1960—2019年珠江流域多尺度旱澇特征研究

靖娟利，徐勇，王永鋒，竇世卿，殷敏*

（1.桂林理工大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西空間信息與測(cè)繪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004）

隨著全球氣候變暖的加劇，我國(guó)干旱問(wèn)題日益凸顯，干旱災(zāi)害發(fā)生頻率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)和影響范圍廣[1]，對(duì)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)及環(huán)境產(chǎn)生重大影響。干旱發(fā)生區(qū)域呈現(xiàn)向南部和東部的濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)地區(qū)擴(kuò)展的態(tài)勢(shì)[2]。因此，研究區(qū)域干旱變化特征，對(duì)探明干旱成因機(jī)理及指導(dǎo)政府防災(zāi)減災(zāi)具有重要的意義。

由于干旱成因復(fù)雜，易受人類(lèi)活動(dòng)影響，常用干旱指數(shù)來(lái)描述干旱現(xiàn)象。普遍使用的干旱指數(shù)有Palmer指數(shù)、相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)、降水距平百分率、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（Standardized Precipitation Index， SPI）、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index, SPEI），其中SPI計(jì)算僅需降水?dāng)?shù)據(jù)，能夠較好的反映氣象干旱強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，適用于不同地區(qū)、不同尺度的氣象干旱情況分析，因而得到廣泛應(yīng)用[3-6]。珠江流域?qū)儆跓釒?、亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水量豐沛，但降水時(shí)空分布極不均衡，極易發(fā)生旱澇災(zāi)害。例如，2009年秋至2010年春位于珠江流域上游的西南地區(qū)發(fā)生嚴(yán)重旱災(zāi)，造成經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)35億美元，作物損失超過(guò)100萬(wàn)hm2[7]。因此，加強(qiáng)珠江流域旱澇演變特征研究顯得尤為迫切。近年來(lái)，珠江流域旱澇災(zāi)害受到國(guó)內(nèi)學(xué)者廣泛關(guān)注。已有研究結(jié)果表明，珠江流域雨季有干旱化趨勢(shì)，而旱季有濕潤(rùn)化趨勢(shì)，流域西部有變干趨勢(shì)、而東部和下游地區(qū)有變濕趨勢(shì)[8-10]。各季節(jié)發(fā)生旱澇的區(qū)域各不相同，春、夏、秋3季較冬季發(fā)生干旱的地區(qū)分布不均 勻[11]。珠江流域大部分地區(qū)干旱的嚴(yán)重程度和變異性將會(huì)增加，特別是中西部地區(qū)；季節(jié)性干旱有加重或頻繁發(fā)生的趨勢(shì)[12-13]。自20世紀(jì)70年代以來(lái)珠江流域干旱事件持續(xù)增多，21世紀(jì)以來(lái)珠江流域中旱、重旱事件、干旱歷時(shí)和強(qiáng)度都顯著加大，秋旱尤為突出[14]。珠江三角洲地區(qū)干旱危險(xiǎn)性較高，而西部及東北部地區(qū)干旱危險(xiǎn)性較低[15-16]。

上述研究成果對(duì)揭示珠江流域旱澇時(shí)空演變特征具有重要意義。然而，已有的研究時(shí)段相對(duì)較短，而且從不同時(shí)空尺度研究旱澇演變特征及變化趨勢(shì)的研究尚不多見(jiàn)。因此，本文基于珠江流域1960—2019年的氣象資料，運(yùn)用最成熟的SPI作為干旱指標(biāo)，結(jié)合ANUSPLIN插值方法、Sen-Median趨勢(shì)分析、Mann-Kendall檢驗(yàn)、Hurst指數(shù)及經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（Empirical Orthogonal Function, EOF）分析法，研究近60年珠江流域年際及季節(jié)旱澇時(shí)空變化特征及未來(lái)趨勢(shì)，探究珠江流域旱澇的主要空間模態(tài)及對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)變化，以期為流域旱澇災(zāi)害的監(jiān)測(cè)及預(yù)警提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

