楊 丹，李中原，王國(guó)重，劉守東，羅清元，李佳紅

（1.河南省周口水文水資源勘測(cè)局，河南 周口 466000；2.河南省水文水資源局，鄭州 450003；3.黃河水文水資源科學(xué)研究院，鄭州 450004；4.河南省焦作水文水資源勘測(cè)局，河南 焦作 454002）

長(zhǎng)期以來(lái)干旱都是人類面臨的主要自然災(zāi)害，不僅制約著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，還會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和國(guó)家糧食安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅［1］。近年來(lái)，隨著全球氣候變化，極端氣候天氣頻發(fā)，干旱發(fā)生的強(qiáng)度與頻率顯著增加［2-4］。。豫東平原位于河南省東部，地勢(shì)平坦，海拔在40~100 m，是黃淮海平原（也稱作華北平原）的重要組成部分，屬亞熱帶向暖濕帶過(guò)渡的大陸性季風(fēng)氣候，年降水量在550~1 050 mm，由北向南逐漸增多，6—9 月的降水量占全年的 70% 以上［5，6］。豫東平原約占河南省面積的45%，約占河南省平原面積的79%，是中國(guó)夏玉米、冬小麥的主要生產(chǎn)基地，在保障糧食安全上具有舉足輕重的作用［7，8］。隨著工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增加，水資源日益短缺，尤其是干旱等氣候因素影響，農(nóng)業(yè)用水不足已成為制約豫東地區(qū)作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的瓶頸［9］。張怡等［10］通過(guò)模型研究極端氣候和農(nóng)業(yè)氣候資源變化對(duì)豫東冬小麥產(chǎn)區(qū)的綜合影響，結(jié)果為冬小麥產(chǎn)區(qū)受災(zāi)面積呈減少趨勢(shì)，但成災(zāi)面積為增加態(tài)勢(shì)；成林等［11］分析了黃淮海平原作物干旱特征，認(rèn)為豫東地區(qū)主要表現(xiàn)為冬小麥在灌漿期至成熟期干旱缺水；徐建文等［12］的研究表明，黃淮海地區(qū)冬小麥在抽穗期至成熟期呈干旱化的趨勢(shì)，且干旱變化幅度自北向南呈遞增趨勢(shì)；楊平等［13］研究了黃淮海地區(qū)夏玉米的干旱風(fēng)險(xiǎn)，認(rèn)為其干旱頻率在64.36%以上，干旱風(fēng)險(xiǎn)整體偏高。由以上研究可以看出，干旱已成為影響豫東平原作物豐產(chǎn)的重要因素，有必要強(qiáng)化對(duì)該區(qū)域干旱時(shí)空分布規(guī)律的研究，為確保糧食安全、防旱減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

所用數(shù)據(jù)來(lái)自豫東地區(qū)及周邊區(qū)域245 個(gè)雨量站1956—2016 年降水監(jiān)測(cè)資料，對(duì)個(gè)別時(shí)間序列不夠的雨量站進(jìn)行了插補(bǔ)延長(zhǎng)，并用泰森多邊形法將各個(gè)站點(diǎn)的雨量轉(zhuǎn)換成面雨量，得到豫東平原1956—2016 年面雨量序列。

1.2 研究方法

1.2.1 降水Z指數(shù) 降水Z指數(shù)是應(yīng)用比較廣泛的旱澇分析指標(biāo)，其原理是將服從P-Ⅲ分布的降水序列正態(tài)化處理，使之轉(zhuǎn)換為以Z為變量的正態(tài)分布［14，15］，具體公式如下。

式中，φ為降水的標(biāo)準(zhǔn)化變量；CS為偏態(tài)系數(shù)。

φ與CS的計(jì)算公式如下：

式中，Ri為降水量；R為平均降水量；S為樣本均方差；n為樣本數(shù)。

參照孫安健等［16］的旱澇等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)Z指數(shù)將干旱劃分成4 個(gè)等級(jí)：嚴(yán)重干旱（Z<-1.645）、中度干旱（-1.645≤Z<-1.037）、輕度干旱（-1.037≤Z<-0.524）、無(wú)旱（Z≥-0.524）。

