曹永強，邵文婷，曲本亮，高 璐

（1.遼寧師范大學城市與環(huán)境學院，遼寧 大連 116029；2.大連市環(huán)境科學設(shè)計研究院，遼寧 大連 116023）

基于修正Z指數(shù)的淮河流域干旱時空特性分析

曹永強1，邵文婷1，曲本亮2，高 璐1

（1.遼寧師范大學城市與環(huán)境學院，遼寧 大連 116029；2.大連市環(huán)境科學設(shè)計研究院，遼寧 大連 116023）

本文基于淮河流域39個站點1961—2013年逐日降雨量，根據(jù)國家干旱等級標準和淮河流域?qū)嶋H情況對不同等級干旱所對應(yīng)的界限值進行修正，采用小波分析，結(jié)合ARCGIS軟件運用反距離權(quán)重法，對淮河流域干旱進行時空規(guī)律分析。結(jié)果表明，淮河流域總體趨勢是干旱頻率減弱。Z值在趨勢變化上存在明顯的年際變化。90年代后Z值變化較為平緩，淮河流域的干旱情況有了一定好轉(zhuǎn)?？臻g上，Z值的高值中心和低值中心的分布較為分散，具有明顯的區(qū)域性，干旱程度由西北向東南遞增。

干旱；Z指數(shù)修正；時空特征；淮河流域

1 研究背景

干旱是淮河流域危害最為嚴重的氣象災(zāi)害，影響程度之重居各種氣象災(zāi)害之首。干旱的頻發(fā)給淮河流域的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展和社會經(jīng)濟造成了重創(chuàng)［1］。分析干旱在時間和空間上的變化特性，能夠使人們了解不同等級干旱發(fā)生的頻率，研究成果可為淮河流域的抗旱工作決策提供技術(shù)支持［2］。周晉紅等［3］對常用干旱指標進行對比分析。葛巖等［4］對Z指數(shù)的等級進行了修正，通過與理論干旱頻率和遼西北典型干旱年的對比影響分析，進行了更適合于研究區(qū)域的分析。鞠笑生等［5］于1997年我國單站旱澇指標確定和區(qū)域旱澇級別劃分的研究基于1951—1995年各月降水資料，在全國選取8個代表站，測試了3種單站旱澇指標（降水距平百分率、濕度指標和Z指數(shù)）并作了相互比較，認為Z指數(shù)方法最優(yōu)。Palmer于1965年綜合考慮了前期降水、水分供給、水分需求、實際蒸散量、潛在蒸散量等要素，以水分平衡為基礎(chǔ)建立了一個氣象干旱指數(shù)（PDSI）［6］；該指數(shù)被廣泛應(yīng)用于各個國家的干旱評估、旱情比較以及對旱情的時空分布特征的分析中。用Z指數(shù)等不同方法和不同時間尺度進行對比分析，表明Z指數(shù)對我國旱澇監(jiān)測應(yīng)用效果很好［7］，可作為一種較好的方法進行旱澇監(jiān)測。盡管已經(jīng)有很多應(yīng)用Z指數(shù)對干旱進行評價的研究成果，然而對Z指數(shù)在研究地區(qū)的適應(yīng)性分析及修正研究比較少。方茸［8］等對Z指數(shù)進行了修正，理論與實際相結(jié)合使得修正后Z指數(shù)能較好地反映實際的干旱情況。王宏等［9］基于Z指數(shù)分析旱澇多尺度變化特征，為防洪抗旱提供了參考。

本文針對Z指數(shù)是以一定的假設(shè)為前提條件的問題，基于淮河流域53年的降水資料和歷史干旱資料，選擇Z指數(shù)為指標進行分析。為了得到合理的干旱頻率分布，結(jié)合國家標準初步判定干旱等級，對Z指數(shù)的干旱等級劃分界限進行修正。利用修正之后的數(shù)據(jù)分析淮河流域的干旱趨勢和干旱時間變化特征。

2 研究資料與方法

2.1 研究區(qū)資料淮河源頭位于河南省南陽市桐柏縣境內(nèi)，流經(jīng)河南，湖北，安徽，江蘇四個省份，在三江營南流入江，北流入海，介于長江和黃河兩流域之間，全長1 252 km。對于資料缺測情況，若月內(nèi)逐日資料缺測達5日的，該年年值為缺測［10］。本文在41個站點中剔除了兩個數(shù)據(jù)不完整的雨量站（洛陽和欒川）且不包含在淮河流域邊界內(nèi)，最終選用代表性較好的39個雨量站，對1961—2013年的歷年逐日降水資料進行干旱分析［11］。

