基于SPI指數(shù)的粵東北地區(qū)旱澇變化特征分析

李思萍，李曉惠，曾思亮，廖勇培

（1.河源市氣象局，廣東河源 517000；2.江門市氣象局，廣東江門 529000；3.紫金縣氣象局，廣東紫金 517400）

全球氣候變曖背景下，旱澇災害是對中國工農業(yè)生產和經(jīng)濟造成損失最嚴重的氣候災害［1］。李維京等［2］指出我國南方極端旱澇并發(fā)，區(qū)域性干旱、洪澇事件均呈增多趨勢；張玉琴等［3］研究得出華南地區(qū)旱澇急轉的發(fā)生頻率有先減后增的年代際特征；何慧等［4］指出粵東地區(qū)夏季長周期旱澇急轉指數(shù)呈顯著上升趨勢，還有學者對廣東及其部分區(qū)域的旱澇變化特征進行研究，取得了一些成果［5-7］。

粵東北地區(qū)屬干旱災害的高風險區(qū)，并且是以梅州市為高值中心的極端降水異常區(qū)和敏感區(qū)之一［8］。本研究利用粵東北地區(qū)近55年逐月降水數(shù)據(jù)計算標準化降水指數(shù)，輔以小波分析、相關性分析等方法，分析了旱澇的時間變化、周期變化和空間分異特征，對把握粵東北地區(qū)旱澇變化規(guī)律、減輕旱澇災害損失、合理利用水資源等具有重要的實際意義和研究價值。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

粵東北地區(qū)泛指廣東省河源和梅州兩地，屬亞熱帶季風氣候區(qū)。以兩個地區(qū)的河源、連平、和平、龍川、紫金、梅縣、平遠、興寧、蕉嶺、大埔、五華、豐順等共12個國家級氣象觀測站1965—2019年逐月降水量數(shù)據(jù)為研究資料。

1.2 研究方法

標準化降水指數(shù)（SPI）由美國學者McKee等［9］提出，可定量化表征不同時段內降水量缺乏程度的指標。其特點是利用30年以上降水量數(shù)據(jù)計算不同時間尺度SPI值，用于月以上時間尺度的旱澇監(jiān)測與評估［10-11］。SPI利用Γ分布概率描述自然降水，通過概率密度函數(shù)計算累積概率并對其標準化處理，計算步驟參考文獻［12］。計算過程未涉及與時空分布特性相關參數(shù)，極大降低了指標值計算的時空差異［13］。

應用美國國家減災中心提供的SPI計算程序［14］計算粵東北12個站點1、3、6、12個月的SPI，分別記為SPI1、SPI3、SPI6、SPI12。利用12個站點SPI的算術平均值代表粵東北旱澇指數(shù)；同理，用12個站點總雨量的算術平均值計算粵東北地區(qū)季節(jié)平均雨量及年代際平均雨量。旱澇類型根據(jù)SPI值劃分9個等級［15］（表1）。

表1 標準化降水指數(shù)（SPI）等級分類

2 結果與分析

2.1 旱澇的時間變化

1）不同時間尺度SPI變化特征比較。

SPI1受短期降水影響較大，變化曲線在0線上下頻繁波動，旱澇轉換尤為突然，較好地反映了短期旱澇變化特征（圖1a）。近55年粵東北極端和嚴重旱澇月占10.15%，其中67.74%出現(xiàn)在春冬季，可見春冬季較常出現(xiàn)短期旱情。SPI3曲線也呈現(xiàn)頻繁的旱澇交替特征，極端和嚴重旱澇月份占13.07%，與SPI1相似（圖1b）。SPI6統(tǒng)計表明，極端和嚴重旱澇月占8.24%，雖然較SPI1、SPI3的極端和嚴重旱澇月占比明顯減少，但是旱澇持續(xù)時間卻有所延長（圖1c）。比較SPI1、SPI3和SPI6變化曲線，隨著時間尺度拉長，部分時段的旱澇級別和起止時間發(fā)生改變，這一特征反映了前期降水變化的累積影響。

