近60 a來淮河流域干旱變化特征

王 崠, 徐京京, 周亮廣, 張延兵, 吳 見

(1.滁州學院 地理信息與旅游學院, 安徽 滁州 239000; 2.華中師范大學 城市與環境科學學院,

湖北 武漢 430079; 3.安徽省地理信息集成應用協同創新中心, 安徽 滁州 239000)

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近60 a來淮河流域干旱變化特征

王 崠1,3, 徐京京1,2,3, 周亮廣1,3, 張延兵2,3, 吳 見1,3

(1.滁州學院 地理信息與旅游學院, 安徽 滁州 239000; 2.華中師范大學 城市與環境科學學院,

湖北 武漢 430079; 3.安徽省地理信息集成應用協同創新中心, 安徽 滁州 239000)

摘要：[目的] 研究淮河流域近60年來干旱的變化特征，為以后防旱抗災提供一定的參考。[方法] 利用WAP(weight average of precipitation)指數法、空間Kriging法、小波分析等方法對淮河流域干旱變化時空特征進行分析。 [結果] 春季WAP指數在21世紀初下降幅度較大,易發生春旱,冬季WAP指數在1980年以后明顯增加,冬旱有所減輕;年均WAP指數表征的干旱存在2~3 a的主周期和6~7 a的次主周期;在空間上,WAP指數大致由東南向西北遞減,干旱程度由東南向西北逐漸增大。 [結論] WAP指數能夠很好地表征淮河流域干旱發生的時間和空間特征。

關鍵詞：干旱; 時空變化特征; WAP指數; 淮河流域

當前，隨著全球變暖，氣候變化對人類的影響越來越大，全球氣候變暖可能導致降水量在時間和空間上發生變化，從而對水資源產生深遠的影響[1]。淮河流域處于中國南北氣候過渡帶、高低緯度帶和海陸交互作用帶相復合的地區，淮河流域降水量空間分布差異很大，不同時間內降水變幅也較大，旱澇災害的發生多基于降水時空差異。

目前已有學者對淮河流域的干旱做了大量研究。顧萬龍等[2]人利用年內降水不均勻性、降水集中度和集中期指標來研究淮河流域降水量年內分配變化規律，分析降水集中度與旱澇的關系；鄭曉東等[3]人采用標準化降水指數，對淮河流域干旱演變特征進行了分析。

此外一些學者如葉金印等[4-8]人分別從不同角度、采用不同的方法對淮河流域的旱澇進行了研究，得到了許多有意義的結論。但是對淮河流域的研究還沒有涉及到用WAP(weight average of precipitation)指數來研究分析其干旱特征。WAP指數可以很好地表征一段時間內的降水狀況，它主要考慮了前期降水對后期土壤濕度的貢獻，可以對干旱進行動態和定量化的監測[9]。

本文利用WAP指數法、空間Kriging法、小波分析等方法對淮河流域干旱變化時空特征進行分析，以期為以后防旱抗災提供參考。

1淮河流域地理氣候概況

淮河流域地處中國東部，介于長江和黃河兩流域之間，位于東經111°55′—121°25′，北緯30°55′—36°36′，面積為2.70×105km2。流域西起桐柏山、伏牛山，東臨黃海，南以大別山、江淮丘陵、通揚運河及如泰運河南堤與長江分界，北以黃河南堤和泰山為界與黃河流域毗鄰。淮河干流發源于桐柏山太白頂北麓，依次流經河南、湖北、安徽、江蘇。淮河流域地處中國南北氣候過渡帶，屬暖溫帶半濕潤季風氣候區。其特點是：冬春干旱少雨，夏秋悶熱多雨，冷暖和旱澇轉變急劇。

2數據來源及分析方法

2.1　數據來源

本文數據來源于4省氣候資料處理部門逐月上報的《地面氣象記錄月報表》的信息化資料，共有52個站點從1951到2009年逐日降水量觀測數據。由于一些站點觀測數據不足或者觀測年限遠遠不足60 a，篩選整理之后，保留了21個站點。空間影像數據主要為淮河流域行政圖。

