我国旱涝交替事件识别及演变规律

谢宇莹，刘智勇，林凯荣

(1.中山大学 土木工程学院, 广州 510275； 2.中山大学 水资源与环境研究中心，广州 510275； 3.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海), 广东 珠海 519082)

1 研究背景

洪水和干旱是世界上最常见的自然灾害， 往往对环境和农业造成破坏， 产生巨大的经济损失并威胁人们的生活。 受季风气候的影响， 洪水和干旱在我国频繁发生。 我国2/3的地区和>50%的人口几乎每年都受到各种洪水和干旱事件的影响[1-3]。 现有的研究表明， 全球变暖会改变气候变量(如温度、降水和其他天气现象)固有的属性， 从而导致全球极端气候事件(如干旱、洪水)的频率、 强度增加[4-6]。 全球变暖不仅增加了干旱和洪水的风险， 而且导致旱涝交替事件愈加频繁[7-8]。 旱涝交替是指某一地区一段时间发生干旱， 一段时间又发生洪涝， 干旱和洪水交替出现的情形， 包括由旱转涝和由涝转旱， 是次季节尺度降水的典型异常， 往往比单独的洪水或干旱造成更严重和更大的破坏[3, 8]。

干旱和洪涝一直以来都是学者们关注的热点问题， 到目前为止， 国内外学者对旱涝事件进行了大量研究， 并取得了长足的进展。 在干旱方面， 研究主要围绕干旱指标对不同地区的干旱特征、 空间分布特点和时间变化趋势等进行探究[9-11]。 在洪涝灾害方面， 学者主要采用气象、 水文、 遥感等数据， 分析时空变化特征及成因机理、 评估灾害风险等[12-14]。 也有一些学者对旱涝急转事件进行研究， 揭示了一些地区旱涝急转事件的时空演变规律和成因机制[15-20]。 如闪丽洁等[17]研究表明， 20世纪60年代以来， 长江中下游发生旱涝急转事件的范围、 频率和强度均有增加的趋势。 徐敏等[20]研究认为淮河流域夏季旱涝急转与北半球中高纬度纬向距平和低频位相波列的相反分布密切相关。 然而， 这些研究多关注夏季降水的异常， 而且偏重于研究旱涝的急转事件， 对更为广泛和普遍的旱涝交替(如旱转涝或涝转旱)的研究关注较少。 另外， 前人的研究大多针对某一特定流域或地区汛期的旱涝异常， 而对于我国旱涝交替现象的时空格局的研究相对较少。 因此， 本文将考虑区域长期气候特点和降雨的季节性和周期性， 定义降水距平指数(Rainfall Anomaly Index,RAI), 提出一种月尺度的旱涝交替事件评价方法， 着重研究旱涝交替现象在中国的整体分布特征， 以期更加深入认识旱涝交替现象， 为揭示其成因规律提供基础依据， 也为各地区的防洪抗旱提供科学依据和理论支持。

2 数据来源和采用的方法

2.1 数据来源

使用的数据来源于国家气象信息中心产品“中国地面气候资料日值数据集(V3.0)”(http:∥www.nmic.cn/data/cdcdetail/dataCode/SURF_CLI_CHN_MUL_DAY_V3.0)，该数据集包含了中国824个基准、基本气象站1951年1月以来气压、气温、降水量等的日值数据。由于部分站点存在缺失值以及各站点建站时间不一致，故本研究选取其中730个站点1961—2019年的逐日降水资料(部分站点时间跨度为1961—2017年)。所选站点的缺失值通过历史同日均值进行插补得到。根据中国科学院资源环境数据云平台的自然地理分区数据，结合研究需要，将中国划分为七大地理分区(图1)。中国版图矢量数据来自全国地理信息资源目录服务系统(http:∥www.webmap.cn/main.do?method=index)。

