基于SPI的旱澇氣候演變及對洪湖水位的影響分析

鄧艷君 周守華 楊超

摘要： 利用洪湖市氣象站逐月降水數據和洪湖水位站水位資料，計算不同時間尺度標準化降水指數（SPI）及其干旱等級，分析洪湖市旱澇氣候演變及不同時間尺度旱澇氣候事件演變特征，探討降水量、不同時間尺度SPI與洪湖水位的相關性。結果表明，洪湖市近62年來干旱年和洪澇年頻次和等級均相差較小，不同季節旱澇變化及等級頻次分布存在一定差異，洪湖市呈濕潤化演變趨勢，SPI以0.086/10年的速率弱增長，春、秋季SPI呈下降趨勢，干旱略加劇，夏、冬季SPI呈增長趨勢，洪澇加劇;洪湖水位與降水變化趨勢一致，但時間上有所滯后，洪湖水位與SPI具有較好的相關性，相關程度因SPI的時間尺度存在一定差異，其中SPI3與水位相關性最好，利用3個月時間尺度的SPI3來監測洪湖水位變化，兩者具有很好的一致性，可以采用SPI3指數監測洪湖水位。

關鍵詞：旱澇; SPI; 洪湖; 水位

中圖分類號：P467;P426.616 ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020）10-0032-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.10.007 ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Abstract： Based on the monthly precipitation data from Honghu meteorological station and water level data from Honghu lake， variables time-scale standard precipitation index（SPI） was calculated. Using SPI， the changes of drought-flood and the temporal characteristics of drought-flood events were analyzed in Honghu lake. The correlation among precipitation， various time-scale SPI and water lever were investigated. The results showed that the frequency and grade of the drought and flood events in Honghu lake in the past 62 years were approximate on the annual scale， little difference on seasonal scale. There was a wetting trend in Honghu， and annual SPI decreased with an average rate of 0.086/10a. SPI declined in spring and autumn， and slightly intensified in drought; SPI increased in summer and winter， and increased in flood and waterlogging. The variability between the water level and the precipitation data was consistent， but the water level later than the precipitation data three months. Variables time-scale SPIand water level were significant correlation. The 3 month scale SPI3 was most closely correlated with water level of Honghu lake. The 3 month scale SPI3 agrees well with the variability of the water level. SPI3 can be used to monitor the water level of Honghu lake.

Key words： drought and flood; standard precipitation index（SPI）; Honghu lake; water level

在近百年以全球變暖為主要特征的氣候變化影響下，洪湖濕地氣候與生態出現了顯著的變化[1]，極端旱澇氣候事件對湖泊濕地造成嚴重威脅、破壞[2]，2010―2011年旱澇急轉、2016年全流域洪澇，使洪湖濕地及其生態系統遭受極大危害，已經引起當地政府及有關學者的關注。國內外對極端天氣氣候事件進行了許多分析研究[3-5]，但主要關注的是極端氣候事件的時間空間變化特點。對于極端氣候事件的影響分析中，對農業的影響已有了相關研究[6-11]，針對極端氣候事件對湖泊濕地等自然生態系統的影響研究相對較少。胡毅鴻等[12]利用標準化降水指數和夏季長周期旱澇急轉指數，分析洞庭湖區旱澇演變及典型年份旱澇急轉特征;劉敏等[13]分析不同時間尺度SPEI/SPI干旱指數與洪湖水位的相關性，發現基于5個月時間尺度的SPEI/SPI干旱指數監測歷史時期洪湖水位變化具有很好的一致性;程玉菲等[14]研究疏勒河流域極端水文事件對極端氣候事件的響應關系，發現極端洪水事件主要受控于極端降水事件，特別是極端降水總量;黃菊梅等[15]基于標準化降水指數分析了洞庭湖區干旱時空分布特征，計算了標準化降水指數、降水量和水位之間的相關性。本研究以洪湖為例，計算不同尺度標準化降水指數（SPI）及其干旱等級，基于SPI分析洪湖市旱澇氣候演變特征及不同時間尺度旱澇氣候事件變化特征，探討SPI、降水量和水位之間的相關性，分析降水對洪湖水位的影響。這對把握洪湖市旱澇出現規律、指導洪湖科學調度、防汛抗旱、防災減災具有參考意義。

1 ?研究區概況

洪湖市位于湖北省江漢平原腹地，以境內最大的湖泊——洪湖而命名，屬亞熱帶濕潤季風氣候，其特點是冬夏長，春秋短，四季分明，光照充足，雨量充沛，年均降水量1 174 mm，降水主要集中于春夏，最大月降水量出現在6月，最小月降水量出現在12月（圖1）。洪湖位于四湖流域下游入口，是湖北省第一大淡水湖，年平均水位24.6 m，高水位出現在7―9月，低水位出現在12月至次年4月，滯后于月降水量2～3個月。

