謝宇瑩，劉智勇，林凱榮

(1.中山大學 土木工程學院, 廣州 510275； 2.中山大學 水資源與環(huán)境研究中心，廣州 510275； 3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海), 廣東 珠海 519082)

1 研究背景

洪水和干旱是世界上最常見的自然災害， 往往對環(huán)境和農(nóng)業(yè)造成破壞， 產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失并威脅人們的生活。 受季風氣候的影響， 洪水和干旱在我國頻繁發(fā)生。 我國2/3的地區(qū)和>50%的人口幾乎每年都受到各種洪水和干旱事件的影響[1-3]。 現(xiàn)有的研究表明， 全球變暖會改變氣候變量(如溫度、降水和其他天氣現(xiàn)象)固有的屬性， 從而導致全球極端氣候事件(如干旱、洪水)的頻率、 強度增加[4-6]。 全球變暖不僅增加了干旱和洪水的風險， 而且導致旱澇交替事件愈加頻繁[7-8]。 旱澇交替是指某一地區(qū)一段時間發(fā)生干旱， 一段時間又發(fā)生洪澇， 干旱和洪水交替出現(xiàn)的情形， 包括由旱轉(zhuǎn)澇和由澇轉(zhuǎn)旱， 是次季節(jié)尺度降水的典型異常， 往往比單獨的洪水或干旱造成更嚴重和更大的破壞[3, 8]。

干旱和洪澇一直以來都是學者們關(guān)注的熱點問題， 到目前為止， 國內(nèi)外學者對旱澇事件進行了大量研究， 并取得了長足的進展。 在干旱方面， 研究主要圍繞干旱指標對不同地區(qū)的干旱特征、 空間分布特點和時間變化趨勢等進行探究[9-11]。 在洪澇災害方面， 學者主要采用氣象、 水文、 遙感等數(shù)據(jù)， 分析時空變化特征及成因機理、 評估災害風險等[12-14]。 也有一些學者對旱澇急轉(zhuǎn)事件進行研究， 揭示了一些地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)事件的時空演變規(guī)律和成因機制[15-20]。 如閃麗潔等[17]研究表明， 20世紀60年代以來， 長江中下游發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)事件的范圍、 頻率和強度均有增加的趨勢。 徐敏等[20]研究認為淮河流域夏季旱澇急轉(zhuǎn)與北半球中高緯度緯向距平和低頻位相波列的相反分布密切相關(guān)。 然而， 這些研究多關(guān)注夏季降水的異常， 而且偏重于研究旱澇的急轉(zhuǎn)事件， 對更為廣泛和普遍的旱澇交替(如旱轉(zhuǎn)澇或澇轉(zhuǎn)旱)的研究關(guān)注較少。 另外， 前人的研究大多針對某一特定流域或地區(qū)汛期的旱澇異常， 而對于我國旱澇交替現(xiàn)象的時空格局的研究相對較少。 因此， 本文將考慮區(qū)域長期氣候特點和降雨的季節(jié)性和周期性， 定義降水距平指數(shù)(Rainfall Anomaly Index,RAI), 提出一種月尺度的旱澇交替事件評價方法， 著重研究旱澇交替現(xiàn)象在中國的整體分布特征， 以期更加深入認識旱澇交替現(xiàn)象， 為揭示其成因規(guī)律提供基礎依據(jù)， 也為各地區(qū)的防洪抗旱提供科學依據(jù)和理論支持。

2 數(shù)據(jù)來源和采用的方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

使用的數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心產(chǎn)品“中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)”(http:∥www.nmic.cn/data/cdcdetail/dataCode/SURF_CLI_CHN_MUL_DAY_V3.0)，該數(shù)據(jù)集包含了中國824個基準、基本氣象站1951年1月以來氣壓、氣溫、降水量等的日值數(shù)據(jù)。由于部分站點存在缺失值以及各站點建站時間不一致，故本研究選取其中730個站點1961—2019年的逐日降水資料(部分站點時間跨度為1961—2017年)。所選站點的缺失值通過歷史同日均值進行插補得到。根據(jù)中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺的自然地理分區(qū)數(shù)據(jù)，結(jié)合研究需要，將中國劃分為七大地理分區(qū)(圖1)。中國版圖矢量數(shù)據(jù)來自全國地理信息資源目錄服務系統(tǒng)(http:∥www.webmap.cn/main.do?method=index)。

