1980—2015年安徽省降水和干旱的時空變化特征

顧峰雪 張遠東 李威 郭瑞 鐘秀麗

摘要?基于地面氣象觀測的逐日降水數據，采用降水距平百分率的干旱劃分等級，分析了1980—2015年安徽省降水量和氣象干旱發生頻率、強度的時空變化特征，結果表明：安徽省降水的年際動態和空間差異均較大，秋季降水的變異系數最大，沿淮地區是降水變異系數最大的地區，降水的年際變異隨著年代際的增長而增加;在研究時段內安徽省降水呈下降趨勢，但趨勢不顯著，江淮中部降水量下降最多;安徽省氣象干旱發生的頻率和強度均是秋冬季高于春夏季，秋季和冬季的平均干旱頻率分別達到0.36和0.31，春、夏季分別為0.26和0.25，而干旱強度在秋季和冬季分別達到了0.90和0.75;全省平均干旱頻率和干旱強度均是在1980—1989年最低，1990—1999年是干旱頻率和強度最大的10年;36年平均干旱頻率和干旱強度均是從南至北逐漸增大，淮北地區是干旱頻率最高的區域，而干旱強度在沿淮區域最大。該研究結果可為安徽省內不同區域的水資源利用策略制定、種植結構的優化與種植模式的調整等提供理論依據。

關鍵詞?降水量;降水距平百分率;干旱頻率;干旱強度;安徽省

中圖分類號?P467?文獻標識碼?A?文章編號?0517-6611（2021）01-0223-06

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.01.059

Abstract?Based on interpolated daily meteorological data from climatological stations， we used percentage of precipitation anomalies （Pa） to analyze trend of annual precipitation， the meteorological drought frequency and severity of Anhui Province during 1980-2015. The results showed that precipitation in Anhui Province had large spatio-temporal variations. The variation coefficient of precipitation in autumn was the largest， and areas along Huaihe River had the largest coefficient of variation;precipitation decreased during 1980-2015 （low confidence）， and central part of Yangtze valley plain had the largest decrease of precipitation;the drought frequency and severity were higher in autumn and winter than that in spring and summer. The drought frequencies in autumn and winter were 0.36 and 0.31， respectively， and the drought frequency in spring and summer were 0.26 and 0.25. The drought severities in autumn and winter were 0.90 and 0.75， respectively;the drought frequency and severity were the lowest in 1980-1989， the drought frequency and severity reached the maximum in 1990-1999;the 36-year average drought frequency and severity increased from south to north. The north of Huaihe River had the largest drought frequency， and drought severity was largest in areas along Huaihe River. The study can provide basis for the optimization of regional planting structure and adjustment of planting pattern for water adaptation.

Key words?Precipitation;Percentage of precipitation anomalies;Drought frequency;Drought severity;Anhui Province

在全球持續變暖的背景下，降水的變化趨勢和空間分異卻有很大的不確定性[1-2]。由于降水量時空分布的變化，必然對區域水資源、生態系統和農業生產以及社會經濟產生重要影響[3]。不同區域降水格局的變化、未來趨勢以及空間分異特征成為全球氣候變化研究的重要內容之一[3-8]。降水變化趨勢存在顯著的區域分異特征[9-12]，盡管很多區域的降水變化趨勢不顯著，但全球范圍內暴雨、干旱、洪澇等極端氣候事件的發生頻率卻顯著增加[2，13-14]。分析特定區域的降水量變化趨勢及其空間特征可以為該區域的水資源利用策略、生態保護、農業種植結構調整、水資源優化配置和農業的抗逆減損技術模式構建等提供重要依據[3，15-16]。

