1956—2016 年豫东平原干旱分析

杨 丹，李中原，王国重，刘守东，罗清元，李佳红

（1.河南省周口水文水资源勘测局，河南 周口 466000；2.河南省水文水资源局，郑州 450003；3.黄河水文水资源科学研究院，郑州 450004；4.河南省焦作水文水资源勘测局，河南 焦作 454002）

长期以来干旱都是人类面临的主要自然灾害，不仅制约着国民经济的发展，还会对生态环境和国家粮食安全产生严重威胁［1］。近年来，随着全球气候变化，极端气候天气频发，干旱发生的强度与频率显著增加［2-4］。。豫东平原位于河南省东部，地势平坦，海拔在40~100 m，是黄淮海平原（也称作华北平原）的重要组成部分，属亚热带向暖湿带过渡的大陆性季风气候，年降水量在550~1 050 mm，由北向南逐渐增多，6—9 月的降水量占全年的 70% 以上［5，6］。豫东平原约占河南省面积的45%，约占河南省平原面积的79%，是中国夏玉米、冬小麦的主要生产基地，在保障粮食安全上具有举足轻重的作用［7，8］。随着工农业经济发展、人口增加，水资源日益短缺，尤其是干旱等气候因素影响，农业用水不足已成为制约豫东地区作物高产、稳产的瓶颈［9］。张怡等［10］通过模型研究极端气候和农业气候资源变化对豫东冬小麦产区的综合影响，结果为冬小麦产区受灾面积呈减少趋势，但成灾面积为增加态势；成林等［11］分析了黄淮海平原作物干旱特征，认为豫东地区主要表现为冬小麦在灌浆期至成熟期干旱缺水；徐建文等［12］的研究表明，黄淮海地区冬小麦在抽穗期至成熟期呈干旱化的趋势，且干旱变化幅度自北向南呈递增趋势；杨平等［13］研究了黄淮海地区夏玉米的干旱风险，认为其干旱频率在64.36%以上，干旱风险整体偏高。由以上研究可以看出，干旱已成为影响豫东平原作物丰产的重要因素，有必要强化对该区域干旱时空分布规律的研究，为确保粮食安全、防旱减灾提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源与处理

所用数据来自豫东地区及周边区域245 个雨量站1956—2016 年降水监测资料，对个别时间序列不够的雨量站进行了插补延长，并用泰森多边形法将各个站点的雨量转换成面雨量，得到豫东平原1956—2016 年面雨量序列。

1.2 研究方法

1.2.1 降水Z指数 降水Z指数是应用比较广泛的旱涝分析指标，其原理是将服从P-Ⅲ分布的降水序列正态化处理，使之转换为以Z为变量的正态分布［14，15］，具体公式如下。

式中，φ为降水的标准化变量；CS为偏态系数。

φ与CS的计算公式如下：

式中，Ri为降水量；R为平均降水量；S为样本均方差；n为样本数。

参照孙安健等［16］的旱涝等级划分标准，根据Z指数将干旱划分成4 个等级：严重干旱（Z<-1.645）、中度干旱（-1.645≤Z<-1.037）、轻度干旱（-1.037≤Z<-0.524）、无旱（Z≥-0.524）。

1.2.2 小波分析 作为一种时-频局域化分析方法，小波分析对局部信号的刻画更为细致逼真，不仅能够分析非平稳随机信号的多时间尺度，还能清楚揭示出时间序列在多时间尺度上的变化趋势［17］，成为河川径流、降水、蒸发等具有非平稳属性的水文数据规律分析的常用方法［18］。小波函数有许多种，其中Morlet 小波是一种复数小波，能揭示隐藏在时间序列中的多种变化周期，是水文序列分析中最常用的小波函数［19，20］，故研究中采用此小波，其原理与具体计算方法详见文献［21，22］。

2 结果与分析

2.1 干旱年际特征

距平分析能揭示降水量在时间序列内的偏移情况，进而度量其差异性［23］，豫东平原 1956—2016 年降水量距平序列见图1。由图1 可知，61 年中极大值出现在 2003 年、极小值为 1966 年，1959—1962 年、1991—1995 年、2011—2015 年降水量出现了连续 3~4 年的低于平均水平的现象。20 世纪90 年代后，降水量连续低于平均值的频率和持续时间明显增加。

图2 反映的是降水Z指数年际变化情况，有18年Z<-0.524，说明发生了干旱，基本上3 年就有1次，其中，1956—1967 年、1978—1986 年、1996—2004 年序列年际变化明显，其他年份则相对平稳。

就干旱发生频率而言，1956—2016 年干旱年际发生频率平均为29.5%，20 世纪60 年代为30.0%、70年代为20.0%、80 年代为30.0%、90 年代为50.0%、2000—2016 年为 23.5%，20 世纪 90 年代发生的频率最高，其次是 20 世纪 60 年代和 80 年代，2000 年之后进入平稳期，干旱发生频率有所降低，图2 中的线性趋势线也反映了这一特点。

