1955－2015年郑州夏季旱涝急转特征分析

彭高辉 秦琳琳 马建琴 黄孟亚

摘要：根据郑州1955-2015年逐月降水数据，结合长、短周期旱涝急转指数、线性倾向估计及Mann-Kendall突变检验等数学模型，对郑州年降水特征以及6月-9月份旱涝急转演变规律进行研究。结果表明：郑州的年降水量总体以-7.87 mm/（10a）的速率下降;郑州地区的长周期旱涝急转指数（LDFAI）趋势变化不明显，但LDFAI强度呈阶段性变化特征，存在2个偏强期和2个偏弱期，其中LDFAI强度大于1占37.7%，旱涝急转比较频繁;各相邻月之间的短周期旱涝急转指数SDFAI曲线振荡最频繁的是6月-7月，7月-8月次之，8月-9月指数变化平缓。总体来说，LDFAI的涝转旱的强度比旱转涝强，长、短周期旱涝急转现象均呈现减弱趋势。

关键词：降水;旱涝急转;趋势分析;Mann-Kendall检验

中图分类号：P426文献标志码：A

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：[TP彭高晖.TIF]

Analysis of drought-flood abrupt alternation in Zhengzhou during summer in 1955-2015

PENG Gaohui.1，QIN Linlin.1，MA Jianqin.2，HUANG Mengya.1

（1.School of Mathematics and Statistics，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China;2.School of Water Conservancy，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China）

Abstract：Based on the monthly precipitation data of Zhengzhou meteorological station from 1955 to 2015，using long-and short-cycle drought-flood abrupt alternation index，Linear Tendency Estimation，Mann-Kendall test and other mathematical models，we analyzed the annual precipitation and the evolution of drought-flood during June to September in Zhengzhou.The results were as follows：The annual precipitation significantly decreased at a rate of -7.87 mm/（10a）.The change trend of the LDFAI in Zhengzhou was not obvious，but the intensity of LDFAI exhibited periodic changes，including two strong and two weak periods.The intensity of LDFAI greater than 1 accounted for 37.7% in the recent 61 years，which meant drought-flood abrupt alternation occurred frequently.The short-cycle drought-flood abrupt alternation index between adjacent months had the most frequent fluctuation from June to July，the second most from July to August，and it leveled off from August to September.In general，the intensity of long-cycle flood-to-drought transition was generally stronger than that of drought-to-flood transition.Both long-and short-cycle drought-flood abrupt alternation phenomena showed a trend of decline.

Key words：precipitation;drought-flood abrupt alternation;trend analysis;Mann-Kendall test

政府間气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告中指出[1]，1951-2012年全球温度以0.12 ℃/（10a）的速率上升，由于气候变暖导致极端气候事件发生的频率、强度均出现变化，其中，干旱和洪涝灾害是最为突出的两类极端气候事件[2-3]。近年来，郑州的强降水异常气候事件不断增多，学者对该地区的降水情况也作了研究，刘德林[4]分析了近60年郑州年降水的变化特征，结果显示，年降水量呈增加趋势，且年内分配非常不均匀;崔灿[5]对郑州2012年8月20日的暴雨过程进行分析，得出暴雨形成的过程以及其集中的区域;王纪军等[6]基于1955-2011年郑州市的逐分降水资料，对场次降水量的分布特征进行分析。除此之外，罗浩[7]、史本林[8-9]分别对河南的旱涝灾害、以及干旱情况作研究，结果显示，河南省整体呈干旱加剧、洪涝减弱的趋势。在这种背景下，郑州市作为黄河流域中下游的平原腹地，起着承东启西的重要作用，研究该区旱涝急转特征对整个中原城市群的旱涝急转情况具有十分典型的意义。

旱涝急转[10]指在研究时期内，一段时间发生干旱，一段时间发生洪涝，旱涝交替出现的情形。目前，国内已经有很多学者对旱涝急转现象作了相关研究，但对季节内旱涝急转情况的研究较少，WU Zhiwei等[11-12]基于长周期旱涝急转指数对1957-2000年长江中下游地区进行分析;何慧等[13]采用长周期旱涝急转指数研究了1961-2014年华南地区夏季旱涝急转的演变规律;张水峰等[14]利用旱涝急转指数对淮河流域旱涝急转特征进行了研究。从上述文献来看，他们仅结合流域的平均降水量来分析整个流域旱涝急转特征，研究区域较宽泛，且未从多时间尺度对研究区的旱涝急转情况进行对比分析。鉴于此，本文根据郑州1955-2015年逐月降水资料，利用长、短周期旱涝急转指数，从典型的旱涝急转年、旱涝急转强度以及其时间变化这三方面着手，系统地研究郑州旱涝急转的特征，力求为旱涝趋势预测工作积累经验，进一步为城市防灾、减灾工作提供理论参考和数据支持。

