蘇北地區季節性旱災特征研究

龔艷冰 胡娜 劉高峰 吳敏

摘要：為分析蘇北地區季節性干旱災害特征，利用1989—2013年蘇北地區5市的月平均降水量數據進行降水量聚類分析，選取代表性的徐州市、鹽城市作為季節性干旱研究對象。基于標準化降水指數（SPI）方法，分析了徐州市、鹽城市季節性干旱分布和干旱等級的時空變化特點。在此基礎上，利用重標極差分析法（R/S分析法）計算Hurst指數，對徐州市、鹽城市發生季節性干旱災害的規律進行研究。結果表明，夏季是蘇北地區季節性干旱發生頻率最高的季節；徐州市干旱災害在季節性上具有不同的分形特征，冬季干旱災害具有時間上的長記憶性，未來的總體旱災趨勢將與過去特征相關，其他季節干旱災害特征與過去特征相反；鹽城市干旱災害在季節性上具有相同的分形特征，即四季干旱災害特征與過去特征相反。

關鍵詞：蘇北地區；季節性干旱；標準化降水指數；R/S分析

中圖分類號： S423 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）02-0340-04

收稿日期：2015-03-18

基金項目：國家自然科學基金（編號：71303074）；江蘇省社會科學基金（編號：14GLC004）；武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室開放基金（編號：2013B107）；中央高校基本科研業務費基金（編號：2015B23914、2015B28014）。

作者簡介：龔艷冰（1979—），男，江蘇靖江人，博士，副教授，研究方向為水資源管理。E-mail：yanbg79@163.com。江蘇省地處中緯度的海陸相過渡帶和氣候過渡帶，兼受西風帶、副熱帶、低緯東風帶天氣系統的影響，屬典型的東亞季風氣候區，降水量的年際、年內分布不均勻，易導致旱澇災害頻繁發生。尤其是近年來，隨著社會經濟發展，水資源短缺現象日趨嚴重，在全球變暖背景下，江蘇省作為最不缺水的“水鄉”，經常出現大部分地區季節性干旱災害現象。由于受區域分布和南北差異的影響，處在蘇北地區的徐州、連云港、宿遷、淮安、鹽城等5市是全省旱災發生最多的地區，經常發生季節性干旱災害。2009年初江蘇省發生大旱，蘇北地區降水最少的地區是徐州市、連云港市、宿遷市、淮安市，其中徐州市部分站點的降水量不足20 mm。2010年春季，蘇北地區遭遇50年來最嚴重的秋旱，淮北地區降水量為1961年以來歷史最少值。2011年5月上旬，蘇北地區出現60年來最嚴重的旱災，淮河下游斷流，洪澤湖水位處于歷史最低水位。2012年5月中旬，蘇北地區雨水偏少，徐州市遭遇60年不遇的干旱。2013年6月下旬，江蘇省淮河以南地區遭遇大范圍、持續高溫天氣，多地高溫日數、高溫極值創1961年以來歷史記錄，共有42萬hm2耕地受旱。

目前，國內外學者對于干旱問題的研究主要采用Mckee等在評價美國科羅拉多州干旱災情時提出的基于降水量累積概率的標準化降水指數（SPI）[1]。SPI不涉及具體的干旱機理，計算簡單，資料獲取容易，可對不同時間尺度的干旱進行監測，已經被廣泛應用于國內外各種干旱災害的分析[2-9]。分形理論中的重標極差分析法（R/S分析法）主要用于研究事物的某種結構或過程特征，從不同空間、時間尺度來看是否具有相似性，或局部結構與整體是否具有相似規律的理論。干旱災害可以看成時間軸上的點狀事件，所以干旱災害的發生十分類似于局部與整體之間在一定時間尺度內是否具有自相似特征，目前分形理論已經在我國多個地區的干旱特征分析中被應用[10-14]。本研究以蘇北地區的徐州市、鹽城市1989—2013年的月平均降水量數據為研究對象，結合SPI指數和R/S方法分析蘇北地區干旱時間序列季節性分布特征和干旱等級情況，在此基礎上對干旱的季節性周期性進行分析，定量化研究蘇北地區干旱災害特征，以期為政府及時了解災情發生規律、科學指揮抗災救災提供參考。