圖1 中國七大地理分區(qū)的分布Fig.1 Distribution map of seven geographical regions of China

2.2 采用的方法

降水距平是反映水分虧缺最直接的參數(shù)，是常用的旱澇評價指標[21-22]。本文通過定義降水距平指數(shù)提出了識別旱澇交替事件的評價方法，該方法充分考慮各個月份的長期氣候特征，在識別每個月旱澇情況的基礎上篩選出旱澇交替事件，且簡單易操作?；舅悸肥菑淖詈唵魏突A的降水距平序列入手，從中分離出干旱和洪澇事件，然后進一步識別旱澇交替事件。RAI的計算方法如下：

首先按照式(1)計算得到原始降雨系列的距平值(y)。再按式(2)對y進行標準化處理，得到降水距平指數(shù)(RAI)。

(1)

(2)

K=|RAIi|+|RAIi-1| 。

(3)

RAI介于負無窮到正無窮之間，RAI<0反映干燥情況，RAI>0反映濕潤情況。本研究中， RAI>0.5時，代表洪澇；RAI<-0.5時，代表干旱。也可根據(jù)不同的旱澇級別，定義不同的旱澇閾值(如±1、±1.5)。

旱澇交替事件的評價方法：若連續(xù)兩個時期先后發(fā)生干旱(RAI<-0.5)和洪澇(RAI>0.5)，則判定此為一次旱轉(zhuǎn)澇事件，反之則判定為澇轉(zhuǎn)旱事件。本研究采用頻率和強度描述旱澇交替事件的特征。頻率即旱澇交替事件平均每年發(fā)生的次數(shù)。強度(K)即一次旱澇交替事件中表征旱澇的前后兩個RAI的絕對值之和(式(3))。

3 結(jié)果與分析

3.1 旱澇交替事件的年內(nèi)分布規(guī)律

根據(jù)全國730個站點1961—2019年的日降雨量資料，計算降雨距平指數(shù)(RAI)并識別旱澇交替事件，統(tǒng)計全國站點每月發(fā)生旱澇交替事件次數(shù)，結(jié)果如圖2所示(旱轉(zhuǎn)澇和澇轉(zhuǎn)旱分開統(tǒng)計)。

圖2 1961—2019年全國旱澇交替事件發(fā)生次數(shù)的 年內(nèi)分布Fig.2 Boxplots of dry-wet transition events in different months during 1961-2019

由圖2可知，旱澇交替事件具有明顯的時間特性，旱澇交替事件主要發(fā)生在4—5、5—6、6—7、7—8、8—9、9—10月。從箱型圖的中位數(shù)來看，旱澇交替事件發(fā)生次數(shù)在年內(nèi)呈現(xiàn)先上升后下降的規(guī)律，6—7月和7—8月旱澇交替事件發(fā)生次數(shù)最多，之后減少，11月到次年2—3月基本不發(fā)生。

為了進一步分析旱澇交替事件的年內(nèi)空間分布特點，圖3展示了1961—2019年間4—5、5—6、6—7、7—8、8—9、9—10月旱轉(zhuǎn)澇事件發(fā)生總次數(shù)的空間分布。由圖3(a)可知，4—5月，全國大部分站點的旱轉(zhuǎn)澇事件發(fā)生次數(shù)較少，在0～6次之間，只有華南和新疆北部地區(qū)少數(shù)幾個站點發(fā)生頻次較大，在6次以上，個別站點>9次；5—6月(圖3(b))，全國旱轉(zhuǎn)澇發(fā)生次數(shù)明顯增加，大部分站點發(fā)生次數(shù)>3次，尤其是華南、西南地區(qū)發(fā)生頻率最高，有些站點甚至在9～15次之間；6—7月，旱轉(zhuǎn)澇頻次進一步增加，旱轉(zhuǎn)澇高頻區(qū)有所改變，西南、華東和華北地區(qū)大部分站點發(fā)生頻次明顯高于其他地區(qū)；7—8月，整體來看，北方地區(qū)比南方旱轉(zhuǎn)澇發(fā)生更加頻繁，高頻區(qū)主要為華北和東北地區(qū)；8—9月，全國旱轉(zhuǎn)澇事件明顯減少，但北方大部分站點發(fā)生次數(shù)仍比南方多；9—10月旱轉(zhuǎn)澇事件進一步減少，旱轉(zhuǎn)澇高頻區(qū)主要在重慶一帶。

