摘要：根據(jù)1961-2010年湖南省自然災(zāi)害歷史數(shù)據(jù)以及同期湖南省逐日降水量資料，利用一元回歸、Mann-Kendall檢驗(yàn)、Morlet小波分析等方法，對(duì)湖南省內(nèi)1961-2010年的水稻受洪澇災(zāi)害及年降水量變化影響的特征進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上利用主成分回歸方法，建立了湖南省水稻受洪澇災(zāi)害影響的多元回歸方程。結(jié)果表明，湖南省水稻受洪澇災(zāi)害影響重、頻率高，且在2000年后受災(zāi)的嚴(yán)重程度有加重的趨勢(shì)；各降水因子中，暴雨日及大暴雨日產(chǎn)生的年降水量以及它們的雨日數(shù)是決定湖南省水稻受洪澇災(zāi)害影響程度的主要因子；利用時(shí)間、暴雨日的年降水量建立的多元回歸方程可以簡(jiǎn)便地對(duì)某年湖南省水稻受洪澇災(zāi)害影響的程度進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：降水量；湖南??；水稻生產(chǎn)；風(fēng)險(xiǎn)分析

中圖分類(lèi)號(hào)：S162.5+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）02-0265-04

湖南省是一個(gè)氣象災(zāi)害比較嚴(yán)重的省份，氣象災(zāi)害多發(fā)、頻發(fā)。洪澇，尤其是暴雨洪澇是湖南省僅次于干旱的又一嚴(yán)重自然災(zāi)害，它給人民生命財(cái)產(chǎn)直接造成威脅。湖南省是中國(guó)的主要產(chǎn)糧區(qū)之一，素有“魚(yú)米之鄉(xiāng)”之稱，對(duì)湖南省進(jìn)行暴雨洪澇災(zāi)害影響因素的定量分析，可為水災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理提供科學(xué)依據(jù)。

目前，中國(guó)對(duì)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)及研究很多，其中結(jié)合GIS技術(shù)對(duì)洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行區(qū)劃[1-4]和利用各種數(shù)據(jù)模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[5，6]是兩大亮點(diǎn)。對(duì)湖南省洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)影響方面的研究成果也不少，例如對(duì)洞庭湖區(qū)洪澇災(zāi)害的脆弱性評(píng)價(jià)[7，8]，對(duì)湖南全省及地區(qū)的洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[9-11]，在這些研究中，缺少一種既科學(xué)又簡(jiǎn)單可行的洪澇災(zāi)害對(duì)水稻影響評(píng)價(jià)的模型。此次研究在分析1961-2010年湖南省水稻受洪澇災(zāi)害影響的時(shí)序變化特征及同時(shí)段湖南省降水量變化特征的基礎(chǔ)上，利用回歸方法，建立基于湖南省水稻受洪澇災(zāi)害影響的歷史資料的氣候?qū)W評(píng)價(jià)模型。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

主要數(shù)據(jù)有兩類(lèi)，一類(lèi)是湖南省1961-2010年自然災(zāi)害數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)來(lái)源主要是中國(guó)種植業(yè)信息網(wǎng)和湖南省統(tǒng)計(jì)年鑒[12]；另一類(lèi)是1961-2010年湖南省97個(gè)站逐日降水量資料，資料來(lái)源于湖南省氣象臺(tái)歷年降水實(shí)況資料。

1.2 主要方法

1）線性傾向分析。線性傾向分析采用一元線性回歸分析[13]：

yi=a+b■ i=l，2，…，n （1）

式中，a是回歸常數(shù)，b是回歸系數(shù)，代表氣候變化傾向率，b>0表示呈上升趨勢(shì)，b<0表示呈下降趨。a和b可用最小二乘法求出。

2）Mann-Kendall檢驗(yàn)。Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[14]。非參數(shù)檢驗(yàn)方法亦稱無(wú)分布檢驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，計(jì)算比較簡(jiǎn)便。

3）Morlet小波分析。小波分析是分析變化周期的常用方法，Morlet小波分析是在氣象上運(yùn)用較多的連續(xù)性小波分析，具體算法參見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。