珠江流域位于東經(jīng)102°14′～115°53′、北緯21°31′～ 26°49′，流經(jīng)滇、黔、桂、粵、湘、贛等?。▍^(qū)），流域面積約44萬(wàn)km2，是我國(guó)境內(nèi)第三長(zhǎng)河流。主要包括西江、北江和東江三大支流。流域地勢(shì)從西北向東南遞減，從西到東橫跨云貴高原、兩廣丘陵和珠江三角洲平原。流域地處熱帶、亞熱帶氣候區(qū)，北回歸線(xiàn)橫貫流域的中部，氣候溫和多雨，多年平均溫度為14～22 ℃，多年平均降水量為1 200～2 200 mm，降水量季節(jié)分配不均，全年約80%的降水量集中在4～9月，降水量總體呈東北部高、西南部低的特征，地區(qū)分布及年際差異較大。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理

收集珠江流域1960—2019年43個(gè)氣象站點(diǎn)逐月降水觀(guān)測(cè)資料，資料來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.cma.gov.cn），氣象站點(diǎn)空間分布如圖1所示。為了保證數(shù)據(jù)的完整性、一致性，數(shù)據(jù)處理過(guò)程中對(duì)極少部分缺測(cè)數(shù)據(jù)采用同一站點(diǎn)的相鄰月份進(jìn)行線(xiàn)性插補(bǔ)?；谡军c(diǎn)的月降水量，在Excel中統(tǒng)計(jì)為年降水量。研究區(qū)90 m SRTM(Shuttle Radar Topography Mission) DEM數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)（http://www.gscloud.cn/）， 對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌拼接，然后重采樣為500 m，最后利用研究區(qū)邊界進(jìn)行裁剪，得到珠江流域地形數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù) SPI最早由McKee等[17]提出，是在計(jì)算出某時(shí)段內(nèi)降水量的Γ分布概率后，再進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，最終用標(biāo)準(zhǔn)化降水累積頻率分布來(lái)劃分干旱等級(jí)，SPI計(jì)算公式[18]如下：

當(dāng)G(x)＞0.5時(shí)，S=1；當(dāng)G(x)≤0.5時(shí)，S=-1。G(x)由Γ分布函數(shù)概率密度積分公式計(jì)算：

式中：γ和β分別為Γ分布函數(shù)的形狀和尺度參數(shù)。根據(jù)上述方法計(jì)算出3個(gè)月和12個(gè)月尺度的SPI來(lái)反映季節(jié)和年際旱澇演變特征。其中，3個(gè)月尺度的SPI（SPI3）可以反映短期和中期土壤含水量狀況，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言非常重要；而12個(gè)月尺度的 SPI（SPI12）與地表徑流、水庫(kù)水位以及地下水水位有很大關(guān)系。研究過(guò)程中規(guī)定，3～5月為春季、6～8 月為夏季、9～11月為秋季、12月到次年2月為冬季。根據(jù)國(guó)家氣象局制定的《氣象干旱等級(jí)GB/T 20481—2006》，將SPI劃分為不同的旱澇等級(jí)（表1）。

表1 SPI旱澇等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standard of drought and flood based on SPI

2.2.2 ANUSPLIN插值法 ANUSPLIN是澳大利亞科學(xué)家Hutchinson基于薄盤(pán)樣條理論編寫(xiě)的針對(duì)氣象數(shù)據(jù)曲面擬合的專(zhuān)用插值軟件[19]，該軟件能引入多個(gè)影響因子進(jìn)行氣象要素空間插值，適用于長(zhǎng)時(shí)間序列的氣象數(shù)據(jù)插值[20]，已在不同區(qū)域的氣象插值中得到廣泛應(yīng)用[21-22]。因此，本文選用ANUSPLIN對(duì)1960—2019年的年際降水量、年際及季節(jié)SPI序列數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，樣條次數(shù)為2，協(xié)變量為經(jīng)度、緯度和高程，插值數(shù)據(jù)空間分辨率為500 m。

