廣東省旱澇災害時空變化特征研究

劉永林, 延軍平

(陜西師范大學 旅游與環境學院, 陜西 西安 710062)

廣東省旱澇災害時空變化特征研究

劉永林, 延軍平

(陜西師范大學 旅游與環境學院, 陜西 西安 710062)

摘要：[目的] 研究廣東省旱澇災害時空變化特征，并對廣東省1960—2012年旱澇等級進行劃分。[方法] 應用小波分析、馬可爾夫鏈、Mann—Kendall突變檢驗、經驗正交函數以及克里金空間插值法等方法。[結果] (1) 在時間上，廣東省年降水量呈上升趨勢，存在28，13和6 a的時間尺度上的震蕩周期； (2) 廣東省旱澇災害發生頻率及未來幾年旱澇狀態與氣溫變化有良好的響應關系。 (3) 在空間上，粵東地區和粵西地區以澇災為主，而廣寧—廣州—臺山地區一帶以旱災為主。[結論] 廣東省旱澇災害與氣溫變化存在一定的響應關系，氣溫突變后旱澇災害增多。

關鍵詞：旱澇災害; Z指數; 小波分析; 馬爾可夫鏈; 經驗正交函數; 廣東省

廣東省位于東亞季風區，季風影響顯著，地形復雜，降水時空分布不均，深受旱澇災害、熱帶氣旋、低溫凍害和寒潮等氣象災害影響，其中，旱澇災害是最主要的氣象災害之一，對人們生產生活造成嚴重影響，尤其是對農業生產影響甚大，為此，探究廣東省旱澇災害的時空變化特征，有利于今后防旱防澇工作的進行。我國旱澇等級的劃分指標主要使用降水距平百分率、濕度指標、Z指數、標準化降水指數(SPI)以及降水百分位指數等，我國專家學者多以降水距平百分率、Z指數和SPI對旱澇等級進行劃分為主，并且廣泛應用于廣東省旱澇災害的研究。吳池勝等[1]應用降水距平百分率得出深圳—汕尾、陽江及雷州半島為大旱中心，而粵北地區為輕旱中心；賀海晏[2]應用降水距平百分率得出恩平、海豐、清遠、龍門等地為多雨區，粵北、粵西及雷州半島等地為少雨區；薛積彬等[3]應用濕潤指數得出113°E以東旱澇分區沿經向分布，以西旱澇分區沿緯向分布，并且珠三角多澇災，粵北、粵西、粵東和雷州半島多旱災；江濤等[4]應用SPI得出廣東省春秋干旱在空間上具有總體一致性。此外，專家學者們還分析了大氣環流[5]、太陽輻射和氣溫[6]、氣溶膠[7]、太平洋和印度洋表層和次表層水溫以及夏季風[8-9]、厄爾尼諾[10]等與旱澇的關系和影響機理，李析男等[11]通過加權馬爾可夫鏈進行旱澇災害預測。鞠笑生等[12-13]對比分析了降水距平百分率、濕度指標、Z指數等的適用性，指出Z指數為最佳方法，并系統地建立了應用Z指數進行單站旱澇等級和區域旱澇等級的劃分系統；袁文平等[14]指出Z指數與SPI兩者具有較好的一致性；劉利平[15]指出Z指數相對降水量距平百分率更適用于廣東省旱澇災害。因此，本研究將應用Z指數對廣東省旱澇等級進行劃分與分析。

1資料與方法

所用資料為中國氣象科學數據共享服務網提供的中國地面氣候資料年值數據集，為保證數據完整性和臺站分布均勻而選用廣東省24個氣象臺站1960—2012年53 a觀測資料，數據基本完整，僅缺失廣寧臺站1968年的年平均氣溫，根據無交互作用雙因素方差分析的誤差平方和最小原理對缺失數據進行補缺[16]。

應用小波分析、馬可爾夫鏈、Mann—Kendall突變檢驗、經驗正交函數以及克里金空間插值法等方法進行分析[17-22]。

2旱澇災害時間變化特征

2.1　降水量變化特征

從圖1和表1可以看出，1960—2012年廣東省年均降水量為1 727 mm，年降水量最小值出現在1963年，最大值出現在1983年，該省年降水量呈波動上升趨勢，傾向率為8.60 mm/10 a。年代平均降水量由1960s至1990s波動上升，20世紀以來呈現下降趨勢；冬季平均降水量由1960s至1990s呈上升趨勢，20世紀以來呈現下降趨勢；春季平均降水量由1960s至1980s呈上升趨勢，1990s以來呈現下降趨勢；夏季、秋季平均降水量在各年代呈波動變化，夏季平均降水量略有上升。

