2. 咸阳师范学院经济与管理学院, 陕西 咸阳 712000;
3. 河北北方学院生态建设与产业发展研究中心, 河北 张家口 075000;
4. 陕西师范大学西北历史环境与经济社会发展研究院, 陕西 西安 710062;
5. 中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心, 河北 石家庄 050021
2. College of Economics and Management, Xianyang Normal University, Xianyang 712000, China;
3. Research Center of Ecological Construction and Industrial Development, Hebei North University, Zhangjiakou 075000, China;
4. Northwest Institute of Historical Environment and Socio-Economic Development, Shaanxi Normal University, Xi'an 710062, China;
5. The Center for Agricultural Resources Research, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Shijiazhuang 050021, China
联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告指出, 全球气候系统变暖已成为不争的事实, 1951—2012年全球平均气温升高0.72 ℃, 由于气候变暖而导致极端气候事件的发生频率增多、强度加大是一个全球性的趋势[1-3]。极端气候事件的发生对农业和粮食安全、水资源安全和生态环境安全等都具有重大和深远的影响[4]。其中, 干旱与洪涝灾害具有影响范围广、发生频率高、持续时间长和造成的经济损失大等特点, 是最突出的2类极端气候事件, 对人类的生存发展构成严重威胁。中国自古以来就是一个旱涝灾害频发的国度, 据史料记载, 我国在公元前1766年至公元1937年间曾发生各类自然灾害5 258次, 其中旱涝灾害次数所占比例达41%, 是发生频率最高的自然灾害[5-6]。据彭克强[6]研究, 1978—2006年我国农作物旱涝受灾面积和成灾面积分别介于66.2%~89.3%和68.0%~90.5%之间, 充分说明旱涝灾害是农作物大面积成灾减产甚至绝收的罪魁祸首。
目前, 对于旱涝灾害的研究已有众多成果, 研究内容主要集中在旱涝灾害的时空演变规律、成因机制、区域旱涝灾害风险评价以及旱涝灾害对农作物的影响等方面[6-17]。关于季节内旱涝急转的研究成果相对较少, 代表性的有:吴志伟等[18]利用1957—2003年夏季逐月降水资料对长江中下游地区的旱涝急转现象及其大气环流特征进行了详细研究; 杨金虎等[19]基于旱涝急转指数分析了西北地区夏季旱涝急转异常, 并利用前期大气环流指数对旱涝急转指数进行了预测; 沈柏竹等[20]利用2011年中国降水格点资料探讨了长江中下游地区6月初旱涝急转现象及环境背景特征; 孙鹏等[21]基于东江流域32个雨量站1956—2009年的月降水数据, 从时间和空间2个方面描述了旱涝急转的主要特征; 何慧等[22]利用110个气象站1691—2014年5—8月的逐月降水资料, 结合降水和灾情历史记录, 对华南地区旱涝急转的时空演变规律及突变特征进行了分析。从以上文献分析来看, 在研究内容上, 以往成果主要以我国南方为研究区, 而对于北方地区的旱涝急转研究较少。事实上, 我国北方地区主要为温带季风气候, 全年降水量多在400~800 mm之间, 且集中在7—8月, 每年春、夏季旱涝急转、旱涝交替、旱涝并存现象很普遍, 对区域农业生产及生态环境的影响非常大。此外, 在旱涝急转研究方法上, 许多学者针对不同研究区, 定义了不同的旱涝急转指数, 获得了较成功的应用经验。鉴于此, 以山西省为研究区, 探讨1961—2013年夏季旱涝急转的时空演变特征, 以期为该地区农业生产和夏季防汛抗旱工作等提供理论参考。
1 研究区概况山西省属北方内陆省份, 位于黄河中游东岸, 华北平原西面的黄土高原(34°34′~40°44′ N, 110°14′~114°33′ E)(图 1)。山西地势东北高西南低, 境内沟壑纵横, 地貌类型复杂多样; 在气候上为温带大陆性季风气候, 降水自东南向西北递减, 多年平均降水量介于400~600 mm之间, 主要集中在夏季(7—8月), 且多以暴雨形式出现; 旱涝灾害是山西主要的自然灾害类型, 尤以干旱灾害表现最为突出, 具有出现频次高、受灾范围大和持续时间长等特点, 常出现多季连旱和连年旱[23]。
