1960～2014年淮河流域5省旱澇變化

張平， 延軍平， 王文靜， 唐寶琪

(陜西師范大學 旅游與環境學院, 陜西 西安 710062)

1960～2014年淮河流域5省旱澇變化

張平， 延軍平*， 王文靜， 唐寶琪

(陜西師范大學 旅游與環境學院, 陜西 西安 710062)

基于1960～2014年淮河流域5省72個站點的氣溫、降水數據，運用克里金插值法、標準化降水指數(SPI)、Mann-Kendall突變檢驗等方法進行分析，探討該地區氣候變化特點，分析淮河流域5省旱澇災害的變化趨勢.結果顯示：(1)1960～2014年淮河流域5省多年平均氣溫為14.463 ℃，并以0.009℃·a-1的速率上升，1997年年均溫發生突變，空間上溫度變化大體呈現由西南向東北遞減的趨勢；(2)年降水量呈緩慢遞減趨勢，下降速率為0.28 mm·a-1，且年降水量存在3個較為明顯的峰值，分別對應28，22，10 a的時間尺度，空間上呈現自東南向西北遞減的“W”型分布，并且研究區呈現明顯的暖干化特征；(3)氣溫突變后，雨澇覆蓋面積不斷增加，干旱覆蓋面積逐漸減小；(4)氣溫突變后與突變前相比，干旱頻率和雨澇頻率明顯降低.

河南；山東；安徽；湖北；江蘇；標準化降水指數；小波分析

Journal of Zhejiang University(Science Edition), 2017,44(3):345-353

0 引 言

我國作為典型的季風性氣候國家，旱澇災害頻繁，淮河流經地區地處黃河流域與長江流域之間，為氣候的過渡性地帶，也是旱澇災害多發區.IPCC第5次評估報告顯示，未來全球氣候變暖仍將持續，21世紀末全球平均地表溫度在1986～2005年的基礎上將升高0.3～0.4 ℃[1].隨著全球變暖，極端天氣現象頻發，淮河流域旱澇災害也變得更為頻繁，淮河流經地區作為我國工農業生產和人口最為集中的地區之一，對全國的糧食安全、經濟發展起十分重要的作用.旱澇災害頻繁給本地區工農業生產和人民財產造成重大損失.近年來，研究者對我國不同省份[2-6]、不同流域[7-10]、不同自然區域[11-14]的旱澇事件進行了研究.佘敦先等[15]對黃河流域極端干旱的時空演變特征進行了研究，并建立了多變量統計模型；黃小燕等[16]對江淮地區澇漬災害特點、成因進行了研究，并提出了災害的防治對策；劉勤等[17]對近50 a黃河流域氣溫和降水量的變化特征進行了分析.淮河流經省區為氣候變化敏感和脆弱性地區，因此研究該區域旱澇變化意義重大.

1 研究區概況

主要研究1960～2014年河南、山東、湖北、安徽、江蘇5省的旱澇變化.該區位于29°02′N～38°23′N，108°25′E～121°57′E.經過的山脈有大別山山系、巫山山系、秦嶺山脈東段以及太行山山脈北段；地勢西高東低，多平原和低山丘陵地形；流經的河流主要有黃河、京杭大運河、淮河、長江.該地區為典型的季風性氣候區，受季風影響顯著，旱澇災害頻繁.

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

數據來自中國氣象科學數據共享服務網，收集了河南、山東、湖北、安徽、江蘇5省139個氣象站點1960～2014年的氣溫和降水月數據資料.對這些資料進行逐年逐月整理，并對個別缺失月份站點進行插值補全，以保證研究區域數據的連續和完整.最后提取了其中72個站點數據，見圖1.本研究四季劃分為：春季3～5月，夏季6～8月，秋季9～11月，冬季12月至次年2月，其中冬季僅分析1960～2013年.

圖1 淮河流經5省站點分布圖Fig.1 Study area of the Huaihe River Basin anddistribution of meteorological station

2.2 研究方法

2.2.1 標準化降水指數

標準化降水指數(簡稱SPI)是表征某時段降水出現概率的指標之一，其適用于月以上尺度相對當地氣候狀況的干旱監測與評估[18].SPI已廣泛應用于旱澇變化研究，具體計算可參見文獻[18].

本研究將旱澇劃分為9個等級(見表1).SPI3(3個月尺度SPI)能夠反映季節性旱澇狀況，其中春、夏、秋、冬季分別用5月SPI3、8月SPI3、11月SPI3以及次年2月SPI3作為季節性旱澇指數；SPI12(12個月尺度SPI)能夠反映當年旱澇狀況，作為當年旱澇指數.

