淮河流域夏季旱澇前兆信號及預(yù)測

符芳兵， 薛聯(lián)青， 任 磊

(河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院， 江蘇 南京 210098)

1 研究背景

全球氣候變暖會導(dǎo)致氣象災(zāi)害的增加，如干旱、洪水、極端氣溫等[1]，某些地區(qū)更容易出現(xiàn)干旱和洪澇，尤其是北半球中高緯度的環(huán)球災(zāi)害帶[2-3]。旱澇影響范圍廣，對人類生活威脅性大，世界各地對其風(fēng)險管理問題高度關(guān)注，而旱澇的識別和早期預(yù)警是其首要任務(wù)之一[4]。在我國，華東和華中地區(qū)的旱澇受災(zāi)程度分別位居第一和第二[5]，而淮河流域是我國南北氣候的過渡帶，在黃河奪淮的影響下，旱澇頻繁[6]，易發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)事件[7]。因此，對該流域開展旱澇發(fā)生規(guī)律的識別以及前兆信號的研究，對確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全、減小氣象災(zāi)害的影響以及保障人民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展，實現(xiàn)人與自然的和諧發(fā)展有重要的意義。

眾多學(xué)者研究表明海溫和大氣環(huán)流與旱澇有密切的關(guān)系，他們已經(jīng)對我國華北和南方地區(qū)旱澇的氣候背景特征及前兆信號進(jìn)行了分析研究。例如，彭瑞等[8]討論了西江流域夏季嚴(yán)重旱澇的氣候背景及前兆強(qiáng)信號；周晉紅等[9]探討了山西春季降水與500 hPa環(huán)流場及太平洋海溫場的異常關(guān)系；吳瑤[10]通過波包傳播診斷(WPD)、EEOF、相關(guān)系數(shù)等方法對西南地區(qū)連旱事件的前兆信號進(jìn)行了研究；王春學(xué)等[11]采用多錐度-奇異值分解等方法，研究了四川盆地區(qū)域性暴雨的時空變化特征，并對其前兆信號進(jìn)行了初步探討。他們大部分都選取了典型旱澇年份，分析同期海溫和大氣環(huán)流異常變化劇烈的區(qū)域，作為旱澇的前兆信號，很少從時間尺度上考慮旱澇發(fā)生前期降水與海溫、大氣環(huán)流變化的相關(guān)關(guān)系，也很少建立前兆信號與旱澇關(guān)系模型，因此難以進(jìn)行旱澇的預(yù)測。

本文以旱澇頻發(fā)的淮河流域為研究對象，采用改進(jìn)的Z指數(shù)法，識別流域夏季旱澇，劃分災(zāi)害等級，分析其時空變化規(guī)律和周期特征；計算研究區(qū)域50年來降水與北太平洋海溫、大氣環(huán)流變化的相關(guān)系數(shù)，從時空角度找出旱澇前兆信號出現(xiàn)的時間和地點；以這些前兆信號作為預(yù)測因子，利用逐步回歸法建立旱澇指標(biāo)值與預(yù)測因子的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行旱澇指標(biāo)值的預(yù)測。

2 資料及方法

2.1 研究區(qū)域概況

淮河流域地處中國東部，介于東經(jīng)111°55′～121°25′、北緯30°55′～36°36′之間，跨河南、湖北、安徽、江蘇、山東五省，總面積約27×104km2。地形大體由西北向東南傾斜，流域西、南、東北部為山區(qū)和丘陵區(qū)，約占總面積的1/3，其余為平原、湖泊和洼地，約占2/3[12]。流域位于中國南北氣候過渡帶，屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫在11-16℃，受特殊的地理位置和氣候要素影響，旱澇頻繁[7]。1949年至今，淮河流域在全流域或局部流域尺度上發(fā)生過洪澇災(zāi)害10 多次，多年發(fā)生嚴(yán)重干旱，給人民生命財產(chǎn)安全造成了巨大的損失[13]。通過對降水資料的分析對比，選取了研究區(qū)域28個氣象站點，區(qū)域范圍與氣象站點分布見圖1。