圖1　1960-2012年廣東省年降水量變化情況

季節降水量/mm1960s1970s1980s1990s20世紀以來1960—2012年冬季112123146172119134春季472563652507507540夏季758761673837805767秋季282330285252283286年均降水量162417771756176817141728

對1960—2012年廣東省年降水量進行小波分析(圖2)可知，正位相與負位相交替變化(實線為正位相，虛線為負位相)，反映出廣東省年降水量偏多與偏少呈交替變化；該省年降水量存在3個的峰值，依次對應為28，13和6 a的時間尺度，這與陳特固[7]的研究結論基本一致，其中，大尺度時間上28 a周期震蕩最強，為年降水量變化的第一主周期；中尺度時間上存在13 a周期震蕩，為年降水量變化的第二主周期；小尺度時間上存在6 a周期震蕩，為年降水量變化的第三主周期。

2.2　旱澇災害時間特征

通過對廣東省24個臺站1960—2012年的降水量進行Z指數處理，并利用區域旱澇指數對該省旱澇等級進行等級劃分(圖3)。1960—2012年廣東省發生重澇3次(1983，1997，2001年)，大澇5次(1961，1973，1975，2006，2008年)，重旱3次(1963，1991，2004年)，大旱4次(1967，1971，1999，2003年)，其余旱澇情況分別為：偏澇7次，偏旱10次，正常21次。分析可知，廣東省重澇、大澇發生次數與重旱、大旱基本一致，偏旱次數稍多于偏澇。

圖2　廣東省小波變換等值線圖

圖3　廣東省1960-2012年旱澇等級

通過廣東省各年代旱澇災害分析發現(表略)，1960s以旱災為主，頻率達50%；1970s旱災與澇災頻率相差不大，正常年份與旱澇災害頻率各占50%；1980s以正常年份為主，頻率達60%，前期發生澇災，后期發生旱災；1990s以及20世紀以來旱澇災害明顯增多，1990s旱澇災害頻率為70%，20世紀以來旱澇災害頻率達77%，旱災與澇災交替出現。

2.3　氣溫變化與旱澇災害的相關關系

對1960—2012年廣東省年均溫進行Mann—Kendall突變檢驗(圖4)，α=0.05時，發現該省年均溫在1993年出現突變，1993年之前呈波動變化、總體平穩的狀態；1993年之后呈明顯上升趨勢，而2007年之后呈現平穩狀態。

圖4　廣東省1960-2012年年均溫Mann-Kendall突變檢驗

對1960—2012年廣東省旱澇災害頻率變化進行分析(表2)，1960—2012年以正常年份為主，旱災頻率稍大于澇災，1960—1993年與之相似；1994—2012年正常年份頻率明顯減小，旱災與澇災頻率均明顯增大且頻率相等。由此可以得出，旱澇災害對年均溫變化有明顯的響應關系，1993年的年均溫突變后，廣東省旱澇災害相應地產生變化，旱澇災害明顯增多。

表2　廣東省1960-2012年旱澇災害頻率變化

2.4　氣溫變化影響旱澇災害的機理分析

ENSO事件、西太平洋暖池的熱力異常、青藏高原上空的熱源異常、亞洲季風環流異常、西太平洋副熱帶高壓帶異常以及由?！憽獨怦詈系臇|亞季風氣候系統各子系統的變異等都對中國旱澇災害造成影響[23]。全球變暖的背景下，臺風的強度及強臺風的頻數有增加的趨勢、海平面的上升、沿海地區對臺風風暴潮的脆弱性增大，因而臺風災情將加重[24]，從而導致澇(洪)災的增加；水循環會更加活躍，并且整個大氣容納水的能力會增強，而部分地區蒸發作用變強，在大尺度的水分循環中，帶走當地的部分水分，從而使該地降水減少[25]，促使旱災形成；熱帶太平洋表層溫度總體升高，尤以赤道中—東太平洋地區最為明顯[26]，促使赤道哈得來環流發展，副高加強，位置偏西[26]，西太平洋對流活動減弱，影響降水。進入90年代，東亞夏季風處于一個負位相階段，特別是最近10 a其強度達到最弱期[27]，有利于從孟加拉灣、熱帶西太平洋和中國南海輸送來的水汽[23]，從而導致降水量增多，容易造成洪澇。此外，20世紀90年代以來，ENSO暖事件頻率發生[27]，也是導致旱澇災害易發的原因[10,23]。

