1955－2015年鄭州夏季旱澇急轉(zhuǎn)特征分析

彭高輝 秦琳琳 馬建琴 黃孟亞

摘要：根據(jù)鄭州1955-2015年逐月降水?dāng)?shù)據(jù)，結(jié)合長、短周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)、線性傾向估計及Mann-Kendall突變檢驗(yàn)等數(shù)學(xué)模型，對鄭州年降水特征以及6月-9月份旱澇急轉(zhuǎn)演變規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)果表明：鄭州的年降水量總體以-7.87 mm/（10a）的速率下降;鄭州地區(qū)的長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)（LDFAI）趨勢變化不明顯，但LDFAI強(qiáng)度呈階段性變化特征，存在2個偏強(qiáng)期和2個偏弱期，其中LDFAI強(qiáng)度大于1占37.7%，旱澇急轉(zhuǎn)比較頻繁;各相鄰月之間的短周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)SDFAI曲線振蕩最頻繁的是6月-7月，7月-8月次之，8月-9月指數(shù)變化平緩。總體來說，LDFAI的澇轉(zhuǎn)旱的強(qiáng)度比旱轉(zhuǎn)澇強(qiáng)，長、短周期旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象均呈現(xiàn)減弱趨勢。

關(guān)鍵詞：降水;旱澇急轉(zhuǎn);趨勢分析;Mann-Kendall檢驗(yàn)

中圖分類號：P426文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：[TP彭高暉.TIF]

Analysis of drought-flood abrupt alternation in Zhengzhou during summer in 1955-2015

PENG Gaohui.1，QIN Linlin.1，MA Jianqin.2，HUANG Mengya.1

（1.School of Mathematics and Statistics，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China;2.School of Water Conservancy，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China）

Abstract：Based on the monthly precipitation data of Zhengzhou meteorological station from 1955 to 2015，using long-and short-cycle drought-flood abrupt alternation index，Linear Tendency Estimation，Mann-Kendall test and other mathematical models，we analyzed the annual precipitation and the evolution of drought-flood during June to September in Zhengzhou.The results were as follows：The annual precipitation significantly decreased at a rate of -7.87 mm/（10a）.The change trend of the LDFAI in Zhengzhou was not obvious，but the intensity of LDFAI exhibited periodic changes，including two strong and two weak periods.The intensity of LDFAI greater than 1 accounted for 37.7% in the recent 61 years，which meant drought-flood abrupt alternation occurred frequently.The short-cycle drought-flood abrupt alternation index between adjacent months had the most frequent fluctuation from June to July，the second most from July to August，and it leveled off from August to September.In general，the intensity of long-cycle flood-to-drought transition was generally stronger than that of drought-to-flood transition.Both long-and short-cycle drought-flood abrupt alternation phenomena showed a trend of decline.

Key words：precipitation;drought-flood abrupt alternation;trend analysis;Mann-Kendall test

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告中指出[1]，1951-2012年全球溫度以0.12 ℃/（10a）的速率上升，由于氣候變暖導(dǎo)致極端氣候事件發(fā)生的頻率、強(qiáng)度均出現(xiàn)變化，其中，干旱和洪澇災(zāi)害是最為突出的兩類極端氣候事件[2-3]。近年來，鄭州的強(qiáng)降水異常氣候事件不斷增多，學(xué)者對該地區(qū)的降水情況也作了研究，劉德林[4]分析了近60年鄭州年降水的變化特征，結(jié)果顯示，年降水量呈增加趨勢，且年內(nèi)分配非常不均勻;崔燦[5]對鄭州2012年8月20日的暴雨過程進(jìn)行分析，得出暴雨形成的過程以及其集中的區(qū)域;王紀(jì)軍等[6]基于1955-2011年鄭州市的逐分降水資料，對場次降水量的分布特征進(jìn)行分析。除此之外，羅浩[7]、史本林[8-9]分別對河南的旱澇災(zāi)害、以及干旱情況作研究，結(jié)果顯示，河南省整體呈干旱加劇、洪澇減弱的趨勢。在這種背景下，鄭州市作為黃河流域中下游的平原腹地，起著承東啟西的重要作用，研究該區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)特征對整個中原城市群的旱澇急轉(zhuǎn)情況具有十分典型的意義。