圖1 淮河流域氣象站點及水系分布圖

2.2 數(shù)據(jù)來源

(1)氣象資料來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)，選取了淮河流域28個氣象站1968-2017年夏季(6、7、8月)的逐日降水資料。為保證資料的可靠性，在進(jìn)行計算之前對其進(jìn)行處理，包括缺測值的補(bǔ)全、異常值的剔除等。

(2)海溫和500 hPa位勢高度數(shù)據(jù)來源于美國國家海洋和大氣管理局。其中海溫數(shù)據(jù)集(COBE SST2 and Sea-Ice)為全球范圍1°×1°格點的海溫，截取了北太平洋地區(qū)的數(shù)據(jù)。全球氣壓位勢高度數(shù)據(jù)集(NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù))精度為2.5°×2.5°，包括17個氣壓水平的位勢高度，選取了歐亞大陸范圍內(nèi)的500 hPa氣壓對應(yīng)的位勢高度。

2.3 改進(jìn)的旱澇評估方法

日降水量在時間上不服從正態(tài)分布，而采用服從PersonⅢ型正態(tài)分布的Z指數(shù)方法來擬合降水量，能得到較好的結(jié)果[14]。Z指數(shù)的大小可以反映旱澇的嚴(yán)重程度，但淮河流域范圍較大，包含28個站點，考慮到旱澇的空間分布不均，同一時段各站的旱澇輕重程度不同，如果根據(jù)這些站點夏季降水平均值計算整個流域的旱澇等級，勢必會影響評價結(jié)果的準(zhǔn)確性。參考鞠笑生等[15]的研究成果，對Z指數(shù)法做出了改進(jìn)。

普通的Z指數(shù)法計算公式與旱澇等級劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)

式中：Cs為偏態(tài)系數(shù)；Ji為第i年降水量標(biāo)準(zhǔn)化序列。其計算公式為：

(2)

(3)

表1 Z指數(shù)的旱澇等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

改進(jìn)的Z指數(shù)法是先利用式(1)計算流域各個站點歷年夏季降水的Z指數(shù)，再根據(jù)表1劃分旱澇等級，然后統(tǒng)計出各個旱澇等級包含的站數(shù)，最后根據(jù)式(4)計算整個流域的旱澇指標(biāo)，根據(jù)表2劃分淮河流域的旱澇等級。

L=2n1+1.5n2+n3,G=n5+1.5n6+2n7

(4)

式中：L、G分別為雨澇指標(biāo)和干旱指標(biāo);n1、n2、n3、n5、n6、n7分別為Z指數(shù)為1、2、3、5、6、7級的站數(shù)。系數(shù)2和1.5旱澇程度的權(quán)重，即重澇、重旱站數(shù)越多，則研究區(qū)域旱澇程度越嚴(yán)重。

表2 淮河流域旱澇等級劃分

2.4 旱澇前兆信號識別與旱澇指數(shù)預(yù)測模型

根據(jù)降水與北太平洋海溫、500 hPa大氣壓高度的相關(guān)關(guān)系，從海溫場和大氣環(huán)流場中尋找淮河流域夏季旱澇的前兆信號，將其作為旱澇指標(biāo)的預(yù)測因子，利用逐步回歸法建立淮河流域夏季旱澇指標(biāo)值與預(yù)測因子的數(shù)學(xué)模型。1968-1997年為模擬期，1998-2017年為驗證期。具體實施步驟如下：

(1)裁剪出北太平洋地區(qū)(120°E～80°W，10°S～70°N)1968-2017年1°×1°格點的海溫數(shù)據(jù)和歐亞大陸范圍(30°E～150°E，10°N～70°N)1968-2017年2.5°×2.5°格點的500 hPa氣壓對應(yīng)的位勢高度數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為淮河流域夏季(6-8月)前的月尺度數(shù)據(jù)。篩選出流域1968-2017年夏季降水?dāng)?shù)據(jù)。

(2)根據(jù)公式(5)計算每個格點的海溫或500 hPa氣壓位勢高度與降水的Pearson相關(guān)系數(shù)，利用ArcGIS軟件進(jìn)行空間插值，生成相關(guān)系數(shù)分布圖。

