基于SPEI的丹東市洪澇規律分析

宋永華

(遼寧省東港市水利勘測設計院，東港 118300)

丹東市(123°22′E～125°42′E，39°43′N～41°09′N)地處遼寧東南部，東與朝鮮隔江相望。東西橫跨196km，南北縱距160km，海岸線總長120km。年平均氣溫6～9℃，是遼寧乃至東北地區最大的雨量中心。丹東市屬暖溫帶亞濕潤季風型氣候，逐年間季風的不穩定性造成了其旱澇的頻繁發生，嚴重影響了農業生產的發展。丹東市年平均降水量在800～1200mm，其中2/3的降水集中于夏季，7月中旬至8月中旬是暴雨集中期。因此，汛期的防汛抗澇工作十分重要。

目前有許多研究旱澇規律的指標，其中SPEI指數(即標準化降水蒸散指數)基于降水和蒸散兩種變量，既考慮了水分平衡對旱澇的影響，具有對溫度敏感的特點，又適合多尺度、多空間比較。由于對降水和蒸發的差值進行了標準化，SPEI指數更適合不同季節和地區之間干旱化程度的比較。因此SPEI特別適于檢測和監測全球變暖背景下干旱的變化特征。本文利用SPEI指數研究丹東市近57年的洪澇災害，分析其發生規律和趨勢，并做出預測，為防洪減災和該區域農業生產提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

氣象數據是由中國氣象局氣象信息中心提供。本文選取了丹東市內丹東(40°17′N，123°17′E，79.8m)、寬甸(40°43′N，123°47′E，260.1m)、岫巖(40°03′N，124°20′E，13.8m)等3個站點的氣象數據，取三個站點的平均數據代表丹東市的氣象資料。資料起始時間為1960年1月，終止時間為2016年12月，包括每日最低、平均和最高氣溫，相對濕度，風速(10m高度)，日照時數，蒸發量和降雨量等數據。

1.2 SPEI指數

SPEI計算過程如下：

首先采用Penman- Monteith方法計算騰發量(ET0)：

(1)

式中，ET0—騰發量，mm/d；T—平均溫度，℃；Δ—溫度～飽和水汽壓關系曲線在T處的切線斜率，kPa/℃；Rn—凈輻射，MJ/m2·d；G—土壤熱通量，MJ/m2·d，γ—濕度表常數，kPa/℃；μ2—距離地面2m高處風速，m/s；ea—飽和水汽壓，kPa；ed—實際水汽壓，kPa。

第二步：計算逐月降雨量與蒸散量的差值：

Di=Pi-ETi

(2)

式中，Di—降水量與蒸散量的差值；Pi—月降水量,mm；ETi—月騰發量。

第三步：利用三個參數的log- logistic概率分布對降水量與蒸散量的差值Di正態化處理，求得相應每一個數值的SPEI指數：

(3)

式中，F(x)—概率密度函數；x—概率密度函數自變量；α，β，γ—參數。

第四步：對累積概率密度進行標準化：

P=1-F(x)

(4)

當累積概率P≤0.5時：

(5)

(6)

式中，c0，c1，c2，d1，d2，d3—參數。

當P>0.5時：

P=1-P

(7)

(8)

1.3 SPEI指數洪澇等級劃分

本文根據相關研究，將洪澇程度劃分為4個等級，見表1。SPEI指數具有多尺度分析的特點，SPEI時間尺度是前期影響時長(月)的表達，尺度為1、3、12時，表示考慮前期影響期為1個月、3個月、12個月。本文以12月份的SPEI- 12值代表該年度的洪澇強度。采用5月份、8月份、11月份和2月份的SPEI分別研究春季、夏季、秋夏和冬季的洪澇情況。

表1 洪澇等級SPEI值劃分標準

2 結果與分析

2.1 年代際洪澇災害頻率

丹東市年代際洪澇災害頻率情況見表2。從1970年以后，重澇及以上的頻率逐年增加，由1970年后的2.5%增加到2010年后的10.71%。從各類洪澇頻率總和看，1970～1979年是洪澇發生最少的年代，為25%，而2010年后洪澇頻率為39.29%，洪澇災害頻率明顯增加，尤其以重澇及以上較為頻發。