旱澇急轉(zhuǎn)[10]指在研究時期內(nèi)，一段時間發(fā)生干旱，一段時間發(fā)生洪澇，旱澇交替出現(xiàn)的情形。目前，國內(nèi)已經(jīng)有很多學(xué)者對旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象作了相關(guān)研究，但對季節(jié)內(nèi)旱澇急轉(zhuǎn)情況的研究較少，WU Zhiwei等[11-12]基于長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)對1957-2000年長江中下游地區(qū)進(jìn)行分析;何慧等[13]采用長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)研究了1961-2014年華南地區(qū)夏季旱澇急轉(zhuǎn)的演變規(guī)律;張水峰等[14]利用旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)對淮河流域旱澇急轉(zhuǎn)特征進(jìn)行了研究。從上述文獻(xiàn)來看，他們僅結(jié)合流域的平均降水量來分析整個流域旱澇急轉(zhuǎn)特征，研究區(qū)域較寬泛，且未從多時間尺度對研究區(qū)的旱澇急轉(zhuǎn)情況進(jìn)行對比分析。鑒于此，本文根據(jù)鄭州1955-2015年逐月降水資料，利用長、短周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)，從典型的旱澇急轉(zhuǎn)年、旱澇急轉(zhuǎn)強(qiáng)度以及其時間變化這三方面著手，系統(tǒng)地研究鄭州旱澇急轉(zhuǎn)的特征，力求為旱澇趨勢預(yù)測工作積累經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步為城市防災(zāi)、減災(zāi)工作提供理論參考和數(shù)據(jù)支持。

1資料與研究方法

1.1資料來源

數(shù)據(jù)資料來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)[15]?？紤]到數(shù)據(jù)資料的完整性，本文選取1955-2015年鄭州氣象站為研究對象，并將其逐日的降水整理成逐月降水量。圖1為鄭州氣象站的地理分布圖。

1.2分析方法

統(tǒng)計鄭州近61年來各月的降水量情況，得出6月-9月份的降水量占全年降水的65.7%，且旱澇急轉(zhuǎn)事件多發(fā)生在此時間段，本文選用這四個月作為研究對象，即，以6月-9月的降水量來表示夏季的降水量。為了消除量綱對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響，先將6月-9月的降水量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，再根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]中定義的長、短周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)，來分析鄭州旱澇急轉(zhuǎn)的特征。

長周期旱澇急轉(zhuǎn)是指6月-7月旱，8月-9月澇，稱為“旱轉(zhuǎn)澇”，反之，則為“澇轉(zhuǎn)旱”。短周期旱澇急轉(zhuǎn)指的是相鄰月份，一個月份為旱，另一個月份為澇，稱其為“旱轉(zhuǎn)澇”，反之，則為“澇轉(zhuǎn)旱”。即，長周期的變化時間尺度為2個月，短周期則以月為單位。

（1）降水量標(biāo)準(zhǔn)化處理。

式中：R為標(biāo)準(zhǔn)化降水;Xi為降水量（mm）;[AKX-]為降水量的均值（mm）。

（2）長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)。

ILDFA=（R89-R67）×（|R89|+|R67|）×1.8-|R67+R89|（2）

式中：ILDFA為長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù);R67、R89依次為6月-7月、8月-9月標(biāo)準(zhǔn)化降水量;（R89-R67）表示旱澇急轉(zhuǎn)強(qiáng)度項;（|R67|+|R89|）表示旱澇強(qiáng)度項;1.8.-|R67+R89|為權(quán)重系數(shù);其作用是增加旱澇急轉(zhuǎn)事件所占權(quán)重，降低全旱或全澇事件權(quán)重[12-14]。