2蘇北地區季節性干旱分析

2.1數據來源和SPI等級分析

蘇北地區位于江蘇省北部，包括徐州、連云港、淮安、鹽城、宿遷等5市，其中宿遷市于1996年建市。蘇北地區下轄23個縣（市），土地面積5.44萬km2，2013年末常住人口數 2 988.51萬人，土地面積和常住人口數分別占江蘇省的53%、37.6%。蘇北地區地處黃海之濱，海岸線744 km，與日本、韓國隔海相望，屬于溫帶濕潤性季風氣候，四季分明。近年來全球氣候變暖，太平洋“厄爾尼諾”現象加劇，海洋季風無法登陸形成降水，人為破壞環境等因素的影響，江蘇省尤其是蘇北地區季節性干旱災害頻繁。

依據江蘇省統計年鑒，對蘇北地區5市的月平均降水量情況進行層次聚類分析。由圖1可見，首先鹽城市、淮安市聚為一類，然后徐州市、連云港市聚為一類，再是鹽城市、淮安市、徐州市、連云港市聚為一類，最后和宿遷市聚成一個大類。因此，依據行政區劃特點和降水量聚類分析，以1989—2013年徐州市、鹽城市為例研究蘇北地區季節性干旱情況。

采用基于多時間尺度的SPI指數和R/S分析方法研究蘇北地區的干旱情況。首先利用SPI指數軟件（可從相關網站免費下載），以1989—2013年徐州市、鹽城市的月平均降水量數據計算多時間尺度標準化降水指數SPI3、SPI6、SPI12的值，并依據《SPI指數干旱等級劃分標準表》統計不同干旱等級發生次數，結果見表1。

由于不同時間尺度的SPI值反映不同類型的干旱情況（氣象、農業、水文干旱），SPI3值考慮3個月的降水量情況，反映年內季節的干旱變化。隨著時間尺度增大（6、12個月），SPI對短期降水的響應減弱，干旱變化比較穩定，周期更明顯，可以清楚地反映出長期的干旱趨勢變化特征，其中SPI12顯示其年際變化特征。由表1可知，近25年（300個月），徐州市在3、6、12個月尺度出現不同程度干旱的頻率分別為274%、32.6%、30.5%，鹽城市分別為34.7%、34.4%、34.0%。因此，徐州市、鹽城市屬于干旱災害頻發的地區，至少有1/3的月份發生不同程度干旱災害。

為了分析蘇北地區季節性干旱災害情況，按照氣象學的季節劃分規則，以每年3月至次年2月為1個季節循環。即3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季。根據該季節劃分方法，對1990—2013年徐州市、鹽城市的SPI3值分季節進行統計，結果見圖 2。

由圖2可知，徐州市春季發生特旱的年份為2000年（4—5月）、2001年（5月），夏季發生特旱的年份為2012年（6—7月），秋季發生特旱的年份為2002年（9月），冬季發生特旱的年份為1996年（1月）、2010年（12月）。鹽城市春季發生特旱的年份為2000年（4月）、2001年（5月），夏季發生特旱的年份為2004年（8月）、2012年（6月），秋季發生特旱的年份為2001年（11月）、2004年（9—10月），冬季發生特旱的年份為1995年（12月）、2011年（1月）。同時，在發生旱災的分界線-0.5以下，2市旱災一年四季都可能發生，經常是冬旱連春旱，初夏旱、伏旱、秋旱交替發生，具有連旱的特點，這與徐州市、鹽城市干旱實際基本一致，2市其他旱災情況見圖3、圖4。