2.2 M-K檢驗

洪澇強度變化趨勢及顯著性水平檢驗采用氣象學中常用的Mann-Kendall檢驗(簡稱M-K檢驗)。M-K檢驗是一種用于檢驗時間序列變化趨勢的非參數檢驗方法，其中M-K突變檢驗統計量U>0，表示時間序列為上升趨勢；U<0，表示時間序列為下降趨勢。當|U|>1.645，通過0.05顯著性水平檢驗；|U|>1.96，通過0.01顯著性水平檢驗。四季M-K突變檢驗結果見圖1。春季MK突變檢驗表明，UF線未超過0.05顯著水平線，UF線先上升再下降，再上升，兩個突變點分別在在1970年和1999年，總體來看在丹東市春季趨向不顯著濕潤發展。夏季MK突變檢驗表明，UF線在1975～1984年、1991～1995年和2000～2011年呈現顯著干旱化趨勢，其余時間段均為不顯著干旱化趨勢。UF線先上升后下降，突變點在1968年，從整體來看，夏季SPEI趨向干旱化發展。秋季MK突變檢驗表明，UF線在1966～1971年間超出0.05顯著性水平線，該階段秋季SPEI表現為顯著干旱化趨勢，UF曲線先上升后下降再上升再下降，突變點發生在1973年、1980年、1985年和1995年。秋季SPEI值旱澇變化趨勢不明顯。冬季MK突變檢驗表明，UF線在1974～1979年呈現顯著干旱化趨勢，冬季整體較為干旱，突變點發生在2010年，自2010年開始向不顯著濕潤化發展。

表2 丹東市年代際洪澇災害頻率

圖1 丹東市近57年四季SPEI的M-K突變檢驗

MK趨勢檢驗結果見表3。氣候傾向率指標均為不顯著。日平均氣溫按照0.2341℃/10a的速率逐年增加，月總降水量按0.3594mm/10a速率逐年增加，月總ET0卻在按0.2368mm/10a速率逐年降低，SPEI值按0.0227/10a速率逐年增加。說明丹東市逐年向濕潤化發展，SPEI值的逐年增加原因在于其降水量在不斷增加的同時，ET0反而在不斷下降。

表3 氣候傾向率MK趨勢檢驗

2.3 不同時間尺度SPEI值洪澇分析

月、季、年尺度下SPEI見圖2。最澇年為1964年，該年度為特澇年，其SPEI值為2.14，1985年為重澇年，2012年、2013年和2012年為中澇年，可見洪澇發生較為頻繁的年份集中在2010年后。洪澇最為嚴重的季度為1992年秋季，洪澇強度達到2.17，1964年夏季、2012年秋季、1985年夏季洪澇強度較高?？梢姡|市最容易發生洪澇的季節為秋季和夏季。月值SPEI表明最澇月份為2007年3月，洪澇強度為2.58，1964年1月、1992年9月、1979年6月、1992年12月以及2016年5月，其SPEI值均高于2.0，均為特澇月份。

圖2 不同時間尺度下SPEI值

2.4 未來5年洪澇情況預測

氣象研究中常用馬爾柯夫鏈模型預測洪澇時間序列，它能反映洪澇情況隨機過程的動態變化趨勢。馬爾柯夫鏈模型具有無后效性的特征，即某一年的狀態只與前一年(或最近幾年)的狀態及狀態變化有關，與更前面的年份關聯較弱[15]。表4為根據1960～2015年的SPEI值，對2017～2021年做了洪澇情況預測。2017年發生洪澇的概率為35.14%，2018～2021年發生洪澇災害的概率均為32%左右，2017年發生特澇的幾率為0。2017年發生重澇以上的概率為2.7%，2018年發生重澇以上的概率為3.92%，而2019～2021年重澇及以上發生的幾率均在3.6%左右。

表4 馬爾柯夫預測旱澇概率(2017～2021年)

2.5 洪澇特征結果分析

本文基于丹東市三個氣象站點的氣象資料，通過氣象研究方面廣泛應用的SPEI指數，對丹東市近57年的洪澇特征進行分析。主要結果有：

(1)從1970年以后，丹東市重澇及以上的頻率逐年增加，2010年后洪澇災害頻率明顯增加，頻率為39.29%。

(2)丹東市春季SPEI趨向不顯著濕潤發展，夏季SPEI趨向干旱化發展，秋季SPEI值旱澇變化趨勢不明顯，冬季自2010年開始向不顯著濕潤化發展。

(3)最澇年為1964年，洪澇發生較為頻繁的年份集中在2010年后。洪澇最為嚴重的季度為1992年秋季，丹東市最容易發生洪澇的季節為秋季和夏季。月值SPEI表明最澇月份為2007年3月，洪澇強度為2.58。

(4)丹東市逐年向濕潤化發展，SPEI值的逐年增加的原因在于其降水量在不斷增加的同時，ET0反而在不斷下降。

(5)預測得到2017年發生洪澇的概率為35.14%，2018～2021年發生洪澇災害的概率均為32%左右。

3 結語

丹東市冬春季節趨向濕潤發展。近57年內最澇年為1964年，洪澇發生較為頻繁的年份集中在2010年以后。丹東市SPEI值的逐年增加，向濕潤化發展，原因在于其降水量在不斷增加的同時，ET0反而在不斷下降。預測表明近幾年洪澇災害頻率較大，建議農業部門做好防范。

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