郭群善

摘要：长江中下游地区是我国重要的粮棉油产地之一，但是频繁发生的旱涝灾害经常造成该区域作物减产。利用长江中下游地区72个气象站的逐月气象观测数据，采用标准化降水指数（SPI）、正交经验分解函数（EOF）等方法，结合GIS技术，分析了近50年长江中下游地区旱涝时空变化分布特征。结果表明：长江中下游地区的旱涝SPI3空间格局既有全区一致的现象，也存在区域内部南北、东西方向的差异，但是其主要特点依然为纬向分布型。由于受气候影响，长江中下游地区夏秋两季旱涝灾害交替发生，但以涝灾为主。

关键词：标准化降水指数（SPI）、正交经验分解函数（EOF）、长江中下游地区、旱涝灾害

中图分类号：P468.024 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2016）04-0072-05

Abstract：The middle and lower reaches of the Yangtze River are important production bases of grains，cotton and oil crops in China， where droughts and floods occur frequently， which often result in the reduction of crop output.In this paper，based on the monthly meteorological data of 72 meteorological stations in the Yangtze River region， the temporal and spatial variation in droughts and floods of the Yangtze River region in near 50 years was analyzed using standardized precipitation index （SPI），empirical orthogonal function （EOF），and geo-statistical analysis combined with GIS technology.The results showed that the spatial distribution pattern of droughts and floods SPI3 in the Yangtze River region was almost the same in the whole region，but there was a difference in the south-north direction.Due to the climate，droughts and floods in Yangtze River region appeared alternately in summer and autumn，and the flood disaster occurred mainly in the critical period of growth and development of crop.

Key words：standardized precipitation index（SPI）；empirical orthogonal function（EOF）；the middle and downstream area of Yangtze River；drought-flood

长江中下游地区多为平原地区，降水时空变化很大，旱涝灾害严重。据人地系统主题数据库的数据统计，1980年-1995年16年间，发生涝渍灾害的年份有15年。

本文旨在研究分析长江中下游地区旱涝灾害发生的时空分布规律，当前评价旱涝时空特征的方法主要有Palmer旱涝指数[1]、标准化降水指数（SPI）[2]、Z指数[3-4]等相关旱涝指数。标准化降水指数（SPI）是一个相对简单的评价区域旱涝强度的指数，它的计算只需要超过30年的降水量观测资料，即可计算不同时间尺度的旱涝指数。SPI指标的计算具有稳定性好、对于旱涝灾害反映灵敏、能够满足任意时间尺度的指标计算、计算简单、资料容易获取的优点，不足之处在于未考虑水分支出。本文通过采用高桥浩一郎公式[5-6]计算蒸发量来考虑水分支出，并利用正交经验分解函数（EOF）、对单站SPI进行空间分析，研究旱涝灾害的时空分布特征，进而明确旱涝灾害发生的规律和发展趋势以及空间分布特征和变异规律，为该地区的涝渍灾害防治提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

数据资料来源于中国气象局数据共享平台（www.cma.gov.cn），包括长江中下游河南、上海、湖北、湖南、江苏、安徽、江西、浙江八省（市）共72个地气象站1960年-2010年逐月降水和平均气温观测数据，站点分布见图1。

1.2 研究方法

旱涝实际上是指某地水分的缺余，其不仅与降雨量的多少有关，还与蒸发量相关。因此，在定义单站旱涝指数时，采用降水量与蒸发量之差作为来计算旱涝指数。计算蒸发量的方法采用高桥浩一郎[5-6]公式：

设某一时间尺度下的水分余缺为X， 计算SPI的方法根据文献[7-11]进行，将某一时间尺度的水分余缺时间序列看作服从Γ分布，考虑了水分余缺服从偏态分布的实际，通过水分余缺的Γ分布概率密度函数求累积概率，再将累积概率进行标准化处理而得到。

根据《气象干旱等级》（GB/T 20481-2006）中旱涝的等级划分标准及等级命名， 并参考国内外应用 SPI 研究旱涝的相关文献[12-13，19-21]，对单站旱涝严重程度的等级进行划分。

