基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的保定旱澇演變特征分析

魏麗欣，陳永紅，高萬泉，張良玉，劉 浩

(河北省保定市氣象局，河北 保定 071000)

0 引言

旱澇災(zāi)害在所有自然災(zāi)害中最突出，旱澇災(zāi)害不僅給農(nóng)業(yè)造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)給工業(yè)、城市化和生態(tài)環(huán)境造成惡劣影響。旱澇災(zāi)害的直接原因是大氣環(huán)境異常，導(dǎo)致降雨量過多或過少造成的。保定市的旱澇發(fā)生頻率和程度明顯增加。1997年，保定市旱情嚴(yán)重，旱災(zāi)成災(zāi)面積達(dá)163545 hm2，占保定市總成災(zāi)面積的73%。其中棉花減產(chǎn)23.6%。2012年7月21日，保定市普降大暴雨，致全市受災(zāi)人口達(dá)85.3萬人，全市農(nóng)作物受災(zāi)總面積達(dá)3.8萬hm2，其中絕收3333.33 hm2，因?yàn)?zāi)死亡31人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)95.3億元。旱澇災(zāi)害成為影響保定市最為嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一。近年來，在全球變暖的氣候大背景下，極端氣候發(fā)生頻繁[1-2]。氣候變化和氣象災(zāi)害研究也越來越備受關(guān)注[3]。周浩偉等[4]研究了雄安新區(qū)旱澇趨勢。楊成芳等[5]研究了山東近531年旱澇變化的時(shí)空分布特征和變化趨勢。韓冬梅等[6]分析了近50年東北地區(qū)旱澇時(shí)空特征。高憲權(quán)等[7]分析了氣候變化背景下桂東地區(qū)旱澇變化特征。陳瑩等[8]研究了福建省近50年旱澇時(shí)空特征演變。車少靜等[9]利用SPI研究了河北省近41年(1965～2005)的旱澇時(shí)空特征。董秋婷等[10]研究了東陵區(qū)季節(jié)性干旱演變特征。孫玉蓮等[11]研究了臨夏州氣候變化及對(duì)干旱的影響。

在分析旱澇演變規(guī)律時(shí)，前人提出了不同的旱澇指標(biāo)，主要包括降水距平百分率、相對(duì)濕潤指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、土壤墑情干旱指數(shù)、Palmer干旱指數(shù)(PDSI)、氣象干旱綜合指數(shù)(CI)等[12]。旱澇災(zāi)害的發(fā)生頻率和規(guī)模加強(qiáng)，對(duì)生產(chǎn)的影響更大[13]。本文選用了標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和GIS技術(shù)、主成分分析法，研究了保定市年、季旱澇時(shí)空的變化規(guī)律，旨在為保定市旱澇災(zāi)害監(jiān)測、評(píng)估提供技術(shù)支持，為減輕區(qū)域旱澇災(zāi)害損失、合理利用水資源和應(yīng)對(duì)區(qū)域旱澇災(zāi)害、防洪抗旱規(guī)劃、保護(hù)生態(tài)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

保定位于河北省中西部，與京津呈三足鼎立之勢。地理坐標(biāo)為東經(jīng)113°40′～116°20′，北緯38°10′～38°40′。屬典型的中緯度地區(qū)。地貌分為山區(qū)和平原兩大類，各占1/2，西部屬太行山脈，由中山區(qū)、低山區(qū)和丘陵3個(gè)部分組成，東部屬華北平原，平原東部有白洋淀，地勢由西北向東南傾斜，東臨雄安新區(qū)。保定市為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季氣候涼爽，冬季寒冷少雪。近40年的平均降水量506.5 mm，降水量主要集中在6～8月，且在空間上分布不均。圖1中的柱形圖代表4個(gè)時(shí)段(1979～1988、1989～1998、1999～2008、2009～2018年)的降水量，基本呈“M”狀的規(guī)律出現(xiàn)。20世紀(jì)90年代的降水量較大，21世紀(jì)10年代的降水量較少。西部降水量變化不明顯，中東部降水量變化偏大。由于保定市降水時(shí)空分布不均的氣候特征和特殊的地理位置，旱澇在空間上也表現(xiàn)出一定的復(fù)雜性。

圖1 保定市氣象站點(diǎn)分布及1979～2018年各站4個(gè)時(shí)段平均降水量

2 資料與方法

本研究選用保定市19個(gè)氣象站1979～2018年的逐月降水資料，得出各站的季、年的SPI值，求19個(gè)站的平均值，得出保定市整體的季、年尺度的SPI值，通過Origin 2018軟件得出季、年尺度下的SPI指數(shù)變化圖(圖2)。降水資料來源于河北省氣象局，災(zāi)害資料來自《保定經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒(1979～2018)》。