2.2.3 趨勢(shì)分析方法 Sen-Median趨勢(shì)分析及Mann-Kendall檢驗(yàn)方法已被廣泛用于長(zhǎng)時(shí)間序列氣候變化和水文分析的趨勢(shì)檢驗(yàn)[23-24]。本文利用Sen-Median趨勢(shì)對(duì)珠江流域年際降水量及多尺度旱澇特征的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，當(dāng)Sen-Median趨勢(shì)度β>0時(shí)，表示時(shí)間序列呈上升趨勢(shì)，反之呈下降趨勢(shì)；同時(shí)進(jìn)行Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，對(duì)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)量Z，在給定α=0.05置信水平上，如果|Z|≥1.96，表示研究序列在α水平上存在顯著變化。

2.2.4 Hurst指數(shù) 重標(biāo)極差（Rescaled Range Analysis Method，R/S）分析法由英國(guó)水文學(xué)家Hurst在研究尼羅河水文問(wèn)題時(shí)提出，后Mandelbrot對(duì)該方法進(jìn)行了理論方面的補(bǔ)充和完善[25-26]。Hurst指數(shù)H取值范圍為00.5時(shí)，意味著未來(lái)的變化情況與過(guò)去一致，即持續(xù)性，H越接近1，持續(xù)性越強(qiáng)；而0

2.2.5 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析法 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析法（EOF）[28]，又稱(chēng)為主分量分析，是氣候統(tǒng)計(jì)學(xué)中多變量分析的一種常用方法。該方法將復(fù)雜的氣象要素矩陣正交分解為時(shí)間系數(shù)矩陣和空間向量矩陣的乘積，根據(jù)方差貢獻(xiàn)率的大小提取研究區(qū)氣象要素的主要空間分布模態(tài)及其隨時(shí)間變化的氣候特征，并通過(guò)North準(zhǔn)則檢驗(yàn)空間模態(tài)的顯著性[29]。本文對(duì)珠江流域年尺度SPI進(jìn)行EOF分解，提取并分析典型特征向量，研究旱澇時(shí)空變化特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量時(shí)空變化特征

3.1.1 時(shí)間變化特征 從圖2可以看出，近60 a珠江流域年均降水量總體呈不顯著上升趨勢(shì)（P>0.05），上升速率為0.62 mm/a，年均降水量在1 091.40～ 1 783.91 mm波動(dòng)，均值為1 493.40 mm。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，降水量小于均值的年份總計(jì)31 a，其中有23 a 分布在19世紀(jì)60～90年代，2000年以后的年份僅有8 a，降水量在1963年為1 091.40 mm，達(dá)到最低值，其次為2011年的1 139.02 mm；降水量高于均值的年份總計(jì)29 a，其中有17 a分布在19世紀(jì)60～90年代，2000年以后的年份有12 a，降水量在1994年達(dá)到最大值1 783.91 mm。以上分析說(shuō)明，珠江流域干旱期主要集中分布在19世紀(jì)，而2000年以后干濕波動(dòng)比較頻繁，降水量總體呈上升趨勢(shì)。

3.1.2 空間變化特征 從圖3（a）可以看出，珠江流域近60 a年均降水量空間分布具有顯著的差異性，總體呈東北高、西南低的空間分布格局。受地形和大氣環(huán)流的影響，年均降水量空間分布總體呈現(xiàn)隨著距離水汽源地越遠(yuǎn)及地形的抬升而減少的趨勢(shì)。降水量大于2 000 mm的高值區(qū)主要分布在柳江流域、北江流域、桂江流域等區(qū)域；降水量小于1 000 mm的低值區(qū)集中分布在南盤(pán)江流域、右江流域，北盤(pán)江流域也有零星分布。

