曹永强，邵文婷，曲本亮，高 璐

（1.辽宁师范大学城市与环境学院，辽宁 大连 116029；2.大连市环境科学设计研究院，辽宁 大连 116023）

基于修正Z指数的淮河流域干旱时空特性分析

曹永强1，邵文婷1，曲本亮2，高 璐1

（1.辽宁师范大学城市与环境学院，辽宁 大连 116029；2.大连市环境科学设计研究院，辽宁 大连 116023）

本文基于淮河流域39个站点1961—2013年逐日降雨量，根据国家干旱等级标准和淮河流域实际情况对不同等级干旱所对应的界限值进行修正，采用小波分析，结合ARCGIS软件运用反距离权重法，对淮河流域干旱进行时空规律分析。结果表明，淮河流域总体趋势是干旱频率减弱。Z值在趋势变化上存在明显的年际变化。90年代后Z值变化较为平缓，淮河流域的干旱情况有了一定好转。空间上，Z值的高值中心和低值中心的分布较为分散，具有明显的区域性，干旱程度由西北向东南递增。

干旱；Z指数修正；时空特征；淮河流域

1 研究背景

干旱是淮河流域危害最为严重的气象灾害，影响程度之重居各种气象灾害之首。干旱的频发给淮河流域的农业生产发展和社会经济造成了重创［1］。分析干旱在时间和空间上的变化特性，能够使人们了解不同等级干旱发生的频率，研究成果可为淮河流域的抗旱工作决策提供技术支持［2］。周晋红等［3］对常用干旱指标进行对比分析。葛岩等［4］对Z指数的等级进行了修正，通过与理论干旱频率和辽西北典型干旱年的对比影响分析，进行了更适合于研究区域的分析。鞠笑生等［5］于1997年我国单站旱涝指标确定和区域旱涝级别划分的研究基于1951—1995年各月降水资料，在全国选取8个代表站，测试了3种单站旱涝指标（降水距平百分率、湿度指标和Z指数）并作了相互比较，认为Z指数方法最优。Palmer于1965年综合考虑了前期降水、水分供给、水分需求、实际蒸散量、潜在蒸散量等要素，以水分平衡为基础建立了一个气象干旱指数（PDSI）［6］；该指数被广泛应用于各个国家的干旱评估、旱情比较以及对旱情的时空分布特征的分析中。用Z指数等不同方法和不同时间尺度进行对比分析，表明Z指数对我国旱涝监测应用效果很好［7］，可作为一种较好的方法进行旱涝监测。尽管已经有很多应用Z指数对干旱进行评价的研究成果，然而对Z指数在研究地区的适应性分析及修正研究比较少。方茸［8］等对Z指数进行了修正，理论与实际相结合使得修正后Z指数能较好地反映实际的干旱情况。王宏等［9］基于Z指数分析旱涝多尺度变化特征，为防洪抗旱提供了参考。

本文针对Z指数是以一定的假设为前提条件的问题，基于淮河流域53年的降水资料和历史干旱资料，选择Z指数为指标进行分析。为了得到合理的干旱频率分布，结合国家标准初步判定干旱等级，对Z指数的干旱等级划分界限进行修正。利用修正之后的数据分析淮河流域的干旱趋势和干旱时间变化特征。

2 研究资料与方法

2.1 研究区资料淮河源头位于河南省南阳市桐柏县境内，流经河南，湖北，安徽，江苏四个省份，在三江营南流入江，北流入海，介于长江和黄河两流域之间，全长1 252 km。对于资料缺测情况，若月内逐日资料缺测达5日的，该年年值为缺测［10］。本文在41个站点中剔除了两个数据不完整的雨量站（洛阳和栾川）且不包含在淮河流域边界内，最终选用代表性较好的39个雨量站，对1961—2013年的历年逐日降水资料进行干旱分析［11］。

2.2 研究方法

2.2.1 Z指数计算方法 Z指标是使用比较广泛的指标之一。由于某一时段的降雨量几乎不服从正态分布，Z指标假定某时段降雨量服从Per⁃son-Ⅲ型分布，现假定月降水量服从Person-Ⅲ型分布，对降水量进行正态化处理，可将概率密度函数分布转换为以Z指标为变量的标准正态分布［12］，可用降水资料序列计算求得。

