基于SPEI指數(shù)的河北省多尺度旱澇特征分析

曹永強(qiáng)，寧月，李玲慧，路潔，張若凝

(遼寧師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

21世紀(jì)以來(lái)，全球氣候變暖，我國(guó)氣候增溫率超過(guò)世界氣候增溫率的平均水平[1]，氣象災(zāi)害成為最復(fù)雜、破壞最嚴(yán)重、影響最深遠(yuǎn)的自然災(zāi)害，其中最常見的莫過(guò)于洪澇和干旱。頻繁發(fā)生的旱澇災(zāi)害威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，困擾著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，影響著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。鑒于此，開展旱澇災(zāi)害演變及其時(shí)空分布特征的研究，可以對(duì)將要發(fā)生的旱澇災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)警，以便提前預(yù)防旱澇災(zāi)害，達(dá)到降低旱澇災(zāi)害影響及損失的目的。

為監(jiān)測(cè)旱澇災(zāi)害和對(duì)其影響程度進(jìn)行量化評(píng)估，有專家學(xué)者提出了許多干旱指數(shù)[2]。有些干旱指數(shù)僅基于單一降水要素，常見的如標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index，SPI)[3]；有些綜合指數(shù)如帕默爾指數(shù)(Palmer Drought Severity Index，PDSI)，不僅考慮降水要素，還考慮了其他氣象要素的影響[4]。由于SPI僅考慮降水帶來(lái)的影響而忽略了氣溫和潛在蒸散發(fā)等其他重要因素的影響[4]，使得很多地區(qū)SPI代表性不佳，無(wú)法根據(jù)SPI值大小進(jìn)行合理決策；而用PDSI分析旱澇情況時(shí)對(duì)研究區(qū)的下墊面條件要求過(guò)高，無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算冬天和高海拔地區(qū)的旱澇情況，且該參數(shù)對(duì)于變化的干旱情況反應(yīng)遲鈍，加上土壤濕度數(shù)據(jù)難以獲得，使PDSI在區(qū)域干濕變化研究中的應(yīng)用受到了限制[5-6]。VICENTE-SERRANO Sprgic M等綜合考慮了這兩種指數(shù)分析干旱的優(yōu)勢(shì)與不足，提出了一新的干旱指數(shù)——標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index，SPEI)[7]，該指數(shù)兼顧SPI與PDSI的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)蒸發(fā)量變化反應(yīng)敏感，且可用于多種時(shí)間尺度的干旱分析，在干旱評(píng)估研究中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，基于SPEI的干旱研究得到了快速發(fā)展，例如，張?jiān)儡姷萚8]對(duì)比SPEI、SPI與各氣候指數(shù)的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，SPEI與氣候指數(shù)的相關(guān)性比SPI與氣候指數(shù)的相關(guān)性更強(qiáng)，能更好地表征氣候變化導(dǎo)致的干旱特征；張玉靜等[9]發(fā)現(xiàn)SPEI能夠精準(zhǔn)識(shí)別氣候變暖大背景下研究區(qū)域干旱發(fā)生的具體年份，并可以反映不同分布形式的旱澇演變趨勢(shì)。

習(xí)近平總書記提出京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略，將河北省的發(fā)展與穩(wěn)定提到了新的戰(zhàn)略高度，減少自然災(zāi)害對(duì)河北省發(fā)展的不利影響對(duì)河北省的發(fā)展很重要。洪澇和干旱災(zāi)害作為發(fā)生頻率最高、覆蓋面積最廣的自然災(zāi)害，所造成的損失也最為嚴(yán)重。防洪和抗旱一直是河北省水利工作的重點(diǎn)，而對(duì)洪澇和干旱災(zāi)害的預(yù)測(cè)和預(yù)警是防洪和抗旱工作中的重要部分。文中運(yùn)用SPEI分析河北省月、季、年尺度下旱澇時(shí)空演變及發(fā)展趨勢(shì)，以期為河北省旱澇災(zāi)害預(yù)警及預(yù)防決策提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

河北省地處華北平原，環(huán)繞北京，西高東低，地貌復(fù)雜多樣，屬大陸性季風(fēng)氣候，大部分地區(qū)四季分明，其降水呈現(xiàn)周期性豐枯年變化特征，旱澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。

