1951－2015年洞庭湖區(qū)旱澇演變及典型年份旱澇急轉(zhuǎn)特征分析

胡毅鴻，李景保

（1. 湖南師范大學資源與環(huán)境科學學院，長沙 410081； 2. 北京師范大學減災與應急管理研究院，北京 100875）

1951－2015年洞庭湖區(qū)旱澇演變及典型年份旱澇急轉(zhuǎn)特征分析

胡毅鴻1,2，李景保1※

（1. 湖南師范大學資源與環(huán)境科學學院，長沙 410081； 2. 北京師范大學減災與應急管理研究院，北京 100875）

旱澇災害是制約洞庭湖區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要因素，為預測湖區(qū)旱澇災害變化趨勢，該文選取1951－2015年洞庭湖區(qū)及其周邊地區(qū)35個氣象站點的逐月降水量數(shù)據(jù)，利用標準化降水指數(shù)和夏季長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)，輔以小波分析方法，分析近65 a來研究區(qū)域的旱澇演變及典型年份旱澇急轉(zhuǎn)特征。結(jié)果表明：該區(qū)旱澇事件發(fā)生的頻率高，不同時間尺度旱澇事件發(fā)生的平均頻率為42.62%。在季節(jié)尺度上，夏季洪澇事件發(fā)生的頻率最高，為33.33%，冬季干旱事件發(fā)生的頻率最高，為41.54%；在年代際尺度上，20世紀70年代干旱事件發(fā)生的頻率最高，為25.83%，其次是2001－2015年，頻率為22.99%，90年代洪澇事件發(fā)生的頻率最高，為30%。該區(qū)域旱澇變化有4個特征時間尺度，分別為4、10、25和31 a，預測湖區(qū)在未來幾年降水偏多。洞庭湖區(qū)3個區(qū)域的旱澇變化大抵一致，但在不同時期仍存在一定的差異。湖區(qū)近65 a來有15 a的LDFAI絕對值大于1，旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象較頻繁，不管是旱澇變化還是旱澇急轉(zhuǎn)變化，東、西洞庭湖區(qū)的變化趨于一致，南洞庭湖區(qū)與東洞庭湖區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)變化差異較大。

氣象；干旱；降水；標準化降水指數(shù)；旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)；洞庭湖區(qū)

胡毅鴻，李景保. 1951－2015年洞庭湖區(qū)旱澇演變及典型年份旱澇急轉(zhuǎn)特征分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(7)：107－115.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.014 http://www.tcsae.org

Hu Yihong, Li Jingbao. Analysis on evolution of drought-flood and its abrupt alternation in typical year from 1951 to 2015 in Dongting Lake area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 107－115. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.014 http://www.tcsae.org

0 引 言

IPCC第五次評估報告指出，氣候系統(tǒng)變暖是毋容置疑的事實[1]。氣候變暖不僅直接影響溫度極值波動，而且已經(jīng)導致高溫、干旱和暴雨洪澇等極端氣候事件發(fā)生頻率增高、強度加大，尤其是在氣候變化響應的敏感區(qū)和脆弱區(qū)[2-3]。近幾年來許多學者開展了很多具有區(qū)域特色的旱澇事件研究，并取得了一定成果[4-10]。

素稱“漁米之鄉(xiāng)”的洞庭湖區(qū)受“馬蹄形”盆地格局和不穩(wěn)定的氣候系統(tǒng)（副熱帶高壓的北跳南移，西風環(huán)流的南侵北退，以及東南季風與西南季風的輻合交匯）的綜合作用，年降水量分配不均，年際變率大，溫度季節(jié)變化顯著，年際波動大，造成極端氣候事件頻發(fā)，成為中國旱澇災害發(fā)生頻繁且嚴重的地區(qū)之一。

研究表明，洞庭湖區(qū)旱澇致災因子的危險性大、承災體易損率高，因旱澇造成的直按經(jīng)濟損失巨大。在1951－2000年間由洪澇導致的多年平均成災面積為24.56萬hm2，其中1954、1996、1998年因洪澇造成的直按經(jīng)濟損失分別為121億元、303億元、197億元[11-15]。特別在干旱減少的年際背景下，極端干旱有上升趨勢[16]，如2001年干旱成災面積18.3萬hm2，2006年達21.6萬hm2。可見，旱澇災害已成可持續(xù)發(fā)展的嚴重制約因素。

長江中下游地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)事件頻繁，1960—2011年共有5 a出現(xiàn)了典型的旱澇急轉(zhuǎn)事件[17]，其中以2011年旱澇急轉(zhuǎn)事件最為典型。2011年6月之前，該地區(qū)出現(xiàn)近60 a來最嚴重的冬春持續(xù)干旱，6月3日后出現(xiàn)5輪強降水過程，由大旱快速轉(zhuǎn)成大澇。這種極端現(xiàn)象造成多人遇難，經(jīng)濟損失巨大[18]，嚴重影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和自然生態(tài)系統(tǒng)[19]。旱澇急轉(zhuǎn)是多種因素互相配合、持續(xù)異常的結(jié)果[19]。因此，旱澇急轉(zhuǎn)的規(guī)律、影響機制及預測一直是短期氣候與旱澇關(guān)系研究領(lǐng)域中的一個熱點和中心課題。

鑒于此，基于近65 a來洞庭湖區(qū)及周邊地區(qū)35個氣象站點逐月降水數(shù)據(jù)，利用標準化降水指數(shù)（standardized precipitation index，SPI）和夏季長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)（long-cycle drought-flood abrupt alternation index，LDFAI），從時空尺度上，系統(tǒng)分析該地區(qū)旱澇時空變化特征以及夏季旱澇急轉(zhuǎn)特征。這對于較準確地把握洞庭湖區(qū)旱澇出現(xiàn)規(guī)律、轉(zhuǎn)換機制以及指導眾多水庫科學調(diào)度，緩解發(fā)電、灌溉與防汛間的矛盾具有重要的學術(shù)價值和實際意義。

