河南省1960-2018年旱澇演變及其極端與持續性分析

楚純潔, 周金風

(平頂山學院 旅游與規劃學院, 河南 平頂山 467000)

全球氣候系統變暖已成為現實，而由于氣候變暖所導致的極端氣候事件發生頻率增多、強度加大已成為全球性趨勢，由此導致氣象災害頻發。干旱、洪澇是氣象災害中最主要的災害，而且在當前趨勢下很多地區未來發生更嚴重旱澇災害的風險也在顯著增大[1]。自然環境的多樣性使得中國成為世界上氣象災害最為嚴重的國家之一[2]，近年來許多學者開展了很多具有區域特色的旱澇事件及其與氣候變化關系的研究[3-12]，這對于區域防災減災、水資源管理及農業可持續發展具有重要的實踐意義，并為現代災害應急管理機制的進一步完善提供一定借鑒。

河南省地處中國南北地理過渡帶以及西部山地丘陵與東部黃淮平原的過渡帶，匯集了黃河、淮河與長江三大流域，是亞熱帶向暖溫帶的氣候過渡區。受特殊的氣候和地理要素以及全球氣候變化影響，季節間及季節內降水分配極不均衡，以致旱澇災害成為河南省發生頻率最高、危害和損失最大的自然災害[13]。因此，針對河南省旱澇災害的研究一直是這一領域關注的重要地區。相關研究主要側重于河南省氣象干旱或旱澇時空規律的分析[14-18]以及旱澇災害的風險評估[19]，也有研究將氣象資料與遙感分析相結合側重于農業干旱的研究[20-22]。盡管前人關于河南省干旱或旱澇災害已做了較多研究，但對于河南省多尺度旱澇演變、極端旱澇和持續性旱澇特征的系統性研究尚不多見。基于此，本文利用最新資料，從多時間尺度對河南省旱澇演變及其極端和持續性特征進行系統性分析，以期為河南省防洪抗旱、減災決策工作提供科學依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

氣象數據來源于國家氣象科學數據中心(http:∥data.cma.cn/)，選取河南省17個國家基準氣象站點(圖1)1960年1月1日—2018年12月31日逐日降水和平均氣溫數據資料，少數缺測數據采用回歸替代法進行插補。其中研究所涉及的季節數據，依據氣象學標準進行劃分，即：春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12月—次年2月。

圖1 河南省地勢變化與氣象站點分布

1.2 研究方法

旱澇指數采用同時考慮降水和蒸發兩個重要物理分量且具有計算所需資料少、計算過程簡便等突出優點的降水與蒸發均一化指數進行表征計算[23]。基于不同潛在蒸散量估算的特點[24]，地表潛在蒸發的計算采用Thornthwaite方法[25]。采用區域平均序列構建區域旱澇的時間變化軸[26]，采用氣候傾向率法[27-28]、Hurst指數法(R/S分析)[29]、Morlet小波分析分別用于分析旱澇變化趨勢與速率及其周期性特征。限于篇幅，所有指標的計算過程詳見上述相關引用文獻。

2 結果與分析

2.1 河南省旱澇時間演變特征

2.1.1 旱澇趨勢年際與代際變化特征 由圖2可以看出，近59 a河南省旱澇指數呈明顯的振蕩性波動并趨于干旱化(旱澇指數大于0表示偏澇，小于0表示偏旱)，其中5 a滑動曲線顯示在1990s中期之前總體上偏澇，連續偏澇期最長達10個月，1990s中期之后趨于偏旱，且干旱化趨勢在近年顯著增強，連續偏旱期最長達到11個月。從年代際變化來看，2000年之前整體偏澇，其中1980s雨澇程度最強，之后進入由澇轉旱階段，并在2000年之后整體進入干旱期，且干旱程度逐漸增強，并在2010s最為干旱。線性擬合結果顯示，1960—2018年河南省旱澇變化在0.01置信水平上呈顯著干旱化趨勢(圖2A)。根據Hurst指數表征的R/S分析結果，H=1/2表示歷史增量與未來增量無關，時序完全隨機，不能開展趨勢性分析；H>1/2表示過去與未來增量成正相關，即過去時段的增長(減少)趨勢將意味著未來也呈增加(減少)趨勢；0

圖2 1960-2018年河南省旱澇變化與趨勢持續性分析

2.1.2 旱澇季節變化特征 由圖3可以看出，河南省近59 a來年內四季均表現為不同程度的干旱化趨勢，尤其春、秋兩季干旱化趨勢最顯著(p<0.01)，而夏季、冬季的干旱化趨勢則不顯著(p>0.05)。

