基于SPI的近30年黃河三角洲地區(qū)旱澇時(shí)空特征

任建成, 鞏在武, 鄭寶枝

(1.南京信息工程大學(xué) 公共管理學(xué)院, 南京 210044; 2.濱州市氣象局, 山東 濱州 256600)

?

基于SPI的近30年黃河三角洲地區(qū)旱澇時(shí)空特征

任建成1,2, 鞏在武1, 鄭寶枝2

(1.南京信息工程大學(xué) 公共管理學(xué)院, 南京 210044; 2.濱州市氣象局, 山東 濱州 256600)

根據(jù)1981—2010年黃河三角洲地區(qū)11個(gè)氣象觀測(cè)站逐月降水資料，采用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)，分析了該地區(qū)的旱澇時(shí)空變化特征。結(jié)果表明：黃河三角洲地區(qū)在20世紀(jì)80年代干旱較為頻繁，90年代中后期和2002年以后則雨澇較為頻繁，其他時(shí)段呈現(xiàn)出旱澇交替變化的趨勢(shì);黃河三角洲地區(qū)四季旱澇變化的特征不同，但從長(zhǎng)期趨勢(shì)來(lái)看，四季均表現(xiàn)出向雨澇方向發(fā)展的趨勢(shì)；黃河三角洲的區(qū)域旱澇變化特征基本趨于一致，且均呈現(xiàn)出多雨的趨勢(shì)，但旱澇變化幅度有細(xì)微差別；黃河三角洲地區(qū)在20世紀(jì)80年代末至90年代初旱澇變率最大，其次是21世紀(jì)00年代中前期，其他時(shí)間變率較小，區(qū)域變率總體上與全區(qū)保持一致。

旱澇; 時(shí)空特征; 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI); 黃河三角洲

自然災(zāi)害給人類帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)中國(guó)氣象局統(tǒng)計(jì)，氣象災(zāi)害大約占到各類自然災(zāi)害70%以上。我國(guó)每年受重大氣象災(zāi)害影響的人口可達(dá)4億人，造成的經(jīng)濟(jì)損失可以占到國(guó)民生產(chǎn)總值的1%～3%[1]。旱澇災(zāi)害是中國(guó)最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，它分布廣、發(fā)生頻率高，而且造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。研究表明：隨著全球變暖，中國(guó)旱澇氣候?yàn)?zāi)害的年際和年代際變化更加明顯[2]。

黃河三角洲是我國(guó)最后一個(gè)尚待開(kāi)發(fā)的大洋三角洲，它包括東營(yíng)、濱州兩地市的全部以及周圍自然環(huán)境條件相似的部分縣市。該地區(qū)降水量偏少，旱澇災(zāi)害是主要?dú)庀鬄?zāi)害之一，素有“十年九旱”之說(shuō)[3]。因此，分析該地區(qū)旱澇變化特征，可以為該地區(qū)抗?jié)撤篮怠⒎罏?zāi)減災(zāi)提供氣象學(xué)依據(jù)。

目前，評(píng)價(jià)某地區(qū)旱澇狀態(tài)的指標(biāo)主要包括降水距平百分率、綜合氣象干旱指數(shù)(CI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、Z指數(shù)、Palmer干旱指數(shù)等。很多學(xué)者對(duì)比了不同指數(shù)的應(yīng)用效果[4-12]，其中，標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)可以對(duì)不同時(shí)間和空間尺度的旱澇特征進(jìn)行比較，穩(wěn)定性較好，因此，許多學(xué)者采用SPI分析了各地干旱變化特征[13-17]。

由于東營(yíng)市、濱州市區(qū)域面積占黃河三角洲地區(qū)的絕大部分，本文以東營(yíng)、濱州兩市為例，分析黃河三角洲地區(qū)的SPI特征，以期為減輕該地區(qū)旱澇災(zāi)害損失、合理利用水資源提供氣象學(xué)依據(jù)。

1　基本方法和數(shù)據(jù)

1.1標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)

