張 琪，張芯瑜，柳藝博

(1. 南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，南京 210044；2.江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點實驗室，南京 210044)

全球氣候變化背景下，極端事件頻率和強度增多，與降水有關(guān)的旱、澇災(zāi)害是威脅國民經(jīng)濟特別是農(nóng)業(yè)的最主要的災(zāi)害[1]。一定區(qū)域內(nèi)降水的多寡及年內(nèi)的分布特征是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和防災(zāi)減災(zāi)部門需要關(guān)注的一個重要問題。目前國內(nèi)針對旱澇的時空分布做了大量研究[2-4]，但考慮降水在年內(nèi)的分布情況的研究較少。降水分布的集中程度會影響干旱、雨澇的形成及致災(zāi)強度。國內(nèi)關(guān)于降水集中度的研究主要采用PCD和PCP指數(shù)，該指數(shù)能夠反映年總降水量在各個旬的集中程度[5-8]；此外還有用PCI指數(shù)表征年內(nèi)降水在不同月份的集中程度，能描述一個地區(qū)降水的季節(jié)性[9,10]。而上述指數(shù)不能描述日降水量高的天數(shù)對總降水量的貢獻程度。很多氣象災(zāi)害往往是由短時強降水過程帶來的，非常有必要以日降水量為基礎(chǔ)研究一段時間內(nèi)降水的集中程度。CI指數(shù)是能夠描述高強度日降水量對總降水量貢獻的降水集中度指數(shù)，且具有計算時間尺度靈活的特點，最早由Martin-Vide(2004)在分析西班牙地區(qū)強降水日對年總降水量的貢獻程度時提出[11]，目前國內(nèi)也有少量應(yīng)用該指數(shù)的研究，如佟曉輝等(2017)采用CI指數(shù)描述日降水量在年內(nèi)的集中程度，分析全國范圍內(nèi)降水集中度的時空分布情況[12]。但目前的研究僅關(guān)注年降水集中度的時空變化，缺少將降水集中度與區(qū)域旱澇、地形、大氣環(huán)流背景等相關(guān)聯(lián)的研究。

綜上所述，本研究以東北地區(qū)為例，采用CI指數(shù)分析東北地區(qū)降水集中程度，以SPI指數(shù)表征旱澇狀況，分析東北地區(qū)不同季節(jié)降水集中度與旱澇事件之間的潛在聯(lián)系。研究結(jié)果對于進一步掌握該地區(qū)的不同季節(jié)降水分布特征、旱澇事件成因具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

以我國對氣候變化響應(yīng)敏感的東北地區(qū)為案例研究區(qū)。東北地區(qū)(111°37′～135°5′E, 38°40′～53°20′N)包括黑龍江、吉林、遼寧三省和內(nèi)蒙古東四盟(圖1)。屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，北部少部分地區(qū)為寒溫帶季風(fēng)氣候；東北平原大部分屬于半濕潤區(qū)，內(nèi)蒙古東部屬于半干旱區(qū)。由于光照充足、雨熱同期、土壤肥沃等原因，此區(qū)域是我國玉米、水稻、小麥等糧食作物的重要產(chǎn)地，對我國糧食安全具有重要意義[13]。

圖1 研究區(qū)范圍Fig.1 Study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文以中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)上發(fā)布的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)中的日降水資料為基礎(chǔ)，從中篩選位于東北地區(qū)的且在1976-2015年間無缺測值、無氣象站搬遷等破壞了數(shù)據(jù)序列一致性的站點，共43個氣象站，其空間分布情況見圖1。

1.3 研究方法

1.3.1 降水集中度指數(shù)CI

CI指數(shù)能夠描述一段時間內(nèi)高強度的日降水量對總降水量的貢獻程度，因而可以分析降水在日分辨率上的集中程度。時間段可以是年、季節(jié)、一年或多年，因而CI指數(shù)具有時間尺度靈活的特點。CI指數(shù)的具體計算步驟如下[12,14]：首先，以一段時間內(nèi)的逐日降水量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提取該時間段內(nèi)日降水量大于0.1 mm的數(shù)據(jù)，構(gòu)成一個新的數(shù)據(jù)序列Z；其次，確定降水量增量，本研究以1 mm為增量，統(tǒng)計日降水量小于每個降水量值(1、2、3 mm、…)的累積降水量和累積降水日數(shù)，進而計算累積降水百分率Y(累積降水/總降水)和累積降水日數(shù)百分率X(累積降水日數(shù)/總降水日數(shù))；最后用指數(shù)函數(shù)擬合Y和X：

Y=aXexp(bX)

(1)

使用最小二乘法擬合函數(shù)系數(shù)a和b。由公式(1)可以擬合出一條Lorenz曲線。圖2中是由齊齊哈爾站和多倫站1976-2015年數(shù)據(jù)擬合的累積降水百分率隨累積降水日數(shù)百分率變化的Lorenz曲線。圖像的象限平分線與曲線圍成的面積S反映了降水的集中程度。