從5 a滑動平均曲線來看，春、秋季旱澇變化特點相似且均具有兩個階段的變化，但春季在1990s中期發生明顯的澇轉旱，與全年變化相似(圖2)，而秋季從1980s末期開始即進入干旱期。冬季與春季也較相似，自1990s早期進入干旱期。夏季則表現為3個階段，1970s中期之前偏旱，之后轉入長達近35 a的偏澇期，直到2000s末期才轉入明顯的干旱期。

圖3 1960-2018年河南省旱澇季節變化

2.2 旱澇周期變化特征

根據旱澇指數進行Morlet小波變換，結果見圖4。由圖4可以看出，河南省全年與季節旱澇演變主要存在兩種尺度的周期性變化。在年際尺度上，全年和四季均存在3～5 a的周期變化，秋季還存在7.5 a的周期性變化，震蕩信號均強烈，為第一主周期；在年代際尺度上，全年和四季表現不盡一致，震蕩信號強弱也有差異，其中全年和春、夏、冬季普遍存在13～14 a的代際周期變化，為第二主周期，秋季不存在代際周期性。

在年際尺度上，全年與春、夏、秋季節的3～5 a周期具有全域性，且全年與春、夏季呈同相變化，相關系數分別達到了0.798，0.508(p<0.01)，而冬季3～5 a的周期主要出現在1980s中期至2000s中期，且冬季與夏季呈反相變化，相關系數為-0.506。秋季7.5 a周期主要出現在1980s以來且信號穩定。在13～14 a年代際周期變化上，全年與春季、冬季呈近似同步同相變化，但全年與春季在1980s以來才呈現穩定且強烈的周期信號，冬季則在全分析時段內均具有穩定且強烈的周期變化。

圖4 1960-2018年河南省旱澇周期性演變分析

2.3 河南省年及季節旱澇指數傾向率空間變化

2.3.1 年際旱澇指數傾向率空間分布 采用ArcGIS反距離加權方法對1960—2018年河南省旱澇指數全年與季節變化的線性傾向率及其趨勢顯著性、降水量、蒸發量的趨勢系數等指標進行空間插值，見圖5。由圖5A可以看出，河南省年際旱澇指數呈全域性下降分布，表現出一致的干旱化趨勢，但下降幅度存在明顯的空間差異。總體上黃河沿岸地區干旱化趨勢最為顯著，尤其以開封、鄭州和新鄉連片區干旱加劇趨勢最為明顯和集中，其次在豫東永城、豫南桐柏、信陽一帶也呈極顯著的干旱化趨勢，而在中部以三門峽、寶豐、許昌和商丘為中心貫穿東西所形成的帶狀區域旱澇指數則無顯著下降趨勢，即沒有顯著的旱澇變化。

由河南省降水和蒸發趨勢系數的空間分布可以看出(圖5F—P)，全年與季節性降水傾向率變化均無顯著性趨勢(p>0.05)，大部分地區降水傾向率略呈減小特點，全年降水減少區域占比達到76%。河南省全年蒸發傾向率均呈不同程度的增大趨勢(圖5K)，即年際蒸發量趨于增大，而且大部分地區蒸發增強趨勢具有極顯著性，此趨勢分布與全年旱澇指數相似。相關分析表明，全年旱澇指數與降水、蒸發傾向率的相關系數分別為0.546，0.841，說明河南省全域性干旱化趨勢主要與蒸發增強有關，而降水減少的支配作用相對較弱，這與近年來的全球變暖趨勢是相符合的。

2.3.2 季節旱澇指數傾向率空間分布 由圖5B—D可知，河南省不同季節旱澇指數呈現出不同的空間趨勢。整體來看，4個季節均表現出不同程度的全域性干旱化趨勢，其中旱澇指數呈顯著下降(p<0.05)的占次比從大到小依次為：春季88.2%、秋季82.4%、冬季47.1%、夏季0.06%，可見春、秋季干旱化趨勢最突出，夏季則無顯著性干旱化趨勢。從空間分布來看，春季豫南地區干旱化趨勢最突出(圖5B)，黃河沿岸的開封、鄭州和新鄉連片區干旱化趨勢也較突出，而安陽和許昌周邊地區趨勢不明顯，顯著干旱化趨勢具有全域性特點。秋季旱澇趨勢空間分布與全年基本相似(圖5D)，尤其在鄭州、開封、新鄉等中部周邊地區干旱化傾向最突出、趨勢最顯著。冬季顯著干旱化空間范圍進一步收縮，但仍以鄭州、開封等中東部地區干旱化傾向最突出、趨勢最顯著，而許昌、平頂山及南陽、信陽等豫中、豫南地區則無明顯旱澇變化趨勢(圖5E)。從與降水和蒸發的對比來看，全省除夏季之外，其他季節降水與蒸發分別表現出一致的減少和增加趨勢，而且其趨勢分布與干旱化趨勢分布基本相似。