图1 中国七大地理分区的分布Fig.1 Distribution map of seven geographical regions of China

2.2 采用的方法

降水距平是反映水分亏缺最直接的参数，是常用的旱涝评价指标[21-22]。本文通过定义降水距平指数提出了识别旱涝交替事件的评价方法，该方法充分考虑各个月份的长期气候特征，在识别每个月旱涝情况的基础上筛选出旱涝交替事件，且简单易操作。基本思路是从最简单和基础的降水距平序列入手，从中分离出干旱和洪涝事件，然后进一步识别旱涝交替事件。RAI的计算方法如下：

首先按照式(1)计算得到原始降雨系列的距平值(y)。再按式(2)对y进行标准化处理，得到降水距平指数(RAI)。

(1)

(2)

K=|RAIi|+|RAIi-1| 。

(3)

RAI介于负无穷到正无穷之间，RAI<0反映干燥情况，RAI>0反映湿润情况。本研究中， RAI>0.5时，代表洪涝；RAI<-0.5时，代表干旱。也可根据不同的旱涝级别，定义不同的旱涝阈值(如±1、±1.5)。

旱涝交替事件的评价方法：若连续两个时期先后发生干旱(RAI<-0.5)和洪涝(RAI>0.5)，则判定此为一次旱转涝事件，反之则判定为涝转旱事件。本研究采用频率和强度描述旱涝交替事件的特征。频率即旱涝交替事件平均每年发生的次数。强度(K)即一次旱涝交替事件中表征旱涝的前后两个RAI的绝对值之和(式(3))。

3 结果与分析

3.1 旱涝交替事件的年内分布规律

根据全国730个站点1961—2019年的日降雨量资料，计算降雨距平指数(RAI)并识别旱涝交替事件，统计全国站点每月发生旱涝交替事件次数，结果如图2所示(旱转涝和涝转旱分开统计)。

图2 1961—2019年全国旱涝交替事件发生次数的 年内分布Fig.2 Boxplots of dry-wet transition events in different months during 1961-2019

由图2可知，旱涝交替事件具有明显的时间特性，旱涝交替事件主要发生在4—5、5—6、6—7、7—8、8—9、9—10月。从箱型图的中位数来看，旱涝交替事件发生次数在年内呈现先上升后下降的规律，6—7月和7—8月旱涝交替事件发生次数最多，之后减少，11月到次年2—3月基本不发生。

为了进一步分析旱涝交替事件的年内空间分布特点，图3展示了1961—2019年间4—5、5—6、6—7、7—8、8—9、9—10月旱转涝事件发生总次数的空间分布。由图3(a)可知，4—5月，全国大部分站点的旱转涝事件发生次数较少，在0～6次之间，只有华南和新疆北部地区少数几个站点发生频次较大，在6次以上，个别站点>9次；5—6月(图3(b))，全国旱转涝发生次数明显增加，大部分站点发生次数>3次，尤其是华南、西南地区发生频率最高，有些站点甚至在9～15次之间；6—7月，旱转涝频次进一步增加，旱转涝高频区有所改变，西南、华东和华北地区大部分站点发生频次明显高于其他地区；7—8月，整体来看，北方地区比南方旱转涝发生更加频繁，高频区主要为华北和东北地区；8—9月，全国旱转涝事件明显减少，但北方大部分站点发生次数仍比南方多；9—10月旱转涝事件进一步减少，旱转涝高频区主要在重庆一带。

图3 4—10月旱转涝发生次数空间分布Fig.3 Spatial patterns of the number of dry to wet events from April to October