(2)

降水集中度指數(shù)CI可以表示為：

CI=S/5 000

(3)

CI值分布在0～1之間，CI越大說明S越大，曲線形狀越靠近x軸，日降水量高的幾天對總降水量的貢獻越多，即降水集中程度越高；反之，曲線越靠近象限平分線，降水分布越均勻。圖2中齊齊哈爾和多倫站CI值分別為0.68和0.64。

圖2 降水集中度曲線Fig.2 Concentration or Lorenz curves for precipitation

1.3.2 標(biāo)準化降水量指數(shù)SPI

采用SPI指數(shù)描述旱澇狀況，SPI是由美國科學(xué)家McKee等人于1993年提出的[15]。SPI指數(shù)采用Gamma概率分布函數(shù)擬合降雨時間序列，計算累積概率，再通過正態(tài)標(biāo)準化得到。SPI值為正值時越大則表示越澇，為負值時越小則越旱。目前在國內(nèi)外得到廣泛使用，具體計算方法和物理含義在眾多文獻中有介紹[16,17]，此處不再贅述。本研究選擇該指數(shù)的原因，首先是計算方法簡單，與其他干旱指標(biāo)相比僅以降水?dāng)?shù)據(jù)計算旱澇，本研究旨在分析東北地區(qū)降水特征，并不考慮氣溫等其他因素；其次，時間尺度靈活，本研究要計算年尺度和季度尺度的旱澇情況，適合采用該指數(shù)。

本研究采用上述方法計算研究區(qū)各站點1976-2015年間的年CI和各個季節(jié)的CI值，以分析研究區(qū)在過去40年不同季節(jié)的降水集中度空間分布情況。此外計算1976-2015年逐年的年CI和季節(jié)CI值，與對應(yīng)時間尺度的SPI值結(jié)合，分析降水集中度與旱澇之間的關(guān)系，這也是本文的主要創(chuàng)新之處。

2 結(jié)果分析

2.1 東北地區(qū)不同季節(jié)降水量時空變化分析

1976-2015年間全區(qū)年降水量平均值為503.7 mm，夏季(6-8月)降水量為324.6 mm，占全年總降水量的百分之64.4%；春(3-5月)、秋(9-11月)、冬(1、2月和前一年的12月)季降水量較少分別為77.6、85.9、15.5 mm，分別占全年總降水量的15.4%、17.1%、3.1%。年總降水量和夏、秋季節(jié)降水量隨時間變化趨勢不明顯。春、冬季降水量隨時間有增加趨勢，與時間的相關(guān)系數(shù)分別為0.32、0.319，達到了0.05顯著性水平(圖3)。在空間分布上年降水量呈現(xiàn)出由東南向西部地區(qū)減少的趨勢，最小出現(xiàn)在新巴爾虎右旗為241 mm，最大值出現(xiàn)在東部的丹東為890 mm(圖4)。各個季節(jié)的空間分布情況與年降水量空間分布規(guī)律一致。

圖3 東北地區(qū)平均降水量隨時間變化情況Fig.3 Average precipitation in Northeast China changes with time

2.2 東北地區(qū)不同季節(jié)CI指數(shù)的空間分布

以東北地區(qū)各站點逐日降水量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計算1976-2015年間降水集中度。在該時段內(nèi)，東北地區(qū)各站點年、春、夏、秋、冬的CI指數(shù)平均值分別為0.659、0.618、0.628、0.628、0.560。年CI指數(shù)最高，降水最集中。四季中冬季CI指數(shù)最小，降水分布相對均勻；夏、秋季節(jié)降水集中度高。由于夏季總降水量最高，降水分布集中更容易帶來洪澇災(zāi)害。從空間分布上看年CI指數(shù)南部地區(qū)較低西北部較高；冬季CI指數(shù)在空間上有由東向西降低的趨勢，東部降水較多的地區(qū)降水集中程度高；春秋季節(jié)CI指數(shù)空間分布與年CI指數(shù)分布較一致在西北部地區(qū)較高；夏季CI指數(shù)南部地區(qū)高，北部地區(qū)較低(圖5)。

圖4 東北地區(qū)1976-2015年均降水量空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of average annual precipitation in Northeast China during 1976-2015

圖5 1976-2015年東北地區(qū)不同季節(jié)CI空間分布Fig.5 The spatial distribution of CI for different seasons in Northeast China during 1976-2015