1993年McKee等[18]提出標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI，Standardized Precipitation Index)的概念。SPI的計(jì)算涉及到較復(fù)雜的Γ分布函數(shù)[19-20]。根據(jù)參考文獻(xiàn)[20]，把旱澇分成不同的嚴(yán)重程度等級(jí)(表1)。

表1SPI旱澇等級(jí)分類

SPI旱澇等級(jí)SPI≥2.00特澇1.50≤SPI<2.00重澇1.00≤SPI<1.50中澇0.50≤SPI<1.00輕澇-0.50

1.2資料來(lái)源

采用黃河三角洲地區(qū)11個(gè)縣(區(qū))氣象觀測(cè)站1981—2010年逐月降水資料。根據(jù)地理環(huán)境的不同，將全區(qū)分為3個(gè)區(qū)域：北部沿海(無(wú)棣、沾化、墾利)、中部平原(惠民、陽(yáng)信、濱城、東營(yíng)、利津)和南部丘陵(鄒平、博興、廣饒)。

2　黃河三角洲地區(qū)旱澇變化特征

2.1不同時(shí)間尺度的SPI比較

利用近30年黃河三角洲地區(qū)11個(gè)氣象觀測(cè)站的逐月降水?dāng)?shù)據(jù)，以1個(gè)月、3個(gè)月、12個(gè)月為時(shí)間尺度計(jì)算出SPI值，然后求得11個(gè)站SPI的算術(shù)平均值，以此代表整個(gè)地區(qū)的旱澇指數(shù)。從圖1可以看出，SPI(1個(gè)月、3個(gè)月)時(shí)間尺度較短，短時(shí)降水對(duì)其影響較大，旱澇轉(zhuǎn)換較頻繁和突然，說(shuō)明黃河三角洲地區(qū)中短期旱澇比較頻繁；而12個(gè)月的SPI，由于時(shí)間尺度較長(zhǎng)，響應(yīng)短期降水的速度明顯減慢，旱澇變化周期更長(zhǎng)，更加穩(wěn)定，出現(xiàn)極端旱澇的頻率較SPI(1個(gè)月、3個(gè)月)減少很明顯。

SPI(12個(gè)月)也可以反映旱澇的年際變化規(guī)律。從SPI(12個(gè)月)變化圖中可以看出，黃河三角洲地區(qū)在20世紀(jì)80年代干旱較為頻繁，90年代中后期和2002年以后則雨澇較為頻繁，其他時(shí)段則呈現(xiàn)出旱澇交替變化的趨勢(shì)。

圖1　黃河三角洲地區(qū)不同時(shí)間尺度SPI變化

2.2旱澇季節(jié)變化

研究表明[21]，分析季節(jié)干旱可以使用3個(gè)月時(shí)間尺度的SPI。基于黃河三角洲地區(qū)的氣候特點(diǎn)，分別用3—5月、6—8月、9—11月、12月—次年2月的SPI值，代表春、夏、秋、冬四季的SPI值。首先分析各季節(jié)SPI值的方差，代表各個(gè)季節(jié)的旱澇變化幅度。經(jīng)計(jì)算得出春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)方差分別為0.898，0.841，0.929，0.954，可見(jiàn)冬季旱澇變化幅度最大，秋季次之，夏季是最小的。

春季黃河三角洲地區(qū)旱澇呈現(xiàn)交替變化的特征。近30年春天干旱的年份有8次，其中1996年旱情最為嚴(yán)重，SPI達(dá)到-1.73；雨澇的年份為10次，其中2009年雨澇情況最嚴(yán)重，SPI達(dá)到1.76，其余12 a為正常年份。計(jì)算SPI線性傾向率為0.22/10 a，表明長(zhǎng)期來(lái)看，該地區(qū)春季降水呈增多趨勢(shì)，春旱將逐漸減輕。