(5)

式中：變量x為降水量，mm；變量y為海溫，℃，或者500 hPa氣壓位勢高度，gpm。

(3)對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性分析，挑選出通過99%、95%置信度的檢驗的區(qū)域作為淮河流域夏季旱澇的前兆信號關(guān)鍵區(qū)域。

(4)以這些前兆信號作為流域夏季旱澇指標(biāo)值的預(yù)測因子，其中海溫預(yù)測因子用H表示，500 hPa高度預(yù)測因子用D表示。建立旱澇指標(biāo)值Y(對應(yīng)于前文中的L-G值)與H、D的多元線性回歸模型：

Y=β0+β1H1+β2H2+…+βmHm+α0+α1D1+

α2D2+…+αmDm+ε

(6)

式中：β0、β1、β2、…、βm和α0、α1、α2、…、αm為回歸系數(shù)；ε是遵從正態(tài)分布(N，σ2)的殘差。

將旱澇指標(biāo)，海溫和或500 hPa氣壓位勢高度數(shù)據(jù)代入公式(6)，角標(biāo)n和m分別代表年份和第m個預(yù)測因子，得到如下結(jié)構(gòu)式：

(7)

求解出各項回歸系數(shù)β和α以及殘差ε后，對回歸效果進(jìn)行統(tǒng)計檢驗，回歸效果符合要求時，就可以利用回歸方程對流域降水旱澇指標(biāo)值進(jìn)行模擬預(yù)測。

3 結(jié)果與分析

3.1 旱澇的識別與特征分析

3.1.1 旱澇等級評價與發(fā)展趨勢 利用上述改進(jìn)的Z指數(shù)法計算了近50年來淮河流域降水的干旱指標(biāo)和雨澇指標(biāo)，并對其進(jìn)行旱澇等級的劃分(圖2)。其中正常年份占總年份46%，雨澇年份占26%，干旱年份占28%，淮河流域旱澇嚴(yán)重。

從淮河流域夏季旱澇類型可以看出，1978、1988、1999和2014年為嚴(yán)重干旱年份，1991、2003、2005和2007年為嚴(yán)重洪澇年份。1978年，黃淮海流域發(fā)生特大旱，5月初僅山東、山西、河北三省受旱面積就達(dá)881.46×104hm2，其中山東500×104hm2，9月初，安徽、江西、江蘇三省受旱面積336.66×104hm2，其中安徽農(nóng)作物枯死16.66×104hm2。1988年6-7月中旬，鄂北、皖中、蘇北地區(qū)發(fā)生重旱，湖北到7月底受旱農(nóng)田面積達(dá)286.7×104hm2，100余萬人飲水困難。1999年6-9月，長江以北地區(qū)出現(xiàn)罕見的大旱，武漢36萬人飲水告急，安徽境內(nèi)淮河干流幾乎斷流。2014年6-8月，黃淮等地區(qū)持續(xù)高溫少雨，淮河上中游來水偏少7-8成，主汛期發(fā)生嚴(yán)重夏伏旱[18]。1991年5-7月梅雨期間，受暴雨和大風(fēng)襲擊，淮河流域冬小麥大面積倒伏，部分農(nóng)田出現(xiàn)漬澇，僅河南、安徽、江蘇等地受災(zāi)農(nóng)作物就達(dá)200×104hm2。2003年，淮河流域發(fā)生了新中國成立以來僅次于1954年的大洪水，洪澇受災(zāi)面積達(dá)384.69×104hm2，成災(zāi)面積259.14×104hm2，絕收面積112.95×104hm2，受災(zāi)人口3 729.7×104人，因災(zāi)死亡29人，倒塌房屋75.7×104間，直接經(jīng)濟(jì)損失285.8×108元。2005年7月，淮河上游發(fā)生較大洪水，淮河支流洪汝河發(fā)生大洪水，淮北中南部及江淮北部大部分地區(qū)降雨量達(dá)200～400 mm，僅安徽省受災(zāi)人口達(dá)797.9×104人，農(nóng)作物受災(zāi)面積80.8×104hm2，絕收19.0×104hm2，倒塌房屋2.14×104間，直接經(jīng)濟(jì)損失23.72×108元。2007年，我國氣候異常，降雨分布不均，東部地區(qū)呈中間多、南北少的態(tài)勢，淮河流域降雨偏多，發(fā)生流域性大洪水，沿淮河南、安徽、江蘇三省，洪澇受災(zāi)面積257.70×104hm2，其中因澇農(nóng)作物受災(zāi)面積236.70×104hm2，洪澇受災(zāi)面積的91.8%。