基于Sen-Median +Mann-Kendall趨勢(shì)分析方法，從像元尺度研究近60 a珠江流域年降水量變化趨勢(shì)的空間分布格局。其中，β<0表示降水量呈減少趨勢(shì)；β>0表示降水量呈增加趨勢(shì)；將α=0.05置信水平上Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果劃分為顯著變化區(qū)（Z<-1.96或Z≥1.96）和不顯著變化區(qū)（-1.96≤Z＜1.96）；β和Z的組合結(jié)果如圖3（b）所示。從圖3（b）可知，降水量年際變化呈增加趨勢(shì)的區(qū)域占51.32%，主要分布在流域的東南部地區(qū)，包括柳江流域、桂江流域、北江流域、黔洵江及西江流域，左江流域及郁江流域、右江流域、紅水河流域也有部分分布，絕大部分地區(qū)變化趨勢(shì)不顯著（P>0.05）；呈顯著增加（P<0.05）趨勢(shì)的區(qū)域僅占3.32%，集中分布在北江流域與黔洵江及西江流域的南北交接地區(qū)、桂江流域與柳江流域的交接處也有部分分布。降水量年際變化呈減少趨勢(shì)的地區(qū)占48.68%，主要分布在流域西南部地區(qū)，包括南盤(pán)江流域、北盤(pán)江流域，紅水河、右江流域的上游和下游地區(qū)，柳江流域上游、左江及郁江流域下游地區(qū)；其中，呈顯著減少的區(qū)域占4.39%，集中分布在南盤(pán)江流域中西部地區(qū)，北江及紅水河流域北部地區(qū)。

3.2 SPI時(shí)空變化特征

3.2.1 時(shí)間變化特征 基于珠江流域氣象站點(diǎn)的年際SPI，計(jì)算1960—2019年年均SPI并繪制圖4曲線(xiàn)。從圖4可以看出，1960—2019年珠江流域年際SPI呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)震蕩，旱澇交替比較頻繁，整體呈不顯著上升趨勢(shì)（P>0.05），上升速率為0.009/10 a，說(shuō)明近60 a研究區(qū)濕潤(rùn)化趨勢(shì)不明顯。對(duì)年際SPI曲線(xiàn)做5 a移動(dòng)平均處理，可以看出明顯的階段特征，1983年、1991年、1997年和2007年出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，呈現(xiàn)出上升-下降-上升-下降-上升的趨勢(shì)。研究區(qū)干旱期主要集中在1960—1967年、1984—1992年和2003—2013年之間，其中1963年、1989年、2009年和2011年SPI值分別為-1.48、-1.16、-1.18和-1.45，均達(dá)到了中旱等級(jí)。研究區(qū)濕潤(rùn)期主要集中分布在1968—1983年、1993—2002年和2014—2018年之間，其中達(dá)到中澇等級(jí)的年份有1961年、1994年、1997年和2015年，SPI值分別為1.02、1.03和1.05。

從季節(jié)SPI變化特征來(lái)看（圖5），春、夏、冬三季均呈上升趨勢(shì)，上升速率分別為0.003/10 a、0.013/10 a、0.066/10 a，而秋季呈下降趨勢(shì)，下降速率為-0.036/10 a，季節(jié)變化趨勢(shì)均未通過(guò)P<0.05顯著性檢驗(yàn)。春季SPI波動(dòng)幅度較小，濕潤(rùn)年份主要集中在1965—1985年之間，1986年之后表現(xiàn)為干旱化趨勢(shì)。夏季SPI在高低值之間波動(dòng)，1980—2002年之間波動(dòng)幅度較大，濕潤(rùn)期主要分布在1961—1979年和1993—2008年，其 中1968年和1993年SPI分別為1.31和1.29，達(dá)到中澇等級(jí)；干旱期主要集中在1980—1992年和2009—2016年之間，其中1989年和2011年SPI分別為-1.40和-1.30，達(dá)到中旱等級(jí)。秋季SPI在高低值之間震蕩變化，干濕波動(dòng)比較頻繁且具有明顯的階段性特征，1969年、1985年和2007年出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，呈現(xiàn)出下降-上升-下降-上升的總體趨勢(shì)，其中1965年、1982年和2015年SPI分別為1.27、1.09和1.28，達(dá)到中澇等級(jí)，而2004年和2009年SPI分別為-1.26和-1.15，達(dá)到中旱等級(jí)。冬季SPI在1960—1983年之間波動(dòng)平緩，主要為偏干時(shí)期，1983年之后干濕交替分布，總體呈濕潤(rùn)化趨勢(shì)。