2.4 河南省極端旱澇時空變化特征

2.4.1 極端旱澇多尺度時間變化特征

(1)年代變化。依據前人對極端旱澇的界定(月旱澇指數≥1，≤-1的月份分別為極端雨澇、極端干旱月份)[6]，對河南省極端旱澇進行多維尺度的時空分析。

圖5 1960-2018年河南省年際與季節旱澇指數、降水量與蒸發量趨勢系數的空間分布

由圖6可以看出，河南省不同年代發生極端雨澇的頻次波動不大，呈先增多后減少的特點，1980s發生頻次最多，達到28.24%，而同時期極端干旱發生頻次最低，僅占15.78%。極端干旱與極端雨澇變化相反，總體上呈先減少后增多的趨勢，但在1980s之后增速顯著，到2010s全省極端干旱發生占次比高達48.04%。

(2)年際變化。在年際變化上(圖6)，極端雨澇在1990s中期之前多數年份發生頻次比例較高，超過3/4的年份占次比高于20%，1990s中期之后極端雨澇發生頻次明顯減少。極端干旱在1990s中期之前發生比例較低，之后發生頻次快速增多，尤其2017年全省發生極端干旱的占次比高達58.33%，反映了近年來連片、區域性干旱化趨勢顯著增強。從整體來看，極端雨澇與極端干旱分別呈極顯著下降、上升趨勢，而極端干旱線性傾向率達到了極端雨澇的2倍，反映了近年來河南省全域性干旱化趨勢快速增強。

圖6 1960-2018年河南省極端旱澇年代與年際變化

(3)季節變化。由圖7可以看出，除了1月、2月、10月份極端雨澇發生站次比略高于極端干旱之外，其他月份均低于極端干旱，而且1—2月極端旱澇發生頻次明顯低于其他月份。從季節尺度來看，各季節極端干旱頻次均略高于極端雨澇，而且除冬季極端旱澇發生頻次明顯較少之外，其他季節之間極端旱澇頻次較接近，尤以夏季極端旱澇發生頻次最高。

2.4.2 極端旱澇空間變化特征 由圖8可以看出，整體上河南省全年極端旱澇的發生頻率雖然均有西多東少的特點，但兩者仍存在明顯差異。其中，全年極端干旱發生頻次最高的區域主要集中于河南西部、南部地區，自西南向東北部減少，在商丘、永城等豫東地區發生頻率最低；全年極端雨澇發生頻率最高的區域范圍相對較小，僅集中于豫西三門峽、孟津等黃河沿線地區，其他地區發生頻次較少，豫西南、豫北地區發生頻次最低。

圖7 1960-2018年河南省極端旱澇月與季節變化

從季節變化來看(圖8)，春季極端旱澇的空間分布與全年分布基本一致，所不同的是，極端干旱發生頻率較低的區域不僅集中于豫東地區，還向南延伸至豫南固始一帶。夏季極端干旱高發區范圍縮小，僅分布于沿黃河及以北一線的豫西、豫北一帶，而夏季極端雨澇的高發區范圍沒有發生變化，仍與春季、全年分布一致。秋季極端旱澇的空間分布發生了明顯變化，極端干旱高發區呈全域連片式特點，低發區則呈散點狀交錯其中，而極端雨澇高發區與低發區則呈相互交錯連片式分布特點。冬季極端旱澇空間分布相比其他季節又發生了規律性變化，均呈南高北低的分布特點，而且極端干旱與極端雨澇的南北分界線也大體相似。對比來看，春季、秋季極端干旱高發區的分布范圍最廣，呈全域連片式分布；夏季極端干旱高區的分布范圍最小，主要收縮于沿黃河及以北一線的豫西、豫北一帶；冬季極端干旱高發區則呈較規則的南北分異，中南部地區高發態勢。春、夏季極端雨澇的空間分布一致，主要集中豫西三門峽、孟津等黃河沿線地區，秋季極端雨澇呈交錯連片式分布，冬季極端雨澇也呈南北分異、中南部高發態勢。

圖8 1960-2018年河南省極端旱澇發生頻率空間分布

2.5 河南省持續性旱澇特征

2.5.1 持續性干旱事件 相比一般旱澇事件，持續性旱澇事件的影響更大、更深、更重，而以往涉及河南省持續性旱澇的研究較少。根據前人對持續性旱澇的界定[6]，對1960—2018年河南省持續性旱澇事件進行統計，見表1，表2。