圖2反映了淮河流域夏季旱澇指標(biāo)及對應(yīng)的旱澇等級隨時間的變化。從圖2中可以看出，淮河流域夏季旱指標(biāo)呈下降趨勢，下降速率為-0.44/10a，澇指標(biāo)呈上升趨勢，上升速率為0.03/10a。這也印證了全球氣候變暖，降水量增多這一觀點。雖然旱澇指標(biāo)線性趨勢變化很小，但澇災(zāi)年代間變化大，具有周期性，從80年代中期到90年代末，淮河流域夏季干旱發(fā)生頻率高，90年代中期到2010年左右洪澇嚴(yán)重。

圖2 淮河流域夏季旱澇指標(biāo)及旱澇等級變化

3.1.2 旱澇的空間分布 由淮河流域旱災(zāi)頻率空間分布圖(圖3(a))可知，淮河流域整體上干旱頻率中部低，東西兩邊高，其中安徽北部地區(qū)干旱頻率最低。以秦嶺-淮河線為界，淮河以北地區(qū)干旱頻率較高，17個站的干旱頻率均值達(dá)25%，淮河以南地區(qū)干旱頻率均值為23.8%。28個站點中有4個站干旱頻率達(dá)30%以上，有11個站干旱頻率達(dá)25%以上。山東的兗州地區(qū)和江蘇的射陽地區(qū)干旱頻率最高，達(dá)32%，河南的鄭州、西華和江蘇的高郵地區(qū)干旱頻率最低，都在17%左右。

從淮河流域澇災(zāi)頻率空間分布圖(圖3(b))可以看出，河南信陽地區(qū)和山東費(fèi)縣地區(qū)雨澇頻率最高，分別為32%和30%，安徽亳州地區(qū)和江蘇東臺地區(qū)雨澇頻率最低，分別為18%和16%。28個站中雖然只有2個站雨澇頻率在30%以上，但在25%以上的有15個站。秦嶺-淮河線以北地區(qū)平均雨澇頻率為24%，淮河以南地區(qū)為25.3%。在河南省東南部，山東省西南部，江蘇省北部形成了3個明顯的雨澇高值區(qū)，而安徽地區(qū)各站的雨澇頻率都比較均勻。

總體來說，淮河流域呈現(xiàn)出南澇北旱的特征，但旱澇頻率差別不大。全流域平均雨澇頻率大于干旱頻率，分別為24.6%和24.3%。河南信陽地區(qū)干旱和雨澇頻率都很高，說明該地區(qū)降水量年際間變化相差大，應(yīng)該特別注意旱澇和用水安全。河南西華地區(qū)旱澇頻率均比較低。

3.2 旱澇前期海溫、大氣環(huán)流信號

3.2.1 北太平洋海溫關(guān)鍵區(qū)和關(guān)鍵時段 從淮河流域夏季降水與前期各月北太平洋海溫的相關(guān)關(guān)系出發(fā)，從空間尺度上尋找出海溫關(guān)鍵區(qū)，從時間尺度上尋找出海溫關(guān)鍵時段。圖4給出了淮河流域夏季降水與前期(上一年12月-本年5月)各月海溫場的相關(guān)系數(shù)分布。本文原本從上一年9月份開始研究淮河流域夏季降水與海溫的關(guān)系，但上一年12月之前的相關(guān)系數(shù)不顯著，圖略。

圖3 淮河流域旱澇頻率空間分布

圖4 淮河流域夏季旱澇與海溫場的相關(guān)系數(shù)分布(紅色和綠色分別代表通過99%、95%置信度的檢驗)

