張奇瑩, 徐盼盼, 錢 會

(1.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 西安 710054; 2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室, 西安 710054)

關(guān)中地區(qū)降水特征及其對旱澇災(zāi)害的影響

張奇瑩1,2, 徐盼盼1,2, 錢 會1,2

(1.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 西安 710054; 2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室, 西安 710054)

為了減少關(guān)中地區(qū)降水引發(fā)的旱澇災(zāi)害帶來的損失，基于關(guān)中地區(qū)各市站30～60 a的降水量數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計并結(jié)合Mann-Kendall突變檢驗法對該地區(qū)降水量的Z指數(shù)進(jìn)行了分析，就關(guān)中地區(qū)降水對旱澇災(zāi)害的影響做了研究。結(jié)果表明：(1) 關(guān)中地區(qū)降水量相對比較豐富，但極差較大，易出現(xiàn)旱澇災(zāi)害，旱澇發(fā)生的總年份占研究序列的41.33%。其年內(nèi)旱澇程度的分布與年際基本一致，但各地區(qū)分布又不盡相同。(2) 關(guān)中地區(qū)冬春季Z指數(shù)朝著干旱化的趨勢發(fā)展，且春旱更嚴(yán)重；夏秋季旱澇災(zāi)害均易發(fā)生且頻繁，為主要的防災(zāi)期。(3) 關(guān)中地區(qū)的旱澇變化交替出現(xiàn)，但總體趨勢正在向著偏旱的趨勢發(fā)展。該研究為關(guān)中地區(qū)旱澇災(zāi)害的防治提供了一定的科學(xué)依據(jù)。

關(guān)中地區(qū); Mann-Kendall突變檢驗;Z指數(shù); 降水特征; 旱澇災(zāi)害

關(guān)中地區(qū)是地塹式構(gòu)造平原，位于陜西省中部的黃河流域內(nèi)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)107°30′—110°37′，北緯34°00′—35°40′，總面積1.9萬km2，約占陜西省面積的10%，包括西安、寶雞、咸陽、渭南、銅川五市，有“八百里秦川”的美譽(yù)。關(guān)中地區(qū)處于暖溫帶半濕潤與半干旱氣候的過渡地帶，屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，土地肥沃，氣候溫暖，是陜西省工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點地區(qū)[1]。近年來，全球氣候不斷變化，冰川積雪融化、海平面上升、荒漠化、水土流失等問題相繼出現(xiàn)，這些無一不證明了多數(shù)的自然系統(tǒng)正受區(qū)域氣候變化，尤其是受到氣溫升高的影響[2-3]。而降水作為氣候變化中最主要和最易受干擾的因子，變化存在著多樣性和隨機(jī)性，隨著極端天氣事件的出現(xiàn)，旱澇災(zāi)害的發(fā)生也日趨頻繁[4-5]。旱澇災(zāi)害的發(fā)生對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們生活的危害極大：旱災(zāi)會使農(nóng)作物生長受損，糧食減產(chǎn)；澇災(zāi)輕則使作物生長不良，降低土壤肥力，影響排灌效能，重則引起溝塌岸垮，水土流失，淹沒農(nóng)田和民居，傷及人畜，給生命財產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)帶來不可估量的損失[6]。蔡新玲等[7]利用1961—2011年23個氣象站的逐時降雨量資料，分析了陜西省汛期降雨時數(shù)、小時雨強(qiáng)、極端強(qiáng)降雨時數(shù)和極端降水強(qiáng)度的時空變化，表明極端強(qiáng)降雨時數(shù)和降雨量顯著增多，增大了滑坡、泥石流等災(zāi)害的發(fā)生；高盼盼[8]在關(guān)中盆地降雨量預(yù)測及其在干旱研究中的應(yīng)用一文中對關(guān)中平原未來時段的降雨量做了預(yù)測，識別并評價了關(guān)中平原的干旱狀況，為關(guān)中平原干旱預(yù)警體系的建立奠定了基礎(chǔ)；雷向杰等[9]對關(guān)中地區(qū)旱澇演變規(guī)律和21世紀(jì)旱澇特點進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，近50多年關(guān)中地區(qū)旱澇變化總趨勢為降水減少，干旱日數(shù)增多，農(nóng)業(yè)干旱趨于嚴(yán)重。