2.2分析方法

本文使用WAP指數法對淮河流域的干旱特征進行綜合分析。WAP指數主要考慮了前期降水對后期土壤濕度的貢獻，可以很好地表征某段時期內累積降水情況以及土壤含水量，進而分析淮河流域發生干旱的時空特征。WAP指數定義為：

(1)

式中：Pn——日降水量(mm)；n——距離當前日的天數(d)；a——貢獻參數。當a取值趨近于1的數值時，式(1)可進一步簡化為

(2)

其中Wn=(1-a)an,本文中a取值為0.9，N=44，因此式(2) 可寫為

(3)

WAP指數的計算公式累積了前期44 d的降水量對于當前日WAP指數的貢獻，距離當前日越近的日降水量對于WAP指數的貢獻率越大，反之，距離當前日越遠的日降水量對于WAP指數的貢獻率越小，即隨著距離當前日天數的增大，貢獻率越小。WAP指數不僅考慮了近期降水量對于土壤濕度的貢獻，而且兼顧了前期降水量對于土壤濕度的貢獻。從WAP指數的含義可知：在某時期內，WAP指數越大，說明前期降水量越多，土壤濕度較大，該時期不易發生干旱，反之易發生干旱；在某區域內，WAP指數越大，說明該區域前期降水量較多，區域土壤濕度較大，該區域干旱發生的幾率小，反之容易發生干旱，因此，WAP指數可以作為一個較好的干旱指標，用來研究區域干旱時空特征，還可以對干旱狀況進行動態以及定量化的監測。此外本文還利用克里格插值法[10]、線性回歸法、距平百分率以及小波分析等。

3淮河流域干旱時空變化分析

3.1　淮河流域干旱變化時間特征

3.1.1WAP指數年代際變化特征淮河流域不同年代四季平均WAP指數和距平百分率見圖1—2。由圖1可以看出,近60 a淮河流域WAP指數年代變化比較明顯,總體上呈上升趨勢。20世紀50年代WAP指數只有2.10,之后30 a緩慢上升,在90年代之后上升趨勢比較明顯,在21世紀初,WAP指數達到最大值(2.27)。從WAP指數的變化趨勢可知,年代降水量總體上是增加的，干旱在一定程度上有所減輕的。

從WAP指數距平百分率來看,全年變化較小,整體呈現上升趨勢。春夏WAP指數變化相對較小，秋冬變化較大。春季WAP指數距平百分率在-4.95%～6.27%波動變化，其中在50年代春季降水量低于平均降水量，WAP指數距平百分率為-4.95%，在60年代和70年代降水量有所增加，WAP指數距平百分率為正值，而90年代降水量達到最大值，WAP指數距平百分率為6.27%，2000—2009年，21世紀初降水下降幅度較大，WAP指數距平百分率為負值，這表征著20世紀50年代和21世紀前十年春季降水量有明顯減少，加上春季是該地區冬小麥返青季節，氣溫回升快，蒸發量較大，農作物需水量較大，極易發生春旱；夏季和秋季WAP指數距平百分率變化較大,其中夏季WAP指數距平百分率在-6.59%～8.86%變化，WAP指數在50年代較大，60年代減少，到80年代減少到最小，90年代相對較大，21世紀初WAP指數最大值為4.97,這表明在60—80年代易發生夏旱，尤其80年代干旱比較明顯，而在21世紀夏旱在一定程度上有所減輕；秋季變化曲線和夏季相反,WAP指數距平百分率在-15.28%～9.26%間變化，年代波動較大，WAP指數在50年代最小，在60年代達到最大值，70年代減少，80年代增加，之后緩慢減少，總體來上，秋旱在50年代和21世紀初比較嚴重；冬季WAP指數距平百分率變化最大，變化曲線大致呈拉平的“S”，即在50年代WAP指數較小，60年代減少到0.35，之后緩慢上升，到21世紀初達到最大值，這也在一定程度上印證了隨著全球氣溫上升，冬季降水增加較多，干旱有所緩解。