4）主成分回歸。主成分回歸是一種有偏估計(jì)的回歸預(yù)測(cè)方法，由Massy于1965年提出，其主要思想是對(duì)影響預(yù)測(cè)因變量的多個(gè)自變量的觀測(cè)樣本矩陣中取前幾項(xiàng)方差較大的成分作為主成分，略去方差較小的一些成分，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行回歸，具體方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 1961-2010年湖南省水稻洪澇受災(zāi)率分布及變化特征

研究中，對(duì)洪澇災(zāi)害與洪水災(zāi)害的區(qū)別不細(xì)分。利用1961-2010年湖南省水稻種植面積、水稻受災(zāi)面積、水稻洪澇受災(zāi)面積、水稻干旱受災(zāi)面積、農(nóng)業(yè)種植面積、農(nóng)業(yè)受災(zāi)面積等數(shù)據(jù)，對(duì)湖南省近50年來(lái)水稻洪澇受災(zāi)面積等進(jìn)行了計(jì)算，得到1961-2010年湖南省水稻洪澇受災(zāi)率等的時(shí)序分布（圖1）。

水稻洪澇受災(zāi)率的公式為：

D=（Sr / S）×100% （2）

式中，D為水稻洪澇受災(zāi)率，單位為%；Sr為水稻洪澇受災(zāi)面積，單位為hm2；S為水稻種植面積，單位為hm2。其他的類(lèi)似項(xiàng)由類(lèi)似的方法求得。從1961-2010年湖南省水稻洪澇受災(zāi)率的時(shí)序分析可見(jiàn)，近50年來(lái)湖南省水稻洪澇受災(zāi)率呈增加趨勢(shì)。水稻受洪澇災(zāi)害的影響存在較明顯的年代際變化，1960年代和1970年代前期，水稻的洪澇災(zāi)害受災(zāi)率呈減少的趨勢(shì)，且整個(gè)的受災(zāi)率比較低。從1970年代中期開(kāi)始，洪澇災(zāi)害對(duì)水稻生產(chǎn)的影響逐漸加劇，到1996年達(dá)到最大值后，出現(xiàn)了較大的年際變化。

按水稻洪澇受災(zāi)率水平進(jìn)行分等，把受災(zāi)率均分成5等[16]，受災(zāi)率由低到高分成輕災(zāi)、小災(zāi)、中災(zāi)、大災(zāi)和重災(zāi)。對(duì)不同災(zāi)等時(shí)序分布的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，湖南省水稻生產(chǎn)受洪澇災(zāi)害的影響頻繁，幾乎年年受災(zāi)，特別是2000年后，湖南省水稻洪澇災(zāi)害有加重的趨勢(shì)（表1）。

由圖2可見(jiàn)，湖南省水稻受氣象災(zāi)害的影響比較重，而在各種氣象災(zāi)害中，洪澇災(zāi)害所占的比例很高。同時(shí)，一般年份，湖南省會(huì)受到洪澇與干旱兩種災(zāi)害的雙重影響。在多數(shù)年份，水稻除受洪澇、干旱的影響外，還受到臺(tái)風(fēng)、低溫等災(zāi)害的影響，因此洪澇災(zāi)害對(duì)水稻生產(chǎn)的影響不能完全表示湖南省水稻受氣象災(zāi)害的影響。受災(zāi)率與成災(zāi)率的時(shí)序變化序列都有很高的相似性，兩者之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99。