干旱是威脅農業生產和社會經濟發展最主要和最頻繁的災害之一。旱災造成的經濟損失占到氣象災害損失的50%，為各類氣象災害之最[17]。不同學科對干旱的定義有所不同，通常可以分為氣象干旱、水文干旱、農業干旱和社會經濟干旱4類。氣象干旱是其他3類干旱的引發因素[18]。由于干旱自身的復雜性，以及研究目標和研究對象的差異，不僅對干旱的定義和理解有差異，用于定量評估干旱的指標也多種多樣[19]。選擇合適的指標對區域干旱進行分析評價，闡明區域干旱發生的時空規律[20-35]，可為該區域制定行之有效的抗旱措施、提高農業和社會經濟抵御旱災的風險能力提供理論支撐[36]。

安徽省是一個農業大省，是我國重要的糧食生產基地和凈調出區域。但安徽省地處南北氣候過渡帶，氣候復雜多樣且降水的時空變異大[5，37]，干旱暴雨洪澇等災害性天氣頻發[36，38-39]。長江和淮河流經該省，將全省劃分為淮北、江淮和江南三大自然區[36]，各區在地勢、氣候和作物種植結構等方面均有較大差異，淮河流域的干旱和洪澇災害尤其頻繁[15，35，40-45]，而江淮和江南地區的夏秋旱也是影響當地作物生產的主要災害之一[46-47]。目前，安徽省存在著由于雨熱時空分布不均導致的自然資源配置不合理、利用率不高等問題。

為構建安徽省不同區域適水的種植結構，提高資源利用效率，迫切需要對安徽省降水的變化趨勢、空間分異特征以及干旱發生的時空特征開展研究，以期為省內不同區域的種植結構優化、種植模式調整、抗旱減災政策的制定和技術研發提供理論依據，為合理利用自然資源、提高資源利用率奠定基礎。

1?數據與方法

1980—2015年逐日降水量數據來源于中國氣象局地面觀測資料，全國共756個臺站，安徽省境內有18個臺站。利用ANUSPLIN軟件[48]插值到1 km空間分辨率，提取出安徽省的數據進行分析。季節的劃分是3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至翌年2月為冬季。用直線回歸斜率表示氣候傾向率;利用Mann-Kendall趨勢檢驗方法檢驗降水變化趨勢的顯著性，用變異系數（CV）表示降水量的年際變異程度，其計算公式為：

式中，為1980—2015年（季）的降水量均值，S為標準差。

根據《氣象干旱等級》（GB/T 20481—2006）[49]的定義，降水距平百分率（Pa）是反映降水異常引起的氣象干旱的簡單、直觀指標，其計算公式為：

式中，P是某一時段的降水量，在本研究中是指1980—2015年各年和每年春、夏、秋、冬四季的降水量;是1980—2015年多年（季）平均降水量。

降水距平百分率將氣象干旱共分為5個等級。在本研究中，筆者分別計算了1980—2015年各年（季）的干旱等級。為方便統計，將無旱定義為0，輕旱至特旱定義為1～4，將干旱頻率和干旱強度按照下式進行計算：

干旱頻率=發生干旱的年（季）數/總年（季）數（3）

干旱強度=干旱指數之和/總年（季）數（4）

式中，發生干旱的年（季）數為研究時段內發生輕旱以上的年（季）數總和，干旱指數之和為研究時段內降水距平百分率氣象干旱等級的總和。

2?結果與分析

2.1?1980—2015年安徽省降水的時空變化特征

2.1.1?時間變化特征。1980—2015年安徽省的降水量均值為1 229.8 mm，以夏季降水最多，占到全年的47.4%，其次是春季，而秋、冬季最少，僅占全年的13.8%和11.0%。研究時段內，年降水量和春、夏、秋3季降水量均表現為下降趨勢，其氣候趨勢傾向率分別為-14.87、-12.18、-4.84和-8.48 mm/10 a，而冬季則表現為上升趨勢，其氣候趨勢傾向率為9.97 mm/10 a（圖1），但年和春、夏、秋季降水量的下降趨勢均不顯著，冬季降水量的上升趨勢顯著。

