近50年長江中下游地區旱澇時空分布

郭群善

摘要：長江中下游地區是我國重要的糧棉油產地之一，但是頻繁發生的旱澇災害經常造成該區域作物減產。利用長江中下游地區72個氣象站的逐月氣象觀測數據，采用標準化降水指數（SPI）、正交經驗分解函數（EOF）等方法，結合GIS技術，分析了近50年長江中下游地區旱澇時空變化分布特征。結果表明：長江中下游地區的旱澇SPI3空間格局既有全區一致的現象，也存在區域內部南北、東西方向的差異，但是其主要特點依然為緯向分布型。由于受氣候影響，長江中下游地區夏秋兩季旱澇災害交替發生，但以澇災為主。

關鍵詞：標準化降水指數（SPI）、正交經驗分解函數（EOF）、長江中下游地區、旱澇災害

中圖分類號：P468.024 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2016）04-0072-05

Abstract：The middle and lower reaches of the Yangtze River are important production bases of grains，cotton and oil crops in China， where droughts and floods occur frequently， which often result in the reduction of crop output.In this paper，based on the monthly meteorological data of 72 meteorological stations in the Yangtze River region， the temporal and spatial variation in droughts and floods of the Yangtze River region in near 50 years was analyzed using standardized precipitation index （SPI），empirical orthogonal function （EOF），and geo-statistical analysis combined with GIS technology.The results showed that the spatial distribution pattern of droughts and floods SPI3 in the Yangtze River region was almost the same in the whole region，but there was a difference in the south-north direction.Due to the climate，droughts and floods in Yangtze River region appeared alternately in summer and autumn，and the flood disaster occurred mainly in the critical period of growth and development of crop.

Key words：standardized precipitation index（SPI）；empirical orthogonal function（EOF）；the middle and downstream area of Yangtze River；drought-flood

長江中下游地區多為平原地區，降水時空變化很大，旱澇災害嚴重。據人地系統主題數據庫的數據統計，1980年-1995年16年間，發生澇漬災害的年份有15年。

本文旨在研究分析長江中下游地區旱澇災害發生的時空分布規律，當前評價旱澇時空特征的方法主要有Palmer旱澇指數[1]、標準化降水指數（SPI）[2]、Z指數[3-4]等相關旱澇指數。標準化降水指數（SPI）是一個相對簡單的評價區域旱澇強度的指數，它的計算只需要超過30年的降水量觀測資料，即可計算不同時間尺度的旱澇指數。SPI指標的計算具有穩定性好、對于旱澇災害反映靈敏、能夠滿足任意時間尺度的指標計算、計算簡單、資料容易獲取的優點，不足之處在于未考慮水分支出。本文通過采用高橋浩一郎公式[5-6]計算蒸發量來考慮水分支出，并利用正交經驗分解函數（EOF）、對單站SPI進行空間分析，研究旱澇災害的時空分布特征，進而明確旱澇災害發生的規律和發展趨勢以及空間分布特征和變異規律，為該地區的澇漬災害防治提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

數據資料來源于中國氣象局數據共享平臺（www.cma.gov.cn），包括長江中下游河南、上海、湖北、湖南、江蘇、安徽、江西、浙江八省（市）共72個地氣象站1960年-2010年逐月降水和平均氣溫觀測數據，站點分布見圖1。

1.2 研究方法

旱澇實際上是指某地水分的缺余，其不僅與降雨量的多少有關，還與蒸發量相關。因此，在定義單站旱澇指數時，采用降水量與蒸發量之差作為來計算旱澇指數。計算蒸發量的方法采用高橋浩一郎[5-6]公式：

設某一時間尺度下的水分余缺為X， 計算SPI的方法根據文獻[7-11]進行，將某一時間尺度的水分余缺時間序列看作服從Γ分布，考慮了水分余缺服從偏態分布的實際，通過水分余缺的Γ分布概率密度函數求累積概率，再將累積概率進行標準化處理而得到。

根據《氣象干旱等級》（GB/T 20481-2006）中旱澇的等級劃分標準及等級命名， 并參考國內外應用 SPI 研究旱澇的相關文獻[12-13，19-21]，對單站旱澇嚴重程度的等級進行劃分。