表1 標準化降水指數旱澇等級劃分

2.2.2 旱澇評價指標

通過旱澇的覆蓋度、強度、頻率和頻率差對淮河流經地區的旱澇時空分布及變化特征進行分析.

旱澇覆蓋度(Fij)是根據某區域內干旱或澇災發生站數占全部站數的比例來評價干旱或澇災發生的范圍及影響程度[19]：

Fij=(m/M)×100%，

(1)

其中，Fij為j站點i級旱澇覆蓋度，M為評價區域總氣象站數，m為發生干旱或澇災的站數.

旱澇強度(Sij)是用于評價單站某時段內的旱澇嚴重程度，旱澇強度越大，旱澇越嚴重[19]：

(2)

其中，Sij為j站點i時段的干旱或澇災強度，m為評價時段發生干旱或澇災的次數，SPIi為第i次發生干旱或澇災的SPI值，旱澇強度劃分見表1.

旱澇頻率(Pij)是用于評價某站在某時段發生干旱或澇災的頻繁程度[19]：

Pij=(n/N)×100%，

(3)

其中，Pij為j站點的i級旱澇頻率，N為評價時段總年數，n為發生干旱或澇災的年數.

旱澇頻率差(Pd)用于評價某站不同時段干旱或澇災的頻率變化狀況：

Pd=PT2-PT1，

(4)其中，T1，T2分別表示不同的時間段.Pd<0，即T2時段旱澇頻率低于T1時段；Pd>0，即T2時段旱澇頻率高于T1時段；Pd=0，即T1與T2時段旱澇頻率相等.

3 氣候變化背景

3.1 溫度時間變化特征

1960～2014年全區域多年平均氣溫為14.463 ℃，年均溫總體呈波動上升的趨勢(見圖2)，且上升速率為0.009 ℃·a-1.其中1967年年均溫達到近55a最高值，為17.604 ℃,1984年年均溫最低，為13.486 ℃，與最高年均溫差高達4.118 ℃.55a年中均溫變化大致分為4個階段：1960～1966年快速上升，1966～1982年快速下降，1982～2002年緩慢上升，2002年以后趨于平穩.

圖2 1960～2014年5省年均溫波動情況Fig.2 Annual average temperature of thefive provinces from 1960 to 2014

對研究區1960～2014年年均溫進行Mann-Kendall突變檢驗(見圖3)，以尋找年均溫突變點.發現突變發生在1997年，且通過了Uα=1.96(α=0.05)的置信水平檢測，其中1960～1997年，即年均溫突變前UF曲線統計量80%以上位于0線以下，呈波動下降趨勢，年均溫突變后，統計量位于0線以上，呈明顯的上升趨勢，并且2005年UF統計量超過了1.96的置信度臨界線，說明2005年以后年均溫顯著上升.

圖3 1960～2014年年均溫的Mann-Kendall突變檢驗Fig.3 The Mann-Kendall test on annual averagetemperature of the five provinces

3.2 降水時間變化特征

3.2.1 降水年尺度變化特征

通過對研究區1960～2014年年降水量的分析發現，淮河流經5省55 a中降水量呈緩慢遞減趨勢，下降速率為0.28 mm·a-1(見圖4).多年平均年降水量為972.24 mm，年降水量最高值出現在1964年，為1 190.72 mm，最低值出現在1978年，為691.42 mm，年降水量差高達499.3 mm.由6階擬合曲線知，年降水量20世紀60年代波動下降，70年代緩慢上升，80～90年代趨于穩定，21世紀先緩慢上升，后逐漸下降.

雖然2013，2014年研究區降水量有所增加，但總體來看，1960～2014年呈現明顯的暖干化趨勢.

圖4 1960～2014年年降水量Fig.4 Annual precipitation from 1960 to 2014

3.2.2 降水的周期性變化特征

對淮河流經5省1960～2014年年降水量進行小波分析(見圖5)，圖中實線部分代表年降水量偏大時期，虛線部分代表年降水量偏小時期.分析發現，該研究區降水存在3個明顯的振蕩周期.其中，在3～7 a時間尺度上，1978～1997年變化較為明顯，其時間中心尺度為5 a，呈循環交替變化；在6～15 a時間尺度上，1960～1976年和2000～2010年周期變化明顯，呈現9 a的時間中心尺度，具循環交替變化的特點；在16～30 a時間尺度上，表現均較穩定，經歷了澇-旱的循環變化，年際變化也較為明顯，呈現24 a的時間中心尺度.