圖3 4—10月旱轉(zhuǎn)澇發(fā)生次數(shù)空間分布Fig.3 Spatial patterns of the number of dry to wet events from April to October

圖4展示了1961—2019年間4—5、5—6、6—7、7—8、8—9、9—10月澇轉(zhuǎn)旱事件發(fā)生總次數(shù)的空間分布。澇轉(zhuǎn)旱事件(圖4)與旱轉(zhuǎn)澇事件發(fā)生次數(shù)的年內(nèi)空間分布大體類似。4—5月，全國澇轉(zhuǎn)旱發(fā)生頻次較低，但華南和中部地區(qū)部分站點發(fā)生次數(shù)較其他地區(qū)多；5—6月，澇轉(zhuǎn)旱發(fā)生頻次增加，高頻區(qū)集中在南方地區(qū)，包括廣東、廣西、湖南、貴州等地；6—7月，全國澇轉(zhuǎn)旱事件發(fā)生次數(shù)明顯增加，大部分站點發(fā)生次數(shù)在6次以上，其中西南、華中和東北地區(qū)發(fā)生頻率較高；7—8月，澇轉(zhuǎn)旱事件在北方地區(qū)發(fā)生頻率明顯比南方高，尤其是東北和華北地區(qū)，大部分站點發(fā)生次數(shù)在9次以上；8—9月，全國澇轉(zhuǎn)旱事件發(fā)生頻率較7—8月明顯減少，陜西、山西、寧夏和重慶等地發(fā)生頻次最高；9—10月，全國澇轉(zhuǎn)旱事件的頻率進一步減少，其空間分布特點與4—5月類似，大部分站點發(fā)生頻次<6次，北方地區(qū)絕大部分站點甚至<3次。

圖4 4—10月澇轉(zhuǎn)旱發(fā)生次數(shù)空間分布Fig.4 Spatial patterns of the number of wet to dry events from April to October

總體而言，全國旱澇交替事件發(fā)生頻次的年內(nèi)分布具有一定的規(guī)律。4—8月，旱澇交替事件發(fā)生頻次不斷增加，8月份以后，事件發(fā)生次數(shù)減少。不同月份，旱澇交替高頻區(qū)的分布也不同，4—6月主要在華南地區(qū)，6—9月主要在西南、華中、華北和東北地區(qū)。

3.2 旱澇交替事件發(fā)生頻率和強度的空間分布

根據(jù)降雨距平指數(shù)識別各個站點發(fā)生的旱澇交替事件，計算其平均每年發(fā)生次數(shù)，并分析比較了不同時期(1961—1980年、1981—2000年、2001—2019年)旱澇交替事件發(fā)生頻率的空間變化特點，見圖5。圖5(a)為1961—1980年各個站點旱轉(zhuǎn)澇發(fā)生頻率空間格局圖，從圖5(a)可以看出，中國東南部發(fā)生旱轉(zhuǎn)澇頻次較高，尤其是廣東、云南、貴州、湖南、福建、浙江等地區(qū)，高頻站點分布最多，東北地區(qū)也有少數(shù)幾個站點發(fā)生頻率較高。圖5(b)為1981—2000年旱轉(zhuǎn)澇發(fā)生頻率的空間分布圖，與前一個時期相比，旱轉(zhuǎn)澇高頻站點(>0.9次/a)明顯減少，主要集中在湖南、浙江及其周邊地區(qū)，新疆北部地區(qū)旱轉(zhuǎn)澇發(fā)生頻率也有所增加；北方地區(qū)的低頻站點(<0.5次/a)有所增加。在2001—2019年間(圖5(c))，北方旱轉(zhuǎn)澇低頻站點(<0.5次/a)較上個時期有所減少，高頻區(qū)分布也有差異，廣東、湖南、福建、江西等地大部分站點旱轉(zhuǎn)澇發(fā)生頻率增大?？傮w而言，澇轉(zhuǎn)旱事件發(fā)生頻率的空間特征與旱轉(zhuǎn)澇基本一致，高頻區(qū)集中在東南部，西部和北部發(fā)生頻率較低。從不同時期來看(圖5(d)—圖5(f))，1961—1980年間，華南、華中和西南部分地區(qū)澇轉(zhuǎn)旱多發(fā)，而華北、西北和東北地區(qū)澇轉(zhuǎn)旱很少發(fā)生。與上一個時期相比，1981—2000年間，華中地區(qū)澇轉(zhuǎn)旱發(fā)生頻率有所減少，但湖南和華東地區(qū)澇轉(zhuǎn)旱發(fā)生頻率較高。進入21世紀，北方澇轉(zhuǎn)旱發(fā)生頻率有所增大(澇轉(zhuǎn)旱低頻站點減少)，但澇轉(zhuǎn)旱高頻站點仍主要集中在我國東南部，尤其是福建、湖南、江西、廣東等地。