根據(jù)中國(guó)水旱災(zāi)害防御公報(bào)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果：2018年，河北省因洪澇災(zāi)害導(dǎo)致137.8萬(wàn)人受災(zāi)，有 177.24×103hm2農(nóng)作物因澇受災(zāi)嚴(yán)重，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)10.47億元，損毀小型水庫(kù)1座，損毀堤防總長(zhǎng)達(dá)220 km；因干旱導(dǎo)致18.31×103hm2作物絕收，5.03萬(wàn)人飲水困難。2019年，河北省因洪澇災(zāi)害導(dǎo)致37.7萬(wàn)人受災(zāi)，有41.5×103hm2農(nóng)作物受災(zāi)，造成直接經(jīng)濟(jì)損失約3.1億元，損毀小型水庫(kù)2座，損毀堤防總長(zhǎng)達(dá)59.6 km；因干旱導(dǎo)致410.83×103hm2作物受災(zāi)，181.6×103hm2作物成災(zāi)，12.49×103hm2作物絕收，5.3萬(wàn)人飲水困難。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)1990—2018年間河北省22個(gè)氣象站點(diǎn)的觀測(cè)資料(http://data.cma.cn)，站點(diǎn)缺失數(shù)據(jù)依據(jù)相鄰站點(diǎn)同期測(cè)得的數(shù)據(jù)補(bǔ)全[10]。站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 河北省氣象站點(diǎn)分布

2.2 研究方法

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)計(jì)算

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了諸多表征旱澇狀況的指數(shù)[11]。其中，考慮了氣溫對(duì)旱澇影響的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)更適合分析具有旱澇災(zāi)害發(fā)生頻率高、分布面積大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)的我國(guó)旱情，且計(jì)算簡(jiǎn)便、指數(shù)反映敏感，具有多時(shí)間尺度的特征[12]，在國(guó)內(nèi)外干旱研究中得到廣泛應(yīng)用。其計(jì)算研究的步驟如下：

第一步采用Penman-Monteith模型進(jìn)行日潛在蒸散量(Potential Evapotranspiration，PET)計(jì)算[13]。該方法綜合考慮了降水、氣溫、日照和風(fēng)速等要素[14]，與作物實(shí)際蒸散情況相符，具體如下：

(1)

式中：Rn為地表凈輻射，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量密度，MJ/(m2·d)；T為日均溫度，℃；u2為2 m高處風(fēng)速，m/s；es為飽和空氣水汽壓，kPa；ea為空氣水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線的梯度，kPa/℃；γ為濕度計(jì)常數(shù)；Gn、Gd為固定常數(shù)，在估算逐日潛在蒸散發(fā)量時(shí)取值分別為900和0.34[15，18]。

第二步計(jì)算降水量與潛在蒸散量的差值,

Di=Pi-PETi。

(2)

式中：Di為某一時(shí)段(i)內(nèi)降水量與蒸發(fā)量的差值，mm；Pi為指定時(shí)間尺度的降水量，mm；PETi為指定時(shí)間尺度的累計(jì)蒸散量，mm[19]。

第三步對(duì)降水量和潛在蒸散量的差值正態(tài)化處理[20]，后對(duì)概率密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算出不同尺度對(duì)應(yīng)的SPEI。令

(3)

當(dāng)累積概率P≤0.5時(shí)，

(4)

當(dāng)累積概率P>0.5時(shí)，

(5)

式中：c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

參考?xì)夂蚋珊档燃?jí)(GB/T 20481—2017)[21]，將SPEI值劃分為表1中所示的9級(jí)。

表1 SPEI旱澇等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

分別計(jì)算月尺度(SPEI-1)、季尺度(SPEI-3)和年尺度(SPEI-12)的SPEI值，春、夏、秋、冬旱澇情況分別用5月份、8月份、11月份、次年2月份的SPEI值來(lái)表示。

2.2.2 Mann-Kendall檢驗(yàn)

采用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)Mann-Kendall檢驗(yàn)法(M-K檢驗(yàn)法)對(duì)時(shí)間序列的趨勢(shì)變化進(jìn)行分析，并對(duì)所得結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。M-K檢驗(yàn)法方法如下：

對(duì)于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列x，構(gòu)造一個(gè)秩序列，

(6)

(7)