SPI具有多時(shí)間尺度(1、3、6、12、24個(gè)月等)的特征，SPI12表征12個(gè)月年時(shí)間尺度，SPI3表征季時(shí)間尺度。SPI3(5月)為春季、SPI3(8月)為夏季、SPI3(11月)為秋季、SPI3(2月)為冬季。

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)原理是降水量不是正態(tài)分布，而是一種偏態(tài)分布，它是將某一時(shí)間尺度的降水量Γ分布概率密度函數(shù)求累積概率，再將累積概率標(biāo)準(zhǔn)化，最終用標(biāo)準(zhǔn)化降水累計(jì)頻率劃分旱澇等級(jí)。SPI計(jì)算需要長時(shí)間的序列數(shù)據(jù)(30 a或以上)，才能計(jì)算出不同時(shí)間尺度的SPI。具體計(jì)算方法如下[14]：

假設(shè)某一時(shí)段的降水量為x(mm),則Γ分布的概率密度函數(shù)為：

(1)

式中：β和γ分別為尺度和形狀參數(shù)，β>0，γ>0，可用極大似然估計(jì)方法求得：

(2)

概率密度函數(shù)中的參數(shù)確定后，對(duì)于某一年的降水量x0(x0≠0)，可求出隨機(jī)變量x

(3)

當(dāng)降水量為0時(shí)的概率為：

F(x=0)=m/n

(4)

式(4)中：m是降水量為0的樣本數(shù)；n為總樣本數(shù)。

將式(3)、(4)求得的概率值分別代入標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布函數(shù)，即得：

(5)

利用數(shù)值積分對(duì)式(5)進(jìn)行近似求解可得：

(6)

本文采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)作為旱澇等級(jí)的劃分。干旱劃分等級(jí)參照Mckee等[15]干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并按干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)增加了雨澇劃分等級(jí)(表1)。

表1 SPI等級(jí)

利用SPSS 19.0軟件，采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)和旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(REOF)法對(duì)19個(gè)氣象站的SPI12和SPI3進(jìn)行主成分分析，利用碎石圖，找出特征根大于1的主成分，然后計(jì)算出每個(gè)主成分的載荷值，利用GIS軟件制作保定市年、季的旱澇空間分布圖，并對(duì)其進(jìn)行分析。采用5 a滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差分析保定市的旱澇變率。

3 結(jié)果與分析

3.1 旱澇時(shí)間變化特征

不同時(shí)間尺度的SPI可以用于監(jiān)測不同類型的旱澇，多種時(shí)間尺度的SPI綜合應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)對(duì)旱澇的綜合監(jiān)測評(píng)估[16-17]。圖2為1979～2018年河北保定市不同時(shí)間尺度(3、12個(gè)月)SPI的月變化，可以看出SPI3尺度在0線上下波動(dòng)，波動(dòng)比SPI12頻繁。SPI3考慮了前期3個(gè)月內(nèi)的水分盈虧，與農(nóng)業(yè)旱澇關(guān)系密切，可較好地反映出季節(jié)的干旱狀況。SPI12顯示的旱澇變化趨于穩(wěn)定，周期特征明顯，能較清楚地反映長時(shí)期的旱澇變化規(guī)律。分析得出，可以使用SPI12分析保定市的年際干旱特征，以及使用SPI3分析保定市的季節(jié)干旱特征。

3.1.1 年際變化 圖2中SPI12逐月變化反映了保定市旱澇年際變化。1979～2018年旱澇交替出現(xiàn)。1979～1999年旱澇在0線上下波動(dòng)比較頻繁，且變化幅度較大，2000～2018年的變化幅度較小。20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)初偏旱明顯，90年代偏澇明顯。

