龔艷冰 胡娜 劉高峰 吳敏

摘要：為分析蘇北地區(qū)季節(jié)性干旱災(zāi)害特征，利用1989—2013年蘇北地區(qū)5市的月平均降水量數(shù)據(jù)進行降水量聚類分析，選取代表性的徐州市、鹽城市作為季節(jié)性干旱研究對象。基于標準化降水指數(shù)（SPI）方法，分析了徐州市、鹽城市季節(jié)性干旱分布和干旱等級的時空變化特點。在此基礎(chǔ)上，利用重標極差分析法（R/S分析法）計算Hurst指數(shù)，對徐州市、鹽城市發(fā)生季節(jié)性干旱災(zāi)害的規(guī)律進行研究。結(jié)果表明，夏季是蘇北地區(qū)季節(jié)性干旱發(fā)生頻率最高的季節(jié)；徐州市干旱災(zāi)害在季節(jié)性上具有不同的分形特征，冬季干旱災(zāi)害具有時間上的長記憶性，未來的總體旱災(zāi)趨勢將與過去特征相關(guān)，其他季節(jié)干旱災(zāi)害特征與過去特征相反；鹽城市干旱災(zāi)害在季節(jié)性上具有相同的分形特征，即四季干旱災(zāi)害特征與過去特征相反。

關(guān)鍵詞：蘇北地區(qū)；季節(jié)性干旱；標準化降水指數(shù)；R/S分析

中圖分類號： S423 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）02-0340-04

收稿日期：2015-03-18

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：71303074）；江蘇省社會科學(xué)基金（編號：14GLC004）；武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室開放基金（編號：2013B107）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費基金（編號：2015B23914、2015B28014）。

作者簡介：龔艷冰（1979—），男，江蘇靖江人，博士，副教授，研究方向為水資源管理。E-mail：yanbg79@163.com。江蘇省地處中緯度的海陸相過渡帶和氣候過渡帶，兼受西風(fēng)帶、副熱帶、低緯東風(fēng)帶天氣系統(tǒng)的影響，屬典型的東亞季風(fēng)氣候區(qū)，降水量的年際、年內(nèi)分布不均勻，易導(dǎo)致旱澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。尤其是近年來，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，水資源短缺現(xiàn)象日趨嚴重，在全球變暖背景下，江蘇省作為最不缺水的“水鄉(xiāng)”，經(jīng)常出現(xiàn)大部分地區(qū)季節(jié)性干旱災(zāi)害現(xiàn)象。由于受區(qū)域分布和南北差異的影響，處在蘇北地區(qū)的徐州、連云港、宿遷、淮安、鹽城等5市是全省旱災(zāi)發(fā)生最多的地區(qū)，經(jīng)常發(fā)生季節(jié)性干旱災(zāi)害。2009年初江蘇省發(fā)生大旱，蘇北地區(qū)降水最少的地區(qū)是徐州市、連云港市、宿遷市、淮安市，其中徐州市部分站點的降水量不足20 mm。2010年春季，蘇北地區(qū)遭遇50年來最嚴重的秋旱，淮北地區(qū)降水量為1961年以來歷史最少值。2011年5月上旬，蘇北地區(qū)出現(xiàn)60年來最嚴重的旱災(zāi)，淮河下游斷流，洪澤湖水位處于歷史最低水位。2012年5月中旬，蘇北地區(qū)雨水偏少，徐州市遭遇60年不遇的干旱。2013年6月下旬，江蘇省淮河以南地區(qū)遭遇大范圍、持續(xù)高溫天氣，多地高溫日數(shù)、高溫極值創(chuàng)1961年以來歷史記錄，共有42萬hm2耕地受旱。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于干旱問題的研究主要采用Mckee等在評價美國科羅拉多州干旱災(zāi)情時提出的基于降水量累積概率的標準化降水指數(shù)（SPI）[1]。SPI不涉及具體的干旱機理，計算簡單，資料獲取容易，可對不同時間尺度的干旱進行監(jiān)測，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外各種干旱災(zāi)害的分析[2-9]。分形理論中的重標極差分析法（R/S分析法）主要用于研究事物的某種結(jié)構(gòu)或過程特征，從不同空間、時間尺度來看是否具有相似性，或局部結(jié)構(gòu)與整體是否具有相似規(guī)律的理論。干旱災(zāi)害可以看成時間軸上的點狀事件，所以干旱災(zāi)害的發(fā)生十分類似于局部與整體之間在一定時間尺度內(nèi)是否具有自相似特征，目前分形理論已經(jīng)在我國多個地區(qū)的干旱特征分析中被應(yīng)用[10-14]。本研究以蘇北地區(qū)的徐州市、鹽城市1989—2013年的月平均降水量數(shù)據(jù)為研究對象，結(jié)合SPI指數(shù)和R/S方法分析蘇北地區(qū)干旱時間序列季節(jié)性分布特征和干旱等級情況，在此基礎(chǔ)上對干旱的季節(jié)性周期性進行分析，定量化研究蘇北地區(qū)干旱災(zāi)害特征，以期為政府及時了解災(zāi)情發(fā)生規(guī)律、科學(xué)指揮抗災(zāi)救災(zāi)提供參考。