图4展示了1961—2019年间4—5、5—6、6—7、7—8、8—9、9—10月涝转旱事件发生总次数的空间分布。涝转旱事件(图4)与旱转涝事件发生次数的年内空间分布大体类似。4—5月，全国涝转旱发生频次较低，但华南和中部地区部分站点发生次数较其他地区多；5—6月，涝转旱发生频次增加，高频区集中在南方地区，包括广东、广西、湖南、贵州等地；6—7月，全国涝转旱事件发生次数明显增加，大部分站点发生次数在6次以上，其中西南、华中和东北地区发生频率较高；7—8月，涝转旱事件在北方地区发生频率明显比南方高，尤其是东北和华北地区，大部分站点发生次数在9次以上；8—9月，全国涝转旱事件发生频率较7—8月明显减少，陕西、山西、宁夏和重庆等地发生频次最高；9—10月，全国涝转旱事件的频率进一步减少，其空间分布特点与4—5月类似，大部分站点发生频次<6次，北方地区绝大部分站点甚至<3次。

图4 4—10月涝转旱发生次数空间分布Fig.4 Spatial patterns of the number of wet to dry events from April to October

总体而言，全国旱涝交替事件发生频次的年内分布具有一定的规律。4—8月，旱涝交替事件发生频次不断增加，8月份以后，事件发生次数减少。不同月份，旱涝交替高频区的分布也不同，4—6月主要在华南地区，6—9月主要在西南、华中、华北和东北地区。

3.2 旱涝交替事件发生频率和强度的空间分布

根据降雨距平指数识别各个站点发生的旱涝交替事件，计算其平均每年发生次数，并分析比较了不同时期(1961—1980年、1981—2000年、2001—2019年)旱涝交替事件发生频率的空间变化特点，见图5。图5(a)为1961—1980年各个站点旱转涝发生频率空间格局图，从图5(a)可以看出，中国东南部发生旱转涝频次较高，尤其是广东、云南、贵州、湖南、福建、浙江等地区，高频站点分布最多，东北地区也有少数几个站点发生频率较高。图5(b)为1981—2000年旱转涝发生频率的空间分布图，与前一个时期相比，旱转涝高频站点(>0.9次/a)明显减少，主要集中在湖南、浙江及其周边地区，新疆北部地区旱转涝发生频率也有所增加；北方地区的低频站点(<0.5次/a)有所增加。在2001—2019年间(图5(c))，北方旱转涝低频站点(<0.5次/a)较上个时期有所减少，高频区分布也有差异，广东、湖南、福建、江西等地大部分站点旱转涝发生频率增大。总体而言，涝转旱事件发生频率的空间特征与旱转涝基本一致，高频区集中在东南部，西部和北部发生频率较低。从不同时期来看(图5(d)—图5(f))，1961—1980年间，华南、华中和西南部分地区涝转旱多发，而华北、西北和东北地区涝转旱很少发生。与上一个时期相比，1981—2000年间，华中地区涝转旱发生频率有所减少，但湖南和华东地区涝转旱发生频率较高。进入21世纪，北方涝转旱发生频率有所增大(涝转旱低频站点减少)，但涝转旱高频站点仍主要集中在我国东南部，尤其是福建、湖南、江西、广东等地。

图5 不同时期旱转涝和涝转旱发生频率的空间分布Fig.5 Spatial patterns of the frequency of dry to wet and wet to dry events for different periods (times per year)

为了进一步分析旱涝交替事件强度的时空特征，本文分时期统计了全国站点旱转涝和涝转旱事件的平均强度，如图6所示。图6(a)为1961—1980年旱转涝事件平均强度的空间分布图，从图中可以看出，1961—1980年，东北、华北地区旱转涝强度最大，尤其是辽宁地区，部分站点强度>3.5，平均强度小的区域集中在华东地区。与上一个时期相比，1981—2000年间(图6(b))，全国旱转涝平均强度明显减小，尤其是华北和西北部分地区。东北和新疆地区部分站点强度最大，在3.5以上。2001—2019年(图6(c))旱转涝强度的空间分布特征与上一时期大体相似，全国大部分地区强度较小，东北部分地区强度大。在涝转旱方面(图6(d)—图6(f))，其强度的空间格局总体与旱转涝相似，我国东南部和新疆北部地区强度小，西部和北部地区强度大。从不同时期来看，1961—1980年，华北和东北部分地区涝转旱强度最大，尤其是京津冀、辽宁等地，部分站点平均强度在3.5以上。1981—2000年，华北和东北地区强度减小。2001—2019年，东南部地区涝转旱强度较小，华北和东北和新疆地区部分站点涝转旱强度与上个时期相比有所减弱。

