1991~2020年鄂州市旱涝演变特征分析

Analysis of drought and flood transformation in Ezhou City from 1991 to 2020

摘要

目的 近年来鄂州市旱涝灾害时有发生，本研究探讨了鄂州市近30 a来的旱涝时空演变特征，研究结果可以为鄂州市合理构建干旱预警评估指标提供数据和理论支持。 方法 通过计算不同时间尺度的SPEI，并应用线性回归、M-K检验等统计方法分析了鄂州市旱涝的演变及持续特征，最后利用通径分析方法对影响旱涝的气象因素进行了分析。 结果 鄂州市中度及以下旱涝受旱几率高于受涝几率，而重度及以上旱涝正好相反；鄂州市整体变旱，但季节略有差异，其中春季、夏季和冬季变旱，秋季变涝；鄂州市旱涝发生季节差异明显，其中夏季易旱，但持续时间较短；春季易涝，持续时间长；降水量直接决定鄂州市旱涝程度，其次是蒸散量，而蒸散量的大小与气温关系密切。 结论 SPEI适用于研究鄂州市旱涝演变特征，可以作为气候变化和预警发布的监测指标。

Abstract

Objective In recent years，drought and flood disasters occurred frequently in Ezhou City. This study discussed the spatiotemporal evolution characteristics of drought and flood in Ezhou City in the past 30 years. The research results can provide data and theoretical support for the reasonable construction of drought early warning evaluation indicators in Ezhou City. Method The evolution and persistence characteristics of drought and flood in Ezhou city in recent 30 years were analyzed，and their influencing factors were explored by using Mann Kendall test，linear regression and path analysis based on the data of national meteorological stations and 1km high resolution grid data in Ezhou city from 1991 to 2020，in which the standardized precipitation evapotranspiration index （SPEI） of multi-time scales was calculated. Result Whether mild or moderate drought or flood，the probability of drought is greater than that of flood，which is diametrically opposite to the Severe or extreme drought and flood；The Ezhou becomes drought-free on the whole，but the seasons vary slightly，among which spring，summer and winter become drought-free，and autumn becomes waterlogging；The drought and flood have obvious seasonal differences in Ezhou city. The summer is prone to drought，but the duration is short. The spring is prone to waterlogging and lasts a long time，（4）The precipitation has the greatest impact on drought and flood in Ezhou City，followed by evapotranspiration，which is closely related to temperature. Conclusion Therefore，the SPEI is suitable for studying the evolution characteristics of drought and flood in Ezhou city，and can be used as a monitoring index of climate change and early warning.

Graphical abstract

关键词

鄂州市 / SPEI指数 / 旱涝布局 / 演变特征

Key words

Ezhou City / the standardized precipitation evapotranspiration index / drought and flood evolution / change characteristics

Author summay

姜润，硕士，助理工程师，主要从事气候异常变化的诊断研究。E-mail：[e-mail]

在全球气候变暖背景下，我国极端天气、气候事件显著增多，气象灾害多发频发，其中最常见的莫过于干旱和洪涝^［1-4］。旱涝灾害不仅给人民的生命财产安全带来了严重威胁，而且制约着我国农业生产以及经济的高质量发展^［5-7］。近年来旱涝灾害也呈现出局地性强的特点，因此如何更好地深入了解局地旱涝灾害特征，进而主动抵御旱涝灾害、降低旱涝灾害损失已成为区域农业生产和防灾减灾管理亟待解决的重大科学难题^［8-9］。

国内外研究旱涝的成果有很多，主要可以分为三类：一是以气象要素为基础，通过建模构建可以合理表征旱涝的指标。目前最常见、使用最多的指标有：Mckee等^［10］提出的标准化降水指数（Standardized Precipitation Index，SPI）、张强等^［11］提出的湿润度指数（MI）、Dai^［12］提出的帕尔默干旱指数（PDSI）和Vicente等^［13］提出的标准化降水蒸散指数（SPEI）。并且他们通过对比不同指标找出适合本地的指标进行应用^［14-16］。二是以已有的旱涝指标为基础，对不同地域的旱涝时空分布特征及影响因子进行总结分析。然而由于旱涝是一个十分复杂的动态过程，且受自然、气候等多种因素的影响，因此不同地区旱涝的时空特征各有不同，季节差异较大^［17-19］。有研究表明这种差异与外部强迫因子息息相关，所以针对海温、副热带高压、东亚季风和海冰等因子许多学者也开展了相关研究^［20-24］。三是以旱涝为切入点，研究其对植被、农业等方面的影响。研究结果表明我国农业生态系统旱涝脆弱性呈现从中部向四周减弱的趋势^［25］。并且干旱会严重滞缓植被茎叶的生长，植被主动提高水分利率增加可溶性蛋白等渗透物质来维持生长^［26］，水涝环境下正好相反，植物光合作用受到抑制，同化物产量降低^［27］。