2.2 研究方法

2.2.1 Z指數(shù)計算方法 Z指標是使用比較廣泛的指標之一。由于某一時段的降雨量幾乎不服從正態(tài)分布，Z指標假定某時段降雨量服從Per?son-Ⅲ型分布，現(xiàn)假定月降水量服從Person-Ⅲ型分布，對降水量進行正態(tài)化處理，可將概率密度函數(shù)分布轉(zhuǎn)換為以Z指標為變量的標準正態(tài)分布［12］，可用降水資料序列計算求得。

2.2.2 小波分析法 小波分析是一種強有力的信號分析工具［13］，具有多分辨率的功能，適合于分析水文時間序列。小波分析可以揭露各種水文時間序列的變化特性，如突變、趨勢、周期等等。通過小波分析的多分辨率功能，可以揭示水文系統(tǒng)的多時間尺度特性。

2.2.3 反距離權(quán)重法 反距離權(quán)重法是空間插值幾何方法的一種［14］，基于地理學第一定律：相似相近原理，即兩個物體離得越近，它們的值越相似；反之，離得越遠則相似性越小。它以插值點與樣本點間的距離為權(quán)重進行加權(quán)平均，離插值點越近的樣本點賦予的權(quán)重越大。插值使用一組采樣點的線性權(quán)重組合來確定像元值。權(quán)重是一種反距離函數(shù)。進行插值處理的表面應(yīng)當是具有局部因變量的表面。反距離權(quán)重法較之其他方法雖然計算量大，但是精度較高，適用性較廣，滿足于研究區(qū)域較小的范圍，克服了內(nèi)插中誤差難以分析問題。

圖1 淮河流域雨量站分布

3 淮河流域Z指數(shù)適應(yīng)性分析及修正

3.1 修正原理Z指數(shù)的計算及評價是基于一定的假設(shè)，其假定某時段降雨量服從Person-Ⅲ型分布，對降水量進行了正態(tài)化等相關(guān)的處理，但由于Z指數(shù)分級要求偏態(tài)系數(shù)能夠經(jīng)得起檢驗，只有經(jīng)過了檢驗之后，才能認為Z指數(shù)是符合正態(tài)分布的，認為時間序列遵從正態(tài)分布［15］。

根據(jù)Z指數(shù)的國家干旱等級標準進行干旱等級評價，將計算得出的不同等級干旱的頻率與理論頻率對比，調(diào)整Z指數(shù)不同等級干旱所對應(yīng)的界值，使評價的干旱頻率與理論頻率相符，最終得出適合淮河流域的Z指數(shù)干旱等級標準。

3.2 Z指數(shù)界限值的修正與檢驗利用Z指數(shù)指標，對淮河流域1961—2013年53年的年干旱情況進行分析，并繪制了以Z指數(shù)為指標的淮河39個站點的干旱統(tǒng)計表。按照理論頻率值，發(fā)生無旱頻率約為70％，發(fā)生偏旱頻率為15％，發(fā)生大旱頻率為10％，發(fā)生特旱頻率為5％。如表1比較發(fā)現(xiàn)大旱和特旱的發(fā)生頻率接近理論頻率，但無旱和偏旱的頻率和理論頻率偏差較大，因此，要根據(jù)理論概率，來調(diào)整Z指數(shù)偏旱的理論界限值，使之符合淮河流域發(fā)生干旱的實際情況。

(1)管理意識淡薄。運輸企業(yè)正式編排在冊員工在減少，所以員工大多是臨時雇傭工。這也人員對人事檔案沒有了解，認為是今天高興在干活，不高興就離職。企業(yè)也認為企業(yè)和駕駛員是雇傭關(guān)系，隨時可以解雇。所以沒必要投入資金對駕駛員的檔案進行管理，從而企業(yè)中沒有形成檔案管理。

表1 以Z指數(shù)為指標的淮河流域39個站點干旱等級

首先要注意干旱發(fā)生頻率要滿足理論發(fā)生概率要求；其次是在原來Z指標界限的基礎(chǔ)上做微調(diào)。修正后Z指標干旱等級標準如表2所示，無旱與偏旱的界值由-0.842調(diào)整為-0.352，大旱與特旱的界值由-1.645調(diào)整為-1.402，使得無旱的頻率占69.69％，偏旱占15.44％，大旱占10.06％，特旱占4.81％，符合理論干旱頻率。