1资料与研究方法

1.1资料来源

数据资料来源于中国气象数据共享网[15]。考虑到数据资料的完整性，本文选取1955-2015年郑州气象站为研究对象，并将其逐日的降水整理成逐月降水量。图1为郑州气象站的地理分布图。

1.2分析方法

统计郑州近61年来各月的降水量情况，得出6月-9月份的降水量占全年降水的65.7%，且旱涝急转事件多发生在此时间段，本文选用这四个月作为研究对象，即，以6月-9月的降水量来表示夏季的降水量。为了消除量纲对实验结果造成的影响，先将6月-9月的降水量进行标准化处理，再根据文献[13-14]中定义的长、短周期旱涝急转指数，来分析郑州旱涝急转的特征。

长周期旱涝急转是指6月-7月旱，8月-9月涝，称为“旱转涝”，反之，则为“涝转旱”。短周期旱涝急转指的是相邻月份，一个月份为旱，另一个月份为涝，称其为“旱转涝”，反之，则为“涝转旱”。即，长周期的变化时间尺度为2个月，短周期则以月为单位。

（1）降水量标准化处理。

式中：R为标准化降水;Xi为降水量（mm）;[AKX-]为降水量的均值（mm）。

（2）长周期旱涝急转指数。

ILDFA=（R89-R67）×（|R89|+|R67|）×1.8-|R67+R89|（2）

式中：ILDFA為长周期旱涝急转指数;R67、R89依次为6月-7月、8月-9月标准化降水量;（R89-R67）表示旱涝急转强度项;（|R67|+|R89|）表示旱涝强度项;1.8.-|R67+R89|为权重系数;其作用是增加旱涝急转事件所占权重，降低全旱或全涝事件权重[12-14]。

（3）短周期旱涝急转指数。

ISDFA=（Rj-Ri）×（|Ri|+|Rj|）×3.2.-|Ri+Rj|，j=i+1（i=6，7，8）（3）

式中：ISDFA为短周期旱涝急转指数;3.2.-|Ri+Rj|为权重系数。依据权重系数再计算6月-7月、7月-8月、8月-9月的月间旱涝急转指数。

（4）Mann-Kendall突变检验[16-17]。

Mann-Kendall检验法适用于水文、气象等非正态分布的数据，该方法不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，广泛应用突变检验，特别是旱涝突变中。设气候序列为{Xn}，Sk[WTBX]表示第i个样本Xi>Xj（1≤j≤i）的累计数，定义统计量

Sk=∑[DD（]k[WTBX][]i=1[DD）]ri，ri=[JB（{]1Xi>Xj0Xi≤Xj[JB）]

在序列随机独立的假定下，Sk[WTBX]的均值和方差分别为

E（Sk）=k（k-1）/4，

将新序列Sk[WTBX]标准化得：

其中：UF1=0。给定显著水平α，若|UFk[WTBX]|>Uα，则表明序列存在明显的趋势变化。将此方法引用到反序列{xn}，即，{xn}={Xn，…，X2，X1}。再进行类似的运算，有新的序列UFk[WTBX]′，则反序列的UBk[WTBX]由下式给出：

其中：UB1=0。给出曲线UFk[WTBX]，UBk的曲线图，如果两曲线相交，只有一个交点，且位于显著性水平范围之内，则认为该交叉点为突变点，反之，不能确定对应两序列的交叉点是否存在突变[17]。

2郑州市旱涝急转规律与分析[HJ1.85mm]

2.1长周期旱涝急转指数时间演变特征

2.1.1典型年份旱涝急转

根据式（2），统计出郑州长周期旱涝急转指数，再选取最高（低）的LDFAI年，见表1。由表1可知：高LDFAI年中，6月-7月的标准降水量均低于8月-9月，即6月-7月到8月-9月的降水量有增加趋势;高LDFAI年中6月-7月的标准化降水量均小于-0.5，其中有5 年小于-1，说明高LDFAI年里有5年显著偏旱;而8月-9月的标准化降水量均大于0.5，且有3年大于1，说明其显著偏涝。同理，可以得到低LDFAI的旱涝情况。即高LDFAI对应着“旱转涝”，低LDFAI对应着“涝转旱”。

