1956—2016 年豫東平原干旱分析

楊 丹，李中原，王國重，劉守東，羅清元，李佳紅

（1.河南省周口水文水資源勘測局，河南 周口 466000；2.河南省水文水資源局，鄭州 450003；3.黃河水文水資源科學研究院，鄭州 450004；4.河南省焦作水文水資源勘測局，河南 焦作 454002）

長期以來干旱都是人類面臨的主要自然災(zāi)害，不僅制約著國民經(jīng)濟的發(fā)展，還會對生態(tài)環(huán)境和國家糧食安全產(chǎn)生嚴重威脅［1］。近年來，隨著全球氣候變化，極端氣候天氣頻發(fā)，干旱發(fā)生的強度與頻率顯著增加［2-4］。。豫東平原位于河南省東部，地勢平坦，海拔在40~100 m，是黃淮海平原（也稱作華北平原）的重要組成部分，屬亞熱帶向暖濕帶過渡的大陸性季風氣候，年降水量在550~1 050 mm，由北向南逐漸增多，6—9 月的降水量占全年的 70% 以上［5，6］。豫東平原約占河南省面積的45%，約占河南省平原面積的79%，是中國夏玉米、冬小麥的主要生產(chǎn)基地，在保障糧食安全上具有舉足輕重的作用［7，8］。隨著工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展、人口增加，水資源日益短缺，尤其是干旱等氣候因素影響，農(nóng)業(yè)用水不足已成為制約豫東地區(qū)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的瓶頸［9］。張怡等［10］通過模型研究極端氣候和農(nóng)業(yè)氣候資源變化對豫東冬小麥產(chǎn)區(qū)的綜合影響，結(jié)果為冬小麥產(chǎn)區(qū)受災(zāi)面積呈減少趨勢，但成災(zāi)面積為增加態(tài)勢；成林等［11］分析了黃淮海平原作物干旱特征，認為豫東地區(qū)主要表現(xiàn)為冬小麥在灌漿期至成熟期干旱缺水；徐建文等［12］的研究表明，黃淮海地區(qū)冬小麥在抽穗期至成熟期呈干旱化的趨勢，且干旱變化幅度自北向南呈遞增趨勢；楊平等［13］研究了黃淮海地區(qū)夏玉米的干旱風險，認為其干旱頻率在64.36%以上，干旱風險整體偏高。由以上研究可以看出，干旱已成為影響豫東平原作物豐產(chǎn)的重要因素，有必要強化對該區(qū)域干旱時空分布規(guī)律的研究，為確保糧食安全、防旱減災(zāi)提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與處理

所用數(shù)據(jù)來自豫東地區(qū)及周邊區(qū)域245 個雨量站1956—2016 年降水監(jiān)測資料，對個別時間序列不夠的雨量站進行了插補延長，并用泰森多邊形法將各個站點的雨量轉(zhuǎn)換成面雨量，得到豫東平原1956—2016 年面雨量序列。

1.2 研究方法

1.2.1 降水Z指數(shù) 降水Z指數(shù)是應(yīng)用比較廣泛的旱澇分析指標，其原理是將服從P-Ⅲ分布的降水序列正態(tài)化處理，使之轉(zhuǎn)換為以Z為變量的正態(tài)分布［14，15］，具體公式如下。

式中，φ為降水的標準化變量；CS為偏態(tài)系數(shù)。

φ與CS的計算公式如下：

式中，Ri為降水量；R為平均降水量；S為樣本均方差；n為樣本數(shù)。

參照孫安健等［16］的旱澇等級劃分標準，根據(jù)Z指數(shù)將干旱劃分成4 個等級：嚴重干旱（Z<-1.645）、中度干旱（-1.645≤Z<-1.037）、輕度干旱（-1.037≤Z<-0.524）、無旱（Z≥-0.524）。

1.2.2 小波分析 作為一種時-頻局域化分析方法，小波分析對局部信號的刻畫更為細致逼真，不僅能夠分析非平穩(wěn)隨機信號的多時間尺度，還能清楚揭示出時間序列在多時間尺度上的變化趨勢［17］，成為河川徑流、降水、蒸發(fā)等具有非平穩(wěn)屬性的水文數(shù)據(jù)規(guī)律分析的常用方法［18］。小波函數(shù)有許多種，其中Morlet 小波是一種復(fù)數(shù)小波，能揭示隱藏在時間序列中的多種變化周期，是水文序列分析中最常用的小波函數(shù)［19，20］，故研究中采用此小波，其原理與具體計算方法詳見文獻［21，22］。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱年際特征

距平分析能揭示降水量在時間序列內(nèi)的偏移情況，進而度量其差異性［23］，豫東平原 1956—2016 年降水量距平序列見圖1。由圖1 可知，61 年中極大值出現(xiàn)在 2003 年、極小值為 1966 年，1959—1962 年、1991—1995 年、2011—2015 年降水量出現(xiàn)了連續(xù) 3~4 年的低于平均水平的現(xiàn)象。20 世紀90 年代后，降水量連續(xù)低于平均值的頻率和持續(xù)時間明顯增加。

圖2 反映的是降水Z指數(shù)年際變化情況，有18年Z<-0.524，說明發(fā)生了干旱，基本上3 年就有1次，其中，1956—1967 年、1978—1986 年、1996—2004 年序列年際變化明顯，其他年份則相對平穩(wěn)。

就干旱發(fā)生頻率而言，1956—2016 年干旱年際發(fā)生頻率平均為29.5%，20 世紀60 年代為30.0%、70年代為20.0%、80 年代為30.0%、90 年代為50.0%、2000—2016 年為 23.5%，20 世紀 90 年代發(fā)生的頻率最高，其次是 20 世紀 60 年代和 80 年代，2000 年之后進入平穩(wěn)期，干旱發(fā)生頻率有所降低，圖2 中的線性趨勢線也反映了這一特點。