對(duì)1961-2010年湖南省水稻洪澇受災(zāi)率的Mann-Kendall檢驗(yàn)表明，1961-2010年湖南省水稻洪澇受災(zāi)率的突變點(diǎn)出現(xiàn)在1963、1965、1967以及1984年前后，在1993年前湖南省水稻洪澇受災(zāi)率的變化趨勢(shì)不明顯，此后，其變化趨勢(shì)達(dá)到顯著水平（圖3）。對(duì)1961-2010年湖南省水稻干旱成災(zāi)率的Mann-Kendall檢驗(yàn)表明，1967-1979年湖南省水稻受干旱的影響呈減少趨勢(shì)；1980-1995年干旱對(duì)湖南省水稻生產(chǎn)的影響呈增強(qiáng)趨勢(shì)；1996-2010年干旱對(duì)湖南省水稻生產(chǎn)的影響又呈減弱趨勢(shì)。對(duì)湖南省水稻洪澇受災(zāi)率及干旱受災(zāi)率的變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，洪澇與干旱對(duì)水稻生產(chǎn)的影響并不存在一定的關(guān)系。對(duì)1961-2010年湖南省水稻受災(zāi)率的Mann-Kendall檢驗(yàn)表明，1967-1978年湖南省水稻受災(zāi)率呈顯著下降趨勢(shì)，1992年受災(zāi)率出現(xiàn)顯著上升。

對(duì)水稻洪澇受災(zāi)率變化趨勢(shì)的持續(xù)性強(qiáng)度的RS分形結(jié)果表明，水稻洪澇受災(zāi)率的Hurst指數(shù)為0.898，表明其變化趨勢(shì)在未來(lái)有很強(qiáng)的持續(xù)性，即在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，湖南省水稻洪澇受災(zāi)率的增加趨勢(shì)仍將持續(xù)。對(duì)其他項(xiàng)的RS分形結(jié)果都表明，水稻的受災(zāi)率變化趨勢(shì)將在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)，不會(huì)很快出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)。

對(duì)水稻洪澇受災(zāi)率、水稻洪澇成災(zāi)率等6項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)分析得知這些項(xiàng)為相似項(xiàng)。在研究的后期，選擇水稻洪澇受災(zāi)率為指標(biāo)就洪澇災(zāi)害對(duì)水稻生產(chǎn)的影響進(jìn)行分析。

1961-2010年湖南省水稻洪澇受災(zāi)率的Morlet小波分析結(jié)果（圖4）表明，洪澇災(zāi)害對(duì)湖南省水稻生產(chǎn)的影響存在17年左右的周期，1985年后5～6年左右的周期表現(xiàn)得也比較明顯。

2.2 1961-2010年湖南省降水分布及變化特征

對(duì)湖南省1961-2010年逐日降水量的統(tǒng)計(jì)表明，湖南省的年平均降水量為1 377.6 mm，且有增加的趨勢(shì)，全省降水量約以27.64 mm/（10年）的速率增加。1968-1983年、1996-2002年為兩個(gè)降水較多時(shí)段，對(duì)其的Mann-Kendall檢驗(yàn)表明，1983年前后，湖南省年平均降水量變化趨勢(shì)出現(xiàn)了明顯變化。1961-2010年湖南省年平均降水量的Morlet小波分析結(jié)果表明，湖南省年平均降水量存在37年左右、19年左右兩個(gè)典型的變化周期（圖5）。

4個(gè)季度的降水量存在較大的差異，第二季度（4～6月）的平均降水量最多，為580.0 mm，其次是第三季度（7～9月），平均降水量為343.1 mm；降水量最少的是第四季度（10～12月），平均為196.2 mm。在4個(gè)季度中，降水量變化最大的是第四季度，其次是第三季度，降水量變化最小的是第一季度。

2.3 1961-2010年湖南省各等級(jí)降水的分布及變化特征

在對(duì)降水量進(jìn)行等級(jí)劃分后，分別對(duì)小雨日、中雨日、大雨日、暴雨日、大暴雨日及特大暴雨日的逐年降水量、逐年雨日進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（表2）。由表2可知，中雨對(duì)年平均降水量的貢獻(xiàn)最大，其次是大雨；對(duì)雨日貢獻(xiàn)最大的是小雨，全年大部分的雨日都是小雨。特大暴雨出現(xiàn)的幾率很小，對(duì)年平均降水量及多年平均雨日的貢獻(xiàn)都不大。

