基于标准降水指数的广西旱涝特征演变分析*

姚 蕊，陈子燊

(1.中山大学水资源与环境系，广东广州 510275;2.广东珠荣工程设计有限公司，广东广州 510610)

气候变化引起的降水空间分布不均，从而导致旱涝灾害频繁发生，受到社会各界的普遍关注［1－2］。广西属于亚热带季风气候区，受冬、夏季风交替出现和地理环境的影响，降水分布不均匀，旱涝灾害频繁发生。广西历来深受风、潮、洪、涝、旱等灾害的侵害，其中干旱灾害占60%，洪涝灾害占13%，其他灾害占27%［3］，特别是2010年西南五省大旱，对广西及其他四省市的社会经济及人民生活带来巨大的经济损失。根据广西民政厅统计，1978－2000年广西平均每年洪涝灾害受灾面积为42万hm2，成灾面积为27万hm2;平均每年受旱灾面积72.4万hm2，成灾面积44.3万hm2［4］。旱涝灾害对广西经济发展和人民生命安全产生了巨大的影响。目前，国内外学者已经对广西降雨做了很多的研究，黄嘉宏等对广西地区月降水和气温进行分析，研究表明广西年降水量没有明显的长期变化异常，但降水趋势有明显的季节差异;广西年平均气温有极明显的增温趋势［5］;李宇中对广西秋冬季降水特征进行研究，发现广西秋季降水南多北少，冬季降水则东多西少，秋季出现异常干旱比较频繁［6］;张凌云等对广西春旱的时空分布特征进行相关分析，发现在春旱年，广西上空对流层低层出现偏南－西南气流异常现象［7］。但是，前人对于广西旱涝灾害的研究局限于某一季节或者研究数据比较短［5－6］。为此，本文采用标准降水指数为旱涝指标，结合旋转经验正交函数对广西旱涝时空特征进一步深入研究，这对于全面了解广西全区旱涝时空分布规律、防洪抗旱等问题具有重要意义。

1 资料和方法

1.1资料

本文数据采用广西壮族自治区74个地面气象站的1961－2008年逐月降雨量资料，资料来源于广西壮族自治区气象局。个别月份缺失数据利用相邻站点降雨资料进行插补。广西壮族自治区的历年旱灾和水灾受灾面积资料来源于中国气象灾害大典(广西卷)［4］。

1.2 方法

1.2.1 标准降水指数

标准降水指数 (Standardized Precipitation Index，简称SPI)是Mckee等［8］在1993年提出，由于SPI具有多时间尺度，计算简单的特性，被广泛的应用。为消除样本的自相关性，Shih-Chieh等［9］提出将时间序列中不同月份的SPI值先分别计算，再合起来得到整个时间序列的SPI值。短时间尺度(1月、3月、6月等)的SPI值可以反映农作物在生长期的水分供给情况，而长时间尺度 (12月、24月、48月等)的SPI值可以用来反映河流水位、水库水位等周期变化情况［10］。具体步骤是:设X表示月降水时间序列，Xw表示w时间尺度的累积月降水序列，其中w=1，3，6，...，Xmonw表示某月份对应的w时间尺度的累积月降水序列，其中mon表示月份，mon=1，2，3，…，12。则计算 SPI的公式可以表示如下［8］:

其中，F表示Gamma分布函数，φ－1表示标准正态分布的反函数。

根据SPI值的大小可以将SPI值划分为7个等级，具体见表1。

表1 SPI值旱涝等级Table 1 Categories defined for SPI

1.2.2 旋转正交经验函数

旋转正交经验函数 (简称REOF)是在EOF分析的基础上对特征向量进行极大方差正交旋转［11］，EOF分离出要素的方差贡献率尽量集中在前几个特征向量上，其分离出的空间分布结构不能清晰的表示不同地理区域的特征，同时取样大小不同也会导致反映真实分布结构的相似度不同［12］;旋转经验正交函数可以克服这些局限性，可以更好地反映不同区域的变化和相关分布状况。设气象场A=f(t，x)，其中t表示时间，x表示空间点的标号，以Aij(i=1，2，…，m，j=1，2，…，n)表示第j次时间第i个空间点上气象要素的观测值。其中，m为时间序列的长度，n为测站数。观测资料矩阵Am×n可分解为两部分:

其中，Vm×n为归一化特征向量，矩阵Tm×n为特征向量的权重系数。按照方差极大原则做正交旋转，提取方差最大的前几个因子的特征向量及其相应时间系数加以分析。

1.2.3 Mann-Kendall方法

本文采用非参数Mann-Kendall(以下简称M-K法)趋势检验法来研究标准降水指数的趋势变化［13］。M-K方法广泛应用于检验水文气象资料的趋势成分，是世界气象组织推荐的应用于时间序列分析的方法。

2 结果与分析

2.1 不同时间尺度SPI及其适用性分析

利用SPI多时间尺度的优势，分别以1个月、3个月、6个月、12个月的时间尺度计算1961－2008年的 SPI值 (简称为 SPI1、SPI3、SPI6、SPI12)，对广西全区旱涝进行分析。由图1可知，1个月尺度的SPI上下波动频繁;随着尺度的增大，旱涝变化的周期趋于明显，12个月尺度SPI值则可反映旱涝趋势变化。如广西灾情统计显示，在1963年广西发生了全区性长时期严重大旱［4］，春、夏、秋连旱。SPI1显示1963年1月、4－6月、8－9月为干旱阶段，SPI3显示1－2月，4－10月为干旱阶段，SPI6显示1－11月均为干旱阶段，SPI12显示1－12月全年均为干旱阶段。由此可见，随着SPI尺度的增大可更清楚显示出季节变化特征、旱涝的持续性和变化趋势。本文利用SPI12对广西旱涝加以分析，由图1(d)中SPI12变化过程可以看出，广西地区在1961－2008年间旱涝变化交替出现。根据表1的SPI旱涝等级对其分级，广西地区极涝和极旱的年份分别为1995年和1963年;重涝年份为1994年，重旱年份为1964年和1991年;48年中正常年份有27年，其余年份都出现了一定程度的洪涝或干旱。

为了进一步验证SPI在广西的适用性，本文对广西1961－2007年 (注:其中缺少1967－1977年旱灾受灾面积资料和1963－1977年水灾受灾面积资料)旱灾、水灾受灾面积 (图1e)与相应时段的SPI12值 (图1d)进行比较，1963年广西受旱灾面积最大，而SPI12达到了极旱等级;1994年广西受水灾面积最大，而1995年SPI12达到了极涝等级。同时对比其他时段的历史旱、涝灾情况，SPI12指数基本上能反映历史受灾记录。因此，SPI12基本上能够反映广西地区的旱涝变化情况。

图1 广西不同时间尺度SPI值和农业旱灾、水灾受灾面积变化情况Fig.1 Change of multiple time scale SPI and drought-affected and flood-affected agriculture fields in Guangxi

2.2 旱涝年际变化特征

图2为广西48年SPI12时间序列的M-K趋势图，由图可以看出Z1曲线变化的总体趋势为降－升－降—升－降。20世纪60年代呈下降趋势 (趋于干旱)，70年代和80年代中期呈上升趋势 (趋于洪涝)，80年代中期至90年代中期呈下降趋势，90年代中后期至21世纪初是上升趋势，此后转为下降趋势。图3为广西74个气象站中受各等级雨涝与干旱影响的百分比。由图3可见，受极涝影响的年份主要发生在1995年，站点数超过了50%;受极旱影响的年份主要发生在1963年，站点数也超过了50%。近48年中受雨涝影响的站点数整体上表现为升－降－升－降，受干旱影响的站点数趋势表现为降－升－降－升。

图2 广西1961－2008年SPI12值M－K趋势图Fig.2 The trend of M-K test for SPI12form 1961 to 2008 in Guangxi

图3 广西受各等级雨涝和干旱影响站点的百分比%Fig.3 Percentage of stations influenced by floods and droughts of Different classes in Guangxi