旱澇災(zāi)害是全世界范圍內(nèi)發(fā)生頻率最大的自然災(zāi)害之一，受到了廣大學(xué)者的密切關(guān)注[10-12]。它的危害性極大，尤其是在農(nóng)業(yè)方面，而它的發(fā)生與降水的多少息息相關(guān)，對于中國這樣一個農(nóng)業(yè)大國來說，需要我們做好防澇抗旱工作；而且旱澇災(zāi)害引發(fā)的地質(zhì)問題所帶來的生態(tài)環(huán)境的破壞和經(jīng)濟(jì)損失也是十分巨大。因此，為了對關(guān)中地區(qū)旱澇災(zāi)害的預(yù)報提供科學(xué)依據(jù)，對水土流失起到相應(yīng)的預(yù)防和治理效果，從而減輕災(zāi)害造成的損失，較好地保護(hù)關(guān)中地區(qū)的環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)，研究該地區(qū)的降水變化及其對旱澇災(zāi)害的影響顯得極為重要。

1 資料和方法

1 資 料

本文選用關(guān)中地區(qū)西安(108.95°E，34.27°N)、寶雞(107.15°E，34.38°N)1951—2013年和銅川(109.11°E，35.09°N)1955—2013年及渭南(109.5°E，34.52°N)、咸陽(108.72°E，34.36°N)1985—2013年的降水資料，關(guān)中地區(qū)整體的降水資料來源于這5個站點降水?dāng)?shù)據(jù)的平均值。

1.2 方 法

(1) 數(shù)理統(tǒng)計。本文主要統(tǒng)計降水量的平均值、極差、變差系數(shù)和偏態(tài)系數(shù)。變差系數(shù)Cv表明序列的離散程度，其值越大，序列的離散程度越大。偏態(tài)系數(shù)Cs反映序列在均值兩邊的對稱程度，Cs大于0，稱正偏分布，反之，稱負(fù)偏分布。

(2)Z指數(shù)。研究旱澇等級的劃分有多種指標(biāo)[13-14]：降水距平百分率、旱澇指數(shù)、帕爾默指數(shù)、Z指數(shù)等。張存杰等[15]對西北地區(qū)的旱澇指標(biāo)做了研究，發(fā)現(xiàn)修正后的Z指數(shù)更適合于西北地區(qū)旱澇級別的劃分。故本文選用計算相對簡單又具有說服力的修正的Z指數(shù)進(jìn)行旱澇等級的劃分，其劃分結(jié)果見表1[15]。

表1 以Z指數(shù)為指標(biāo)的旱澇等級

(3) Mann-Kendall檢驗。在時間序列趨勢分析中，M-K檢驗法是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗方法[16]。M-K檢驗法不需要樣本遵從一定的分布，不需要做統(tǒng)計分析，也不受少數(shù)異常值的干擾，變量可以不具有正態(tài)分布特征，因此在水文變量趨勢檢驗的適用性很強(qiáng)[17]。該方法在已有文獻(xiàn)中介紹頗多，這里不再贅述。

