1960～2018年河南省旱澇特征及其氣候背景分析

楚 純 潔，周 金 風

(平頂山學院 旅游與規劃學院，河南 平頂山 467000)

0 引 言

氣候變化是21世紀人類所面臨的重大全球性環境問題，受氣候異常變化影響，極端氣候事件頻發，且其頻率、持續時間和強度均呈持續增強趨勢[1]。自然環境的多樣性使得中國成為世界上氣象災害最為嚴重的國家之一[2]，而且未來相當長一段時期內，中國群發性或區域性高溫、暴雨、干旱等極端氣候事件頻次和范圍將顯著增加, 災害風險加大[3]。如鄭州“7·20”特大暴雨，單日降水、小時降水均突破了自1951年鄭州市建站以來60 a的歷史記錄，而且7月中下旬河南省普遍性發生的極端強降雨造成了嚴重損失；自2022年6月中旬持續至8月底的南方區域性高溫事件綜合強度已達到1961年有完整氣象觀測記錄以來最強，而且形成了“南旱北澇”的格局。此類極端氣候事件的頻發，與氣候的異常變化有著必然聯系。在氣候變化大背景下，ENSO是全球海洋和大氣相互耦合的最強年際變化信號之一，也是氣候變化的重要指示性因子[4-5]。很多學者通過研究ENSO與極端氣候事件的關系發現，ENSO與中國季節性降水有明顯的相關關系，往往會造成嚴重氣候異常及各地的氣象災害[6-8]。而太陽黑子活動通過海氣耦合反饋機制也會影響降水的異常變化[9]，從而影響中國不同地域的旱澇格局[10-12]。因此，研究旱澇災害演變規律及其與氣候背景的關系，對于不同區域尤其氣候變化敏感區制定應對氣候變化的戰略措施具有重要的意義。

河南省地處中國南北地理過渡帶以及西部山地丘陵與東部黃淮平原的過渡帶，也是對全球變化響應的敏感區和生態環境脆弱帶。受特殊的氣候和地理要素以及全球氣候變化影響，季節間及季節內降水分配極不均衡，以致旱澇災害成為河南省發生頻率最高、危害和損失最大的自然災害[13]。盡管前人針對河南省旱澇災害已做了較多研究，但對于河南省旱澇演變與氣候背景的關系研究尚不多見[14]。基于此，本文主要從旱澇與El Nio / La Nia事件、太陽黑子活動關系的角度分析河南省旱澇演變及其氣候背景，以期為河南省旱澇災害預測預警、防洪抗旱、減災決策工作提供科學依據。

1 研究區概況

河南省地處中國中部，地理位置位于N31°23′～N36°22′、E110°21′～E116°39′，總面積16.7萬km2，占全國總面積的1.73%。地勢呈望北向南、承東啟西之勢，東低西高，中、東部為平原，西部多山地丘陵，地跨海河、黃河、淮河、長江4大流域，氣候則大部分地處暖溫帶，南部跨亞熱帶，屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的大陸性季風氣候，具顯著的地理過渡性。全省年均氣溫為12.1～15.7 ℃，年均降水量532.5～1 380.6 mm，年均日照1 848.0～2 488.7 h，適宜農作物生長，為中國重要糧食生產基地。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

本研究采用河南省17個國家基準氣象站點1960～2018年逐日降水和平均氣溫資料，數據來源于國家氣象科學數據中心(http://data.cma.cn/)。ENSO事件表征采用Nio3.4區(170°W～120°W，5°S～5°N)海表溫度指數(Sea Surface Temperature，SST)，數據來源于美國NOAA衛星(http：∥www.cpc.ncep.noaa.Gov)；El Nio/La Nia事件的定義和強度劃分依據國家標準《厄爾尼諾/拉尼娜事件判別方法》[15]。太陽黑子活動數據來源于美國航天航空局( http：∥solarscience.msfc.nasa.gov)。另外，季節依據氣象學標準進行劃分，作物生長期依據河南省冬小麥、春玉米主要生長期確定，冬小麥主要生長期為3～5月，春玉米為5～9月，因此，作物生長期取3～9月進行統計分析。