综上所述选取一个合理表征旱涝的指标对研究结果至关重要，由于SPEI应用范围广，适用性较好，且兼顾了SPI和PDSI的优点，适合进行多尺度和多空间比较分析，然而在鄂州市应用SPEI指数对旱涝特征进行评价的相关研究甚少。鄂州市坐落于湖北省的东部，地处长江中游南岸，属亚热带季风气候区，由于降水空间分布的不均匀性，降水年际差异较大，近年来旱涝灾害时有发生，旱涝灾害造成的农作物减产日趋严重。鉴于此，本文将从如何客观量化旱涝发生和评价旱涝程度入手，深入探究鄂州市旱涝时空演变特征，以期为相关部门预防旱涝灾害，及时发布预测预警，提供科学依据，从而达到降低损失和防灾减灾的目的。

1 材料与方法

1.1 数据来源

气象站点数据来源于湖北省气象局业务内网，本文选用鄂州市27个自动观测站数据，其中包括1个国家自动观测站和26个区域自动观测站，站点分布如图1所示，国家站数据时间尺度为1991~2020共30 a，要素主要包括最高气温、最低气温、平均气温、降水量等。特别需要注意的是为了解决计算季尺度（SPEI-3）时前2个月的值为空值和年尺度（SPEI-12）时前11个月的值为空值的问题，计算时资料向前延伸12个月，确保研究时段（1991年1月至2020年12月共计360个月）计算结果的连续性。

由于鄂州市区域站普遍建站较晚（2000年以后才开始建站），区域站数据时间序列较短，因此在研究旱涝的空间变化特征时采用国家地球系统科学数据中心（ESSD）发布的1 km分辨率气温和降水网格数据^［28］，在一定程度上可以反映气温和降水的实况。

1.2 研究方法

本文主要通过计算标准化降水蒸散指数（SPEI）来表征旱涝时空演变特征，潜在蒸散发的计算采用彭曼（Penman-Monteith）公式计算。而旱涝等级的划分主要参考气象干旱等级GB/T20481-2017^［29］，并借鉴刘珂等^［30］的划分方法。本文分别计算了月尺度（SPEI-1）、季尺度（SPEI-3）和年尺度（SPEI-12）的SPEI值。不同时间尺度干旱指数的第一个月对应的是当前月，对n个月的时间尺度，从时间上自当月向前延续n-1个月，因此研究过程中分别选取SPEI-3中5月、8月、11月和次年2月的SPEI值表征春季、夏季、秋季和冬季（12月~次年2月）干湿状况，选取SPEI-12中12月的SPEI值表征年际干湿状况。

此外，运用线性回归、M-K检验等数理统计方法对旱涝状况进行统计分析，另外运用克里斯金插值法对旱涝空间趋势分布进行了分析。在探究影响因素方面采用了Wright^［31］提出的通径分析方法。

2 结果与分析

2.1 鄂州市旱涝的时间变化特征

2.1.1 多时间尺度SPEI值变化趋势分析

为了明确鄂州市近30 a旱涝的时间变化特征，利用气象观测数据计算出1991~2020年对应的SPEI-1、SPEI-3、SPEI-12的值，并运用线性回归的方法对近30 a来的旱涝变化趋势进行了分析。从图2旱涝分布频率可以看出，在月尺度（图2-A）下，鄂州市所有旱涝事件中正常、轻旱（涝）、中旱（涝）、重旱（涝）、特旱（涝）所占的百分比分别为34.72%、22.22%（10.83%）、10.83%（10%）、3.06%（3.89%）、0（4.44%）；在季尺度（图2-B）下，鄂州市所有旱涝事件中正常、轻旱（涝）、中旱（涝）、重旱（涝）、特旱（涝）所占的百分比分别为37.5%、15.28%（11.11%）、11.67%（9.17%）、4.44%（6.67%）、1.11（3.06%）；在年尺度（图2-C）下，鄂州市所有旱涝事件中正常、轻旱（涝）、中旱（涝）、重旱（涝）、特旱（涝）所占的百分比分别为36.39%、20.28%（8.06%）、13.33%（8.61%）、1.94%（6.67%）、0（4.72%）。由此可见，鄂州市轻旱（涝）、中旱（涝）中受旱几率高于受涝几率，而重旱（涝）、特旱（涝）中受涝几率高于受旱几率。

从图3旱涝的时间演变特征可以看出，不同时间尺度SPEI值都呈下降趋势，但是下降趋势不明显，并且均表现出显著的周期性振荡，说明鄂州市近30 a气候有逐渐变旱的趋势，但是变旱的趋势不明显。