2 結(jié)果與分析

2.1 關(guān)中地區(qū)降水特征

由表2可知，銅川市年降水量的Cv值最小，渭南市的最大，說明降水的離散程度在銅川市最集中，渭南市最分散，關(guān)中地區(qū)年降水量Cv值為0.217，與各市站相比，可看出關(guān)中地區(qū)降水較集中；而對于年降水量Cs值來說，各市站值均都大于0，說明關(guān)中地區(qū)降水主要集中在小于均值的部分。各市站年降水量特征統(tǒng)計與圖1箱型圖顯示的變化一致。結(jié)合圖1可知，各地區(qū)年際降水量差值很大，極易引起旱澇災(zāi)害；西安降水異常偏多的年份為1983年和2003年，咸陽為2003年、2007年和2011年，關(guān)中為2003年與2011年，這些均顯示了在時間分布上具有一致性，這與關(guān)中盆地氣候背景的影響息息相關(guān)。

關(guān)中各地區(qū)的年降水量傾斜率和Z值對其趨勢變化的判斷具有一致性，西安、銅川和寶雞降水呈減少的趨勢，西安與寶雞的減少趨勢顯著，通過了90%的置信度檢驗；渭南、咸陽與關(guān)中整體的降水呈增加的趨勢，但趨勢不顯著?？芍P(guān)中地區(qū)整體的降水量在減少，這與雷向杰等[9]的研究一致。

表2 關(guān)中地區(qū)年降水量特征統(tǒng)計

注：*表示通過了90%的置信度檢驗。

圖1 關(guān)中地區(qū)年降水量箱形圖

2.2 關(guān)中地區(qū)旱澇等級的分布

依據(jù)Z指數(shù)對關(guān)中地區(qū)各市站旱澇等級的分布情況進(jìn)行統(tǒng)計，見表3。由表3可知，關(guān)中地區(qū)年際旱澇程度為正常的年份約占研究序列的58.67%；洪澇以大澇為主，其次為重澇、偏澇；干旱以大旱為主，

其次偏旱，重旱很少發(fā)生。該地區(qū)年內(nèi)旱澇程度的分布基本與年際的一致，均表現(xiàn)為正常年份為主，但各地區(qū)旱澇程度的分布不盡相同，見表4?？梢姡摰貐^(qū)旱澇發(fā)生頻繁，極易造成旱澇災(zāi)害，對經(jīng)濟(jì)造成一定程度的負(fù)面影響，旱澇災(zāi)害的嚴(yán)重程度與該負(fù)面影響呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性，會直接阻礙農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[18-19]。

表3 關(guān)中地區(qū)年際旱澇等級的分布情況 %

表4 關(guān)中地區(qū)各市年內(nèi)旱澇的分布情況

2.3 關(guān)中地區(qū)的旱澇變化趨勢

2.3.1 旱澇趨勢的年內(nèi)變化特征 由圖2可知，關(guān)中地區(qū)年內(nèi)季節(jié)旱澇變化既有一致性，又有差異性。各地區(qū)旱澇現(xiàn)象在時間上的分布較為統(tǒng)一，旱澇災(zāi)害基本都集中在夏秋季，為主要的防災(zāi)時期；春冬季多數(shù)出現(xiàn)異常干旱，容易發(fā)生旱災(zāi)。在不同地區(qū)差異性表現(xiàn)出異常年份的情況不一樣，銅川沒有異常旱澇的年份，而咸陽出現(xiàn)的年份最多，說明咸陽市旱澇災(zāi)害頻繁，應(yīng)該引起關(guān)注，其他地區(qū)介于二者之間。由表5可知，關(guān)中地區(qū)冬春兩季降水量的Z指數(shù)變化呈減小的趨勢，且春季減小的速率較快，夏秋季節(jié)的降水量Z指數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢。說明冬春季正朝著干旱化的趨勢發(fā)展，且春旱較為嚴(yán)重，夏秋兩季降水量朝著增加的趨勢發(fā)展，易引發(fā)澇災(zāi)。除冬季外，與基于M-K的趨勢檢驗得到的結(jié)論基本一致，變化趨勢均不顯著。冬季Z指數(shù)趨勢變化檢驗結(jié)果出現(xiàn)不一致的原因可能是因為冬季旱澇趨勢的發(fā)展方向不明確，呈波動的狀態(tài)。