2.2 研究方法

(1)旱澇指數計算。旱澇指數采用同時考慮降水和蒸發兩個重要物理分量且具有計算所需資料少、計算過程簡便等突出優點的降水與蒸發均一化指數進行表征計算[16]，公式如下：

(1)

式中：ΔR，ΔE，σR，σE分別為降水量和蒸發量的距平和均方差；I<0表示偏旱，I>0表示偏澇。

基于不同潛在蒸散量估算的特點[17]，地表潛在蒸發(Pei)的計算采用Thornthwaite方法[18]，公式如下：

(2)

(3)

a=0.49239+1.792×10-2I-7.71×

10-5I2+6.75×10-7I3

(4)

式中:d為每月天數除以30；a1=-415.854 7，a2=32.244 2，a3=0.432 5；Ti為第i月平均溫度，℃；I為月總加熱指數。

依據楊金虎等對持續性旱澇與極端旱澇的界定[19]，以月旱澇指數小于-0.5和大于0.5作為劃分干旱和雨澇的標準，以月旱澇指數小于-1 和大于1 作為劃分極端干旱和極端雨澇的標準。依據旱澇占次比分析不同時間尺度的旱澇變化，將站次比≥70%,50%～70%,10%～50%,<10%分別視為全域性、區域性、局域性旱澇及無明顯旱澇。

(2)時空演變分析方法。采用氣候傾向率法[20-21]、Hurst指數法(R/S分析)[22]及Morlet小波分析用以分析旱澇變化趨勢及對El Nio/La Nia事件、太陽黑子活動的周期性響應特征，其中Hurst指數的指示意義詳見文獻[23]。

3 結果與討論

3.1 旱澇頻率時間變化特征

河南省1960～2018年全年、作物生長季以及4個季節的旱澇站次比變化如圖1所示。由圖1可知：全年、作物生長季、春季與冬季旱澇趨勢轉換出現在1990 s中期前后(5 a滑動平均曲線)，即由澇轉向干旱化趨勢，夏季則延至2000 s末期才出現旱澇趨勢的明顯轉換，秋季則提前至1980 s后期。在此統一以1995年為節點進行統計，1995年以來全年全域性干旱和區域性干旱次數分別達到了12次和3次，而在1960～1995年期間分別僅5次和2次；1995年以來全年全域性雨澇和區域性雨澇分別僅有2次和1次，而1995年之前則分別有10次和10次。春、秋和冬3個季節也有類似的規律，夏季全域性或區域性干旱與雨澇的頻率對比相差不大。作物生長季跨越春、夏季及早秋季，由于夏季旱澇相當，從而分散了作物生長季旱澇演變的相對強度，可見作物生長季干旱化對作物生長的影響主要在于春季，做好春季人工灌溉增水是保障作物生長需水的關鍵。

從趨勢變化來看，干旱與雨澇基本呈同步反相變化，即在不同時間尺度上均呈不同程度的干旱增多、雨澇減少特點。其中，全年、作物生長季、春季、秋季均在0.01置信水平上呈顯著干旱化趨勢，而雨澇呈顯著減少趨勢。由Hurst指數進一步表明(見表1)，全年、作物生長季、春季、秋季干旱增多(雨澇減少)的趨勢在未來將進一步持續；夏季、冬季旱澇沒有呈現全程性顯著演變趨勢，但從1999 s末以來，干旱化趨勢明顯增強。Hurst指數也進一步表明，夏、冬季近年來逐漸增強的干旱化趨勢在未來也將進一步持續，這與利用旱澇指數分析的結果一致[24]。

表1 1960～2018年河南省旱澇趨勢演變特征Tab.1 Evolution characteristics of drought and flood trend in Henan Province from 1960 to 2018