SPI12可反映發(fā)生旱澇的具體時段，從其隨時間的變化趨勢上看（圖1d），旱澇轉換較穩(wěn)定，大致分5個階段：1965—1972年旱澇交替期、1973—1990年洪澇期、1991年末—1992年初短暫干旱期、1992年4月—1998年轉為洪澇期、1999—2019年旱澇交替重現(xiàn)，可見曲線變化幅度大，中等級別以上旱澇事件的頻率增大。持續(xù)性旱澇是制約粵東北農業(yè)生產發(fā)展的重要因素之一。據(jù)統(tǒng)計，近55年內基本每個年代際分別出現(xiàn)2次連續(xù)10個月以上的持續(xù)性洪澇事件（除20世紀80年代僅出現(xiàn)1次），持續(xù)時間最長達25個月（2015年9月—2017年9月），其次是20世紀90年代，可見洪澇事件持續(xù)時間有所延長；連續(xù)5個月以上的持續(xù)性干旱事件僅出現(xiàn)在20世紀70年代、90年代和21世紀初，分別出現(xiàn)1次、2次和3次，持續(xù)時間最長達7個月，可見干旱事件有增多的趨勢。

據(jù)不同時間尺度SPI，近55年粵東北出現(xiàn)旱澇事件的頻率較高，平均頻率為58.92%，并且洪澇頻率（38.38%）大于干旱頻率（20.54%）。

圖1 近55年粵東北地區(qū)不同時間尺度SPI值變化特征

2）不同等級旱澇的季節(jié)變化。

粵東北地區(qū)降雨集中期在汛期4—9月，跨春、夏、秋3季。近55年粵東北各季節(jié)平均降雨量分別為春季597.03 mm、夏季670.79 mm、秋季230.56 mm和冬季169.75 mm。據(jù)SPI3統(tǒng)計，極端干旱僅出現(xiàn)在冬季，極端洪澇在各季節(jié)均有發(fā)生，而正常事件在春季的發(fā)生頻率最高（11.25%），其次為夏季（10.64%）。夏、秋季出現(xiàn)洪澇事件頻率（28.42%）較春、冬季明顯偏高，春、冬季出現(xiàn)干旱事件頻率（8.05%）較夏、秋季偏高。秋冬季降水雖比春夏季降水明顯偏少，但秋季出現(xiàn)洪澇事件的頻率（15.5%）卻在4季中最高，可見粵東北在秋季易出現(xiàn)旱澇突變（圖2）。

3）不同等級旱澇的年代際變化。

根據(jù)SPI12統(tǒng)計各年代際不同級別旱澇的發(fā)生頻率，正常的頻率最高，其次是輕微旱澇，極端旱澇頻率最低。近55年各年代際年均雨量以20世紀80年代最多（1 728.38 mm/年），其次是21世紀10年代（1 702.29 mm/年），這兩個時期的洪澇事件頻率均高達53.33%。20世紀70和90年代的降雨也偏多，年均降雨量分別為1 681.51、1 678.31 mm/年，洪澇事件頻率均在50%以上。對比各年代際不同級別旱澇類型的頻率，洪澇事件頻率變化比干旱事件頻率變化大，中等、嚴重洪澇頻率有增大的趨勢，輕微洪澇自20世紀90年代以來較80年代以前頻率明顯減小；80年代未出現(xiàn)干旱事件，21世紀初的干旱事件頻率最高（19.16%），其余年代干旱事件頻率差異不大，均以輕微和中等干旱為主（表2）。

表2 近55年粵東北地區(qū)不同級旱澇發(fā)生頻率的年代際變化 %

2.2 旱澇的周期變化

為揭示粵東北地區(qū)近55年旱澇周期變化規(guī)律，對SPI12進行Morlet小波分析，并繪制小波系數(shù)實部（圖3a）、模部等值線圖（圖3b）和小波方差圖（圖4）。其中圖3a中紅色（藍色）代表小波系數(shù)實部為正（負），即降水偏多（偏少），紅色（藍色）越深，洪澇（干旱）程度越大；圖3b亦稱為小波能量譜圖，偏紅色（偏藍色）越深表示能量越強（弱），即能量越強周期越明顯。比較圖3a和圖3b，存在能量聚集、周期顯著的4個中心：①中心尺度3年，波動能量影響時段為20世紀80年代初、90年代末和2015年以來；②尺度范圍5～12年，波動能量集中在20世紀70年代至90年代初和2000年以來，尤其2000年以來最為強烈；③尺度范圍20～25年，波動能量影響時段為20世紀60年代至80年代；④尺度范圍32～40年，波動能量基本持續(xù)至2005年?？梢姾禎持芷谧兓木植炕卣黠@著。