1 資料來源與研究方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

洞庭湖區(qū)（28°03′—30°20′N，110°40′—113°30′E）跨湘、鄂兩省的沖積平原和湖泊水網(wǎng)區(qū)，總面積18 780 km2，其中湖南省15 200 km2，管轄岳陽、常德、益陽、長沙、湘潭、株洲6個地級市的36個縣（區(qū)、市）和14個國營農(nóng)場；湖北省3 580 km2，管轄荊州市的松滋縣、公安縣、石首市和江陵縣部分。氣象站點包括沅江、石門、常德、南縣、荊州、岳陽、平江等共35個（圖1），1951—2015年65 a各站點逐月降水量數(shù)據(jù)來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.gov.cn）提供的中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集。

圖1 氣象站點分布圖Fig.1 Distribution of meteorological statio ns

1.2 研究方法

1.2.1 標準化降水指數(shù)（SPI）

降水量分布一般不是正態(tài)分布，而是一種偏態(tài)分布。所以在進行降水分析和干旱監(jiān)測、評估中，采用 Г分布概率來描述降水量的變化。標準化降水指數(shù) SPI是在計算某時段降水量的 Г分布概率后，再進行正態(tài)標準化處理，最終用標準化降水累積頻率分布來劃分干旱等級[20]。標準化降水指數(shù)具體計算方法參照《氣象干旱等級GB/T20481-2006》國家標準[21]，具體計算步驟為：

假設某一時段的降水量為隨機變量x，則其Г分布的概率密度函數(shù)g(x)為

式中α＞0，β＞0，α和β分別為形狀參數(shù)和尺度參數(shù)，x為降水量，Γ(α)是Gamma函數(shù)。最佳的α、β估計值可采用極大似然估計方法求得。確定概率密度函數(shù)中的參數(shù)后，對于某一年的降水量x0，對g(x)從0至x0進行數(shù)值積分可以計算出隨機變量x小于x0概率的近似估計值。由于Gamma方程不包含x=0的情況，所以降水量為0時的事件概率G由下式估計：G(x=0)=m/n，式中m為降水量為0的樣本數(shù)，n為總樣本數(shù)。

對Г分布概率進行正態(tài)標準化處理，將求得的概率值代入標準化正態(tài)分布函數(shù)即

近似求解得到Z值，即為SPI值。

SPI是McKee等提出來的，是一種功能強大、應用靈活、計算簡單的指數(shù)，能很好地反映干旱的強度和持續(xù)時間[22]，是一種非常有價值的干旱強度評估指數(shù)[23]，優(yōu)于Z指數(shù)[24]，目前已廣泛運用于各國的氣象旱澇檢測[25-29]。本文利用SPI分析洞庭湖區(qū)的旱澇變化特征，并分別計算1、3、6、12個月的SPI，其中SPI1表示1個月的SPI值，以反映短時間的降水狀況，比較接近土壤濕度；SPI3表示 3個月的 SPI值，以反映短期氣象干旱的特征，即降水季節(jié)性的變化；SPI6表示6個月的SPI值，反映中長時期的降水狀況；SPI12表示12個月的SPI值，以此指數(shù)來反映長時間降水的演變特征[30-31]。旱澇類型根據(jù)SPI值劃分為9個等級[20]（表1）。

表1 標準化降水指數(shù)的旱澇類型等級劃分Table1 Classification of grades of drought and flood for standardized precipitation index (SPI)

1.2.2 降水量距平百分率

降水量距平百分率（precipitation abnormity percentage，Pa）反映了某一時段降水與同期平均狀態(tài)的偏離程度，其計算公式如下[21]

式中P為某時段降水量，mm，為多年平均同期降水量，mm。

1.2.3 夏季長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)

旱澇急轉(zhuǎn)是指在某一段時期內(nèi)，一段時間出現(xiàn)干旱，另一段時間出現(xiàn)洪澇，旱澇交替出現(xiàn)的情形，用夏季長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)（long-cycle drought-flood abrupt alternation index，LDFAI）來衡量。

1）將降水量進行標準化處理

式中R為標準化降水量；Pi為降水量原值，mm，i=1,2,…,N；是降水量平均值，mm；N為樣本總數(shù)[32]。

2）計算LDFAI

式中R78是7—8月標準化降水量；R56是5—6月標準化降水量；（R78?R56）為旱澇急轉(zhuǎn)強度項；(|R56|+|R78|)為旱澇強度項；是權(quán)重系數(shù)，其作用是增加長周期旱澇急轉(zhuǎn)事件所占權(quán)重，降低全旱或全澇事件權(quán)重[33-36]。

1.2.4 LDFAI強度

LDFAI能反映該區(qū)域是澇轉(zhuǎn)旱還是旱轉(zhuǎn)澇的過程，但是不能充分反映旱澇急轉(zhuǎn)的強度，尤其是在年代際尺度上，這是由于LDFAI有正有負，直接對其求平均會造成正負相抵，不能反映出旱澇急轉(zhuǎn)的強度，所以在計算時先對某年代各個站點的LDFAI取絕對值，再計算其平均值得到某一年代的LDFAI強度，來更好地反映該區(qū)域年代際尺度上旱澇急轉(zhuǎn)的強度變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時間尺度下 SPI的變化特征

洞庭湖區(qū)SPI1在0線上下波動頻繁（圖2a），這是由于SPI1反映的是短時間降水狀況，沒有考慮前期降水的影響，降水時間的持續(xù)性弱，受短時間降水影響大，所以SPI1變化大。1951－2015年間有2.19%的月份屬于嚴重或極端旱澇月份，而這些極端和嚴重干旱月份78.57%是出現(xiàn)在秋冬季節(jié)。由此表明，秋冬季節(jié)易出現(xiàn)短時期的干旱事件，這是由于洞庭湖區(qū)地屬亞熱帶季風氣候，秋冬季節(jié)降水量較少。