（3）短周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)。

ISDFA=（Rj-Ri）×（|Ri|+|Rj|）×3.2.-|Ri+Rj|，j=i+1（i=6，7，8）（3）

式中：ISDFA為短周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù);3.2.-|Ri+Rj|為權(quán)重系數(shù)。依據(jù)權(quán)重系數(shù)再計算6月-7月、7月-8月、8月-9月的月間旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)。

（4）Mann-Kendall突變檢驗(yàn)[16-17]。

Mann-Kendall檢驗(yàn)法適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，該方法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，廣泛應(yīng)用突變檢驗(yàn)，特別是旱澇突變中。設(shè)氣候序列為{Xn}，Sk[WTBX]表示第i個樣本Xi>Xj（1≤j≤i）的累計數(shù)，定義統(tǒng)計量

Sk=∑[DD（]k[WTBX][]i=1[DD）]ri，ri=[JB（{]1Xi>Xj0Xi≤Xj[JB）]

在序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，Sk[WTBX]的均值和方差分別為

E（Sk）=k（k-1）/4，

將新序列Sk[WTBX]標(biāo)準(zhǔn)化得：

其中：UF1=0。給定顯著水平α，若|UFk[WTBX]|>Uα，則表明序列存在明顯的趨勢變化。將此方法引用到反序列{xn}，即，{xn}={Xn，…，X2，X1}。再進(jìn)行類似的運(yùn)算，有新的序列UFk[WTBX]′，則反序列的UBk[WTBX]由下式給出：

其中：UB1=0。給出曲線UFk[WTBX]，UBk的曲線圖，如果兩曲線相交，只有一個交點(diǎn)，且位于顯著性水平范圍之內(nèi)，則認(rèn)為該交叉點(diǎn)為突變點(diǎn)，反之，不能確定對應(yīng)兩序列的交叉點(diǎn)是否存在突變[17]。

2鄭州市旱澇急轉(zhuǎn)規(guī)律與分析[HJ1.85mm]

2.1長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)時間演變特征

2.1.1典型年份旱澇急轉(zhuǎn)

根據(jù)式（2），統(tǒng)計出鄭州長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)，再選取最高（低）的LDFAI年，見表1。由表1可知：高LDFAI年中，6月-7月的標(biāo)準(zhǔn)降水量均低于8月-9月，即6月-7月到8月-9月的降水量有增加趨勢;高LDFAI年中6月-7月的標(biāo)準(zhǔn)化降水量均小于-0.5，其中有5 年小于-1，說明高LDFAI年里有5年顯著偏旱;而8月-9月的標(biāo)準(zhǔn)化降水量均大于0.5，且有3年大于1，說明其顯著偏澇。同理，可以得到低LDFAI的旱澇情況。即高LDFAI對應(yīng)著“旱轉(zhuǎn)澇”，低LDFAI對應(yīng)著“澇轉(zhuǎn)旱”。

根據(jù)上述分析結(jié)果，在夏季LDFAI中選出指數(shù)大于1的年份為典型旱轉(zhuǎn)澇事件，小于-1的年份為典型澇轉(zhuǎn)旱事件。故，典型的旱轉(zhuǎn)澇年有1962、1969、1974、1975、1985、2011年，典型的澇轉(zhuǎn)旱年有1957、1971、1973、1978、1994、2008年。其中，在低LDFAI年中，1973年的8月-9月份為-0.22，沒有達(dá)到-0.5個標(biāo)準(zhǔn)差，但是其6月-7月份為1.85，比較接近2倍標(biāo)準(zhǔn)差，差距異常明顯，故將其選為旱轉(zhuǎn)澇年。

