1955－2015年鄭州夏季旱澇急轉特征分析

彭高輝 秦琳琳 馬建琴 黃孟亞

摘要：根據鄭州1955-2015年逐月降水數據，結合長、短周期旱澇急轉指數、線性傾向估計及Mann-Kendall突變檢驗等數學模型，對鄭州年降水特征以及6月-9月份旱澇急轉演變規律進行研究。結果表明：鄭州的年降水量總體以-7.87 mm/（10a）的速率下降;鄭州地區的長周期旱澇急轉指數（LDFAI）趨勢變化不明顯，但LDFAI強度呈階段性變化特征，存在2個偏強期和2個偏弱期，其中LDFAI強度大于1占37.7%，旱澇急轉比較頻繁;各相鄰月之間的短周期旱澇急轉指數SDFAI曲線振蕩最頻繁的是6月-7月，7月-8月次之，8月-9月指數變化平緩。總體來說，LDFAI的澇轉旱的強度比旱轉澇強，長、短周期旱澇急轉現象均呈現減弱趨勢。

關鍵詞：降水;旱澇急轉;趨勢分析;Mann-Kendall檢驗

中圖分類號：P426文獻標志碼：A

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：[TP彭高暉.TIF]

Analysis of drought-flood abrupt alternation in Zhengzhou during summer in 1955-2015

PENG Gaohui.1，QIN Linlin.1，MA Jianqin.2，HUANG Mengya.1

（1.School of Mathematics and Statistics，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China;2.School of Water Conservancy，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China）

Abstract：Based on the monthly precipitation data of Zhengzhou meteorological station from 1955 to 2015，using long-and short-cycle drought-flood abrupt alternation index，Linear Tendency Estimation，Mann-Kendall test and other mathematical models，we analyzed the annual precipitation and the evolution of drought-flood during June to September in Zhengzhou.The results were as follows：The annual precipitation significantly decreased at a rate of -7.87 mm/（10a）.The change trend of the LDFAI in Zhengzhou was not obvious，but the intensity of LDFAI exhibited periodic changes，including two strong and two weak periods.The intensity of LDFAI greater than 1 accounted for 37.7% in the recent 61 years，which meant drought-flood abrupt alternation occurred frequently.The short-cycle drought-flood abrupt alternation index between adjacent months had the most frequent fluctuation from June to July，the second most from July to August，and it leveled off from August to September.In general，the intensity of long-cycle flood-to-drought transition was generally stronger than that of drought-to-flood transition.Both long-and short-cycle drought-flood abrupt alternation phenomena showed a trend of decline.

Key words：precipitation;drought-flood abrupt alternation;trend analysis;Mann-Kendall test

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告中指出[1]，1951-2012年全球溫度以0.12 ℃/（10a）的速率上升，由于氣候變暖導致極端氣候事件發生的頻率、強度均出現變化，其中，干旱和洪澇災害是最為突出的兩類極端氣候事件[2-3]。近年來，鄭州的強降水異常氣候事件不斷增多，學者對該地區的降水情況也作了研究，劉德林[4]分析了近60年鄭州年降水的變化特征，結果顯示，年降水量呈增加趨勢，且年內分配非常不均勻;崔燦[5]對鄭州2012年8月20日的暴雨過程進行分析，得出暴雨形成的過程以及其集中的區域;王紀軍等[6]基于1955-2011年鄭州市的逐分降水資料，對場次降水量的分布特征進行分析。除此之外，羅浩[7]、史本林[8-9]分別對河南的旱澇災害、以及干旱情況作研究，結果顯示，河南省整體呈干旱加劇、洪澇減弱的趨勢。在這種背景下，鄭州市作為黃河流域中下游的平原腹地，起著承東啟西的重要作用，研究該區旱澇急轉特征對整個中原城市群的旱澇急轉情況具有十分典型的意義。