對55 a降水量進行小波方差圖分析，發現該研究區年降水量存在3個較為明顯的峰值，分別對應28，22和10 a的時間尺度變化.在28 a前后周期振蕩最強，說明28 a為年降水量變化的第1主周期，22 a和10 a分別對應第2和第3個峰值，也是年尺度變化的第2和第3個主周期.

圖5 5省年降水量小波分析Fig.5 Wavelet analysis of annual precipitation of the five provinces

3.3 溫度空間尺度變化

基于淮河流域5省55 a年均溫數據，使用克里金插值法分析研究區溫度的空間變化(見圖6).研究發現，淮河流域5省年均溫在9.63～20.66 ℃，溫度大體上呈現由西南向東北遞減的變化規律，導致東西溫度差距縮小，南北差異變大.從各省區看，湖北省年均溫自東南向西北遞減，溫度最高值出現在巴東附近，為17.36 ℃；安徽省霍山、屯溪出現2個明顯的高值中心，黃山受地形影響，出現明顯的低值中心；江蘇省年均溫自東南向西北遞減，南部溧陽、東山地區受地形影響出現溫度低值區；河南省年均溫自南向北遞減，在盧氏、欒川兩地形成明顯的低值中心；山東省年均溫大體上自西南向東北遞減，受山地地形影響在泰山地區形成一個低值中心，東北部受海洋因素影響溫度較高.

圖6 1960～2014年5省年均溫分布Fig.6 The spatial characteristics of annual average temperature distribution

圖7 1960～2014年5省年降水量空間分布Fig.7 The spatial characteristics of annual rainfall distribution

3.4 降水量空間尺度變化

根據淮河流經5省55 a的降水數據，運用克里金插值法分析年降水量的空間尺度變化(見圖7)，發現研究區年降水量在2 321.19～535.76 mm，年降水量最高差達1 785.43 mm，整體上呈自東南向西北遞減的“W”形分布，并在安徽省南部的黃山形成一個明顯的高值中心.從各省區看，安徽省年降水量最多，其南部以黃山為中心呈同心圓狀遞減，北部自南向北呈“U”形遞減；湖北省年降水量自南向北呈“U”形遞減；江蘇省、河南省年降水量自南向北遞減，呈現明顯的緯度地帶性；山東省受海洋因素影響，年降水量自東南向西北遞減，并在泰山形成明顯的高值中心.

4 旱澇變化特征

4.1 不同時間尺度旱澇變化特征

4.1.1 旱澇年尺度變化特征

55 a間共發生旱災15次，澇災20次，雨澇頻率高于干旱頻率(見圖8).從時間尺度看，大致可以分為4個階段：1960～1975年雨澇年份明顯高于干旱年份，其中1960～1964年連續5 a出現澇災害；1976～1988年旱澇災害交替出現；1989～1998年10 a中旱澇災害連續出現，其中1989～1991年連續3 a出現澇災，且旱澇出現次數大體相等；1998年以后旱澇災害交替出現，但強度有所減弱.

圖8 1960～2014年5省旱澇年尺度變化特征Fig.8 The annual variation of flood and drought during 1960 to 2014

4.1.2 旱澇的季節變化特征

55 a中淮河流域5省旱澇災害季節變化多交替出現(見圖9)，同季節、同旱或同澇持續時間不超過4 a，其中春季、夏季旱災次數均多于澇災，秋季澇災次數多于旱災，冬季持平.時間上，1960～1970年旱澇季節變化較大，1971～2003年旱澇季節變化較小，2003年后旱澇災害季節變化較為平緩.干旱方面，春季與秋季特旱發生次數最多，夏季、冬季重旱最多，春季中旱最多，夏季輕旱最多.雨澇方面，春季特澇次數最多，冬季重澇最多，秋季中澇最多，冬季輕澇最多.

綜合來看，研究區旱澇多為四季交替出現，其中冬季雨澇發生次數最多，夏季次之；夏季干旱發生次數最多，其次為冬季，夏、冬兩季旱澇頻繁.

