

3）歷年每日的APEIi構(gòu)成一個(gè)序列，并采用三參數(shù)的log-Logistic 概率分布F(x)對(duì)該序列進(jìn)行正態(tài)化，擬合并得出每日對(duì)應(yīng)F(x)值：

式中：Γ為Gamma 函數(shù)；ωs為APEIi序列的概率權(quán)重矩，s=0, 1, 2；N為APEI序列長度；i為按升序排列時(shí)APEI的序數(shù)。

4）對(duì)累計(jì)概率密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，從而得到SAPEI：

當(dāng)累計(jì)概率P≤0.5 時(shí)：

當(dāng)P＞0.5 時(shí)，P=1-P，同時(shí)：

式中：c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

根據(jù)以上步驟計(jì)算出逐日SAPEI后，根據(jù)SAPEI的旱澇分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)逐日旱澇程度進(jìn)行判斷。SAPEI的旱澇分類標(biāo)準(zhǔn)參照SAPEI及SPEI的有關(guān)文獻(xiàn)[25,30]，如表1 所示。

表1 SAPEI 旱澇等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Criterions of drought and flood disasterswhen using SAPEI

1.4 農(nóng)業(yè)旱澇急轉(zhuǎn)事件識(shí)別

本文截取SAPEI達(dá)到干旱閾值的時(shí)段作為旱澇急轉(zhuǎn)事件中的旱期，將解除期包含在急轉(zhuǎn)間隔內(nèi)。澇期同理。參考我國對(duì)干旱事件的常見劃分方式[34]，本文的干旱事件判斷標(biāo)準(zhǔn)為：SAPEI值連續(xù)10d 達(dá)到輕旱或輕旱以上等級(jí)，且將第1 次達(dá)到輕旱等級(jí)的日期定義為旱事件起始。與之相似，澇事件的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：SAPEI值連續(xù)10d 達(dá)到輕澇或以上等級(jí)，且將第1 次達(dá)到輕澇等級(jí)的日期定義為1 次澇事件的起始。此外，結(jié)合農(nóng)作物實(shí)際遭受旱澇急轉(zhuǎn)脅迫的可能情景，本文將農(nóng)田旱轉(zhuǎn)澇事件定義為：在1 次干旱開始后，從干旱過程中SAPEI值恢復(fù)正常的第1 天起，3 d 內(nèi)發(fā)生澇事件；將農(nóng)田澇轉(zhuǎn)旱事件定義為：在1 次澇漬開始后，從澇漬過程中SAPEI值恢復(fù)正常的第1 天起，持續(xù)無雨，直到發(fā)生干旱事件。

1.5 農(nóng)業(yè)旱澇急轉(zhuǎn)事件的強(qiáng)度指標(biāo)

旱澇急轉(zhuǎn)對(duì)農(nóng)作物的危害與旱澇事件持續(xù)時(shí)間和程度均有關(guān)。基于此，本文定義了旱澇急轉(zhuǎn)強(qiáng)度指數(shù)來表征農(nóng)業(yè)旱澇急轉(zhuǎn)強(qiáng)度：

式中：SAPEIi為干旱過程中第i天的SAPEI值；m為旱期持續(xù)時(shí)間；SAPEIj為澇漬過程中第j天的SAPEI值；n為澇期持續(xù)時(shí)間。Q值越大，表明旱澇急轉(zhuǎn)強(qiáng)度越大。

此外，一個(gè)地區(qū)總體遭受旱澇急轉(zhuǎn)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)與該地區(qū)發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)事件的次數(shù)和各次旱澇急轉(zhuǎn)事件的強(qiáng)度有關(guān)。因此，本文定義累計(jì)旱澇急轉(zhuǎn)強(qiáng)度指數(shù)（S）來表示旱澇急轉(zhuǎn)受災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)：

式中：N為計(jì)算時(shí)段內(nèi)所有旱澇急轉(zhuǎn)（旱轉(zhuǎn)澇或澇轉(zhuǎn)旱）次數(shù)；Qi為第i次旱澇急轉(zhuǎn)的旱澇急轉(zhuǎn)強(qiáng)度指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 SAPEI 模型的適用性檢驗(yàn)

