降水量對湖南省水稻生產的影響分析

摘要：根據1961-2010年湖南省自然災害歷史數據以及同期湖南省逐日降水量資料，利用一元回歸、Mann-Kendall檢驗、Morlet小波分析等方法，對湖南省內1961-2010年的水稻受洪澇災害及年降水量變化影響的特征進行了分析，在此基礎上利用主成分回歸方法，建立了湖南省水稻受洪澇災害影響的多元回歸方程。結果表明，湖南省水稻受洪澇災害影響重、頻率高，且在2000年后受災的嚴重程度有加重的趨勢；各降水因子中，暴雨日及大暴雨日產生的年降水量以及它們的雨日數是決定湖南省水稻受洪澇災害影響程度的主要因子；利用時間、暴雨日的年降水量建立的多元回歸方程可以簡便地對某年湖南省水稻受洪澇災害影響的程度進行簡單的預測。

關鍵詞：降水量；湖南省；水稻生產；風險分析

中圖分類號：S162.5+3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）02-0265-04

湖南省是一個氣象災害比較嚴重的省份，氣象災害多發、頻發。洪澇，尤其是暴雨洪澇是湖南省僅次于干旱的又一嚴重自然災害，它給人民生命財產直接造成威脅。湖南省是中國的主要產糧區之一，素有“魚米之鄉”之稱，對湖南省進行暴雨洪澇災害影響因素的定量分析，可為水災風險評估和管理提供科學依據。

目前，中國對氣象災害風險的評價及研究很多，其中結合GIS技術對洪澇災害的風險等級進行區劃[1-4]和利用各種數據模型進行風險評估[5，6]是兩大亮點。對湖南省洪災風險影響方面的研究成果也不少，例如對洞庭湖區洪澇災害的脆弱性評價[7，8]，對湖南全省及地區的洪澇災害風險評價[9-11]，在這些研究中，缺少一種既科學又簡單可行的洪澇災害對水稻影響評價的模型。此次研究在分析1961-2010年湖南省水稻受洪澇災害影響的時序變化特征及同時段湖南省降水量變化特征的基礎上，利用回歸方法，建立基于湖南省水稻受洪澇災害影響的歷史資料的氣候學評價模型。

1 材料與方法

1.1 數據來源

主要數據有兩類，一類是湖南省1961-2010年自然災害數據，其數據來源主要是中國種植業信息網和湖南省統計年鑒[12]；另一類是1961-2010年湖南省97個站逐日降水量資料，資料來源于湖南省氣象臺歷年降水實況資料。

1.2 主要方法

1）線性傾向分析。線性傾向分析采用一元線性回歸分析[13]：

yi=a+b■ i=l，2，…，n （1）

式中，a是回歸常數，b是回歸系數，代表氣候變化傾向率，b>0表示呈上升趨勢，b<0表示呈下降趨。a和b可用最小二乘法求出。

2）Mann-Kendall檢驗。Mann-Kendall突變檢驗法是一種非參數統計檢驗方法[14]。非參數檢驗方法亦稱無分布檢驗，其優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，計算比較簡便。

3）Morlet小波分析。小波分析是分析變化周期的常用方法，Morlet小波分析是在氣象上運用較多的連續性小波分析，具體算法參見文獻[15]。

4）主成分回歸。主成分回歸是一種有偏估計的回歸預測方法，由Massy于1965年提出，其主要思想是對影響預測因變量的多個自變量的觀測樣本矩陣中取前幾項方差較大的成分作為主成分，略去方差較小的一些成分，在此基礎上再進行回歸，具體方法參見文獻[13]。

2 結果與分析

2.1 1961-2010年湖南省水稻洪澇受災率分布及變化特征

研究中，對洪澇災害與洪水災害的區別不細分。利用1961-2010年湖南省水稻種植面積、水稻受災面積、水稻洪澇受災面積、水稻干旱受災面積、農業種植面積、農業受災面積等數據，對湖南省近50年來水稻洪澇受災面積等進行了計算，得到1961-2010年湖南省水稻洪澇受災率等的時序分布（圖1）。

