江西省干旱洪涝的时空变化特征分析

江西省干旱洪涝的时空变化特征分析

摘 要：根据1981-2010年江西省83个气象观测站的降水统计资料，采用Z指数作为旱涝等级评价的划分标准，分析了江西省旱涝灾害出现的频率，并采用趋势分析、Mann-Kendall检验、小波分析、等方法，分析了江西省旱涝灾害发生的空间、时间变化趋势。结果表明，江西省近30年旱涝灾害较为严重，整体上表现为增加趋势，且存在涝-旱的循环转换交替，年代际变化比较明显。旱涝事件的周期振荡显著，洪涝灾害具有16年、9年和5年的周期，干旱灾害具有18年和5年的周期。从旱涝灾害频次的空间分布上来看，干旱主要发生在江西省和福建交界的武夷山西侧和赣南，而洪涝主要发生在赣北沿九江一带和吉泰盆地。 关键词：干旱；洪涝；Z指数；空间特征；周期

Analysis on Temporal and Spatial Trends Characters of Drought

and Flood in Jiangxi Province

Abstract: Based on the precipitation data observed by meteorological stations in the Jiangxi province during 1981 to 2010, the temporal and spatial trends of drought and flood was analysis by M-K mutation test，wavelet analysis and IDW interpolation based on Z index. The conclusions are as follow: drought and flood in nearly 30 years became more serious increasing trend in overall, The flood - drought cycle convert alternating interdecadal variations, an obvious interdecadal variations can be detected. Periodic oscillations of drought - flood event significantly, flood shows16 - 9 years and 5year cycle, drought has 18 years and 5 years cycle. Frequency of drought and flood on the spatial distribution shows that drought mainly occurred at the junction of Jiangxi province and Fujian province by the west side of Wuyishan Mountain and southern Jiangxi province, flood mainly occurred in the north of Jiangxi along the Jiujiang region and Guiter basin. KeyWords: Drought; flood; Z index; Spatial character；Periodic variation

1 引言

干旱、洪涝灾害作为主要的气象灾害，是目前世界上造成经济损失最多的自然灾害，影响范围大，持续时间长，所造成的经济损失也非常严重。随着全球气候变化的加剧，干旱、洪涝灾害的出现频率有了进一步的增加，对人民生命财产安全、国民经济尤其是农业生产造成了巨大的威胁[1-3]。

在以往对干旱、洪涝等气象灾害的研究中，旱涝的定义和指标种类较多[4]，尤其是干旱指标，至今没有一个普遍适用的定义。其中最直接反映旱涝强度的气候要素是降水量距平[5,6]。目前采用效果较好的旱涝指标是Z指数，其中阿帕尔采用Z指数研究新疆昌吉州的旱涝与降水之间的变化趋势具有较好的一致性[7]，郭锐利用Z指数分析了中国南方不同地区旱涝灾害出现的频率[8]，宋春英在灾害重现期分析的基础上，对旱涝灾害变化趋势进行了分析[9]。

江西省地处长江中下游，属东亚季风区，是全国多雨区之一。省内东、南、西三面环山，中部多丘陵，北部为以鄱阳湖为中心的平原，地形复杂，河网分布密集，水系发育，各水网汇入鄱阳湖经调蓄后汇入长江。省内水分、光照充沛，年均温为18.0℃，年均降雨量约为1676.5mm左右，降雨量随季节分布不均，是干旱、洪涝灾害的频发、多发省份之一。由于人口密度大，工农业生产发达，旱涝灾害的频发造成了较大的经济损失。

本文采用Z指数对江西省旱涝灾害的时间、空间分布进行了评价，分析了江西省旱涝灾害的时空分布特征和演变规律，揭示了近30年的旱涝灾害变化状况，给江西省洪涝灾害的防治提供了借鉴与参考，对防灾减灾工作具有一定的意义。 2 研究方法