图6 不同时期旱转涝和涝转旱平均强度的空间分布Fig.6 Spatial patterns of the intensity of dry to wet and wet to dry events for different periods

从上述分析可知，全国旱转涝和涝转旱事件发生频率和平均强度在各个时期的空间特征有所差异。总体而言，旱涝交替事件发生频率均呈现东南高西北低的特点，而平均强度的空间分布则相反，呈现出东南低西北高的特点。

3.3 不同流域旱涝交替事件发生频率和强度的时间变化

本研究进一步分析了不同流域分区旱涝交替事件发生频率和强度的时间变化。根据中国科学院资源环境数据云平台的自然地理分区数据，将我国划分为九大流域片区，包括松辽河流域片、海河流域片、淮河流域片、黄河流域片、长江流域片、珠江流域片、东南诸河片、西南诸河片和内陆河片。在全国范围内提取出我国九大流域片3个不同时期所有站点旱涝交替事件发生平均频次和强度，并绘制箱型图，如图7和图8所示。图7是我国九大流域片不同时期旱转涝和涝转旱的平均频次分布箱型图。从箱型图的中位数来看(图7(a))，在1961—1980年，东南诸河流域片旱转涝发生频率最高(0.9次/a)，西南诸河、长江和珠江流域片发生旱转涝的频率比淮河、海河、内陆河、黄河和松辽河流域片更高。黄河和珠江流域片在1961—1980和1981—2000年间旱转涝频率显著减小，而在2001—2019年显著增加。内陆河流域片和西南诸河片，在1961—1980和2001—2019年间旱转涝频率呈现完全相反的变化，内陆河流域发生频率显著增加，而西南诸河显著减小，西南诸河片在2001—2019年间，发生频率明显小于其他2个时期。东南诸河、淮河、松辽河和长江流域在这3个时期变化不显著。从图7(b)可以看出，东南诸河、淮河、西南诸河、长江和珠江流域片比其他流域更容易发生涝转旱事件。在1961—1980年和1981—2000年2个时期黄河和内陆河流域涝转旱发生频率显著增加。海河、内陆河和松辽河流域片在1961—1980年和2001—2019年间涝转旱频率显著增加，而淮河流域显著减小，其他流域(东南诸河、西南诸河、长江、珠江流域)在各个时期变化不显著。

图7 全国九大流域片不同时期旱涝交替事件发生频率的箱形图Fig.7 Boxplots for the distributions of frequency of dry-wet transition events in nine large river basins in China over different periods

图8 全国九大流域片不同时期旱涝交替事件平均强度的箱形图Fig.8 Boxplots for the distributions of average intensity of dry-wet transition events in nine large river basins of China over different periods

图8为我国九大流域片不同时期旱转涝和涝转旱的强度分布箱型图。在旱转涝方面(图8(a))，海河、淮河、黄河流域在1961—1980年和1981—2000年间旱转涝强度明显减弱，其中，淮河和黄河流域强度显著减弱；而东南诸河强度显著增强，其余流域在这2个时期强度变化不明显。对比1961—1980年和2001—2019年2个时期，海河、淮河和黄河流域旱转涝强度显著减小，东南诸河片强度显著增强。内陆河、西南诸河、松辽河、长江和珠江流域在3个时期强度变化均不显著。从图8(b)可以看出，1961—2019年间，东南诸河、淮河、内陆河和西南诸河片涝转旱强度具有先增强后减弱的年际特征，但并不显著。而海河流域在1961—2019年间涝转旱强度显著减小。在1981—2000年和2001—2019年这2个时段，除淮河流域强度显著减小外，其余流域在这2个时间段强度变化不明显。黄河、松辽河、西南诸河和珠江流域在这3个时期涝转旱强度变化并不显著。