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图 1 山西省气象站点分布 Figure 1 Distribution of the meteorological stations in Shanxi Province |
旱涝急转事件分析所用数据为中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn)提供的山西省16个国家基准气象站(1961—2013年)的逐月降水数据, 16个气象站点的地理分布见图 1。
2.2 研究方法以5—8月降水量代表夏季降水, 定义夏季旱涝变化的时间尺度为2个月, 即5—6月旱而7—8月涝称为旱转涝, 反之称为涝转旱[19]。对于旱涝急转指数, 目前国内还没有标准定义, 笔者参考吴志伟等[18]对长江流域以及杨金虎等[19]对西北地区提出的旱涝急转指数(drought-flood abrupt alternation index, DFAI, IDFA)定义, 并对权重系数进行调整。
将每个气象站点5—6和7—8月的降水量进行标准差标准化处理, 然后利用以下公式计算DFAI值:
| ${I_{{\rm{DFA}}}} = ({R_{78}} - {R_{56}}) \times (|{R_{56}}| + |{R_{78}}|) \times {2^{ - |{R_{56}} + {R_{78}}|}}\;\;\text{。}$ | (1) |
式(1) 中, R78为7—8月标准化降水量; R56为5—6月标准化降水量; R78-R56为旱涝急转强度; |R56|+|R78|为旱涝强度项; 2-|R56+R78|为权重系数, 作用是增加旱涝急转事件所占权重, 降低全旱或全涝事件权重。旱涝急转事件的判断标准为:DFAI值>1为旱转涝事件, DFAI值 < 1为涝转旱事件, DFAI值在-1~1之间为正常状态; DFAI值的绝对值反映旱涝急转的强度, 绝对值越大, 说明旱涝急转事件越严重[24]。根据山西的气候及农业特征, 将降水距平百分率>15%定义为偏涝, < -15%定义为偏旱[25]。
利用上述公式, 计算山西省16个气象站点1961—2013年逐年夏季DFAI, 由此建立时间演变序列。用算术平均法计算得到山西省平均序列, 然后采用线性倾向法、M-K突变检验以及反距离权重空间插值法(inverse distance weighting, IDW)进行旱涝急转的时空演变分析。为便于分析, 用1960s(1961—1969)、1970s(1970—1979)、1980s(1980—1989)、1990s(1990—1999) 和2000s(2000—2013) 表示各年代。
3 结果与分析 3.1 山西省夏季DFAI与各站点DFAI的相关性分析表 1为山西全省夏季DFAI与各站点DFAI的相关分析结果。由表 1可知, 全省夏季DFAI与绝大多数站点的DFAI具有较强的相关性(除临汾外), 皮尔逊相关系数均通过了α=0.01的显著性水平检验, 说明将山西省作为一个整体进行旱涝急转分析是合理的。
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表 1 山西省夏季旱涝急转指数(DFAI)与各站点DFAI的皮尔逊相关系数 Table 1 Pearson correlation coefficients between DFAI of the province and those of the 16 meteorological stations |
1961—2013年, 山西省夏季DFAI总体以-0.18 (10 a)-1的速率下降, 虽然这种趋势并不显著(P>0.05，图 2), 但在一定程度上反映了夏季旱转涝事件减少和涝转旱事件增多的趋势。依据旱涝急转事件判断标准, 在过去53 a, 山西省夏季有8 a(1962、1966、1967、1969、1976、1978、1995和1996年)出现旱转涝事件, 有10 a(1963、1971、1980、1983、1984、1986、1987、1991、2002和2008年)出现涝转旱事件。
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图 2 1961—2013年山西省夏季旱涝急转指数(DFAI)年际变化 Figure 2 Annual variation of DFAI in summer of Shanxi Province during the period from 1961 to 2013 |
在年代际变化上, 夏季DFAI具有明显的阶段性特征, 其年代平均值在1960s和1970s为正值, 而在1980s、1990s和2000s均为负值, 说明山西夏季旱涝急转事件在1970s以前以旱转涝为主, 共出现6次旱转涝事件, 占所有旱涝急转事件的75%;而在1970s之后以涝转旱为主, 涝转旱事件(8次)占所有旱涝急转事件的80%, 其中1980s的涝转旱事件发生频率最大, 为5次。
