王 岽, 徐京京, 周亮广, 张延兵, 吴 见

(1.滁州学院 地理信息与旅游学院, 安徽 滁州 239000; 2.华中师范大学 城市与环境科学学院,

湖北 武汉 430079; 3.安徽省地理信息集成应用协同创新中心, 安徽 滁州 239000)



近60 a来淮河流域干旱变化特征

王 岽1,3, 徐京京1,2,3, 周亮广1,3, 张延兵2,3, 吴 见1,3

(1.滁州学院 地理信息与旅游学院, 安徽 滁州 239000; 2.华中师范大学 城市与环境科学学院,

湖北 武汉 430079; 3.安徽省地理信息集成应用协同创新中心, 安徽 滁州 239000)

摘要：[目的] 研究淮河流域近60年来干旱的变化特征，为以后防旱抗灾提供一定的参考。[方法] 利用WAP(weight average of precipitation)指数法、空间Kriging法、小波分析等方法对淮河流域干旱变化时空特征进行分析。 [结果] 春季WAP指数在21世纪初下降幅度较大,易发生春旱,冬季WAP指数在1980年以后明显增加,冬旱有所减轻;年均WAP指数表征的干旱存在2~3 a的主周期和6~7 a的次主周期;在空间上,WAP指数大致由东南向西北递减,干旱程度由东南向西北逐渐增大。 [结论] WAP指数能够很好地表征淮河流域干旱发生的时间和空间特征。

关键词：干旱; 时空变化特征; WAP指数; 淮河流域

当前，随着全球变暖，气候变化对人类的影响越来越大，全球气候变暖可能导致降水量在时间和空间上发生变化，从而对水资源产生深远的影响[1]。淮河流域处于中国南北气候过渡带、高低纬度带和海陆交互作用带相复合的地区，淮河流域降水量空间分布差异很大，不同时间内降水变幅也较大，旱涝灾害的发生多基于降水时空差异。

目前已有学者对淮河流域的干旱做了大量研究。顾万龙等[2]人利用年内降水不均匀性、降水集中度和集中期指标来研究淮河流域降水量年内分配变化规律，分析降水集中度与旱涝的关系；郑晓东等[3]人采用标准化降水指数，对淮河流域干旱演变特征进行了分析。

此外一些学者如叶金印等[4-8]人分别从不同角度、采用不同的方法对淮河流域的旱涝进行了研究，得到了许多有意义的结论。但是对淮河流域的研究还没有涉及到用WAP(weight average of precipitation)指数来研究分析其干旱特征。WAP指数可以很好地表征一段时间内的降水状况，它主要考虑了前期降水对后期土壤湿度的贡献，可以对干旱进行动态和定量化的监测[9]。

本文利用WAP指数法、空间Kriging法、小波分析等方法对淮河流域干旱变化时空特征进行分析，以期为以后防旱抗灾提供参考。

1淮河流域地理气候概况

淮河流域地处中国东部，介于长江和黄河两流域之间，位于东经111°55′—121°25′，北纬30°55′—36°36′，面积为2.70×105km2。流域西起桐柏山、伏牛山，东临黄海，南以大别山、江淮丘陵、通扬运河及如泰运河南堤与长江分界，北以黄河南堤和泰山为界与黄河流域毗邻。淮河干流发源于桐柏山太白顶北麓，依次流经河南、湖北、安徽、江苏。淮河流域地处中国南北气候过渡带，属暖温带半湿润季风气候区。其特点是：冬春干旱少雨，夏秋闷热多雨，冷暖和旱涝转变急剧。

2数据来源及分析方法

2.1　数据来源

本文数据来源于4省气候资料处理部门逐月上报的《地面气象记录月报表》的信息化资料，共有52个站点从1951到2009年逐日降水量观测数据。由于一些站点观测数据不足或者观测年限远远不足60 a，筛选整理之后，保留了21个站点。空间影像数据主要为淮河流域行政图。