由圖3可知，1989—2013年徐州市春季發生干旱災害情況：輕旱10個月、中旱6個月、重旱1個月、特旱3個月，發生重旱以上災害占旱災的20%；夏季發生干旱災害情況：輕旱10個月、中旱10個月、重旱2個月、特旱2個月，發生重旱以上災害占旱災的16.7%；秋季發生干旱災害情況：輕旱9個月、中旱5個月、重旱3個月、特旱1個月，發生重旱以上災害占旱災的22.2%；冬季發生干旱災害情況：輕旱6個月、中旱2個月、重旱7個月、特旱2個月，發生重旱以上災害占旱災的52.9%。從整體來看，徐州市夏季發生干旱的頻率最高，冬季發生干旱的頻率最低；但冬季一旦發生旱災，很可能是比較嚴重的旱災。

由圖4可知，1989—2013年鹽城市春季發生干旱災害情況：輕旱13個月、中旱9個月、重旱1個月、特旱2個月，發生重旱以上災害占旱災的12%；夏季發生干旱災害情況：輕旱18個月、中旱5個月、重旱3個月、特旱2個月，發生重旱以上災害占旱災的17.9%；秋季發生干旱災害情況：輕旱8個月、中旱9個月、重旱1個月、特旱3個月，發生重旱以上災害占旱災的19.0%；冬季發生干旱災害情況：輕旱13個月、中旱7個月、重旱3個月、特旱2個月，發生重旱以上災害占旱災的20.0%。從整體來看，鹽城市夏季發生干旱的頻率最高，秋季發生干旱的頻率最低；春秋兩季發生干旱的頻率基本一致，災害程度也基本一致。

2.2R/S分析

通過季節性SPI指數分析可知徐州市、鹽城市的干旱季節性分布特征，以下分析季節性干旱的長期周期性，即研究季節性干旱發生是否具有規律性。本研究以徐州市為例，利用Matlab軟件對季節性干旱SPI3數據進行R/S分析，將計算結

果用最小二乘法進行回歸，得到相應的H指數，結果見圖5。由圖5可知，對于徐州市季節性SPI3指數的Hurst值，只有冬季的H值大于0.5，春季、夏季、秋季都小于0.5，這表明徐州市干旱災害在季節性上具有不同的分形特征，冬季干旱災害具有時間上的長記憶性，未來的總體旱災趨勢將與過去特征相關，春季、夏季、秋季干旱災害特征與過去正好相反，即過去減少的旱災趨勢在未來可能出現增加趨勢。對徐州市季節性SPI3指數進行V統計量分析，得到Vt和lnt的關系（圖6）。

由圖6可知，徐州市春季、夏季、秋季的SPI3指數曲線都為1個向下傾斜的曲線，說明其未來旱災總體趨勢將與過去特征相關，當Vt圖形狀改變時，就產生了突變，長期記憶消失。冬季的SPI3指數曲線都為1個向上傾斜的曲線，可以估計出徐州市冬季干旱災害波動的周期長度，冬季SPI3指數干旱災害發生周期為17年（拐點處lnt= 2.833 2），即徐州市冬季平均發生干旱災害的周期為17年左右，這與歷史上徐州市冬季干旱災害發生的周期性基本吻合。

對鹽城市季節性干旱SPI3數據進行R/S分析，將計算結果用最小二乘法進行回歸，可得相應的季節性H指數（春季0.119 9，夏季0.280 9，秋季0.370 9，冬季0.497 7），表明鹽城市干旱災害在季節性上具有相同的分形特征，四季干旱災害特征與過去正好相反，即過去減少的旱災趨勢在未來可能出現增加趨勢。

3結論

季節性干旱災害受到許多不確定因素的影響，主要包括全球氣候變暖、太平洋“厄爾尼諾”現象加劇、海洋季風無法登陸形成降水、人為破壞環境等。SPI計算簡單，資料獲取容易，可以反映不同時間尺度、不同地區的干旱狀況。通過對徐州市、鹽城市近25年降水量數據不同時間尺度SPI指數的計算，分析了徐州市、鹽城市季節性干旱災害發生的時空分布特征，進而通過R/S分析發現季節性干旱指數在時間序列上具有自相似性。在此基礎上，利用H指數和V統計量分析季節性干旱災害發生的變化周期，對蘇北地區干旱災害的特征分析、評估與監測研究具有重要指導意義。

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