2 ?材料與方法

2.1 ?資料來源

氣候資料采用洪湖氣象站1957年1月至2018年12月逐月平均降水量。洪湖水位資料采用洪湖湖區水位代表站挖溝咀水位站2000年1月至2018年12月月平均觀測資料。為消除年周期及長期趨勢，對原始水位資料進行了標準化預處理。

2.2 ?研究方法

采用具有多時間尺度特征的標準化降水指數作為衡量洪湖市氣候旱澇指標。SPI計算簡單，僅需降水資料即可計算，具有良好的穩定性，適用于不同地區和不同時間尺度的旱澇監測評估服務，被廣泛應用于旱澇評估中[16-20]。標準化降水指數假定降水量的變化符合Γ分布，運用數理方法，對其經過正態標準化處理得到指數。具體計算方法參考氣象干旱等級GB/T 20481―2017[21]。本研究利用1957―2018年近62年的降水量資料，計算了SPI1、SPI3、SPI6、SPI12（分別為1、3、6和12個月尺度的SPI）。季節SPI取每季最后1個月的SPI3，即取5月、8月、11月、次年2月的SPI3，分別代表春、夏、秋、冬的SPI。年SPI取每年12月的SPI12，代表該年的SPI。

根據上述方法計算月、季、年尺度的標準化降水指數，并參考GB/T 20481―2017[21]和相關文獻[16-18]中分級標準劃分旱澇等級，如表1所示。

Pearson相關系數是反映變量之間相關關系密切程度的統計指標，通過兩個離差乘積反映兩個變量之間的相關程度，著重研究線性的單相關系數。本研究利用統計學中常用的Pearson相關系數來衡量降水資料與水位資料的相關性，并采用t檢驗進行相關系數顯著性檢驗，其中月尺度相關分析樣本量為228。

3 ?結果與分析

3.1 ?不同時間尺度SPI特征

干旱與洪澇的發生和發展往往表現在不同的時間尺度上，SPI1正負波動頻繁，能夠反映短期降水不足，SPI3反映季節旱澇變化特征、SPI6和SPI12旱澇波動較平緩，對長時間旱澇有較好的反映，這個特點在SPI的時間序列上具有明顯的體現。洪湖氣象站1957―2018年1、3、6、12個月4個時間尺度的SPI時間變化序列見圖2。由圖2可以看出，不同時間尺度SPI變化趨勢有顯著的一致性，但在發生頻率和持續時間上有明顯差異，SPI1波動頻繁，干旱、洪澇事件發生頻率高，持續時間短，較長時間尺度的SPI3、SPI6和SPI12干旱、洪澇事件發生頻率越來越低，持續時間越來越長，多種時間尺度SPI相結合可以實現對旱澇的綜合檢測。以2010―2011年旱澇急轉的典型年份為例，SPI顯示2010年1―2月為輕旱，3―4月為輕澇到重澇，5月正常，6月輕旱，7月極澇，8月正常，9―10月中澇，11月中旱，12月正常，2011年1―5月輕旱到極旱，6月重澇，7月中旱，8―11月正常，12月輕旱;SPI3顯示2010年1月正常，2月輕旱，3月輕澇，4―5月中澇，6月正常，7―11月中澇到重澇，12月輕澇，2011年1―5月重旱到極旱，6―8月正常，9―12月輕旱到中旱;SPI6顯示2010年1―2月重旱到極旱，3月正常，4―5月輕澇，6月正常，7―12月重澇到極澇，2011年1―2月正常，3―9月輕旱到極旱，10―11月正常，12月重旱;SPI12顯示2010年1―6月正常到輕旱，2010年7月到2011年6月為輕澇到極澇，2011年7―12月為輕旱到中旱。可見隨著時間尺度的增加，旱澇起止時間相應延后，旱澇等級發生變化，充分反映了前期降水變化的累積影響，這與學者們基于SPI研究旱澇特征的結論[16-20]基本一致。

3.2 ?洪湖市旱澇變化特征

3.2.1 旱澇年際變化特征 ? ?年SPI可以監測旱澇年份及等級，由圖3可知，洪湖市近62年來年SPI呈弱增長趨勢，速率為0.086/10年，干旱年和洪澇年分別占21年和22年，頻次和等級均相差較小（圖4）。極旱年發生在1968、1963和1984年，為重旱年;極澇年發生在1996、2002和2010年，為重澇年。

3.2.2 旱澇季節變化特征 ? ?洪湖市不同季節旱澇變化（圖5）及等級頻次（圖6）的分布存在較大差異，春、夏、秋、冬季速率分別為-0.022/10年、0.095/10年、-0.011/10年和0.093/10年，春、秋季SPI呈降低趨勢，干旱略加劇，夏、冬季SPI呈增長趨勢，洪澇加劇，且夏、冬季對年濕潤化的貢獻明顯，年SPI也呈增長趨勢。中度及以上旱澇頻率春、夏、秋、冬季分別為27.4%、37.1%、33.9%、30.6%。極旱季出現在1997年春、2011年春、1979年秋、2007年秋、1978年冬、1998年冬;極澇季出現在1973年春、2002年春、1996年夏、1972年秋、1958年冬、2002年冬。