2.5　旱澇災害馬爾可夫鏈

根據區域旱澇指數對廣東省1960—2012年旱澇等級進行劃分，并根據馬爾可夫鏈計算廣東省旱澇災害狀態轉移概率矩陣P，并記旱澇等級N1，N2，N3，N4，N5，N6，N7分別為狀態E1，E2，E3，E4，E5，E6，E7。

2012年為正常狀態即E4，記2012年旱澇狀態記為 ，根據狀態轉移概率矩陣P及相關公式得到2013—2018年廣東省旱澇災害發生概率(表3)。2013年處于偏旱狀態或正常狀態較大，偏旱狀態概率稍多于正常狀態，而2014—2018年處于正常狀態較大。根據1960—2012年廣東省年均溫Mann—Kendall突變檢驗，2007—2012年處于平穩狀態，由此可以得出，廣東省年均溫的平穩狀態可能有利于減少旱澇災害的發生。

表3　廣東省2013-2018年旱澇災害發生概率

3旱澇災害空間變化特征

3.1　多年平均降水空間變化特征

應用克里金空間插值法對1960—2012年廣東省24個臺站多年平均降水量進行空間分析。由圖5可以看出，廣東省多年平均降水量以珠三角地區為高值中心區，向粵東、粵西及粵北地區呈逐步下降變化，在臺山附近形成最高值中心；粵東地區以五華縣為最低值中心，粵西地區以雷州半島為最低值中心區；珠三角地區向粵北地區大致呈緯向下降變化。

圖5　廣東省多年平均降水量空間分布

3.2　旱澇災害空間變化特征

對1960—2012年廣東省24個臺站Z指數進行EOF分解得到特征值和相應的特征向量(經顯著性檢驗)，前5個特征值累積貢獻率達79%，其中，前3個特征值累積貢獻率達70%，可以充分反映廣東省多年旱澇災害時空分布特征(表4)。

表4　廣東省24個臺站Z指數EOF特征值

將前3個特征值相應的特征向量應用克里金空間插值法進行空間分析(圖6)。第一特征值貢獻率約51.4%，基本能充分反映廣東省旱澇災害空間分布狀況。由圖6可以看出，特征向量以正值為主，自西向東遞增，反映出空間上以澇災分布為主，且澇災程度自西向東呈上升趨勢；粵東地區為連片高值區，粵西地區澇災程度低于粵東地區，而廣寧—臺山地區形成負值低值中心，廣寧—臺山地區以旱災為主。

第二特征值貢獻率約13.3%，一定程度上能反映廣東省旱澇災害空間分布狀況(圖6)。粵西地區向粵東地區逐步遞減，粵西地區為正值區，粵東地區為負值區，說明粵西地區以澇災為主，粵東以旱災為主，以珠三角為界，澇災程度往西遞增，旱災程度往東遞增；此外，臺山地區、揭陽—陸豐地區形成負值低值中心，湛江—雷州半島則形成正值高值中心。

第三特征貢獻率約為5.4%，可作分析廣東省旱澇災害空間分布的參考。由圖6可以看出，以廣州地區為負值低值中心，分別向粵東和粵西逐步往正值遞增，說明廣州市周邊地區以旱災為主，而粵東地區和粵西地區則均以澇災為主，潮州、雷州半島為正值高值中心。

綜合前3個特征值及其特征向量空間分析圖，廣東省全省以澇災為主；圖6各分圖均指向粵西地區為正值區，具有較好的一致性，即粵西地區以澇災為主，湛江—雷州為正值高值中心，這可能與珠江水系主要流經粵西地區有關；珠三角地區偏澇為主，廣寧—臺山地區以旱災為主，尤其是臺山周邊地區為負值低值中心，而臺山周邊地區為多年平均降水量最高值中心，但仍以旱災為主；粵東地區則以澇災為主，粵東地形以山地為主，可能與匯水集中、泄洪能力不強等因素有關；粵北地區以輕旱為主。

使用相對濕潤度指數(MI)、降水距平百分率、標準化蒸散發指數(SPEI)的已有研究結果指出[1-3,28]，廣東省全省以澇災為主，且粵東地區明顯高于粵西地區，珠三角澇災多發，粵北以輕旱為主，潮汕地區、雷州半島等地則是旱災多發，與本研究使用Z指數得出結論相比較，基本保持一致，尤其與薛積彬[3]使用MI得出歷史時期廣東省旱澇空間分布特征具有較好一致性；但Z指數得出潮汕地區、雷州半島以澇災為主，與其他指數得出結論存在一定出入，其原因一方面可能是由于氣候變化導致研究的氣候背景產生變化有關，另一方面可能與劃分指數的類型及閾值修正方法的差異性有關。