SPI3呈震蕩波動狀態(tài)，旱澇交替頻繁（圖 2b）。近65 a間，2.60%屬于嚴重或極端旱澇事件，典型的季節(jié)性嚴重和極端干旱事件的年份為2011、1979和1999年，典型的嚴重和極端洪澇事件的年份為1954、1993、1998和2002年，這與洞庭湖區(qū)旱澇發(fā)生的實際情況基本一致[15,18]。由此認為，根據(jù)長時間序列逐月降水量數(shù)據(jù)計算得出的 SPI3能較好地反映洞庭湖區(qū)實際的旱澇情況。

據(jù)洞庭湖區(qū)SPI6（圖2c），近65 a，1.56%屬于嚴重或極端旱澇事件，相比 SPI3其頻率稍有降低，但旱澇持續(xù)時間明顯延長。由此表明，隨著SPI時間尺度的增長，旱澇的等級會發(fā)生變化，且旱澇的開始時間與終止時間會相應地延后，這意味著時間尺度越長，越能充分反映前期降水對旱澇的累積影響。

對于SPI12而言（圖2d），洞庭湖區(qū)近65 a的旱澇變化過程大致分為5個階段：1951—1955年相對濕潤，干旱事件出現(xiàn)頻率低；1956—1970年旱澇程度均不大，但干旱程度略高于洪澇；1971—1990年旱澇交替出現(xiàn)，旱澇程度較前一階段大；1991—2003年為濕潤期，洪澇事件發(fā)生頻率高；2003年后又由洪澇向干旱轉(zhuǎn)變，且干旱事件發(fā)生頻率較高。長時間連續(xù)的洪澇或干旱事件是制約洞庭湖區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素，連續(xù) 8個月及以上洪澇事件大約每個年代分別出現(xiàn)一次（除90年代出現(xiàn)2次），維持時間最長的是1969年8月—1971年3月，長達20個月。20世紀60和80年代各出現(xiàn)1次連續(xù)8個月及以上干旱，70年代出現(xiàn)2次，而近十幾年來出現(xiàn)4次，這表明干旱事件有明顯增加的趨勢。

根據(jù)不同時間尺度的SPI，洞庭湖區(qū)旱澇事件出現(xiàn)的頻率較高，不同時間尺度旱澇事件發(fā)生的平均頻率為42.62%，其中極端和嚴重旱澇事件發(fā)生的頻率較低，為1.84%，輕微旱澇事件發(fā)生的頻率最高，為31.85%。

圖2 1951－2015年洞庭湖區(qū)不同時間尺度旱澇變化特征Fig.2 Characteristics of drought-flood changes with different time scales in Dongting Lake area during 1951－2015

2.2 旱澇的時間變化特征

2.2.1 不同等級旱澇頻次的季節(jié)變化

洞庭湖區(qū)降水量年內(nèi)分配很不均勻，降水主要集中在夏季，近65 a來夏季平均降水量為498.69 mm，其次是春季為456.19 mm，秋季為247.20 mm，冬季降水最少，為149.54 mm，這與每個季節(jié)的干旱事件和洪澇事件發(fā)生的頻率大致對應（圖3）。春季，無極端干旱和洪澇事件，正常的頻率在四季中最高。夏季，降水普遍偏多，但在近10 a來夏季降水有減少的趨勢，極端和嚴重洪澇事件較多，無極端和嚴重干旱事件，洪澇事件發(fā)生的頻率最高，為 33.33%，干旱事件發(fā)生的頻率最少，為7.69%。秋季，無極端旱澇事件，有嚴重旱澇事件，干旱事件發(fā)生的頻次大于洪澇事件。冬季，降水普遍較少，極端和嚴重干旱事件發(fā)生最多，無極端洪澇事件，干旱事件發(fā)生的頻率最高，為 41.54%，洪澇事件發(fā)生的頻率最低，為7.69%，在四季中也是旱澇事件發(fā)生頻率最高的季節(jié)。近十幾年來，四季干旱事件發(fā)生的頻率都有所增高。

圖3 1951—2015年洞庭湖區(qū)旱澇季節(jié)變化特征Fig.3 Seasonal variation characteristics of drought and flood in Dongting Lake area during 1951－2015

2.2.2 不同等級旱澇頻次的年代際變化

該地區(qū)不同年代極端旱澇事件發(fā)生頻率最低（表2），其頻率平均值僅為0.47%，正常的頻率最高，為55.34%，其次是輕微旱澇事件，為33.41%。其中90年代降水最多，平均降水量為1 422.73 mm，該年代發(fā)生了2次特大洪水，分別是1996和1998年，洪澇事件發(fā)生的頻率高達30%，嚴重干旱事件發(fā)生的頻率最高，為4.17%，該年代旱澇事件發(fā)生的頻率最高，為52.50%。其次是60年代，降水也偏多，平均降水量為1 366.13 mm，輕微洪澇事件發(fā)生的頻率最高，為23.33%。2001—2015年，降水最少，平均降水量為1 316.33 mm，極端干旱事件發(fā)生的頻率最高，為1.15%，干旱事件發(fā)生的頻率為22.99%。其次是70年代，平均降水量為1 325.50 mm，干旱事件發(fā)生的頻率最高，為25.83%。不同年代洪澇事件發(fā)生的頻率的變化大于干旱事件。

表2 1951－2015年洞庭湖區(qū)不同旱澇等級出現(xiàn)頻率的年代際變化Table2 Interdecadal variation of frequency of drought and flood with different grades in Dongting Lake area during 1951－2015 %