根据上述分析结果，在夏季LDFAI中选出指数大于1的年份为典型旱转涝事件，小于-1的年份为典型涝转旱事件。故，典型的旱转涝年有1962、1969、1974、1975、1985、2011年，典型的涝转旱年有1957、1971、1973、1978、1994、2008年。其中，在低LDFAI年中，1973年的8月-9月份为-0.22，没有达到-0.5个标准差，但是其6月-7月份为1.85，比较接近2倍标准差，差距异常明显，故将其选为旱转涝年。

2.1.2旱涝急转指数的时间变化

夏季LDFAI可以反映研究区域是“旱转涝”，还是“涝转旱”的过程，但是，在一定程度上未能反映旱涝急转的强度，因此，为了更好地反映旱涝急转的强度变化，对LDFAI取绝对值，并绘制出1955-2015年郑州夏季LDFAI、旱涝急转强度的年际变化图以及Mann-Kendall突变检验趋势图（见图2）。由图2（a）可以看出，1955-1985年期间发生5次典型旱转涝，4次典型涝转旱，发生旱涝急转事件的频率为3.44 a /次;1986-2015年期间发生1次典型旱转涝，2次典型涝转旱，发生旱涝急转事件的频率为10 a /次;观察趋势线可知，郑州夏季LDFAI以-0.058/（10a）的速率下降，LDFAI正值最大的是1955年，为8.33;负值最小的是1971年，为-5.65;2009-2012年LDFAI均为正值且波动幅度明显，表明旱转涝的趋势增强。总体来看，夏季郑州的LDFAI以-0.058/（10a）的速率下降，表明该研究区域旱涝急转现象由旱转涝变成涝转旱为主导。

观察图2（c），夏季LDFAI强度序列以-0.137/（10a）的速率下降，表示旱涝转换强度减弱。在近61年内，郑州夏季LDFAI强度序列呈现显著的阶段性，1964-1971年、1996-2015年为相对偏弱期;1955-1963年与1972-1995年为偏强期，其中，1955年、1971年旱涝急转情况比较严重。结合图2（a）、2（c）中LDFAI偏高（低）的年份看，郑州涝转旱较强，这表明研究区域一旦出现旱涝急转异常年，其涝转旱强度比旱转涝强。

图2（b）、图2（d）依次为夏季LDFAI以及强度的Mann-Kendall突变检验。从图2（b）可以得出，61年内，夏季LDFAI序列的正序列曲线UF在1977-1985年、2008-2015年表现为正值，表明夏季LDFAI两个阶段呈上升趋势，其中UF值、UB值均未超过α=0.05显著性水平信度线，表明趋势变化并不显著;曲线UF、UB在临界线内的交叉点比较多，故夏季LDFAI没有发生年代际突变。从图2（d）来看，夏季LDFAI强度在1985-2003年呈上升趋势，其余阶段呈下降趋势，且其趋势不显。整体来看，LDFAI强度由强变弱的趋势并不显著，图2（c）也证实了这个结论。

2.2短周期旱涝急转指数时间演变特征

2.2.1典型年份旱涝急转

根据式（3），统計出郑州短周期旱涝急转指数，再选取最高（低）的SDFAI 年（见表2）。由表可知：高SDFAI年中，7、8、9 月标准化降水量均高于相应6、7、8 月的，而低SDFAI年的情况则相反。高SDFAI年中6月份的标准化降水量均大于-0.5，8月份的标准化降水量在0.5之上，其中有2年大于2，为2.1、2.05，说明这几年显著偏涝。同理，可以得到低SDFAI年的旱涝情况。所以上述数据可以反应郑州6月-7月、7月-8月、8月-9月旱涝急转的变化。

和长周期典型旱涝年选择类似，得出典型的旱转涝年：6月-7月有1964年、1973年、1999年、2008年;7月-8月有1962年、1963年、2003年、2012年;8月-9月有1961年、1972年、2014年。典型的涝转旱年有：6月-7月有1963年、1987年、2015年;7月-8月有1977年、1978年;8月-9月有1956年、1958年、1998年、2007年。其中2003年7月份的标准化降水量为-0.41，低于0.5个标准差，但其8月份的为2.05，高于2个标准差，两者的差距异常明显，故将其选为旱转涝年。

