基于SPI的近30年黄河三角洲地区旱涝时空特征

任建成, 巩在武, 郑宝枝

(1.南京信息工程大学 公共管理学院, 南京 210044; 2.滨州市气象局, 山东 滨州 256600)



基于SPI的近30年黄河三角洲地区旱涝时空特征

任建成1,2, 巩在武1, 郑宝枝2

(1.南京信息工程大学 公共管理学院, 南京 210044; 2.滨州市气象局, 山东 滨州 256600)

根据1981—2010年黄河三角洲地区11个气象观测站逐月降水资料，采用标准化降水指数(SPI)，分析了该地区的旱涝时空变化特征。结果表明：黄河三角洲地区在20世纪80年代干旱较为频繁，90年代中后期和2002年以后则雨涝较为频繁，其他时段呈现出旱涝交替变化的趋势;黄河三角洲地区四季旱涝变化的特征不同，但从长期趋势来看，四季均表现出向雨涝方向发展的趋势；黄河三角洲的区域旱涝变化特征基本趋于一致，且均呈现出多雨的趋势，但旱涝变化幅度有细微差别；黄河三角洲地区在20世纪80年代末至90年代初旱涝变率最大，其次是21世纪00年代中前期，其他时间变率较小，区域变率总体上与全区保持一致。

旱涝; 时空特征; 标准化降水指数(SPI); 黄河三角洲

自然灾害给人类带来了巨大的经济损失。根据中国气象局统计，气象灾害大约占到各类自然灾害70%以上。我国每年受重大气象灾害影响的人口可达4亿人，造成的经济损失可以占到国民生产总值的1%～3%[1]。旱涝灾害是中国最严重的自然灾害之一，它分布广、发生频率高，而且造成了巨大的经济损失。研究表明：随着全球变暖，中国旱涝气候灾害的年际和年代际变化更加明显[2]。

黄河三角洲是我国最后一个尚待开发的大洋三角洲，它包括东营、滨州两地市的全部以及周围自然环境条件相似的部分县市。该地区降水量偏少，旱涝灾害是主要气象灾害之一，素有“十年九旱”之说[3]。因此，分析该地区旱涝变化特征，可以为该地区抗涝防旱、防灾减灾提供气象学依据。

目前，评价某地区旱涝状态的指标主要包括降水距平百分率、综合气象干旱指数(CI)、标准化降水指数(SPI)、Z指数、Palmer干旱指数等。很多学者对比了不同指数的应用效果[4-12]，其中，标准化降水指数(SPI)可以对不同时间和空间尺度的旱涝特征进行比较，稳定性较好，因此，许多学者采用SPI分析了各地干旱变化特征[13-17]。

由于东营市、滨州市区域面积占黄河三角洲地区的绝大部分，本文以东营、滨州两市为例，分析黄河三角洲地区的SPI特征，以期为减轻该地区旱涝灾害损失、合理利用水资源提供气象学依据。

1　基本方法和数据

1.1标准化降水指数

1993年McKee等[18]提出标准化降水指数(SPI，Standardized Precipitation Index)的概念。SPI的计算涉及到较复杂的Γ分布函数[19-20]。根据参考文献[20]，把旱涝分成不同的严重程度等级(表1)。

表1SPI旱涝等级分类

SPI旱涝等级SPI≥2.00特涝1.50≤SPI<2.00重涝1.00≤SPI<1.50中涝0.50≤SPI<1.00轻涝-0.50

1.2资料来源

采用黄河三角洲地区11个县(区)气象观测站1981—2010年逐月降水资料。根据地理环境的不同，将全区分为3个区域：北部沿海(无棣、沾化、垦利)、中部平原(惠民、阳信、滨城、东营、利津)和南部丘陵(邹平、博兴、广饶)。

2　黄河三角洲地区旱涝变化特征

2.1不同时间尺度的SPI比较

利用近30年黄河三角洲地区11个气象观测站的逐月降水数据，以1个月、3个月、12个月为时间尺度计算出SPI值，然后求得11个站SPI的算术平均值，以此代表整个地区的旱涝指数。从图1可以看出，SPI(1个月、3个月)时间尺度较短，短时降水对其影响较大，旱涝转换较频繁和突然，说明黄河三角洲地区中短期旱涝比较频繁；而12个月的SPI，由于时间尺度较长，响应短期降水的速度明显减慢，旱涝变化周期更长，更加稳定，出现极端旱涝的频率较SPI(1个月、3个月)减少很明显。