2.1.2旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)的時間變化

夏季LDFAI可以反映研究區(qū)域是“旱轉(zhuǎn)澇”，還是“澇轉(zhuǎn)旱”的過程，但是，在一定程度上未能反映旱澇急轉(zhuǎn)的強(qiáng)度，因此，為了更好地反映旱澇急轉(zhuǎn)的強(qiáng)度變化，對LDFAI取絕對值，并繪制出1955-2015年鄭州夏季LDFAI、旱澇急轉(zhuǎn)強(qiáng)度的年際變化圖以及Mann-Kendall突變檢驗(yàn)趨勢圖（見圖2）。由圖2（a）可以看出，1955-1985年期間發(fā)生5次典型旱轉(zhuǎn)澇，4次典型澇轉(zhuǎn)旱，發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)事件的頻率為3.44 a /次;1986-2015年期間發(fā)生1次典型旱轉(zhuǎn)澇，2次典型澇轉(zhuǎn)旱，發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)事件的頻率為10 a /次;觀察趨勢線可知，鄭州夏季LDFAI以-0.058/（10a）的速率下降，LDFAI正值最大的是1955年，為8.33;負(fù)值最小的是1971年，為-5.65;2009-2012年LDFAI均為正值且波動幅度明顯，表明旱轉(zhuǎn)澇的趨勢增強(qiáng)?？傮w來看，夏季鄭州的LDFAI以-0.058/（10a）的速率下降，表明該研究區(qū)域旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象由旱轉(zhuǎn)澇變成澇轉(zhuǎn)旱為主導(dǎo)。

觀察圖2（c），夏季LDFAI強(qiáng)度序列以-0.137/（10a）的速率下降，表示旱澇轉(zhuǎn)換強(qiáng)度減弱。在近61年內(nèi)，鄭州夏季LDFAI強(qiáng)度序列呈現(xiàn)顯著的階段性，1964-1971年、1996-2015年為相對偏弱期;1955-1963年與1972-1995年為偏強(qiáng)期，其中，1955年、1971年旱澇急轉(zhuǎn)情況比較嚴(yán)重。結(jié)合圖2（a）、2（c）中LDFAI偏高（低）的年份看，鄭州澇轉(zhuǎn)旱較強(qiáng)，這表明研究區(qū)域一旦出現(xiàn)旱澇急轉(zhuǎn)異常年，其澇轉(zhuǎn)旱強(qiáng)度比旱轉(zhuǎn)澇強(qiáng)。

圖2（b）、圖2（d）依次為夏季LDFAI以及強(qiáng)度的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)。從圖2（b）可以得出，61年內(nèi)，夏季LDFAI序列的正序列曲線UF在1977-1985年、2008-2015年表現(xiàn)為正值，表明夏季LDFAI兩個階段呈上升趨勢，其中UF值、UB值均未超過α=0.05顯著性水平信度線，表明趨勢變化并不顯著;曲線UF、UB在臨界線內(nèi)的交叉點(diǎn)比較多，故夏季LDFAI沒有發(fā)生年代際突變。從圖2（d）來看，夏季LDFAI強(qiáng)度在1985-2003年呈上升趨勢，其余階段呈下降趨勢，且其趨勢不顯。整體來看，LDFAI強(qiáng)度由強(qiáng)變?nèi)醯内厔莶⒉伙@著，圖2（c）也證實(shí)了這個結(jié)論。

2.2短周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)時間演變特征

2.2.1典型年份旱澇急轉(zhuǎn)

根據(jù)式（3），統(tǒng)計出鄭州短周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)，再選取最高（低）的SDFAI 年（見表2）。由表可知：高SDFAI年中，7、8、9 月標(biāo)準(zhǔn)化降水量均高于相應(yīng)6、7、8 月的，而低SDFAI年的情況則相反。高SDFAI年中6月份的標(biāo)準(zhǔn)化降水量均大于-0.5，8月份的標(biāo)準(zhǔn)化降水量在0.5之上，其中有2年大于2，為2.1、2.05，說明這幾年顯著偏澇。同理，可以得到低SDFAI年的旱澇情況。所以上述數(shù)據(jù)可以反應(yīng)鄭州6月-7月、7月-8月、8月-9月旱澇急轉(zhuǎn)的變化。