2.2分析方法

本文使用WAP指数法对淮河流域的干旱特征进行综合分析。WAP指数主要考虑了前期降水对后期土壤湿度的贡献，可以很好地表征某段时期内累积降水情况以及土壤含水量，进而分析淮河流域发生干旱的时空特征。WAP指数定义为：

(1)

式中：Pn——日降水量(mm)；n——距离当前日的天数(d)；a——贡献参数。当a取值趋近于1的数值时，式(1)可进一步简化为

(2)

其中Wn=(1-a)an,本文中a取值为0.9，N=44，因此式(2) 可写为

(3)

WAP指数的计算公式累积了前期44 d的降水量对于当前日WAP指数的贡献，距离当前日越近的日降水量对于WAP指数的贡献率越大，反之，距离当前日越远的日降水量对于WAP指数的贡献率越小，即随着距离当前日天数的增大，贡献率越小。WAP指数不仅考虑了近期降水量对于土壤湿度的贡献，而且兼顾了前期降水量对于土壤湿度的贡献。从WAP指数的含义可知：在某时期内，WAP指数越大，说明前期降水量越多，土壤湿度较大，该时期不易发生干旱，反之易发生干旱；在某区域内，WAP指数越大，说明该区域前期降水量较多，区域土壤湿度较大，该区域干旱发生的几率小，反之容易发生干旱，因此，WAP指数可以作为一个较好的干旱指标，用来研究区域干旱时空特征，还可以对干旱状况进行动态以及定量化的监测。此外本文还利用克里格插值法[10]、线性回归法、距平百分率以及小波分析等。

3淮河流域干旱时空变化分析

3.1　淮河流域干旱变化时间特征

3.1.1WAP指数年代际变化特征淮河流域不同年代四季平均WAP指数和距平百分率见图1—2。由图1可以看出,近60 a淮河流域WAP指数年代变化比较明显,总体上呈上升趋势。20世纪50年代WAP指数只有2.10,之后30 a缓慢上升,在90年代之后上升趋势比较明显,在21世纪初,WAP指数达到最大值(2.27)。从WAP指数的变化趋势可知,年代降水量总体上是增加的，干旱在一定程度上有所减轻的。

从WAP指数距平百分率来看,全年变化较小,整体呈现上升趋势。春夏WAP指数变化相对较小，秋冬变化较大。春季WAP指数距平百分率在-4.95%～6.27%波动变化，其中在50年代春季降水量低于平均降水量，WAP指数距平百分率为-4.95%，在60年代和70年代降水量有所增加，WAP指数距平百分率为正值，而90年代降水量达到最大值，WAP指数距平百分率为6.27%，2000—2009年，21世纪初降水下降幅度较大，WAP指数距平百分率为负值，这表征着20世纪50年代和21世纪前十年春季降水量有明显减少，加上春季是该地区冬小麦返青季节，气温回升快，蒸发量较大，农作物需水量较大，极易发生春旱；夏季和秋季WAP指数距平百分率变化较大,其中夏季WAP指数距平百分率在-6.59%～8.86%变化，WAP指数在50年代较大，60年代减少，到80年代减少到最小，90年代相对较大，21世纪初WAP指数最大值为4.97,这表明在60—80年代易发生夏旱，尤其80年代干旱比较明显，而在21世纪夏旱在一定程度上有所减轻；秋季变化曲线和夏季相反,WAP指数距平百分率在-15.28%～9.26%间变化，年代波动较大，WAP指数在50年代最小，在60年代达到最大值，70年代减少，80年代增加，之后缓慢减少，总体来上，秋旱在50年代和21世纪初比较严重；冬季WAP指数距平百分率变化最大，变化曲线大致呈拉平的“S”，即在50年代WAP指数较小，60年代减少到0.35，之后缓慢上升，到21世纪初达到最大值，这也在一定程度上印证了随着全球气温上升，冬季降水增加较多，干旱有所缓解。

