徐小鈺， 朱記偉， 解建倉(cāng)， 劉家宏， 李占斌

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó) 北京 100038)

陜西省1470—2012年旱澇災(zāi)害時(shí)空分布特征及演變趨勢(shì)分析

徐小鈺1， 朱記偉1， 解建倉(cāng)1， 劉家宏2， 李占斌1

(1.西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó) 北京 100038)

旱澇災(zāi)害是陜西省發(fā)生頻率最高的自然災(zāi)害，研究其時(shí)空分布特征及演變趨勢(shì)對(duì)區(qū)域防汛、抗旱減災(zāi)具有重要意義。本文基于陜西省1470—2012年的旱澇災(zāi)害史料，結(jié)合累積距平法、滑動(dòng)平均法、功率譜分析和小波分析等方法，分陜北、關(guān)中、陜南三個(gè)地區(qū)對(duì)其旱澇災(zāi)害進(jìn)行研究。結(jié)果表明，543年來(lái)，陜北發(fā)生旱災(zāi)最頻繁，陜南發(fā)生澇災(zāi)最頻繁，關(guān)中發(fā)生極旱最頻繁，且整個(gè)區(qū)域持續(xù)澇災(zāi)發(fā)生的可能性高于旱災(zāi)。區(qū)域旱澇等級(jí)變化具有明顯的階段性和周期性。在近30年的時(shí)間尺度上，陜北處于偏旱期，關(guān)中、陜南處于偏澇期。

旱澇災(zāi)害； 時(shí)空分布特征； 演變趨勢(shì)； 陜西省

近年來(lái)，受全球氣候變暖的影響，極端氣候?yàn)?zāi)害事件發(fā)生頻繁，人類(lèi)的生產(chǎn)生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展受到嚴(yán)重威脅。在眾多的自然災(zāi)害中，以旱澇災(zāi)害發(fā)生頻率最高，危害影響最大，因此致力于其的研究也成為災(zāi)害學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)[1]。國(guó)外對(duì)區(qū)域旱澇災(zāi)害的時(shí)空分布及演變規(guī)律的研究有較豐碩的成果，且非常重視對(duì)旱澇指標(biāo)模型的改進(jìn)與創(chuàng)新[2-4]。國(guó)內(nèi)歷史時(shí)期旱澇災(zāi)害資料豐富，從中提取氣候信息，也逐漸成為研究旱澇災(zāi)害的主要方法之一[5-6]。

目前，對(duì)陜西地區(qū)的旱澇災(zāi)害已有一定研究。萬(wàn)金紅等[7]分析了西北干旱地區(qū)1470—2008年旱澇變化特征，得出539年中陜西省洪澇多發(fā)的時(shí)段明顯多于干旱；李星敏等[8]認(rèn)為陜北干旱過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，關(guān)中、陜南干旱時(shí)段內(nèi)常出現(xiàn)多個(gè)干旱過(guò)程。鑒于之前的研究缺少專(zhuān)門(mén)針對(duì)陜西地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間序列下的旱澇災(zāi)害發(fā)生規(guī)律及變化特征的分析，本文基于1470—2012年的旱澇災(zāi)害史料，研究陜西地區(qū)543年中的旱澇災(zāi)害時(shí)空分布特征及演變趨勢(shì)，以期為區(qū)域旱澇災(zāi)害的預(yù)測(cè)評(píng)估及制定長(zhǎng)遠(yuǎn)的防汛抗旱減災(zāi)應(yīng)對(duì)策略提供支持。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

1.1.1 研究區(qū)域

陜西省地處中國(guó)內(nèi)陸腹地，位于105°29′～111°15′E，31°42′～39°35′N(xiāo)之間，是連接中國(guó)東、中部地區(qū)和西北、西南的重要區(qū)域。陜西省南北狹長(zhǎng)，根據(jù)地理、氣候、歷史、文化、語(yǔ)言，可由北向南分為截然不同的三大地區(qū)：陜北、關(guān)中、陜南。省內(nèi)南北氣候差異顯著：陜北北部長(zhǎng)城沿線處于中溫帶氣候；關(guān)中及陜北大部分屬于暖溫帶氣候；陜南則屬于北亞熱帶氣候。全省水資源時(shí)空分布嚴(yán)重不均(參考《陜西省地圖集》得陜西省多年平均降雨量圖，見(jiàn)圖1[9])，從時(shí)間分布上看，年降雨量的60%～70%集中于7～10月份，往往造成汛期洪澇成災(zāi)，春季旱災(zāi)頻發(fā)；從地域分布上看，秦嶺以南的長(zhǎng)江流域，水資源量占到全省總量的71%，而秦嶺以北的黃河流域，水資源量卻僅占全省的29%[10]。針對(duì)陜西省特殊的地域特點(diǎn)，為更好地研究該區(qū)旱澇災(zāi)害變化特征，將其按照陜北、關(guān)中、陜南三個(gè)區(qū)域分別進(jìn)行研究。