2.2.3 旱澇的周期變化

將1951－2015年的SPI進行Morlet小波分析，以揭示洞庭湖區(qū)近65 a來旱澇的周期變化規(guī)律。圖4a的紅色（藍色）渲染表示小波系數(shù)實部為正數(shù)（負數(shù)），表明降水偏多（偏少），顏色越深，表示旱澇程度越大。圖 4b的小波系數(shù)模部平方相當于小波能量譜，數(shù)值越大（紅色越深）表示波動能量越強、周期越顯著。圖4c的小波方差能反映 SPI的波動能量隨時間尺度的分布情況，可確定旱澇變化過程中存在的主周期。在圖4b中有4個能量最聚集的中心，它們代表波動能量變化的特性，這 4個中心分別是：①尺度范圍在23～31 a，波動能量在90年代后期以來表現(xiàn)最為強烈。②中心尺度為31 a，其波動能量較強且貫穿整個時期。③中心尺度為10 a，波動能量主要影響的時域是70和80年代。④中心尺度為4 a，波動能量主要影響的時域是60年代后期—80年代前期以及2001年后。

圖4 1951－2015年洞庭湖區(qū)旱澇變化小波分析Fig.4 Morlet wavelet analysis of drought-flood change in Dongting Lake area during 1951－2015

這表明旱澇周期變化的局部化特征明顯，即在不同時域，變化周期不完全相同。在圖4c中有4個比較明顯的峰值，分別為4、10、25和31 a，說明這4個尺度的準周期在洞庭湖區(qū)近65 a來的旱澇變化中起主要作用，其中最大峰值對應著31 a特征時間尺度，表明其周期震蕩性最強、周期最顯著，為該地區(qū)旱澇變化的第一主周期，25、10和4 a分別為旱澇變化的第二、三和四主周期，這一結(jié)果與上述圖4b的分析結(jié)果大抵一致。具體表現(xiàn)在：31 a特征時間尺度大概經(jīng)歷了3個旱澇交替期，旱澇變化的平均周期為22 a左右，旱澇中心為1963、1974、1985、1998、2007、2015年；在25 a特征時間尺度上，大概有4個周期的旱澇交替期，平均變化周期為16 a左右；在10 a特征時間尺度上，大約有9個周期的旱澇交替期，平均變化周期為7 a左右；在4 a特征時間尺度上，大概有23個周期的旱澇交替期，平均變化周期為3 a左右。無論是哪個時間尺度，2015年后小波系數(shù)實部均呈現(xiàn)正值的趨勢，這意味著在未來一段時間內(nèi)洞庭湖區(qū)降水偏多。

2.3 旱澇的空間分異特征

為便于分析旱澇空間變化特征，按習慣將洞庭湖區(qū)劃分為東洞庭湖區(qū)、南洞庭湖區(qū)和西洞庭湖區(qū)。其中東、西和南洞庭湖區(qū)多年平均降水量分別為 1 364.95、1 373.18、1 531.33 mm，南洞庭湖區(qū)降水最豐富。為揭示三大湖區(qū)旱澇的分異特征，對各湖區(qū)的SPI12做散點圖進行分析（圖5）。東洞庭湖區(qū)與南、西洞庭湖區(qū)的相關(guān)系數(shù)都較高，說明東洞庭湖區(qū)與其他兩大湖區(qū)的旱澇變化有較強的相關(guān)性，但在20世紀80年代以來西洞庭湖區(qū)的干旱程度明顯大于東洞庭湖區(qū)，這是因為80年代以來西洞庭湖區(qū)的降水量比東洞庭湖區(qū)偏少，西洞庭湖區(qū)1980—2015年的年均降水量為1 375.64 mm，而東洞庭湖區(qū)的降水量為1 395.57 mm。南洞庭湖區(qū)與東洞庭湖區(qū)的旱澇變化在20世紀90年代以前趨于一致，但在90年代后旱澇事件的差異變大。南洞庭湖區(qū)與西洞庭湖區(qū)的相關(guān)系數(shù)相對較小，旱澇變化的差異較大，甚至存在反相變化，在90年代出現(xiàn)過幾次明顯的反相變化。對相關(guān)系數(shù)進行顯著性檢驗，均通過0.01的信度檢驗。就整個湖區(qū)而言，旱澇的空間變化具有較強的一致性。

圖5 洞庭湖區(qū)不同區(qū)域SPI相關(guān)分析Fig.5 Correlation of SPI in different areas of Dongting Lake area

2.4 夏季長周期旱澇急轉(zhuǎn)特征

2.4.1 典型年份夏季旱澇與旱澇急轉(zhuǎn)

為揭示夏季旱澇與旱澇急轉(zhuǎn)特征，選取洞庭湖區(qū)近65 a來逐年5－8月的降水量，分別計算出5－8、5－6月以及7－8月的降水量距平百分率，作為反映該地區(qū)夏季降水變化的情況，同時選出5－8月Pa絕對值在15%以上的年份，以及5－6月和7－8月的Pa之差的絕對值在 30%以上的年份，從中找出典型的洪澇、干旱、旱轉(zhuǎn)澇以及澇轉(zhuǎn)旱事件各 3 a，分別得到這些典型年份的 Pa以及LDFAI（表3）。

通過分析可得出以下認識：

1）洪澇嚴重的年份，5－8月的Pa大于30%，降水量比長時間序列的平均降水量明顯偏多，整個夏季的降水都偏多。洪澇最嚴重的年份是1954年，5－8月的降水量偏多67.28%。該年洪澇事件屬于梅雨型澇災，由于受到強大且穩(wěn)定的蒙古高壓和西太平洋副熱帶高壓的控制，冷暖氣流長期在長江流域交鋒徘徊[37]，使其入汛時間早、雨期長且雨量大、湖區(qū)連續(xù)暴雨，為洞庭湖區(qū)百年以來從未發(fā)生過的特大型洪澇事件，導致直接經(jīng)濟損失巨大。

表3 洞庭湖區(qū)夏季典型年份的旱澇與旱澇急轉(zhuǎn)特征Table3 Features of drought-flood and its abrupt alternation in Dongting Lake area in summer of typical years