2蘇北地區(qū)季節(jié)性干旱分析

2.1數(shù)據(jù)來源和SPI等級分析

蘇北地區(qū)位于江蘇省北部，包括徐州、連云港、淮安、鹽城、宿遷等5市，其中宿遷市于1996年建市。蘇北地區(qū)下轄23個縣（市），土地面積5.44萬km2，2013年末常住人口數(shù) 2 988.51萬人，土地面積和常住人口數(shù)分別占江蘇省的53%、37.6%。蘇北地區(qū)地處黃海之濱，海岸線744 km，與日本、韓國隔海相望，屬于溫帶濕潤性季風(fēng)氣候，四季分明。近年來全球氣候變暖，太平洋“厄爾尼諾”現(xiàn)象加劇，海洋季風(fēng)無法登陸形成降水，人為破壞環(huán)境等因素的影響，江蘇省尤其是蘇北地區(qū)季節(jié)性干旱災(zāi)害頻繁。

依據(jù)江蘇省統(tǒng)計年鑒，對蘇北地區(qū)5市的月平均降水量情況進行層次聚類分析。由圖1可見，首先鹽城市、淮安市聚為一類，然后徐州市、連云港市聚為一類，再是鹽城市、淮安市、徐州市、連云港市聚為一類，最后和宿遷市聚成一個大類。因此，依據(jù)行政區(qū)劃特點和降水量聚類分析，以1989—2013年徐州市、鹽城市為例研究蘇北地區(qū)季節(jié)性干旱情況。

采用基于多時間尺度的SPI指數(shù)和R/S分析方法研究蘇北地區(qū)的干旱情況。首先利用SPI指數(shù)軟件（可從相關(guān)網(wǎng)站免費下載），以1989—2013年徐州市、鹽城市的月平均降水量數(shù)據(jù)計算多時間尺度標準化降水指數(shù)SPI3、SPI6、SPI12的值，并依據(jù)《SPI指數(shù)干旱等級劃分標準表》統(tǒng)計不同干旱等級發(fā)生次數(shù)，結(jié)果見表1。

由于不同時間尺度的SPI值反映不同類型的干旱情況（氣象、農(nóng)業(yè)、水文干旱），SPI3值考慮3個月的降水量情況，反映年內(nèi)季節(jié)的干旱變化。隨著時間尺度增大（6、12個月），SPI對短期降水的響應(yīng)減弱，干旱變化比較穩(wěn)定，周期更明顯，可以清楚地反映出長期的干旱趨勢變化特征，其中SPI12顯示其年際變化特征。由表1可知，近25年（300個月），徐州市在3、6、12個月尺度出現(xiàn)不同程度干旱的頻率分別為274%、32.6%、30.5%，鹽城市分別為34.7%、34.4%、34.0%。因此，徐州市、鹽城市屬于干旱災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)，至少有1/3的月份發(fā)生不同程度干旱災(zāi)害。

為了分析蘇北地區(qū)季節(jié)性干旱災(zāi)害情況，按照氣象學(xué)的季節(jié)劃分規(guī)則，以每年3月至次年2月為1個季節(jié)循環(huán)。即3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季。根據(jù)該季節(jié)劃分方法，對1990—2013年徐州市、鹽城市的SPI3值分季節(jié)進行統(tǒng)計，結(jié)果見圖 2。

由圖2可知，徐州市春季發(fā)生特旱的年份為2000年（4—5月）、2001年（5月），夏季發(fā)生特旱的年份為2012年（6—7月），秋季發(fā)生特旱的年份為2002年（9月），冬季發(fā)生特旱的年份為1996年（1月）、2010年（12月）。鹽城市春季發(fā)生特旱的年份為2000年（4月）、2001年（5月），夏季發(fā)生特旱的年份為2004年（8月）、2012年（6月），秋季發(fā)生特旱的年份為2001年（11月）、2004年（9—10月），冬季發(fā)生特旱的年份為1995年（12月）、2011年（1月）。同時，在發(fā)生旱災(zāi)的分界線-0.5以下，2市旱災(zāi)一年四季都可能發(fā)生，經(jīng)常是冬旱連春旱，初夏旱、伏旱、秋旱交替發(fā)生，具有連旱的特點，這與徐州市、鹽城市干旱實際基本一致，2市其他旱災(zāi)情況見圖3、圖4。

由圖3可知，1989—2013年徐州市春季發(fā)生干旱災(zāi)害情況：輕旱10個月、中旱6個月、重旱1個月、特旱3個月，發(fā)生重旱以上災(zāi)害占旱災(zāi)的20%；夏季發(fā)生干旱災(zāi)害情況：輕旱10個月、中旱10個月、重旱2個月、特旱2個月，發(fā)生重旱以上災(zāi)害占旱災(zāi)的16.7%；秋季發(fā)生干旱災(zāi)害情況：輕旱9個月、中旱5個月、重旱3個月、特旱1個月，發(fā)生重旱以上災(zāi)害占旱災(zāi)的22.2%；冬季發(fā)生干旱災(zāi)害情況：輕旱6個月、中旱2個月、重旱7個月、特旱2個月，發(fā)生重旱以上災(zāi)害占旱災(zāi)的52.9%。從整體來看，徐州市夏季發(fā)生干旱的頻率最高，冬季發(fā)生干旱的頻率最低；但冬季一旦發(fā)生旱災(zāi)，很可能是比較嚴重的旱災(zāi)。