夏季黃河三角洲地區(qū)旱澇變化特征為：1981—1993年干旱較為頻繁，90年代中期到20世紀(jì)末則洪澇較多，之后呈現(xiàn)出旱澇交替變化的特征。近30年雨澇年份為7次，其中1990年夏季降水最多，SPI值為1.93；干旱年份為9次，最旱年份為2002年，SPI值為-1.35；其余14 a為正常年份。夏季的SPI線性傾向率為0.21/10 a，表明長(zhǎng)期來(lái)看，黃河三角洲地區(qū)夏季多雨年呈增多趨勢(shì)。

秋季黃河三角洲地區(qū)旱澇變化特征為，在1995年以前旱澇交替出現(xiàn)，1995年以后則干旱出現(xiàn)比較頻繁。近30年秋季干旱年份為9次，其中2006年降水最少，SPI值為-1.77；雨澇的年份有10 a，其中降水最多為2003年，SPI值為2.44，為特澇；其余11 a為正常年份。秋季SPI線性傾向率為0.06/10 a，表明長(zhǎng)期來(lái)看，秋季多雨呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)不明顯。

黃河三角洲地區(qū)冬季旱澇呈現(xiàn)交替變化的特征。整個(gè)80年代和2002年以后在正常線上下波動(dòng)，變化較為平緩，其他時(shí)間變化幅度較大。冬季干旱年份為9次，1999年干旱最嚴(yán)重，SPI值達(dá)到-1.75；雨澇年份為4 a，是4個(gè)季節(jié)中最少的，表明該地區(qū)冬季最不容易出現(xiàn)強(qiáng)降水，最澇年份為1998年，為特澇；其他為正常年份。冬季SPI線性傾向率為0.15/10 a，表明冬季也是呈現(xiàn)降水增多趨勢(shì)。

圖2　黃河三角洲地區(qū)各季節(jié)SPI變化

2.3旱澇頻率變化

如圖3所示,黃河三角洲地區(qū)干旱發(fā)生頻率為23%～33%，雨澇發(fā)生頻率為20%～30%。其中6月、9月發(fā)生雨澇的頻率要大于干旱頻率，3月、4月、5月和10月表現(xiàn)為干旱頻率大于雨澇頻率，其余月份二者的頻率是持平的。各年代旱澇變化頻率分別為50%/10%(80年代)，30%/30%(90年代)，20%/40%(2001年以后)。可以看出，黃河三角洲地區(qū)近30年經(jīng)歷了一個(gè)由旱轉(zhuǎn)澇的變化過(guò)程，80年代旱情嚴(yán)重，90年代則旱澇持平，2001年以后則雨澇明顯多于干旱。

圖3　黃河三角洲地區(qū)各月及各年代旱澇頻率變化

2.4旱澇空間變化

計(jì)算各區(qū)域所含站點(diǎn)年尺度的SPI算術(shù)平均值，用以代表該區(qū)域的旱澇指數(shù)。從圖4可以看出，北部沿海、中部平原以及南部丘陵3個(gè)區(qū)域的旱澇變化基本趨于一致，20世紀(jì)80年代以干旱為主，90年代旱澇交替變化，21世紀(jì)初以干旱為主，2003年以后則以雨澇為主，3個(gè)區(qū)域均呈現(xiàn)多雨趨勢(shì)。其中在20世紀(jì)90年代初期，南部丘陵的旱澇變化幅度較其他兩個(gè)區(qū)域小，而在90年代中期，南部丘陵的旱澇變化幅度較其他兩個(gè)區(qū)域大。

圖4　黃河三角洲地區(qū)各區(qū)域12個(gè)月SPI時(shí)間序列

2.5旱澇變率的變化特征

參考Vicente等[22]表示變率的方法，計(jì)算SPI(12個(gè)月)的5年滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差，用其表示變率。把60個(gè)月的滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差值記作中間年月值，整個(gè)地區(qū)的平均變率用11個(gè)站滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差的算術(shù)平均值表示，各區(qū)域平均變率用該區(qū)域內(nèi)站點(diǎn)的滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差算術(shù)平均值代表。