旱澇急轉[10]指在研究時期內，一段時間發生干旱，一段時間發生洪澇，旱澇交替出現的情形。目前，國內已經有很多學者對旱澇急轉現象作了相關研究，但對季節內旱澇急轉情況的研究較少，WU Zhiwei等[11-12]基于長周期旱澇急轉指數對1957-2000年長江中下游地區進行分析;何慧等[13]采用長周期旱澇急轉指數研究了1961-2014年華南地區夏季旱澇急轉的演變規律;張水峰等[14]利用旱澇急轉指數對淮河流域旱澇急轉特征進行了研究。從上述文獻來看，他們僅結合流域的平均降水量來分析整個流域旱澇急轉特征，研究區域較寬泛，且未從多時間尺度對研究區的旱澇急轉情況進行對比分析。鑒于此，本文根據鄭州1955-2015年逐月降水資料，利用長、短周期旱澇急轉指數，從典型的旱澇急轉年、旱澇急轉強度以及其時間變化這三方面著手，系統地研究鄭州旱澇急轉的特征，力求為旱澇趨勢預測工作積累經驗，進一步為城市防災、減災工作提供理論參考和數據支持。

1資料與研究方法

1.1資料來源

數據資料來源于中國氣象數據共享網[15]。考慮到數據資料的完整性，本文選取1955-2015年鄭州氣象站為研究對象，并將其逐日的降水整理成逐月降水量。圖1為鄭州氣象站的地理分布圖。

1.2分析方法

統計鄭州近61年來各月的降水量情況，得出6月-9月份的降水量占全年降水的65.7%，且旱澇急轉事件多發生在此時間段，本文選用這四個月作為研究對象，即，以6月-9月的降水量來表示夏季的降水量。為了消除量綱對實驗結果造成的影響，先將6月-9月的降水量進行標準化處理，再根據文獻[13-14]中定義的長、短周期旱澇急轉指數，來分析鄭州旱澇急轉的特征。

長周期旱澇急轉是指6月-7月旱，8月-9月澇，稱為“旱轉澇”，反之，則為“澇轉旱”。短周期旱澇急轉指的是相鄰月份，一個月份為旱，另一個月份為澇，稱其為“旱轉澇”，反之，則為“澇轉旱”。即，長周期的變化時間尺度為2個月，短周期則以月為單位。

（1）降水量標準化處理。

式中：R為標準化降水;Xi為降水量（mm）;[AKX-]為降水量的均值（mm）。

（2）長周期旱澇急轉指數。

ILDFA=（R89-R67）×（|R89|+|R67|）×1.8-|R67+R89|（2）

式中：ILDFA為長周期旱澇急轉指數;R67、R89依次為6月-7月、8月-9月標準化降水量;（R89-R67）表示旱澇急轉強度項;（|R67|+|R89|）表示旱澇強度項;1.8.-|R67+R89|為權重系數;其作用是增加旱澇急轉事件所占權重，降低全旱或全澇事件權重[12-14]。

（3）短周期旱澇急轉指數。

ISDFA=（Rj-Ri）×（|Ri|+|Rj|）×3.2.-|Ri+Rj|，j=i+1（i=6，7，8）（3）

式中：ISDFA為短周期旱澇急轉指數;3.2.-|Ri+Rj|為權重系數。依據權重系數再計算6月-7月、7月-8月、8月-9月的月間旱澇急轉指數。

（4）Mann-Kendall突變檢驗[16-17]。

Mann-Kendall檢驗法適用于水文、氣象等非正態分布的數據，該方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，廣泛應用突變檢驗，特別是旱澇突變中。設氣候序列為{Xn}，Sk[WTBX]表示第i個樣本Xi>Xj（1≤j≤i）的累計數，定義統計量

Sk=∑[DD（]k[WTBX][]i=1[DD）]ri，ri=[JB（{]1Xi>Xj0Xi≤Xj[JB）]

在序列隨機獨立的假定下，Sk[WTBX]的均值和方差分別為

E（Sk）=k（k-1）/4，

將新序列Sk[WTBX]標準化得：

其中：UF1=0。給定顯著水平α，若|UFk[WTBX]|>Uα，則表明序列存在明顯的趨勢變化。將此方法引用到反序列{xn}，即，{xn}={Xn，…，X2，X1}。再進行類似的運算，有新的序列UFk[WTBX]′，則反序列的UBk[WTBX]由下式給出：