SAPEI指標(biāo)計(jì)算過程中假設(shè)前期累計(jì)降水蒸散差指數(shù)（APEI）頻率曲線服從log-Logistic 函數(shù)曲線，當(dāng)日尺度前期累計(jì)降水蒸散差序列頻率分布曲線與log-Logistic 擬合曲線分布大致相近時(shí)，可認(rèn)為SAPEI模型適用于該序列[25]。因此，本文首先檢驗(yàn)了研究區(qū)的日尺度APEI是否服從三參數(shù)的log-Logistic 概率分布。在綜合考慮湖北省氣候分區(qū)和棉花種植分布的情況下，選取了黃岡、荊州、宜昌和襄陽這4 個(gè)棉花高產(chǎn)地區(qū)分別作為湖北省東、南、西和北部的驗(yàn)證代表站，計(jì)算各站1961—2019年APEI序列的經(jīng)驗(yàn)頻率和log-Logistic 理論概率（圖1）。由圖1 可知，log-Logistic函數(shù)擬合不同氣候站點(diǎn)的APEI分布的效果均能滿足要求，所以SAPEI適用于反映湖北省棉花的每日水分盈虧狀況。

2.2 SAPEI 對(duì)典型旱澇急轉(zhuǎn)事件的反映能力

2011年長江中下游平原出現(xiàn)了典型的旱轉(zhuǎn)澇現(xiàn)象：當(dāng)年1—5月降水持續(xù)偏少，遭遇近60年來最嚴(yán)重的干旱，然后6月突降較往年同期偏多62%的降水[3]。因此本文選取2011年武漢市的旱轉(zhuǎn)澇進(jìn)行實(shí)例分析。圖2（a）展示了武漢市該事件過程中每日降水與SAPEI變化情況。由圖2（a）可知，5月1日—6月9日，雖然出現(xiàn)多次降水過程，但是日降雨量偏少，僅1 d 超過20 mm，考慮春旱的影響，旱情一直持續(xù)，SAPEI的持續(xù)低值反映了旱情。6月10日降水近40 mm，緩解了旱情，同時(shí)SAPEI有所回升。6月14日又出現(xiàn)80 mm 降水，短時(shí)間內(nèi)形成澇情，故6月14日為旱澇急轉(zhuǎn)點(diǎn)。與之對(duì)應(yīng)，SAPEI明顯在6月14日快速上升并達(dá)到輕澇等級(jí)，有效地反映了該急轉(zhuǎn)點(diǎn)。緊接著6月18日降水200 mm，澇情繼續(xù)加重，SAPEI值的等級(jí)也相應(yīng)提升。而后隨著降雨逐漸減少，澇情也逐漸消散，本次旱澇急轉(zhuǎn)事件結(jié)束。由此可知，SAPEI指標(biāo)能夠較好地反映旱澇過程，有效識(shí)別旱轉(zhuǎn)澇的急轉(zhuǎn)點(diǎn)。

1964年武漢市出現(xiàn)了典型的澇轉(zhuǎn)旱現(xiàn)象。因此本文以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了澇轉(zhuǎn)旱事件的實(shí)例分析。降雨量和SAPEI值變化情況如圖2（b）所示。當(dāng)年6月24—29日，武漢市累計(jì)降水260 mm，形成澇情，SAPEI達(dá)到峰值。之后持續(xù)無有效降水且伴隨高溫天氣，加之7月中下旬棉花進(jìn)入生長旺盛期，需水量大，因此迅速形成旱情。在連續(xù)無雨日期間，SAPEI值持續(xù)下降，于7月10日解除澇情并于7月17日開始旱情，澇與旱間隔只有6d，反映了從澇到旱的急轉(zhuǎn)。綜上所述，不同于非日尺度的旱澇指標(biāo)，SAPEI可逐日進(jìn)行旱澇條件判斷，因此可用于確定澇轉(zhuǎn)旱事件中干旱的起始時(shí)間。因此，SAPEI作為旱澇急轉(zhuǎn)事件的篩選指標(biāo)具有一定的優(yōu)越性。

圖1 代表站APEI 序列經(jīng)驗(yàn)概率與log-Logistic 理論概率分布對(duì)比Fig.1 Comparison between the empirical probability distribution of APEI and the theoretical probability distribution of log-Logistic in representative stations