圖3 SPI12小波系數(shù)實部（a）和小波系數(shù)模部平方（b）等值線圖

另外，小波方差圖中（圖4）有5個較明顯的曲線峰值對應準3、5、9、20和38年的時間尺度，近55年粵東北地區(qū)旱澇變化主要受這5個時間尺度的準周期影響。

圖4 小波方差曲線

最大峰值為準9年（旱澇變化第1主周期），其周期震蕩最強且周期最顯著，準38、5、3和20年時間尺度對應旱澇變化的第2、3、4和5主周期?？梢娺@5個主周期與小波系數(shù)實部、模部平方的分析結果基本一致，可綜合得出5個特征時間尺度旱澇變化周期：①準9年，大概存在5個旱澇交替期，旱澇變化平均周期為11年；②準38年，大概存在2個旱澇交替期，旱澇變化平均周期28年左右；③準5年，大概存在11個旱澇交替期，旱澇變化平均周期為5年；④準3年，大約經(jīng)歷了15個旱澇交替期，旱澇變化平均周期4年左右；⑤準20年，大概存在3個旱澇交替期，旱澇變化平均周期18年左右。據(jù)以上分析，2019年以后小波系數(shù)實部在10年以下時間尺度呈負值（藍色）變化，對應中心尺度準3年的小波系數(shù)模部波動能量顯著，預測未來一段時間粵東北地區(qū)降水偏少。

2.3 旱澇的空間異同特征

為揭示粵東北地區(qū)南北或東西的旱澇空間分異特征，將河源地區(qū)歸為西區(qū)，梅州地區(qū)歸為東區(qū)；以梅縣站所處緯線（24.281°N）為界，緯線以北的6個站點歸為粵東北的北區(qū)，緯線以南的6個站點歸為粵東北的南區(qū)。由于南北區(qū)、東西區(qū)的SPI12均符合雙變量的正態(tài)分布，因此對各區(qū)域SPI12繪制散點圖并進行線性相關分析（圖5），此處選取積秩相關系數(shù)（Pearson相關系數(shù)）進行檢驗。結果表明，南北區(qū)（圖5a）、東西區(qū)（圖5b）的Pearson相關系數(shù)都較高，且均通過0.01的顯著性檢驗。各區(qū)域間存在較強相關性，尤以南北區(qū)的相關性最為顯著，粵東北地區(qū)的旱澇空間變化具有較強的一致性。

圖5 南北（a）、東西（b）區(qū)域SPI12相關性分析散點圖

3 結論

1）粵東北地區(qū)近55年旱澇變化過程大致可分為5個階段：1965—1972年旱澇交替期；1973—1990年為洪澇期；1991年末—1992年初短暫干旱期；1992年4月—1998年轉為洪澇期；1999—2019年旱澇交替重現(xiàn)，并且出現(xiàn)中等級別以上旱澇事件頻率增大。

2）粵東北地區(qū)出現(xiàn)旱澇事件的頻率較高，平均頻率為58.92%，并且洪澇頻率（38.38%）大于干旱頻率（20.54%），洪澇事件持續(xù)時間有延長的趨勢，干旱事件有增多的趨勢。

3）近55年粵東北地區(qū)四季均有極端洪澇事件發(fā)生，極端干旱僅出現(xiàn)在冬季，正常事件出現(xiàn)在春季的頻率最高。對比各年代際不同級別旱澇的發(fā)生頻率，洪澇事件頻率變化大于干旱事件，中等、嚴重洪澇頻率有增加的趨勢，輕微洪澇自20世紀90年代以來較20世紀80年代以前頻率明顯減少。

4）粵東北旱澇周期變化存在準3、5、9、20和38年共5個時間尺度，預測2019年之后的一段時間內粵東北地區(qū)降水偏少。

5）粵東北的南區(qū)和北區(qū)、東區(qū)和西區(qū)相關系數(shù)都較高，各區(qū)域間的旱澇變化存在較強相關性，尤以南區(qū)和北區(qū)的相關性最顯著，粵東北地區(qū)旱澇空間變化有較強的一致性。