3.2 旱澇覆蓋范圍變化特征

旱澇覆蓋范圍的計算，先對研究區按2°× 2°進行格網劃分，然后統計各網格旱澇指數≥0.5或≤-0.5的站數，根據雨澇(干旱)站點在網格中所占的權重，確定每個網格中的雨澇(干旱)面積，進而計算研究區旱澇面積[25]，如圖2所示。可以看出，不同尺度旱澇面積變化與旱澇占次比具有一致的演變趨勢。

全年旱澇覆蓋面積有明顯的年代際變化。1960 s干旱、雨澇平均覆蓋面積比相差不大，分別為33.49%和37.42%，1970 s和1980 s干旱分布范圍最低，平均面積比僅17%左右，而同時期雨澇平均覆蓋面積比達到了54%，至1990 s中期旱澇開始出現逆轉性變化，干旱覆蓋面積逐年增大，相應雨澇面積減小，2010 s干旱、雨澇平均覆蓋面積比分別增大或減小至67.18%，12.22%。干旱分布范圍最廣的年份主要集中于1990 s中期之后，1995年之前覆蓋面積比超過80%的僅有1966年和1978年，1995年之后超過90%的就有6個年份，分別為1997，2000，2001，2006，2012年和2013年；1995年之前雨澇覆蓋面積超過80%的有5個年份，而1995年之后超過80%的僅有2個年份。作物生長季旱澇覆蓋面積的變化與全年相似。

在季節變化上，春季旱澇覆蓋面積的變化與全年一致，其他季節則存在明顯差異。夏季呈兩頭旱中間澇，即1960 s～2010 s干旱頻發且覆蓋面積較廣，其他年代雨澇頻發、分布范圍也大。秋季在1960～1980 s雨澇發生頻率高且在全省覆蓋面積大，1990 s以來雨澇明顯減少，干旱頻發且在全省覆蓋面積大。冬季僅在1970 s和1980 s雨澇較多，其他年代均以干旱為主，尤其1990 s和2010 s干旱分布范圍最廣。

3.3 旱澇頻率空間分布特征

采用ArcGIS反距離權重空間插值分析河南省旱澇空間變化，如圖3所示。據此進行對比分析，不同時間尺度的旱澇空間分布如表2所列。

表2 不同時間尺度上河南省旱澇空間分布對比Tab.2 Comparison of spatial distribution of drought and flood in Henan Province on different time scales

可以看出，近59 a河南省干旱總體上呈現中西部連片多發的特點，雨澇頻發區主要集中于中北部及豫南東部兩個區域，而豫北安陽、豫東商丘市周邊地區無論干旱還是雨澇發生頻率均最低。作物生長季旱澇頻發區在豫西地丘陵區有較多重疊，可見豫西山地丘陵區作物生長季均存在較高的旱澇風險。不同季節間的旱澇分布也存在明顯差異，其中春季干旱范圍較廣，主要集中于中東部及南部地區，基本呈多點連片化干旱特征；夏季干旱頻發區主要集中于沿黃河晉豫交界一帶。相對于春、夏季干旱的多點頻發、范圍廣等特點，秋、冬季節干旱分布則趨于集中。秋季干旱頻發區主要集中于中西部地區，冬季干旱頻發區則轉移至豫西南、豫南一帶。春季雨澇主要集中于豫西南地區及豫南、豫東部分地區，夏季雨澇主要轉移至鄭州、開封、新鄉市一帶，秋季則形成了以南陽、許昌、商丘市為中心的帶狀雨澇頻發區，冬季則形成了雨澇南北頻發、中部較少的分布格局。

3.4 旱澇演變的氣候背景分析

區域性旱澇的發生存在多種氣候背景因素，如由于海溫異常引起的El Nio/La Nia事件及其他區域海溫異常的情況，太陽黑子活動、大氣環流、下墊面等。鑒于El Nio/La Nia事件與太陽活動對季節性降水異常及區域性旱澇的重要影響，在此僅以El Nio/La Nia事件與太陽黑子活動為例進行分析。