从DFAI强度的年际变化(图 3)来看, 山西省夏季DFAI强度的时间序列略呈下降趋势〔-0.06(10 a)-1〕, 但趋势不显著(P>0.05), 表明山西夏季旱涝转换强度总体在减弱。夏季DFAI强度时间序列在近53 a亦具有显著的阶段性, 相对偏强期有1个, 即1976—1991年, 其中1976和1991年是旱涝急转最严重的年份; 相对偏弱期有2个, 分别是1961—1975和1992—2013年, 其中2002年是过去53 a中DFAI强度最强(4.01) 的年份, 偏弱期1992—2013年中其余年份的平均DFAI强度与之相比, 相差7倍多。
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图 3 1961—2013年山西省夏季旱涝急转指数(DFAI)强度年际变化 Figure 3 Annual variation of DFAI intensity in summer of Shanxi Province during the period from 1961 to 2013 |
对山西省1961—2013年逐年5—8月的夏季降水量进行统计, 选择5—8月降水距平百分率绝对值>15%的年份以及DFAI绝对值较大的年份作为干旱、洪涝、旱转涝和涝转旱的典型年份(表 2)。由表 2可知, 在高DFAI年份, 其5—6月降水距平百分率为正值, 而7—8月的降水距平百分率为负值, 在低DFAI年份则相反, 说明DFAI在一定程度上可以反映山西夏季的旱涝急转现象。
典型年份的夏季降水及DFAI具有以下特点:(1) 对于干旱灾害较重的年份, 5—8月降水总量较多年平均降水量偏少35%以上, 其中5—6月降水偏情况少较突出, 总体偏少40%以上, 最严重的1972年降水偏少51.22%。据史料记载, 1972年全国干旱灾害较严重, 北方地区出现春夏连旱现象, 山西不少大型水库在死水位以下运行[26]。典型干旱年份7—8月降水较多年平均值亦偏少25%以上。(2) 对于洪涝灾害严重的年份, 5—8月降水总量明显偏多(>30%), 5—6和7—8月降水量持续偏多; 洪涝灾害最严重的1988年, 5—8月降水总量较多年平均降水量偏多53.35%, 当年山西许多地区发生洪涝灾害, 如位于山西省中部的汾阳、孝义和文水等县市, 8月6日降水历时长达6~8 h, 出现多个雨量超200 mm的暴雨中心, 25 mm以上雨区覆盖面积达2 442 km2[27]。(3) 对于典型旱转涝年, DFAI在1.20以上, 其中1976年旱转涝事件较严重; 5—8月降水距平百分率为34.43%, 属偏涝, 而其余年份均在15%以下, 总降水量接近正常; 5—6月降水明显偏少, 较多年平均降水量偏少17%以上, 在1976年更是偏少46.42%;7—8月降水总量则显著偏多。(4) 对于典型涝转旱年, DFAI绝对值在2.01以上, 说明涝转旱强度大于旱转涝强度; 5—8月降水总量在1987年接近正常, 而在1991和2002年则略偏旱; 5—6月降水偏多35%以上, 而7—8月降水则偏少25%以上。在2002年, 山西省5—6月降水量较多年平均降水量显著偏多51.71%, 但7—8月降水偏少44.03%, 前、后期降水量反差较大, 是典型的夏季旱涝急转事件; 据中国天气网报道, 2002年我国降水总量多于常年, 但时空分布很不均匀, 其中华北地区在1—4和7—8月出现严重干旱灾害, 而5—6月则为洪涝灾害[28]。
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表 2 1961—2013年山西省夏季降水典型年份的旱涝特征 Table 2 Features of droughts and floods in the years typical of summer rainfalls in Shanxi Province during the period from 1961 to 2013 |
图 4~5分别为夏季DFAI及其强度的M-K突变检验。李红梅等[29]研究认为, M-K突变检验中正反序列如果存在多个交叉点, 则这些交叉点不一定就是突变点, 只存在1个交叉点且位于显著性水平信度线之间, 才能确定该点为突变点。
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图 4 1961—2013年山西省夏季旱涝急转指数(DFAI)的突变检验 Figure 4 M-K abrupt change test of DFAIs in summers of the period from 1961 to 2013 in Shanxi Province |