圖5 不同時期旱轉(zhuǎn)澇和澇轉(zhuǎn)旱發(fā)生頻率的空間分布Fig.5 Spatial patterns of the frequency of dry to wet and wet to dry events for different periods (times per year)

為了進一步分析旱澇交替事件強度的時空特征，本文分時期統(tǒng)計了全國站點旱轉(zhuǎn)澇和澇轉(zhuǎn)旱事件的平均強度，如圖6所示。圖6(a)為1961—1980年旱轉(zhuǎn)澇事件平均強度的空間分布圖，從圖中可以看出，1961—1980年，東北、華北地區(qū)旱轉(zhuǎn)澇強度最大，尤其是遼寧地區(qū)，部分站點強度>3.5，平均強度小的區(qū)域集中在華東地區(qū)。與上一個時期相比，1981—2000年間(圖6(b))，全國旱轉(zhuǎn)澇平均強度明顯減小，尤其是華北和西北部分地區(qū)。東北和新疆地區(qū)部分站點強度最大，在3.5以上。2001—2019年(圖6(c))旱轉(zhuǎn)澇強度的空間分布特征與上一時期大體相似，全國大部分地區(qū)強度較小，東北部分地區(qū)強度大。在澇轉(zhuǎn)旱方面(圖6(d)—圖6(f))，其強度的空間格局總體與旱轉(zhuǎn)澇相似，我國東南部和新疆北部地區(qū)強度小，西部和北部地區(qū)強度大。從不同時期來看，1961—1980年，華北和東北部分地區(qū)澇轉(zhuǎn)旱強度最大，尤其是京津冀、遼寧等地，部分站點平均強度在3.5以上。1981—2000年，華北和東北地區(qū)強度減小。2001—2019年，東南部地區(qū)澇轉(zhuǎn)旱強度較小，華北和東北和新疆地區(qū)部分站點澇轉(zhuǎn)旱強度與上個時期相比有所減弱。

圖6 不同時期旱轉(zhuǎn)澇和澇轉(zhuǎn)旱平均強度的空間分布Fig.6 Spatial patterns of the intensity of dry to wet and wet to dry events for different periods

從上述分析可知，全國旱轉(zhuǎn)澇和澇轉(zhuǎn)旱事件發(fā)生頻率和平均強度在各個時期的空間特征有所差異?？傮w而言，旱澇交替事件發(fā)生頻率均呈現(xiàn)東南高西北低的特點，而平均強度的空間分布則相反，呈現(xiàn)出東南低西北高的特點。