圖6　廣東省旱澇災害空間變化特征

4結 論

(1) 廣東省年降水量呈波動上升趨勢，上升率為0.860 mm/a，且存在28，13和6 a的時間尺度上的震蕩周期；從年代平均降水量來看，20世紀以來呈下降趨勢。

(2) 廣東省旱澇災害發生頻率與氣溫變化有良好的響應關系。1993年的年均溫發生突變后，旱澇災害發生頻率明顯增多。

(3) 通過馬爾可夫鏈對2013—2018年旱澇災害進行趨勢分析，2013年偏旱概率稍大，2014—2018年則以正常狀態為主，且可能與氣溫變化處于穩定狀態有一定關系。

(4) 廣東省多年平均降水量在空間上以珠三角地區為高值中心，向粵東、粵北、粵西地區逐步遞減；臺山地區為多年平均降水量最高值中心，但臺山地區為Z值負值低值中心，兩者存在反向對應關系。

(5) 對Z指數進行EOF分解得出，廣東省范圍內以澇災為主，且粵東地區多于粵西地區；珠三角偏澇為主，廣寧—臺山地區旱災為主，粵北地區偏旱，粵東及粵西以澇災為主，潮汕地區、雷州半島為正值高值中心。

(6) 使用Z指數得出潮汕地區、雷州半島以澇災為主的結論，與使用MI、降水距平百分率及SPEI得出結論有所不同，而其他結論基本一致，這可能與研究的氣候背景、劃分指數與閾值修正方法差異性有關，在今后研究工作中應繼續深入對比分析各種指數優缺點及準確程度。

(7) 本研究運用多種時間序列分析方法綜合分析廣東省氣候特征及旱澇時空分布特征，由宏觀向微觀、由總體向細節、由過去向未來逐步深入分析，各種方法得出的結論相輔相成，避免方法的單一性和分析的片面性。首先利用線性趨勢分析多年降水總體趨勢，再對各年代及季節降水特征進行分析，應用小波分析得出降水在大、中、小時間尺度的周期震蕩，利用Mann—Kendall突變檢驗尋求氣溫與旱澇兩者的響應關系，最后運用馬爾可夫鏈對旱澇災害未來發展狀態進行預測；此外，通過EOF分析實現時間序列主要特征值的提取，為空間分析提供基礎。

(8) 應用Z指數進行區域旱澇等級劃分主要是基于觀測臺站的降水量記錄數據進行處理分析，今后應當將基于數據進行處理而進行旱澇等級劃分的同時，綜合考慮實際發生狀況作進一步修正。本研究時間尺度為1 a，得出的區域旱澇等級并非是短時間內的洪災或旱災，而是綜合反映全年的氣象旱澇情況。

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Spatial and Temporal Variation Characteristics of Drought and Flood Disasters in Guangdong Province

LIU Yonglin, YAN Junping

(CollegeofTourismandEnvironmental,ShaanxiNormalUniversity,Xi’an,Shaanxi710062,China)

Abstract：[Objective] To analyze the spatial and temporal variation characteristics of drought/flood disasters and to divide drought/flood grade of Guangdong Province from 1960 to 2012. [Methods] Wavelet analysis, Markov chain, Mann—Kendall mutation test, empirical orthogonal function and Kringing method were used. [Results] (1) As for temporal variation, the average annual rainfall of Guangdong Province is on the rise with 28 a, 13 a and 6 a time scale oscillation cycles; (2) Frequency of drought/flood disasters and the situation of drought/flood in the next few years have good responsive association with temperature changes. (3) As for spatial variations, the east and the west zones of Guangdong Province are likely undergoing flooding, while, Guangning—Guangzhou—Taishan region is easily being attacked by drought. [Conclusion] The drought/flood disasters increase after abrupt change of temperature, and there is a certain responsive relationship between drought/flood disasters and temperature changes.

Keywords:drought and flood disasters; Z index; wavelet analysis; Markov chain; empirical orthogonal function; Guangdong Province

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0263-06

中圖分類號：P429

通信作者：延軍平(1956—),男(漢族),陜西省綏德縣人,博士,教授,主要從事全球變化與災害學研究。E-mail:yanjp@snnu.edu.cn。

收稿日期：2014-03-03修回日期：2014-03-30
資助項目：國家自然科學基金項目“部分重大自然災害的時空對稱性:結構、機理與適應對策”(41171090)
第一作者：劉永林(1989—),男(漢族),廣東省羅定市人,碩士研究生,研究方向為全球變化與區域災害防治。E-mail:yorlinliu@163.com。