1.1.2 資料處理

本文通過(guò)整理《陜西省自然災(zāi)害史料》、《陜西省自然災(zāi)害簡(jiǎn)要紀(jì)實(shí)》、《中國(guó)氣象災(zāi)害大典·陜西卷》等歷史文獻(xiàn)資料，并結(jié)合《中國(guó)西北地區(qū)近500年旱澇分布圖集(1470—2008)》中已有的榆林、延安、西安、寶雞、漢中、安康六站的災(zāi)害等級(jí)資料獲取陜西省1470—2012年543年的旱澇災(zāi)害史料數(shù)據(jù)，并參考《陜西水利年鑒》、《陜西救災(zāi)年鑒》等相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)缺資料年份進(jìn)行補(bǔ)充[11-16]。

在《中國(guó)西北地區(qū)近500年旱澇分布圖集(1470—2008)》一書(shū)當(dāng)中，用5級(jí)去劃分旱澇災(zāi)害等級(jí)，為更好地反映旱澇災(zāi)害的嚴(yán)重程度，本文在其基礎(chǔ)上，參考《氣象干旱等級(jí)》(GB/T20481-2006)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、《氣象災(zāi)情收集上報(bào)調(diào)查和評(píng)估試行規(guī)定》氣發(fā)(2005)96號(hào)文件及《中華人民共和國(guó)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——洪澇災(zāi)情評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)》(SL579-2012)等相關(guān)規(guī)定，制定旱澇等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(如表1)，將旱澇災(zāi)害劃分為極澇(旱)、大澇(旱)、輕澇(旱)、正常等7級(jí)[14]。

1.2 分析方法

1.2.1 累積距平法

通過(guò)累積距平曲線可以直觀了解旱澇災(zāi)害隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，清楚地判斷旱澇災(zāi)害的階段性。計(jì)算公式[17]為：

(1)

1.2.2 功率譜分析

功率譜分析是基于傅里葉變換的一種頻域分析方法，其通過(guò)將旱澇災(zāi)害等級(jí)序列的總能量分解到不同頻率的分量上，再根據(jù)不同頻率波的方差貢獻(xiàn)診斷出序列的主要周期[17]。首先將旱澇災(zāi)害等級(jí)序列xt展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)：

(2)

式中，fi為頻率，a0、ai、bi為傅里葉系數(shù)，k為主周期及其諧波的個(gè)數(shù)。

功率譜強(qiáng)度計(jì)算公式為：

(3)

式中，I(fi)表示當(dāng)頻率為fi時(shí)功率譜的強(qiáng)度，據(jù)此對(duì)應(yīng)關(guān)系，可計(jì)算旱澇災(zāi)害等級(jí)序列的周期。

1.2.3 小波分析

小波分析是在傅里葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析與處理的方法，由于旱澇災(zāi)害演變過(guò)程是一種連續(xù)且具有多時(shí)間尺度的變化，因此本節(jié)當(dāng)中采用Morlet連續(xù)復(fù)小波變換來(lái)分析其演變周期情況[18]?；诤禎碁?zāi)害等級(jí)函數(shù)f(t)的連續(xù)小波變換為：

(4)

2 結(jié)果分析

2.1 旱澇時(shí)空分布特征

根據(jù)表1的標(biāo)準(zhǔn)，判定陜北、關(guān)中、陜南三個(gè)地區(qū)1470—2012年的旱澇災(zāi)害等級(jí)，繪制陜西地區(qū)543年的旱澇等級(jí)演變圖譜(見(jiàn)圖2)。