表2 修正后Z指數(shù)干旱等級標準

為了驗證新的等級標準，根據(jù)每10年中至少要有一個典型干旱年的原則，選擇淮河流域干旱比較嚴重的6年（1966，1978，1981，1986，1997和2002年）進行比對驗證。如表3所示，利用修正后的Z指數(shù)，對6個干旱典型年進行干旱對比分析，進一步驗證修正后的淮河流域Z指數(shù)等級標準，結(jié)果表明2002年的評價結(jié)果失真，所以剔除，原因是由于2002年發(fā)生南四湖特大干旱致使其降水分布不均勻，無旱頻次少使得干旱趨勢整體偏大，對統(tǒng)計結(jié)果造成一定影響。除此之外均通過與理論干旱頻率和淮河典型干旱年的對比分析，說明修正后的Z指數(shù)適合淮河流域。多個站點聯(lián)合起來分析雖然可以統(tǒng)計該地區(qū)干旱情況，但一些地區(qū)在某個時段發(fā)生的特殊災(zāi)害需要酌情考慮其對結(jié)果造成的影響。

表3 修正后的Z指數(shù)39個站的統(tǒng)計結(jié)果

4 結(jié)果與分析

4.1 淮河流域干旱時間演變規(guī)律

4.1.1 干旱趨勢分析 根據(jù)逐年數(shù)據(jù)計算平均Z值，如圖2，淮河流域年平均Z值的傾向率為0.004，說明淮河流域干旱總體呈緩慢下降趨勢，干旱頻率減弱。細分旱情趨勢為重-緩-重，1966年Z值最小，干旱程度最強，20世紀80年代后旱情逐漸減緩。

圖2 淮河流域年平均Z值的逐年變化特征

圖3 淮河流域各等級干旱頻次變化特征

為進一步分析淮河流域干旱的時間變化特征，分析出不同干旱等級的發(fā)生頻率，繪制了淮河流域各級干旱的頻率變化特征圖3，偏旱、大旱和重旱趨勢基本與淮河流域整體干旱情況一致，是先上升后下降的情況反映的，相比之下21世紀重旱頻次下降幅度很大，大旱頻次也有所下滑，說明淮河流域在進入21世紀后干旱情況有一定改善。

4.2 淮河流域干旱空間演變規(guī)律利用反距離權(quán)重法，將39個站點53年的平均Z值繪制成淮河流域平均Z值的空間分布圖，如圖4所示，Z值表示干旱的輕重程度，Z值越大，說明干旱越輕；Z值越小，說明干旱的程度越重?？梢钥闯鯶值的高值中心較為分散，低值中心較集中，Z值的高值區(qū)主要位于兗州，碭山，霍山等地，而Z值的低值區(qū)主要位于高郵，東臺等地區(qū)，屬于區(qū)域干旱程度較重的地區(qū)，能看出淮河流域發(fā)生干旱具有明顯的區(qū)域性，平均Z值的等值線梯度較小，空間分布比較均勻，干旱程度由西北向東南遞增。

圖4 淮河流域平均Z值的空間分布圖

將53年Z指數(shù)頻次按等級劃分分為無旱、偏旱、大旱和特旱，再利用ARCGIS軟件進行空間插值分析，分別將39個站點53年的平均Z值繪制成四個不同等級的空間分布圖。如圖5所示，淮河流域西北地區(qū)無旱頻次較高，由西北到東南干旱頻次逐漸增多。其中淄博、沂源、菏澤和毫縣情況最為樂觀，干旱情況較輕。偏旱情況為淮河南北兩側(cè)較為嚴重，中部地區(qū)相對偏旱情況較少。大旱較為嚴重地區(qū)是淮河周邊幾個城市例如寶豐、霍山等。特旱情況最為嚴重的是淮河?xùn)|北部地區(qū)。

圖5 淮河流域Z值干旱頻次空間分布圖

5 結(jié)論

在淮河流域時間變化上，淮河流域干旱總體呈逐年下降趨勢，通過計算所有站點逐年平均Z值的傾向率為+0.0004，其總體趨勢是干旱頻率減少。1966年干旱程度最強，60年到80年代變化分別為不穩(wěn)-平緩-不穩(wěn)；90年代后淮河流域的干旱發(fā)生頻率有所下降，干旱的情況有了一定好轉(zhuǎn)?？臻g上，Z值的高值中心和低值中心的分布較為分散，Z值的高值區(qū)主要位于兗州，碭山，萊陽，日照等地，干旱程度輕；而Z值的低值區(qū)主要位于高郵，東臺等地區(qū)，屬于區(qū)域干旱程度較重的地區(qū)?；春恿饔虬l(fā)生干旱具有明顯的區(qū)域性，干旱程度由西北向東南遞增。

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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

（責任編輯：王學鳳）

2014-10-29

國家自然科學基金資助項目（51279072）

曹永強（1972-），男，博士，教授，從事水文水資源研究。E-mail：caoyongqiang@lnnu.edu.cn