2）干旱嚴重的年份，5－8月的Pa在?15%以下，7 －8月的Pa低于?40%，降水明顯偏少，嚴重影響該地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

3）典型澇轉(zhuǎn)旱年份，LDFAI小于?1，5－8月Pa的絕對值低于20%，5－6月的Pa為正值，7－8月的Pa為負值，且低于?30%，也就是說夏季前一段時間降水偏多后一段時間降水顯著偏少，導致 2個時期的降水量差距大，于是就形成澇轉(zhuǎn)旱事件。

4）典型旱轉(zhuǎn)澇年份，LDFAI大于1，5－8月的Pa絕對值在10%以下，其降水量接近正常，但5－6月的Pa為負值，7－8月的Pa為正值，這與澇轉(zhuǎn)旱事件相反。綜上，典型旱澇年份夏季降水量普遍偏多或偏少，典型旱轉(zhuǎn)澇（澇轉(zhuǎn)旱）年份，5－6月降水偏少（偏多），7－8月降水偏多（偏少）。

綜上，夏季偏澇（偏旱），整個夏季降水偏多（偏少），LDFAI的絕對值小于1；夏季出現(xiàn)旱轉(zhuǎn)澇（澇轉(zhuǎn)旱），一個時期降水偏多，另一個時期降水偏少，降水分配不均勻，LDFAI的絕對值大于1，且值越大，旱澇急轉(zhuǎn)的強度越大，旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象越顯著。對比洞庭湖區(qū)夏季降水與旱澇災情，LDFAI能較好地反映夏季5—6月和7—8月的旱澇急轉(zhuǎn)特征。

2.4.2 旱澇急轉(zhuǎn)的時間變化

據(jù)統(tǒng)計，20世紀60和90年代分別有2 a的LDFAI大于1，2 a的LDFAI小于-1，50和70年代及2001—2015年分別有1 a的LDFAI大于1，1 a的LDFAI小于-1，80年代只有1 a的LDFAI大于1，65 a中有15 a 的LDFAI絕對值大于1，每個年代出現(xiàn)的旱轉(zhuǎn)澇和澇轉(zhuǎn)旱現(xiàn)象頻率大抵一致。該地區(qū)不同年代的 LDFAI平均值均較小，LDFAI強度的平均值均較大（表 4），并且 80年代的LDFAI強度最小，出現(xiàn)旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象的頻率最低，90年代的LDFAI強度最大，出現(xiàn)旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象的頻率最高，說明不同年代的LDFAI強度能在一定程度上反映旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率。90年代的Pa最大，為該區(qū)域夏季最濕潤的一個年代，80年代為夏季最干燥的一個年代，其次是2001—2015年。

表4 洞庭湖區(qū)夏季降水和長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)的年代際統(tǒng)計特征Table4 Interdecadal statistics features of summer precipitation and long-cycle drought-flood abrupt alternation index (LDFAI) in Dongting Lake area

夏季LDFAI有微弱上升的趨勢（圖6），洞庭湖區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象大抵可分為4個階段，第1階段是1951—1970年，這一階段LDFAI呈波動性振蕩，旱轉(zhuǎn)澇和澇轉(zhuǎn)旱交替頻繁，且旱澇急轉(zhuǎn)強度較大，旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象顯著；第2階段是1971－1989年，這一階段除了1980年旱轉(zhuǎn)澇強度較大，總體來說LDFAI的波動較小，且強度也較小，旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象不顯著；第3階段是1990－2002年，這一階段LDFAI呈波動性振蕩，澇轉(zhuǎn)旱的強度呈逐漸減小的趨勢；第4階段是2003－2015年，除了2008年旱轉(zhuǎn)澇顯著，總體來說旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象不顯著。

圖6 1951－2015年洞庭湖區(qū)夏季LDFAI變化Fig.6 Variation of LDFAI in Dongting Lake area during 1951－2015

2.4.3 旱澇急轉(zhuǎn)的空間分異特征

對各區(qū)域LDFAI做散點圖來分析其相關(guān)性，可知：西洞庭湖區(qū)和東洞庭湖區(qū)的相關(guān)系數(shù)較高（r=0.70，P＜0.01），旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)的趨勢變化較一致，東洞庭湖區(qū)的澇轉(zhuǎn)旱程度大于西洞庭湖區(qū)，西洞庭湖區(qū)的旱轉(zhuǎn)澇程度大于東洞庭湖區(qū)，這說明該湖區(qū)不同區(qū)域雖然旱轉(zhuǎn)澇或澇轉(zhuǎn)旱的趨勢趨于一致，但旱澇急轉(zhuǎn)的強度不一致。西洞庭湖區(qū)與南洞庭湖區(qū)的相關(guān)性較弱（r=0.52，P＜0.01），東洞庭湖區(qū)與南洞庭湖區(qū)的相關(guān)系數(shù)最小（r=0.35，P＜0.01），其旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)趨勢變化的差異較大。不管是旱澇變化還是旱澇急轉(zhuǎn)變化，東、西洞庭湖區(qū)的趨勢變化趨于一致。

3 結(jié) 論

1）洞庭湖區(qū) 1951－2015年旱澇變化過程大致可以分為5個階段：1951－1955年相對濕潤；1956－1970年，旱澇程度不高；1971－1990年，旱澇交替出現(xiàn)，旱澇程度較前一階段大；1991－2003年為較濕潤；2003年后較干旱，近十幾年來干旱事件有明顯增加的趨勢。

2）洞庭湖區(qū)夏季洪澇事件發(fā)生的頻率最高，冬季干旱事件發(fā)生的頻率最高，近十幾年來，四季的干旱事件普遍增加。20世紀90年代降水最多，不同等級洪澇事件發(fā)生的頻率都較高，2001－2015年降水最少，極端干旱事件發(fā)生的頻率最高，70年代降水也偏少，干旱事件發(fā)生的頻率最高。