2.3 降水集中程度與區(qū)域旱澇關(guān)系分析

計算1976-2015年研究區(qū)各站點逐年的年尺度和季節(jié)尺度的CI指數(shù)和SPI指數(shù)。采用皮爾森相關(guān)分析法分析各個站點降水集中度與旱澇的相關(guān)性。由圖6(a)年尺度相關(guān)系數(shù)空間分布情況可知，在大小興安嶺、長白山地區(qū)相關(guān)系數(shù)高，大多達到了0.05顯著性水平，東北平原地區(qū)相關(guān)系數(shù)低，不顯著。圖7為分布在平原、丘陵地區(qū)(海拔500 m 以下)的站點降水集中程度與SPI指數(shù)的相關(guān)系數(shù)隨高程的變化情況，兩者之間的相關(guān)系數(shù)為0.466，達到了顯著水平。經(jīng)統(tǒng)計，200 m以下的平原地區(qū)74%的站點CI與SPI指數(shù)不相關(guān)；200～500 m的丘陵地區(qū)77%的站點相關(guān)系數(shù)達到了0.05顯著水平。正相關(guān)關(guān)系顯著說明降水較多的雨澇年份降水集度也高，主要的幾次強降水過程對全年的總降水貢獻度高，而降水較少的旱年，降水分布相對均勻。

圖6(b)，圖6(d)為春、秋兩季的降水集中度與SPI指數(shù)相關(guān)系數(shù)的空間分布。這兩個季節(jié)各站點CI與SPI均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)總體較高。43個站點中春季有22個站點秋季有27個站點正相關(guān)關(guān)系達到了0.05的顯著性水平?？臻g分布上西北部地區(qū)達到顯著的站點較東南部地區(qū)多。由圖6(c)、6(e)的夏冬季節(jié)相關(guān)系數(shù)空間分布可知，總體較低，大多未達到顯著水平，且存在呈負相關(guān)關(guān)系的站點。

圖6 各站點CI與SPI相關(guān)系數(shù)空間分布Fig.6 The correlation coefficients between CI and SPI

圖7 降水集中度(CI)與旱澇(SPI)相關(guān)性隨高程變化情況Fig.7 The correlation between precipitation concentration (CI) and drought-flood condition (SPI) varies with elevation

3 結(jié)論討論

3.1 討 論

前面的研究結(jié)果顯示在東北的山地、丘陵地區(qū)年降水集中度與旱澇正相關(guān)關(guān)系顯著，SPI值大的澇年，降水集中程度也高，短時強降水事件多會更容易誘發(fā)洪澇災(zāi)害，增加致災(zāi)風(fēng)險。研究區(qū)的年降水量呈現(xiàn)出東南部地區(qū)向西部地區(qū)逐漸降低的趨勢。因而，東部的長白山、遼東丘陵及北部的小興安嶺地區(qū)降水總量多且分布集中，使得這些地區(qū)的洪澇災(zāi)害風(fēng)險更高。張繼權(quán)等人[18]分析東北地區(qū)洪澇災(zāi)害空間分布時得出在東北地區(qū)東南部及黑龍江地區(qū)洪澇災(zāi)害更為嚴重；李琳等人[19]分析遼寧省暴雨洪澇災(zāi)情影響時發(fā)現(xiàn)遼北、遼東北的低山丘陵地區(qū)洪澇災(zāi)情更嚴重，與上面本研究的分析結(jié)果相一致。

在東北地區(qū)，春秋季降水較少，且西部地區(qū)的降水量更低。但西部地區(qū)降水集中度與SPI指數(shù)正相關(guān)關(guān)系顯著，說明在降水量少的旱年，降水集中度低分布較為均勻。這會導(dǎo)致每一次降水量都不高，小雨、微型降雨日數(shù)多，無效降水不能被利用，需要借助壟溝集雨等田間管理措施才可能被植被利用[20]。因而東北地區(qū)，特別是西部，春秋季節(jié)的降水分布特征會加劇旱災(zāi)影響。

3.2 結(jié) 論

本研究基于東北地區(qū)43個氣象站逐日降水量數(shù)據(jù)，借助CI指數(shù)、SPI指數(shù)以及相關(guān)分析的方法，分析了不同季節(jié)降水集中度與旱澇情況的關(guān)系，得到了如下結(jié)論：①東北地區(qū)全年的降水集中度最高，四季中冬季集中度最低夏秋季較高；②在研究區(qū)的低山丘陵區(qū)，年降水集中度與SPI指數(shù)正相關(guān)關(guān)系顯著，在總降水量更高的東部地區(qū)，如長白山、遼東丘陵、大興安嶺地區(qū)，降水的這一分布特征會加重這些地區(qū)澇年的洪澇災(zāi)害影響；③東北地區(qū)春秋季節(jié)降水量占全年降水量的比例低，降水集中度與SPI指數(shù)正相關(guān)關(guān)系顯著，且主要分布在降水量較低的西部地區(qū)，降水量的這一分布特征會加劇西部地區(qū)春秋季旱年的災(zāi)情。本文的研究結(jié)果對于深入掌握東北地區(qū)降水集中程度，以及對地區(qū)旱澇的影響具有重要意義。