2.2.2 小波分析法 小波分析是一种强有力的信号分析工具［13］，具有多分辨率的功能，适合于分析水文时间序列。小波分析可以揭露各种水文时间序列的变化特性，如突变、趋势、周期等等。通过小波分析的多分辨率功能，可以揭示水文系统的多时间尺度特性。

2.2.3 反距离权重法 反距离权重法是空间插值几何方法的一种［14］，基于地理学第一定律：相似相近原理，即两个物体离得越近，它们的值越相似；反之，离得越远则相似性越小。它以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，离插值点越近的样本点赋予的权重越大。插值使用一组采样点的线性权重组合来确定像元值。权重是一种反距离函数。进行插值处理的表面应当是具有局部因变量的表面。反距离权重法较之其他方法虽然计算量大，但是精度较高，适用性较广，满足于研究区域较小的范围，克服了内插中误差难以分析问题。

图1 淮河流域雨量站分布

3 淮河流域Z指数适应性分析及修正

3.1 修正原理Z指数的计算及评价是基于一定的假设，其假定某时段降雨量服从Person-Ⅲ型分布，对降水量进行了正态化等相关的处理，但由于Z指数分级要求偏态系数能够经得起检验，只有经过了检验之后，才能认为Z指数是符合正态分布的，认为时间序列遵从正态分布［15］。

根据Z指数的国家干旱等级标准进行干旱等级评价，将计算得出的不同等级干旱的频率与理论频率对比，调整Z指数不同等级干旱所对应的界值，使评价的干旱频率与理论频率相符，最终得出适合淮河流域的Z指数干旱等级标准。

3.2 Z指数界限值的修正与检验利用Z指数指标，对淮河流域1961—2013年53年的年干旱情况进行分析，并绘制了以Z指数为指标的淮河39个站点的干旱统计表。按照理论频率值，发生无旱频率约为70％，发生偏旱频率为15％，发生大旱频率为10％，发生特旱频率为5％。如表1比较发现大旱和特旱的发生频率接近理论频率，但无旱和偏旱的频率和理论频率偏差较大，因此，要根据理论概率，来调整Z指数偏旱的理论界限值，使之符合淮河流域发生干旱的实际情况。

(1)管理意识淡薄。运输企业正式编排在册员工在减少，所以员工大多是临时雇佣工。这也人员对人事档案没有了解，认为是今天高兴在干活，不高兴就离职。企业也认为企业和驾驶员是雇佣关系，随时可以解雇。所以没必要投入资金对驾驶员的档案进行管理，从而企业中没有形成档案管理。

表1 以Z指数为指标的淮河流域39个站点干旱等级

首先要注意干旱发生频率要满足理论发生概率要求；其次是在原来Z指标界限的基础上做微调。修正后Z指标干旱等级标准如表2所示，无旱与偏旱的界值由-0.842调整为-0.352，大旱与特旱的界值由-1.645调整为-1.402，使得无旱的频率占69.69％，偏旱占15.44％，大旱占10.06％，特旱占4.81％，符合理论干旱频率。

表2 修正后Z指数干旱等级标准

为了验证新的等级标准，根据每10年中至少要有一个典型干旱年的原则，选择淮河流域干旱比较严重的6年（1966，1978，1981，1986，1997和2002年）进行比对验证。如表3所示，利用修正后的Z指数，对6个干旱典型年进行干旱对比分析，进一步验证修正后的淮河流域Z指数等级标准，结果表明2002年的评价结果失真，所以剔除，原因是由于2002年发生南四湖特大干旱致使其降水分布不均匀，无旱频次少使得干旱趋势整体偏大，对统计结果造成一定影响。除此之外均通过与理论干旱频率和淮河典型干旱年的对比分析，说明修正后的Z指数适合淮河流域。多个站点联合起来分析虽然可以统计该地区干旱情况，但一些地区在某个时段发生的特殊灾害需要酌情考虑其对结果造成的影响。

表3 修正后的Z指数39个站的统计结果

4 结果与分析

4.1 淮河流域干旱时间演变规律

4.1.1 干旱趋势分析 根据逐年数据计算平均Z值，如图2，淮河流域年平均Z值的倾向率为0.004，说明淮河流域干旱总体呈缓慢下降趋势，干旱频率减弱。细分旱情趋势为重-缓-重，1966年Z值最小，干旱程度最强，20世纪80年代后旱情逐渐减缓。