圖9 1960～2014年5省旱澇季節變化特征Fig. 9 The annual variation of flood and drought during 1960 to 2014

4.2 旱澇覆蓋度

4.2.1 旱澇覆蓋度年變化特征

對研究區氣溫突變前后旱澇覆蓋度進行分析(見表2).從全區來看，干旱覆蓋度呈下降趨勢，下降幅度為0.45%,山東、江蘇、安徽省干旱覆蓋度下降幅度依次為3.67%，8.71%，2.36%，而河南和湖北省氣溫突變后干旱覆蓋度快速上升，上升值分別為3.2%,4.94%.從全區域來看，氣溫突變后雨澇覆蓋度上升，上升幅度為0.73%，其中河南、安徽、江蘇省雨澇覆蓋度的上升幅度分別為0.1%，0.77%，1.11%，而山東、湖北省氣溫突變后雨澇覆蓋度呈下降趨勢，其中湖北省下降幅度最大，為7.29%.

表2 氣溫突變前后旱澇覆蓋度變化特征

4.2.2 旱澇覆蓋度的季節變化特征

55 a中淮河流經5省旱澇四季覆蓋度在氣溫突變前后具有明顯變化(見圖10).氣溫突變后春季干旱覆蓋度除山東省略有下降外，其他省份均有所上升，夏季除湖北省略有上升外，其他省份均有所下降，秋季各省干旱覆蓋度均有所上升，冬季干旱覆蓋度均明顯下降.氣溫突變后春季雨澇覆蓋度除山東省外均呈下降趨勢，夏季除河南、湖北省外均呈現一定的上升趨勢，秋季各省均呈下降趨勢，冬季各省雨澇覆蓋度均大幅度上升.

圖10 旱澇覆蓋度季節變化Fig.10 Drought and flood seasonal coverage variation characteristics before and after the temperature mutations

4.3 旱澇強度

4.3.1 旱澇強度年變化特征

對55 a中氣溫突變前后旱澇強度進行分析(見表3). 從干旱強度變化來看，除山東省氣溫突變后干旱強度增強外，其余省份都呈現減弱趨勢，其中江蘇省干旱強度減弱最明顯，其他依次為河南、安徽和湖北.從雨澇強度來看，河南、安徽、湖北雨澇強度在氣溫突變后都有所增強，其中湖北省雨澇強度增強最為顯著，安徽省次之，最后為河南省，而山東與江蘇省雨澇強度減弱，其中山東省雨澇強度減弱最為顯著.

表3 氣溫突變前后旱澇強度變化特征

4.3.2 旱澇強度季節變化特征

55 a中氣溫突變前后旱澇強度的季節變化明顯，見圖11.圖中橫坐標以上部分表示雨澇強度，橫坐標以下部分表示干旱強度.氣溫突變后與突變前相比，春季雨澇強度除安徽省略有減弱外，其他各省均有小幅增強；夏季除山東省略有減弱外，其他各省均有所增強；秋季河南、山東兩省明顯增強，其他各省均呈減弱趨勢；冬季除江蘇省略有減弱外，其他各省均有所增強.突變后與突變前相比，各省干旱強度春季均有所增強；夏季除河南、湖北兩省有所增強外，其他各省均有所減弱；秋季各省均有所增強；冬季除湖北省外其他各省均略有減弱.

綜合來看，氣溫突變后與突變前相比，冬季雨澇強度有所增強，春季、秋季干旱強度有所增強.

(a)Before the mutation (b)After the mutation圖11 旱澇強度季節變化特征Fig.11 Seasonal variation characteristics of drought and flood intensity

4.4 旱澇的空間變化特征

4.4.1 旱澇頻率變化特征

從圖12(a)可以看出，整體上干旱頻率南高北低，湖北省西北部、東南部與安徽省東南部地區干旱頻率較高，這與年均溫空間變化大體一致.72個站點中40個干旱頻率在30%以上，超過站點總數的55%，其中干旱頻率最低值出現在鄭州、呂泗、鐘祥等地，最高值在日照、黃石等地.

圖12(b)為雨澇頻率空間分布圖，從圖中可以看出研究區雨澇頻率呈塊狀分布，整體來看，大部分地區雨澇頻率較高，特別是在湖北省西南部以及中部、安徽省西部、江蘇省西北部形成了4個明顯的高值區，在河南省的東北部與山東省的西北部、中部、東部形成一個明顯的低值地區.從各省來看，山東省莒縣、海陽等地雨澇頻率較低，龍口、威海、濰坊、莘縣、濟南、沂源、莒縣、日照等地雨澇頻率較高；河南省的信陽、西峽、寶豐、欒川、開封等地雨澇頻率高，這與干旱頻率高值區相一致；江蘇省雨澇頻率中間低、四周高；安徽全省70%以上為雨澇頻率高值區；湖北省除棗陽、麻城、五峰地區外雨澇頻率均較高.

