基于SPI的近30年黃河三角洲地區旱澇時空特征

任建成, 鞏在武, 鄭寶枝

(1.南京信息工程大學 公共管理學院, 南京 210044; 2.濱州市氣象局, 山東 濱州 256600)

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基于SPI的近30年黃河三角洲地區旱澇時空特征

任建成1,2, 鞏在武1, 鄭寶枝2

(1.南京信息工程大學 公共管理學院, 南京 210044; 2.濱州市氣象局, 山東 濱州 256600)

根據1981—2010年黃河三角洲地區11個氣象觀測站逐月降水資料，采用標準化降水指數(SPI)，分析了該地區的旱澇時空變化特征。結果表明：黃河三角洲地區在20世紀80年代干旱較為頻繁，90年代中后期和2002年以后則雨澇較為頻繁，其他時段呈現出旱澇交替變化的趨勢;黃河三角洲地區四季旱澇變化的特征不同，但從長期趨勢來看，四季均表現出向雨澇方向發展的趨勢；黃河三角洲的區域旱澇變化特征基本趨于一致，且均呈現出多雨的趨勢，但旱澇變化幅度有細微差別；黃河三角洲地區在20世紀80年代末至90年代初旱澇變率最大，其次是21世紀00年代中前期，其他時間變率較小，區域變率總體上與全區保持一致。

旱澇; 時空特征; 標準化降水指數(SPI); 黃河三角洲

自然災害給人類帶來了巨大的經濟損失。根據中國氣象局統計，氣象災害大約占到各類自然災害70%以上。我國每年受重大氣象災害影響的人口可達4億人，造成的經濟損失可以占到國民生產總值的1%～3%[1]。旱澇災害是中國最嚴重的自然災害之一，它分布廣、發生頻率高，而且造成了巨大的經濟損失。研究表明：隨著全球變暖，中國旱澇氣候災害的年際和年代際變化更加明顯[2]。

黃河三角洲是我國最后一個尚待開發的大洋三角洲，它包括東營、濱州兩地市的全部以及周圍自然環境條件相似的部分縣市。該地區降水量偏少，旱澇災害是主要氣象災害之一，素有“十年九旱”之說[3]。因此，分析該地區旱澇變化特征，可以為該地區抗澇防旱、防災減災提供氣象學依據。

目前，評價某地區旱澇狀態的指標主要包括降水距平百分率、綜合氣象干旱指數(CI)、標準化降水指數(SPI)、Z指數、Palmer干旱指數等。很多學者對比了不同指數的應用效果[4-12]，其中，標準化降水指數(SPI)可以對不同時間和空間尺度的旱澇特征進行比較，穩定性較好，因此，許多學者采用SPI分析了各地干旱變化特征[13-17]。

由于東營市、濱州市區域面積占黃河三角洲地區的絕大部分，本文以東營、濱州兩市為例，分析黃河三角洲地區的SPI特征，以期為減輕該地區旱澇災害損失、合理利用水資源提供氣象學依據。

1　基本方法和數據

1.1標準化降水指數

1993年McKee等[18]提出標準化降水指數(SPI，Standardized Precipitation Index)的概念。SPI的計算涉及到較復雜的Γ分布函數[19-20]。根據參考文獻[20]，把旱澇分成不同的嚴重程度等級(表1)。

表1SPI旱澇等級分類

SPI旱澇等級SPI≥2.00特澇1.50≤SPI<2.00重澇1.00≤SPI<1.50中澇0.50≤SPI<1.00輕澇-0.50

1.2資料來源

采用黃河三角洲地區11個縣(區)氣象觀測站1981—2010年逐月降水資料。根據地理環境的不同，將全區分為3個區域：北部沿海(無棣、沾化、墾利)、中部平原(惠民、陽信、濱城、東營、利津)和南部丘陵(鄒平、博興、廣饒)。

2　黃河三角洲地區旱澇變化特征

2.1不同時間尺度的SPI比較

利用近30年黃河三角洲地區11個氣象觀測站的逐月降水數據，以1個月、3個月、12個月為時間尺度計算出SPI值，然后求得11個站SPI的算術平均值，以此代表整個地區的旱澇指數。從圖1可以看出，SPI(1個月、3個月)時間尺度較短，短時降水對其影響較大，旱澇轉換較頻繁和突然，說明黃河三角洲地區中短期旱澇比較頻繁；而12個月的SPI，由于時間尺度較長，響應短期降水的速度明顯減慢，旱澇變化周期更長，更加穩定，出現極端旱澇的頻率較SPI(1個月、3個月)減少很明顯。