從圖5可以看出，黃河三角洲地區(qū)在20世紀(jì)80年代末至90年代初旱澇變率最大，其次是21世紀(jì)00年代中前期，其他時(shí)間的變率相對(duì)較小。3個(gè)區(qū)域的變率總體上與整個(gè)地區(qū)一致，只是在80年代末至90年代初中部平原的變率明顯偏大，而在90年代末，南部丘陵的變率明顯偏小。

圖5　黃河三角洲全區(qū)及各區(qū)域12個(gè)月SPI5年滑動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)間序列

3　結(jié) 論

(1) 黃河三角洲地區(qū)在80年代干旱較為頻繁，90年代中后期和2002年以后則雨澇較為頻繁，其他時(shí)段則呈現(xiàn)出旱澇交替變化的趨勢(shì)。

(2) 黃河三角洲地區(qū)四季旱澇變化的特征不同。但從長(zhǎng)期趨勢(shì)來(lái)看，四季均表現(xiàn)出向雨澇方向發(fā)展的趨勢(shì)，表明該地區(qū)降水呈增多的趨勢(shì)。

(3) 黃河三角洲3個(gè)區(qū)域的旱澇變化基本趨于一致，20世紀(jì)80年代以干旱為主，90年代旱澇交替變化，21世紀(jì)初以干旱為主，2003年以后則以雨澇為主，3個(gè)區(qū)域均呈現(xiàn)多雨趨勢(shì)。其中在90年代初期，南部丘陵的旱澇變化幅度較其他兩個(gè)區(qū)域小，而在90年代中期，南部丘陵的旱澇變化幅度較其他兩個(gè)區(qū)域大。

(4) 黃河三角洲地區(qū)在80年代末至90年代初旱澇變率最大，其次是21世紀(jì)00年代中前期，其他時(shí)間變率較小。3個(gè)區(qū)域的變率總體上與整個(gè)地區(qū)一致，只是在80年代末至90年代初中部平原的變率明顯偏大，而在90年代末，南部丘陵的變率明顯偏小。由于SPI只考慮了降水因素，因此使用SPI進(jìn)行旱澇分析必須因地制宜。另外，由于短時(shí)強(qiáng)降水屬于小尺度天氣，其范圍經(jīng)常只有幾千米到幾十千米，經(jīng)常造成局地旱澇，因此，必須選擇合理的空間尺度來(lái)分析旱澇變化。以上因素對(duì)于旱澇的影響都有待于以后進(jìn)一步論證。

[1]劉彤,閆天池.我國(guó)的主要?dú)庀鬄?zāi)害及其經(jīng)濟(jì)損失[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2011,20(2):90-95.

[2]黃榮輝,杜振彩.全球變暖背景下中國(guó)旱澇氣候?yàn)?zāi)害的演變特征及趨勢(shì)[J],自然雜志,2010,32(4):187-195.

[3]程相坤,顧潤(rùn)源.黃河三角洲地區(qū)的氣象災(zāi)害及其防御措施[J].山東氣象,1995,15(1):37-39.

[4]吳哲紅,詹沛剛,陳貞宏,等.3種干旱指數(shù)對(duì)貴州省安順市歷史罕見(jiàn)干旱的評(píng)估分析[J].干旱氣象,2012,30(3):315-322.

[5]茅海詳,王文.中國(guó)南方地區(qū)近50 a夏季干旱時(shí)空分布特征[J].干旱氣象,2011,29(3):283-288.

[6]王勁松,李耀輝,王潤(rùn)元,等.我國(guó)氣象干旱研究進(jìn)展評(píng)述[J].干旱氣象,2012,30(4):497-508.

[7]陸桂榮,鄭美琴,周秀君,等.山東日照市2種干旱指標(biāo)的應(yīng)用對(duì)比[J].干旱氣象,2010,28(1):102-106.

[8]程建業(yè),任曉霞,趙晉,等.山西朔州市近55 a氣象干旱趨勢(shì)及防御措施[J].干旱氣象,2012,30(3):327-331.

[9]徐巧芝,郭汝軍,丁文榮.滇中地區(qū)降水特征與變化趨勢(shì)研究[J].水土保持研究,2013,20(5),155-159.