2.2.2旱涝急转的时间变化

绘制出郑州夏季短周期旱涝急转指数的趋势图，见图3。结果显示，6月-7月SDFAI振荡较为频繁且更为剧烈;7月-8月SDFAI变化幅度次之;8月-9月的SDFAI指数变化在1962-1997年一直比较平稳（旱涝急转现象非常少），仅在1956、1961以及2007[HJ2.2mm]年发生了更为明显的震荡;郑州各月份发生短周期旱涝急转事件的频率依次为4.36 a /次、4.69 a/次、6.78 a /次，这表明：短周期旱涝急转现象随着月份的递增而递减。总体来看，在1955-1965年期间6月-7月、7月-8月、8月-9月旱涝急转指数变化幅度较明显，且1963年郑州6月-7月份SDFAI的值为-5.37，7月-8月SDFAI的值为4.91，即这一年旱涝急转现象比较严重（6月-7月发生“涝转旱”，7月-8月发生“旱转涝”）。结合时序列图变化情况可以得出，近61年，郑州夏季短周期旱涝急转主要以“涝转旱”为主，且强度呈减弱趋势，此研究结果与长周期尺度的旱涝急转一致。

3结论

由于城市化、城市下垫面的快速推进改变，导致旱涝灾害发生的频率增加。针对这一问题，本文用LDFAI以及SDFAI，详细研究了郑州旱涝急转的特征，得出如下结论。

（1） 夏季长、短周期旱涝急转指数可以很好地反映郑州6月-9月降水变化分布的特征。

（2） 1955-2015年，郑州旱涝急转事件发生的频率为5.08 a /次;且夏季LDFAI以-0.058/10a的速率下降，即发生旱转涝事件的可能性降低，但夏季LDFAI强度呈现显著的阶段性，1964-1971年、1996-2015年为相对偏弱期;1922-1963年、1972-1995年为相对偏强期。M-K突变检验表明，郑州夏季旱涝急转指数以及急转强度的变化均不显著，且其突变的时间点都在20世纪60年代初。

（3） 郑州夏季6月-7月SDFAI振荡较为频繁，7月-8月SDFAI次之，8月-9月指数变化较平缓，这表明：旱涝急转现象随着月份的递增而递减。郑州夏季短周期旱涝急转事件以“涝转旱”为主，急转的强度呈现出减弱的趋势。

本文仅从降水的角度，分析郑州旱涝急转的变化特征，具有一定的研究意义，但未考虑温度、大气环流、南支槽等其他因素的约束，后续将结合多因素对研究区域旱涝急转的规律作进一步的探讨、分析。

参考文献（References）：

[1]秦大河，STOCKER T.IPCC第五次评估报告第一工作组报告的亮点结论[J].气候变化研究进展，2014，10（1）：1-6.（QIN D H，STOCKER T.Highlights of the IPP Working Group I Fifth Assessment Report[J].Progressus Inquisitiones DE Mutatione Climatis，2014，10（1）：1-6.（in Chinese）） DOI：10.3969/j.issn.1673-1719.2014.01001.

[2]LI C，LI T，LIN A，et al.Relationship between summer rainfall anomalies and sub-seasonal oscillations in So-uth China[J].Dynamics of Atmospheres & Oceans，2015.44（1-2）：423-439.DOI：10.1007/s00382-014-2172-y.

[3]QUESADAMONTANO B，BALDASSARRE G D，RANGECROFT S，et al.Hydrological change：Towards a  consistent approach to assess changes on both floods and droughts[J].Advances in Water Resources，2017.DOI：10.1016/j.advwatres.2017.10.038.

[4]刘德林.郑州市近60年来降水变化特征及突变分析[J].水土保持研究，2011，18（5）：236-238.（LIU D L.Variation characteristics and abrupt change analysis of precipitation in Zhengzhou City over the last 60 year Research of Soil and Water Conservation，2011，18（5）：236-238.（in Chinese））

[5]崔灿.郑州一次暴雨天气过程诊断分析[J].环境科学与技术，2014，37（120）：137-141.（CUI C.An heavy rain Weather process diagnosis in Zhengzhou[J].Environmental Science & Technology，2014，37（120）：137-141.（in Chinese）） DOI：10.3969/j.issn.1003-6504.2014.12O.028.