表5 關(guān)中地區(qū)季節(jié)降水的Z指數(shù)趨勢變化的M-K檢驗

2.3.2 旱澇趨勢的年際變化特征 關(guān)中地區(qū)各市站多年降水量Z指數(shù)的年際變化趨勢見圖3。渭南市整個研究序列呈偏澇的狀態(tài)，說明該地區(qū)降水充沛，干旱不易發(fā)生；其他地區(qū)的旱澇趨勢呈階段性變化，具體特征見表6。結(jié)合表7印證了由圖3得到的結(jié)論，渭南與咸陽呈偏澇的趨勢，而銅川、寶雞與西安呈干旱化的趨勢，西安的干旱化趨勢最為顯著，達(dá)到了95%的置信度檢驗?？偟膩碚f，關(guān)中地區(qū)的旱澇變化整體向干旱化的趨勢發(fā)展，過程中有一定的波動，呈現(xiàn)周期性的變化，使得澇災(zāi)也時常發(fā)生。

表6 關(guān)中地區(qū)各市站旱澇突變分析表

表7 關(guān)中地區(qū)年降水的Z指數(shù)趨勢變化的M-K檢驗

注：**表示通過了95%的置信度檢驗。

3 結(jié) 論

(1) 關(guān)中地區(qū)降水分布的整體水平處于小于均值的狀態(tài)，與西北其他地區(qū)相比，降水量相對比較豐富，但極差較大，年際分布不均勻。西安、寶雞與銅川降水量呈減少的趨勢，渭南與咸陽呈增加的趨勢，其中渭南的降水量較豐。

(2) 關(guān)中地區(qū)年際旱澇程度為正常的年份約占研究序列的58.67%，干旱以大旱為主，洪澇以大澇為主。年內(nèi)旱澇程度的分布與年際基本一致，但各地區(qū)的旱澇程度的分布不盡相同。咸陽市Z指數(shù)箱型圖的異常點較多，是旱澇現(xiàn)象頻繁發(fā)生的地區(qū)。

圖3Z指數(shù)的Mann-Kendall突變檢驗

(3) 關(guān)中地區(qū)旱澇趨勢的年內(nèi)變化：冬春季和夏秋季降水量的Z指數(shù)呈相反的趨勢，冬春季朝著干旱化的趨勢發(fā)展，且春旱較為嚴(yán)重；而在夏秋季時旱澇災(zāi)害均易發(fā)生，為主要的防災(zāi)期；年際變化：旱澇變化交替出現(xiàn)，但總體趨勢正在向著干旱的方向發(fā)展，雖然旱災(zāi)在加劇，但潛在的洪水災(zāi)害威脅依然十分嚴(yán)重。

[1] 劉俊民,郭瑞.關(guān)中平原降水特征分析[J].人民黃河,2008,30(5):22-24.

[2] IPCC. Climate change 2007:Synthesis report[R]. Switzerland Geneva,2007.

[3] Vermeer M, Rahmstorf S. Global sea level linked to global temperature[J]. Proceedings of the national Academy of Sciences of the United States of America, 2009,106:21527-21532.

[4] 李敏.陜西關(guān)中地區(qū)降水對變化環(huán)境的響應(yīng)特征研究[D].陜西楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2015.

[5] 何佳,楊榮,周旗,等.1960—2013年寶雞市降水變化特征分析[J].水資源與水工程學(xué)報,2016,27(3):95-100.

[6] 劉曉瓊,趙景波.關(guān)中地區(qū)旱澇災(zāi)害研究[J].陜西師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2002,30(4):102-106.

[7] 蔡新玲,葉殿秀,孫嫻,等.1961—2011年陜西省汛期短時降水變化特征[J].高原氣象,2014,33(6):1618-1625.

[8] 高盼盼.關(guān)中盆地降水量預(yù)測及其在干旱研究中的應(yīng)用[D].西安:長安大學(xué),2015.

