基于AWTP的河南省干旱演變特征分析

王富強, 李玉娟

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045；2.水資源高效利用與保障工程河南省協同創新中心，河南 鄭州450046)

基于AWTP的河南省干旱演變特征分析

王富強1,2, 李玉娟1

(1.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045；2.水資源高效利用與保障工程河南省協同創新中心，河南 鄭州450046)

干旱形成過程復雜，監測、評價困難，合適的評價指標的選取對科學評估干旱演變規律、準確預測干旱發展趨勢具有重要意義。根據河南省的干旱現狀，選取降水平均等待時間指數(AWTP)作為評價指數，利用17個代表站點1961—2012年的逐日降水資料系統地分析了河南省干旱的時空演變特征。分析結果表明：時間上，近52年來河南省干旱呈現平穩加重趨勢(2.03 d/10 a)，其中，1973年、1995年、1999年、2010年、2011年的影響范圍較大；同時，干旱具有28 a左右的周期性變化特征?？臻g上，干旱程度具有豫北>豫東>豫中>豫西>豫南的區域分布特征，豫北、豫東、豫中西部和豫南西部干旱加重趨勢顯著，其他地區干旱發展趨勢平緩。研究結果可為河南省抗旱減災提供科學依據。

干旱;AWTP指數;時空演變特征;河南省

干旱是最常見的自然災害，具有影響面積廣、預測預報難、經濟損失大等特點，被認為是世界上最嚴重的自然災害之一[1]。干旱是指在較大范圍內相對長期平均降水而言降水減少、自然系統和雨養農業生產力下降的自然現象[2]，其形成過程復雜、定量監測和評價困難，因此合適的干旱指標的選取已成為干旱評價中至關重要的環節。目前，關于干旱指標的研究，國內外學者已取得了豐富的成果，20世紀末，美國首次采用有效降水指數作為干旱評價的標準[3]；21世紀初，Palmer、SMI等與土壤、徑流、植被有關的綜合機理性干旱指標開始被應用到干旱模擬中[4]；我國常采用降水距平百分數、降水Z指數、標準化降水指數、CI綜合干旱指數等作為干旱評價的依據[5]。常用的干旱指標都是在假設某一時段內的降水服從某一數學分布的基礎上，以這一時段的累積降水量為依據來評價干旱。而在實際中，降水分布存在很大的偶然性，如果降水年內分布不均，雨量偏多的年份也可能出現嚴重干旱，雨量偏少的年份也可能無旱。因此，以累積雨量為依據的評價指標在干旱評價中存在一定的局限性。降水平均等待時間指數(Averaged Waiting Time for Precipitation，AWTP)不依賴累積雨量，將連續無雨時段的長度及其在時間序列中的分布作為評價干旱的依據，彌補了以累積雨量為依據的指標在干旱評價中的局限性。

近年來，AWTP指數已初步應用于我國浙江[6]、廣東[7]、廣西[8]等南方地區和西北綠洲地區[9]，河南省位于華北平原區，降水年際變化大，季節分配不均[10]，干旱發生頻率高，頻發的旱災已成為制約當地農業發展的主要因素之一[11]。本文選擇河南省為研究區域，利用其1961—2012年的日降水資料，計算了17個代表性站點52 a的AWTP指數值，系統地分析了河南省干旱的時空演變特征，研究成果對指導河南省抗旱減災工作具有重要意義。

1 數據與方法

1.1 數據來源

本文相關數據來源于中國氣象科學數據共享服務網[12]。共收集分析了河南省20個站點1951—2012年的逐日降水資料，從中選取具有長序列連續降水數據的站點，將其連續長系列數據(1961—2012年)作為本研究的基礎資料，篩選出17個站點，其位置分布如圖1所示。

圖1 河南省氣象站點分布

1.2 分析方法

1.2.1 AWTP指數

AWTP指數是干旱期持續長短的一個表征[13]。給定某時間長度為L天的時間序列，AWTP指數計算式如下：

(1)

式中：P為AWTP指數的值；I為該時間序列中某相鄰兩次降水之間干期(連續干日)的總天數；N為該時間序列中出現的最長干日的天數；F(I)為該L天時間序列內出現上述長度為I天的干期的次數。

為進一步說明AWTP指數的特點，文中應用該指標評價A、B、C3個長度均為30 d的特殊序列的干旱程度。A序列總是隔日發生降水；B序列為前15 d連續無降水，后15 d連續降水；C序列為前10 d 連續無降水，后20 d連續降水；其中A序列和B序列無降水天數相同，C序列無降水天數少于A序列和B序列。根據式(1)，3個序列的計算結果如下：

P(B)=

P(C)=

由上述3個序列的計算結果可知，P(A)

為了直觀理解，可以將一個地區一段時間內由若干個連續無雨日求得的AWTP指數轉換成一次等效的連續干期(Equivalent Dry Period，EDP)，即相當干期。將求得的AWTP值代入式(1)，算出I，即為EDP指標值，

(2)