SPI(12个月)也可以反映旱涝的年际变化规律。从SPI(12个月)变化图中可以看出，黄河三角洲地区在20世纪80年代干旱较为频繁，90年代中后期和2002年以后则雨涝较为频繁，其他时段则呈现出旱涝交替变化的趋势。

图1　黄河三角洲地区不同时间尺度SPI变化

2.2旱涝季节变化

研究表明[21]，分析季节干旱可以使用3个月时间尺度的SPI。基于黄河三角洲地区的气候特点，分别用3—5月、6—8月、9—11月、12月—次年2月的SPI值，代表春、夏、秋、冬四季的SPI值。首先分析各季节SPI值的方差，代表各个季节的旱涝变化幅度。经计算得出春、夏、秋、冬4个季节方差分别为0.898，0.841，0.929，0.954，可见冬季旱涝变化幅度最大，秋季次之，夏季是最小的。

春季黄河三角洲地区旱涝呈现交替变化的特征。近30年春天干旱的年份有8次，其中1996年旱情最为严重，SPI达到-1.73；雨涝的年份为10次，其中2009年雨涝情况最严重，SPI达到1.76，其余12 a为正常年份。计算SPI线性倾向率为0.22/10 a，表明长期来看，该地区春季降水呈增多趋势，春旱将逐渐减轻。

夏季黄河三角洲地区旱涝变化特征为：1981—1993年干旱较为频繁，90年代中期到20世纪末则洪涝较多，之后呈现出旱涝交替变化的特征。近30年雨涝年份为7次，其中1990年夏季降水最多，SPI值为1.93；干旱年份为9次，最旱年份为2002年，SPI值为-1.35；其余14 a为正常年份。夏季的SPI线性倾向率为0.21/10 a，表明长期来看，黄河三角洲地区夏季多雨年呈增多趋势。

秋季黄河三角洲地区旱涝变化特征为，在1995年以前旱涝交替出现，1995年以后则干旱出现比较频繁。近30年秋季干旱年份为9次，其中2006年降水最少，SPI值为-1.77；雨涝的年份有10 a，其中降水最多为2003年，SPI值为2.44，为特涝；其余11 a为正常年份。秋季SPI线性倾向率为0.06/10 a，表明长期来看，秋季多雨呈现增多趋势，但变化趋势不明显。

黄河三角洲地区冬季旱涝呈现交替变化的特征。整个80年代和2002年以后在正常线上下波动，变化较为平缓，其他时间变化幅度较大。冬季干旱年份为9次，1999年干旱最严重，SPI值达到-1.75；雨涝年份为4 a，是4个季节中最少的，表明该地区冬季最不容易出现强降水，最涝年份为1998年，为特涝；其他为正常年份。冬季SPI线性倾向率为0.15/10 a，表明冬季也是呈现降水增多趋势。

图2　黄河三角洲地区各季节SPI变化

2.3旱涝频率变化

如图3所示,黄河三角洲地区干旱发生频率为23%～33%，雨涝发生频率为20%～30%。其中6月、9月发生雨涝的频率要大于干旱频率，3月、4月、5月和10月表现为干旱频率大于雨涝频率，其余月份二者的频率是持平的。各年代旱涝变化频率分别为50%/10%(80年代)，30%/30%(90年代)，20%/40%(2001年以后)。可以看出，黄河三角洲地区近30年经历了一个由旱转涝的变化过程，80年代旱情严重，90年代则旱涝持平，2001年以后则雨涝明显多于干旱。

图3　黄河三角洲地区各月及各年代旱涝频率变化

2.4旱涝空间变化

计算各区域所含站点年尺度的SPI算术平均值，用以代表该区域的旱涝指数。从图4可以看出，北部沿海、中部平原以及南部丘陵3个区域的旱涝变化基本趋于一致，20世纪80年代以干旱为主，90年代旱涝交替变化，21世纪初以干旱为主，2003年以后则以雨涝为主，3个区域均呈现多雨趋势。其中在20世纪90年代初期，南部丘陵的旱涝变化幅度较其他两个区域小，而在90年代中期，南部丘陵的旱涝变化幅度较其他两个区域大。