3.2.2 空間變化特征 從年際SPI的Sen-Median趨勢(shì)分析結(jié)果可知，趨勢(shì)系數(shù)β值介于（-0.31～0.12）/10 a之間；將α=0.05置信水平上，Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果與Sen-Median趨勢(shì)分析結(jié)果進(jìn)行疊加來(lái)判斷年際SPI變化趨勢(shì)及顯著性（圖6）。從圖6可知，珠江流域SPI呈下降趨勢(shì)的區(qū)域占54.26%，略高于呈上升趨勢(shì)的區(qū)域45.74%，總體以干旱化趨勢(shì)為主。SPI呈下降趨勢(shì)的區(qū)域主要分布在研究區(qū)西部的南盤(pán)江流域、北盤(pán)江流域、紅水河流域，以及右江流域和左江及郁江流域的大部分地區(qū)；呈顯著下降趨勢(shì)（P<0.05）的區(qū)域占7.79%，集中分布在珠江源頭的南盤(pán)江流域和北江流域。SPI呈上升趨勢(shì)的區(qū)域主要分布在研究區(qū)東部地區(qū)，包括桂江流域，柳江流域、北江流域和黔洵江及西江流域的大部分地區(qū)，右江流域和左江及郁江流域的小部分地區(qū)，變化趨勢(shì)均未通過(guò)P<0.05顯著性檢驗(yàn)。

季節(jié)尺度上，珠江流域不同季節(jié)SPI變化趨勢(shì)表現(xiàn)出顯著的空間差異性（圖7）。春季SPI呈下降趨勢(shì)的區(qū)域占74.60%，意味著研究區(qū)大部分地區(qū)有變干的趨勢(shì)，這些地區(qū)主要分布在珠江流域的中西部，其中呈顯著下降（P<0.05）趨勢(shì)的區(qū)域占3.56%，集中分布在西北部的北盤(pán)江流域和紅水河流域；SPI呈上升趨勢(shì)的區(qū)域占25.40%，主要分布在研究區(qū)東部的北江流域、黔洵江及西江流域以及西部的南盤(pán)江流域，變化趨勢(shì)不顯著（P>0.05）。

夏季SPI呈上升趨勢(shì)的區(qū)域從流域東部向中部蔓延，SPI變化趨勢(shì)與年際SPI變化特征具有相似性；SPI呈上升趨勢(shì)的區(qū)域上升到53.47%，主要分布在桂江流域、北江流域、黔洵江及西江流域以及柳江流域，變化趨勢(shì)均未通過(guò)P<0.05顯著性檢驗(yàn)；SPI呈下降趨勢(shì)的區(qū)域占46.53%，主要分布在中西部地區(qū)，其中SPI呈顯著下降（P<0.05）趨勢(shì)的區(qū)域僅占1.96%，集中分布在北盤(pán)江流域。

秋季占72.14%的地區(qū)SPI呈下降趨勢(shì)，表明這些區(qū)域具有干旱化趨勢(shì)，主要分布在東部、北部和西部地區(qū)；其中SPI呈顯著下降（P<0.05）的區(qū)域占6.54%，集中分布在北盤(pán)江和南盤(pán)江流域；SPI呈上升趨勢(shì)的區(qū)域僅占27.86%，分布區(qū)域與夏季相比縮減到研究區(qū)中南部地區(qū)，主要分布在左江及郁江流域、右江流域、紅水河流域、黔洵江及西江流域，北江流域、桂江流域及柳江流域的局部地區(qū)，變化趨勢(shì)不顯著（P>0.05）。

冬季SPI呈上升趨勢(shì)的區(qū)域占94.90%，意味著研究區(qū)以濕潤(rùn)化趨勢(shì)為主導(dǎo)，廣泛分布在各流域；其中SPI呈顯著上升（P<0.05）的區(qū)域占3.88%，集中分布在紅水河流域、右江流域、左江及郁江流域的局部地區(qū)；SPI呈下降趨勢(shì)的區(qū)域僅占5.10%，分布區(qū)縮減到西北角的北盤(pán)江流域。總體而言，珠江流域在春季和秋季呈干旱化趨勢(shì)，干旱的風(fēng)險(xiǎn)較大；而冬季呈濕潤(rùn)化趨勢(shì)，表明發(fā)生洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)較大。