图1　淮河流域不同年代四季WAP指数

图2　淮河流域不同年代四季WAP指数距平百分率

3.1.2WAP指数变化分析经过趋势分析(见图3)，近60来淮河流域降水量WAP指数呈微弱递增趋势，但在0.05水平上未通过显著性检验，其递增趋势不明显。1951—2009年淮河流域年平均WAP指数为2.15，WAP指数最大值出现在2003年(3.14)，WAP指数最小值在1966年(1.30)，从WAP指数距平百分率来看，WAP指数距平百分率在-39.51%～46.09%之间变化，这表明淮河流域年降水量变化较大，极易引起旱涝。由于WAP指数积累了前44 d的降水量对当前日土壤湿度的贡献，可以很好地表征在某段时期内降水量的多少和土壤湿度状况。在本文中，定义干旱发生的年份为WAP指数距平百分率低于10%。结合图4可知，近60 a干旱发生的年份为：1953，1955，1959，1961，1966，1968，1976，1978，1981，1986，1988，1992，1997，1999，2001年等。在1959—1961，1965—1966，1968—1970，1976—1978，1994—1995，2001—2003年WAP指数距平百分率均为负值，易发生连年干旱。

图3　淮河流域不同年份WAP指数长期变化趋势

图4　淮河流域不同年份WAP指数距平百分率

为了分析淮河流域各年份干旱发生季节性特征，进一步对季节WAP指数距平百分率做分析。根据前文对干旱的定义和图5可得,春旱发生率较高，在近60 a中，共发生了25次，其中WAP指数距平百分率小于-30%的干旱年份为：1951，1953，1955，1962，1968，1970，1972，1979，1995，1998，2001，2003年，春季是农作物急需水分的季节，降水WAP指数距平百分率严重偏小将影响农作物的生长，对农业造成严重的威胁；夏季是淮河流域降水比较集中的季节，干旱发生的频率相对于其他季节较低，共发生了16次，在1966，1997和1999年夏季WAP指数分别为-32.56%，-33.53%和-34.10%，这3 a夏旱严重；秋季和春季发生干旱的频率相当，共发生了24次，其中50年代和21世纪前十年均发生6次干旱，这两个时期是秋旱多发的年代，在1953，1957，1966，1991，1998，2001，2002年发生较为严重的秋旱，冬季降水在全年降水中占有很小的比重，近60 a淮河流域冬季降水WAP指数距平百分率在-80.51%～118.74%之间变化，干旱发生的频率在四季中是最高的，共发生了30次，但是在全球变暖的大背景下，冬季降水量有明显的增加，尤其是在80年代后，发生干旱的次数大幅度减少，这在一定程度上有利于该地区工农业生产。为了验证WAP指数表征干旱的准确性，通过查阅《淮河志》[11]及相关研究成果[11-12](表1)可知，通过WAP指数表征的干旱年份与淮河流域历史干旱情况比较吻合，这说明WAP指数作为干旱指标，能够较好地分析淮河流域发生的干旱年份以及季节性特征。

图5　淮河流域不同年份四季WAP指数距平百分率

文献查阅篇名作者干旱情况历史记录 淮河志(第六卷)水利部淮河水利委员会[11]豫:1959—1961年连旱,1974,1976,1978,1986年大旱皖:1953,1959,1978年大旱,1958—1959,1966—1976,1976—1878年连旱苏:1953年旱,1966—1967,1988—1989,1958—1962连旱,1974,1978,1981年大旱鲁:1953,1959,1961—1962,1967,1969,1976,1981,1982,1986—1987年旱,1966,1977,1983,1988,1989年大旱研究成果基于标准化指数的淮河流域干旱演变特征分析郑晓东等[3]1966,1968,1976,1978,1981,1986,1988,1997,1999,2001,2002年全域性干旱,1966,1978,2005年重度干旱年淮河流域1960—2011年干湿时空变化特征常帅鹏等[12]1966年严重干旱,1978,1988,2001年中等干旱,2003年严重湿润淮河流域近60a来干旱灾害特征分析陈小风等[13]1959,1961,1966,1977,1978,1981,1986,1988,1992,1994,1997,1999,2000—2001,2008,2009年等为大旱年基于CI指数的淮河流域干旱时空特征研究谢五三等[14]典型旱年:1966,1968,1976,1978,1981,1986,1988,1995,1997,1999,2001年等