2.2 干旱周期特性分析

小波系數(shù)實部等值線能反映出所研究水文序列在各時間尺度上的周期變化及時域分布［24］。由圖3a 可以看出，豫東平原干旱演變中存在多時間尺度特征：在26~32 年尺度上存在旱澇交替的2 次完整震蕩，主要發(fā)生在20 世紀70 年代后；在14~18 年尺度上存在4 次震蕩，20 世紀90 年代后期周期震蕩減弱；9~11 年在整個時間序列上存在 9 次震蕩，20 世紀90 年代以來，干旱演變在該時間尺度上震蕩頻率增加、振幅變窄；8 年以下的時間尺度上周期變化雜亂，反映出在小時間尺度下，豫東平原洪澇變化頻繁規(guī)律性較差。

小波方差表示信號震蕩隨周期尺度的分布，可以確定降水時間序列存在的主要周期［25］。圖3b 為豫東平原降水時間序列的方差圖，其干旱演變周期在10 年處出現(xiàn)峰值、振幅最強，為主周期。

圖 4 反映的是降水Z指數(shù)序列與 10、15、30 年周期尺度上的小波系數(shù)實部變化過程，可以看出，干旱演變在時域上的分布特征不均勻，除10 年的主周期外，15、30 年時間尺度上周期震蕩具有序列局部性特征。從 10、15 年的時間尺度來看，20 世紀 90 年代以來，豫東平原干旱演變在小時間尺度上震蕩頻率增加，振幅變窄，規(guī)律性變差。

2.3 干旱頻率空間分布

以245 個雨量站降水Z指數(shù)評估得到的點干旱頻率為基礎(chǔ)，通過ArcGIS 插值分析，得到豫東平原干旱頻率空間分布，如圖5 所示。從空間分布上看，1956—2016 年該區(qū)域干旱平均發(fā)生頻率在24.70%~34.20%（圖5a），其中重度干旱發(fā)生頻率為3.14%~8.87%（圖5b）、中度干旱發(fā)生頻率為5.89%~13.60%（圖5c）、輕度干旱頻率為9.69%~20.40%（圖5d）。

從各等級干旱發(fā)生頻率上看，干旱越嚴重其發(fā)生頻率越低，且各干旱類型具有互補性，即某一類型干旱高發(fā)，其他類型干旱偏向于低發(fā)。從空間分布看，干旱高發(fā)區(qū)大致集中在中上和中下、貫穿左右的2 個帶狀區(qū)域。參看豫東平原地形圖，高發(fā)的2 個帶狀區(qū)域為左側(cè)山脈阻隔、右側(cè)缺少山麓地帶坡積洪積平原的區(qū)域。

2.4 干旱空間占比

由泰森多邊形根據(jù)245 個雨量站制作豫東平原的Voronoi圖，如圖6所示。以245個雨量站干旱的點數(shù)據(jù)代表該雨量站在Voronoi圖中泰森多邊形范圍內(nèi)干旱的面數(shù)據(jù)，則第x年某類型干旱占比可表示為：

式中，f(x) 為x年干旱面積占比，Sn為第n個雨量站在Voronoi 圖中泰森多邊形的面積，S為Voronoi圖總面積，?(n)為x年第n個雨量站是否發(fā)生某類型干旱。

圖7 為豫東平原干旱面積所占比例，其干旱面積平均占比為30.03%，有24 年高于平均值、37 年低于平均值，整體上面積占比呈緩慢增加趨勢；干旱面積占比最高值出現(xiàn)在1966 年，占總面積的97.62%（圖7a）。從各類型干旱來看，重度干旱面積平均占比為4.99%，呈緩慢減少態(tài)勢，占比峰值出現(xiàn)在1966年，占干旱面積的76.81%（圖7b）；中度干旱面積平均占比為9.96%，呈緩慢增加勢頭，占比峰值出現(xiàn)在1986 年，占干旱面積的45.39%（圖7c）；輕度干旱面積平均占比為15.08%，呈緩慢增加趨勢，占比峰值出現(xiàn)在1959 年，占干旱面積的46.18（圖7d）。

3 小結(jié)

基于豫東平原1956—2016 年降水序列，從干旱年際特征、周期特性、頻率空間分布、空間占比4 個方面對豫東平原干旱特征進行分析，結(jié)論如下。

1）根據(jù) 1956—2016 年降水Z指數(shù)序列，有 18 年發(fā)生了干旱，頻率為29.5%，其中1956—1967 年、1978—1986 年、1996—2004 年序列年際變化明顯，其他年份相對平穩(wěn)。

2）干旱演變在10 年時間尺度下周期性最強，為主周期；在15、30 年時間尺度下，干旱演變在部分時間序列持續(xù)震蕩但未能貫穿整個時間序列，具有序列局部性特征。

3）頻率空間分布上，豫東平原干旱發(fā)生頻率在24.70%~34.20%，干旱高發(fā)區(qū)大致集中在2 個帶狀區(qū)域。

4）豫東平原干旱面積平均占比為30.03%，呈緩慢增加趨勢，其中重度干旱面積平均占比為4.99%，呈緩慢減少態(tài)勢；中度干旱面積平均占比為9.96%，呈緩慢增加勢頭；輕度干旱面積平均占比為15.08%，呈緩慢增加趨勢。

作為國家糧食主產(chǎn)區(qū)，豫東平原干旱必然危及主糧安全，在深入研究其干旱規(guī)律和特征的基礎(chǔ)上，需要加強該區(qū)域的水資源管理，發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)、循環(huán)農(nóng)業(yè)，確保糧食安全。