3.3 SPI未來(lái)趨勢(shì)

基于R/S理論方法，對(duì)1960—2019年珠江流域年際SPI序列逐像元計(jì)算Hurst指數(shù)。結(jié)果表明：Hurst指數(shù)在0.399～0.885之間波動(dòng)，均值為0.622，表明未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)珠江流域SPI仍將延續(xù)過(guò)去60 a 期間的變化狀態(tài)。從圖8（a）可知，強(qiáng)持續(xù)性變化區(qū)（H>0.65）的區(qū)域主要分布在南盤(pán)江流域北部、北盤(pán)江流域西部、柳江流域中南部、右江流域西部等地區(qū)；反持續(xù)性變化區(qū)（H<0.5）占9.02%，集中分布在黔洵江及西江流域中部、左江及郁江流域；弱持續(xù)性變化區(qū)（0.5

為了進(jìn)一步研究年際SPI變化趨勢(shì)及其可持續(xù)性，將Sen-Median趨勢(shì)系數(shù)（β）和Mann-Kendall檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量（Z）與Hurst指數(shù)（H）分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行耦合分析，結(jié)果如表2和圖8（b）所示。從表2可以看出，SPI持續(xù)減少的區(qū)域（類(lèi)別Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ）占51.49%，這些地區(qū)呈不顯著干旱化趨勢(shì)；SPI持續(xù)增加的區(qū)域（類(lèi)別Ⅴ和Ⅵ）占39.49%，這些區(qū)域呈不顯著濕潤(rùn)化趨勢(shì)。從圖8（b）可以看出，SPI呈顯著減少-強(qiáng)持續(xù)區(qū)域（類(lèi)別Ⅰ）占7.76%，主要分布在南盤(pán)江流域的南部、北盤(pán)江流域的西部地區(qū)，這些地區(qū)干旱化趨勢(shì)顯著；未來(lái)趨勢(shì)無(wú)法確定的區(qū)域（類(lèi)別Ⅶ）占9.02%，主要集中分布在左江及郁江流域、黔洵江及西江流域，以上二類(lèi)地區(qū)是重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，以防止旱澇災(zāi)害發(fā)生。

表2 β-Z-H耦合結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of the coupling results of β-Z-H

3.4 SPI時(shí)空模態(tài)分析

3.4.1 空間分布特征 為了進(jìn)一步研究珠江流域SPI時(shí)空分布特征，對(duì)年際SPI進(jìn)行EOF分解。從表3 可以看出，前5個(gè)特征值的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到66.81%，根據(jù)North顯著性檢驗(yàn)原理，僅有前3個(gè)特征值的誤差范圍不重疊，通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到58.02%。因此，前3個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的特征向量能夠較好地反映珠江流域近60 a旱澇的主要空間分布特征。

表3 年際SPI EOF分解的前5個(gè)特征向量貢獻(xiàn)率Table 3 The contribution variance of the first five modes of EOF based on annual SPI

第一模態(tài)特征向量方差貢獻(xiàn)率為36.50%，是珠江流域旱澇空間分布的主要特征。圖9（a）顯示第一模態(tài)特征向量均為正值，表明珠江流域近60 a旱澇變化趨勢(shì)具有一致性，即全流域干旱或濕潤(rùn)。高值區(qū)主要位于珠江流域東部北江、桂江、柳江、紅水河等流域，這些地區(qū)對(duì)旱澇變化敏感，具有年際變化頻繁、變化幅度大等特點(diǎn)；低值區(qū)集中分布在西部的北盤(pán)江、南盤(pán)江等流域。受研究區(qū)地形及氣候的影響，旱澇災(zāi)害總體呈現(xiàn)從東部向西部地區(qū)減小的趨勢(shì)。

第二模態(tài)特征向量方差貢獻(xiàn)率為15.39%，也是珠江流域旱澇空間分布的主要特征。從圖9（b）可以看出，特征向量中占63.67%的為負(fù)值，占36.33%的為正值，大致以柳江流域、紅水河流域、左江及郁江流域與桂江流域、黔洵江流域的交接地帶為0值分界線(xiàn)，以東為正值，以西為負(fù)值，呈現(xiàn)出東、西反向分布特征，即流域西部偏澇東部偏旱或者西部干旱而東部偏澇。