從圖中可知，543年來(lái)陜西省各地旱澇災(zāi)害發(fā)生頻繁，旱澇等級(jí)序列存在多次轉(zhuǎn)折與突變，旱澇階段往往交替出現(xiàn)，極澇、大澇、極旱、大旱等嚴(yán)重旱澇災(zāi)害多發(fā)且集中。如：陜北地區(qū)1623—1633年的10年間，就發(fā)生極(大)澇災(zāi)害2年，極(大)旱災(zāi)害5年；關(guān)中地區(qū)1621—1653年間，連續(xù)3年的洪澇災(zāi)害之后，出現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)9年的偏旱期；陜南地區(qū)1928—1935年間、1959—1969年間，連年極(大)旱災(zāi)后都發(fā)生了嚴(yán)重的澇災(zāi)。三個(gè)地區(qū)中，陜北地區(qū)干旱災(zāi)害發(fā)生頻率遠(yuǎn)高于洪澇災(zāi)害，陜南地區(qū)洪澇災(zāi)害發(fā)生頻率遠(yuǎn)高于干旱災(zāi)害，關(guān)中地區(qū)發(fā)生極旱災(zāi)害的頻率遠(yuǎn)高于其它兩個(gè)地區(qū)。

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)不同時(shí)間段上不同區(qū)域旱澇災(zāi)害等級(jí)的分布情況(見(jiàn)表2)。

就陜北而言，543年中共發(fā)生洪澇災(zāi)害144年，干旱災(zāi)害250年。其中發(fā)生極澇災(zāi)害6年，平均90.5年發(fā)生一次；發(fā)生極旱災(zāi)害11年，平均49.4年發(fā)生一次。在所有的時(shí)間段中，1900—2012年發(fā)生旱澇災(zāi)害最頻繁，共計(jì)發(fā)生101年，平均1.1年發(fā)生一次。就關(guān)中而言，543年中共發(fā)生洪澇災(zāi)害204年，干旱災(zāi)害207年。其中發(fā)生極澇災(zāi)害17年，平均31.9年發(fā)生一次；發(fā)生極旱災(zāi)害22年，平均24.7年發(fā)生一次。在所有的時(shí)間段中，1900—2012年發(fā)生旱澇災(zāi)害最頻繁，共計(jì)108年，平均1.0年發(fā)生一次。就陜南而言，543年中共發(fā)生洪澇災(zāi)害216年，干旱災(zāi)害137年。其中發(fā)生極澇災(zāi)害26年，平均20.9年發(fā)生一次；發(fā)生極旱災(zāi)害7年，平均77.6年發(fā)生一次。在所有時(shí)間段中，1900—2012年發(fā)生旱澇災(zāi)害最頻繁，共計(jì)101年。由此可見(jiàn)，陜西地區(qū)旱澇災(zāi)害具有明顯的階段性和區(qū)域性，不同時(shí)間段、不同區(qū)域的旱澇災(zāi)害發(fā)生情況不盡相同，同時(shí)旱澇災(zāi)害的發(fā)生還具有同步性，極(大)旱災(zāi)多發(fā)時(shí)段，極(大)澇災(zāi)往往也多發(fā)。

2.2 旱澇演變趨勢(shì)分析

2.2.1 旱澇變化階段性特征

為了解陜西地區(qū)的旱澇災(zāi)害總體變化趨勢(shì)和階段性特征，對(duì)陜北、關(guān)中、陜南三個(gè)地區(qū)1470—2012年的旱澇等級(jí)序列分別進(jìn)行累積距平，并計(jì)算21年的滑動(dòng)平均，以此濾去小于21年高頻分量振動(dòng)的影響，體現(xiàn)較大周期尺度下的變化趨勢(shì)，最后根據(jù)結(jié)果繪制累積距平曲線和滑動(dòng)平均曲線如圖3。定義曲線的上升表示偏旱期，曲線下降表示偏澇期。從圖3可知，3個(gè)地區(qū)的旱澇等級(jí)序列均有較明顯的上升下降變化趨勢(shì)。進(jìn)一步利用滑動(dòng)T檢驗(yàn)法判斷相鄰變化階段是否具有顯著差異，轉(zhuǎn)折點(diǎn)是否具有突變性，結(jié)果表明：陜北地區(qū)在超過(guò)t0.01顯著性水平下存在1542年、1648年、1782年、1804年、1974年等5個(gè)突變點(diǎn)，此外在1573年處也有明顯變化，超過(guò)t0.05顯著性水平；關(guān)中地區(qū)在t0.01顯著性水平下僅存在1648年1個(gè)突變點(diǎn)；陜南地區(qū)在t0.01顯著性水平下，存在1554年、1646年、1747年、1769年、1781年、1818年、1871年、1880年8個(gè)突變點(diǎn)，此外在1573年處也有明顯變化，超過(guò)t0.05顯著性水平。據(jù)此劃分陜西地區(qū)旱澇階段(見(jiàn)表3)：陜北可劃分為4個(gè)偏旱期和3個(gè)偏澇期，其中偏旱期、偏澇期最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間分別為74年和169年，最短持續(xù)時(shí)間分別達(dá)到21年和30年，即偏澇期的持續(xù)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于偏旱期；關(guān)中地區(qū)可劃分為1個(gè)偏旱期和1個(gè)偏澇期，偏旱期和偏澇期的持續(xù)時(shí)間分別為178年和364年，且偏旱期與郭瑞等[19]提出的1470—1639年是涇河流域旱災(zāi)多發(fā)時(shí)段的研究結(jié)果相一致；陜南地區(qū)可劃分為5個(gè)偏旱期和5個(gè)偏澇期，其中偏旱期、偏澇期持續(xù)最長(zhǎng)時(shí)間分別為91年和132年，持續(xù)最短時(shí)間為8年和11年，偏旱期、偏澇期平均發(fā)生年數(shù)分別為44.6年、62.2年。且目前陜北處于偏旱期，關(guān)中和陜南處于偏澇期。由此可知，543年中陜西各地區(qū)旱澇災(zāi)害交替出現(xiàn)，且差異顯著，其中發(fā)生偏澇期的持續(xù)性較偏旱期強(qiáng)，即持續(xù)洪澇災(zāi)害發(fā)生的可能性高于干旱災(zāi)害，這與萬(wàn)金紅等[8]得出的陜西旱澇變化特征結(jié)果相同。