圖2 1979～2018年保定市季、年時(shí)間尺度的SPI逐月變化

發(fā)生干旱的主要年份為1981～1982、1984～1985、1992、1997～2002、2014～2015年。1979～2018年偏旱以上頻率為13%；主要出現(xiàn)在1982年1～4月，1985年1～6月(冬春連旱)、1997年8～12月(夏秋連旱)、2002年1～5月(冬春連旱)、2014年8～12月(夏秋連旱)。1992年7月SPI12為-1.44，2002年4月(SPI12=-1.41)達(dá)中旱。據(jù)歷史災(zāi)情統(tǒng)計(jì)，2002年的旱災(zāi)面積達(dá)57831 hm2，成災(zāi)面積達(dá)33229 hm2，糧食減產(chǎn)15.5%，其中夏糧減產(chǎn)4.2%，秋糧減產(chǎn)24.2%。發(fā)生雨澇的主要年份為1988～1991、1994～1996、2008、2013年，主要出現(xiàn)在1988年7～12月、1989年1～7月、1994年8月～1996年5月。1979～2018年偏澇以上頻率為14%，重澇4%，極澇出現(xiàn)在1988年10月(SPI12=2.14)。2000年以來，SPI12<-1.0的頻率占12%，SPI12>1.0的頻率占6%，由此可知，21世紀(jì)以來，保定市的氣候趨于干旱化。

3.1.2 旱澇季節(jié)變化特征 研究表明，3個(gè)月時(shí)間尺度的SPI可用于分析季節(jié)干旱，并且能夠較好地代表農(nóng)業(yè)干旱變化狀況[18]。SPI3能夠代表保定市季節(jié)旱澇變化特征。

春季偏旱以上頻率為15%，重旱7.5%，春季偏旱的主要年份為1981～1982、1993、1996、2013、2016年。春旱最嚴(yán)重年出現(xiàn)在2013年，SPI3達(dá)到-1.64，為重旱年。春季偏澇以上頻率為10%，重澇5%。雨澇出現(xiàn)的主要年份為1983、1990～1991、1998年。春季雨澇最嚴(yán)重年出現(xiàn)在1990年，SPI3達(dá)到2.17，為極澇年。20世紀(jì)80、90年代春季呈現(xiàn)“旱-澇-旱-澇”的過程。21世紀(jì)以來旱澇交替出現(xiàn)，但波動(dòng)幅度較小，出現(xiàn)的負(fù)值較多，偏干旱。通過計(jì)算，春季SPI3線性傾向率為-0.03/10 a，表明從近40年趨勢看，保定市的春旱呈弱增加趨勢，春季多雨年呈下降趨勢，變化并不顯著。春旱嚴(yán)重會(huì)影響農(nóng)作物的播種、出苗、幼苗的生長。降水的多少直接影響著土壤墑情。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，2013年，農(nóng)作物干旱受災(zāi)面積達(dá)6682 hm2，成災(zāi)面積達(dá)661 hm2。

夏季偏旱以上頻率10%，夏旱主要出現(xiàn)在1983、1997、2003、2014年。夏季最嚴(yán)重的干旱出現(xiàn)在2003年，SPI3達(dá)-1.61，為重旱。夏季偏澇以上頻率15%，重澇頻率為5%。雨澇主要出現(xiàn)在：1979、1988、1994～1996、2013年。夏季最嚴(yán)重的雨澇出現(xiàn)在1988年，SPI3達(dá)2.02，為極澇。1979～1996年旱澇波動(dòng)幅度較大，1997年之后出現(xiàn)的負(fù)值較多，偏干旱。通過計(jì)算，夏季SPI3的線性傾向率為-0.04/10 a，保定市夏季的降水在減少，夏旱呈弱增加趨勢，但變化趨勢不顯著，趨于干旱化。據(jù)資料顯示，2003年農(nóng)作物旱災(zāi)受災(zāi)面積達(dá)67276 hm2，成災(zāi)面積達(dá)37562 hm2，占全市成災(zāi)面積43%。

秋季偏旱以上頻率10%，極旱頻率為7.5%。秋旱主要出現(xiàn)在1979、1981、2006、2018年，均為重旱以上年份，秋季最嚴(yán)重干旱出現(xiàn)在1979年，SPI3達(dá)-2.35，為極旱。秋季偏澇以上頻率為13%。秋澇主要出現(xiàn)在1990、2003、2007、2012、2015年。最嚴(yán)重雨澇出現(xiàn)在2003年，SPI3達(dá)1.74，為重澇。21世紀(jì)以來，SPI3出現(xiàn)的正值較多，降水較多，氣候偏濕潤。通過計(jì)算，秋季SPI3的線性傾向率為0.20/10 a，表明保定市秋季雨澇呈弱增加趨勢，但增加不顯著。