第三模態(tài)特征向量方差貢獻(xiàn)率為6.13%，是通過(guò)North顯著性檢驗(yàn)的最后一個(gè)特征向量。從圖 9（c）可知，該模態(tài)下珠江流域旱澇空間分布基本呈現(xiàn)出“南、西負(fù)北正”的反向特征，大致以北盤(pán)江流域東部、紅水河流域南部、桂江及北江中部為分界線(xiàn)，以北為正值、以南以西為負(fù)值。

3.4.2 時(shí)間分布特征 根據(jù)珠江流域年際SPI空間分布模態(tài)特征，將每年絕對(duì)值最大的時(shí)間系數(shù)所對(duì)應(yīng)的特征向量作為當(dāng)年典型的干旱空間分布特征，對(duì)其表現(xiàn)的6種干濕變化特征所對(duì)應(yīng)的年份進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4可看出，研究時(shí)段內(nèi)第一模態(tài)中有12 a整個(gè)流域全年濕潤(rùn)多雨，14 a全年干旱少雨，總計(jì)占研究時(shí)段的43.33%；第二模態(tài)中東部干旱西部濕潤(rùn)的年份有16 a，東部濕潤(rùn)西部干旱的年份總計(jì)7 a，共計(jì)23 a，占研究時(shí)段的38.33%，第三模態(tài)中的兩種分布類(lèi)型共出現(xiàn)11 a，占研究時(shí)段的18.33%，其中北部干旱南、西部濕潤(rùn)的年份有7 a，而北部濕潤(rùn)南、西部干旱的年份有4 a。因此，第一模態(tài)和第二模態(tài)可以作為珠江流域近60 a旱澇空間分布的主要類(lèi)型。

表4 6種干濕變化特征所對(duì)應(yīng)的年份Table 4 Years corresponding to the six types of dry and wet changing characteristics

從圖10（a-c）可以看出，第一、第二和第三模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)線(xiàn)性趨勢(shì)斜率均為正值，上升速率分別為0.117/10 a、0.330/10 a和0.189/10 a，第一模態(tài)和第三模態(tài)上升趨勢(shì)均未通過(guò)P<0.05顯著性檢驗(yàn)，第二模態(tài)上升趨勢(shì)通過(guò)P<0.1顯著性檢驗(yàn)。說(shuō)明第一模態(tài)的空間分布類(lèi)型變化不明顯，濕潤(rùn)多雨和干旱少雨兩種類(lèi)型基本保持均衡；第二模態(tài)有從“東部干旱西部濕潤(rùn)”的空間分布形式向“東部濕潤(rùn)西部干旱”形式轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)；第三模態(tài)北部干旱南、西部濕潤(rùn)和北部濕潤(rùn)南、西部干旱兩種分布類(lèi)型基本保持均衡。根據(jù)第一、第二和第三模態(tài)的時(shí)間系數(shù)序列，基于Mann-Kendall方法進(jìn)行突變檢驗(yàn)，結(jié)果如圖10（a1—c1）所示。

從圖10（a1—c1）可以看出，第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)的UF曲線(xiàn)正負(fù)波動(dòng)變化，發(fā)生多次突變，但均未通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)。1964—1987年時(shí)間系數(shù)為正，全流域濕潤(rùn)多雨，1987年之后UF曲線(xiàn)正負(fù)波動(dòng)頻繁，全流域干旱少雨和濕潤(rùn)多雨交替變化。第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)UF曲線(xiàn)在1982年之前為負(fù)值，1982年之后波動(dòng)上升、持續(xù)為正值，并出現(xiàn)多個(gè)突變點(diǎn)，僅有1967—1969年、1971年、2013年達(dá)到0.05顯著性水平。表明珠江流域在1982年之前多為“東部干旱西部濕潤(rùn)”的空間分布類(lèi)型，1982年之后開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)椤皷|部濕潤(rùn)西部干旱”的形式，但轉(zhuǎn)變趨勢(shì)不顯著。第三模態(tài)時(shí)間系數(shù)UF曲線(xiàn)在1988年之前正負(fù)波動(dòng)變化，1988年之后持續(xù)正值，發(fā)生多次突變，并在2011—2019年之間有7 a通過(guò)0.05顯著性水平。這表明珠江流域在1988年之前“北部干旱南、西部濕潤(rùn)”和“北部濕潤(rùn)南、西部干旱”兩種分布類(lèi)型并存，并以后者居多；1988年之后主要表現(xiàn)為“北部濕潤(rùn)南、西部干旱”的空間分布類(lèi)型，并在2011年之后變化趨勢(shì)顯著。

