Vo.l 20No .3Jun .2011
收稿日期:2010-03-21; 修回日期:2010-12-16
基金项目:福建省自然科学基金(2010J05092);福建省教育厅项目(J A10081)共同资助
作者简介:陈莹(1982-),女,讲师,博士,主要从事水资源、水环境的研究1E -m a i :l ch enyi ng_n j u@163.co m
文章编号:1004-4574(2011)03-0057-07福建省近50年旱涝时空特征演变
)))基于标准化降水指数分析
陈 莹,陈兴伟
(福建师范大学地理科学学院,福建福州350003)
摘 要:旱涝灾害是影响我国的主要气象灾害之一。利用福建省60个气象站1960-2006年逐月降
水观测资料,采用标准化降水指数(SP I)、M ann-K endall 检验、正交经验分解函数和旋转经验正交分
解函数等方法,分析了近50年福建省旱涝时空变化的特征。结果表明:(1)福建省近50年总体上向
涝的趋势发展,SP I 指数在20世纪60年代先升后降,至70年代中后期开始上升,80年代初发生短暂
下降,此后持续上升,上升趋势一直持续到21世纪。(2)旱涝呈现阶段性变化,1960-1972年、2000
-2005年为干旱发生频繁的阶段;20世纪70年代中后期、90年代则为雨涝频繁的阶段。(3)根据旱
涝特征差异,福建省可划分为闽东南沿海、闽北、闽东与闽西等4大区域,4个区域总体上与全省具有
相对一致的旱涝趋势,但在某些时段南北方向上的不同区域之间存在差异。(4)福建省20世纪70
年代中期和2000年以后旱涝变率最大,20世纪80年代初变率最小,且4个区域也表现出类似的特
征。
关键词:标准化降水指数,旱涝,时空特征,福建省
中图分类号:P4261616 文献标志码:A
E volution of spati ote mporal characteristics of flood and drought
i n Fuji an Provi nce for recent 50years :an SPI -based anal ysis
C H E N Y ing ,C H E N X ing -w e i
(Coll ege ofG eograph ic S ci en ces ,Fu ji an Nor m alUn i versity ,Fuzhou 350003,Ch i na)
A bstract :Flood and dr ough t d isasters are the m ain m eteoro l o g ica l disasters i n Ch i n a .This paper app lies standard -ized precipitation index (SPI),M ann-Kenda ll tes,t EOF and REOF to explore the spatio-te m pora l characteris -tics o f flood and drought in Fu jian Province based on the observed m onth l y prec i p itati o n data of 60m eteorolog ical stati o ns fro m 1960to 2006.The resu lts sho w tha:t (1)There is a trend to w ard fl o od in Fu jian Prov i n ce for the re -cent 50years on the who le .SPI firstly increased and then decreased in the 1960s ,and itw as on the increase si n ce the m id 1970s ,wh il e there w as a short decrease i n the 1980s ,and then it increased continuously until t h e 21st century .(2)F lood and drought disasters have stage characteristics ,.i e .droughts w ere frequent dur i n g the peri o ds 1960-1972and 2000-2005,wh il e floods w ere severe and frequent during m i d to l a te 1970s and i n 1990s .(3)Fujian Prov i n ce can be d ivided into four reg ions ,coastal area i n southeastFu jian ,nort h Fu jian ,east Fu jian,and w est
Fujian ,w hich have si m ilar trends of fl o od and drought d isasters to the w ho le prov ince .H o w ever ,there are d ispar-i ties bet w een south and north reg ions duri n g so m e peri o ds .(4)The greatest variati o n of flood and drought occurred in the m id 1970s and the years after 2000,w hile w eakest variati o n occurred i n the early 1980s .M oreover ,the four reg ions have si m ilar characteristics to the w ho le prov i n ce .