安徽省降水量的年際變異較大，降水量最高的年份是1991年，達1 650 mm;2001年降水量最低，為929 mm，比平均降水量下降了24%，僅為最高年份的56%（圖1）。相對其他3季，夏季的降水距平百分率年際波動范圍最小，為-61.8%～32.4%，而春、秋、冬3季的降水距平百分率波動范圍則較大，分別為-152.2%～193.9%、-164.9%～47.83%和-167.3%～37.45%。2001年和2011年春季降水距平百分率均低于100%，秋季降水距平百分率低于100%的年份有1988年和1991年，冬季為1986年、1999年和2011年（圖1）。

在年代際尺度上，年降水量和季節降水量也呈現出不同的變化趨勢。1980—1989年和1990—1999年的平均年降水量相當，并且是降水量最多的時段，而2000—2009年降水量明顯下降，2010—2015年后有所回升。春季是各年代際降水距平百分率變化最大的季節，降水距平百分率在-49.69%～50.41%變化，平均降水量在1990—1999年最高，2000—2009年最低。夏季是各年代際降水距平百分率變化最小的季節，1980—1989年平均降水量最高，而2000—2009年最低。秋季是1980—1989年降水量最高，而1990—1999年最低。冬季與其他季節均不同，1980—1989年降水量最低，而2000—2009年最高。

2.1.2?空間分異特征。在空間上，安徽省的降水量從南至北逐漸降低，降水量從江南的超過1 800 mm逐漸降低到淮北地區的低于800 mm，空間上具有較大差異。研究時段內降水量的變異系數在空間上也有較大差異（圖2）。沿淮地區在年尺度和夏季均是變異系數最高的區域，在其他季節變異系數也相對較高，說明沿淮地區降水量是省內降水量年際變異最大的地區。淮北地區在春、秋、冬3季的變異系數最高，其次是江淮地區。江南地區的中部在夏季降水量也具有較高的變異系數。

由圖3可知，在空間上降水量的變化趨勢也有差異。1980—2015年江南地區南部降水量有增加趨勢，并且各季節均表現為增加，其中冬季降水量增加的貢獻最大。淮北地區的東部也是降水量增加的區域，主要來源于夏季和秋季該地區降水量增加的貢獻。除這2個地區之外，安徽省大部分地區降水量均表現為下降趨勢，尤其是江淮中部地區，是降水量下降最為顯著的區域，在春、夏、秋3個季節，該地區降水量均有顯著下降。

2.2?1980—2015年安徽省氣象干旱的時空變化特征

2.2.1?干旱頻率和干旱強度的時間變化特征。安徽省平均干旱頻率秋季最高，干旱頻率達到0.32，其次是冬季。安徽省的氣象干旱頻率在研究時段的中期最高，其中1990—1999年是干旱頻率最高的10年，干旱頻率達到0.34，其次是2000—2009年、1980—1989年和2010—2015年，干旱頻率均為0.19。各季節干旱頻率年代際的變化具有較大差異。2000—2015年春季的干旱頻率顯著高于其他時段，夏秋季均是1990—1999年的干旱頻率最高，其次是2000—2009年，冬季則是1980—1989年的干旱頻率最高，2000—2009年最低（圖4a）。1980—2015年全省春、夏、秋、冬四季發生的平均干旱次數分別為9.37、9.12、12.97和11.21次，區域內秋季發生的最大干旱次數為18次，其次是冬季，最大次數為17次。重旱和特旱發生的次數在1980—2015年逐漸增加，1980—1989年重旱以上干旱發生的季節數從總季節數的27.5%逐漸上升到2010—2015年的50.0%，但重旱以上干旱發生的范圍在1990—1999年最大，平均的干旱面積占到全省總面積的41.97%，其中1991秋季全省均發生了重旱以上的干旱，盡管1991年全年降水是研究時段內最高的，但秋季降水則顯著低于多年平均水平。