1.2.2 小波分析 作為一種時(shí)-頻局域化分析方法，小波分析對(duì)局部信號(hào)的刻畫(huà)更為細(xì)致逼真，不僅能夠分析非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的多時(shí)間尺度，還能清楚揭示出時(shí)間序列在多時(shí)間尺度上的變化趨勢(shì)［17］，成為河川徑流、降水、蒸發(fā)等具有非平穩(wěn)屬性的水文數(shù)據(jù)規(guī)律分析的常用方法［18］。小波函數(shù)有許多種，其中Morlet 小波是一種復(fù)數(shù)小波，能揭示隱藏在時(shí)間序列中的多種變化周期，是水文序列分析中最常用的小波函數(shù)［19，20］，故研究中采用此小波，其原理與具體計(jì)算方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)［21，22］。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱年際特征

距平分析能揭示降水量在時(shí)間序列內(nèi)的偏移情況，進(jìn)而度量其差異性［23］，豫東平原 1956—2016 年降水量距平序列見(jiàn)圖1。由圖1 可知，61 年中極大值出現(xiàn)在 2003 年、極小值為 1966 年，1959—1962 年、1991—1995 年、2011—2015 年降水量出現(xiàn)了連續(xù) 3~4 年的低于平均水平的現(xiàn)象。20 世紀(jì)90 年代后，降水量連續(xù)低于平均值的頻率和持續(xù)時(shí)間明顯增加。

圖2 反映的是降水Z指數(shù)年際變化情況，有18年Z<-0.524，說(shuō)明發(fā)生了干旱，基本上3 年就有1次，其中，1956—1967 年、1978—1986 年、1996—2004 年序列年際變化明顯，其他年份則相對(duì)平穩(wěn)。

就干旱發(fā)生頻率而言，1956—2016 年干旱年際發(fā)生頻率平均為29.5%，20 世紀(jì)60 年代為30.0%、70年代為20.0%、80 年代為30.0%、90 年代為50.0%、2000—2016 年為 23.5%，20 世紀(jì) 90 年代發(fā)生的頻率最高，其次是 20 世紀(jì) 60 年代和 80 年代，2000 年之后進(jìn)入平穩(wěn)期，干旱發(fā)生頻率有所降低，圖2 中的線性趨勢(shì)線也反映了這一特點(diǎn)。

2.2 干旱周期特性分析

小波系數(shù)實(shí)部等值線能反映出所研究水文序列在各時(shí)間尺度上的周期變化及時(shí)域分布［24］。由圖3a 可以看出，豫東平原干旱演變中存在多時(shí)間尺度特征：在26~32 年尺度上存在旱澇交替的2 次完整震蕩，主要發(fā)生在20 世紀(jì)70 年代后；在14~18 年尺度上存在4 次震蕩，20 世紀(jì)90 年代后期周期震蕩減弱；9~11 年在整個(gè)時(shí)間序列上存在 9 次震蕩，20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，干旱演變?cè)谠摃r(shí)間尺度上震蕩頻率增加、振幅變窄；8 年以下的時(shí)間尺度上周期變化雜亂，反映出在小時(shí)間尺度下，豫東平原洪澇變化頻繁規(guī)律性較差。

小波方差表示信號(hào)震蕩隨周期尺度的分布，可以確定降水時(shí)間序列存在的主要周期［25］。圖3b 為豫東平原降水時(shí)間序列的方差圖，其干旱演變周期在10 年處出現(xiàn)峰值、振幅最強(qiáng)，為主周期。

圖 4 反映的是降水Z指數(shù)序列與 10、15、30 年周期尺度上的小波系數(shù)實(shí)部變化過(guò)程，可以看出，干旱演變?cè)跁r(shí)域上的分布特征不均勻，除10 年的主周期外，15、30 年時(shí)間尺度上周期震蕩具有序列局部性特征。從 10、15 年的時(shí)間尺度來(lái)看，20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，豫東平原干旱演變?cè)谛r(shí)間尺度上震蕩頻率增加，振幅變窄，規(guī)律性變差。