式中：sk為第i時(shí)刻與第j時(shí)刻數(shù)值之差為正數(shù)的個(gè)數(shù)；j=1、2、…、i。

假設(shè)時(shí)間序列具有隨機(jī)且獨(dú)立的特性，定義統(tǒng)計(jì)量

(8)

式中：UF1=0；E(sk)、Var(sk)分別為累計(jì)數(shù)sk的均值和方差，

UFi為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，給定顯著性水平α，若|UFi|>Uα，則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化。同時(shí)使UBk=-UFk(k=1、2、…、n)，UB1=0，如果UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是突變時(shí)間。

2.2.3 反距離權(quán)重法內(nèi)插值

其原理為：基于地理學(xué)第一定律“相近相似”的基本假設(shè)，認(rèn)為與插值點(diǎn)距離越近，采樣點(diǎn)對(duì)其特征值的影響最大，利用與插值點(diǎn)不同距離的采樣點(diǎn)的加權(quán)平均來(lái)確定插值。這是一種加權(quán)平均內(nèi)插法，被運(yùn)用于水文及其他需要研究空間分布的領(lǐng)域[22]。

3 結(jié)果與分析

3.1 多時(shí)間尺度SPEI值趨勢(shì)變化

根據(jù)氣象資料數(shù)據(jù)計(jì)算出1990—2018年河北省SPEI-1、SPEI-3、SPEI-12值來(lái)分析河北省旱澇時(shí)間變化特征，結(jié)果如圖2所示。

由月尺度SPEI-1值(圖2(a))可知，1990—2018年間，正常、輕旱、輕澇、中旱、中澇、重旱、重澇、特旱、特澇在所有旱澇事件中發(fā)生頻次占比分別為36.78%、11.21%、13.51%、9.20%、10.63%、7.76%、6.32%、2.30%、2.30%，在季尺度下的占比分別顯示為40.00%、11.30%、15.65%、5.22%、9.57%、8.70%、5.22%、3.48%、0.87%(圖2(b))，在年尺度下的占比分別為31.03%、10.34%、10.34%、17.24%、13.80%、6.90%、10.34%、0、0(圖2(c))。由此能夠看出，隨著旱澇等級(jí)的不斷升高，對(duì)應(yīng)的旱澇事件占比逐漸減少。統(tǒng)計(jì)各尺度下的干旱、雨澇事件發(fā)生頻率可知，除極端干旱事件外，月、季、年這3種尺度下的大部分干旱事件發(fā)生頻率均小于同尺度下雨澇事件發(fā)生頻率，極端干旱災(zāi)害發(fā)生頻率大于極端洪澇災(zāi)害發(fā)生頻率。

圖2 1990—2018年河北省不同時(shí)間尺度下的旱澇變化

分析旱澇災(zāi)害的影響程度需要綜合利用月、季、年等不同尺度的SPEI序列值(圖2)。因SPEI對(duì)降水、日照等因子的變化反應(yīng)敏感，圖2(a)中SPEI-1圍繞零值波動(dòng)變化頻率較高，干濕交替變化頻繁，反映了干旱受短期降水的影響程度；隨著時(shí)間尺度的加大，短時(shí)強(qiáng)降水無(wú)法決定區(qū)域干濕程度，SPEI-3與SPEI-12波動(dòng)頻率因時(shí)間尺度變化而逐漸變小(圖2(b)和(c))，波動(dòng)周期明顯延長(zhǎng)，旱澇等級(jí)發(fā)生明顯變化，此時(shí)的SPEI對(duì)降水和氣溫的變化響應(yīng)變得不顯著，其旱澇周期也相應(yīng)變長(zhǎng)，使之能充分反映前期降水的累積變化影響，可以更好地呈現(xiàn)出河北省旱澇的四季和年際演變特征。

圖2(c)中SPEI-12值顯示：1990—1998年間,河北省澇多旱少，其中有5年為洪澇年，且這5年的年SPEI值均大于1，為中澇和重澇年，只有1997為干旱年，干旱程度為輕旱；1999—2006年，總體表現(xiàn)為持續(xù)干旱，其中1年為輕旱，5年為中旱，1年為重旱，只有2003年為正常年份；2008年之后有5年為洪澇年、2年為干旱年，呈現(xiàn)出澇多旱少的特點(diǎn)，但洪澇災(zāi)害等級(jí)逐年降低，干旱事件等級(jí)卻在逐年提升。此外，從圖2中SPEI曲線的走向看出：1990—2018年間，河北省月、季、年這3個(gè)不同尺度的SPEI曲線都呈不同程度的下降趨勢(shì)，且年尺度下的下降趨勢(shì)最為明顯，說(shuō)明河北省近年來(lái)氣候日趨干旱，水資源匱乏，對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成不利影響。這與魏軍、陳小雷等對(duì)河北省年際旱澇變化趨勢(shì)的研究結(jié)果一致[23]。