研究時段內，安徽省秋冬季的平均干旱強度最高。在年尺度上，自1990—1999年后，干旱強度有逐漸下降趨勢，但在不同季節表現不一致（圖4b）。春季在2000—2009年和2010—2015年干旱強度顯著高于研究時段內的前20年;夏季干旱強度是研究時段內的中期最高;秋季干旱強度高于春夏季，尤其是1990—1999年干旱強度顯著升高;冬季除2000—2009年外，干旱強度也高于其他季節，1990—1999年的干旱強度最大。

通過以上分析可以看出，安徽省在研究時段內干旱發生的頻率主要是波動性變化，但重旱以上干旱的頻率在升高，重旱、特旱發生的時間和強度有很大的隨機性，以秋旱和冬旱為主，但春旱的強度在增加值得關注。

2.2.2?干旱頻率和干旱強度的空間格局。干旱頻率和強度在空間上也有明顯的差異。安徽省干旱發生的頻率自南向北逐漸升高，淮北地區是干旱發生頻率最高的地區（圖5a）。唐寶琪等[36]對安徽省1961—2013年降水距平百分率的經驗正交函數（EOF）分析也表明，安徽省旱澇災害呈現由南向北逐漸遞增的趨勢，同時安徽中部也是易于發生旱澇災害的地區。淮北地區處于南北氣候過渡帶，受季風影響，降水充足但季節分布不均，旱澇災害頻繁。淮北是冬小麥的主產區，干旱已成為該地區冬小麥生產的重要脅迫因子[50]。

不同季節干旱頻率的分布也有差異（圖5b、c、d、e）。春季干旱頻率淮北地區最高，達到0.3～0.4，江南地區東部最低。夏季干旱頻率淮北的東部和西部最高，其他大部分地區干旱頻率均在0.2～0.3。秋季大部分地區的干旱頻率都在0.3以上，在淮北北部和江淮的東南部干旱頻率在0.4以上;相對于秋季，冬季干旱頻率超過0.3的范圍在縮小，淮北、沿淮和江淮東部的干旱頻率在0.3以上。

在年尺度上，沿淮地區是干旱強度最高的地區，江南和江淮地區的西部丘陵干旱強度最低（圖6）。秋季和冬季是干旱強度最高的2個季節，其中秋季除江南東部外，大部分地區的干旱強度超過了0.7，淮北地區是干旱強度最高的地區，平均干旱強度在1.0以上。冬季，江淮和江南地區的干旱強度均在0.7以下，干旱強度超過1.0的地區范圍也大幅減少，僅在淮北中部的小部分地區干旱強度較高。春季干旱強度從南至北逐漸升高，而夏季干旱強度則是安徽省中部的沿淮和江淮中東部最高，且夏季的平均干旱強度要低于其他3個季節，干旱強度在0.5～0.7。

干旱強度自1980—1989年升高后又逐漸下降，1980—1989年為最低。20世紀80年代降水量偏多[5]，1980—1989年僅在1988年發生重旱以上干旱，發生干旱的地區面積僅占全區總面積的8%，北緯32°（長江以南區域）以南區域僅在個別年份發生了輕旱。1990—1999年有60%的年份發生了干旱，平均干旱面積占總面積的56.7%，30%的年份發生了重旱以上的干旱，平均重旱面積達到 16.3%。2000年后干旱和重旱以上干旱發生的頻率、范圍和強度進一步增大。盡管1980—2015年安徽省境內的年平均降水量的線性趨勢不明顯[51]，但從20世紀90年代中期后，由于降水波動振幅增大，降水的不確定性增加，極端降水事件增加，旱澇災害的發生也越來越頻繁[51-52]。

