基于SPI指数的粤东北地区旱涝变化特征分析

李思萍，李晓惠，曾思亮，廖勇培

（1.河源市气象局，广东河源 517000；2.江门市气象局，广东江门 529000；3.紫金县气象局，广东紫金 517400）

全球气候变暧背景下，旱涝灾害是对中国工农业生产和经济造成损失最严重的气候灾害［1］。李维京等［2］指出我国南方极端旱涝并发，区域性干旱、洪涝事件均呈增多趋势；张玉琴等［3］研究得出华南地区旱涝急转的发生频率有先减后增的年代际特征；何慧等［4］指出粤东地区夏季长周期旱涝急转指数呈显著上升趋势，还有学者对广东及其部分区域的旱涝变化特征进行研究，取得了一些成果［5-7］。

粤东北地区属干旱灾害的高风险区，并且是以梅州市为高值中心的极端降水异常区和敏感区之一［8］。本研究利用粤东北地区近55年逐月降水数据计算标准化降水指数，辅以小波分析、相关性分析等方法，分析了旱涝的时间变化、周期变化和空间分异特征，对把握粤东北地区旱涝变化规律、减轻旱涝灾害损失、合理利用水资源等具有重要的实际意义和研究价值。

1 资料和方法

1.1 研究区域及数据来源

粤东北地区泛指广东省河源和梅州两地，属亚热带季风气候区。以两个地区的河源、连平、和平、龙川、紫金、梅县、平远、兴宁、蕉岭、大埔、五华、丰顺等共12个国家级气象观测站1965—2019年逐月降水量数据为研究资料。

1.2 研究方法

标准化降水指数（SPI）由美国学者McKee等［9］提出，可定量化表征不同时段内降水量缺乏程度的指标。其特点是利用30年以上降水量数据计算不同时间尺度SPI值，用于月以上时间尺度的旱涝监测与评估［10-11］。SPI利用Γ分布概率描述自然降水，通过概率密度函数计算累积概率并对其标准化处理，计算步骤参考文献［12］。计算过程未涉及与时空分布特性相关参数，极大降低了指标值计算的时空差异［13］。

应用美国国家减灾中心提供的SPI计算程序［14］计算粤东北12个站点1、3、6、12个月的SPI，分别记为SPI1、SPI3、SPI6、SPI12。利用12个站点SPI的算术平均值代表粤东北旱涝指数；同理，用12个站点总雨量的算术平均值计算粤东北地区季节平均雨量及年代际平均雨量。旱涝类型根据SPI值划分9个等级［15］（表1）。

表1 标准化降水指数（SPI）等级分类

2 结果与分析

2.1 旱涝的时间变化

1）不同时间尺度SPI变化特征比较。

SPI1受短期降水影响较大，变化曲线在0线上下频繁波动，旱涝转换尤为突然，较好地反映了短期旱涝变化特征（图1a）。近55年粤东北极端和严重旱涝月占10.15%，其中67.74%出现在春冬季，可见春冬季较常出现短期旱情。SPI3曲线也呈现频繁的旱涝交替特征，极端和严重旱涝月份占13.07%，与SPI1相似（图1b）。SPI6统计表明，极端和严重旱涝月占8.24%，虽然较SPI1、SPI3的极端和严重旱涝月占比明显减少，但是旱涝持续时间却有所延长（图1c）。比较SPI1、SPI3和SPI6变化曲线，随着时间尺度拉长，部分时段的旱涝级别和起止时间发生改变，这一特征反映了前期降水变化的累积影响。

SPI12可反映发生旱涝的具体时段，从其随时间的变化趋势上看（图1d），旱涝转换较稳定，大致分5个阶段：1965—1972年旱涝交替期、1973—1990年洪涝期、1991年末—1992年初短暂干旱期、1992年4月—1998年转为洪涝期、1999—2019年旱涝交替重现，可见曲线变化幅度大，中等级别以上旱涝事件的频率增大。持续性旱涝是制约粤东北农业生产发展的重要因素之一。据统计，近55年内基本每个年代际分别出现2次连续10个月以上的持续性洪涝事件（除20世纪80年代仅出现1次），持续时间最长达25个月（2015年9月—2017年9月），其次是20世纪90年代，可见洪涝事件持续时间有所延长；连续5个月以上的持续性干旱事件仅出现在20世纪70年代、90年代和21世纪初，分别出现1次、2次和3次，持续时间最长达7个月，可见干旱事件有增多的趋势。

据不同时间尺度SPI，近55年粤东北出现旱涝事件的频率较高，平均频率为58.92%，并且洪涝频率（38.38%）大于干旱频率（20.54%）。

图1 近55年粤东北地区不同时间尺度SPI值变化特征

2）不同等级旱涝的季节变化。

粤东北地区降雨集中期在汛期4—9月，跨春、夏、秋3季。近55年粤东北各季节平均降雨量分别为春季597.03 mm、夏季670.79 mm、秋季230.56 mm和冬季169.75 mm。据SPI3统计，极端干旱仅出现在冬季，极端洪涝在各季节均有发生，而正常事件在春季的发生频率最高（11.25%），其次为夏季（10.64%）。夏、秋季出现洪涝事件频率（28.42%）较春、冬季明显偏高，春、冬季出现干旱事件频率（8.05%）较夏、秋季偏高。秋冬季降水虽比春夏季降水明显偏少，但秋季出现洪涝事件的频率（15.5%）却在4季中最高，可见粤东北在秋季易出现旱涝突变（图2）。