图2 淮河流域年平均Z值的逐年变化特征

图3 淮河流域各等级干旱频次变化特征

为进一步分析淮河流域干旱的时间变化特征，分析出不同干旱等级的发生频率，绘制了淮河流域各级干旱的频率变化特征图3，偏旱、大旱和重旱趋势基本与淮河流域整体干旱情况一致，是先上升后下降的情况反映的，相比之下21世纪重旱频次下降幅度很大，大旱频次也有所下滑，说明淮河流域在进入21世纪后干旱情况有一定改善。

4.2 淮河流域干旱空间演变规律利用反距离权重法，将39个站点53年的平均Z值绘制成淮河流域平均Z值的空间分布图，如图4所示，Z值表示干旱的轻重程度，Z值越大，说明干旱越轻；Z值越小，说明干旱的程度越重。可以看出Z值的高值中心较为分散，低值中心较集中，Z值的高值区主要位于兖州，砀山，霍山等地，而Z值的低值区主要位于高邮，东台等地区，属于区域干旱程度较重的地区，能看出淮河流域发生干旱具有明显的区域性，平均Z值的等值线梯度较小，空间分布比较均匀，干旱程度由西北向东南递增。

图4 淮河流域平均Z值的空间分布图

将53年Z指数频次按等级划分分为无旱、偏旱、大旱和特旱，再利用ARCGIS软件进行空间插值分析，分别将39个站点53年的平均Z值绘制成四个不同等级的空间分布图。如图5所示，淮河流域西北地区无旱频次较高，由西北到东南干旱频次逐渐增多。其中淄博、沂源、菏泽和毫县情况最为乐观，干旱情况较轻。偏旱情况为淮河南北两侧较为严重，中部地区相对偏旱情况较少。大旱较为严重地区是淮河周边几个城市例如宝丰、霍山等。特旱情况最为严重的是淮河东北部地区。

图5 淮河流域Z值干旱频次空间分布图

5 结论

在淮河流域时间变化上，淮河流域干旱总体呈逐年下降趋势，通过计算所有站点逐年平均Z值的倾向率为+0.0004，其总体趋势是干旱频率减少。1966年干旱程度最强，60年到80年代变化分别为不稳-平缓-不稳；90年代后淮河流域的干旱发生频率有所下降，干旱的情况有了一定好转。空间上，Z值的高值中心和低值中心的分布较为分散，Z值的高值区主要位于兖州，砀山，莱阳，日照等地，干旱程度轻；而Z值的低值区主要位于高邮，东台等地区，属于区域干旱程度较重的地区。淮河流域发生干旱具有明显的区域性，干旱程度由西北向东南递增。

参考文献：

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［15］苏阳.基于修正Z指数辽西北地区干旱时空特征分析［D］.大连：辽宁师范大学，2013.

Analysis of tem poral-spatial characteristic
in Huaihe River Basin based on ad justed Z-index

CAO Yong-qiang1，SHAO Wen-ting1，QU Ben-liang2，GAO Lu1

（1.Schoolofurban planning and Environmental science，Liaoning Normal University，Dalian 116029，China；
2.Dalian Municipal Design and Research Institute of Environmental Science，Dalian 116023，China）

Based on daily rainfall data in 39 rainfall stations from 1961 to 2013 in the Huaihe River ba⁃sin，the threshold values of different levels of drought are adjusted according to the national standards of drought grade and the actual situation in the Huaihe River basin.Temporal and spatial characteristics of droughts are analyzed based on the ad justment of Z-index combining with wavelet analysis and ARCGIS software by the inverse distance weighting method.The result shows that the drought frequency in the Huai⁃he river basin decreases as a whole.Moreover，the inter-annual variability of Z value is obvious，and it varies gently after 1980’s，which imp lies that the drought has been improved.In space，the distribution of high value and low value of Z value is disperse，which indicates the spatial difference of drought.The drought degree increases gradually from northwest to southeast，namely，the high value of the Z value is lo⁃cated in Yanzhou，Dangshan，Laiyang，and Rizhao with light drought degree；the low value of the Z value is mainly in Gaoyou，Dongtai and other regions.

drought；Z-index adjustment；spatial and temporal characteristics；Huaihe River Basin

S423

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2014.04.002

1672-3031（2014）04-0344-05

（责任编辑：王学凤）

2014-10-29

国家自然科学基金资助项目（51279072）

曹永强（1972-），男，博士，教授，从事水文水资源研究。E-mail：caoyongqiang@lnnu.edu.cn