其中：UB1=0。給出曲線UFk[WTBX]，UBk的曲線圖，如果兩曲線相交，只有一個交點，且位于顯著性水平范圍之內，則認為該交叉點為突變點，反之，不能確定對應兩序列的交叉點是否存在突變[17]。

2鄭州市旱澇急轉規律與分析[HJ1.85mm]

2.1長周期旱澇急轉指數時間演變特征

2.1.1典型年份旱澇急轉

根據式（2），統計出鄭州長周期旱澇急轉指數，再選取最高（低）的LDFAI年，見表1。由表1可知：高LDFAI年中，6月-7月的標準降水量均低于8月-9月，即6月-7月到8月-9月的降水量有增加趨勢;高LDFAI年中6月-7月的標準化降水量均小于-0.5，其中有5 年小于-1，說明高LDFAI年里有5年顯著偏旱;而8月-9月的標準化降水量均大于0.5，且有3年大于1，說明其顯著偏澇。同理，可以得到低LDFAI的旱澇情況。即高LDFAI對應著“旱轉澇”，低LDFAI對應著“澇轉旱”。

根據上述分析結果，在夏季LDFAI中選出指數大于1的年份為典型旱轉澇事件，小于-1的年份為典型澇轉旱事件。故，典型的旱轉澇年有1962、1969、1974、1975、1985、2011年，典型的澇轉旱年有1957、1971、1973、1978、1994、2008年。其中，在低LDFAI年中，1973年的8月-9月份為-0.22，沒有達到-0.5個標準差，但是其6月-7月份為1.85，比較接近2倍標準差，差距異常明顯，故將其選為旱轉澇年。

2.1.2旱澇急轉指數的時間變化

夏季LDFAI可以反映研究區域是“旱轉澇”，還是“澇轉旱”的過程，但是，在一定程度上未能反映旱澇急轉的強度，因此，為了更好地反映旱澇急轉的強度變化，對LDFAI取絕對值，并繪制出1955-2015年鄭州夏季LDFAI、旱澇急轉強度的年際變化圖以及Mann-Kendall突變檢驗趨勢圖（見圖2）。由圖2（a）可以看出，1955-1985年期間發生5次典型旱轉澇，4次典型澇轉旱，發生旱澇急轉事件的頻率為3.44 a /次;1986-2015年期間發生1次典型旱轉澇，2次典型澇轉旱，發生旱澇急轉事件的頻率為10 a /次;觀察趨勢線可知，鄭州夏季LDFAI以-0.058/（10a）的速率下降，LDFAI正值最大的是1955年，為8.33;負值最小的是1971年，為-5.65;2009-2012年LDFAI均為正值且波動幅度明顯，表明旱轉澇的趨勢增強。總體來看，夏季鄭州的LDFAI以-0.058/（10a）的速率下降，表明該研究區域旱澇急轉現象由旱轉澇變成澇轉旱為主導。

觀察圖2（c），夏季LDFAI強度序列以-0.137/（10a）的速率下降，表示旱澇轉換強度減弱。在近61年內，鄭州夏季LDFAI強度序列呈現顯著的階段性，1964-1971年、1996-2015年為相對偏弱期;1955-1963年與1972-1995年為偏強期，其中，1955年、1971年旱澇急轉情況比較嚴重。結合圖2（a）、2（c）中LDFAI偏高（低）的年份看，鄭州澇轉旱較強，這表明研究區域一旦出現旱澇急轉異常年，其澇轉旱強度比旱轉澇強。

圖2（b）、圖2（d）依次為夏季LDFAI以及強度的Mann-Kendall突變檢驗。從圖2（b）可以得出，61年內，夏季LDFAI序列的正序列曲線UF在1977-1985年、2008-2015年表現為正值，表明夏季LDFAI兩個階段呈上升趨勢，其中UF值、UB值均未超過α=0.05顯著性水平信度線，表明趨勢變化并不顯著;曲線UF、UB在臨界線內的交叉點比較多，故夏季LDFAI沒有發生年代際突變。從圖2（d）來看，夏季LDFAI強度在1985-2003年呈上升趨勢，其余階段呈下降趨勢，且其趨勢不顯。整體來看，LDFAI強度由強變弱的趨勢并不顯著，圖2（c）也證實了這個結論。