相當干期的物理含義是，把在某序列里由各次無雨時段綜合產生的累積干旱等效地換算成一次連續的無雨干期來表示，其數值大小能夠反映干旱的嚴重程度。相當干期的值越大，干旱越嚴重；反之，干旱的發生程度越輕。

1.2.2 小波分析法

小波分析是一種信號時頻局部化分析的方法，應用于分析時間序列的多種頻率成分，它能把信號在時間和頻率域上同時展開，得到各頻率隨時間的變化及不同頻率之間的關系[14]，可用于干旱演變過程多時間尺度變化特征的分析。本文采用Morlet連續小波函數作為基小波函數進行小波變換。

Morlet小波函數形式如下：

(3)

小波變換系數計算公式如下：

(4)

(5)

小波方差隨尺度a的變化過程稱為小波方差圖，此圖可分析確定信號中不同種尺度擾動的相對強度和存在的主要時間尺度，即主周期。

1.2.3 Kriging空間插值法

Kriging空間插值法是不僅考慮樣本點的空間距離，而且以變異函數和結構分析為基礎，考慮已知樣本點的空間分布和位置樣本點的空間方位問題，通過給未知點周圍的已知點配以權重來估算未知點信息的，是對未知樣本點信息的一種線性無偏最優估計[15]，即：

(6)

式中λi為權重系數，表示各空間樣本點在xi處觀測值y(xi)對估計值y(x0)的貢獻程度。

2 結果與討論

2.1 時間演變特征

2.1.1 年際變化特征

統計河南省歷年發生干旱的站次比，分析其歷年干旱影響范圍，結果列于表1。影響范圍較大的干旱主要發生在20世紀90年代以來，其中，2011年、1995年和1973年發生干旱的站次比超過40%，說明這些年份河南省干旱影響范圍較大。

表1 各年份發生干旱的站次比(按站次比由高到低順序)

為驗證該研究結果，本文調查了建國以來河南省發生的干旱事件。河南省所在的華北平原是我國五大多旱地區之一，1973年黃河下游北岸大部地區重旱，1995年華北重旱，1999年河南省受旱面積曾達2 733.3×106hm2，枯死186.6×106hm2，2010年和2011年華北大部分地區遭遇嚴重旱情。由此可見，基于AWTP指數的評價結果較合理。

對河南省多年平均EDP值和最大EDP值及其傾向率的地區分布進行分析，結果如圖2和圖3所示。各站點多年平均EDP值均超過40.00 d，最大EDP值達到106.93 d，說明河南省屬于干旱易發區，且存在重旱區；其中，有15個站點EDP傾向率均超過.o1 d/10 a，最大EDP傾向率達到3.2 d/10 a。由此可知，近52年來河南省各地干旱均呈現明顯加重趨勢。圖4顯示，河南省整體最大EDP值達到 69.21 d，平均EDP傾向率超過2.0 d/10 a,干旱較嚴重且加重趨勢明顯。

圖2 多年平均EDP值及最大EDP值分布圖

圖3 EDP傾向率分布圖

圖4 相當干期年際變化特征圖

2.1.2 年代際變化特征

統計各站點年代最大和最小EDP值發生時間，結果見表2。各站點最小平均EDP值均發生在20世紀80年代之前，最大平均EDP值集中在21世紀初，二者的差值最大達到16 d，旱情加劇發生在80年代以來。圖5中顯示，平均EDP值存在小范圍的波動，60年代最小，70年代明顯增大，80年代略微減小，之后持續增大，河南省干旱總體上呈現出平穩加重趨勢。如圖6所示，各站點年代最大EDP值相差不大，干旱年代際變化平穩。

表2 最小平均EDP值和最大平均EDP值發生時間

圖5 相當干期年代際變化特征圖

圖6 年代最小和最大EDP值分布圖

2.1.3 演變周期

為進一步研究河南省干旱演變規律，文中利用小波分析對河南省1961—2012年的相當干期進行分析，結果如圖7所示。近50年來小波變換的EDP等值線圖呈現出明顯的多層次結構，小尺度的變化嵌套在大尺度下較為復雜的結構中。上部等值線相對密集，對應的25～30 a尺度的周期震蕩明顯，從1965年開始相當干期經歷了短-長-短的多個周期；中部等值線相對稀疏，對應的15～20 a尺度上存在周期震蕩，期間經歷了長-短-長的多個周期；5～10 a尺度上小尺度周期震蕩頻繁，有更多的循環交替。 圖7(b)顯示,年平均相當干期為28 a左右尺度下的小波方差極值表現最為顯著，為主周期；其次為15 a的周期，為次周期；較弱的是5 a左右的周期。

根據小波方差檢驗結果，進一步分析河南省干旱演變規律性的強弱，引入了3個尺度下的小波系數分析結果，如圖8所示。在圖8中:5 a的時間尺度上，干旱變化的平均周期為5 a左右，共經歷了14個周期變化，周期信號穩定；在15 a的時間尺度上，干旱變化平均周期為10 a，經歷了5個周期變化，周期信號先減后增；在28 a的時間尺度上，干旱變化平均周期為18 a，經歷了3個周期變化，周期信號逐漸增強。小波方差檢驗結果表明，河南省干旱周期變化顯著。