[6]王纪军，胡彩虹，潘攀，等.郑州市夏季降水的变化特征[J].河南科学，2014（9）：001795-1799.（WANG J J，HU C H，PAN P，et al.Variation characteristics of summer precipitation in Zhengzhou[J].Henan Science，2014（9）：001795-1799.（in Chinese）） DOI：10.13537/j.issn.1004-3918.2014.09.026.

[7]罗浩，包为民，王友恒.河南省旱涝态势时空特征分析[J].人民黄河，2016，38（11）：39-43.（LUO H，BAO   W M，WANG YH.Spatial-temporal variation and the tendency of droughts and floods in Henan Province[J].Yellow River，2016，38（11）：39-43.（in Chinese）） DOI：10.3969/j.issn.1000-1379.2016.11.010.

[8]SHI B L，ZHU X Y，HU Y C，et al.Drought characteristics of Henan province in 1961-2013 based on Standardized Precipitation Evapotranspiration Index[J].Journal of Geographical Sciences，2017，27（3）：311-325.DOI：10.1007/s11442-017-1378-4.

[9]史本林，朱新玉，胡云川，等.基于SPEI指數的近53年河南省干旱时空变化特征[J].地理研究，2015，34（8）：1547-1558.（SHI B L，ZHU X Y，HU Y C，et al.Spatial and temporal variations of drought in Henan province over a 53-year period based on standardized precipitation evapotranspiration index[J].Geographical Research，2015.（in Chinese）） DOI：10.11821/dlyj201508012.

[10][ZK（#]闪丽洁，张利平，张艳军，等.长江中下游流域旱涝急转事件特征分析及其与ENSO的关系[J].地理学报，2018，73（1）.（SHAN L J，ZHANG L P，ZHANG Y J，et al.Characteristics of dry-wet abrupt alternation events in the middle and lower reaches of the Yangtze River Basin and their relationship with ENSO[J].Acta Geographica Sinica，2018，73（1）.（in Chinese）） DOI：10.11821/dlxb201801003.

[11]WU Z W，LI J P，HE J H，et al.Occurrence of droughts and floods during the normal summer monsoons in the mid-and lower reaches of the Yangtze River[J].Geophysical Research Letters，2006，33（5）：1-1.

[12]WU Z W，LI J P，HE J H，et al.Large-scale atmospheric singularities and summer long-cycle droughts-floods abrupt alternation in the middle and lower reaches of the Yangtze River[J].Chinese Science Bulletin，2006，51（16）：2027-2034.

[13]何慧，廖雪萍.华南地区1961-2014年夏季长周期旱涝急转特征[J].地理学报，2016，71（1）：130-141.（HE H，LIAO X P.Features of long-cycle drought-flood abrupt alternation in South China during summer in 1961-2014[J].Acta Geographica Sinica，2016，71（1）：130-141.（in Chinese）） DOI：10.11821/dlxb201601010.

[14]张水锋，张金池，等.基于径流分析的淮河流域汛期旱涝急转研究[J].湖泊科学，2012，24（5）：679-686.（ZHANG S F，ZHANG J C.Drought-flood abrupt alternation based on runoff in the Huaihe River Basin during rainy season[J].Journal of Lake Science，2012，24（5）：679-686.（in Chinese））

[15]中国气象数据网[DB/OL].http：//data.cma.cn/site/index.html，2017-11.（China Meteorological Data Network[DB/OL].http：//data.cma.cn/site/index.html，2017-11.（in Chinese））

[16]王景才，徐蛟，蒋陈娟，等.1960-2014年淮河上中游流域年降水和主汛期降水的时空分布特征[J].南水北调与水利科技，2017，15（6）：51-58.（WANG J C，XU J，JIANG C J，et al.Temporal and spatial characteristics of annual and main flood season precipitation in upper and middle reaches of Huaihe River Basin between 1960 and 2014[J].South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology，2017，15（6）：51-58.（in Chinese）） DOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk.2017.06.008.

[17]李紅梅，周天军，宇如聪.近四十年我国东部盛夏日降水特性变化分析[J].大气科学.2008，32（2）：358-370.（LI H M，ZHOU T Y，YU R C.Analysis of July-August daily precipitation characteristics variation in eastern China during 1958-2000.Chinese Journal of Atmospheric Sciences，2008，32（2）：358-370.（in Chinese））