SPI(12個月)也可以反映旱澇的年際變化規律。從SPI(12個月)變化圖中可以看出，黃河三角洲地區在20世紀80年代干旱較為頻繁，90年代中后期和2002年以后則雨澇較為頻繁，其他時段則呈現出旱澇交替變化的趨勢。

圖1　黃河三角洲地區不同時間尺度SPI變化

2.2旱澇季節變化

研究表明[21]，分析季節干旱可以使用3個月時間尺度的SPI。基于黃河三角洲地區的氣候特點，分別用3—5月、6—8月、9—11月、12月—次年2月的SPI值，代表春、夏、秋、冬四季的SPI值。首先分析各季節SPI值的方差，代表各個季節的旱澇變化幅度。經計算得出春、夏、秋、冬4個季節方差分別為0.898，0.841，0.929，0.954，可見冬季旱澇變化幅度最大，秋季次之，夏季是最小的。

春季黃河三角洲地區旱澇呈現交替變化的特征。近30年春天干旱的年份有8次，其中1996年旱情最為嚴重，SPI達到-1.73；雨澇的年份為10次，其中2009年雨澇情況最嚴重，SPI達到1.76，其余12 a為正常年份。計算SPI線性傾向率為0.22/10 a，表明長期來看，該地區春季降水呈增多趨勢，春旱將逐漸減輕。

夏季黃河三角洲地區旱澇變化特征為：1981—1993年干旱較為頻繁，90年代中期到20世紀末則洪澇較多，之后呈現出旱澇交替變化的特征。近30年雨澇年份為7次，其中1990年夏季降水最多，SPI值為1.93；干旱年份為9次，最旱年份為2002年，SPI值為-1.35；其余14 a為正常年份。夏季的SPI線性傾向率為0.21/10 a，表明長期來看，黃河三角洲地區夏季多雨年呈增多趨勢。

秋季黃河三角洲地區旱澇變化特征為，在1995年以前旱澇交替出現，1995年以后則干旱出現比較頻繁。近30年秋季干旱年份為9次，其中2006年降水最少，SPI值為-1.77；雨澇的年份有10 a，其中降水最多為2003年，SPI值為2.44，為特澇；其余11 a為正常年份。秋季SPI線性傾向率為0.06/10 a，表明長期來看，秋季多雨呈現增多趨勢，但變化趨勢不明顯。

黃河三角洲地區冬季旱澇呈現交替變化的特征。整個80年代和2002年以后在正常線上下波動，變化較為平緩，其他時間變化幅度較大。冬季干旱年份為9次，1999年干旱最嚴重，SPI值達到-1.75；雨澇年份為4 a，是4個季節中最少的，表明該地區冬季最不容易出現強降水，最澇年份為1998年，為特澇；其他為正常年份。冬季SPI線性傾向率為0.15/10 a，表明冬季也是呈現降水增多趨勢。

圖2　黃河三角洲地區各季節SPI變化

2.3旱澇頻率變化

如圖3所示,黃河三角洲地區干旱發生頻率為23%～33%，雨澇發生頻率為20%～30%。其中6月、9月發生雨澇的頻率要大于干旱頻率，3月、4月、5月和10月表現為干旱頻率大于雨澇頻率，其余月份二者的頻率是持平的。各年代旱澇變化頻率分別為50%/10%(80年代)，30%/30%(90年代)，20%/40%(2001年以后)。可以看出，黃河三角洲地區近30年經歷了一個由旱轉澇的變化過程，80年代旱情嚴重，90年代則旱澇持平，2001年以后則雨澇明顯多于干旱。

圖3　黃河三角洲地區各月及各年代旱澇頻率變化

2.4旱澇空間變化

計算各區域所含站點年尺度的SPI算術平均值，用以代表該區域的旱澇指數。從圖4可以看出，北部沿海、中部平原以及南部丘陵3個區域的旱澇變化基本趨于一致，20世紀80年代以干旱為主，90年代旱澇交替變化，21世紀初以干旱為主，2003年以后則以雨澇為主，3個區域均呈現多雨趨勢。其中在20世紀90年代初期，南部丘陵的旱澇變化幅度較其他兩個區域小，而在90年代中期，南部丘陵的旱澇變化幅度較其他兩個區域大。