圖8 不同時間尺度下小波系數變化特征曲線

2.2 空間分布特征

河南省相當干期的空間分布具有顯著的區域特征，如圖9所示。由圖9可以看出，年平均相當干期等值線梯度較大，且由北向南呈遞減趨勢；以安陽和新鄉為主的豫北地區為相當干期高值區，以信陽和南陽為主的豫南地區為相當干期低值區，南北差異較大。

圖9 多年平均相當干期空間分布

最大EDP值分布可反映嚴重干旱地區的分布特征，如圖10所示。由圖10可知：高緯度地區為EDP的高值區，安陽西部和新鄉大部分地區的最長相當干期值最大，達到106 d；其次為中緯度地區，以三門峽、洛陽、鄭州、商丘為主，最長相當干期達到95 d；以信陽為主的低緯度地區為年最長相當干期的低值區，固始站的最長相當干期值最小，為55 d，其發生的干旱程度最輕。值得注意的是，在洛陽南部、平頂山西部和南陽西南部為一個環形的低值區，相當干期值在60 d左右，明顯低于周圍同緯度地區。

為進一步分析區域干旱分布及其發展趨勢，對河南省區域平均EDP值及其傾向率進行分析，結果如圖11和圖12所示。由圖11可知,區域平均EDP值表現為豫北最大，豫東次之，豫中較豫東小，豫西更小，豫南最小，干旱區域特征明顯。

圖10 最大相當干期空間分布

圖11 區域平均相當干期空間分布

由圖12可知：豫北、豫東、豫中西部和豫南西部相當干期傾向率較大，達到2.3 d/10 a，干旱加重趨勢顯著；豫西、豫中東部和豫南大部相當干期傾向率較小，約為1.0 d/10 a，干旱發展趨勢平緩；其中安陽的相當干期傾向率最大，已達到3.02 d/10 a。

由上述分析結果可知：河南省干旱存在顯著的區域特征，旱情由北向南逐漸遞減，南北差異較大。以山地為主的安陽西部和新鄉大部分地區干旱最嚴重，以三門峽、洛陽、鄭州、商丘為主的地區次之，其他地區干旱發生程度較輕，干旱整體上呈現出豫北最旱、豫東次之、豫中旱情較豫東輕、豫西旱情低于豫中、豫南旱情最輕的區域分布特征；豫北、豫東、豫中西部和豫南西部干旱加重趨勢顯著；豫西、豫中東部和豫南大部干旱發展趨勢平緩。

圖12 相當干期傾向率

3 結 語

河南省干旱存在明顯的年際和年代際特征，其發生的周期性較為明顯，空間分布存在顯著的區域特征。應用降水的平均等待時間對河南省干旱時空分布特征進行的分析與探討，結果表明，AWTP指數值可以反映某時段里干旱持續時間和其在整個時間序列中分布的綜合效果，可用來衡量干旱的輕重程度。

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(責任編輯:杜明俠)

Evolution Characteristics Analysis of Drought in Henan Province Based on AWTP Index

WANG Fuqiang1,2, LI Yujuan1

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China; 2.Henan Province Synergy Innovation Center of the Efficient Utilization and Protection Engineering of Water Resources, Zhengzhou 450046, China)

Drought has complex forming process and difficult monitoring and evaluation, selecting the appropriate assessment indexes has important significance for evaluating scientifically evolution law of drought and forecasting timely and accurately drought development trend. According to the draught status in Henan Province, selecting averaged waiting time for the next precipitation (AWTP) as an evaluation index, and using the daily precipitation data of 17 typical stations in Henan from 1961 to 2012, the temporal-spatial evolution characteristics of drought in Henan Province was systematically analyzed. The results are presented as follow: temporally, the province-wide drought for 52 years in Henan have increased smoothly, the increase velocity is 2.03 d/10 a, and the influence areas are larger in 1973, 1995, 1999, 2010, 2011; meanwhile, the drought has a periodical variation characteristic for around 28 years. Spatially, the regional distribution characteristic from serious drought to mild drought is in the north, east, middle, west and south of Henan Province, the degree of drought has an increasing trend in the north, east, west of middle, west of south of Henan Province, the drought of other areas develops smoothly. The research results provide a scientific basis for drought resistance and mitigation.

drought; averaged waiting time for the next precipitation; temporal-spatial evolution characteristic; Henan Province

2016-01-05

國家自然科學基金項目(51409103，51379078)；河南省高?？萍紕撔氯瞬胖С钟媱?15HASTIT044)。

王富強(1979—),男,河南濟源人,副教授,博士,主要從事水循環模擬與調控、生態水文學等方面的研究。E-mail:wangfuqiang@ncwu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.02.03

TV125

A

1002-5634(2016)02-0022-06