由表1可以看出，近59 a來河南省共發生20次持續性干旱事件，單次事件持續時間平均達到了4.9個月，平均強度達到了-2.36。從年代變化上，1990s之前，持續性干旱事件較少，僅有3次，每個年代均只有1次，持續時間為3～4個月；1990s之后，持續性干旱事件明顯增多，僅1990s就發生了4次，其中3次出現在1 995之后，而2000s，2010s持續性干旱事件分別達到了6次、7次。在持續時間上，持續時間最條的干旱事件為9個月，有2次，分別為1998年9月和2018年2月開始的，持續時間達到8個月也有2次，但大多數干旱事件持續時間為3～4個月，達到了13次。在季節分布上，春、夏、秋、冬四季持續性干旱事件分別發生了15次、8次、10次和12次，分別累計歷經29個月、22個月、23個月和23個月，其中春季發生持續性干旱事件概率最大，夏季最小。從強度變化來看，1990s中期之前持續性干旱事件強度超過平均強度的次數只有1次，而1990s中期之后則達到了10次，占全部持續性干旱事件的一半，其中2002年1月和2013年6月開始出現的持續性干旱事件強度分別達到了-3.19，-4.43。由此可見，1990s中期以來河南省持續性干旱的增多增強已成為必然趨勢，而且這一趨勢與國內其他地區相似[4,6]，反映了全國大范圍持續性干旱現象日益突出的事實。

2.5.2 持續性雨澇事件 由表2可以看出，近59 a來河南省共發生18次持續性雨澇事件，比持續性干旱事件略少，單次事件持續時間平均達到了4.1個月，平均強度達到了2.16。從年代變化上，1960s—1980s有10次，1990s有5次，2000s有3次，2010s以來則沒有發生持續性雨澇事件。其中1990s發生的5次事件中就有4次出現在1995年之前，由此可見，1990s中期之后持續性雨澇事件顯著減少。在持續時間上，持續時間最長的雨澇事件為11個月，有1次，而持續時間3個月的雨澇事件占這一事件的主體，達到了11次。在季節分布上，春、夏季持續性雨澇事件各有13次，秋、冬季各有5次，4個季節分別累計歷經29個月、27個月、9個月和9個月，其中春、夏季發生持續性干旱事件概率最大，秋、冬季最小，季節差異顯著。從強度變化來看，1990s中期之后持續性雨澇事件強度超過平均強度的次數僅有1次，其中最大強度的持續性雨澇事件始于1963年3月。從持續性干旱與雨澇事件的對比來看，兩者在近59 a內的發生演化基本呈反相同步呼應、此消彼長的特點。

表1 1960-2018年河南省持續性干旱事件統計特征

表2 1960-2018年河南省持續性雨澇事件統計特征

3 結 論

(1) 近59 a河南省旱澇呈振蕩性波動且具顯著干旱化趨勢，1980s偏澇程度最強，1990s中期之后趨于偏旱，至2010s干旱化程度最強，而且干旱化趨勢在未來將持續增強。季節間旱澇存在明顯差異，尤其春季、秋季干旱化趨勢最顯著，夏季、冬季無顯著干旱化趨勢。全年、季節旱澇演變普遍存在3～5 a的年際周期變化，秋季還存在7～8 a的周期變化，全年與春、夏、冬季還存在13～14 a的周期性。

(2) 從空間趨勢變化來看，河南省全年與秋季表現出一致的全域性干旱化趨勢，尤其以開封、鄭州和新鄉等黃河沿岸連片區趨勢最為顯著。夏季全省無明顯旱澇變化趨勢，冬、春季干旱化趨勢呈不同局域性，春季以豫南地區突出，冬季以鄭州、開封和永城等中東部地區最突出。河南省干旱化趨勢變化主要與蒸發增強有關，而降水減少的支配作用相對較弱，這與近年來的全球變暖趨勢是相符合的。

(3) 1990s中期之后河南省極端干旱發生頻次快速增多，連片、區域性干旱化趨勢顯著增強，極端雨澇則顯著減少。各季節極端干旱頻次均略高于極端雨澇，冬季極端旱澇較少，其他季節較接近，但以夏季發生頻次相對最高。全年與季節極端旱澇在空間變化上呈規律性差異分布。

(4) 1990s中期以來河南省持續性干旱事件的增多增強已成為必然趨勢，發生次數、強度、持續時間均遠超以往，而持續性雨澇事件則在1990s中期之后顯著減少，兩者的發生演化基本呈反相同步呼應、此消彼長的特點。