3.4.1旱澇演變與El Nio/La Nia的關系

為全面了解河南省旱澇發生前SST異常的情況，依據El Nio/LaNia事件的定義[15]，對旱澇發生前1 a內的Nio3.4區SSTA進行統計，結果如表3所列。可以看出：河南省干旱發生前Nio3.4區SST發生異常偏低(連續12個月SSTA <0，La Nia事件)的比例(66.7%)遠高于異常偏高(連續12個月SSTA >0，El Nio事件)比例(33.3%)，尤其所形成的La Nia事件次數及占比均顯著高于El Nio事件。雨澇發生前Nio3.4區SST連續12個月SSTA<0的比例雖然仍高于異常偏高，但發生次數兩者均較少。從事件的形成對比來看，雨澇發生前形成El Nio事件的次數占比明顯高于La Nia事件。由此說明，河南省干旱容易在Nio3.4區SST異常偏低尤其形成La Nia事件的情況下發生，而雨澇則容易在Nio3.4區SST異常偏高尤其形成El Nio事件的情況下發生。

表3 1960～2018年河南省旱澇發生前的1 a內Nio3.4區SST異常統計Tab.3 Statistics of SST anomalies in Nio 3.4 area within a year before drought and flood in Henan Province from 1960 to 2018

表3 1960～2018年河南省旱澇發生前的1 a內Nio3.4區SST異常統計Tab.3 Statistics of SST anomalies in Nio 3.4 area within a year before drought and flood in Henan Province from 1960 to 2018

SST異常類型干旱雨澇發生次數/次所占比例/%發生次數/次所占比例/%SSTA<0(未生成La Ni?a事件)625.0419.0La Ni?a事件1041.7628.6SSTA>0(未生成El Ni?o)312.529.5El Ni?o事件520.8942.9

表4 1960～2018年El Nio/La Nia事件期間與結束1 a內河南省旱澇統計Tab.4 Statistics of drought and flood in Henan Province during and within 1 year of El Nio/La Nia events from 1960 to 2018 %

表4 1960～2018年El Nio/La Nia事件期間與結束1 a內河南省旱澇統計Tab.4 Statistics of drought and flood in Henan Province during and within 1 year of El Nio/La Nia events from 1960 to 2018 %

響應時段El Ni?o事件旱澇頻率La N i?a事件旱澇頻率極端干旱干旱正常雨澇極端雨澇極端干旱干旱正常雨澇極端雨澇同期全年24.7638.4430.2431.3221.6526.3539.5126.2734.2223.85作物生長季23.8537.0226.0236.9626.4729.0241.3324.3134.3523.14春季20.6732.9427.2339.8329.0830.4843.1421.0335.8321.75夏季26.3240.0923.2236.6926.7826.8639.0227.8433.1423.92秋季28.0642.2430.9526.8117.8417.2131.3731.3737.2528.10冬季22.7036.6436.0227.3517.7527.9941.4826.0632.4523.02結束1a全年25.3536.1927.3136.5124.6825.1739.5027.6532.8523.01作物生長季25.7535.2425.2139.5526.8927.8042.7926.1931.0220.45春季24.5732.4124.5743.0227.8026.2042.7828.5228.7018.00夏季25.3735.2924.9139.7928.1429.8842.7223.6833.5923.22秋季18.5131.6630.8037.5428.8929.8646.3823.7629.8622.17冬季29.3341.9629.4128.6317.6518.4731.2932.1236.5926.59

表5 1960～2018年不同類型El Nio/La Nia事件結束1 a內河南省旱澇統計Tab.5 Statistics of drought and flood in Henan Province within 1 year after different types of El Nio/La Nia events from 1960 to 2018 %

表5 1960～2018年不同類型El Nio/La Nia事件結束1 a內河南省旱澇統計Tab.5 Statistics of drought and flood in Henan Province within 1 year after different types of El Nio/La Nia events from 1960 to 2018 %