3）不同等级旱涝的年代际变化。

根据SPI12统计各年代际不同级别旱涝的发生频率，正常的频率最高，其次是轻微旱涝，极端旱涝频率最低。近55年各年代际年均雨量以20世纪80年代最多（1 728.38 mm/年），其次是21世纪10年代（1 702.29 mm/年），这两个时期的洪涝事件频率均高达53.33%。20世纪70和90年代的降雨也偏多，年均降雨量分别为1 681.51、1 678.31 mm/年，洪涝事件频率均在50%以上。对比各年代际不同级别旱涝类型的频率，洪涝事件频率变化比干旱事件频率变化大，中等、严重洪涝频率有增大的趋势，轻微洪涝自20世纪90年代以来较80年代以前频率明显减小；80年代未出现干旱事件，21世纪初的干旱事件频率最高（19.16%），其余年代干旱事件频率差异不大，均以轻微和中等干旱为主（表2）。

表2 近55年粤东北地区不同级旱涝发生频率的年代际变化 %

2.2 旱涝的周期变化

为揭示粤东北地区近55年旱涝周期变化规律，对SPI12进行Morlet小波分析，并绘制小波系数实部（图3a）、模部等值线图（图3b）和小波方差图（图4）。其中图3a中红色（蓝色）代表小波系数实部为正（负），即降水偏多（偏少），红色（蓝色）越深，洪涝（干旱）程度越大；图3b亦称为小波能量谱图，偏红色（偏蓝色）越深表示能量越强（弱），即能量越强周期越明显。比较图3a和图3b，存在能量聚集、周期显著的4个中心：①中心尺度3年，波动能量影响时段为20世纪80年代初、90年代末和2015年以来；②尺度范围5～12年，波动能量集中在20世纪70年代至90年代初和2000年以来，尤其2000年以来最为强烈；③尺度范围20～25年，波动能量影响时段为20世纪60年代至80年代；④尺度范围32～40年，波动能量基本持续至2005年。可见旱涝周期变化的局部化特征显著。

图3 SPI12小波系数实部（a）和小波系数模部平方（b）等值线图

另外，小波方差图中（图4）有5个较明显的曲线峰值对应准3、5、9、20和38年的时间尺度，近55年粤东北地区旱涝变化主要受这5个时间尺度的准周期影响。

图4 小波方差曲线

最大峰值为准9年（旱涝变化第1主周期），其周期震荡最强且周期最显著，准38、5、3和20年时间尺度对应旱涝变化的第2、3、4和5主周期。可见这5个主周期与小波系数实部、模部平方的分析结果基本一致，可综合得出5个特征时间尺度旱涝变化周期：①准9年，大概存在5个旱涝交替期，旱涝变化平均周期为11年；②准38年，大概存在2个旱涝交替期，旱涝变化平均周期28年左右；③准5年，大概存在11个旱涝交替期，旱涝变化平均周期为5年；④准3年，大约经历了15个旱涝交替期，旱涝变化平均周期4年左右；⑤准20年，大概存在3个旱涝交替期，旱涝变化平均周期18年左右。据以上分析，2019年以后小波系数实部在10年以下时间尺度呈负值（蓝色）变化，对应中心尺度准3年的小波系数模部波动能量显著，预测未来一段时间粤东北地区降水偏少。

2.3 旱涝的空间异同特征

为揭示粤东北地区南北或东西的旱涝空间分异特征，将河源地区归为西区，梅州地区归为东区；以梅县站所处纬线（24.281°N）为界，纬线以北的6个站点归为粤东北的北区，纬线以南的6个站点归为粤东北的南区。由于南北区、东西区的SPI12均符合双变量的正态分布，因此对各区域SPI12绘制散点图并进行线性相关分析（图5），此处选取积秩相关系数（Pearson相关系数）进行检验。结果表明，南北区（图5a）、东西区（图5b）的Pearson相关系数都较高，且均通过0.01的显著性检验。各区域间存在较强相关性，尤以南北区的相关性最为显著，粤东北地区的旱涝空间变化具有较强的一致性。

图5 南北（a）、东西（b）区域SPI12相关性分析散点图

3 结论

1）粤东北地区近55年旱涝变化过程大致可分为5个阶段：1965—1972年旱涝交替期；1973—1990年为洪涝期；1991年末—1992年初短暂干旱期；1992年4月—1998年转为洪涝期；1999—2019年旱涝交替重现，并且出现中等级别以上旱涝事件频率增大。

2）粤东北地区出现旱涝事件的频率较高，平均频率为58.92%，并且洪涝频率（38.38%）大于干旱频率（20.54%），洪涝事件持续时间有延长的趋势，干旱事件有增多的趋势。

3）近55年粤东北地区四季均有极端洪涝事件发生，极端干旱仅出现在冬季，正常事件出现在春季的频率最高。对比各年代际不同级别旱涝的发生频率，洪涝事件频率变化大于干旱事件，中等、严重洪涝频率有增加的趋势，轻微洪涝自20世纪90年代以来较20世纪80年代以前频率明显减少。

4）粤东北旱涝周期变化存在准3、5、9、20和38年共5个时间尺度，预测2019年之后的一段时间内粤东北地区降水偏少。

5）粤东北的南区和北区、东区和西区相关系数都较高，各区域间的旱涝变化存在较强相关性，尤以南区和北区的相关性最显著，粤东北地区旱涝空间变化有较强的一致性。