李思萍，李曉惠，曾思亮，廖勇培

（1.河源市氣象局，廣東河源 517000；2.江門市氣象局，廣東江門 529000；3.紫金縣氣象局，廣東紫金 517400）

全球氣候變曖背景下，旱澇災(zāi)害是對(duì)中國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)造成損失最嚴(yán)重的氣候?yàn)?zāi)害［1］。李維京等［2］指出我國南方極端旱澇并發(fā)，區(qū)域性干旱、洪澇事件均呈增多趨勢(shì)；張玉琴等［3］研究得出華南地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)的發(fā)生頻率有先減后增的年代際特征；何慧等［4］指出粵東地區(qū)夏季長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)呈顯著上升趨勢(shì)，還有學(xué)者對(duì)廣東及其部分區(qū)域的旱澇變化特征進(jìn)行研究，取得了一些成果［5-7］。

粵東北地區(qū)屬干旱災(zāi)害的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，并且是以梅州市為高值中心的極端降水異常區(qū)和敏感區(qū)之一［8］。本研究利用粵東北地區(qū)近55年逐月降水?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，輔以小波分析、相關(guān)性分析等方法，分析了旱澇的時(shí)間變化、周期變化和空間分異特征，對(duì)把握粵東北地區(qū)旱澇變化規(guī)律、減輕旱澇災(zāi)害損失、合理利用水資源等具有重要的實(shí)際意義和研究價(jià)值。

1 資料和方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

粵東北地區(qū)泛指廣東省河源和梅州兩地，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。以兩個(gè)地區(qū)的河源、連平、和平、龍川、紫金、梅縣、平遠(yuǎn)、興寧、蕉嶺、大埔、五華、豐順等共12個(gè)國家級(jí)氣象觀測(cè)站1965—2019年逐月降水量數(shù)據(jù)為研究資料。

1.2 研究方法

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）由美國學(xué)者M(jìn)cKee等［9］提出，可定量化表征不同時(shí)段內(nèi)降水量缺乏程度的指標(biāo)。其特點(diǎn)是利用30年以上降水量數(shù)據(jù)計(jì)算不同時(shí)間尺度SPI值，用于月以上時(shí)間尺度的旱澇監(jiān)測(cè)與評(píng)估［10-11］。SPI利用Γ分布概率描述自然降水，通過概率密度函數(shù)計(jì)算累積概率并對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算步驟參考文獻(xiàn)［12］。計(jì)算過程未涉及與時(shí)空分布特性相關(guān)參數(shù)，極大降低了指標(biāo)值計(jì)算的時(shí)空差異［13］。

應(yīng)用美國國家減災(zāi)中心提供的SPI計(jì)算程序［14］計(jì)算粵東北12個(gè)站點(diǎn)1、3、6、12個(gè)月的SPI，分別記為SPI1、SPI3、SPI6、SPI12。利用12個(gè)站點(diǎn)SPI的算術(shù)平均值代表粵東北旱澇指數(shù)；同理，用12個(gè)站點(diǎn)總雨量的算術(shù)平均值計(jì)算粵東北地區(qū)季節(jié)平均雨量及年代際平均雨量。旱澇類型根據(jù)SPI值劃分9個(gè)等級(jí)［15］（表1）。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）等級(jí)分類

2 結(jié)果與分析

2.1 旱澇的時(shí)間變化

1）不同時(shí)間尺度SPI變化特征比較。

SPI1受短期降水影響較大，變化曲線在0線上下頻繁波動(dòng)，旱澇轉(zhuǎn)換尤為突然，較好地反映了短期旱澇變化特征（圖1a）。近55年粵東北極端和嚴(yán)重旱澇月占10.15%，其中67.74%出現(xiàn)在春冬季，可見春冬季較常出現(xiàn)短期旱情。SPI3曲線也呈現(xiàn)頻繁的旱澇交替特征，極端和嚴(yán)重旱澇月份占13.07%，與SPI1相似（圖1b）。SPI6統(tǒng)計(jì)表明，極端和嚴(yán)重旱澇月占8.24%，雖然較SPI1、SPI3的極端和嚴(yán)重旱澇月占比明顯減少，但是旱澇持續(xù)時(shí)間卻有所延長（圖1c）。比較SPI1、SPI3和SPI6變化曲線，隨著時(shí)間尺度拉長，部分時(shí)段的旱澇級(jí)別和起止時(shí)間發(fā)生改變，這一特征反映了前期降水變化的累積影響。