3.3 不同流域旱澇交替事件發(fā)生頻率和強度的時間變化

本研究進一步分析了不同流域分區(qū)旱澇交替事件發(fā)生頻率和強度的時間變化。根據(jù)中國科學院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺的自然地理分區(qū)數(shù)據(jù)，將我國劃分為九大流域片區(qū)，包括松遼河流域片、海河流域片、淮河流域片、黃河流域片、長江流域片、珠江流域片、東南諸河片、西南諸河片和內(nèi)陸河片。在全國范圍內(nèi)提取出我國九大流域片3個不同時期所有站點旱澇交替事件發(fā)生平均頻次和強度，并繪制箱型圖，如圖7和圖8所示。圖7是我國九大流域片不同時期旱轉(zhuǎn)澇和澇轉(zhuǎn)旱的平均頻次分布箱型圖。從箱型圖的中位數(shù)來看(圖7(a))，在1961—1980年，東南諸河流域片旱轉(zhuǎn)澇發(fā)生頻率最高(0.9次/a)，西南諸河、長江和珠江流域片發(fā)生旱轉(zhuǎn)澇的頻率比淮河、海河、內(nèi)陸河、黃河和松遼河流域片更高。黃河和珠江流域片在1961—1980和1981—2000年間旱轉(zhuǎn)澇頻率顯著減小，而在2001—2019年顯著增加。內(nèi)陸河流域片和西南諸河片，在1961—1980和2001—2019年間旱轉(zhuǎn)澇頻率呈現(xiàn)完全相反的變化，內(nèi)陸河流域發(fā)生頻率顯著增加，而西南諸河顯著減小，西南諸河片在2001—2019年間，發(fā)生頻率明顯小于其他2個時期。東南諸河、淮河、松遼河和長江流域在這3個時期變化不顯著。從圖7(b)可以看出，東南諸河、淮河、西南諸河、長江和珠江流域片比其他流域更容易發(fā)生澇轉(zhuǎn)旱事件。在1961—1980年和1981—2000年2個時期黃河和內(nèi)陸河流域澇轉(zhuǎn)旱發(fā)生頻率顯著增加。海河、內(nèi)陸河和松遼河流域片在1961—1980年和2001—2019年間澇轉(zhuǎn)旱頻率顯著增加，而淮河流域顯著減小，其他流域(東南諸河、西南諸河、長江、珠江流域)在各個時期變化不顯著。

圖7 全國九大流域片不同時期旱澇交替事件發(fā)生頻率的箱形圖Fig.7 Boxplots for the distributions of frequency of dry-wet transition events in nine large river basins in China over different periods

圖8 全國九大流域片不同時期旱澇交替事件平均強度的箱形圖Fig.8 Boxplots for the distributions of average intensity of dry-wet transition events in nine large river basins of China over different periods

圖8為我國九大流域片不同時期旱轉(zhuǎn)澇和澇轉(zhuǎn)旱的強度分布箱型圖。在旱轉(zhuǎn)澇方面(圖8(a))，海河、淮河、黃河流域在1961—1980年和1981—2000年間旱轉(zhuǎn)澇強度明顯減弱，其中，淮河和黃河流域強度顯著減弱；而東南諸河強度顯著增強，其余流域在這2個時期強度變化不明顯。對比1961—1980年和2001—2019年2個時期，海河、淮河和黃河流域旱轉(zhuǎn)澇強度顯著減小，東南諸河片強度顯著增強。內(nèi)陸河、西南諸河、松遼河、長江和珠江流域在3個時期強度變化均不顯著。從圖8(b)可以看出，1961—2019年間，東南諸河、淮河、內(nèi)陸河和西南諸河片澇轉(zhuǎn)旱強度具有先增強后減弱的年際特征，但并不顯著。而海河流域在1961—2019年間澇轉(zhuǎn)旱強度顯著減小。在1981—2000年和2001—2019年這2個時段，除淮河流域強度顯著減小外，其余流域在這2個時間段強度變化不明顯。黃河、松遼河、西南諸河和珠江流域在這3個時期澇轉(zhuǎn)旱強度變化并不顯著。