3）洞庭湖區(qū)旱澇交替變化存在4、10、25和31 a這樣4個時間尺度，無論是哪個時間尺度，2015年后小波系數(shù)實部均呈現(xiàn)正值的趨勢，表明在未來一段時間內(nèi)該地區(qū)降水偏多。

4）對比洞庭湖區(qū)夏季降水與旱澇災情，LDFAI能較好地反映夏季5—6月和7—8月的旱澇急轉(zhuǎn)特征，65 a中有15 a的LDFAI絕對值大于1。不管是旱澇變化還是旱澇急轉(zhuǎn)變化，東、西洞庭湖區(qū)的變化較為接近。南洞庭湖區(qū)與東洞庭湖區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)變化差異較大。

[1] IPCC. Climate Change 2013: The Physical Science Basis, the Summary for Policymakers of the Working Group I Contribution to the Fifth Assessment Report[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2013.

[2] 第三次氣候變化國家評估報告編寫委員會. 第三次氣候變化國家評估報告[M]. 北京：科學出版社，2015.

[3] 黃榮輝，杜振彩. 全球變暖背景下中國旱澇氣候災害的演變特征及趨勢[J]. 自然雜志，2010，32(4)：187－195. Huang Ronghui, Du Zhencai. Evolution characteristic and trend of droughts and floods in china under the background of global warming[J]. Chinese Journal of Nature, 2010, 32(4): 187－195. (in Chinese with English abstract)

[4] 李雙雙，楊賽霓，劉憲鋒. 1960－2013年北京旱澇變化特征及其影響因素分析[J]. 自然資源學報，2015，30(6)：951－962. Li Shuangshuang, Yang Saini, Liu Xianfeng. The characteristics of drought-flood variation and its influence factors in Beijing during 1960－2013[J]. Journal of Natural Resources, 2015, 30(6): 951－962. (in Chinese with English abstract)

[5] 劉琳，徐宗學. 西南地區(qū)旱澇特征及其趨勢預測[J]. 自然資源學報，2014，29(10)：1791－1801. Liu Lin, Xu Zongxue. Drought/flood characteristic and trend prediction in Southwest China[J]. Journal of Natural Resources, 2014, 29(10): 1791－1801. (in Chinese with English abstract)

[6] 楊金龍，張強，王勁松，等. 近60年來西南地區(qū)旱澇變化及極端和持續(xù)性特征認識[J]. 地理科學，2015，35(10)：1336－1340. Yang Jinlong, Zhang Qiang, Wang Jinsong, et al. Extreme and persistent feature of drought and flood of Southwest China in past 60 years[J]. Scientia Geographica Sinica, 2015, 35(10): 1336－1340. (in Chinese with English abstract)

[7] 何慧，廖雪萍，陸虹，等. 華南地區(qū)1961－2014年夏季長周期旱澇急轉(zhuǎn)特征[J]. 地理學報，2016，71(1)：130－141. He Hui, Liao Xueping, Lu Hong, et al. Features of long-cycle drought-flood abrupt alternation in South China during summer in 1961－2014[J]. Acta Geographica Sinica, 2016, 71(1): 130－141. (in Chinese with English abstract)

[8] 陳晶，顧世祥，何大明，等. 近60多年來滇池流域干旱特性及重現(xiàn)期分析[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2016，25(9)：1457－1465. Chen Jing, Gu Shixiang, He Daming, et al. Return period of drought in Dianchi Basin in last 69 years[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2016, 25(9): 1457－1465. (in Chinese with English abstract)

[9] 周玉良，周平，金菊良，等. 基于供水水源的干旱指數(shù)及在昆明干旱頻率分析中應用[J]. 水利學報，2014，45(9)：1038－1047. Zhou Yuliang, Zhou Ping, Jin Juliang, et al. Establishment of hydrological drought index based on sources of regional water supply and its application to drought frequency analysis for Kunming[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2014, 45(9): 1038－1047. (in Chinese with English abstract)

[10] 楊曉靜，左德鵬，徐宗學. 基于標準化降水指數(shù)的云南省近55年旱澇演變特征[J]. 資源科學，2014，36(3)：473－480. Yang Xiaojing, Zuo Depeng, Xu Zongxue. Characteristics of droughts and flood analyzed using the standardized precipitation index in Yunan Province during the past 55 years[J]. Resource Science, 2014, 36(3): 473－480. (in Chinese with English abstract)

[11] 劉世奇，段煉中，余元君. 洞庭湖水患災害分析及其治理策略[J]. 人民長江，2009，40(14)：76－78. Liu Shiqi, Duan Lianzhong, Yu Yuanjun. Analysis on flood disaster in Dongting Lake and its control strategy[J]. Yangtze River, 2009, 40(14): 76－78. (in Chinese with English abstract)

[12] 李景保，余果，歐朝敏，等. 洞庭湖區(qū)農(nóng)業(yè)水旱災害演變特征及影響因素：60年來的災情診斷[J]. 自然災害學報，2011，20(2)：74－81. Li Jingbao, Yu Guo, Ou Chaomin, et al. Evolution characters and influence factors of agricultural flood and drought in Dongting Lake area diagnosis of disaster situation in recent 60 years[J]. Journal of Natural Disaster, 2011, 20(2): 74－81. (in Chinese with English abstract)

[13] 黃菊梅，鄒用昌，彭嘉棟，等. 1960－2011年洞庭湖區(qū)年降水量變化特征[J]. 氣象與環(huán)境學報，2013，29(6)：81－86. Huang Jumei, Zou Yongchang, Peng Jiadong, et al. Variation characteristic of annual precipitation from 1960 to 2011 in Dongting Lake area[J]. Journal of Meteorology and Environment, 2013, 29(6): 81－86. (in Chinese with English abstract)

[14] 中華人民共和國水利部. 2014年中國水旱災害公報[R]. 北京：中國水利水電出版社，2011.