2 结果与分析

2.1 不同时间尺度旱涝变化特征

SPI具有多时间尺度（1， 3， 6， 12， 24， 48个月等）的特征，如12月份1个月时间尺度的SPI1代表了12月份降水量的标准差，12月份3个月时间尺度SPI3代表了10月-12月3个月降水量的标准差， 12月份12个月时间尺度SPI12代表了1月-12月12个月降水量的标准差。本文主要分析1个月、3个月、6个月和12个月时间尺度的SPI。

从图2中SPI12时间尺度下旱涝指数逐月变化过程可以看出，长江中下游地区1963年-2010年共出现区域性重旱8次，其中1963年、1978年、1979年出现持续性区域重旱，持续时间均在3个月以上，1978和1979年持续时间更是长达5个月以上；区域性重涝共出现8次，其中1973年、1998年、2000年、2002年、2003年出现持续性区域重涝，持续时间均在3个月以上，1973年和1998年持续时间更是长达6个月以上。

在完成不同时间尺度的单站SPI计算后，利用式3计算区域旱涝指数（图2）。可以看出，不同时间尺度相应的区域旱涝指数IFD值沿时间上下振动，时间尺度越短振幅越大，这种交替变化越明显。IFD1能够较好地说明旱涝发生时间与严重程度。IFD3也属于短时间尺度，但能够能较好反映旱涝的季节性变化特征。IFD6与IFD12则为长时间尺度，其数值随着时间尺度的增长受短期降水的影响不断减小，周期比较明显，特征比较稳定，能够反映长期旱涝变化的趋势。随着时间尺度的增加，旱涝等级会发生变化，而且旱涝的起始和结束时间相应延后，能够充分反映了前期降水变化的累积影响[8]。

2.2 不同季节旱涝变化特征

农业旱涝变化状况的季节旱涝分析通常采用3个月时间尺度的区域性SPI（IFD）指标[14-18]，因此，本研究采用SPI3（IFD3）来分析区域旱涝的季节变化，用方差分析每个季节旱涝的变化幅度。

近50年春夏秋冬四季区域性SPI3指标（IFD3）的方差分别为：春季为50.19，夏季为28.42，秋季为21.40，冬季为38.38，可以看出春季旱涝变化幅度最大，冬季次之，秋季最小。

春季（见图3）：1961年-1974年旱涝灾害频繁交替发生，且1965年为50年最严重干旱；1975年-1979年比较平稳，没有出现比较严重的区域性旱涝灾害；1980年-1987年区域性旱涝灾害交替发生，且灾情比较严重；1987年-1998年区域性旱涝灾害比较严重，以水涝灾害为主，1999年出现严重的旱灾；2000年-2008年比较平稳，2009年出现严重旱灾。春季SPI3（IFD3）趋势线倾向率0.0004，说明从长期变化趋势上看，长江中下游春季旱灾减少，水涝灾害加重。

夏季（图4）：1961年-1977年长江中下游地区旱涝灾害交替发生且灾情比较严重，且以水涝灾害为主，出现重涝以上灾情共有1964、1973、1975、1977共4个年份，仅1971年出现重旱以上灾情；1978年-1991年比较平稳，仅1985年出现重旱灾情，1991年出现重涝灾情；1992年-1998年比较平稳，没有重旱或重涝灾情的发生；1999年-2010年，重灾以上灾情的旱涝灾害交替且频繁发生。夏季SPI3（IFD3）趋势线倾向率-0.0001，说明从长期变化趋势上看，长江中下游夏季水涝灾害减少，旱灾呈微弱增加趋势。

秋季（图5）：从1961年-1995年，长江中下游地区区域性重旱灾害发生频繁，分别出现于1966年、1972年、1978年，区域性重涝灾害没有发生；自1996年-1999年，在1996年、1998年、1999年发生三次区域性重涝灾害；2000年-2010年没有发生严重的旱涝灾害。秋季SPI3（IFD3）趋势线倾向率0.0002，说明从长期变化趋势上看，长江中下游秋季旱灾呈减少趋势，水涝灾害呈加重趋势。