和長周期典型旱澇年選擇類似，得出典型的旱轉(zhuǎn)澇年：6月-7月有1964年、1973年、1999年、2008年;7月-8月有1962年、1963年、2003年、2012年;8月-9月有1961年、1972年、2014年。典型的澇轉(zhuǎn)旱年有：6月-7月有1963年、1987年、2015年;7月-8月有1977年、1978年;8月-9月有1956年、1958年、1998年、2007年。其中2003年7月份的標(biāo)準(zhǔn)化降水量為-0.41，低于0.5個標(biāo)準(zhǔn)差，但其8月份的為2.05，高于2個標(biāo)準(zhǔn)差，兩者的差距異常明顯，故將其選為旱轉(zhuǎn)澇年。

2.2.2旱澇急轉(zhuǎn)的時間變化

繪制出鄭州夏季短周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)的趨勢圖，見圖3。結(jié)果顯示，6月-7月SDFAI振蕩較為頻繁且更為劇烈;7月-8月SDFAI變化幅度次之;8月-9月的SDFAI指數(shù)變化在1962-1997年一直比較平穩(wěn)（旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象非常少），僅在1956、1961以及2007[HJ2.2mm]年發(fā)生了更為明顯的震蕩;鄭州各月份發(fā)生短周期旱澇急轉(zhuǎn)事件的頻率依次為4.36 a /次、4.69 a/次、6.78 a /次，這表明：短周期旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象隨著月份的遞增而遞減?？傮w來看，在1955-1965年期間6月-7月、7月-8月、8月-9月旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)變化幅度較明顯，且1963年鄭州6月-7月份SDFAI的值為-5.37，7月-8月SDFAI的值為4.91，即這一年旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象比較嚴(yán)重（6月-7月發(fā)生“澇轉(zhuǎn)旱”，7月-8月發(fā)生“旱轉(zhuǎn)澇”）。結(jié)合時序列圖變化情況可以得出，近61年，鄭州夏季短周期旱澇急轉(zhuǎn)主要以“澇轉(zhuǎn)旱”為主，且強(qiáng)度呈減弱趨勢，此研究結(jié)果與長周期尺度的旱澇急轉(zhuǎn)一致。

3結(jié)論

由于城市化、城市下墊面的快速推進(jìn)改變，導(dǎo)致旱澇災(zāi)害發(fā)生的頻率增加。針對這一問題，本文用LDFAI以及SDFAI，詳細(xì)研究了鄭州旱澇急轉(zhuǎn)的特征，得出如下結(jié)論。

（1） 夏季長、短周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)可以很好地反映鄭州6月-9月降水變化分布的特征。

（2） 1955-2015年，鄭州旱澇急轉(zhuǎn)事件發(fā)生的頻率為5.08 a /次;且夏季LDFAI以-0.058/10a的速率下降，即發(fā)生旱轉(zhuǎn)澇事件的可能性降低，但夏季LDFAI強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著的階段性，1964-1971年、1996-2015年為相對偏弱期;1922-1963年、1972-1995年為相對偏強(qiáng)期。M-K突變檢驗(yàn)表明，鄭州夏季旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)以及急轉(zhuǎn)強(qiáng)度的變化均不顯著，且其突變的時間點(diǎn)都在20世紀(jì)60年代初。

（3） 鄭州夏季6月-7月SDFAI振蕩較為頻繁，7月-8月SDFAI次之，8月-9月指數(shù)變化較平緩，這表明：旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象隨著月份的遞增而遞減。鄭州夏季短周期旱澇急轉(zhuǎn)事件以“澇轉(zhuǎn)旱”為主，急轉(zhuǎn)的強(qiáng)度呈現(xiàn)出減弱的趨勢。

本文僅從降水的角度，分析鄭州旱澇急轉(zhuǎn)的變化特征，具有一定的研究意義，但未考慮溫度、大氣環(huán)流、南支槽等其他因素的約束，后續(xù)將結(jié)合多因素對研究區(qū)域旱澇急轉(zhuǎn)的規(guī)律作進(jìn)一步的探討、分析。

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