[15] 王婷，章新平，黎祖賢，等. 近52年來洞庭湖流域氣象干旱的時空分布特征[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2016，25(3)：514－522. Wang Ting, Zhang Xinping, Li Zuxian, et al. Temporal and spatial distribution characteristic of meteorological drought for recent 52 years in Dongting Lake Basin[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2016, 25(3): 514－522. (in Chinese with English abstract)

[16] 李景保，王克林，楊燕，等. 洞庭湖區(qū)2000年2007年農(nóng)業(yè)干旱災害特點及成因分析[J]. 水資源與水工程學報，2008，19(6)：1－5. Li Jingbao, Wang Kelin, Yang Yan, et al. Characteristic and causes of agricultural drought disasters from 2000 to 2007 in the areas of Dongting Lake[J]. Journal of Water Resources and Water Engineering, 2008, 19(6): 1－5. (in Chinese with English abstract)

[17] 程智，丁小俊，徐敏，等. 長江中下游地區(qū)典型旱澇急轉(zhuǎn)氣候特征研究[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2012，21（增刊2）：115－120.Cheng Zhi, Ding Xiaojun, Xu Min, et al. Analysis of characteristic of sharp turn from drought to flood in the middle and lower reaches of the Yangtze River[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2012, 21(Supp.2): 115－120. (in Chinese with English abstract)

[18] 閃麗潔，張利平，陳心池，等. 長江中下游流域旱澇急轉(zhuǎn)時空演變特征分析[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2015，24(12)：2100－2107. Shan Lijie, Zhang Liping, Chen Xinchi, et al. Spatiotemporal evolution characteristics of drought-flood abrupt alternation in the middle and lower reaches of the Yangtze River Basin[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2015, 24(12): 2100－2107. (in Chinese with English abstract)

[19] 牛建利，何紫云，張?zhí)煊睿? 旱澇急轉(zhuǎn)對生產(chǎn)，生活與生態(tài)的影響及應對措施效果分析[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2013，22（增刊1）：108－115. Niu Jianli, He Ziyun, Zhang Tianyu, et al. Impacts of sudden drought to flood change on manufacture livelihood and ecology[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2013, 22(Supp.1): 108－115. (in Chinese with English abstract)

[20] 史建國，嚴昌榮，何文清，等. 氣象干旱指數(shù)計算方法研究概述[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象，2007，28（增刊）：191－195. Shi Jianguo, Yan Changrong, He Wenqing, et al. Overview on calculation methods of meteorological drought index[J]. Chinese Journal of Agrometeorology, 2007, 28(Supp.): 191－195. (in Chinese with English abstract)

[21] 中國氣象局.氣象干旱等級GB/T20481-2006 [M]. 北京：中國標準出版社，2006.

[22] McKee T B, Doesken N J, Kleist J. The relationship of drought frequency and duration to time scales[C]// Proceedings of the 8th Conference on Applied Climatology. Boston, USA: American Meteorological Society, 1993: 179－183.

[23] 史建國，嚴昌榮. 氣象干旱指數(shù)計算方法研究概述[J]. 中國農(nóng)業(yè)氣象，2007，28（增刊）：191－195. Shi Jianguo, Yan Changrong. Summary on the computing method of meteorological index of drought[J]. Chinese Journal of Agrometeorology, 2007, 28(Supp.): 191－195. (in Chinese with English abstract)

[24] 袁文平，周廣勝. 標準化降水指標與Z指數(shù)在我國應用的對比分析[J]. 植物生態(tài)學報，2004，28(4)：523－529. Yuan Wenping, Zhou Guangsheng. Comparison between standardized precipitation index and Z index in China[J]. Acta Phytoecologica Sinica, 2004, 28(4): 523－529. (in Chinese with English abstract)

[25] 翟祿新，馮起. 基于 SPI的西北地區(qū)氣候干濕變化[J]. 自然資源學報，2011，26(5)：847－857. Zhai Luxin, Feng Qi. Dryness/wetness climate variation based on standardized precipitation index in Northwest China[J]. Journal of Natural Resources, 2011, 26(5): 847－857. (in Chinese with English abstract)

[26] 劉可晶，王文，朱燁，等. 淮河流域過去60年干旱趨勢特征及其與極端降水的聯(lián)系[J]. 水利學報，2012，43(10)： 1179－1187. Liu Kejing, Wang Wen, Zhu Ye, et al. Trend of drought and its relationship with extreme precipitation in Huaihe Basin over the last 60 years[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2012, 43(10): 1179－1187. (in Chinese with English abstract)

[27] 孫德亮，吳建峰，李威，等. 基于SPI指數(shù)的近50年重慶地區(qū)干旱時空分布特征[J]. 水土保持通報，2016，36(4)：197－203. Sun Deliang, Wu Jianfeng, Li Wei, et al. Temporal and spatial patterns of droughts in recent 50 years of Chongqing city based on SPI index[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2016, 36(4): 197－203. (in Chinese with English abstract)

[28] 王鶯，李耀輝，胡田田. 基于SPI指數(shù)的甘肅省河東地區(qū)干旱時空特征分析[J]. 中國沙漠，2014，34(1)：244－253. Wang Ying, Li Yaohui, Hu Tiantian. Analysis on spatial and temporal patterns of drought based on standardized precipitation index in Hedong area in Gansu Province[J]. Journal of Desert Research, 2014, 34(1): 244－253. (in Chinese with English abstract)

[29] 唐寶琪，延軍平，李雙雙，等. 近55年來華東地區(qū)旱澇時空變化特征[J]. 長江流域資源與環(huán)境，2016，25(3)：497－505. Tang Baoqi, Yan Junping, Li Shuangshuang, et al. Evolution of spatiotemporal of floods and droughts in east China from 1960 to 2015[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2016, 25(3): 497－505. (in Chinese with English abstract)

[30] Heim Jr R R. A review of twentieth-century drought indices used in the United States[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2002, 83(8): 1149.