[10]李維京,趙振國(guó),李想,等.中國(guó)北方干旱的氣候特征及其成因的初步研究[J].干旱氣象,2003,21(4):1-5.

[11]楊絢,李棟梁.中國(guó)干旱氣候分區(qū)及其降水量變化特征[J].干旱氣象,2008,26(2):17-24.

[12]李樹(shù)巖,劉榮花,師麗魁,等.基于CI指數(shù)的河南省近40 a干旱特征分析[J].干旱氣象,2009,27(2):97-102.

[13]薛德強(qiáng),王建國(guó),王興堂,等.山東省的干旱化特征分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2007,16(3):60-65.

[14]張磊,潘婕,陶生才,等.基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的近51 a山東省臨沂市旱澇時(shí)空特征[J].干旱氣象,2013,31(4):695-701.

[15]車少靜,李春強(qiáng),申雙和.基于SPI的近41年(1935—2005)河北省旱澇時(shí)空特征分析[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2010,31(1):137-143.

[16]杜華明,賀勝英.岷江流域降水特征與旱澇災(zāi)害趨勢(shì)分析[J].水土保持研究,2015,22(1),153-157.

[17]李偉光,陳匯林,朱乃海,等.標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)在海南島干旱監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2009,17(1):178-182.

[18]McKee T B, Doesken N J, Kleist J. The relationship of drought frequency and duration to time scales[R]. California: Proceedings of the 8th Conference on Applied Climatology,1993.

[19]袁文平,周廣勝.標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)和Z指數(shù)在我國(guó)應(yīng)用的對(duì)比分析[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2004,28(4):523-529.

[20]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).氣象干旱等級(jí)GB/T20481—2006[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

[21]黃晚華,楊曉光,李茂松,等.基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的中國(guó)南方季節(jié)性干旱近58 a演變特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(7):50-59.

[22]Vicente-Serrano S M, Cuadrat-Prats J M. Trends in drought intensity and variability in the middle Ebro valley (NE of the Iberian peninsula) during the second half of the twentieth century[J]. Theoretical and Applied Climatology,2007,88(3/4):247-258.

Spatiotemporal Characteristics of Drought/Flood in the Yellow River Delta Based on SPI in Recent 30 Years

REN Jiancheng1,2, GONG Zaiwu1, ZHENG Baozhi2

(1.SchoolofPublicAdministration,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China; 2.BinzhouMeteorologicalBureau,Binzhou,Shandong256600,China)

Based on the monthly precipitation data in the Yellow River Delta area during the period from 1981 to 2010 and the standardized precipitation index (SPI), the spatiotemporal character of drought and flood in the area was analyzed. The results showed that drought was frequent in the Yellow River Delta in the 1980s, and the flood was frequent in later 1990s and after 2002, a trend of alternating droughts and floods presented in the other periods; with regard to the characteristics of the 4-quarter change of drought and waterlogging in the Yellow River Delta area, from the long-term trend, the 4-quarter showed the trend to the development of flood; drought and flood change characteristics of the Yellow River Delta were basically the same, and showed the rainy trend, but there were subtle differences in changes of drought and flood; the greatest variation of flood and drought was observed in the Yellow River Delta in early 1990s and in the later 1980s, followed by the early 2000s, rate of change was small in the rest periods, the change rate of overall and regional change rate were consistent in general.

drought/flood; spatiotemporal characteristics; standardized precipitation index (SPI); Yellow River Delta

2015-08-14

2015-08-25

中國(guó)教師發(fā)展基金會(huì)校本科研專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目“校本科研引領(lǐng)和促進(jìn)基礎(chǔ)教育質(zhì)量提升的研究”(FHB110083)

任建成(1984—),男,山東濰坊人,碩士研究生,工程師,主要從事中短期預(yù)報(bào)、人工影響天氣研究。E-mail:19129512@qq.com

鞏在武(1975—),男,山東臨沂人,博士后,教授,主要從事模糊決策理論、灰色系統(tǒng)理論研究。E-mail: zwgong26@163.com

P426.61

A

1005-3409(2016)01-0268-04