總體來說從上一年12月到本年5月，北太平洋海溫與淮河流域夏季降水相關(guān)性越來越高，相關(guān)區(qū)域也越來越大。上一年12月，赤道西南太平洋出現(xiàn)了顯著的負(fù)相關(guān)區(qū)域，千島群島附近出現(xiàn)正相關(guān)區(qū)域；1月開始，千島群島附近的顯著性增加，正相關(guān)區(qū)域面積也增大；2月開始，南部赤道附近的Nino4區(qū)出現(xiàn)顯著的正相關(guān)區(qū)域；3月份，千島群島附近，中太平洋地區(qū)和Nino4區(qū)的顯著性達(dá)到最大，相關(guān)區(qū)域面積也達(dá)到最大；4月到5月中太平洋地區(qū)的負(fù)相關(guān)區(qū)域逐漸向西南移動，到達(dá)菲律賓海附近。海溫關(guān)鍵區(qū)域大致都分布于180°經(jīng)線以西的西太平洋地區(qū)。從北部的千島群島附近，到中部的菲律賓海附近，到南部赤道附近的Nino4區(qū)，相關(guān)系數(shù)呈“+-+”的分布結(jié)構(gòu)。在3、4和5月份這一規(guī)律更加明顯，這個3個月相關(guān)程度最高，相關(guān)區(qū)域也最大，因此以這3個月作為海溫關(guān)鍵時段。

3.2.2 500 hPa高度場關(guān)鍵區(qū)和關(guān)鍵時段 為了從大氣環(huán)流方面找出影響淮河流域旱澇發(fā)生的關(guān)鍵區(qū)域和關(guān)鍵時段，與海溫相同，研究了夏季降水與前期(上一年12月-本年5月)各月500 hPa高度場的相關(guān)性。圖6給出了歐亞大陸范圍內(nèi)各月500 hPa高度場與淮河流域夏季降水的相關(guān)系數(shù)分布。

由圖5可知，上一年12月份，東歐平原地區(qū)的500 hPa高度場與淮河流域夏季降水為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，西西伯利亞一帶出現(xiàn)顯著的正相關(guān)區(qū)域；1月份，西亞地區(qū)出現(xiàn)顯著的正相關(guān)區(qū)域；2月份開始，東西伯利亞地區(qū)變成了正相關(guān)區(qū)域；3月份，西北太平洋地區(qū)出現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)區(qū)域；4月份，東歐平原地區(qū)的負(fù)相關(guān)區(qū)域已變成顯著的正相關(guān)區(qū)域，西亞地區(qū)的正相關(guān)區(qū)域也變成了負(fù)相關(guān)區(qū)域，而東西伯利亞一帶的正相關(guān)區(qū)域依舊顯著；5月份，西亞地區(qū)的負(fù)相關(guān)區(qū)域向東移動，而西亞以西的地中海地區(qū)出現(xiàn)顯著的正相關(guān)區(qū)域，東西伯利亞一帶的正相關(guān)區(qū)域顯著性達(dá)到最強(qiáng)。從相關(guān)關(guān)系的移動方向來看，可以總結(jié)一個規(guī)律：從上一年12月份開始，東歐平原500 hPa高度場的負(fù)相關(guān)區(qū)域逐漸向東南方向移動，東西伯利亞一帶的正相關(guān)區(qū)域逐漸向西移動，且越來越顯著。

圖5 淮河流域夏季旱澇與500 hPa高度場的相關(guān)系數(shù)分布(紅色和綠色分別代表通過99%、95%置信度的檢驗)

對圖5的分析可知影響淮河流域夏季旱澇的500 hPa高度場關(guān)鍵區(qū)域大致分布于東西伯利亞山地、東歐和西西伯利亞平原以及西亞地區(qū)。旱澇與前期各月500 hPa高度場都有一定的相關(guān)性，但在3-5月份相關(guān)系數(shù)分布相似，也比較穩(wěn)定，與海溫相同，以這3個月為500 hPa高度場關(guān)鍵時段。