2.3 旱涝空间特征分析

对广西地区SPI12进行REOF分析，按照符合North特征值误差范围及旋转后高荷载区基本上布满全区的原则，对广西旱涝进行客观分区以研究区域旱涝特征［14］。广西地区SPI12的REOF分析结果显示，前4个旋转向量的方差贡献分别为24.49%、17.00%、12.65%、11.52%，其累积方差贡献率为65.66%。图4为前4个旋转特征向量等值线图，可以看出，旋转后的主分量分布均匀。等值线密集的地区表示旱涝变率显著的地区［15］。从图4(a)可以看出正高荷载区位于桂东北地区，大值区出现在桂林市附近，表明桂东北地区是广西旱涝灾害最频繁的区域，这一地区属于桂东北多雨区，多雨中心永福年降雨量最高达2 868.3 mm，年暴雨日数7.6 d，汛期暴雨洪涝灾害多。广西地区虽然降雨丰富，但是年内分配不均及水资源调节能力低，导致桂东北地区的桂林、贺州等地区的夏旱和秋旱的频率高于广西的其他地区［4，16］。从图4(b)可以看出正高荷载区位于桂西北地区，说明桂西北地区也是广西旱涝灾害的多发区域。桂西北地区凌云等地区的年平均暴雨日数在6－8天，中洪涝发生的频率为30%－75%，而且桂西北的春旱频率达到80%以上，是广西地区春旱易发地区［16－17］。从图4(c)可以看出正高荷载位于桂东南地区。桂东南地区是属于广西三个多雨区中的桂东南多雨区，陆川年平均降水量达1 906.4 mm，年暴雨日数达8日。桂东南地区干旱主要以夏旱为主，但是干旱频率低于桂东北地区［16］。从图4(d)可以看出正高荷载位于桂西南部地区。桂西南地区的钦州和防城港地区也是广西三大多雨区之一，该区域发生中涝和重涝的频率高。同时该区域的干旱主要为春旱，发生频率在50%－80%之间。根据以上分析，把广西旱涝分成四个区域:桂东北地区 (主要包括桂林市、柳州市、贺州市)，桂西北地区 (主要包括河池市和百色市)，桂东南部地区 (主要包括梧州市、贵港市、玉林市、来宾市东部)，桂西南地区 (主要包括崇左市、防城港市、钦州市、北海市及南宁市北部地区)。按照旋转向量高荷载区 (等值线值≥0.12)分布区域来考虑，将广西分成4个不同的区域:桂东北区、桂西北区、桂东南区、桂西南区。按照上述方法进行分区，虽然相邻区域存在部分重叠地带，但是重叠区域都比较小，并且分区基本上布满广西全区，这充分反映出REOF是一种比较客观的分区方法。

2.4 广西各区旱涝演变趋势

在对广西旱涝进行分区的基础上，分别计算广西4个区域的平均SPI12值，按照表1中SPI旱涝等级对极涝、重涝、极旱、重旱进行统计，结果见表2。从表2中可以看出，4个分区的极端旱涝变化总体上和全区保持一致性，如1963年的全区大旱，1994－1995年全区雨涝;同时也存在一定的区域差异性。2004年6月桂东北区与桂西北区均达到了重旱，而桂东南区与桂西南区均没有达到重旱;1989年10－11月，桂东南区与桂西南区均达到了重旱，而桂东北区与桂西北区均没达到重旱;1991年桂东北区及桂东南区达到了重旱和极旱，而桂西北区及桂西南区均没有达到重旱。1986年6－8月桂西南地区发生了洪涝灾害，7月时达到了极涝，其他3个区域均没达到重涝。桂东北区和桂东南区的重旱发生月份大于其他两个地区，桂西南地区的重涝发生月份是全区最多的，桂西北地区以重旱发生月份较多。图5为广西各个旋转特征向量对应的时间系数，其中时间系数为正值代表偏涝，为负值代表偏旱。由图5可知，近48年广西各分区旱涝具有阶段性，广西四个分区总体表现出了与全区的旱涝变化情况大致相同的趋势，20世纪60年代后期到80年代中后期以及90年代中期到21世纪初，广西所有地区是偏涝的;其他时间段广西地区是偏旱的。

图4 前4个旋转特征向量分布图Fig.4 Four rotating eigenvectors in REOF analysis of SPI12in Guangxi

表2 四个区域主要旱涝阶段的发生时段Table 2 The occurrence time of drought and flood in four areas

图5 广西前4个旋转特征向量的时间系数Fig.5 Time coefficient of four rotating eigenvectors in Guangxi Province

3 结论

本文采用SPI指数作为广西地区旱涝评价因子，对其1961－2008年旱涝特征进行时空分析，得出以下主要结论:

1)广西旱涝变化呈阶段性，20世纪60年代、80年代中后期至90年代初期、21世纪以来主要以干旱为主，70年代至80年代中期、90年代中后期以洪涝为主。

2)通过REOF对广西进行旱涝分区，广西可以大致分为桂东北、桂西北、桂东南、桂西南4大区域，各分区的极端旱涝变化总体上和全区保持一致性，但是不同区域之间重度旱涝存在一定的差异性。桂东北和桂东南地区重旱发生的频率大于其他地区，桂西南重涝发生的频率大。通过研究不同地区的旱涝变化情况，可为广西地区的防洪抗旱与水资源规划管理提供科学依据。

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