圖1　淮河流域不同年代四季WAP指數

圖2　淮河流域不同年代四季WAP指數距平百分率

3.1.2WAP指數變化分析經過趨勢分析(見圖3)，近60來淮河流域降水量WAP指數呈微弱遞增趨勢，但在0.05水平上未通過顯著性檢驗，其遞增趨勢不明顯。1951—2009年淮河流域年平均WAP指數為2.15，WAP指數最大值出現在2003年(3.14)，WAP指數最小值在1966年(1.30)，從WAP指數距平百分率來看，WAP指數距平百分率在-39.51%～46.09%之間變化，這表明淮河流域年降水量變化較大，極易引起旱澇。由于WAP指數積累了前44 d的降水量對當前日土壤濕度的貢獻，可以很好地表征在某段時期內降水量的多少和土壤濕度狀況。在本文中，定義干旱發生的年份為WAP指數距平百分率低于10%。結合圖4可知，近60 a干旱發生的年份為：1953，1955，1959，1961，1966，1968，1976，1978，1981，1986，1988，1992，1997，1999，2001年等。在1959—1961，1965—1966，1968—1970，1976—1978，1994—1995，2001—2003年WAP指數距平百分率均為負值，易發生連年干旱。

圖3　淮河流域不同年份WAP指數長期變化趨勢

圖4　淮河流域不同年份WAP指數距平百分率

為了分析淮河流域各年份干旱發生季節性特征，進一步對季節WAP指數距平百分率做分析。根據前文對干旱的定義和圖5可得,春旱發生率較高，在近60 a中，共發生了25次，其中WAP指數距平百分率小于-30%的干旱年份為：1951，1953，1955，1962，1968，1970，1972，1979，1995，1998，2001，2003年，春季是農作物急需水分的季節，降水WAP指數距平百分率嚴重偏小將影響農作物的生長，對農業造成嚴重的威脅；夏季是淮河流域降水比較集中的季節，干旱發生的頻率相對于其他季節較低，共發生了16次，在1966，1997和1999年夏季WAP指數分別為-32.56%，-33.53%和-34.10%，這3 a夏旱嚴重；秋季和春季發生干旱的頻率相當，共發生了24次，其中50年代和21世紀前十年均發生6次干旱，這兩個時期是秋旱多發的年代，在1953，1957，1966，1991，1998，2001，2002年發生較為嚴重的秋旱，冬季降水在全年降水中占有很小的比重，近60 a淮河流域冬季降水WAP指數距平百分率在-80.51%～118.74%之間變化，干旱發生的頻率在四季中是最高的，共發生了30次，但是在全球變暖的大背景下，冬季降水量有明顯的增加，尤其是在80年代后，發生干旱的次數大幅度減少，這在一定程度上有利于該地區工農業生產。為了驗證WAP指數表征干旱的準確性，通過查閱《淮河志》[11]及相關研究成果[11-12](表1)可知，通過WAP指數表征的干旱年份與淮河流域歷史干旱情況比較吻合，這說明WAP指數作為干旱指標，能夠較好地分析淮河流域發生的干旱年份以及季節性特征。

圖5　淮河流域不同年份四季WAP指數距平百分率

文獻查閱篇名作者干旱情況歷史記錄 淮河志(第六卷)水利部淮河水利委員會[11]豫:1959—1961年連旱,1974,1976,1978,1986年大旱皖:1953,1959,1978年大旱,1958—1959,1966—1976,1976—1878年連旱蘇:1953年旱,1966—1967,1988—1989,1958—1962連旱,1974,1978,1981年大旱魯:1953,1959,1961—1962,1967,1969,1976,1981,1982,1986—1987年旱,1966,1977,1983,1988,1989年大旱研究成果基于標準化指數的淮河流域干旱演變特征分析鄭曉東等[3]1966,1968,1976,1978,1981,1986,1988,1997,1999,2001,2002年全域性干旱,1966,1978,2005年重度干旱年淮河流域1960—2011年干濕時空變化特征常帥鵬等[12]1966年嚴重干旱,1978,1988,2001年中等干旱,2003年嚴重濕潤淮河流域近60a來干旱災害特征分析陳小風等[13]1959,1961,1966,1977,1978,1981,1986,1988,1992,1994,1997,1999,2000—2001,2008,2009年等為大旱年基于CI指數的淮河流域干旱時空特征研究謝五三等[14]典型旱年:1966,1968,1976,1978,1981,1986,1988,1995,1997,1999,2001年等