3?結論與討論

IPCC第5次評估報告[2]顯示，全球降水在北半球中緯度地區從1901年以來有升高趨勢，其他地區無論是下降還是升高趨勢均不顯著，變化趨勢在空間上具有顯著的分異特征，在中國北方以下降為主，南方部分地區降水有增加趨勢。1961—2010年中國區域降水趨勢分析結果表明[8]，不同區域的降水變化趨勢存在較大差異，降水下降的地區主要包括東北、華北和南方內陸地區，安徽北部以降水減少為主，南部以增加為主，但趨勢均不顯著[8]。安徽省處于我國的南北過渡帶上，季風氣候顯著，氣候復雜多樣且降水年際變化大[36]，旱澇災害頻繁，對農業生產極為不利。本研究結果表明，1980—2015年安徽省的降水量平均值為1 229.5 mm，略高于1959—2007年的均值[5]。1980—2015年安徽省降水量呈下降趨勢，并且除冬季外，春、夏、秋3季均表現為下降趨勢，但下降趨勢均不顯著，與江俊杰等[5]對1959—2007年的分析結果相比，不僅在總體變化趨勢上不同，且降水變化趨勢的空間分異上也有差異。出現以上情況的原因，一是研究時段不同，由于安徽省降水年際變異大，因此不同時段的趨勢有所差別，且2個時段的降水量趨勢均不顯著，但相同時段內年際波動是一致的;二是江俊杰等[5]的分析是將安徽省16個氣象站的數據進行平均得到全省的平均值，而本研究是首先將臺站數據插值到1 km空間格點上，數據處理方法的不同造成降水量絕對值的差異。

安徽省的降水量年際波動大，變異系數在秋季可以達到0.44，年均0.18。淮北地區是降水波動最大的地區，年降水量的變異系數達到0.20，與祁宦[40]的研究結果相近。安徽省淮北平原泗縣氣象站觀測到的降水最大極差可以達到1 151.5 mm[40]，而淮北平原的年均降水量在800 mm以下，由此可以看出，淮北平原旱澇頻發成為制約當地農業穩產的重要因素。

安徽省境內干旱普遍發生，干旱發生的頻率平均達到0.27，干旱強度達到0.40。而在干旱發生頻率較高的地區，超過1/3的年份發生了旱災，與以往的研究一致[47]。重旱以上干旱，過去36年在全省均有發生，且重旱以上的頻率在逐漸增加。安徽省在過去36年干旱頻率逐漸升高，2000—2009年達到最高，2010—2015年有所下降，而干旱強度則是1990—1999年最高，后逐漸下降，但均高于1980—1989年。在全球氣候變暖的趨勢下，極端氣候事件也頻發。通過對安徽省過去36年降水數據的分析發現，安徽省降雨日總數極顯著下降，而暴雨日數卻增加，極端降水量和日降水強度均顯著上升[5，37]。極端降水事件的增加，一方面增加了澇漬災害發生的風險，同時也增大了干旱發生的可能性。

安徽省以秋旱為主，秋季無論是干旱發生的頻率還是強度均高于其他季節。春季干旱在淮北地區的頻率最高，強度最大;夏季干旱擴展至江淮平原北部，但江淮平原中部干旱強度最大;秋季干旱在全省境內頻率均較高，而干旱強度在淮北地區和江淮平原北部最大。不同年代干旱頻率和強度的空間發生特征有所不同，但平均來說，無論是干旱發生的頻率還是干旱的強度，均是從南到北逐漸升高，淮河流域是干旱發生頻率最高、強度最大的區域。淮河流域旱災頻發，旱災已成為制約流域內農業生產和社會經濟發展的主要因素之一[42]。謝五三等[38]基于綜合氣象干旱指數（CI）的分析也發現，淮河流域干旱日數北部多于南部，且過去50年干旱日數沒有明顯突變。鄭曉東等[52]基于標準化降水指數的研究發現，淮河流域干旱發生面積逐漸遞減而發生強度呈增強趨勢。淮北的冬小麥種植區是我國旱澇災害最為嚴重的地區之一[50，53]。安徽長江以南地區，秋季降水分布不均，有時也會出現區域性干旱[46]。同時，干旱也是江淮和淮北地區夏玉米生產的主要災害[54]。

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