圖2 武漢市典型旱澇急轉(zhuǎn)事件過程Fig.2 Process of typical drought and flood abrupt alternation events

2.3 棉花旱澇急轉(zhuǎn)在不同生育期的分布

1961—2019年湖北省棉花旱澇急轉(zhuǎn)站次數(shù)和強(qiáng)度在不同生育期的分布特征如表2 所示。湖北省棉花在全生育期內(nèi)共遭受旱澇急轉(zhuǎn)事件317 次，其中旱轉(zhuǎn)澇267 站次，澇轉(zhuǎn)旱50 站次，旱轉(zhuǎn)澇的累計(jì)旱澇急轉(zhuǎn)強(qiáng)度指數(shù)約為澇轉(zhuǎn)旱的5 倍，這表明在湖北省內(nèi)，棉花旱澇急轉(zhuǎn)災(zāi)害主要以旱轉(zhuǎn)澇形式為主。對(duì)于棉花不同生育期的旱澇急轉(zhuǎn)事件，花鈴期內(nèi)旱澇急轉(zhuǎn)發(fā)生次數(shù)最多且累計(jì)強(qiáng)度最大，其次是吐絮期。苗期內(nèi)不僅旱澇急轉(zhuǎn)次數(shù)少而且平均強(qiáng)度最小，因此旱澇急轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)最低。蕾期內(nèi)旱澇急轉(zhuǎn)事件具有次數(shù)較少但單次強(qiáng)度較高的特點(diǎn)。綜合來看，棉花遭受旱澇急轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)最大的生育期是花鈴期，其次是吐絮期和蕾期。對(duì)于棉花不同生育期內(nèi)旱轉(zhuǎn)澇事件，花鈴期旱轉(zhuǎn)澇次數(shù)及強(qiáng)度均明顯高于其他生育期，而吐絮期次數(shù)僅次于花鈴期。蕾期內(nèi)雖然旱轉(zhuǎn)澇次數(shù)最少但是單次平均強(qiáng)度較大。因此，旱轉(zhuǎn)澇的生育期分布特征與旱澇急轉(zhuǎn)總體特征相符。對(duì)于棉花不同生育期內(nèi)的澇轉(zhuǎn)旱事件，花鈴期內(nèi)澇轉(zhuǎn)旱事件的累計(jì)強(qiáng)度和單次平均強(qiáng)度均最大，且發(fā)生次數(shù)僅次于吐絮期，因此澇轉(zhuǎn)旱風(fēng)險(xiǎn)最高。苗期澇轉(zhuǎn)旱站次數(shù)在10 次以內(nèi)，平均強(qiáng)度接近全生育期均值，故澇轉(zhuǎn)旱風(fēng)險(xiǎn)最低。吐絮期澇轉(zhuǎn)旱雖然發(fā)生站次數(shù)最多，但平均強(qiáng)度值最低，這表明吐絮期內(nèi)澇轉(zhuǎn)旱具有頻率較高但單次影響較小的特點(diǎn)。

表2 1961—2019年棉花不同生育期旱澇急轉(zhuǎn)站次數(shù)與強(qiáng)度分布Table 2 Frequency and intensity distribution of the drought and flood abrupt alternation events (DFAA)at different cotton growth stages during 1961―2019