表3 陜西省543年旱澇等級(jí)階段性

Tab.3 Stage of drought and flood grades in Shaanxi Province for recent 543 years

2.2.2 旱澇變化的周期性特征

旱澇災(zāi)害不僅存在階段性、突變性以及多時(shí)間尺度的結(jié)構(gòu)，還具有趨勢(shì)性和周期性。本文利用功率譜和基于Morlet函數(shù)的小波分析方法分析陜西地區(qū)1470—2012年的不同區(qū)域不同時(shí)間尺度上的旱澇災(zāi)害等級(jí)序列，以揭示隱藏在災(zāi)害等級(jí)序列中的多種變化周期，充分反映災(zāi)害在不同時(shí)間尺度下的變化情況。根據(jù)式(2)～(3)計(jì)算功率譜頻率強(qiáng)度，繪制旱澇災(zāi)害等級(jí)序列的功率譜分析圖，如圖4。從圖中可知，陜北地區(qū)存在2～5年、8年、11年、13～14年、22～24年、37年、49年等顯著周期；關(guān)中地區(qū)存在4～5年、7～11年、13～16年、22～25年、28年、45年等顯著周期；陜南地區(qū)存在2～5年、7～11年、13年、25年～29年、38年、47年等顯著周期。由此可知，陜西地區(qū)1470—2012年間，旱澇災(zāi)害變化具有明顯的周期性，不同區(qū)域其周期長(zhǎng)度不盡相同，但均具有4～5年、8年、11年、13年左右時(shí)間尺度的周期，其中4～5年和11年的周期分別與厄爾尼諾(3～7年)和太陽(yáng)黑子活動(dòng)(11年)的周期相對(duì)應(yīng)，因此可推斷太陽(yáng)黑子和厄爾尼諾現(xiàn)象對(duì)陜西地區(qū)旱澇災(zāi)害發(fā)生存在一定的影響[20]。

利用式(4)，計(jì)算連續(xù)小波變換系數(shù)的實(shí)部，并根據(jù)結(jié)果繪制陜西地區(qū)1470—2012年旱澇等級(jí)序列小波分析圖，如圖5。為便于分析，對(duì)不同的計(jì)算值用不同的顏色加以區(qū)分，并用“+”表示正值中心，代表旱期；用“-”表示負(fù)值中心，代表澇期[21]。從圖中可清楚地看到，543年來(lái)陜西各地區(qū)的旱澇災(zāi)害變化存在明顯的多時(shí)間尺度特征。就陜北地區(qū)而言，在全時(shí)間尺度上存在2～5年、7～11年、13～15年的顯著周期，其中1470—1560年間存在8年和49年、1560—1680年間存在7～14年和24年、1820—2012年間存在4～6年和8～14年的高頻周期振蕩。就關(guān)中地區(qū)而言，在整個(gè)時(shí)間尺度上存在22～25年、34～39年、45年的顯著周期；其中1550—1640年間存在34～39年的高頻周期振蕩，具有旱澇交替的準(zhǔn)3次振蕩；1640—1710年間存在13年、22～25年、39年的高頻周期振蕩；1720—1800年間存在20～24年、31～34年的高頻周期振蕩；1830—2012年間存在11～16年、22～25年、34～39年的高頻周期振蕩，其中11～16年的時(shí)間尺度上出現(xiàn)了旱澇交替的準(zhǔn)3次振蕩。陜南在全時(shí)間尺度上存在24～29年、38年的周期，其中1470—1530年間存在47年、1865—1895年間存在24～26年、1925—2012年間存在13年和38～43年的高頻周期振蕩。進(jìn)一步讀圖可判斷，目前陜北處于旱期，關(guān)中、陜南處于澇期，這與階段性分析的結(jié)果相同。