本文采用的气象数据来源于江西省气象局，选取江西省83个气象站点1981-2010年的月降水量记录资料。采用单站旱涝指数（Z指数）和区域旱涝指标对江西省旱涝情况进行评价，采用Mann-Kendall检验、小波分析的方法分析旱涝时间规律，并利用GIS平台对全省旱涝出现频率进行空间插值，分析旱涝时空变化趋势。 2.1 降水Z指数

由于时段内的降水量一般并不服从于正态分布[10]，假设月、季降水量服从Person-Ⅲ型分布，对降水量进行正态化处理，可将概率密度函数Person-Ⅲ型分布转换为以Z为变量的标准正态分布[11].，其转换公式为：

（1）

式中，为偏态系数；为标准变量。这两个系数均由降水资料序列计算求得，其计算公式分别为：

（2）

（3）

式中，，。

根据式（1）计算出的Z值，按照表1划分单站旱涝等级。

表1 Z指标旱涝等级标准

Table.1 Grads of Drought and Flood based on Z index

等级 1 2 3 4 5 6 7

Z值 Z＞1.645 1.037＜Z≤1.645 0.842＜Z≤1.037 -0.842≤Z＜0.842 -1.037≤Z＜-0.842 -1.645≤Z＜-1.037

Z＜-1.645

类型 重涝 大涝 偏涝 正常 偏旱 大旱 重旱

2.2 区域旱涝指标

区域干旱指标采用最优区域旱涝指标，该指标能够表征区域旱涝的空间分布，且能反映不同的旱涝及程度，又避免了复杂的计算。公式为：

（4）

（5）

式中，ID、IF分别为区域干旱指标和区域洪涝指标，n1、n2、n3、n5、n6、n7分别为该区域内Z指数为1、2、3、5、6、7级的站点数，n为区域内选取的总站数。上述计算既可以反映旱涝的空间分布，又可以反映旱涝的轻重程度。根据灾害记录，分别统计偏旱（涝）、大旱（涝）、重旱（涝）的取值空间（表2），可反映江西省旱涝的轻重程度。

表2 区域旱涝等级指标

Table.2 Grades Classification of Regional Drought and Flood

等级

3 2 1 0 -1 -2 -3

区域旱涝指标 IF＞1.5 0.9≤IF≤1.5 1.5＞IF＞0.3 ID或IF ≤0.3 1.5＞ID＞0.3 0.9≤ID≤1.5 ID＞1.5

类型 重涝 大涝 偏涝 正常 偏旱 大旱 重旱

3 结果分析

3.1 江西省降水变化

根据江西省1981-2010年的降水记录，绘制年季降水量的变化图（图1a）。80年代前期，江西省降水量呈现下降趋势，自1986年开始逐步上升，1998年达到最大，然后出现逐步下降，在2010年出现显著上升。

2200 2.5UFUB22000 降雨量（mm）1800 统计值1.510.501600 1400 -0.5-1-1.51981198619911996200120061200 1000 1981198619911996年份20012006-2-2.5 (a)年季变化 (b)M-K突变检验

图1 江西省1981-2010年降水量分析

Figure.1 Analysis on Precipitation in Jiangxi during 1981 to 2010

对江西省30年降水量做Mann-Kendall检验（图1b），结果表明江西省1984-1992年降水呈减少趋势，1992-2007年呈增加趋势,1984年、1992年、2007年降水趋势发生了突变。

对比分析江西省干旱站、洪涝站所占比例（图2），可发现90年代是洪涝灾害比较严重的时段，尤其是97、98年连续超过50%，另外2002、2010年也发生了较为严重的洪涝灾害，洪涝站点百分率超过60%。21世纪初主要以干旱灾害为主，2003-2009年连续发生干旱灾害，其中2003、2007、2009年干旱站数的比例超过50%。

0.70.60.80.70.6洪涝站数比例干旱站数比例0.50.40.30.20.50.40.30.20.101981198619911996年份200120060.101981198619911996年份20012006 (a)洪涝灾害 (b)干旱灾害