SPI12可反映發(fā)生旱澇的具體時(shí)段，從其隨時(shí)間的變化趨勢(shì)上看（圖1d），旱澇轉(zhuǎn)換較穩(wěn)定，大致分5個(gè)階段：1965—1972年旱澇交替期、1973—1990年洪澇期、1991年末—1992年初短暫干旱期、1992年4月—1998年轉(zhuǎn)為洪澇期、1999—2019年旱澇交替重現(xiàn)，可見曲線變化幅度大，中等級(jí)別以上旱澇事件的頻率增大。持續(xù)性旱澇是制約粵東北農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的重要因素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近55年內(nèi)基本每個(gè)年代際分別出現(xiàn)2次連續(xù)10個(gè)月以上的持續(xù)性洪澇事件（除20世紀(jì)80年代僅出現(xiàn)1次），持續(xù)時(shí)間最長達(dá)25個(gè)月（2015年9月—2017年9月），其次是20世紀(jì)90年代，可見洪澇事件持續(xù)時(shí)間有所延長；連續(xù)5個(gè)月以上的持續(xù)性干旱事件僅出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代、90年代和21世紀(jì)初，分別出現(xiàn)1次、2次和3次，持續(xù)時(shí)間最長達(dá)7個(gè)月，可見干旱事件有增多的趨勢(shì)。

據(jù)不同時(shí)間尺度SPI，近55年粵東北出現(xiàn)旱澇事件的頻率較高，平均頻率為58.92%，并且洪澇頻率（38.38%）大于干旱頻率（20.54%）。

圖1 近55年粵東北地區(qū)不同時(shí)間尺度SPI值變化特征

2）不同等級(jí)旱澇的季節(jié)變化。

粵東北地區(qū)降雨集中期在汛期4—9月，跨春、夏、秋3季。近55年粵東北各季節(jié)平均降雨量分別為春季597.03 mm、夏季670.79 mm、秋季230.56 mm和冬季169.75 mm。據(jù)SPI3統(tǒng)計(jì)，極端干旱僅出現(xiàn)在冬季，極端洪澇在各季節(jié)均有發(fā)生，而正常事件在春季的發(fā)生頻率最高（11.25%），其次為夏季（10.64%）。夏、秋季出現(xiàn)洪澇事件頻率（28.42%）較春、冬季明顯偏高，春、冬季出現(xiàn)干旱事件頻率（8.05%）較夏、秋季偏高。秋冬季降水雖比春夏季降水明顯偏少，但秋季出現(xiàn)洪澇事件的頻率（15.5%）卻在4季中最高，可見粵東北在秋季易出現(xiàn)旱澇突變（圖2）。

3）不同等級(jí)旱澇的年代際變化。

根據(jù)SPI12統(tǒng)計(jì)各年代際不同級(jí)別旱澇的發(fā)生頻率，正常的頻率最高，其次是輕微旱澇，極端旱澇頻率最低。近55年各年代際年均雨量以20世紀(jì)80年代最多（1 728.38 mm/年），其次是21世紀(jì)10年代（1 702.29 mm/年），這兩個(gè)時(shí)期的洪澇事件頻率均高達(dá)53.33%。20世紀(jì)70和90年代的降雨也偏多，年均降雨量分別為1 681.51、1 678.31 mm/年，洪澇事件頻率均在50%以上。對(duì)比各年代際不同級(jí)別旱澇類型的頻率，洪澇事件頻率變化比干旱事件頻率變化大，中等、嚴(yán)重洪澇頻率有增大的趨勢(shì)，輕微洪澇自20世紀(jì)90年代以來較80年代以前頻率明顯減小；80年代未出現(xiàn)干旱事件，21世紀(jì)初的干旱事件頻率最高（19.16%），其余年代干旱事件頻率差異不大，均以輕微和中等干旱為主（表2）。

表2 近55年粵東北地區(qū)不同級(jí)旱澇發(fā)生頻率的年代際變化 %

2.2 旱澇的周期變化

為揭示粵東北地區(qū)近55年旱澇周期變化規(guī)律，對(duì)SPI12進(jìn)行Morlet小波分析，并繪制小波系數(shù)實(shí)部（圖3a）、模部等值線圖（圖3b）和小波方差圖（圖4）。其中圖3a中紅色（藍(lán)色）代表小波系數(shù)實(shí)部為正（負(fù)），即降水偏多（偏少），紅色（藍(lán)色）越深，洪澇（干旱）程度越大；圖3b亦稱為小波能量譜圖，偏紅色（偏藍(lán)色）越深表示能量越強(qiáng)（弱），即能量越強(qiáng)周期越明顯。比較圖3a和圖3b，存在能量聚集、周期顯著的4個(gè)中心：①中心尺度3年，波動(dòng)能量影響時(shí)段為20世紀(jì)80年代初、90年代末和2015年以來；②尺度范圍5～12年，波動(dòng)能量集中在20世紀(jì)70年代至90年代初和2000年以來，尤其2000年以來最為強(qiáng)烈；③尺度范圍20～25年，波動(dòng)能量影響時(shí)段為20世紀(jì)60年代至80年代；④尺度范圍32～40年，波動(dòng)能量基本持續(xù)至2005年。可見旱澇周期變化的局部化特征顯著。