3.2 旱澇年際及季節(jié)變化特征

對(duì)河北省的SPEI指數(shù)進(jìn)行Mann-Kendall(M-K)突變檢驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出：1990—2018年，河北省的SPEI曲線圍繞零值線呈現(xiàn)上下波動(dòng)變化；由UF線一直在零值線下且SPEI線性傾向率為負(fù)值可以看出，河北省氣候向干旱氣候持續(xù)性轉(zhuǎn)變，1999—2006年的SPEI值超過(guò)-0.5旱澇水平參考線，干旱化明顯；2017年為典型干旱年，干旱強(qiáng)度達(dá)到重旱，與實(shí)際發(fā)生的干旱時(shí)間及程度相吻合，說(shuō)明SPEI能夠反映河北省旱澇災(zāi)害情況。2010—2018年，UF和UB這兩個(gè)曲線多次出現(xiàn)交點(diǎn)，說(shuō)明河北省的旱澇情況在近幾年呈不穩(wěn)定變化，且整體呈現(xiàn)干旱加劇的趨勢(shì)，應(yīng)制定應(yīng)急預(yù)案謹(jǐn)防旱澇災(zāi)害發(fā)生。圖3的檢驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，1990—1998年河北省澇災(zāi)偏多，1999年之后呈干旱化趨勢(shì)，旱澇年際變化分析結(jié)果與歷史發(fā)生旱澇災(zāi)害的時(shí)間相一致，說(shuō)明將SPEI用于旱澇年際變化分析效果良好。

圖3 1990—2018 年河北省SPEI值年際變化及M-K突變檢驗(yàn)曲線

為進(jìn)一步分析河北省SPEI的季節(jié)變化特征，以SPEI-3為例繪制不同季節(jié)SPEI變化趨勢(shì)圖，如圖4所示。

從圖4中可以看出：春、夏、冬3季的SPEI線性傾向率都為負(fù)值[24]，說(shuō)明春、夏、冬的SPEI值都以不同形式下降，而秋季SPEI值表現(xiàn)為緩慢上升趨勢(shì)，線性傾向率為正值，反映出河北省1990—2018年春、夏、冬季逐漸干旱化、而秋季有向雨澇狀態(tài)發(fā)展的趨勢(shì)。

從圖4(a)中可以看出：春季SPEI值正負(fù)交替，UF和UB曲線出現(xiàn)5個(gè)交點(diǎn)，其中4個(gè)交點(diǎn)分布在1990—2002年間，說(shuō)明這段時(shí)間春季旱澇情況一直呈不穩(wěn)定變化；1990年春季的SPEI值大于2，洪澇等級(jí)達(dá)到特澇，而該年份實(shí)際為降水量最大的年份，說(shuō)明SPEI對(duì)降水量反應(yīng)敏感；此外，1991年和1998年春季的洪澇等級(jí)較高，分別達(dá)到中澇和重澇，這在其他相關(guān)文獻(xiàn)[25]中得到驗(yàn)證；而2001年春季的SPEI值為-1.95，該年份為最干旱年份，干旱程度為重旱；2011年至今，河北省春季只有1年為雨澇年，且程度為輕澇；其余年份春季的SPEI值5次為負(fù)數(shù)，且全部超過(guò)旱澇參考線，其中1994—1997年春季連續(xù)4年發(fā)生干旱，其中有3年達(dá)到重旱等級(jí)，說(shuō)明河北省春旱情況日益嚴(yán)峻，需要得到重視；春季整體呈現(xiàn)由澇轉(zhuǎn)旱的趨勢(shì)。