[31] Patel N R, Chopra P, Dadhwal V K. Analyzing spatial patterns of meteorological drought using standardized precipitation index[J]. Meteorological Applications, 2007, 14(4): 329－336.

[32] 魏鳳英. 現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預測技術(shù)[M]. 北京：氣象出版社，2007.

[33] 張水鋒，張金池，閔俊杰，等. 基于徑流分析的淮河流域汛期旱澇急轉(zhuǎn)研究[J]. 湖泊科學，2012，24(5)：679－686. Zhang Shuifeng, Zhang Jinchi, Min Junjie, et al. Drought-flood abrupt alternation based on runoff in the Huaihe River Basin during rainy season[J]. Journal of Lake Science, 2012, 24(5): 679－686. (in Chinese with English abstract)

[34] Wu Z, Li J, He J, et al. Occurrence of droughts and floods during the normal summer monsoons in the mid‐and lower reaches of the Yangtze River[J]. Geophysical Research Letters, 2006, 33, L05813. doi:10.1029/2005GL024487.

[35] Wu Z, Li J, He J, et al. Large-scale atmospheric singularities and summer long-cycle droughts-floods abrupt alternation in the middle and lower reaches of the Yangtze River[J]. Chinese Science Bulletin, 2006, 51(16): 2027－2034.

[36] 吳志偉，李建平，何金海，等. 大尺度大氣環(huán)流異常與長江中下游夏季長周期旱澇急轉(zhuǎn)[J]. 科學通報，2006，51(14)：1717－1724.Wu Zhiwei, Li Jianping, He Jinhai, et al. The relationship between the circulation anomaly in large scale and long-periodic sharp turns from flood to drought over the middle and lower reaches of the Yangtze River in summer[J]. Chinese Science Bulletin, 2006, 51(14): 1717－1724. (in Chinese with English abstract)

[37] 彭際作，毛德華. 洞庭湖區(qū)1998年與1954年特大洪澇災害比較研究[J]. 熱帶地理，2000，20(2)：116－120. Peng Jizuo, Mao Dehua. A comparative study of the flood and waterlogging disasters occurred in 1998 and 1954 in the Dongting Lake region[J]. Tropical Geography, 2000, 20(2): 116－120. (in Chinese with English abstract)

Analysis on evolution of drought-flood and its abrupt alternation in typical year from 1951 to 2015 in Dongting Lake area

Hu Yihong1,2, Li Jingbao1※
(1.College of Resource and Environmental Science,Hunan Normal University,Changsha410081,China; 2.Academy of Disaster Reduction and Emergency Management,Beijing Normal University,Beijing100875,China)

Drought-flood disaster is one of vital factors restricting Dongting Lake area’s economic development. In order to predict the future drought-flood change tendency, using the monthly precipitation data of 36 meteorological stations in Dongting Lake and its surrounding areas, this paper attempted to describe the characteristics of evolution of drought-flood and its abrupt alternation in typical year from 1951 to 2015 in Dongting Lake area. Standardized precipitation index (SPI) and long cycle drought-flood abrupt alternation index (LDFAI), Morlet wavelet analysis and other climate diagnosis method were adopted. The results showed that the variation of drought and flood could be roughly divided into 5 periods. The first period was from 1951 to 1955, which was relatively humid. The second period was from 1956 to 1970. In this period, the alternation of flood and drought was frequent and the calamity degree was not severe. The third period was from 1971 to 1990. The alternation was also frequent and the calamity degree was severer than the previous period. The fourth was a humid period from 1991-2003. The last was an arid period after 2003. In this period, drought disaster has showed an obvious increasing trend. In the study area, flood and drought occurred frequently, and its alternation was also frequent during 1951-2015. The average frequency of different time scales of drought and flood events was 42.62%. The distribution of precipitation was uneven and concentrated in summer. The highest frequency of flood events was 33.33%, which occurred in summer. In winter, the frequency of drought events was 41.54%. Flood events showed an increasing trend in spring and summer in the 1990s. But in recent years, the rainfall has kept decreasing in 4 seasons. On an interdecadal scale, the 1990s was the wettest decade and had the highest frequency of flood events which was 30%. The precipitation was the least and the frequency of drought event was 22.99% in 2001-2015. In this period, the frequency of extreme drought event was the highest. The highest frequency of drought events was 25.83% in the 1970s. In this period, the precipitation was also low. Variation of drought-flood had 4 characteristic time scales, respectively, 4, 10, 25 and 31 a, which revealed that Dongting Lake area would be have more precipitation in the next few years. The variations of drought-flood in the 3 areas including East, West and South Dongting Lake area were basically the same, but had some differences in different periods. The variation of drought-flood even showed an obviously reverse phase in South and West Dongting Lake area in 1990s. There were 15 years with the absolute value of LDFAI is greater than 1 in recent 65 years in this area, which meant drought- flood abrupt alternation phenomenon was frequent. For either the variation of drought-flood or its abrupt alternation, West Dongting Lake area and East Dongting Lake area were basically the same. The variation of drought-flood abrupt alternation in South Dongting Lake area was obviously different from East and West Dongting Lake area.

meteorology; drought; precipitation; standardized precipitation index; long-cycle drought-flood abrupt alternation index; Dongting Lake area

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.014

P426.616

A

1002-6819(2017)-07-0107-09

2016-08-15

2017-01-25

國家自然科學基金項目（41571100）；湖南省重點學科地理學建設項目

胡毅鴻，女，湖南沅江人，主要從事氣候變化研究。北京 北京師范大學減災與應急管理研究院，100875。

Email：18374848655@163.com

※通信作者：李景保，男，湖南桂陽人，教授，主要從事水文水資源和自然災害教學與研究。長沙 湖南師范大學資源與環(huán)境科學學院，410081。

Email：lijingbao1951@126.com