K ey words :standard ized prec i p itation i n dex ;fl o od and drough;t spati o te m poral characteristics ;Fu jian Prov ince 福建地处欧亚东南边缘,东临辽阔的太平洋,其亚热带季风气候特点较显著。季风强弱、出现的早晚,常使降雨量在时间和地域上分布极不均匀,旱涝灾害发生较为频繁。旱涝成为影响福建省最为严重的气象灾害之一,已成为影响/制约福建省社会经济可持续发展的重要因素。因此,深入研究福建省旱涝的时空分布特征,对于全面了解地区旱涝发生、发展的规律具有十分重要的意义。近年来,关于福建省旱涝变化特征方面已经开展了一些研究,高建芸等[1]通过构建1961-2001年福建省不同雨季旱涝指数(Z 指数)序列,
对旱涝的周期特征进行详细分析;吴滨和李玲[2]基于福建省1961-2005年的降水资料,探讨了年降水量、干
旱灾害、暴雨洪涝灾害的趋势变化。然而,上述研究对福建省旱涝的时空趋势特征与演变关注不够,在降水指数选择方面也有待改进,因此需要进一步深入研究。
标准化降水指数(standard ized precipitation i n dex ,SPI)由于具有计算简单、时间尺度灵活和对干旱时空变化指标效果好等优点,已被广泛应用于气象干旱的监测
[3-7]。M iha jl o v ic [8]以不同时间尺度的SPI 分析克罗地亚帕诺尼亚地区2003-2004年的气象干旱状况,深入研究了SPI 对干旱的发生、发展过程的检测能力。L ivada 和A ssi m akopou l o s [9]利用希腊气象站点降雨量数据计算了希腊地区的SPI 值,并分析了该区域干旱发
生的时空变化。袁文平等[10]利用SPI 和Z 指数研究了中国不同区域的干湿气候事件,认为与Z 指数相比,SPI 具有更加优越的计算稳定特性,对极端干湿气候事件有着良好的监测作用,可用于我国的水资源评估以及不同时间尺度的干旱监测。
因此,本文拟基于SPI 在旱涝分析中的优势,根据福建省近50a 月降水观测资料,采用SPI 分析福建省旱涝的时空分布特征,以期为旱涝灾害的监测、评估提供支持,进而为减轻该区域旱涝灾害损失、合理利用水资源提供科学依据。
1 资料与方法
本研究选用福建省内60个地面气象站1960-2006年逐月降水资料(图1),资料来源于福建省气象局。采用SPI 作为旱涝指标划分旱涝等级。SPI 是由M c Kee 等于1993年提出,通过研究降水量的统计分布规律来反映干旱的强度和持续时间,其时空适应性较强,而且具有多时间尺度的特性。SPI 的原理是基于降水量分布不是正态分布,而是一种偏态分布。该指标是将某一时间尺度的降水量时间序列看作服从#分布,通过降水量的#分布概率密度函数求累积概率,然后转化成标准正态分布而得到。正态标准化处理的目的是消除降水量在时空分布上的差异,使SPI 能够适用于反映不同地区、不同时间尺度的旱涝情况。具体计算步骤参见文献[11]。
SPI 具有多时间尺度(1,3,6,12,24个月等)特征,本文主要分析12个月时间尺度的SPI(SPI12),因为12个月时间尺度的SPI 可以比较清楚地反映旱涝阶段性变化[12]。干旱划分等级参照M ckee 等[13]的干旱等级标准,并按干旱等级标准增加了雨涝等级。将-1.0~1.0定义为正常,进一步划分为六个等级,[-2.0为极旱,-2.0~-1.5重旱,-1.5~-1.0中旱,1.0~1.5中涝,1.5~2.0重涝,\\2.0为极涝。
采用经验正交函数(EOF)和旋转经验正交函数(RE OF)方法,分析福建省旱涝变化的敏感区域。EOF 基本原理是将包含多个空间点(变量)的气象要素场随时间变化进行分解,通过计算特征向量的方差贡献率,用几个方差较大的时间函数与其对应的空间函数乘积作为原气象要素场的估计[14]。然而,EOF 分析虽然能反映区域的全域性特征,但不能清晰表示要素场局域特征,REOF 分析则是在全域特征分析基础上突出局域特征的客观分析方法。REOF 对EOF 结果做方差最大正交旋转,重新分配方差,使各主成分间具有更多的分离性,得到旋转因子荷载向量,每个向量代表的是空间相关性分布结构,值越大代表相关性越好,接近0代表不相关,从而可以更好地对主成分分析结果进行合理的解释,并进行旱涝的区域划分[7]。
运用M ann-Kenda ll(M -K )非参数检验方法分析了福建省旱涝的变化趋势。M -K 方法是由世界气象#58#自 然 灾 害 学 报 第20卷
组织推荐的应用于时间序列分析的方法,
已经广泛应用于检验水文气象资料的趋势成分。
图1 福建省气象站点分布图
F i g .1 D istri buti on m ap o f me teo ro log ica l stations i n Fu jian Prov i nce
2 结果与分析