由表2可以看出，洪湖市1968年極旱年由春、夏、秋、冬四季持續中度到重度干旱所致;1963年和1984年重旱年主要由夏季中旱和冬季重旱所致;2002年重澇年由春、冬季極澇導致;2010年春、夏、秋三季連續中度洪澇，雖冬季轉為重旱，年旱澇等級仍為重澇;春季微旱、秋冬季正常、夏季極澇導致1996年洪澇程度最為嚴重。

3.3 ?洪湖水位變化特征及與降水、SPI的關系

2010―2018年近9年洪湖水位時間序列變化如圖7所示，2011年上半年水位逐漸下降，是對2010年冬季重旱和2011年春季極旱的滯后響應;2010年7―8月持續高水位是由2010年春、夏、秋三季連續中澇導致;2016年洪湖春季微澇、夏季中澇，但受超強厄爾尼諾事件和拉尼娜事件的先后影響，長江流域汛期時間長、降雨過程多，受本地降水和長江流域降水的共同影響，導致7―8月洪湖持續高水位，7月3日就超過警戒水位的26.2 m，達26.9 m。

利用2000―2018年逐月228個樣本資料進行降水量、SPI和水位的相關分析，從表3可以看出，月降水量距平與SPI的相關性最好，高達0.93，降水量與距平和SPI1相關系數分別為0.69和0.67，距平與SPI3的相關系數為0.53，SPI1與SPI3的相關系數為0.55，SPI3與SPI6的相關系數為0.71，SPI6與SPI12的相關系數為0.61，且均通過0.01的顯著性檢驗，因此多時間尺度SPI與降水顯著相關。SPI3與洪湖水位的相關系數為0.51，相關性最好，其次是SPI6，相關系數為0.41，且均通過0.01的顯著性檢驗。

依據上述分析結果，采用3個月時間尺度SPI3對歷史洪湖水位進行檢測，結果見圖8。由圖8可以看出，SPI3指數與洪湖水位總體波動基本一致，個別年份和季節的SPI3和標準化水位距平程度略有差異。2000―2018年19年228個樣本的歷史序列中，水位距平相比SPI3偏高的時間段有2000年秋季、2013年冬至2014年春、2018年下半年，標準化水位距平相比SPI3指數偏低的時間段有2003年冬至2004年春、2006年秋、2008年冬至2009年春。水位監測效果偏差的時段大部分出現在非汛期，考慮大規模水利工程的建設，洪湖水位除受自然降水等氣候因子變化的影響外，人工調控、人類活動的影響也非常顯著[22-25]，與劉敏等[13]、劉可群等[25]結論一致。因此，利用3個月時間尺度SPI3監測洪湖水位，基本可以反映旱澇氣候變化對洪湖水位的影響。

4 ?小結與討論

具有多時間尺度的標準化降水指數使用數據少，計算簡便，普適性強，廣泛應用于旱澇氣候事件監測。利用多時間尺度SPI，分析洪湖市近62年旱澇氣候事件變化規律，并探討降水量、SPI和水位之間的相關關系，選取適當時間尺度SPI監測洪湖水位，得到了如下結論。

1）洪湖降水主要集中在春、夏季，最大月降水量出現在6月，最小月降水量出現在12月。洪湖高水位出現在7―9月，低水位出現在12月至次年4月，滯后于降水量2～3個月。

2）SPI1正負波動頻繁，能夠反映短期降水不足;SPI3反映季節旱澇變化特征;SPI6和SPI12旱澇波動較平緩，對長時間旱澇有較好地反映，且隨著時間尺度的增加，旱澇起止時間相應延后，旱澇等級發生變化，充分反映了前期降水變化的累積影響。

3）洪湖市近62年來不同季節旱澇變化及等級頻次的分布存在較大差異，春、秋季SPI呈降低趨勢，干旱略加劇，夏、冬季SPI呈增長趨勢，洪澇加劇，且夏、冬季對年濕潤化的貢獻明顯，年SPI呈弱增長趨勢，干旱年和洪澇年頻次和等級均相差較小。

4）2010―2018年洪湖水位的時間序列可以反映出水位對降水的滯后響應，特別是2010―2011年旱澇急轉、2016年洪澇等旱澇氣候事件對洪湖水位的影響顯著。

5）具有多時間尺度的SPI與降水量顯著相關。SPI3與洪湖水位的相關系數為0.51，相關性最好，其次是SPI6，相關系數為0.41，且均通過0.01的顯著性檢驗。采用3個月時間尺度SPI3對歷史洪湖水位進行檢測，可以看出SPI3與洪湖水位總體波動基本一致，個別年份和季節的SPI3與水位波動程度略有差異，SPI3可以反映洪湖水位變化狀況，可用來監測洪湖水位。

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