[9] 雷向杰,李茜,王娟,等.陜西關(guān)中地區(qū)旱澇演變規(guī)律和21世紀(jì)旱澇特點分析[J].災(zāi)害學(xué),2016,31(3):101-109.

[10] 黃生志,黃強(qiáng),王義民,等.基于SPI的渭河流域干旱特征演變研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報,2015,24(1):15-22.

[11] 宋春英,延軍平,張立偉.陜西秦嶺南北旱澇災(zāi)害時空變化趨勢分析[J].干旱區(qū)研究,2011,28(6):944-949.

[12] Yoo J, Kwon H H, Kim T W, et al. Drought frequency analysis using cluster analysis and bivariate probability distribution[J]. Journal of Hydrology, 2012, 420: 102-111.

[13] 王躍民,魯慧霞,劉璟瑜,等.三個不同旱澇指標(biāo)劃分旱澇等級的比較研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2011(7):326-327.

[14] 楊世剛,楊德保,趙桂香,等.三種干旱指數(shù)在山西省干旱分析中的比較[J].高原氣象,2011,30(5):1406-1414.

[15] 張存杰,王寶靈,劉德祥,等.西北地區(qū)旱澇指標(biāo)的研究[J].高原氣象,1998,17(4):381-389.

[16] 曹潔萍,遲道才,武立強(qiáng),等.Mann-Kendall檢驗方法在降水趨勢分析中的應(yīng)用研究[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2008(5):35-40.

[17] 劉葉玲,翟曉麗,鄭愛勤.關(guān)中盆地降水量變化趨勢的Mann_Kendall分析[J].人民黃河,2012,34(2):28-33.

[18] 肖瑜.渭河平原洪澇災(zāi)害影響評估研究[D].西安:西安理工大學(xué),2014.

[19] 李金鑫.干旱災(zāi)害對農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的影響研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2013.

CharacteristicsofPrecipitationandItsInfluenceonDroughtandFloodDisasterinGuanzhongArea

ZHANG Qiying1,2, XU Panpan1,2, QIAN Hui1,2

(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,Chang′anUniversity,Xi′an710054,China;2.KeyLaboratoryofSubsurfaceHydrologyandEcologyinAridAreas,MinistryofEducation,Xi′an710054,China)

In order to reduce drought and flood disaster losses caused by the precipitation in Guanzhong area, based on the precipitation data of each city in Guanzhong area during 30～60 years, theZindex of precipitation in this region was analyzed by mathematical statistics and Mann-Kendall mutation test and the influence of precipitation on flood disaster in Guanzhong area was studied. The following conclusions are drawn. (1) The precipitation was relatively rich and had a large range which was prone to cause drought and flood disasters, and the years of drought and flood disasters accounted for 41.33% of the sequence. The years and annual distribution of drought and flood were basically the same, but the regional distribution was not same among the regions. (2) There was a drought tendency in the winter and spring, and drought was more serious. On the contrary, drought showed an increasing trend summer and autumn, however, drought and flood disasters were easy to occur and frequent. (3) The variation of flood and drought appeared alternately, but the overall trend was toward the direction of the development of drought. This study can provide a scientific basis for the prevention and control of flood and drought in Guanzhong area.

Guanzhong area； Mann-Kendall mutation testing；Zindex； precipitation characteristic；drought and flood disaster

2017-02-08

：2017-02-28

水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費(fèi)項目“渭河中下游干旱預(yù)警與應(yīng)急水源配置”(201301084)

張奇瑩(1993—),女,寧夏彭陽縣人,碩士研究生,主要從事水文地質(zhì)方面的研究。E-mail:1274075125@qq.com

錢會(1963—),男,陜西咸陽人,教授,博導(dǎo),主要從事水文地質(zhì)方面的研究。E-mail:55480981@qq.com

P426.616

：A

：1005-3409(2017)05-0222-05