2.4 棉花旱澇急轉(zhuǎn)時(shí)空演變特征

1961—2019年湖北省棉花旱澇急轉(zhuǎn)累計(jì)強(qiáng)度在不同年代的空間分布如圖3 所示。由圖3 可知，1961—1969年棉花旱澇急轉(zhuǎn)累計(jì)強(qiáng)度的區(qū)間差異較大，高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)主要在鄂東南的洪湖地區(qū)和鄂西南的恩施市；1970—1979年，棉花旱澇急轉(zhuǎn)的累計(jì)強(qiáng)度和分布范圍都有所增加，高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)向北轉(zhuǎn)移至鄂西北的十堰及江漢平原北部；1980—1989年棉花旱澇急轉(zhuǎn)累計(jì)強(qiáng)度和分布范圍有所減小，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)向東北轉(zhuǎn)移至鄂西北的襄陽和鄂東北的黃岡地區(qū)；1990—1999年棉花旱澇急轉(zhuǎn)的累計(jì)強(qiáng)度與1980—1989年持平，但分布范圍繼續(xù)減小，集中在湖北省西部；2000—2009年棉花旱澇急轉(zhuǎn)累計(jì)強(qiáng)度和分布范圍繼續(xù)減小到最低水平，風(fēng)險(xiǎn)較高區(qū)域主要在中部和東部地區(qū)；但2010—2019年旱澇急轉(zhuǎn)累計(jì)強(qiáng)度和發(fā)生范圍顯著增加，高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)集中在東部地區(qū)，主要位于鄂東的黃岡地區(qū)、武漢地區(qū)以及鄂西北的襄陽地區(qū)。整體來看，1970—1979年湖北省棉花旱澇急轉(zhuǎn)的累計(jì)強(qiáng)度最大且范圍最廣，而從1990—1999年至今，湖北省棉花旱澇急轉(zhuǎn)有總體風(fēng)險(xiǎn)增強(qiáng)、發(fā)生范圍變廣且自西部向東部轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。

1961—2019年湖北省棉花旱轉(zhuǎn)澇和澇轉(zhuǎn)旱累計(jì)強(qiáng)度的空間分布如圖4 所示。由圖4（a）可知，湖北省棉花旱轉(zhuǎn)澇累計(jì)強(qiáng)度值空間分布不均勻，鄂西北、江漢平原、以及鄂東的黃岡地區(qū)是旱轉(zhuǎn)澇的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，其中鄂東的黃岡地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)最大，鄂西南則是旱轉(zhuǎn)澇低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。總體上，旱轉(zhuǎn)澇的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)呈現(xiàn)分布范圍廣的特點(diǎn)，廣泛分布于湖北省的東部、中部和西北部。1961—2019年湖北省棉花澇轉(zhuǎn)旱累計(jì)強(qiáng)度的空間分布如圖4（b）所示。由圖4（b）可知，鄂西北的十堰地區(qū)、鄂西南的恩施地區(qū)以及鄂東南的洪湖地區(qū)是澇轉(zhuǎn)旱的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。總體上澇轉(zhuǎn)旱高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的分布比較集中，主要位于鄂西北和鄂東南，其中，鄂西北的棉花澇轉(zhuǎn)旱事件不僅風(fēng)險(xiǎn)高，而且影響范圍廣。通過圖4 的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，湖北省棉花旱轉(zhuǎn)澇與澇轉(zhuǎn)旱的高、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)有所交錯(cuò)。鄂西北和鄂東南的洪湖地區(qū)同時(shí)是旱轉(zhuǎn)澇和澇轉(zhuǎn)旱的高值區(qū)，此外，該地區(qū)還與周悅等[35]發(fā)現(xiàn)的湖北省旱澇急轉(zhuǎn)最強(qiáng)值點(diǎn)地理位置相一致，因此這2 個(gè)區(qū)域的旱澇情勢(shì)復(fù)雜，應(yīng)加強(qiáng)防范。江漢平原和鄂東的黃岡地區(qū)雖然旱轉(zhuǎn)澇風(fēng)險(xiǎn)較高，但是澇轉(zhuǎn)旱的風(fēng)險(xiǎn)較低；鄂西南的恩施地區(qū)雖然澇轉(zhuǎn)旱風(fēng)險(xiǎn)偏高，但是旱轉(zhuǎn)澇風(fēng)險(xiǎn)較低。