圖3 SPI12小波系數(shù)實(shí)部（a）和小波系數(shù)模部平方（b）等值線圖

另外，小波方差圖中（圖4）有5個(gè)較明顯的曲線峰值對(duì)應(yīng)準(zhǔn)3、5、9、20和38年的時(shí)間尺度，近55年粵東北地區(qū)旱澇變化主要受這5個(gè)時(shí)間尺度的準(zhǔn)周期影響。

圖4 小波方差曲線

最大峰值為準(zhǔn)9年（旱澇變化第1主周期），其周期震蕩最強(qiáng)且周期最顯著，準(zhǔn)38、5、3和20年時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)旱澇變化的第2、3、4和5主周期。可見這5個(gè)主周期與小波系數(shù)實(shí)部、模部平方的分析結(jié)果基本一致，可綜合得出5個(gè)特征時(shí)間尺度旱澇變化周期：①準(zhǔn)9年，大概存在5個(gè)旱澇交替期，旱澇變化平均周期為11年；②準(zhǔn)38年，大概存在2個(gè)旱澇交替期，旱澇變化平均周期28年左右；③準(zhǔn)5年，大概存在11個(gè)旱澇交替期，旱澇變化平均周期為5年；④準(zhǔn)3年，大約經(jīng)歷了15個(gè)旱澇交替期，旱澇變化平均周期4年左右；⑤準(zhǔn)20年，大概存在3個(gè)旱澇交替期，旱澇變化平均周期18年左右。據(jù)以上分析，2019年以后小波系數(shù)實(shí)部在10年以下時(shí)間尺度呈負(fù)值（藍(lán)色）變化，對(duì)應(yīng)中心尺度準(zhǔn)3年的小波系數(shù)模部波動(dòng)能量顯著，預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間粵東北地區(qū)降水偏少。

2.3 旱澇的空間異同特征

為揭示粵東北地區(qū)南北或東西的旱澇空間分異特征，將河源地區(qū)歸為西區(qū)，梅州地區(qū)歸為東區(qū)；以梅縣站所處緯線（24.281°N）為界，緯線以北的6個(gè)站點(diǎn)歸為粵東北的北區(qū)，緯線以南的6個(gè)站點(diǎn)歸為粵東北的南區(qū)。由于南北區(qū)、東西區(qū)的SPI12均符合雙變量的正態(tài)分布，因此對(duì)各區(qū)域SPI12繪制散點(diǎn)圖并進(jìn)行線性相關(guān)分析（圖5），此處選取積秩相關(guān)系數(shù)（Pearson相關(guān)系數(shù)）進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果表明，南北區(qū)（圖5a）、東西區(qū)（圖5b）的Pearson相關(guān)系數(shù)都較高，且均通過0.01的顯著性檢驗(yàn)。各區(qū)域間存在較強(qiáng)相關(guān)性，尤以南北區(qū)的相關(guān)性最為顯著，粵東北地區(qū)的旱澇空間變化具有較強(qiáng)的一致性。

圖5 南北（a）、東西（b）區(qū)域SPI12相關(guān)性分析散點(diǎn)圖

3 結(jié)論

1）粵東北地區(qū)近55年旱澇變化過程大致可分為5個(gè)階段：1965—1972年旱澇交替期；1973—1990年為洪澇期；1991年末—1992年初短暫干旱期；1992年4月—1998年轉(zhuǎn)為洪澇期；1999—2019年旱澇交替重現(xiàn)，并且出現(xiàn)中等級(jí)別以上旱澇事件頻率增大。

2）粵東北地區(qū)出現(xiàn)旱澇事件的頻率較高，平均頻率為58.92%，并且洪澇頻率（38.38%）大于干旱頻率（20.54%），洪澇事件持續(xù)時(shí)間有延長的趨勢(shì)，干旱事件有增多的趨勢(shì)。

3）近55年粵東北地區(qū)四季均有極端洪澇事件發(fā)生，極端干旱僅出現(xiàn)在冬季，正常事件出現(xiàn)在春季的頻率最高。對(duì)比各年代際不同級(jí)別旱澇的發(fā)生頻率，洪澇事件頻率變化大于干旱事件，中等、嚴(yán)重洪澇頻率有增加的趨勢(shì)，輕微洪澇自20世紀(jì)90年代以來較20世紀(jì)80年代以前頻率明顯減少。

4）粵東北旱澇周期變化存在準(zhǔn)3、5、9、20和38年共5個(gè)時(shí)間尺度，預(yù)測(cè)2019年之后的一段時(shí)間內(nèi)粵東北地區(qū)降水偏少。

5）粵東北的南區(qū)和北區(qū)、東區(qū)和西區(qū)相關(guān)系數(shù)都較高，各區(qū)域間的旱澇變化存在較強(qiáng)相關(guān)性，尤以南區(qū)和北區(qū)的相關(guān)性最顯著，粵東北地區(qū)旱澇空間變化有較強(qiáng)的一致性。