2.3 干旱頻率空間分布

以245 個(gè)雨量站降水Z指數(shù)評(píng)估得到的點(diǎn)干旱頻率為基礎(chǔ)，通過(guò)ArcGIS 插值分析，得到豫東平原干旱頻率空間分布，如圖5 所示。從空間分布上看，1956—2016 年該區(qū)域干旱平均發(fā)生頻率在24.70%~34.20%（圖5a），其中重度干旱發(fā)生頻率為3.14%~8.87%（圖5b）、中度干旱發(fā)生頻率為5.89%~13.60%（圖5c）、輕度干旱頻率為9.69%~20.40%（圖5d）。

從各等級(jí)干旱發(fā)生頻率上看，干旱越嚴(yán)重其發(fā)生頻率越低，且各干旱類型具有互補(bǔ)性，即某一類型干旱高發(fā)，其他類型干旱偏向于低發(fā)。從空間分布看，干旱高發(fā)區(qū)大致集中在中上和中下、貫穿左右的2 個(gè)帶狀區(qū)域。參看豫東平原地形圖，高發(fā)的2 個(gè)帶狀區(qū)域?yàn)樽髠?cè)山脈阻隔、右側(cè)缺少山麓地帶坡積洪積平原的區(qū)域。

2.4 干旱空間占比

由泰森多邊形根據(jù)245 個(gè)雨量站制作豫東平原的Voronoi圖，如圖6所示。以245個(gè)雨量站干旱的點(diǎn)數(shù)據(jù)代表該雨量站在Voronoi圖中泰森多邊形范圍內(nèi)干旱的面數(shù)據(jù)，則第x年某類型干旱占比可表示為：

式中，f(x) 為x年干旱面積占比，Sn為第n個(gè)雨量站在Voronoi 圖中泰森多邊形的面積，S為Voronoi圖總面積，?(n)為x年第n個(gè)雨量站是否發(fā)生某類型干旱。

圖7 為豫東平原干旱面積所占比例，其干旱面積平均占比為30.03%，有24 年高于平均值、37 年低于平均值，整體上面積占比呈緩慢增加趨勢(shì)；干旱面積占比最高值出現(xiàn)在1966 年，占總面積的97.62%（圖7a）。從各類型干旱來(lái)看，重度干旱面積平均占比為4.99%，呈緩慢減少態(tài)勢(shì)，占比峰值出現(xiàn)在1966年，占干旱面積的76.81%（圖7b）；中度干旱面積平均占比為9.96%，呈緩慢增加勢(shì)頭，占比峰值出現(xiàn)在1986 年，占干旱面積的45.39%（圖7c）；輕度干旱面積平均占比為15.08%，呈緩慢增加趨勢(shì)，占比峰值出現(xiàn)在1959 年，占干旱面積的46.18（圖7d）。

3 小結(jié)

基于豫東平原1956—2016 年降水序列，從干旱年際特征、周期特性、頻率空間分布、空間占比4 個(gè)方面對(duì)豫東平原干旱特征進(jìn)行分析，結(jié)論如下。

1）根據(jù) 1956—2016 年降水Z指數(shù)序列，有 18 年發(fā)生了干旱，頻率為29.5%，其中1956—1967 年、1978—1986 年、1996—2004 年序列年際變化明顯，其他年份相對(duì)平穩(wěn)。

2）干旱演變?cè)?0 年時(shí)間尺度下周期性最強(qiáng)，為主周期；在15、30 年時(shí)間尺度下，干旱演變?cè)诓糠謺r(shí)間序列持續(xù)震蕩但未能貫穿整個(gè)時(shí)間序列，具有序列局部性特征。

3）頻率空間分布上，豫東平原干旱發(fā)生頻率在24.70%~34.20%，干旱高發(fā)區(qū)大致集中在2 個(gè)帶狀區(qū)域。

4）豫東平原干旱面積平均占比為30.03%，呈緩慢增加趨勢(shì)，其中重度干旱面積平均占比為4.99%，呈緩慢減少態(tài)勢(shì)；中度干旱面積平均占比為9.96%，呈緩慢增加勢(shì)頭；輕度干旱面積平均占比為15.08%，呈緩慢增加趨勢(shì)。

作為國(guó)家糧食主產(chǎn)區(qū)，豫東平原干旱必然危及主糧安全，在深入研究其干旱規(guī)律和特征的基礎(chǔ)上，需要加強(qiáng)該區(qū)域的水資源管理，發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)、循環(huán)農(nóng)業(yè)，確保糧食安全。