綜合功率譜方法和小波分析的結(jié)果可知，陜北地區(qū)主要存在2～5年、8年、11年、13～14年的周期，其中2～5年周期與甘肅旱澇準(zhǔn)4年周期相對(duì)應(yīng)；關(guān)中地區(qū)主要存在22～25年、45年的周期，其中25年的周期與蘭州地區(qū)旱澇災(zāi)害變化的25～26年的周期相對(duì)應(yīng)；陜南地區(qū)主要存在25～29年、38年的周期，其中25～29年周期與中國(guó)北方旱澇變化存在20～30年時(shí)間尺度的周期振蕩相對(duì)應(yīng)[22-24]。

3 結(jié) 論

1) 從旱澇時(shí)空變化特征上看：543年來(lái)陜西省各地旱澇災(zāi)害發(fā)生頻繁，在空間分布上，陜北是旱災(zāi)發(fā)生最頻繁的地區(qū)，陜南是澇災(zāi)發(fā)生最頻繁的地區(qū)，與多年降雨量南多北少的趨勢(shì)相吻合。在時(shí)間分布上，三個(gè)地區(qū)的旱澇災(zāi)害的發(fā)生具有一定的一致性。

2) 從旱澇災(zāi)害階段性特征上看：543年中陜西各地旱澇災(zāi)害交替出現(xiàn)且差異顯著，并具有明顯的階段性和區(qū)域性。其中：陜北地區(qū)可劃分為4個(gè)偏旱期和3個(gè)偏澇期；關(guān)中地區(qū)可劃分為1個(gè)偏旱期和1個(gè)偏澇期；陜南地區(qū)可劃分為5個(gè)偏旱期和5個(gè)偏澇期。同時(shí)，整個(gè)區(qū)域持續(xù)洪澇災(zāi)害發(fā)生的可能性高于干旱災(zāi)害。

3) 從旱澇災(zāi)害周期特征上看：543年來(lái)陜西各地區(qū)的旱澇災(zāi)害變化存在明顯的多時(shí)間尺度特征。其中，陜北地區(qū)主要存在2～5年、8年、11年、13～14年的周期；關(guān)中地區(qū)主要存在22～25年、45年的周期；陜南地區(qū)主要存在25～29年、38年的周期。目前陜北處于偏旱期，關(guān)中、陜南處于偏澇期。

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(責(zé)任編輯 周蓓)

Analysis of spatial and temporal distribution characteristics and evolution trend of drought and flood disasters from 1470 to 2012 in Shaanxi Province

XU Xiaoyu1， ZHU Jiwei1， XIE Jiancang1， LIU Jiahong2， LI Zhanbin1

(1. State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China；2. State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China)

Drought and flood disasters are the most frequent natural disasters in Shaanxi Province. Research on spatial and temporal distribution characteristics and evolution trend of drought and flood disasters is of the vital significance to regional flood control and drought resistance. Based on the drought and flood disaster historical data of Shaanxi Province from 1470 to 2012, and combined with the accumulative anomaly method, moving average method, power spectrum analysis and wavelet analysis method, drought and flood disasters are studied from three different areas，that is Shanbei, Guanzhong as well as Shannan. The results show that the drought disasters occurred most frequently in shanbei，the flood disasters occurred most frequently in shannan，the extreme drought disasters occurred most frequently in Guanzhong，and the occurrence probability of continuous flooding is higher than that of drought in the whole district during the 543 years. The grade changes of regional drought and flood disasters have had obvious stage and multiple time scale characteristics in different regions. During the recent 30 years，Shanbei is in partial drought period, the Guanzhong and Shannan in partial flood period.

drought and flood disasters； spatial and temporal distribution characteristics； evolution trend； Shaanxi Province

1006-4710(2015)02-0231-07

2014-11-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51209170，51479160)。

徐小鈺，女，碩士生，研究方向?yàn)樗Y源規(guī)劃與應(yīng)急管理。E-mail：xautxxy@163.com。

朱記偉，男，副教授，博士，研究方向?yàn)樗Y源管理與系統(tǒng)工程。E-mail：zhujiwei@xaut.edu.cn。

P461

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