图2 出现灾害站数百分率 Figure.2 Percentage of disasters station

洪涝灾害站点百分比最高为63.44%，出现在2010年；干旱灾害站点百分比最高为70.97%，出现在1986年。发生旱涝灾害的站点数量变化虽然呈不规则，但都有增加的趋势。整体上来说，旱涝灾害有愈发严重的倾向。 3.2 江西省区域性旱涝时间规律分析

根据各个气象台站的降雨量，计算了Z值。在江西省不同旱涝等级站数的基础上，根据表对全省区域旱涝情况进行评价，绘制江西省1981-2010年旱涝等级变化图（图3）。

321区域旱涝等级0198119861991199620012006-1-2-3洪涝-4干旱 图3 1981-2010年江西省区域性旱涝灾害等级变化图

Figure.3 Regional Extent of drought and flood disaster during 1981 to 2010

从图可见：

（1）1981-2010年中，江西省发生区域性大旱5次，偏旱7次，大旱出现在1986、1991、2003、2007、2009年；区域性重涝发生2次，大涝发生3次，偏涝发生8次，与《灾害大典》中对旱涝灾害的记载较为一致。

（2）整体上看，呈现涝-旱-涝-旱的循环转换交替。江西省在80年代前期属偏涝型，后期转变为偏旱型，90年代后发生连涝，只有1996年出现干旱，然后连续三年出现洪涝，其中1998年的洪涝程度最强。进入二十一世纪后，主要以干旱为主，但在2010年发生了较强的洪涝灾害。

（3）江西省旱涝灾害的发生有一定的连续性。其中洪涝灾害连续达到3年以上出现在1981-1983年、1992-1995年，干旱灾害连续2年的次数较多，分别为1985-1986年、1988-1989年、2003-2004年，2007-2009年出现连续3年的干旱灾害。

（4）江西省在1981-2010年只有5年属于正常年，属于旱涝灾害频发的省份。干旱灾害发生频率为40.0%，洪涝灾害发生频率为43.3%。洪涝的发生频率虽然只是略高于干旱灾害，但洪涝灾害的程度较为严重。

3.3 旱涝事件的周期分析

为研究江西省旱涝事件发生的周期变化特征，对江西省年降水量、旱涝的区域旱涝指标等级时间序列进行了小波分析处理（图4）。由图可见：

(a) (b) (c)

图4 江西省年降雨量(a)、洪涝指数(b)、干旱指数(c)Morlet小波分析图

图4 年降水量(a)、洪涝指数(b)、干旱指数(c)小波分析

Figure.4 Morlet Wavelet analysis on Precipitation (a), Flood index(b), Drought index(c)

江西年降水量具有18年、9年、5年的周期；洪涝指数具有16年、9年和5年的周期，干旱指数具有18年和5年的周期。基本上都在1984年、1992年、2002年发生了突变。

江西省洪涝灾害出现与厄尔尼诺现象和太阳黑子活动的周期存在一致性。在厄尔尼诺较强或较弱的年份前后，都发生了较大的旱涝灾害。例如1983、1997年，是最近15次厄尔尼诺最强的年份，1984年出现旱涝灾害的转换，而在1997、1998年出现了较严重的洪涝灾害。太阳黑子活动周期与洪涝、干旱指数的周期也较接近。例如80年代初期，太阳黑子处于活动峰年时，江西省发生洪涝灾害，在另外的黑子活动峰年（1992、2002年）时江西省都发生旱涝灾害转换，发生了洪涝灾害。 3.3 江西省旱涝灾害空间分布

统计江西省各个台站的Z指数，分别统计“大旱”、“大涝”等级以上的旱涝灾害次数，计算各台站的旱涝频次，利用IDW（Inverse Distance Weighted,反距离权重系数法）绘制了江西省旱涝频次分布（图4）。

(a) (b)

图4 江西省干旱(a)、洪涝(b)频次分布图

Figure.4 Distribution of Frequency on Drought(a) and Flood(b) in Jiangxi Province

江西省各测站的大旱以上频率在0.66-2.33次/10a之间，婺源最低，为0.66次/10a；赣北、赣南西北部地区大部分县市的频率超过1.0次/10a，德安、靖安、横峰、高安、莲花为