3.1.3WAP指數周期分析為明確淮河流域WAP指數周期變化特征，本文對淮河流域WAP指數時間序列進行小波分析。

由小波分析可知，夏季WAP指數存在多時間尺度變化的特征，總的來說夏季WAP指數變化周期主要有2~4，8~10，33~34以及36~39 a這4種，這表征淮河流域夏季干旱周期多，有短時間尺度的干旱周期(2~4 a)，也有中長時間尺度的干旱周期(8~10，33~34 a等)，在一定程度上印證了淮河流域諺語三年一小旱，十年一大旱的說法。淮河流域近60 a來全年和春季WAP指數存在著兩個較為明顯的周期，年均WAP指數存在著2~3 a的主周期和6~7 a左右的次主周期，這表征著淮河流域干旱存在著2~3 a的主周期和6~7 a左右的次主周期。而春季WAP指數存在著6~7 a左右的主周期和2~3 a的次主周期，表征著淮河流域春季干旱存在著6~7 a左右的主周期和2~3 a的次主周期。秋季WAP指數周期變化主要以中尺度時間為主，主要有2~4 a，8~10 a，11~13 a以及14~16 a四種，其中11~13 a是主周期，14~16 a和8~10 a為次周期。冬季WAP指數周期變化以長時間尺度比較明顯，周期主要為35~38 a，由于本文數據年限是近60 a，冬季的周期有可能為偽周期。

3.2　淮河流域干旱變化空間特征

3.2.1多年平均WAP指數分布特征利用淮河流域21個站點近60 a年均WAP指數統進行反距離權重插值得出淮河流域年均WAP指數空間分布圖(圖6)由圖可知：WAP指數空間分布范圍為1.66～2.86，整體來看，多年平均WAP指數自東南向西北呈遞減趨勢，自西向東呈現弱遞增趨勢，這表征著淮河流域干旱空間分布特征為：西北地區干旱程度大于東南地區，這主要是受淮河流域特殊的地形以及氣候所影響的。

圖6　年均WAP指數空間分布

從圖6可看出，淮河流域內有兩個WAP指數的高值區：一是以信陽為代表的西南大別山區，超過2.67；二是下游近海區，大于2.27；這兩個區域相對不易發生干旱，而流域西北部降水量最少，WAP指數低于1.87，最低值出現在西北部的鄭州，年均降水量WAP指數為1.66，這些地區由于降水少，土壤含水量低，極易發生干旱。

3.2.2四季WAP指數分布特征為了進一步分析淮河流域四季的干旱空間特征,圖7給出了各個季節

WAP指數的空間插值圖。

從圖7可以看出,淮河流域春季WAP指數在0.95～2.40之間，WAP指數較大的區域為淮南西部的大別山區和東南部的沿海平原地區，WAP指數大部分能達到1.65以上；而在淮北東北部和淮西西北部WAP指數相對較小，大都在1.20以下，由于春季氣溫回升較快，而這兩個地區春季降水相對較少，易發生春旱，不利于農作物的生長。夏季整個地區降水在全年中占有較大的比重，WAP指數普遍較大，大部分地區都能達到4.11以上，其中淮北東部和大別山區WAP指數最大，而淮北西部由于遠離暖濕氣流，降水相對較少，WAP指數較小，易發生夏旱；秋季和夏季的WAP指數空間分布規律相似，東部沿海平原和大別山區WAP指數較大，而淮北西部較小，易出現夏秋旱。冬季WAP指數普遍較小，大部分區域都在0.55之下，WAP指數空間分布規律和春季相似，大別山區和淮南東南部較大，而淮北相對較小。通過各個季節WAP指數空間分布圖，可以看出WAP指數表征的干旱有著明顯的地區差異和季節性差異。

圖7　季節WAP指數空間分布

4結論與討論

(1) 通過近60 a WAP指數距平百分率及四季WAP指數距平百分率能夠很好地表征干旱發生的年份和季節性特征；值得注意的是春季WAP指數在21世紀初下降幅度較大,降水量較少,然而春季氣溫上升較快,農作物開始生長,需水量增大,易發生春旱,相關部門應做好動態監測和相應的預防措施。