4 研究结果讨论

旱涝交替事件的形成可能与大气环流异常、水汽输送和季风活动等因素密切相关[3]。我国东部地区处于季风气候显著区域，常年受到季风活动的影响，汛期的降水分布、旱涝异常很大程度上受夏季风推进的快慢和强度的影响[23-24]。季风的推进与强弱变化势必导致雨带的进退，主雨带强或停留时间较长的地方，降雨强、多连续降雨，容易发生洪涝；反之，降雨少。本研究结果表明，我国旱涝交替事件具有明显的时间特性，多发生在4—9月份，其发生频率的年内分布规律与季风雨带的推进相似。4月份，华南地区受夏季风和锋面降水的影响进入前汛期，此时，华南地区容易发生旱涝交替事件；5月份，受夏季风的影响，华南地区降雨进一步增加，旱涝交替事件在华南地区更加频繁；随后，夏季风进一步北移，进入6月份，夏季风移动到江淮地区，旱涝交替高频区主要在长江流域以北；7—8月份季风雨带继续向北推进，到达华北和东北地区，旱涝交替高频区集中在华北东北一带；9月份夏季风自北向南撤退，全国旱涝交替事件也明显减少。

本文的研究结果显示，旱涝交替事件发生频率和平均强度呈现出完全相反的空间模式。旱涝交替事件多发生在华南、长江中下游等南方地区，其次是西南和东北地区，相比之下，我国西北和内蒙古地区的交替事件较少，这与前人的研究结果是一致的[25]。暴雨频数、降雨强度以及短时气候异常导致阶段性干旱是旱涝交替发生的主要气候原因[26]。华南、长江中下游等地区域性暴雨频发，发生旱涝交替的风险也较高。值得一提的是，地处我国西北干旱区的新疆，其北部地区旱涝交替事件发生频率也较高。这可能是由于新疆北部常年受西风带影响，全年降雨量在150～200 mm之间，明显多于南疆地区。另外，受大气环流系统和乌拉尔山脉的影响，西南风增强，增加了北疆地区水汽输送，有利于降水形成[27-28]，从而导致雨涝多发，增加了旱涝交替发生的可能性。

5 结 论

本研究通过定义降雨距平指数(RAI)，在识别干旱和洪涝事件的基础上，提出评价旱涝交替事件的方法，并将这种方法用于全国旱涝交替事件的分析中，得出的结论如下：

(1)全国旱涝交替事件发生频次的年内分布具有一定的规律。4—8月份旱涝交替事件发生频次明显增加，8月份以后，交替事件发生次数减少。不同月份，旱涝交替事件高频区的分布也不同，4—6月主要在华南地区，6—9月份主要在西南、华中、华北和东北地区。

(2)不同时期，旱涝交替频率和强度的空间分布有所不同，总体而言，全国旱涝交替发生的频率呈现东南高西北低的特点。而旱涝交替强度的空间格局与频率完全不同，呈现出西北高东南低的特点。

(3)21世纪以来，珠江流域、黄河、海河流域片旱涝交替事件发生频率呈上升趋势；总体而言，1961—2019年，全国旱涝交替事件强度无明显变化趋势。

本文提出一种旱涝交替评价方法，并对全国旱涝交替事件的时空特征进行分析。分析结果有助于进一步了解全国旱涝异常的时空特点，为决策者评估地区旱涝交替发生的可能风险并制定更适合的缓解此类灾害的策略提供重要参考。然而，本研究的分析仅是基于月尺度进行的，旱涝交替事件也可能发生在不同的时间尺度上，如日、季和年。此外，研究中只基于历史气候资料进行分析，对于中国未来发生旱涝交替的风险仍不清楚。今后将继续把目前的研究扩展到不同的时间尺度并探究未来气候条件下旱涝交替的风险情况。