事件類型季節El Ni?o事件旱澇頻率La Ni?a事件旱澇頻率極端干旱干旱正常雨澇極端雨澇極端干旱干旱正常雨澇極端雨澇東部型春季9.1 1.6 29.9 12.3 47.1 31.4 11.1 39.9 5.2 12.4 夏季13.9 5.9 28.3 13.4 38.5 22.9 9.8 15.7 13.7 37.9 秋季36.4 16.0 16.6 7.5 23.5 39.2 9.8 16.3 2.6 32.0 冬季33.2 31.0 26.2 0.5 9.1 15.0 9.8 29.4 13.1 32.7 中部型春季33.3 10.8 21.6 10.8 23.5 47.1 5.9 27.9 10.3 8.8 夏季26.5 11.8 20.6 4.9 36.3 33.8 7.4 32.4 10.3 16.2 秋季16.7 27.5 22.5 11.8 21.6 39.7 8.8 26.5 10.3 14.7 冬季29.4 9.8 20.6 19.6 20.6 0 0 29.4 11.8 58.8

表6 1960～2018年不同強度El Nio/La Nia事件結束1 a內河南省旱澇統計Tab.6 Statistics of drought and flood in Henan Province within 1 year of the El Nio/La Nia events with different intensities from 1960 to 2018 %

表6 1960～2018年不同強度El Nio/La Nia事件結束1 a內河南省旱澇統計Tab.6 Statistics of drought and flood in Henan Province within 1 year of the El Nio/La Nia events with different intensities from 1960 to 2018 %

事件強度季節El Ni?o事件旱澇頻率La Ni?a事件旱澇頻率極端干旱干旱正常雨澇極端雨澇極端干旱干旱正常雨澇極端雨澇弱春季37.3 8.8 12.7 5.9 35.3 38.2 5.9 35.3 3.9 16.7 夏季17.6 8.8 18.6 12.7 42.2 46.1 10.8 17.6 7.8 17.6 秋季30.4 25.5 25.5 2.0 16.7 52.9 8.8 5.9 2.0 30.4 冬季21.6 17.6 31.4 12.7 16.7 6.9 12.7 29.4 20.6 30.4 中等春季9.2 3.4 39.5 15.1 32.8 40.2 13.7 30.4 7.8 7.8 夏季26.1 6.7 26.1 5.9 35.3 10.8 8.8 27.5 19.6 33.3 秋季26.1 21.8 10.9 12.6 28.6 26.5 8.8 29.4 7.8 27.5 冬季39.5 17.6 18.5 6.7 17.6 15.7 2.0 34.3 6.9 41.2 強(超強)春季2.9 1.5 26.5 14.7 54.4 0 5.9 76.5 17.6 0 夏季5.9 8.8 35.3 14.7 35.3 0 0 0 0 100.0 秋季33.8 8.8 22.1 13.2 22.1 35.3 17.6 41.2 5.9 0 冬季33.8 42.6 23.5 0 0 0 0 0 0 100.0

3.4.2旱澇演變與太陽黑子活動的關系

太陽黑子活動存在不同尺度的周期，其中最顯著的是11 a周期，而且國際上規定將1755 年作為第一個太陽黑子周期的開始。依此統計，1960～2018年共經歷了太陽黑子第19個活動周的后期與第20～24個活動周的全部，其中出現了1968，1979，1989，2000，2014年等5個極大值年(M)，以及1964，1976，1986，1996，2008年等5個極小值年(m)。太陽引力場的周期變化，可以引發多種自然災害，特別是黑子活動峰、谷值時期，是多種自然災害的爆發時期[26]。對太陽黑子極值年附近的河南省旱澇發生的占次比進行統計，如表7所列。

表7 太陽黑子極值年及附近年份的河南省旱澇站次比統計Tab.7 Station ratio statistics of drought and flood in Henan Province near sunspot extreme years %