图4　黄河三角洲地区各区域12个月SPI时间序列

2.5旱涝变率的变化特征

参考Vicente等[22]表示变率的方法，计算SPI(12个月)的5年滑动标准差，用其表示变率。把60个月的滑动标准差值记作中间年月值，整个地区的平均变率用11个站滑动标准差的算术平均值表示，各区域平均变率用该区域内站点的滑动标准差算术平均值代表。

从图5可以看出，黄河三角洲地区在20世纪80年代末至90年代初旱涝变率最大，其次是21世纪00年代中前期，其他时间的变率相对较小。3个区域的变率总体上与整个地区一致，只是在80年代末至90年代初中部平原的变率明显偏大，而在90年代末，南部丘陵的变率明显偏小。

图5　黄河三角洲全区及各区域12个月SPI5年滑动标准差时间序列

3　结 论

(1) 黄河三角洲地区在80年代干旱较为频繁，90年代中后期和2002年以后则雨涝较为频繁，其他时段则呈现出旱涝交替变化的趋势。

(2) 黄河三角洲地区四季旱涝变化的特征不同。但从长期趋势来看，四季均表现出向雨涝方向发展的趋势，表明该地区降水呈增多的趋势。

(3) 黄河三角洲3个区域的旱涝变化基本趋于一致，20世纪80年代以干旱为主，90年代旱涝交替变化，21世纪初以干旱为主，2003年以后则以雨涝为主，3个区域均呈现多雨趋势。其中在90年代初期，南部丘陵的旱涝变化幅度较其他两个区域小，而在90年代中期，南部丘陵的旱涝变化幅度较其他两个区域大。

(4) 黄河三角洲地区在80年代末至90年代初旱涝变率最大，其次是21世纪00年代中前期，其他时间变率较小。3个区域的变率总体上与整个地区一致，只是在80年代末至90年代初中部平原的变率明显偏大，而在90年代末，南部丘陵的变率明显偏小。由于SPI只考虑了降水因素，因此使用SPI进行旱涝分析必须因地制宜。另外，由于短时强降水属于小尺度天气，其范围经常只有几千米到几十千米，经常造成局地旱涝，因此，必须选择合理的空间尺度来分析旱涝变化。以上因素对于旱涝的影响都有待于以后进一步论证。

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Spatiotemporal Characteristics of Drought/Flood in the Yellow River Delta Based on SPI in Recent 30 Years

REN Jiancheng1,2, GONG Zaiwu1, ZHENG Baozhi2

(1.SchoolofPublicAdministration,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China; 2.BinzhouMeteorologicalBureau,Binzhou,Shandong256600,China)

Based on the monthly precipitation data in the Yellow River Delta area during the period from 1981 to 2010 and the standardized precipitation index (SPI), the spatiotemporal character of drought and flood in the area was analyzed. The results showed that drought was frequent in the Yellow River Delta in the 1980s, and the flood was frequent in later 1990s and after 2002, a trend of alternating droughts and floods presented in the other periods; with regard to the characteristics of the 4-quarter change of drought and waterlogging in the Yellow River Delta area, from the long-term trend, the 4-quarter showed the trend to the development of flood; drought and flood change characteristics of the Yellow River Delta were basically the same, and showed the rainy trend, but there were subtle differences in changes of drought and flood; the greatest variation of flood and drought was observed in the Yellow River Delta in early 1990s and in the later 1980s, followed by the early 2000s, rate of change was small in the rest periods, the change rate of overall and regional change rate were consistent in general.

drought/flood; spatiotemporal characteristics; standardized precipitation index (SPI); Yellow River Delta

2015-08-14

2015-08-25

中国教师发展基金会校本科研专项基金资助项目“校本科研引领和促进基础教育质量提升的研究”(FHB110083)

任建成(1984—),男,山东潍坊人,硕士研究生,工程师,主要从事中短期预报、人工影响天气研究。E-mail:19129512@qq.com

巩在武(1975—),男,山东临沂人,博士后,教授,主要从事模糊决策理论、灰色系统理论研究。E-mail: zwgong26@163.com

P426.61

A

1005-3409(2016)01-0268-04