由圖4可知，1989—2013年鹽城市春季發(fā)生干旱災(zāi)害情況：輕旱13個月、中旱9個月、重旱1個月、特旱2個月，發(fā)生重旱以上災(zāi)害占旱災(zāi)的12%；夏季發(fā)生干旱災(zāi)害情況：輕旱18個月、中旱5個月、重旱3個月、特旱2個月，發(fā)生重旱以上災(zāi)害占旱災(zāi)的17.9%；秋季發(fā)生干旱災(zāi)害情況：輕旱8個月、中旱9個月、重旱1個月、特旱3個月，發(fā)生重旱以上災(zāi)害占旱災(zāi)的19.0%；冬季發(fā)生干旱災(zāi)害情況：輕旱13個月、中旱7個月、重旱3個月、特旱2個月，發(fā)生重旱以上災(zāi)害占旱災(zāi)的20.0%。從整體來看，鹽城市夏季發(fā)生干旱的頻率最高，秋季發(fā)生干旱的頻率最低；春秋兩季發(fā)生干旱的頻率基本一致，災(zāi)害程度也基本一致。

2.2R/S分析

通過季節(jié)性SPI指數(shù)分析可知徐州市、鹽城市的干旱季節(jié)性分布特征，以下分析季節(jié)性干旱的長期周期性，即研究季節(jié)性干旱發(fā)生是否具有規(guī)律性。本研究以徐州市為例，利用Matlab軟件對季節(jié)性干旱SPI3數(shù)據(jù)進行R/S分析，將計算結(jié)

果用最小二乘法進行回歸，得到相應(yīng)的H指數(shù)，結(jié)果見圖5。由圖5可知，對于徐州市季節(jié)性SPI3指數(shù)的Hurst值，只有冬季的H值大于0.5，春季、夏季、秋季都小于0.5，這表明徐州市干旱災(zāi)害在季節(jié)性上具有不同的分形特征，冬季干旱災(zāi)害具有時間上的長記憶性，未來的總體旱災(zāi)趨勢將與過去特征相關(guān)，春季、夏季、秋季干旱災(zāi)害特征與過去正好相反，即過去減少的旱災(zāi)趨勢在未來可能出現(xiàn)增加趨勢。對徐州市季節(jié)性SPI3指數(shù)進行V統(tǒng)計量分析，得到Vt和lnt的關(guān)系（圖6）。

由圖6可知，徐州市春季、夏季、秋季的SPI3指數(shù)曲線都為1個向下傾斜的曲線，說明其未來旱災(zāi)總體趨勢將與過去特征相關(guān)，當Vt圖形狀改變時，就產(chǎn)生了突變，長期記憶消失。冬季的SPI3指數(shù)曲線都為1個向上傾斜的曲線，可以估計出徐州市冬季干旱災(zāi)害波動的周期長度，冬季SPI3指數(shù)干旱災(zāi)害發(fā)生周期為17年（拐點處lnt= 2.833 2），即徐州市冬季平均發(fā)生干旱災(zāi)害的周期為17年左右，這與歷史上徐州市冬季干旱災(zāi)害發(fā)生的周期性基本吻合。

對鹽城市季節(jié)性干旱SPI3數(shù)據(jù)進行R/S分析，將計算結(jié)果用最小二乘法進行回歸，可得相應(yīng)的季節(jié)性H指數(shù)（春季0.119 9，夏季0.280 9，秋季0.370 9，冬季0.497 7），表明鹽城市干旱災(zāi)害在季節(jié)性上具有相同的分形特征，四季干旱災(zāi)害特征與過去正好相反，即過去減少的旱災(zāi)趨勢在未來可能出現(xiàn)增加趨勢。

3結(jié)論

季節(jié)性干旱災(zāi)害受到許多不確定因素的影響，主要包括全球氣候變暖、太平洋“厄爾尼諾”現(xiàn)象加劇、海洋季風(fēng)無法登陸形成降水、人為破壞環(huán)境等。SPI計算簡單，資料獲取容易，可以反映不同時間尺度、不同地區(qū)的干旱狀況。通過對徐州市、鹽城市近25年降水量數(shù)據(jù)不同時間尺度SPI指數(shù)的計算，分析了徐州市、鹽城市季節(jié)性干旱災(zāi)害發(fā)生的時空分布特征，進而通過R/S分析發(fā)現(xiàn)季節(jié)性干旱指數(shù)在時間序列上具有自相似性。在此基礎(chǔ)上，利用H指數(shù)和V統(tǒng)計量分析季節(jié)性干旱災(zāi)害發(fā)生的變化周期，對蘇北地區(qū)干旱災(zāi)害的特征分析、評估與監(jiān)測研究具有重要指導(dǎo)意義。

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