圖4 1990—2018年河北省四季SPEI-3值年際變化及M-K突變檢驗(yàn)線

圖4(b)反映了河北省夏季旱澇情況：其中1990—1998年夏季整體偏澇，1991、1994、1996、1998年的夏季分別達(dá)到中澇、重澇、重澇和中澇，僅有1997年夏季為干旱；1999年為夏季旱澇突變年份，也是夏季最干旱年份，SPEI-3值低于-2，干旱等級(jí)達(dá)到特旱，此后，連續(xù)9年夏季的SPEI值小于0，其中8年為干旱年，僅有1年在正常范圍內(nèi)；2011年至今，UF和UB曲線出現(xiàn)7個(gè)交點(diǎn)，說(shuō)明夏季旱澇情況多變，但總體而言，夏季的SPEI同年際變化保持一致，在時(shí)間尺度上表現(xiàn)為澇—旱的變化特征；從長(zhǎng)期規(guī)律來(lái)看，夏旱呈現(xiàn)弱增強(qiáng)的趨勢(shì)，這與車少靜等對(duì)河北省夏季旱澇情況研究結(jié)果一致[25]。

從圖4(c)中可以看出：在2006年之前，13個(gè)年份秋季的SPEI值為負(fù)數(shù)，只有4個(gè)年份秋季的SPEI值為正數(shù)，其中2003年秋季的SPEI值超過(guò)1.5，該年份呈現(xiàn)為偏澇狀態(tài)，其余年份均為偏旱狀態(tài)，2005年和2006年的秋季干旱尤為嚴(yán)重，SPEI-3值均接近-2，達(dá)到重旱級(jí)別；2007年以后，秋季雨澇狀態(tài)明顯增加，其中8年秋季SPEI值為正數(shù)，且均超過(guò)旱澇參考線，為雨澇年份。秋季SPEI線性傾向率為正值，說(shuō)明該SPEI曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，河北省秋季表現(xiàn)為旱—澇的變化特征。但2018年秋季出現(xiàn)罕見的特旱，SPEI-3值突破-2.0，因此，雖然從長(zhǎng)期來(lái)看，河北省秋旱呈不明顯減弱趨勢(shì)，但仍應(yīng)注意極端干旱事件的發(fā)生。

在圖4(d)中：在2013年前，河北省冬季SPEI值正負(fù)交替變化頻繁，但數(shù)值波動(dòng)較小，其中16年冬季為正常年份，6年為洪澇年，僅有1年出現(xiàn)干旱，且洪澇和干旱程度均為輕型，說(shuō)明2013年以前河北省冬季降水較為均勻，很少出現(xiàn)旱澇災(zāi)害年，且雨澇事件的發(fā)生概率大于干旱事件的，UF曲線呈上升趨勢(shì)，這個(gè)年份段河北省冬季表現(xiàn)為整體偏澇；2014開始，河北省冬季由澇轉(zhuǎn)旱，干旱化趨勢(shì)明顯，連續(xù)4年冬季發(fā)生干旱，其中2年冬季為重旱，2年冬季為特旱，說(shuō)明接下來(lái)河北省應(yīng)重點(diǎn)預(yù)防冬季旱災(zāi)的發(fā)生。

總體來(lái)說(shuō)，根據(jù)圖4中SPEI整體趨勢(shì)線，除秋季外，其余3個(gè)季節(jié)均有趨向于干旱的趨勢(shì)，這與已有的研究結(jié)果一致[26]，對(duì)指導(dǎo)河北省防汛和抗旱工作具有現(xiàn)實(shí)意義。

3.3 長(zhǎng)尺度SPEI值的空間分布特征

河北省位于夏季風(fēng)影響區(qū)邊緣，是氣候脆弱地區(qū)之一，也是全國(guó)降水變率高值區(qū)，降水空間分布極度不均，很容易導(dǎo)致旱澇災(zāi)害的發(fā)生。河北省旱澇災(zāi)害呈現(xiàn)出持續(xù)性、地區(qū)性、季節(jié)性、階段性的特征。