冬季偏旱以上頻率13%，重旱以上頻率為5%。重旱主要出現(xiàn)在1983～1984、1999、2002、2012年。冬季最嚴(yán)重的干旱出現(xiàn)在1999年，SPI3達(dá)-1.95，為重旱。1999年旱災(zāi)受災(zāi)面積132905 hm2，成災(zāi)面積達(dá)83027 hm2，占全市成災(zāi)面積的59%。冬季偏澇以上頻率為15%，重澇頻率為5%。雨澇主要出現(xiàn)在1990、1998、2001、2003、2005、2013年。最嚴(yán)重雨澇出現(xiàn)在1990年，SPI3達(dá)2.13，為極澇。通過計(jì)算，冬季SPI3的線性傾向率為0.12/10 a，表明冬季保定市降水增加，增加趨勢不明顯。

3.2 旱澇空間變化特征

3.2.1 旱澇年平均空間變化特征 對(duì)保定市SPI12進(jìn)行EOF分析，將保定市19個(gè)氣象站作為1979～2018年SPI12序列的19個(gè)因子，然后進(jìn)行主成分分析，計(jì)算出特征值和方差貢獻(xiàn)率，并按各成分的特征值制作了碎石圖(圖3)。碎石圖可以幫助確定主成分因子數(shù)，本文提取了特征根>1的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。由圖3可以看出，第1主成分特征值為13.801，解釋了72.6%的總方差；第2主成分特征值為1.229，解釋了6.5%的總方差，前2個(gè)主成分解釋了79.1%的累積總方差；第3個(gè)主成分以后，方差貢獻(xiàn)率較小。因此，提取了前2個(gè)主成分作為保定市旱澇空間分布的主要形態(tài)。

圖3 1979～2018年河北省保定市SPI12主成分分析碎石圖

由圖4a可以看出，第一特征向量遠(yuǎn)高于其他特征向量，是保定市旱澇空間分布的主要形態(tài)。載荷向量值均為正值，表明1979～2018年保定市的降水變化趨勢具有高度的一致性，即全市全年要么都多雨、要么都少雨的降水分布特征。中心值為0.85，大于0.85的高值區(qū)位于中東部區(qū)域，西北部和南部特征向量值均偏小。高值區(qū)旱澇貢獻(xiàn)率大，是旱澇變率最大的地區(qū)，也是旱澇脆弱區(qū)。由圖4b可知，第二特征向量，向北是正值區(qū)，向南是負(fù)值區(qū)。正值中心主要出現(xiàn)在北部的平原地區(qū)，負(fù)值中心主要出現(xiàn)在南部平原、西部的山區(qū)和半山區(qū)，呈南北相反變化特征。

圖4 1979～2018年河北省保定市SPI12主成分分析EOF前2個(gè)特征向量

為進(jìn)一步分析保定市的旱澇的區(qū)域分布特征，對(duì)保定市前2個(gè)主成分特征向量按最大方差法進(jìn)行因子旋轉(zhuǎn)(REOF)，分析結(jié)果顯示，旋轉(zhuǎn)后的特征值的方差貢獻(xiàn)較旋轉(zhuǎn)前分布更均勻，總的方差累積貢獻(xiàn)沒變化。前2個(gè)主成分特征向量分別占總方差的39.6%、39.5%。按照旋轉(zhuǎn)后2個(gè)主成分的特征向量高載荷區(qū)(載荷值≥0.6)對(duì)保定市旱澇區(qū)域進(jìn)行劃分。分為中南部的平原(主要包括望都、唐縣、順平、蠡縣、安國、高陽、雄縣、定州)、西部山區(qū)、淺山區(qū)(主要包括涿州、淶源、徐水、易縣、滿城、阜平)。這種劃分結(jié)果與保定市的地形特征基本一致。

3.2.2 旱澇季節(jié)空間變化特征 對(duì)保定市各個(gè)氣象站點(diǎn)的SPI3進(jìn)行EOF分析，利用SPSS 19.0軟件，計(jì)算出春夏秋冬每個(gè)季節(jié)的第一個(gè)特征向量(圖5)。第一特征向量分別解釋了春夏秋冬總方差的78.9%、70.1%、81.4%、89.2%。可以代表各個(gè)季節(jié)的旱澇空間分布的主要形態(tài)，且載荷值均為正值。說明保定地區(qū)各季節(jié)降水量在空間上具有很好的一致性。