2.2短周期旱澇急轉指數時間演變特征

2.2.1典型年份旱澇急轉

根據式（3），統計出鄭州短周期旱澇急轉指數，再選取最高（低）的SDFAI 年（見表2）。由表可知：高SDFAI年中，7、8、9 月標準化降水量均高于相應6、7、8 月的，而低SDFAI年的情況則相反。高SDFAI年中6月份的標準化降水量均大于-0.5，8月份的標準化降水量在0.5之上，其中有2年大于2，為2.1、2.05，說明這幾年顯著偏澇。同理，可以得到低SDFAI年的旱澇情況。所以上述數據可以反應鄭州6月-7月、7月-8月、8月-9月旱澇急轉的變化。

和長周期典型旱澇年選擇類似，得出典型的旱轉澇年：6月-7月有1964年、1973年、1999年、2008年;7月-8月有1962年、1963年、2003年、2012年;8月-9月有1961年、1972年、2014年。典型的澇轉旱年有：6月-7月有1963年、1987年、2015年;7月-8月有1977年、1978年;8月-9月有1956年、1958年、1998年、2007年。其中2003年7月份的標準化降水量為-0.41，低于0.5個標準差，但其8月份的為2.05，高于2個標準差，兩者的差距異常明顯，故將其選為旱轉澇年。

2.2.2旱澇急轉的時間變化

繪制出鄭州夏季短周期旱澇急轉指數的趨勢圖，見圖3。結果顯示，6月-7月SDFAI振蕩較為頻繁且更為劇烈;7月-8月SDFAI變化幅度次之;8月-9月的SDFAI指數變化在1962-1997年一直比較平穩（旱澇急轉現象非常少），僅在1956、1961以及2007[HJ2.2mm]年發生了更為明顯的震蕩;鄭州各月份發生短周期旱澇急轉事件的頻率依次為4.36 a /次、4.69 a/次、6.78 a /次，這表明：短周期旱澇急轉現象隨著月份的遞增而遞減。總體來看，在1955-1965年期間6月-7月、7月-8月、8月-9月旱澇急轉指數變化幅度較明顯，且1963年鄭州6月-7月份SDFAI的值為-5.37，7月-8月SDFAI的值為4.91，即這一年旱澇急轉現象比較嚴重（6月-7月發生“澇轉旱”，7月-8月發生“旱轉澇”）。結合時序列圖變化情況可以得出，近61年，鄭州夏季短周期旱澇急轉主要以“澇轉旱”為主，且強度呈減弱趨勢，此研究結果與長周期尺度的旱澇急轉一致。

3結論

由于城市化、城市下墊面的快速推進改變，導致旱澇災害發生的頻率增加。針對這一問題，本文用LDFAI以及SDFAI，詳細研究了鄭州旱澇急轉的特征，得出如下結論。

（1） 夏季長、短周期旱澇急轉指數可以很好地反映鄭州6月-9月降水變化分布的特征。

（2） 1955-2015年，鄭州旱澇急轉事件發生的頻率為5.08 a /次;且夏季LDFAI以-0.058/10a的速率下降，即發生旱轉澇事件的可能性降低，但夏季LDFAI強度呈現顯著的階段性，1964-1971年、1996-2015年為相對偏弱期;1922-1963年、1972-1995年為相對偏強期。M-K突變檢驗表明，鄭州夏季旱澇急轉指數以及急轉強度的變化均不顯著，且其突變的時間點都在20世紀60年代初。

（3） 鄭州夏季6月-7月SDFAI振蕩較為頻繁，7月-8月SDFAI次之，8月-9月指數變化較平緩，這表明：旱澇急轉現象隨著月份的遞增而遞減。鄭州夏季短周期旱澇急轉事件以“澇轉旱”為主，急轉的強度呈現出減弱的趨勢。

本文僅從降水的角度，分析鄭州旱澇急轉的變化特征，具有一定的研究意義，但未考慮溫度、大氣環流、南支槽等其他因素的約束，后續將結合多因素對研究區域旱澇急轉的規律作進一步的探討、分析。

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