為進(jìn)一步分析湖北省旱澇急轉(zhuǎn)事件逐年的變化，對(duì)2000—2019年湖北省逐年不同形式的旱澇急轉(zhuǎn)站次數(shù)和單次平均強(qiáng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（圖5）。由圖5（a）可知，湖北省旱澇急轉(zhuǎn)站次數(shù)并未呈現(xiàn)持續(xù)上升或下降的趨勢(shì)。2000年的旱澇急轉(zhuǎn)發(fā)生站次數(shù)最多（12次/a），隨后各年份的站次數(shù)一直波動(dòng)，并在2011年再次超過10 次/a，次數(shù)的增加主要是因?yàn)槿?nèi)發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)的站點(diǎn)更多，受旱澇急轉(zhuǎn)波及范圍更大。此外，在旱澇急轉(zhuǎn)平均強(qiáng)度方面，各年旱澇急轉(zhuǎn)強(qiáng)度也處于波動(dòng)狀態(tài)，但表現(xiàn)出與次數(shù)不同的規(guī)律，峰值分別出現(xiàn)在2006—2007年以及2016—2017年。部分年份出現(xiàn)了高強(qiáng)度旱澇急轉(zhuǎn)，主要是由于旱、澇事件的持續(xù)性較強(qiáng)，而2007、2016、2017年強(qiáng)度達(dá)到峰值的主要原因都是部分地區(qū)降水量偏多而且持續(xù)時(shí)間長，說明了近年來湖北省高強(qiáng)度旱澇急轉(zhuǎn)事件的影響因素主要是持續(xù)性降水。對(duì)于不同形式的旱澇急轉(zhuǎn)，旱轉(zhuǎn)澇占主導(dǎo)地位，因此旱轉(zhuǎn)澇的次數(shù)與強(qiáng)度的變化規(guī)律與旱澇急轉(zhuǎn)基本相同。相較之下，澇轉(zhuǎn)旱的站次數(shù)較少（0～2 次/a），平均強(qiáng)度也較低，但在2018年旱澇急轉(zhuǎn)強(qiáng)度出現(xiàn)了高值，這主要是因?yàn)樵摯螡侈D(zhuǎn)旱事件后期旱情異常嚴(yán)重且持續(xù)時(shí)間長，自7月9日至棉花生育期結(jié)束，長時(shí)間無有效降水。

圖3 湖北省棉花旱澇急轉(zhuǎn)累計(jì)旱澇急轉(zhuǎn)強(qiáng)度年代際分布Fig.3 Temporaldistribution of the accumulative intensity of drought and flood abrupt alternationfor cottonin Hubei province during different decades

圖4 湖北省棉花旱澇急轉(zhuǎn)累計(jì)強(qiáng)度分布Fig.4 Spatial distribution of the accumulative intensity of drought andflood abrupt alternationfor cotton in Hubei province

圖5 2000―2019年湖北省棉花旱澇急轉(zhuǎn)站次數(shù)及單次平均強(qiáng)度Fig.5 Frequency and the intensity of per event of drought and flood abrupt alternation for cottonin Hubei province during 2000―2019

3 討論

年內(nèi)不同時(shí)段旱澇急轉(zhuǎn)事件的計(jì)算結(jié)果表明，湖北省棉花在夏季7—8月（即花鈴期內(nèi)）最容易遭受旱澇急轉(zhuǎn)災(zāi)害，與前人[16]采用的基于降水因素的DFAAI指標(biāo)所得的結(jié)果（5—6月為高風(fēng)險(xiǎn)期）存在差異。比較2 種方法可知，本文額外考慮了作物種類以及作物在不同生育期的需水量差異。例如7—8月正值棉花花鈴期，棉花對(duì)水分的需求量要高于其他生育期，這可能導(dǎo)致各生育期旱澇程度受作物水分消耗的影響而發(fā)生偏差，從而導(dǎo)致了2 種方法篩選得到的旱澇急轉(zhuǎn)的年內(nèi)分布有所差異。本文的結(jié)果表明花鈴期是湖北省棉花遭受旱澇急轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)最大的生育期，該時(shí)期內(nèi)旱澇急轉(zhuǎn)事件頻次高且強(qiáng)度大（表2）；前人試驗(yàn)結(jié)果已表明，棉花在花鈴期內(nèi)對(duì)農(nóng)田澇漬和干旱脅迫非常敏感[36-37]，因此棉花花鈴期的外部環(huán)境條件和自身承災(zāi)能力都具有較高的旱澇急轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)，需要加強(qiáng)對(duì)棉花花鈴期內(nèi)旱澇急轉(zhuǎn)的預(yù)防措施，改善棉田灌溉排水管理，為減災(zāi)保產(chǎn)做好準(zhǔn)備。