2 結果與分析

2.1 不同時間尺度旱澇變化特征

SPI具有多時間尺度（1， 3， 6， 12， 24， 48個月等）的特征，如12月份1個月時間尺度的SPI1代表了12月份降水量的標準差，12月份3個月時間尺度SPI3代表了10月-12月3個月降水量的標準差， 12月份12個月時間尺度SPI12代表了1月-12月12個月降水量的標準差。本文主要分析1個月、3個月、6個月和12個月時間尺度的SPI。

從圖2中SPI12時間尺度下旱澇指數逐月變化過程可以看出，長江中下游地區1963年-2010年共出現區域性重旱8次，其中1963年、1978年、1979年出現持續性區域重旱，持續時間均在3個月以上，1978和1979年持續時間更是長達5個月以上；區域性重澇共出現8次，其中1973年、1998年、2000年、2002年、2003年出現持續性區域重澇，持續時間均在3個月以上，1973年和1998年持續時間更是長達6個月以上。

在完成不同時間尺度的單站SPI計算后，利用式3計算區域旱澇指數（圖2）。可以看出，不同時間尺度相應的區域旱澇指數IFD值沿時間上下振動，時間尺度越短振幅越大，這種交替變化越明顯。IFD1能夠較好地說明旱澇發生時間與嚴重程度。IFD3也屬于短時間尺度，但能夠能較好反映旱澇的季節性變化特征。IFD6與IFD12則為長時間尺度，其數值隨著時間尺度的增長受短期降水的影響不斷減小，周期比較明顯，特征比較穩定，能夠反映長期旱澇變化的趨勢。隨著時間尺度的增加，旱澇等級會發生變化，而且旱澇的起始和結束時間相應延后，能夠充分反映了前期降水變化的累積影響[8]。

2.2 不同季節旱澇變化特征

農業旱澇變化狀況的季節旱澇分析通常采用3個月時間尺度的區域性SPI（IFD）指標[14-18]，因此，本研究采用SPI3（IFD3）來分析區域旱澇的季節變化，用方差分析每個季節旱澇的變化幅度。

近50年春夏秋冬四季區域性SPI3指標（IFD3）的方差分別為：春季為50.19，夏季為28.42，秋季為21.40，冬季為38.38，可以看出春季旱澇變化幅度最大，冬季次之，秋季最小。

春季（見圖3）：1961年-1974年旱澇災害頻繁交替發生，且1965年為50年最嚴重干旱；1975年-1979年比較平穩，沒有出現比較嚴重的區域性旱澇災害；1980年-1987年區域性旱澇災害交替發生，且災情比較嚴重；1987年-1998年區域性旱澇災害比較嚴重，以水澇災害為主，1999年出現嚴重的旱災；2000年-2008年比較平穩，2009年出現嚴重旱災。春季SPI3（IFD3）趨勢線傾向率0.0004，說明從長期變化趨勢上看，長江中下游春季旱災減少，水澇災害加重。

夏季（圖4）：1961年-1977年長江中下游地區旱澇災害交替發生且災情比較嚴重，且以水澇災害為主，出現重澇以上災情共有1964、1973、1975、1977共4個年份，僅1971年出現重旱以上災情；1978年-1991年比較平穩，僅1985年出現重旱災情，1991年出現重澇災情；1992年-1998年比較平穩，沒有重旱或重澇災情的發生；1999年-2010年，重災以上災情的旱澇災害交替且頻繁發生。夏季SPI3（IFD3）趨勢線傾向率-0.0001，說明從長期變化趨勢上看，長江中下游夏季水澇災害減少，旱災呈微弱增加趨勢。

秋季（圖5）：從1961年-1995年，長江中下游地區區域性重旱災害發生頻繁，分別出現于1966年、1972年、1978年，區域性重澇災害沒有發生；自1996年-1999年，在1996年、1998年、1999年發生三次區域性重澇災害；2000年-2010年沒有發生嚴重的旱澇災害。秋季SPI3（IFD3）趨勢線傾向率0.0002，說明從長期變化趨勢上看，長江中下游秋季旱災呈減少趨勢，水澇災害呈加重趨勢。