3.1.3WAP指数周期分析为明确淮河流域WAP指数周期变化特征，本文对淮河流域WAP指数时间序列进行小波分析。

由小波分析可知，夏季WAP指数存在多时间尺度变化的特征，总的来说夏季WAP指数变化周期主要有2~4，8~10，33~34以及36~39 a这4种，这表征淮河流域夏季干旱周期多，有短时间尺度的干旱周期(2~4 a)，也有中长时间尺度的干旱周期(8~10，33~34 a等)，在一定程度上印证了淮河流域谚语三年一小旱，十年一大旱的说法。淮河流域近60 a来全年和春季WAP指数存在着两个较为明显的周期，年均WAP指数存在着2~3 a的主周期和6~7 a左右的次主周期，这表征着淮河流域干旱存在着2~3 a的主周期和6~7 a左右的次主周期。而春季WAP指数存在着6~7 a左右的主周期和2~3 a的次主周期，表征着淮河流域春季干旱存在着6~7 a左右的主周期和2~3 a的次主周期。秋季WAP指数周期变化主要以中尺度时间为主，主要有2~4 a，8~10 a，11~13 a以及14~16 a四种，其中11~13 a是主周期，14~16 a和8~10 a为次周期。冬季WAP指数周期变化以长时间尺度比较明显，周期主要为35~38 a，由于本文数据年限是近60 a，冬季的周期有可能为伪周期。

3.2　淮河流域干旱变化空间特征

3.2.1多年平均WAP指数分布特征利用淮河流域21个站点近60 a年均WAP指数统进行反距离权重插值得出淮河流域年均WAP指数空间分布图(图6)由图可知：WAP指数空间分布范围为1.66～2.86，整体来看，多年平均WAP指数自东南向西北呈递减趋势，自西向东呈现弱递增趋势，这表征着淮河流域干旱空间分布特征为：西北地区干旱程度大于东南地区，这主要是受淮河流域特殊的地形以及气候所影响的。

图6　年均WAP指数空间分布

从图6可看出，淮河流域内有两个WAP指数的高值区：一是以信阳为代表的西南大别山区，超过2.67；二是下游近海区，大于2.27；这两个区域相对不易发生干旱，而流域西北部降水量最少，WAP指数低于1.87，最低值出现在西北部的郑州，年均降水量WAP指数为1.66，这些地区由于降水少，土壤含水量低，极易发生干旱。

3.2.2四季WAP指数分布特征为了进一步分析淮河流域四季的干旱空间特征,图7给出了各个季节

WAP指数的空间插值图。

从图7可以看出,淮河流域春季WAP指数在0.95～2.40之间，WAP指数较大的区域为淮南西部的大别山区和东南部的沿海平原地区，WAP指数大部分能达到1.65以上；而在淮北东北部和淮西西北部WAP指数相对较小，大都在1.20以下，由于春季气温回升较快，而这两个地区春季降水相对较少，易发生春旱，不利于农作物的生长。夏季整个地区降水在全年中占有较大的比重，WAP指数普遍较大，大部分地区都能达到4.11以上，其中淮北东部和大别山区WAP指数最大，而淮北西部由于远离暖湿气流，降水相对较少，WAP指数较小，易发生夏旱；秋季和夏季的WAP指数空间分布规律相似，东部沿海平原和大别山区WAP指数较大，而淮北西部较小，易出现夏秋旱。冬季WAP指数普遍较小，大部分区域都在0.55之下，WAP指数空间分布规律和春季相似，大别山区和淮南东南部较大，而淮北相对较小。通过各个季节WAP指数空间分布图，可以看出WAP指数表征的干旱有着明显的地区差异和季节性差异。

图7　季节WAP指数空间分布

4结论与讨论

(1) 通过近60 a WAP指数距平百分率及四季WAP指数距平百分率能够很好地表征干旱发生的年份和季节性特征；值得注意的是春季WAP指数在21世纪初下降幅度较大,降水量较少,然而春季气温上升较快,农作物开始生长,需水量增大,易发生春旱,相关部门应做好动态监测和相应的预防措施。