2.2 干旱周期特性分析

小波系数实部等值线能反映出所研究水文序列在各时间尺度上的周期变化及时域分布［24］。由图3a 可以看出，豫东平原干旱演变中存在多时间尺度特征：在26~32 年尺度上存在旱涝交替的2 次完整震荡，主要发生在20 世纪70 年代后；在14~18 年尺度上存在4 次震荡，20 世纪90 年代后期周期震荡减弱；9~11 年在整个时间序列上存在 9 次震荡，20 世纪90 年代以来，干旱演变在该时间尺度上震荡频率增加、振幅变窄；8 年以下的时间尺度上周期变化杂乱，反映出在小时间尺度下，豫东平原洪涝变化频繁规律性较差。

小波方差表示信号震荡随周期尺度的分布，可以确定降水时间序列存在的主要周期［25］。图3b 为豫东平原降水时间序列的方差图，其干旱演变周期在10 年处出现峰值、振幅最强，为主周期。

图 4 反映的是降水Z指数序列与 10、15、30 年周期尺度上的小波系数实部变化过程，可以看出，干旱演变在时域上的分布特征不均匀，除10 年的主周期外，15、30 年时间尺度上周期震荡具有序列局部性特征。从 10、15 年的时间尺度来看，20 世纪 90 年代以来，豫东平原干旱演变在小时间尺度上震荡频率增加，振幅变窄，规律性变差。

2.3 干旱频率空间分布

以245 个雨量站降水Z指数评估得到的点干旱频率为基础，通过ArcGIS 插值分析，得到豫东平原干旱频率空间分布，如图5 所示。从空间分布上看，1956—2016 年该区域干旱平均发生频率在24.70%~34.20%（图5a），其中重度干旱发生频率为3.14%~8.87%（图5b）、中度干旱发生频率为5.89%~13.60%（图5c）、轻度干旱频率为9.69%~20.40%（图5d）。

从各等级干旱发生频率上看，干旱越严重其发生频率越低，且各干旱类型具有互补性，即某一类型干旱高发，其他类型干旱偏向于低发。从空间分布看，干旱高发区大致集中在中上和中下、贯穿左右的2 个带状区域。参看豫东平原地形图，高发的2 个带状区域为左侧山脉阻隔、右侧缺少山麓地带坡积洪积平原的区域。

2.4 干旱空间占比

由泰森多边形根据245 个雨量站制作豫东平原的Voronoi图，如图6所示。以245个雨量站干旱的点数据代表该雨量站在Voronoi图中泰森多边形范围内干旱的面数据，则第x年某类型干旱占比可表示为：

式中，f(x) 为x年干旱面积占比，Sn为第n个雨量站在Voronoi 图中泰森多边形的面积，S为Voronoi图总面积，ϑ(n)为x年第n个雨量站是否发生某类型干旱。

图7 为豫东平原干旱面积所占比例，其干旱面积平均占比为30.03%，有24 年高于平均值、37 年低于平均值，整体上面积占比呈缓慢增加趋势；干旱面积占比最高值出现在1966 年，占总面积的97.62%（图7a）。从各类型干旱来看，重度干旱面积平均占比为4.99%，呈缓慢减少态势，占比峰值出现在1966年，占干旱面积的76.81%（图7b）；中度干旱面积平均占比为9.96%，呈缓慢增加势头，占比峰值出现在1986 年，占干旱面积的45.39%（图7c）；轻度干旱面积平均占比为15.08%，呈缓慢增加趋势，占比峰值出现在1959 年，占干旱面积的46.18（图7d）。

3 小结

基于豫东平原1956—2016 年降水序列，从干旱年际特征、周期特性、频率空间分布、空间占比4 个方面对豫东平原干旱特征进行分析，结论如下。

1）根据 1956—2016 年降水Z指数序列，有 18 年发生了干旱，频率为29.5%，其中1956—1967 年、1978—1986 年、1996—2004 年序列年际变化明显，其他年份相对平稳。

2）干旱演变在10 年时间尺度下周期性最强，为主周期；在15、30 年时间尺度下，干旱演变在部分时间序列持续震荡但未能贯穿整个时间序列，具有序列局部性特征。

3）频率空间分布上，豫东平原干旱发生频率在24.70%~34.20%，干旱高发区大致集中在2 个带状区域。

4）豫东平原干旱面积平均占比为30.03%，呈缓慢增加趋势，其中重度干旱面积平均占比为4.99%，呈缓慢减少态势；中度干旱面积平均占比为9.96%，呈缓慢增加势头；轻度干旱面积平均占比为15.08%，呈缓慢增加趋势。

作为国家粮食主产区，豫东平原干旱必然危及主粮安全，在深入研究其干旱规律和特征的基础上，需要加强该区域的水资源管理，发展高效节水农业、循环农业，确保粮食安全。