從表7可以看出，太陽黑子極值年及前后河南省旱澇具有顯著的規律性。太陽黑子m及m-1年均發生了較大范圍的雨澇，雨澇與極端雨澇頻率均遠高于干旱與極端干旱，而在極小值出現后的m+1年干旱與極端干旱頻率則遠高于雨澇和極端雨澇。與此相反的是，太陽黑子極大值出現年份M及M-1均出現了干旱與極端干旱頻率顯著高于雨澇與極端雨澇，而在極大值出現后的M+1年，雨澇和極端雨澇頻率則高于干旱與極端干旱。另外，太陽黑子m年、m-1年及M+1年發生雨澇和極端雨澇的頻率范圍明顯高于M年與M-1年，而M年、M-1年及m+1年發生干旱與極端干旱的頻率范圍則明顯高于m年及m-1年。

3.4.3旱澇演變對SSTA與太陽黑子活動的周期性響應

根據前期研究[24]，1960～2018年河南省全年、季節旱澇演變普遍存在3～5 a的年際周期變化，秋季還存在7～8 a的周期變化，全年與春、夏、冬季還存在13～14 a的周期性。對相同時段Nio3.4區SSTA與太陽黑子相對數進行Morlet小波變換，發現Nio3.4區SSTA存在3.1 a(第一主周期)、9 a(第二主周期)的周期性變化，太陽黑子數存在8.5 a的周期性變化，而從1700年以來的長時間尺度變化來看，則存在貫穿于全時域的8～16 a的顯著周期以及64～128 a周期等[27]。

為進一步揭示河南省旱澇演變對SSTA與太陽黑子活動的周期性響應特征，提取主要周期進行信號重建，如圖7所示。可以看出，河南省不同季節旱澇3～5 a的周期在不同階段具有一定差異性，雖然與SSTA的3.1 a周期相近，但并沒有呈現全域性同步、同相位遙相關，僅在某個階段的變化相近，這可能與Nio3.4區SST，并異常變化對河南省旱澇產生明顯的滯后效應有關。在旱澇13～14 a年代際周期變化上與太陽黑子活動14 a相對應，但基本滯后了半個相位。秋季旱澇7.5 a周期與SSTA的9 a周期接近，且在1990 s，2000 s兩者呈同相變化。秋季旱澇7.5 a周期與太陽黑子活動的8.5 a周期有很好的一致性，但兩者相位也并不同步。由此說明，河南省旱澇演變對SSTA與太陽黑子活動具有階段性的周期性響應，且具有明顯的滯后性。

4 結 論

本文利用河南省1960～2018年氣候資料，采用降水和潛在蒸發均一化旱澇指標，對河南省近59 a以來旱澇時空演變特征及其氣候背景進行分析，得到以下結論：

(1)河南省旱澇趨勢轉換出現在1990 s中期前后，不同季節均呈不同程度的干旱增多、雨澇減少、干旱覆蓋面積增大、雨澇覆蓋面積減小的特點，而且除冬、夏季之外，其他季節均在0.01置信水平上呈顯著干旱化趨勢，但所有季節干旱化趨勢均會在未來持續增強。

(2)在空間分布上整體呈現中西部干旱連片多發、豫中與豫南東部雨澇多發的特點。作物生長季旱澇頻發區均集中于豫西地區。春旱范圍較廣，呈多點連片化干旱特征，夏季干旱頻發區主要集中于沿黃河晉豫交界一帶，秋冬季節干旱頻發區則由豫西、豫中向豫南轉移。春季雨澇頻發區主要環豫西南、豫南及豫東一帶，夏季則轉移至鄭州、開封、新鄉市一帶，秋季形成了以南陽、許昌、商丘市為中心的帶狀雨澇頻發區，冬季則形成了雨澇南北頻發、中部較少的分布格局。

(4)太陽黑子m年、m-1年及M+1年易發生雨澇與極端雨澇，而M年、M-1及m+1年易發生干旱與極端干旱。太陽黑子m年、m-1年及M+1年發生雨澇和極端雨澇的頻率范圍明顯高于M年與M-1年，而M年、M-1年及m+1年干旱與極端干旱發生的頻率范圍則明顯高于m年及m-1年。

(5)河南省旱澇演變對SSTA與太陽黑子活動具有階段性的周期性響應，且具有明顯滯后性。