3.3 旱澇的預(yù)測模型及效果檢驗

3.3.1 預(yù)測因子的選取結(jié)果 前一小節(jié)分析了影響淮河流域夏季降水的海溫和大氣環(huán)流方面的前兆信號，得到8個海溫和500 hPa氣壓高度關(guān)鍵區(qū)域，以其作為流域夏季降水預(yù)測因子，前期關(guān)鍵時段(3、4和5月)各月的預(yù)測因子不同，見下表3。

表3 旱澇的預(yù)測因子

3.3.2 旱澇的逐步回歸預(yù)測效果 利用選取的關(guān)鍵時段(3、4和5月)各月的預(yù)測因子，使用SPSS統(tǒng)計軟件建立淮河流域夏季旱澇指標(biāo)值(L-G)預(yù)測線性模型。其模型方程如下：

3月：

Y1=0.541H1-6.441H2+18.619H3+

723.265D1+485.982D2-6792.057

(8)

4月：

Y2=1.115H1-64.806H4+37.276H5-

6448.784D1+5496.505D5+4260.61

(9)

5月：

Y3=3.206H1-18.555H4+3.155H5-

232.083D1+9583.62D5-53416.032

(10)

其中海溫的單位為℃，500 hPa氣壓高度的單位為103gpm。

根據(jù)模型方程模擬出淮河流域夏季降水旱澇指數(shù)，與實際計算值進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)(圖6、7)，模擬期和驗證期內(nèi)4、5月份的模型方程較3月份模擬效果好，能夠擬合出絕大部分極值。由F檢驗臨界值表查出，F(xiàn)0.01(5,30)=3.70，3月、4月、5月模型方程的F檢驗值分別是F1=4.2、F2=9.6、F3=7.8，均大于F0.01。所以建立的預(yù)測方程是顯著的，方程式是可行的。用復(fù)相關(guān)系數(shù)檢驗?zāi)Ｐ头匠痰膬?yōu)劣，3個模型方程的在模擬期和驗證期的復(fù)相關(guān)系數(shù)(表4)均在0.7以上，表明模型的適用性也較好。

綜上所述，淮河流域夏季降水的旱澇指數(shù)可以用前期3、4和5月3個模型方程及其預(yù)測因子進(jìn)行預(yù)測，而4、5月份的模型方程最為準(zhǔn)確。

圖6 模擬期淮河流域1968-1997年夏季降水

圖7 驗證期淮河流域1998-2017年夏季降水旱澇指數(shù)模擬效果圖

表4 回歸方程的效果檢驗

4 結(jié)論與討論

利用改進(jìn)的Z指數(shù)法對淮河流域近50年來旱澇等級進(jìn)行了評估，根據(jù)逐步回歸法建立了旱澇指標(biāo)值的預(yù)測模型，得出以下主要結(jié)論：

(1)旱澇等級評價結(jié)果中的嚴(yán)重旱澇年份與淮河流域歷史旱澇年份是對應(yīng)的，說明評估方法較為準(zhǔn)確。

(2)淮河流域旱澇災(zāi)害年份占總年份的54%，旱澇災(zāi)情嚴(yán)重，呈現(xiàn)出南澇北旱的特征，河南信陽地區(qū)干旱和雨澇頻率都很高，河南西華地區(qū)旱澇頻率均比較低。流域夏季旱指標(biāo)下降速率為-0.44/10a，澇指標(biāo)上升速率為0.03/10a，周期變化以1990年為界限。

(3)影響淮河流域夏季旱澇的海溫關(guān)鍵區(qū)大致都分布于180°經(jīng)線以西的西太平洋地區(qū)，從南到北分別為千島群島，菲律賓海到太平洋中部，Nino4區(qū)。500 hPa高度場關(guān)鍵區(qū)大致分布于東歐平原和西西伯利亞平原、東西伯利亞山地以及西亞地區(qū)。3、4和5月份是海溫和500 hPa高度場信號的關(guān)鍵時段。

(4)利用逐步回歸法建立的方程，具有較好的預(yù)測精度和實用性，能夠?qū)春恿饔蛳募窘邓暮禎持笖?shù)進(jìn)行預(yù)測，其預(yù)測結(jié)果將在今后的實際工作中得到進(jìn)一步檢驗。