利用各站SPEI值計(jì)算長(zhǎng)尺度逐月SPEI平均值，繪制1990—2018年河北省各氣象站逐月[27](1、3、5、7、9、11月)SPEI平均值分布圖,如圖5所示。由圖5可知，不同月份旱澇災(zāi)害發(fā)生頻率在空間上差異較大。1月，河北省總體表現(xiàn)為干旱狀態(tài)，各氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)算得的SPEI只有5個(gè)為正值，其余皆為負(fù)值，其中樂(lè)亭、遵化、南宮、張家口、唐山附近地區(qū)干旱情況較為嚴(yán)重，秦皇島地區(qū)偏澇；由于河北省春季降水量很少，且大風(fēng)天氣偏多，水分蒸發(fā)速度快，3月和5月，多數(shù)地區(qū)表現(xiàn)為干旱狀態(tài)，只有3個(gè)和4個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)算得的SPEI值為正，其中3月，樂(lè)亭、青龍、霸州附近地區(qū)干旱情況較為明顯，遵化與秦皇島地區(qū)洪澇偏明顯；5月，保定、青龍附近地區(qū)較為干旱，邢臺(tái)附近地區(qū)表現(xiàn)為偏澇狀態(tài)；由于河北省夏季降水集中，且暴雨發(fā)生的時(shí)間集中在7、8兩個(gè)月，因此，7月，河北省多數(shù)地區(qū)表現(xiàn)為洪澇狀態(tài)，由于暴雨強(qiáng)度中心分布在太行山東麓等地，所以，邢臺(tái)地區(qū)洪澇較為明顯，秦皇島與豐寧附近地區(qū)偏旱；9月，由于受夏季降水影響，多數(shù)地區(qū)表現(xiàn)為正常偏澇狀態(tài)，由于海拔偏低、地形低洼，唐山、張北附近地區(qū)洪澇現(xiàn)象嚴(yán)重；11月，多數(shù)地區(qū)表現(xiàn)為干旱狀態(tài)，其中豐寧、張家口、青龍等附近地區(qū)干旱情況較為明顯，秦皇島和承德處于偏澇狀態(tài)。

圖5 1990—2018年河北省各氣象站逐月SPEI值分布圖

對(duì)比圖5中不同月份的SPEI值分布可知：1月和3月，不同地區(qū)的SPEI值較其他月份的兩極分化明顯，各站多年平均SPEI最大值與最小值分別相差0.12和0.13，各地區(qū)旱澇情況差異較大，河北省東部呈現(xiàn)明顯雨澇趨勢(shì)，澇災(zāi)發(fā)生概率較高，其他大部分地區(qū)處于正常區(qū)間；對(duì)比5月各氣象站數(shù)據(jù)算得的SPEI值發(fā)現(xiàn)，河北省南部較北部地區(qū)氣候濕潤(rùn)，但總體來(lái)看，由5月份各氣象站數(shù)據(jù)算得的SPEI值均在零值附近，表明1990—2018年5月份的旱澇災(zāi)害發(fā)生概率較低，氣候變化總體平穩(wěn)；進(jìn)入雨季后，7月份河北省各地區(qū)延續(xù)了5月份南部較澇、北部較旱的整體情況，且由于夏季降水集中的影響，7月份南、北部的SPEI值較5月份的均有不同程度增大，河北省全省向偏雨澇狀態(tài)發(fā)展，SPEI值正多負(fù)少，發(fā)生雨澇災(zāi)害的頻率增加，5月和7月，河北省呈現(xiàn)出南澇北旱的特點(diǎn)；9月，冷暖空氣活動(dòng)，河北省多雨，大部分地區(qū)處于偏澇狀態(tài)，由于渤海的影響，雨澇中心從河北省南部轉(zhuǎn)移到東北部，在唐山一帶形成洪澇區(qū)，所以，7月和9月應(yīng)特別注重防止洪澇災(zāi)害的發(fā)生，做好應(yīng)急救援搶險(xiǎn)工作；進(jìn)入冬季，11月，受偏北氣流影響，河北省大部分地區(qū)偏旱，SPEI值普遍為負(fù)值，且北部旱災(zāi)發(fā)生概率大于南部，以豐寧為中心形成的干旱區(qū)極易發(fā)生極端干旱事件，應(yīng)提前做好應(yīng)急預(yù)案。總體來(lái)說(shuō)，河北省中部、北部氣候有向干旱發(fā)展的趨勢(shì)，其中樂(lè)亭、青龍附近地區(qū)較為明顯，東部與南部地區(qū)則向偏澇趨勢(shì)發(fā)展，其中秦皇島、邢臺(tái)附近地區(qū)雨澇較為明顯。

利用河北省各氣象站數(shù)據(jù)算得的SPEI值，得到1990—2018年河北省各氣象站數(shù)據(jù)的年SPEI值分布結(jié)果，如圖6所示。