各等級(jí)降水的年降水量、年雨日的氣候趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，小雨的年降水量及年雨日都呈稍減少趨勢(shì)，其他等級(jí)降水的年降水量都呈增加趨勢(shì)，其中大雨帶來(lái)的降水量的增加速率最快，達(dá)10 mm/（10年）；其次是暴雨，它帶來(lái)的降水量的增速為9.6 mm/（10年）。除小雨、特大暴雨外的其他降水等級(jí)的年雨日都有略增加趨勢(shì)，但因小雨日以平均4.1 d/（10年）的速率減少，致使雨日以平均3.5 d/（10年）的速率減少。

2.4 湖南省洪澇災(zāi)害影響水稻生產(chǎn)評(píng)價(jià)模型建立

主成分分析的結(jié)果表明，暴雨日年降水量、大暴雨日年降水量、暴雨日、大暴雨日等因子是決定湖南省水稻受洪澇災(zāi)害影響程度的主要因子，這4個(gè)因子對(duì)水稻洪澇災(zāi)害受災(zāi)率的累積貢獻(xiàn)率達(dá)80%以上。

利用上述主要影響因子及年序系列，對(duì)湖南省水稻受洪澇災(zāi)害的影響用逐步回歸的方法建立回歸模型，結(jié)果如下：

■=0.564t+0.146p-1 098.124 R=0.605 （3）

式中，y為某年湖南省水稻受洪澇災(zāi)害的受災(zāi)率，單位為%；t為年份，p為當(dāng)年的暴雨日的年降水量，單位為mm。在計(jì)算中，t和p都取數(shù)值。

公式（3）的顯著性水平達(dá)0.01，其復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.605，可見(jiàn)，由公式（3）估計(jì)的湖南省水稻洪澇災(zāi)害的受災(zāi)率的可信度還是比較高的。

水稻洪澇災(zāi)害的受災(zāi)率與其降水影響因子，如年降水量、年雨日、四季的降水量、其他各等級(jí)降水的年降水量及年雨日等因子也有一定的相關(guān)性，不過(guò)它們的相關(guān)系數(shù)都小于0.6，且相關(guān)大多未達(dá)到極顯著水平。

利用公式（3）可在對(duì)某年的暴雨日年降水量進(jìn)行預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，估算出湖南全省水稻洪澇災(zāi)害受災(zāi)率，大致預(yù)測(cè)某年水稻受洪澇災(zāi)害影響的輕重程度，提前做好防災(zāi)減災(zāi)措施。利用同樣研究思路，在某個(gè)區(qū)域有相應(yīng)資料的基礎(chǔ)上，可以得到具體的區(qū)域化的計(jì)算公式，并最終實(shí)現(xiàn)相關(guān)的預(yù)測(cè)，為當(dāng)?shù)氐姆罏?zāi)減災(zāi)提供參考。

3 結(jié)論

對(duì)1961-2010年湖南省水稻受洪澇災(zāi)害影響的變化特征的分析表明，湖南省的水稻生產(chǎn)受洪澇災(zāi)害的影響嚴(yán)重，受災(zāi)頻率高，2000年后受災(zāi)有加重的趨向。

在1961-2010年，湖南全省的年降水量有增加的趨勢(shì)，但年雨日有減少的趨勢(shì)，表明湖南省近50年來(lái)雨日的降雨強(qiáng)度有增強(qiáng)的趨勢(shì)；不同等級(jí)降水的年降水量、年雨日的變化趨勢(shì)并不一致，暴雨、大暴雨等級(jí)的年降水量增加趨勢(shì)明顯且這兩個(gè)等級(jí)的年雨日有減少的趨勢(shì)，表明湖南省的強(qiáng)降水有增多的趨勢(shì)。

對(duì)1961-2010年湖南省水稻洪澇災(zāi)害受災(zāi)率與年降水量、4個(gè)季度的季節(jié)降水量及雨日、不同等級(jí)降水的年降水量及雨日等因子之間的關(guān)系的分析表明，暴雨日年降水量、大暴雨日年降水量、年暴雨日、年大暴雨日等因子是決定湖南省水稻受洪澇災(zāi)害影響程度的主要因子。用逐步回歸方法建立的多元回歸方程中只有兩個(gè)變量時(shí)間和暴雨日的年降水量，此方程可以對(duì)某年水稻受洪澇災(zāi)害影響的程度進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)。

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