圖4　黃河三角洲地區各區域12個月SPI時間序列

2.5旱澇變率的變化特征

參考Vicente等[22]表示變率的方法，計算SPI(12個月)的5年滑動標準差，用其表示變率。把60個月的滑動標準差值記作中間年月值，整個地區的平均變率用11個站滑動標準差的算術平均值表示，各區域平均變率用該區域內站點的滑動標準差算術平均值代表。

從圖5可以看出，黃河三角洲地區在20世紀80年代末至90年代初旱澇變率最大，其次是21世紀00年代中前期，其他時間的變率相對較小。3個區域的變率總體上與整個地區一致，只是在80年代末至90年代初中部平原的變率明顯偏大，而在90年代末，南部丘陵的變率明顯偏小。

圖5　黃河三角洲全區及各區域12個月SPI5年滑動標準差時間序列

3　結 論

(1) 黃河三角洲地區在80年代干旱較為頻繁，90年代中后期和2002年以后則雨澇較為頻繁，其他時段則呈現出旱澇交替變化的趨勢。

(2) 黃河三角洲地區四季旱澇變化的特征不同。但從長期趨勢來看，四季均表現出向雨澇方向發展的趨勢，表明該地區降水呈增多的趨勢。

(3) 黃河三角洲3個區域的旱澇變化基本趨于一致，20世紀80年代以干旱為主，90年代旱澇交替變化，21世紀初以干旱為主，2003年以后則以雨澇為主，3個區域均呈現多雨趨勢。其中在90年代初期，南部丘陵的旱澇變化幅度較其他兩個區域小，而在90年代中期，南部丘陵的旱澇變化幅度較其他兩個區域大。

(4) 黃河三角洲地區在80年代末至90年代初旱澇變率最大，其次是21世紀00年代中前期，其他時間變率較小。3個區域的變率總體上與整個地區一致，只是在80年代末至90年代初中部平原的變率明顯偏大，而在90年代末，南部丘陵的變率明顯偏小。由于SPI只考慮了降水因素，因此使用SPI進行旱澇分析必須因地制宜。另外，由于短時強降水屬于小尺度天氣，其范圍經常只有幾千米到幾十千米，經常造成局地旱澇，因此，必須選擇合理的空間尺度來分析旱澇變化。以上因素對于旱澇的影響都有待于以后進一步論證。

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Spatiotemporal Characteristics of Drought/Flood in the Yellow River Delta Based on SPI in Recent 30 Years

REN Jiancheng1,2, GONG Zaiwu1, ZHENG Baozhi2

(1.SchoolofPublicAdministration,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China; 2.BinzhouMeteorologicalBureau,Binzhou,Shandong256600,China)

Based on the monthly precipitation data in the Yellow River Delta area during the period from 1981 to 2010 and the standardized precipitation index (SPI), the spatiotemporal character of drought and flood in the area was analyzed. The results showed that drought was frequent in the Yellow River Delta in the 1980s, and the flood was frequent in later 1990s and after 2002, a trend of alternating droughts and floods presented in the other periods; with regard to the characteristics of the 4-quarter change of drought and waterlogging in the Yellow River Delta area, from the long-term trend, the 4-quarter showed the trend to the development of flood; drought and flood change characteristics of the Yellow River Delta were basically the same, and showed the rainy trend, but there were subtle differences in changes of drought and flood; the greatest variation of flood and drought was observed in the Yellow River Delta in early 1990s and in the later 1980s, followed by the early 2000s, rate of change was small in the rest periods, the change rate of overall and regional change rate were consistent in general.

drought/flood; spatiotemporal characteristics; standardized precipitation index (SPI); Yellow River Delta

2015-08-14

2015-08-25

中國教師發展基金會校本科研專項基金資助項目“校本科研引領和促進基礎教育質量提升的研究”(FHB110083)

任建成(1984—),男,山東濰坊人,碩士研究生,工程師,主要從事中短期預報、人工影響天氣研究。E-mail:19129512@qq.com

鞏在武(1975—),男,山東臨沂人,博士后,教授,主要從事模糊決策理論、灰色系統理論研究。E-mail: zwgong26@163.com

P426.61

A

1005-3409(2016)01-0268-04