圖6 1990—2018年河北省各氣象站數(shù)據(jù)算得的年SPEI值分布

由圖6可知：由于雨季結(jié)束時(shí)間不同、降水空間分布不均，各地年內(nèi)和年際降水量相差較大，旱澇災(zāi)害發(fā)生頻次有所差異；河北省1990—2018年大部分地區(qū)呈現(xiàn)偏旱狀態(tài)，干旱事件發(fā)生頻次大于洪澇事件的，其中只有6個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)算得的多年SPEI均值為正數(shù)。河北省年降水量70%集中在汛期，而春、冬兩季降水量之和僅為全年降水量的14%。因此，在各氣象站年SPEI值分布圖(圖6)中，河北省南端及東北部受汛期洪澇災(zāi)害頻發(fā)影響導(dǎo)致這些地區(qū)的年SPEI值較其他地區(qū)的高，洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，與5、7、9月的SPEI值分布圖(圖5(c)、圖5(d)、圖5(e))相似，體現(xiàn)出汛期降水量對(duì)全年SPEI值的影響程度之高。

3.4 河北省中度及以上旱澇的多時(shí)間尺度特征

結(jié)合1990—2018年河北省的SPEI值及其等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，繪制該省不同季節(jié)中度及以上旱澇事件發(fā)生頻次圖，如圖7所示。從圖7中可以看出：河北省中度以上旱澇災(zāi)害發(fā)生頻次的季節(jié)特征如下：春季>夏季>秋季>冬季，春季旱澇災(zāi)害發(fā)生的累計(jì)頻次占比高達(dá)44.83%，而極端災(zāi)害(特旱、特澇)在冬季發(fā)生的頻次較高，頻次占比達(dá)到7.14%。春、夏、秋3季澇災(zāi)發(fā)生頻次基本相當(dāng)，而冬季無(wú)澇災(zāi)發(fā)生。春、冬旱災(zāi)發(fā)生頻次高于夏、秋兩季的，但春季無(wú)特旱發(fā)生，極端干旱事件主要出現(xiàn)在冬季。

圖7 1990—2018年河北省不同季節(jié)旱澇發(fā)生頻次占比

3.5 河北省旱澇持續(xù)性特征

持續(xù)性旱澇事件對(duì)社會(huì)生產(chǎn)生活的影響較為嚴(yán)重。因此，根據(jù)表1的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將月尺度SPEI連續(xù)3個(gè)月的SPEI值均大于0.5定義為一次連續(xù)雨澇過(guò)程，連續(xù)3個(gè)月的SPEI值均小于或等于-0.5定義為一次連續(xù)干旱過(guò)程，過(guò)程中的各月SPEI值體現(xiàn)此次旱澇過(guò)程的旱澇程度[28]，此次持續(xù)性旱澇事件的強(qiáng)度體現(xiàn)為持續(xù)性旱澇事件的SPEI最小(大)值。由此對(duì)河北省旱澇持續(xù)時(shí)間在3個(gè)月以上的旱澇事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果分別見表2和表3。

表2 1990—2018年河北省持續(xù)性干旱發(fā)生情況

表3 1990—2018年河北省持續(xù)性洪澇發(fā)生情況

從表2中可以看出，1990—2018年河北省持續(xù)性干旱事件共發(fā)生8次；2014年以前，干旱多發(fā)生于夏、秋兩季，干旱強(qiáng)度較小，持續(xù)時(shí)間較短，發(fā)生頻次少；2014年以后，干旱全部發(fā)生于冬、春兩季，且干旱情況日益加劇，持續(xù)時(shí)間不斷增長(zhǎng)，干旱發(fā)生頻次明顯增加；從季節(jié)分布看，春、夏、秋、冬分別發(fā)生持續(xù)性干旱事件4、3、3、5次，分別持續(xù)6、6、7、12個(gè)月，可以看出，冬季干旱事件發(fā)生頻次及影響程度遠(yuǎn)大于其他季節(jié)的。因此，應(yīng)著重預(yù)防冬季干旱事件的發(fā)生，這些研究結(jié)果與劉增進(jìn)等[29]的研究結(jié)果基本相同。