就湖北省棉花遭遇的旱澇急轉(zhuǎn)事件的年代趨勢(shì)而言，結(jié)果表明，20 世紀(jì)70年代是湖北省旱澇急轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)最大的年代（圖3（b）），該結(jié)論與楊家偉等[19]的結(jié)論相類似。本文還發(fā)現(xiàn)近20年來湖北省棉花旱轉(zhuǎn)澇發(fā)生次數(shù)最多的年份是2000年和2011年（圖5（a）），這與閃麗潔等[16]在長江中下游流域所得到的結(jié)果一致。在旱澇急轉(zhuǎn)事件的空間分布方面，發(fā)現(xiàn)鄂西北和鄂東南的洪湖地區(qū)的旱轉(zhuǎn)澇和澇轉(zhuǎn)旱強(qiáng)度都較高（如圖4 所示），該區(qū)域與周悅等[35]發(fā)現(xiàn)的湖北省旱澇急轉(zhuǎn)最強(qiáng)值點(diǎn)所在地理位置相吻合。此外，就不同形式的旱澇急轉(zhuǎn)事件而言，湖北省棉花旱澇急轉(zhuǎn)事件中旱轉(zhuǎn)澇事件占絕對(duì)主導(dǎo)地位（約占80%，表2，圖5），這與熊威[23]和閃麗潔等[38]關(guān)于湖北地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)的研究結(jié)果均相符。以上結(jié)果表明，雖然本文采用了農(nóng)業(yè)旱澇指標(biāo)來判定旱澇急轉(zhuǎn)事件，但對(duì)于旱澇急轉(zhuǎn)年代趨勢(shì)、空間分布和主要表現(xiàn)形式的判斷與前人成果基本吻合。

SAPEI在建立農(nóng)田水分收支量時(shí)，采用降水量代表降雨入滲量，沒有考慮地表徑流和地下徑流的影響，這可能導(dǎo)致暴雨時(shí)SAPEI反映的澇漬程度過重。因此未來可通過引入由降雨量計(jì)算入滲量的轉(zhuǎn)化公式來改進(jìn)SAPEI，從而更加準(zhǔn)確地反映農(nóng)田水分狀況。

4 結(jié)論

1）SAPEI指標(biāo)適用于反映湖北省棉花的每日水分盈虧狀況，可逐日進(jìn)行旱澇條件判斷，從而有效識(shí)別旱澇急轉(zhuǎn)點(diǎn)，為旱澇急轉(zhuǎn)事件的判斷提供參考依據(jù)。

2）湖北省棉花的旱澇急轉(zhuǎn)災(zāi)害以旱轉(zhuǎn)澇形式為主?；ㄢ徠诤禎臣鞭D(zhuǎn)發(fā)生頻率高且強(qiáng)度大；蕾期旱澇急轉(zhuǎn)次數(shù)少但單次強(qiáng)度較大；吐絮期旱澇急轉(zhuǎn)單次強(qiáng)度低而次數(shù)偏多，苗期旱澇急轉(zhuǎn)次數(shù)少且單次強(qiáng)度較低。因此棉花旱澇急轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)最大的生育期是花鈴期。

3）旱轉(zhuǎn)澇的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)廣泛分布于湖北省的東部、中部和西北部，而澇轉(zhuǎn)旱高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的分布主要集中于鄂西北和鄂東南。鄂西北和鄂東南的洪湖地區(qū)同時(shí)是旱轉(zhuǎn)澇和澇轉(zhuǎn)旱的高值區(qū)，旱澇情勢(shì)復(fù)雜。

4）湖北省20 世紀(jì)70年代棉花旱澇急轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)最高、分布范圍最廣；20 世紀(jì)70年代至今，旱澇急轉(zhuǎn)具有次數(shù)減少但是單次強(qiáng)度增加的趨勢(shì)；從20 世紀(jì)90年代至今，湖北省棉花旱澇急轉(zhuǎn)有總體風(fēng)險(xiǎn)增強(qiáng)、發(fā)生范圍變廣、自西部向東部轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。2000—2019年，湖北省棉花旱澇急轉(zhuǎn)平均強(qiáng)度、站次數(shù)呈波動(dòng)式變化，并在2000年、2011年次數(shù)達(dá)到峰值，在2016年、2017年平均強(qiáng)度達(dá)到峰值。