2.1 旱涝年际变化特征
历年的SPI 12逐月变化见图2,可见,福建省1960-1972年干旱事件发生比较频繁,13a 共出现6次干旱事件;1973-2000年干旱发生的频率较低,仅20世纪90年代初发生干旱事件;而2000-2005年干旱发生比较频繁,5a 内出现了3次干旱事件。近50a 发生干旱的主要年份有:1963年、1967-1968年、1971-1972年、1991-1992年、2003-2004年,其中20世纪60年代后期、70年代初期以及21世纪以重旱为主。同时,福建省雨涝阶段主要发生在20世纪70年代中期、90年代,其中1973-1976年共发生了4次雨涝事件,1992-1998年共发生4次雨涝,而20世纪70年代中期以中度湿润为主,90年代后期以重涝、极涝为主,这主要与90年代以后暴雨日数及过程性暴雨增加显著相关
[2]。本文的旱涝年际变化分析结果与福建省历史上发生严重干旱、雨涝的年份基本一致[15]
。
图2 1960-2006年福建省平均SP I12变化过程
F i g .2 Inter -annual distr i bution o f SP I 12
i n Fuji an P rov i nce from 1960to
2005图3 1960-2006年SP I12M-K 检验结果F i g .3 R esu lts o fM-K test f o r SP I 12fro m 1960to 2006
近50年SPI 12时间序列的M -K 趋势检验结果显示,SPI 12序列表现为增加趋势,其M -K 检验值Z 为
4.694,趋势显著,表明福建省旱涝趋势向涝的方向发展。图3中M -K 检验UF 曲线变化总体表现为升)降)升)降)升,20世纪60年代先升后降,至70年代中后期开始上升,在80年代初发生短暂的下降,此后#59#第3期 陈 莹,等:福建省近50年旱涝时空特征演变)))基于标准化降水指数分析
持续上升,上升趋势一直持续到21世纪,且达到0.001的显著性水平。从UF 和UB 曲线的交点来判断,SPI 指数在1990
年左右发生突变。
图4 福建省受各等级雨涝影响站点的百分比
F ig .4 P ercentage of sta tions i nfl uenced by floods o f
different c lasses i n Fu jian Prov i
nce 图5 福建省受各等级干旱影响站点的百分比F ig.5 P ercentage of stations i nfl uenced by droughts o f different c lasses i n Fu jian Prov i nce
图4和图5为研究区60个气象站点中受各等级干旱和洪涝影响的百分比。由图可见,研究区受极旱影响较广的年份主要发生在20世纪60年代末70年代初,以及2003-2004年,尤其是21世纪中期受极旱影响的站点数超过了50%。近50a 中受干旱影响的站点数整体上表现为下降的趋势,除了极旱没有表现出显著的下降趋势外,中旱和重旱都表现出显著的下降趋势,其Z 统计量分别为-4.13和-2.68,均超过了5%显著性水平。这表明中旱和重旱灾害的减轻是造成研究区旱灾趋缓的主要因素。同时,研究区受极涝影响较广的年份主要发生在20世纪90年代后半期和2005年,尤其是1998年受其影响的站点数超过了40个。总体上,1960-2006年受雨涝影响的站点数表现为上升的趋势,其中涝和重涝的上升趋势尤为显著,其Z 统计量的值分别为4.32和3.,均超过了5%显著性水平。
2.2 旱涝的空间变化特征
对福建省SPI12指数进行EOF 分析,得出载荷向量,计算各载荷向量方差贡献率(表1)。其中,前4个载荷向量的方差贡献分别为58.67%,11.75%,5.20%和4.08%,累计达到79.71%,第4个载荷向量以后,各向量的方差贡献较小。此外,前4个载荷向量也通过了North 等提出的特征向量显著性检验,说明其是有显著物理意义的信号[16]。第1载荷向量场(图6(a))向量值均为正值,中心值约为0.84,大于0.8的区域为W S W -ENE 方向的一个带状区域,往南和北两个方向依次减小。这表明福建省旱涝变化基本同步,受大尺度气候异常的影响,表现为全区一致的多雨或者少雨。第2载荷向量(图6(b))揭示了福建省东南和西北部旱涝格局的差异,反映了福建省的主要降水带往往偏南或者偏北。第3载荷向量(图6(c))东部为正,西部为负,揭示了福建省东西部相反的变化趋势。第4个载荷向量以SS W -NNE 方向的一个带状区域为正值,往两边为负值。
表1EOF 分析的前10个特征向量的方差贡献率
T able 1 V ar i ance contri buti on o f the first 10eigenvectors i n E O F ana l ysis %
载荷向量
123456710方差贡献率