(2) 通过小波分析，全年和四季WAP指数表征的干旱周期具有多样性和复杂性。淮河流域干旱存在着2~3 a的主周期和6~7 a左右的次主周期；春季WAP指数存在着6~7 a左右的主周期和2~3 a的次主周期；夏季和秋季干旱周期较为复杂，短时间尺度和中长时间尺度的干旱周期并存；冬季干旱周期主要为35~38 a，但很有可能是伪周期。

(3) WAP指数表征的干旱具有地域性和季节性差异。从年平均WAP指数空间分布图看，干旱程度整体由东南向西北逐渐增大，干旱程度北部大于南部；平原大于山区；内陆大于沿海；从四季WAP指数空间分布图看，春季气温回升较快，蒸发量大，而淮北东北部和淮西西北部WAP指数相对较少，易发生春旱；夏季和秋季整个地区WAP指数都相对较大，但是淮北西部WAP指数较小，这两个季节此地区易发生夏旱；冬季WAP指数淮北相对较小，发生干旱的可能性较大。

干旱作为一种特殊的自然灾害，它是一个逐渐形成和发展的过程，其中降水的时空差异对干旱起着重要的作用，WAP指数作为一种干旱指标，与其他指标相比，不仅考虑了近期降水量对于土壤湿度的贡献，而且兼顾了前期降水量对于土壤湿度的贡献。通过对淮河流域WAP指数进行年代、年份以及周期、空间分析，得出的该流域干旱时空特征与历史记录、研究成果比较吻合，这说明WAP指数在淮河流域干旱分析方面具有较强的适用性。但是淮河干旱的发生受多种因素共同影响，WAP指数只是考虑了降水对土壤湿度的贡献，对于其他因素的影响，将在以后继续进行深入的分析研究。

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Drought Variations of Huaihe River Basin in Recent 60 Years

WANG Dong1,3, XU Jingjing1,2, ZHOU Liangguang1, ZHANG Yanbing2, WU Jian1

(1.GeographyInformationandTourismCollege,ChuzhouUniversity,Chuzhou,Anhui239000,China; 2.CollegeofUrban&EnvironmentSciences,CentralChinaNormalUniversity,Wuhan,Hubei430079,China; 3.AnhuiCenterforCollaborativeInnovationinGeographicalInformationIntegrationandApplication,Chuzhou,Anhui239000,China)

Abstract：[Objective] To analyze the drought variation characteristics of the Huaihe River basin in recent 60 years, and provide a reference for the later drought-resisting disaster. [Methods] The weight average of precipitation(WAP) index, space Kriging method, and wavelet analysis methods were used to study the drought variation of the Huaihe River basin. [Results] The spring WAP index declined greatly in the early 21st century, it is prone to drought in spring. Meanwhile the winter WAP index increased significantly after 1980 and the winter drought has reduced, and the average index of WAP representation the main cycle of drought was 2~3 years and secondary was 6~7 years. Furthermore, the WAP index of Huaihe river basin showed a progressive decrease from the southeast to the northwest while the degree of drought increases from the southeast to the northwest as a whole in space. [Conclusion] The WAP index can represent time and space characteristics of drought in the Huaihe River basin.

Keywords:drought, temporal variation characteristics, WAP index, Huaihe River basin

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2015)03-0338-06

中图分类号：P426.616

通信作者：周亮广(1981—),男(汉族),山东省桓台县,硕士,讲师,主要从事水文水资源与GIS研究。E-mail:zhouliangguang@126.com。

收稿日期：2014-08-23修回日期：2014-10-10

资助项目：滁州学院校级科研启动资助项目“江淮分水岭地区植被盖度遥感信息提取技术研究”(2012 qd18); 安徽高等学校省级自然科学研究项目“安徽省生态环境质量定量评价遥感信息模型研究”(KJ2013 B189)

第一作者：王岽(1980—),男(汉族),安徽省明光市人，硕士,讲师,主要从事区域地理与GIS应用研究。E-mail:wangdong060830@126.com。