4 討論

珠江流域年均降水量總體呈不顯著上升趨勢(shì)（P>0.05），降水量年際變化呈增加趨勢(shì)的區(qū)域集中分布在東南部，而呈減少趨勢(shì)的區(qū)域主要分布在西部和南部地區(qū)，占90%以上的區(qū)域變化趨勢(shì)不顯著。此研究結(jié)論與王兆禮等[30]、唐亦漢和陳曉宏[31]對(duì)珠江流域年降水量變化趨勢(shì)的研究結(jié)論基本一致。

年際SPI呈上升趨勢(shì)的區(qū)域集中分布在流域的東北部地區(qū)，而呈下降趨勢(shì)的區(qū)域主要分布在西南部地區(qū)，說(shuō)明東北部有變濕趨勢(shì)，而西南部有變干趨勢(shì)，此結(jié)論與肖名忠等[9]研究成果基本一致。春、夏、冬三季SPI均呈上升趨勢(shì)，而秋季呈下降趨勢(shì)。此結(jié)論與Zhang等[8]研究結(jié)論有一定差異，對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，Zhang等[8]研究時(shí)間段為1960—2005年，主要研究雨季（4～9月）和冬季（12月、1～2月）SPI的變化趨勢(shì)。本文季節(jié)尺度研究結(jié)果與肖名忠等[9]研究成果也有出入，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)肖名忠等[9]研究時(shí)間段為1960—2005年，研究過(guò)程中基于站點(diǎn)分析逐月SPI的變化趨勢(shì)。

本文基于多尺度SPI，研究了珠江流域近60 a旱澇特征的時(shí)空演變特征，可以為流域旱澇災(zāi)害的監(jiān)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。另外，本文僅分析了珠江流域旱澇變化特征及未來(lái)趨勢(shì)，未能將研究尺度細(xì)化到子流域尺度，也未能對(duì)旱澇發(fā)生的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行深入研究，后續(xù)研究可以基于子流域尺度，并結(jié)合珠江流域地形地貌特征、地質(zhì)生態(tài)條件、氣候因子、城市化發(fā)展及政府的相關(guān)政策做深入探討。

5 結(jié)論

1）珠江流域年均降水量總體呈不顯著上升趨勢(shì)（P>0.05），降水量空間分布總體呈現(xiàn)東北部高、西南部低的空間分布格局，降水量年際變化呈增加趨勢(shì)的地區(qū)略高于呈減少趨勢(shì)的區(qū)域，占90%以上的區(qū)域變化趨勢(shì)不顯著

2）年際SPI整體呈不顯著上升趨勢(shì)（P>0.05），呈現(xiàn)出明顯的階段特征，與年際降水量變化具有一致性。春、夏、冬三季SPI均呈上升趨勢(shì)，而秋季呈下降趨勢(shì)，且SPI變化存在明顯的階段特征，變化趨勢(shì)均未通過(guò)P<0.05顯著性檢驗(yàn)。

3）Hurst指數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)珠江流域SPI仍將延續(xù)過(guò)去60 a期間的變化狀態(tài)。β-Z-H耦合結(jié)果中顯著減少-強(qiáng)持續(xù)的區(qū)域主要分布在珠江源的喀斯特分布區(qū)；而未來(lái)趨勢(shì)無(wú)法確定的區(qū)域?qū)儆谌祟?lèi)活動(dòng)密集分布區(qū)。

4）EOF分析得到前3個(gè)特征向量及對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)反映了珠江流域干旱的時(shí)空演變主要特征。第一模態(tài)反映了全流域一致的分布特征，第二、三模態(tài)反映了反向的分布特征。3個(gè)模態(tài)的時(shí)間系數(shù)變化趨勢(shì)均未通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)，無(wú)顯著突變點(diǎn)。