冬季（圖6）：1961年冬季發生重澇災害， 1962年-1971年，長江中下游地區冬季主要以旱災為主；1972年-1979年，嚴重旱澇災害交替頻繁發生，其中1973年12月其區域性旱澇指標為-18；1979年12月其區域性旱澇指標為-22.9，說明這兩年冬季發生極為嚴重的干旱；1980年-1987年，除1980年10月和1983年11月發生重澇災害外，其余年份冬季沒有嚴重旱澇災害發生；1988年-1996年，區域性干旱災害發生頻繁，分別于1988年、1992年發生嚴重干旱；1997年-2006年，旱澇災害交替發生，主要以水澇災害為主，其中1997年、2002年出現重澇以上的災情；2007年以后，以旱災為主要災害，分別于2007和2009年發生重旱災害。計算冬季SPI3（IFD3）趨勢線傾向率-0.0002，說明從長期變化趨勢上看，長江中下游冬季水澇災害減少，旱災呈弱增長趨勢。

2.3 旱澇空間分布特征

應用正交經驗分解函數對長江中下游地區各個觀測站SPI3進行分析，并將結果在地理信息系統分析軟件中進行空間分析。

由表1可以看出，長江中下游地區降水量場收斂性很好，第一特征向量的方差占總體方差的1/3左右，前5個特征向量方差累積貢獻率分別達72.30%，第五個以后所占貢獻很小，期間差異也很小。顯然，前五個主成分及其特征向量就可以很好地表征長江中下游地區降水變化和空間分布特征。

第一特征向量均為負值，取值范圍在-0.2～-0.8之間 ，而且高荷載值集中于岳陽、嘉魚、黃石一帶，這表明由于降水受大尺度天氣形勢影響，長江中下游地區旱澇具有總體一致的變化趨勢，而且中部地區對全區域旱澇的貢獻大于北部和南部，是旱澇變率最大的地區。

第二特征向量取值范圍為-0.5～0.6之間，南方為正值區，北方為負值區，反映了南北相反的旱澇發生趨勢，且向南北兩個方向這種趨勢表現更為明顯，這方面的表現主要是受季風等氣候引起的南北降水量變異的影響。

第三特征向量取值范圍為-0.5～0.4之間，東南方為正值區，西北方為負值區，反映了東西相反的旱澇發生趨勢，且向東西兩個方向這種趨勢表現更為明顯。

第四特征向量取值范圍為-0.4～0.4之間，從南向北分為三個區域，其中南北兩個區域為負值區，中部區域為正值區，反映了南北兩個區域和中部區域相反的旱澇發生趨勢。

第五特征向量取值范圍為-0.3～0.3之間，分為四個區域，其中東西兩個區域為負值區，南北兩個區域正值區，反映了旱澇發生趨勢在東西和南北方向上和差異。

將SPI3通過EOF展開方法，從其特征向量分布規律可以看出，長江中下游地區的旱澇空間格局既有全區一致的現象，也存在區域內部南北、東西方向的差異以及地形因子的差異，但是其主要特點依然為緯向分布型。

3 結論

由于降水受大尺度天氣形勢影響，長江中下游地區旱澇具有總體一致的變化趨勢，中部為旱澇脆弱區。由于受季風等氣候引起的南北降水量變異的影響，南北具有相反的旱澇發生趨勢，且向南北兩個方向這種趨勢表現更為明顯。受地理位置等方面的地理因素的影響，在東西方向上呈相反的旱澇發生趨勢，且向東西兩個方向這種趨勢表現更為明顯。

近50年春夏秋冬四季區域性三個月時間尺度旱澇指標（IFD3）的方差分別為：春季為50.19，夏季為28.42，秋季為21.40，冬季為38.38，春季旱澇變化幅度最大，冬季次之，秋季最小。長江中下游地區夏秋兩季旱澇災害交替發生，且以澇災為主，且澇災多發生在夏秋兩季。

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