58.6711.755.20 4.08 2.361.771.531.32 1.210.98累积贡献率58.6770.4275.6379.7182.0783.8485.3786.6987.9088.88
#60#自 然 灾 害 学 报 第20卷
为进一步揭示福建省旱涝的区域分布特点,对进行EOF 变换后的前4个主成分按最大极差进行因子旋转。分析结果显示,旋转后各载荷的方差贡献率分别为24.51%,24.75%,15.84%和14.62%,可见,旋转后各主成分解释的方差贡献比旋转前分布均匀。继而,按旋转后前4个主成分的特征向量高载荷区(载荷值\\0.6),将福建省旱涝划分为四个区域:闽东南沿海区域(主要包括漳州、泉州、厦门、莆田、福清),闽北区域(主要包括南平、三明市),闽东区域(主要包括宁德、福州)和闽西区域(主要包括龙岩市)。
分别计算这4个区域的平均SPI 12值,发现4个区域的旱涝阶段存在一致性,如1967-1968年、1971-1972年和2003-2004年的全省干旱,1973年、1983年、1992年、1997-1998年和2006年的全省雨涝。但也出现不同的状况,例如1962年9月至1963年4月,闽东南沿海为中旱,而闽北和闽东区为中涝;1990年8月至1991年3月,闽东南沿海为中度到重度的雨涝,而闽北表现为正常到轻度的干旱。此外,闽东南沿海、闽北区域、闽东区域和闽西区域SPI12时间序列的M -K 趋势检验Z 值分别为7.82,2.31,2.76和1.90,总体上均表现为上升的趋势,说明这4个区域均有变涝的趋势。
2.3 旱涝变率的变化特征
采用SPI12的5a(60个月)滑动标准差表示旱涝变率,并将其值记作中间月份的值,依次类推,最后得到1963年6月至2004年6月滑动标准差时间序列。图7中可以明显看出福建省旱涝变化的阶段性,20世纪60年代中后期至70年代中期变率呈增加趋势,并在70年代中期有一个高峰,70年代中期至80年代初末变率呈减小的趋势,并在80年代初达到低谷,80年代初至2000年初旱涝变率呈波动上升,2000年以后旱涝变率又呈增加趋势,这表明21世纪初旱涝变化较20世纪80-90
年代趋于不稳定。
图6 福建省SPI12指数的EOF 分析前4个载荷向量
F ig .6 F i rst f our l oadi ng vecto rs i n EOF ana l ys i s of SP I12i n Fuji an P rov i nce
4个区域总体上表现出和全省大致相同的趋势,只是在1975-1980年闽西地区旱涝变率较其它区域明#61#第3期 陈 莹,等:福建省近50年旱涝时空特征演变)))基于标准化降水指数分析
显偏大,结合SPI12值的变化,可知期间该区经历着极涝向中旱过程的转变;1981-1985年,闽北和闽东地区旱涝变化较其它两区域平稳,而1996-1999年闽北地区变率较其它区域明显偏大,这主要是由于期间闽北地区经历着由中旱向极涝的转变;2000年以后,闽东地区和闽东南区域SPI 较20世纪90年代明显偏高,表
明这两个区域旱涝变化仍较频繁。
图7 SP I12序列5a 滑动标准差时间序列
F i g .7 T i m e se ries of 5a sli d i ng standard dev iati on of SP I 12
3 结论与讨论
本文采用SPI 作为旱涝评价因子,对1960-2006年福建省旱涝的时空变化特征进行了研究,得出以下主要结论:
(1)福建省近50a 旱涝趋势整体上向涝的方向发展,SPI 指数在20世纪60年代先升后降,至70年代中后期开始上升,80年代初发生短暂的下降,此后持续上升,上升趋势一直持续到21世纪。同时,旱涝在总体上具有阶段性变化,1960-1972,2002-2005年干旱频繁,而1970年代中后期、1990年代则为雨涝频繁的阶段。
(2)从受旱涝影响的气象站点来看,受干旱影响的气象站点数整体上表现为下降的趋势,且主要是由于中旱和重旱灾害的减轻所引起;而受雨涝影响的站点数整体表现为上升的趋势,且以中涝和重涝上升的趋势尤为显著。这样的结果,可以解释福建省旱涝趋势向涝的方向发展的原因。
(3)根据旱涝特征与分布的空间差异,福建省可划分为闽东南沿海、闽北、闽东与闽西等4大区域,4个区域旱涝特征总体上与全省具有比较一致的趋势。全省的旱涝变率以1970年代中期和2000年以后为最大,1980年代初变率最小,而4个区域与全省表现出大致相同的旱涝变率特征。尤其值得注意的是,2000年以后,闽东地区和闽东南区域SPI 较20世纪90年代明显偏高,表明这两区域旱涝变化仍较频繁,旱灾和涝灾的防灾减灾工作均需要加强,不可偏废。
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63#第3期 陈 莹,等:福建省近50年旱涝时空特征演变)))基于标准化降水指数分析下载本文