從表3中可以看出：1990—2018年，河北省共發(fā)生14次持續(xù)性雨澇事件，持續(xù)時(shí)間為3～5個(gè)月，相比干旱事件，雨澇事件發(fā)生的頻率更高，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。其中，1990、1998、2012年的持續(xù)性雨澇事件強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)；2012年，洪澇災(zāi)害覆蓋了河北省大部分地區(qū)，有9個(gè)設(shè)區(qū)市受災(zāi)嚴(yán)重，部分村莊道路積水不通、通訊中斷，造成大量人員受災(zāi)，170.71×103hm2農(nóng)作物因澇損失嚴(yán)重，房屋倒塌近3萬(wàn)間，部分基礎(chǔ)設(shè)施損毀嚴(yán)重；從季節(jié)分布看，春、夏、秋、冬分別發(fā)生持續(xù)性洪澇事件6、6、8、5次，分別持續(xù)13、11、17、9個(gè)月。由此可見，春、夏、秋3季是持續(xù)性雨澇發(fā)生頻繁的季節(jié)，尤其是秋季，應(yīng)注意防洪防災(zāi)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

利用SPEI指數(shù)，結(jié)合線性傾向估計(jì)法、Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)與反距離權(quán)重法等，分析河北省旱澇災(zāi)害的時(shí)空變化特征，所得結(jié)論如下：

1)標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)能較好地反映河北省旱澇發(fā)生程度，河北省春、夏、冬3季的干旱化明顯，與年際變化呈現(xiàn)相同走勢(shì)，秋季的情況與年際變化趨勢(shì)相反，近年來(lái)向雨澇方向發(fā)展。

2)從空間分布來(lái)看，河北省旱澇災(zāi)害空間分布不均，近30年河北省大部分地區(qū)呈現(xiàn)偏旱狀態(tài)，干旱事件發(fā)生頻次大于洪澇事件發(fā)生頻次，河北省中部和北部干旱化顯著，東部與南部部分地區(qū)則向偏澇趨勢(shì)發(fā)展。

3)從不同時(shí)間尺度看，河北省在1990—2018年旱澇災(zāi)害發(fā)生頻次大致相當(dāng)，其中1999—2007年是典型的干旱時(shí)段；在季節(jié)尺度上，旱澇事件發(fā)生頻次由多到少順序如下：春季>夏季>秋季>冬季，對(duì)于極端旱澇事件，冬季發(fā)生的頻次較多，達(dá)到了7.14%，而重度和中度旱澇各季出現(xiàn)頻次由多到少順序如下：春季>夏季>秋季>冬季。

4)在旱澇的持續(xù)性特征方面，所有干旱和洪澇事件都持續(xù)3～5個(gè)月，1990—2018年間的干旱強(qiáng)度日趨增強(qiáng)，冬季發(fā)生干旱事件的概率最大；持續(xù)性洪澇事件較持續(xù)性干旱事件發(fā)生次數(shù)多，河北省持續(xù)性洪澇事件大概率發(fā)生在春、夏、秋3季。

4.2 討論

分析河北省旱澇災(zāi)害演變規(guī)律可知：近年來(lái)，河北省旱澇災(zāi)害事件頻發(fā)，且在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍嚴(yán)重影響人民生活。一方面，旱澇災(zāi)害的發(fā)生造成大面積農(nóng)作物減產(chǎn)，導(dǎo)致土地?zé)o法利用；另一方面，旱澇災(zāi)害對(duì)自然界固有水循環(huán)造成威脅，影響流域水循環(huán)，不利于地區(qū)物種多樣性，破壞水生態(tài)結(jié)構(gòu)。面對(duì)未來(lái)紛繁復(fù)雜的氣候條件，我國(guó)水資源配置體系仍不夠完善，水環(huán)境污染進(jìn)一步加劇，旱澇災(zāi)害預(yù)報(bào)和預(yù)警的難度將大幅增加。因此，如何有效利用當(dāng)前先進(jìn)的科技手段防止旱澇災(zāi)害的頻繁發(fā)生是水利工作者面臨的難題。旱澇變化對(duì)水文系統(tǒng)的影響具有全局性，應(yīng)加大旱澇變化成因分析，提高水資源系統(tǒng)對(duì)旱澇災(zāi)害的應(yīng)對(duì)水平。在此前提下，全面分析河北省旱澇演變特征，完善防洪抗旱整體布局，對(duì)保障河北省水資源和水能利用具有切實(shí)有效的意義。