水稻洪澇受災率的公式為：

D=（Sr / S）×100% （2）

式中，D為水稻洪澇受災率，單位為%；Sr為水稻洪澇受災面積，單位為hm2；S為水稻種植面積，單位為hm2。其他的類似項由類似的方法求得。從1961-2010年湖南省水稻洪澇受災率的時序分析可見，近50年來湖南省水稻洪澇受災率呈增加趨勢。水稻受洪澇災害的影響存在較明顯的年代際變化，1960年代和1970年代前期，水稻的洪澇災害受災率呈減少的趨勢，且整個的受災率比較低。從1970年代中期開始，洪澇災害對水稻生產的影響逐漸加劇，到1996年達到最大值后，出現了較大的年際變化。

按水稻洪澇受災率水平進行分等，把受災率均分成5等[16]，受災率由低到高分成輕災、小災、中災、大災和重災。對不同災等時序分布的統計結果表明，湖南省水稻生產受洪澇災害的影響頻繁，幾乎年年受災，特別是2000年后，湖南省水稻洪澇災害有加重的趨勢（表1）。

由圖2可見，湖南省水稻受氣象災害的影響比較重，而在各種氣象災害中，洪澇災害所占的比例很高。同時，一般年份，湖南省會受到洪澇與干旱兩種災害的雙重影響。在多數年份，水稻除受洪澇、干旱的影響外，還受到臺風、低溫等災害的影響，因此洪澇災害對水稻生產的影響不能完全表示湖南省水稻受氣象災害的影響。受災率與成災率的時序變化序列都有很高的相似性，兩者之間的相關系數達到0.99。

對1961-2010年湖南省水稻洪澇受災率的Mann-Kendall檢驗表明，1961-2010年湖南省水稻洪澇受災率的突變點出現在1963、1965、1967以及1984年前后，在1993年前湖南省水稻洪澇受災率的變化趨勢不明顯，此后，其變化趨勢達到顯著水平（圖3）。對1961-2010年湖南省水稻干旱成災率的Mann-Kendall檢驗表明，1967-1979年湖南省水稻受干旱的影響呈減少趨勢；1980-1995年干旱對湖南省水稻生產的影響呈增強趨勢；1996-2010年干旱對湖南省水稻生產的影響又呈減弱趨勢。對湖南省水稻洪澇受災率及干旱受災率的變化趨勢進行對比發現，洪澇與干旱對水稻生產的影響并不存在一定的關系。對1961-2010年湖南省水稻受災率的Mann-Kendall檢驗表明，1967-1978年湖南省水稻受災率呈顯著下降趨勢，1992年受災率出現顯著上升。

對水稻洪澇受災率變化趨勢的持續性強度的RS分形結果表明，水稻洪澇受災率的Hurst指數為0.898，表明其變化趨勢在未來有很強的持續性，即在未來一段時間內，湖南省水稻洪澇受災率的增加趨勢仍將持續。對其他項的RS分形結果都表明，水稻的受災率變化趨勢將在一段時間內持續，不會很快出現逆轉。

對水稻洪澇受災率、水稻洪澇成災率等6項指標的相關分析得知這些項為相似項。在研究的后期，選擇水稻洪澇受災率為指標就洪澇災害對水稻生產的影響進行分析。

1961-2010年湖南省水稻洪澇受災率的Morlet小波分析結果（圖4）表明，洪澇災害對湖南省水稻生產的影響存在17年左右的周期，1985年后5～6年左右的周期表現得也比較明顯。

2.2 1961-2010年湖南省降水分布及變化特征

對湖南省1961-2010年逐日降水量的統計表明，湖南省的年平均降水量為1 377.6 mm，且有增加的趨勢，全省降水量約以27.64 mm/（10年）的速率增加。1968-1983年、1996-2002年為兩個降水較多時段，對其的Mann-Kendall檢驗表明，1983年前后，湖南省年平均降水量變化趨勢出現了明顯變化。1961-2010年湖南省年平均降水量的Morlet小波分析結果表明，湖南省年平均降水量存在37年左右、19年左右兩個典型的變化周期（圖5）。