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图 5 1961—2013年山西省夏季旱涝急转指数(DFAI)强度的突变检验 Figure 5 M-K abrupt change test of DFAI intensity in summers of the period from 1961 to 2013 in Shanxi Province |
由图 4可知, 山西省夏季DFAI时间序列的M-K检验正序列曲线UF在1961年—1978年间波动变化较平稳, 1978年之后表现出明显的波动下降趋势, 且在1986年后超过α=0.05的显著性水平信度线, 由于UF曲线在1980年以后的绝大多数年份均表现为负值, 表明夏季DFAI在1980s以来呈现下降趋势, 1986年以后这种趋势更加明显, 意味着1980s以来夏季涝转旱事件的发生频率增多; 正、反序列曲线UF和UB在显著性水平信度线之间有1个交点, 则该点为1961—2013年山西省夏季旱涝事件转换的突变点, 根据突变点的具体位置(1978—1979年间), 确定旱涝急转事件在1970s末期发生了突变, 即涝转旱事件明显增多。
从图 5来看, 山西省夏季DFAI强度时间序列的M-K检验正序列曲线UF在1960s中期到1980s末期一直呈上升趋势, 之后表现出下降趋势, 说明DFAI强度由强变弱, 由于UF值一直未超过α=0.05的显著性水平信度线, 所以这种变化趋势并不显著, 图 3也证实了这一结论; UF和UB在信度线之间有1个交点, 则该点为突变点, 位于2005—2006年间, 说明DFAI强度在2005年发生了突变, 即涝转旱强度有所减弱。
3.5 夏季DFAI及变化率空间分布选取1976和2002年为典型年份进行DFAI及其强度的空间分布特征分析(图 6)。由前文分析可知, 1976年是典型的旱转涝年, 山西夏季平均DFAI值达3.02, 是近53 a中旱转涝强度最大的年份; DFAI的高值区主要分布在东北部、中东部及西南部地区, DFAI值基本在3以上, 其中西南部表现较突出, DFAI最高值达10.11;DFAI低值区主要分布在西北部、中西部以及西南部偏北地区, DFAI值在2以下, 旱转涝强度相对较小, 甚至有部分地区不存在旱转涝事件; 其余地区DFAI值介于2~3之间, 旱转涝强度亦相对较大。
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图 6 典型年夏季旱涝急转指数(DFAI)空间分布 Figure 6 Spatial distribution of DFAI in summers of typical years |
2002年是典型的涝转旱年, 当年山西夏季DFAI平均值为-4.01, 是1961—2013年涝转旱强度最大的年份。2002年DFAI绝对值的高值区主要分布在山西省中部地区, DFAI绝对值基本在4以上, 且绝大部分地区在5以上, 尤以中西部地区表现最突出, 是省域DFAI平均值的绝对值的2倍左右; 其余地区DFAI绝对值相对较小, 均在4以下, 部分地区甚至小于1, 反映其涝转旱强度较小, 且部分地区当年夏季降水接近正常水平, 不存在涝转旱事件。
图 7是1961—2013年山西省夏季DFAI变化趋势的空间分布。在16个气象站点中, 除介休和隰县的DFAI值呈不显著上升趋势〔变化率分别为0.08和0.02 (10 a)-1, P>0.05〕外, 其余站点的DFAI均表现出不同程度的下降趋势, 但只有兴县、大同和原平3个站点通过显著性检验(P < 0.05), 且这3个站点DFAI值变化率分别为-0.46、-0.37和-0.30 (10 a)-1。从全省来看, DFAI变化率在空间分布上具有明显的南北差异, 北部及中部绝大部分地区的DFAI变化率均在-0.15 (10 a)-1以下, 其中东北部和中西部地区的下降趋势更加明显; 南部和中部部分地区的DFAI变化率在-0.15 (10 a)-1以上, 尤其是介休、隰县和阳城地区呈微弱下降趋势, 局部地区呈微弱上升趋势。
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图 7 1961—2013年夏季旱涝急转指数(DFAI)变化率 Figure 7 Variation rate of DFAI in summers of the period from 1961 to 2013 |
由图 8可见，近53 a, 所有站点均发生旱转涝事件, 最少7次, 最多10次; 全省旱涝急转事件频次在空间分布上并不均匀, 旱转涝事件主要分布在东北部、中西部以及西南部地区, 这些地区的旱转涝事件最多可达10次; 旱转涝事件在7次以下的地区主要包括中东部和东南部的部分区域, 其他地区的旱涝急转事件频次在8次以上。全省涝转旱事件在东北—西南方向上总体表现为多—少—多的变化特点。晋北大同地区涝转旱事件为8次, 右玉、河曲、五台山以及阳泉等地区, 涝转旱事件减少到7或6次; 而西南部除离石、介休、隰县和阳城外, 其他区域逐渐增加到10次以上, 尤其是临汾以南地区, 涝转旱事件最多达13次。