4 研究結(jié)果討論

旱澇交替事件的形成可能與大氣環(huán)流異常、水汽輸送和季風活動等因素密切相關(guān)[3]。我國東部地區(qū)處于季風氣候顯著區(qū)域，常年受到季風活動的影響，汛期的降水分布、旱澇異常很大程度上受夏季風推進的快慢和強度的影響[23-24]。季風的推進與強弱變化勢必導致雨帶的進退，主雨帶強或停留時間較長的地方，降雨強、多連續(xù)降雨，容易發(fā)生洪澇；反之，降雨少。本研究結(jié)果表明，我國旱澇交替事件具有明顯的時間特性，多發(fā)生在4—9月份，其發(fā)生頻率的年內(nèi)分布規(guī)律與季風雨帶的推進相似。4月份，華南地區(qū)受夏季風和鋒面降水的影響進入前汛期，此時，華南地區(qū)容易發(fā)生旱澇交替事件；5月份，受夏季風的影響，華南地區(qū)降雨進一步增加，旱澇交替事件在華南地區(qū)更加頻繁；隨后，夏季風進一步北移，進入6月份，夏季風移動到江淮地區(qū)，旱澇交替高頻區(qū)主要在長江流域以北；7—8月份季風雨帶繼續(xù)向北推進，到達華北和東北地區(qū)，旱澇交替高頻區(qū)集中在華北東北一帶；9月份夏季風自北向南撤退，全國旱澇交替事件也明顯減少。

本文的研究結(jié)果顯示，旱澇交替事件發(fā)生頻率和平均強度呈現(xiàn)出完全相反的空間模式。旱澇交替事件多發(fā)生在華南、長江中下游等南方地區(qū)，其次是西南和東北地區(qū)，相比之下，我國西北和內(nèi)蒙古地區(qū)的交替事件較少，這與前人的研究結(jié)果是一致的[25]。暴雨頻數(shù)、降雨強度以及短時氣候異常導致階段性干旱是旱澇交替發(fā)生的主要氣候原因[26]。華南、長江中下游等地區(qū)域性暴雨頻發(fā)，發(fā)生旱澇交替的風險也較高。值得一提的是，地處我國西北干旱區(qū)的新疆，其北部地區(qū)旱澇交替事件發(fā)生頻率也較高。這可能是由于新疆北部常年受西風帶影響，全年降雨量在150～200 mm之間，明顯多于南疆地區(qū)。另外，受大氣環(huán)流系統(tǒng)和烏拉爾山脈的影響，西南風增強，增加了北疆地區(qū)水汽輸送，有利于降水形成[27-28]，從而導致雨澇多發(fā)，增加了旱澇交替發(fā)生的可能性。

5 結(jié) 論

本研究通過定義降雨距平指數(shù)(RAI)，在識別干旱和洪澇事件的基礎上，提出評價旱澇交替事件的方法，并將這種方法用于全國旱澇交替事件的分析中，得出的結(jié)論如下：

(1)全國旱澇交替事件發(fā)生頻次的年內(nèi)分布具有一定的規(guī)律。4—8月份旱澇交替事件發(fā)生頻次明顯增加，8月份以后，交替事件發(fā)生次數(shù)減少。不同月份，旱澇交替事件高頻區(qū)的分布也不同，4—6月主要在華南地區(qū)，6—9月份主要在西南、華中、華北和東北地區(qū)。

(2)不同時期，旱澇交替頻率和強度的空間分布有所不同，總體而言，全國旱澇交替發(fā)生的頻率呈現(xiàn)東南高西北低的特點。而旱澇交替強度的空間格局與頻率完全不同，呈現(xiàn)出西北高東南低的特點。

(3)21世紀以來，珠江流域、黃河、海河流域片旱澇交替事件發(fā)生頻率呈上升趨勢；總體而言，1961—2019年，全國旱澇交替事件強度無明顯變化趨勢。

本文提出一種旱澇交替評價方法，并對全國旱澇交替事件的時空特征進行分析。分析結(jié)果有助于進一步了解全國旱澇異常的時空特點，為決策者評估地區(qū)旱澇交替發(fā)生的可能風險并制定更適合的緩解此類災害的策略提供重要參考。然而，本研究的分析僅是基于月尺度進行的，旱澇交替事件也可能發(fā)生在不同的時間尺度上，如日、季和年。此外，研究中只基于歷史氣候資料進行分析，對于中國未來發(fā)生旱澇交替的風險仍不清楚。今后將繼續(xù)把目前的研究擴展到不同的時間尺度并探究未來氣候條件下旱澇交替的風險情況。