冬季（图6）：1961年冬季发生重涝灾害， 1962年-1971年，长江中下游地区冬季主要以旱灾为主；1972年-1979年，严重旱涝灾害交替频繁发生，其中1973年12月其区域性旱涝指标为-18；1979年12月其区域性旱涝指标为-22.9，说明这两年冬季发生极为严重的干旱；1980年-1987年，除1980年10月和1983年11月发生重涝灾害外，其余年份冬季没有严重旱涝灾害发生；1988年-1996年，区域性干旱灾害发生频繁，分别于1988年、1992年发生严重干旱；1997年-2006年，旱涝灾害交替发生，主要以水涝灾害为主，其中1997年、2002年出现重涝以上的灾情；2007年以后，以旱灾为主要灾害，分别于2007和2009年发生重旱灾害。计算冬季SPI3（IFD3）趋势线倾向率-0.0002，说明从长期变化趋势上看，长江中下游冬季水涝灾害减少，旱灾呈弱增长趋势。

2.3 旱涝空间分布特征

应用正交经验分解函数对长江中下游地区各个观测站SPI3进行分析，并将结果在地理信息系统分析软件中进行空间分析。

由表1可以看出，长江中下游地区降水量场收敛性很好，第一特征向量的方差占总体方差的1/3左右，前5个特征向量方差累积贡献率分别达72.30%，第五个以后所占贡献很小，期间差异也很小。显然，前五个主成分及其特征向量就可以很好地表征长江中下游地区降水变化和空间分布特征。

第一特征向量均为负值，取值范围在-0.2～-0.8之间 ，而且高荷载值集中于岳阳、嘉鱼、黄石一带，这表明由于降水受大尺度天气形势影响，长江中下游地区旱涝具有总体一致的变化趋势，而且中部地区对全区域旱涝的贡献大于北部和南部，是旱涝变率最大的地区。

第二特征向量取值范围为-0.5～0.6之间，南方为正值区，北方为负值区，反映了南北相反的旱涝发生趋势，且向南北两个方向这种趋势表现更为明显，这方面的表现主要是受季风等气候引起的南北降水量变异的影响。

第三特征向量取值范围为-0.5～0.4之间，东南方为正值区，西北方为负值区，反映了东西相反的旱涝发生趋势，且向东西两个方向这种趋势表现更为明显。

第四特征向量取值范围为-0.4～0.4之间，从南向北分为三个区域，其中南北两个区域为负值区，中部区域为正值区，反映了南北两个区域和中部区域相反的旱涝发生趋势。

第五特征向量取值范围为-0.3～0.3之间，分为四个区域，其中东西两个区域为负值区，南北两个区域正值区，反映了旱涝发生趋势在东西和南北方向上和差异。

将SPI3通过EOF展开方法，从其特征向量分布规律可以看出，长江中下游地区的旱涝空间格局既有全区一致的现象，也存在区域内部南北、东西方向的差异以及地形因子的差异，但是其主要特点依然为纬向分布型。

3 结论

由于降水受大尺度天气形势影响，长江中下游地区旱涝具有总体一致的变化趋势，中部为旱涝脆弱区。由于受季风等气候引起的南北降水量变异的影响，南北具有相反的旱涝发生趋势，且向南北两个方向这种趋势表现更为明显。受地理位置等方面的地理因素的影响，在东西方向上呈相反的旱涝发生趋势，且向东西两个方向这种趋势表现更为明显。

近50年春夏秋冬四季区域性三个月时间尺度旱涝指标（IFD3）的方差分别为：春季为50.19，夏季为28.42，秋季为21.40，冬季为38.38，春季旱涝变化幅度最大，冬季次之，秋季最小。长江中下游地区夏秋两季旱涝灾害交替发生，且以涝灾为主，且涝灾多发生在夏秋两季。

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