4個季度的降水量存在較大的差異，第二季度（4～6月）的平均降水量最多，為580.0 mm，其次是第三季度（7～9月），平均降水量為343.1 mm；降水量最少的是第四季度（10～12月），平均為196.2 mm。在4個季度中，降水量變化最大的是第四季度，其次是第三季度，降水量變化最小的是第一季度。

2.3 1961-2010年湖南省各等級降水的分布及變化特征

在對降水量進行等級劃分后，分別對小雨日、中雨日、大雨日、暴雨日、大暴雨日及特大暴雨日的逐年降水量、逐年雨日進行了統計（表2）。由表2可知，中雨對年平均降水量的貢獻最大，其次是大雨；對雨日貢獻最大的是小雨，全年大部分的雨日都是小雨。特大暴雨出現的幾率很小，對年平均降水量及多年平均雨日的貢獻都不大。

各等級降水的年降水量、年雨日的氣候趨勢統計結果表明，小雨的年降水量及年雨日都呈稍減少趨勢，其他等級降水的年降水量都呈增加趨勢，其中大雨帶來的降水量的增加速率最快，達10 mm/（10年）；其次是暴雨，它帶來的降水量的增速為9.6 mm/（10年）。除小雨、特大暴雨外的其他降水等級的年雨日都有略增加趨勢，但因小雨日以平均4.1 d/（10年）的速率減少，致使雨日以平均3.5 d/（10年）的速率減少。

2.4 湖南省洪澇災害影響水稻生產評價模型建立

主成分分析的結果表明，暴雨日年降水量、大暴雨日年降水量、暴雨日、大暴雨日等因子是決定湖南省水稻受洪澇災害影響程度的主要因子，這4個因子對水稻洪澇災害受災率的累積貢獻率達80%以上。

利用上述主要影響因子及年序系列，對湖南省水稻受洪澇災害的影響用逐步回歸的方法建立回歸模型，結果如下：

■=0.564t+0.146p-1 098.124 R=0.605 （3）

式中，y為某年湖南省水稻受洪澇災害的受災率，單位為%；t為年份，p為當年的暴雨日的年降水量，單位為mm。在計算中，t和p都取數值。

公式（3）的顯著性水平達0.01，其復相關系數為0.605，可見，由公式（3）估計的湖南省水稻洪澇災害的受災率的可信度還是比較高的。

水稻洪澇災害的受災率與其降水影響因子，如年降水量、年雨日、四季的降水量、其他各等級降水的年降水量及年雨日等因子也有一定的相關性，不過它們的相關系數都小于0.6，且相關大多未達到極顯著水平。

利用公式（3）可在對某年的暴雨日年降水量進行預測的基礎上，估算出湖南全省水稻洪澇災害受災率，大致預測某年水稻受洪澇災害影響的輕重程度，提前做好防災減災措施。利用同樣研究思路，在某個區域有相應資料的基礎上，可以得到具體的區域化的計算公式，并最終實現相關的預測，為當地的防災減災提供參考。

3 結論

對1961-2010年湖南省水稻受洪澇災害影響的變化特征的分析表明，湖南省的水稻生產受洪澇災害的影響嚴重，受災頻率高，2000年后受災有加重的趨向。

在1961-2010年，湖南全省的年降水量有增加的趨勢，但年雨日有減少的趨勢，表明湖南省近50年來雨日的降雨強度有增強的趨勢；不同等級降水的年降水量、年雨日的變化趨勢并不一致，暴雨、大暴雨等級的年降水量增加趨勢明顯且這兩個等級的年雨日有減少的趨勢，表明湖南省的強降水有增多的趨勢。

對1961-2010年湖南省水稻洪澇災害受災率與年降水量、4個季度的季節降水量及雨日、不同等級降水的年降水量及雨日等因子之間的關系的分析表明，暴雨日年降水量、大暴雨日年降水量、年暴雨日、年大暴雨日等因子是決定湖南省水稻受洪澇災害影響程度的主要因子。用逐步回歸方法建立的多元回歸方程中只有兩個變量時間和暴雨日的年降水量，此方程可以對某年水稻受洪澇災害影響的程度進行簡單的預測。

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