圖5 1979～2018年保定市季節(jié)EOF第一特征向量分布

春季的第一特征向量的載荷最大值位于中部、東部地區(qū)。說明這一區(qū)域是保定春季降水偏多變率最大區(qū)域，包括徐水、滿城、順平、望都、清苑、市區(qū)和雄安新區(qū)(雄縣)，降水偏多，相對(duì)雨澇。載荷較小值位于西部的阜平、淶源、蠡縣部分地區(qū)，降水較少，易出現(xiàn)春旱。夏季的第一特征向量的載荷最大值位于中部、東部部分地區(qū)。包括徐水、滿城、順平、望都、清苑、市區(qū)和雄安新區(qū)(安新、雄縣)，易出現(xiàn)雨澇。載荷較小值位于淶源、阜平西部、涿州、安國，易出現(xiàn)夏旱。秋季的第一特征向量的載荷最大值與夏季的區(qū)域一致，為雨澇區(qū)。載荷最小值位于西部的阜平、淶源、曲陽，易出現(xiàn)秋旱。冬季的第一特征向量的載荷最大值主要包括徐水、滿城、順平、望都、清苑、雄安新區(qū)、曲陽、定州。載荷最小值位于西部的阜平、淶源。從載荷值的分布區(qū)間可以分析出近40 a保定地區(qū)在不同季節(jié)的旱澇空間存在一定的差異。其中西部阜平、淶源在四季中易出現(xiàn)干旱。徐水、滿城、順平、望都、清苑、市區(qū)在4個(gè)季節(jié)中易形成雨澇。

3.3 旱澇變率的變化特征

參考Vicente等[19]利用(SPI12)的5 a(60個(gè)月)滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差表示旱澇變率，60個(gè)月的滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差記作中間年月值。如1980年1月～1984年12月這60個(gè)月的標(biāo)準(zhǔn)差記作1982年6月值，最后得到1982年6月～2016年6月的標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)間序列。由圖6a分析得出，保定市的旱澇變化呈明顯的階段性。20世紀(jì)80年代后期至90年代中前的旱澇變率較大，反查1994～1996年的SPI12數(shù)據(jù)均顯示雨澇明顯。20世紀(jì)80年代初旱澇變率較小，21世紀(jì)以來，旱澇變率較90年代明顯變小。

由圖6b可以看出，4個(gè)區(qū)域和全市滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差表現(xiàn)出大致相同的趨勢。20世紀(jì)80年代中后期東部、90年代中前期北部旱澇變率較大，21世紀(jì)初旱澇變率較小。1999～2001年旱澇變化較其他地區(qū)平穩(wěn)。南部旱澇變率逐漸變大，表明南部地區(qū)旱澇仍較頻繁，在汛期，需重點(diǎn)關(guān)注和防范。

圖6 保定全市(a)及各區(qū)域(b)SPI12的5 a滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差的時(shí)間序列

4 結(jié)論

(1)旱澇年際變化：1979～1999年旱澇變化幅度較大，2000～2018年，旱澇變化幅度較小。20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)初偏旱，90年代偏澇；偏旱以上頻率為13%，1992年7月、2002年4月干旱嚴(yán)重。極澇出現(xiàn)在1988年10月，偏澇以上頻率為14%。21世紀(jì)以來，干旱頻率大于雨澇頻率，保定市氣候趨于干旱化。

(2)旱澇季節(jié)變化：保定市春旱、夏旱呈弱增加趨勢。秋澇、冬澇呈弱增加趨勢，但增加都不顯著。2013年春旱最嚴(yán)重，為重旱；1990年春澇最嚴(yán)重，為極澇；2003年夏旱最嚴(yán)重，為重旱；1988年夏澇最嚴(yán)重，為極澇；1979年秋旱最嚴(yán)重，為極旱；2003年秋澇最嚴(yán)重，為重澇；1999年冬旱嚴(yán)重，為重旱；1990年雨澇嚴(yán)重，為極澇。

(3)旱澇年均空間變化：保定市不同區(qū)域的旱澇趨勢有相對(duì)的一致性，但在一定時(shí)段也存在著南北差異。保定市旱澇劃分為2個(gè)區(qū)域，中南部的平原(雨澇區(qū))和西部山區(qū)、淺山區(qū)(干旱區(qū))。這種劃分結(jié)果與保定市的地形特征基本一致。

(4)旱澇季節(jié)空間變化：西部阜平、淶源在四季中易出現(xiàn)干旱。徐水、滿城、順平、望都、清苑、市區(qū)在四季節(jié)中易形成雨澇。

(5)保定市20世紀(jì)80年代后期、90年代中期旱澇變率較大，20世紀(jì)80年代初旱澇變率較小，21世紀(jì)以來的旱澇變率較90年代明顯變小。4個(gè)區(qū)域旱澇變率趨勢大致相同。21世紀(jì)以來，南部旱澇變率逐漸增大，需關(guān)注南部農(nóng)業(yè)旱情。