(a)Drought frequency (b)Flood frequency圖12 5省旱澇頻率空間分布Fig.12 Spatial distribution of the annual drought (a) and flood (b) frequency of the five provinces

4.4.2 旱澇頻率差變化特征

氣溫突變后與突變前相比，全區干旱頻率明顯降低(見圖13(a)).山東省自惠民、濰坊向兩側呈帶狀遞減，南部由南向北呈帶狀遞減；河南省自三門峽-寶豐-駐馬店-信陽一線向兩側遞減；安徽省自合肥向四周呈同心圓狀遞增；江蘇省中部高兩側低；湖北省自宜昌向四周遞減.

氣溫突變后與突變前相比雨澇頻率明顯降低(見圖13(b)).雨澇頻率差整體上自商丘-麻城-武漢一線自東向西遞減，在安徽省與江蘇省交界處雨澇頻率差較大，并在河南省的西峽、欒川，江蘇省的溧陽、常州，安徽省的巢湖等地形成明顯的高值中心.

(a)The drought frequency difference (b)The flood frequency difference圖13 5省旱澇頻率差空間分布Fig.13 The spatial distribution of drought frequency and flood frequency difference of five provinces in Huaihe River Basin

5 結 論

基于標準化降水指數對淮河流經5省的旱澇覆蓋度、旱澇強度、旱澇頻率及旱澇頻率差等進行年尺度和季節性分析，探討氣溫突變背景下5省旱澇時空演變特征，發現全區域呈暖干化變化.具體結論如下：

5.1 55 a淮河流域5省年均溫呈上升趨勢，并在1997年發生突變，在空間上呈現由西南向東北遞減的變化趨勢.

5.2 年降水量呈緩慢遞減趨勢，空間上呈現自東南向西北遞減的“W”形分布，整個研究區呈現明顯的暖干化變化特征.

5.3 一年中旱澇變化四季交替出現，其中冬季雨澇發生次數最多，夏季次之；夏季干旱發生次數最多，其次為冬季，夏冬兩季旱澇頻繁.

5.4 氣溫突變后與突變前相比，冬季雨澇強度有所增強，春、秋季干旱強度有所增強.

5.5 從時間尺度看，氣溫突變后雨澇覆蓋面積增加，干旱覆蓋面積逐漸減小.

5.6 從空間尺度看，氣溫突變后與突變前相比，全區干旱頻率和雨澇頻率均有所降低.

需要說明的是，本文主要運用SPI指標對旱澇變化進行研究，方法較單一.今后可從風速、蒸發、植被等方面，綜合應用多個旱澇指標，多角度分析區域旱澇變化特征，以提高結論的科學性和準確性.

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An analysis on floods and droughts in the five provinces of Huaihe River Basin from 1960 to 2014.

ZHANG Ping, YAN Junping, WANG Wenjing, TANG Baoqi

(CollegeofTourismandEnvironmental，ShaanxiNormalUniversity，Xi’an710062，China)

Based on the meteorological data of 72 stations in the five provinces from 1960 to 2014, the influence of climate change on different disaster inducing factors are analyzed by using Mann-Kendall test method, standardized precipitation index and the wavelet analysis to explore the trend of droughts and floods. It shows that: (1) In recent 55 years, the annual average temperature is 14.463 °C in the five provinces, with a rising tendency of 0.009 ℃·a-1while the spatial distribution of temperature in this area presents a degressive trend from southwest to northeast. The abrupt change of average annual temperature occurred in 1997. (2)The precipitation declines slowly under the rate of 0.28 mm·a-1. It exists three obvious peak values, which corresponds to the time scale changing of 28, 22, 10 a. The precipitation diminishes spatially from southeast to northwest presenting the “W” type. The entire area exhibits the characteristics of warmer and dry changing. (3) After the abrupt change of temperature, the flood covered area increases and the drought area decreases. (4) After temperature mutation, the frequency of droughts and floods decreases significantly.

Henan; Shandong; Anhui; Hubei; Jiangsu; standardized precipitation index (SPI); the wavelet analysis

2016-09-21.

國家自然科學基金資助項目(41171090)；教育部人文社會科學重點研究基地重大項目(15JD790022).

張平(1991-)，ORCID:http;//orcid.ord/0000-0001-7054-3631，女，碩士研究生，主要從事區域開發與城鄉發展等方面的研究，E-mail:zhangping3336671@163.com.

*通信作者，ORCID:http://orcid.ord/0000-0003-3983-198X，E-mail:yanjp@snnu.edu.cn.

10.3785/j.issn.1008-9497.2017.03.016

P 457

A

1008-9497(2017)03-345-09