(2) 通過小波分析，全年和四季WAP指數表征的干旱周期具有多樣性和復雜性。淮河流域干旱存在著2~3 a的主周期和6~7 a左右的次主周期；春季WAP指數存在著6~7 a左右的主周期和2~3 a的次主周期；夏季和秋季干旱周期較為復雜，短時間尺度和中長時間尺度的干旱周期并存；冬季干旱周期主要為35~38 a，但很有可能是偽周期。

(3) WAP指數表征的干旱具有地域性和季節性差異。從年平均WAP指數空間分布圖看，干旱程度整體由東南向西北逐漸增大，干旱程度北部大于南部；平原大于山區；內陸大于沿海；從四季WAP指數空間分布圖看，春季氣溫回升較快，蒸發量大，而淮北東北部和淮西西北部WAP指數相對較少，易發生春旱；夏季和秋季整個地區WAP指數都相對較大，但是淮北西部WAP指數較小，這兩個季節此地區易發生夏旱；冬季WAP指數淮北相對較小，發生干旱的可能性較大。

干旱作為一種特殊的自然災害，它是一個逐漸形成和發展的過程，其中降水的時空差異對干旱起著重要的作用，WAP指數作為一種干旱指標，與其他指標相比，不僅考慮了近期降水量對于土壤濕度的貢獻，而且兼顧了前期降水量對于土壤濕度的貢獻。通過對淮河流域WAP指數進行年代、年份以及周期、空間分析，得出的該流域干旱時空特征與歷史記錄、研究成果比較吻合，這說明WAP指數在淮河流域干旱分析方面具有較強的適用性。但是淮河干旱的發生受多種因素共同影響，WAP指數只是考慮了降水對土壤濕度的貢獻，對于其他因素的影響，將在以后繼續進行深入的分析研究。

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Drought Variations of Huaihe River Basin in Recent 60 Years

WANG Dong1,3, XU Jingjing1,2, ZHOU Liangguang1, ZHANG Yanbing2, WU Jian1

(1.GeographyInformationandTourismCollege,ChuzhouUniversity,Chuzhou,Anhui239000,China; 2.CollegeofUrban&EnvironmentSciences,CentralChinaNormalUniversity,Wuhan,Hubei430079,China; 3.AnhuiCenterforCollaborativeInnovationinGeographicalInformationIntegrationandApplication,Chuzhou,Anhui239000,China)

Abstract：[Objective] To analyze the drought variation characteristics of the Huaihe River basin in recent 60 years, and provide a reference for the later drought-resisting disaster. [Methods] The weight average of precipitation(WAP) index, space Kriging method, and wavelet analysis methods were used to study the drought variation of the Huaihe River basin. [Results] The spring WAP index declined greatly in the early 21st century, it is prone to drought in spring. Meanwhile the winter WAP index increased significantly after 1980 and the winter drought has reduced, and the average index of WAP representation the main cycle of drought was 2~3 years and secondary was 6~7 years. Furthermore, the WAP index of Huaihe river basin showed a progressive decrease from the southeast to the northwest while the degree of drought increases from the southeast to the northwest as a whole in space. [Conclusion] The WAP index can represent time and space characteristics of drought in the Huaihe River basin.

Keywords:drought, temporal variation characteristics, WAP index, Huaihe River basin

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0338-06

中圖分類號：P426.616

通信作者：周亮廣(1981—),男(漢族),山東省桓臺縣,碩士,講師,主要從事水文水資源與GIS研究。E-mail:zhouliangguang@126.com。

收稿日期：2014-08-23修回日期：2014-10-10

資助項目：滁州學院校級科研啟動資助項目“江淮分水嶺地區植被蓋度遙感信息提取技術研究”(2012 qd18); 安徽高等學校省級自然科學研究項目“安徽省生態環境質量定量評價遙感信息模型研究”(KJ2013 B189)

第一作者：王崠(1980—),男(漢族),安徽省明光市人，碩士,講師,主要從事區域地理與GIS應用研究。E-mail:wangdong060830@126.com。