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图 8 1961—2013年夏季旱涝急转事件频次的空间分布 Figure 8 Spatial distribution of the frequency of DFAI in summer during 1961-2013 |
在山西北部地区, 由东北向西南, 涝转旱事件由8次减到7或6次, 然后再增加到8次以上, 如兴县的涝转旱事件达10次以上; 在中部地区, 涝转旱在东西两翼较少(7次以下)而中间较多(8次以上); 在南部地区, 西南部是全省涝转旱事件(10次以上)最多的地区, 而东南部基本上为8或9次。
4 讨论区域旱涝灾害的成因机制异常复杂，受海温变化、环流场、厄尔尼诺、天文(太阳黑子活动周期)和地形地貌等多种自然因子及人为因素的影响。山西地形地貌相对复杂，主要由东、西侧山地(高原)和中部的断陷盆地组成，复杂的地形必然会加强对流天气的发生和发展程度。山西在气候上处于季风影响边缘区，夏季的主要水汽来源于印度洋和太平洋，海表温度变化、大气环流状况等与夏季降水的多寡存在必然联系。山西夏季降水与印度洋海温年代际异常存在显著相关关系，自1960s以来，印度洋海温总体呈现升高趋势，山西夏季降水总体呈现减少趋势[30]。在夏季500 hPa高度场上，涝期乌拉尔山、青藏高原北部高空槽活动较频繁且发展深厚，东北冷涡亦较活跃；在夏季850 hPa风场上，涝期印度季风低纬度偏西风和中纬度西南风异常加强，为印度洋水汽向东亚地区的大量输送提供有利条件，加之中高纬度地区频繁的冷空气活动，为南北冷暖空气的交绥提供了条件，发展深厚且频繁的低槽活动为夏季降水的形成提供了动力抬升机制；旱期环流场则具有相反的表现[30]。此外，在厄尔尼诺年，山西春季降水相对偏多，而年降水，夏、秋和冬季降水相对偏少；厄尔尼诺次年，年降水和春、夏季降水易偏多，而秋、冬季则易偏少[31]。
随着山西经济社会的发展，人为因素对区域旱涝灾害的作用越来越突出，主要表现在采矿活动、水利工程建设和城镇建设等方面。据统计，采煤导致或影响到的水土流失面积占山西省水土流失总面积的20%，每年因采煤造成的水流失量超过了引黄工程1 a的供水能力[32]。可见，采煤活动使得山西省尤其是山区的水文状况进一步恶化，降低了流域的水土保持能力，结果导致干旱灾害频发且面积不断扩大。在水利工程建设上，山西省大中型水利工程多数建于1950s和1960s，许多工程已经超过使用年限，且缺乏维修改造，工程损坏严重，蓄水防洪能力大大下降。据统计，山西省有700多座小型水库，多数由乡村管理，全省每年只有100万元的小水库维修款，可以说杯水车薪[33]。此外，在城镇建设中，防洪工程标准低、防洪设施不完善、防洪措施跟不上和河道清淤清障工作不到位等都是诱发洪涝灾害的重要原因。
在全球气候变化的大背景下，气候异常及高强度的人类活动必然会使山西旱涝格局出现新的变化特征，旱涝演变的成因机制和区域防汛抗旱措施有待于进一步深入研究。
5 结论(1)1961—2013年, 山西省夏季DFAI值以-0.18 (10 a)-1的速率呈现下降趋势, 旱转涝事件略多于涝转旱事件, 1970s之前以旱转涝事件为主, 1970s之后则以涝转旱事件为主。夏季DFAI强度序列呈不显著下降趋势〔-0.06 (10 a)-1〕, 旱涝转换强度总体在减弱, 但具有显著的阶段性特征, 存在1个相对偏强期(1976—1991年)和2个相对偏弱期(1961—1975和1992—2013年)。
(2) DFAI能够很好地揭示山西夏季5—6和7—8月的降水变化分布特征, DFAI在5—6和7—8月的正/负值(负/正值)变化表示夏季降水的涝转旱(旱转涝)特征。
(3) M-K突变检验表明, 山西省夏季DFAI在1978年发生突变, 涝转旱事件的发生频率逐渐增多; DFAI强度在2005年发生突变, 涝转旱事件的强度有所减弱。
(4) 典型旱转涝年(1976), DFAI高值区主要分布在东北部、中东部及西南部地区, 尤以西南部表现较突出; 典型涝转旱年(2002), DFAI绝对值的高值区主要分布在山西省中部地区, 尤以中西部地区表现最突出。DFAI变化率在空间分布上具有显著的南北差异, 北部及中部绝大部分地区的DFAI变化率均在-0.15 (10 a)-1以下, 而南部和中部部分地区的DFAI变化率则在-0.15 (10 a)-1以上。
(5) 近53 a, 夏季旱涝急转事件频次在空间分布上并不均匀, 旱转涝事件主要分布在东北部、中西部以及西南部地区, 而涝转旱事件在东北—西南方向上总体表现为多—少—多的变化特点。
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