2.1.2 旱涝年际和季节变化特征分析

为分析鄂州市不同季节SPEI值的演变规律，以季尺度SPEI-3的值为基础，绘制了春、夏、秋及冬季4个季节的SPEI值的时间序列图（图4），并利用M-K突变检验的方法对不同季节的SPEI进行检验。从春季旱涝演变时间序列图4-A来看，UB和UF两条曲线的交点为1991年，表明时间序列在1991年发生了突变；1992年开始UF均为负值，表明春季的SPEI指数在1991年以后转为下降的趋势。这说明1991年以后鄂州市由涝变旱的特征，并且1991年以后干旱化趋势明显。从夏季旱涝演变时间序列图4-B来看，夏季的SPEI具有明显的年际变化趋势，并且这种趋势具有显著的不对称性特征，1991~1997年偏旱，1998~1999年偏涝，2000~2020年间表现为偏旱，年际间旱涝差异较大，并且2000年以前UF和UB出现了多个交点，表明2000年以前鄂州市夏季旱涝演变非常不稳定。从秋季旱涝演变时间序列图4-C来看，秋季的SPEI值同样存在明显年际变化特征，1991~2000年之间旱涝交替出现，表现出涝-旱-涝的变化特点，2001~2010年除了个别的年份以外，SPEI值大多数都为负值，表明2001~2010年这10 a鄂州市秋季干旱趋势明显，并且从UF和UB的交点我们还可以发现，突变年份为2014和2016年，表明鄂州市2011年秋季开始由旱转涝。从冬季旱涝演变时间序列图4-D来看，冬季SPEI值存在明显年代际变化趋势，1991~1999年大部年份SPEI值均为负值，2000~2008年大部年份SPEI值均为正值，2009~2020年大部年份SPEI值均为负值，表明鄂州市1991~2020年30 a间呈现出旱-涝-旱的演变趋势。总的来看，不同季节SPEI的旱涝演变倾向率中，除了秋季的SPEI倾向率为正值（上升）以外，其余三季均为负值（下降），表明鄂州市近30 a春、夏、冬季均呈现由涝变旱的趋势，而秋季呈现由旱变涝的趋势，这与鄂州市实际情况一致。

2.2 鄂州市SPEI指数气候倾向率的空间分布特征分析

为明确鄂州市近30 a旱涝状况的空间分布特征，绘制了年、季SPEI值的气候倾向率分布图（图5），由于鄂州市地处江汉平原，从空间分布来看，各地同一个气象要素之间的差别不大，全年、不同季节各地旱涝都表现出基本一致的变化特征。从年旱涝演变趋势系数分布图5-A可以看出，除个别区域外，年SPEI值的气候倾向率大部都为负值，气候倾向率介于-0.11/10 a~0/10 a，表明鄂州市整体呈现变旱的趋势，但是变旱的趋势不显著。而从春季旱涝演变趋势系数分布图5-B可以看出，气候倾向率均为一致的负值，介于-0.25/10 a~-0.21/10 a，表明鄂州市春季整体呈现出变旱的趋势。从夏季旱涝演变趋势系数分布图5-C可以看出，气候倾向率与春季分布类似，介于-0.27/10 a~-0.18/10 a，表明鄂州市夏季也整体呈现出变旱的趋势。从秋季旱涝演变趋势系数分布图5-D可以看出，气候倾向率均为一致的正值，介于0.16/10 a~0.20/10 a，表明鄂州市秋季呈现出变涝的趋势。从冬季旱涝演变趋势系数分布图5-E可以看出，气候倾向率均为一致的负值，大小趋近于零，表明鄂州市冬季整体呈现出变旱的趋势，但是变旱趋势不明显。

2.3 鄂州市持续性旱涝事件特征分析

持续性旱涝事件往往对人们的生产和生活造成的影响更加巨大，而研究发现对鄂州市发生的持续性旱涝事件分析较少，因此为了统计出鄂州市近30 a来发生的持续性旱涝事件，我们以月尺度的SPEI指数为基础，借鉴杨金虎等^［31］和曹永强等^［32］定义的标准：当SPEI的值连续3个月均小于-0.5时，表明鄂州市发生了一次持续干旱过程；当SPEI的值连续3个月大于0.5时，表明鄂州市发生了一次持续雨涝过程。并且将旱涝过程平均SPEI值来区分该旱涝持续事件的等级，旱涝过程中SPEI最小（大）值当作此次旱涝事件的强度。

从表2可以看出，鄂州市近30 a共发生9次持续性干旱事件，从持续的时间可以看出，干旱事件最长可持续5个月，大部分的干旱事件持续3或4个月。从年代际变化可以看出，1991~2020年间，1991~1999年发生了1次干旱事件，以后发生了8次持续性干旱事件；而从干旱的强度可以看出，2011年冬季发生的持续性干旱事件，累计持续时间5个月，累计干旱指数为-6.165，且9次干旱事件中它的月平均SPEI值是最小值的，表明在2011年1月~5月之间发生了最强干旱事件且持续时间最长。此外，1997年、2000年和2019年发生的持续性干旱事件也相对较强，二者的累计干旱指数均大于4。根据不同季节发生的持续性干旱事件统计结果来看：春季发生4次，累计12个月；夏季发生6次，累计10个月；秋季发生5次，累计10个月；冬季发生5次，累计7个月。说明发生干旱最常见的季节是夏季，其次是秋、冬季，但是发生在春季的干旱持续时间最长。

从表3我们可以看出，1991~2020年以来鄂州市共计发生过8次持续性的雨涝过程，从持续的时间上可以看出，8次时间均持续3或4个月，且发生次数与持续性干旱事件相当。在年代际分布上，1991~2020年间，1991~1999发生了2次持续性雨涝事件，2000以后发生了6次。从强度来看，2000年8月开始的雨涝事件强度最强，持续时间达到了4个月，此次事件的累计SPEI值与最大SPEI值分别为4.76和1.634，其中月平均SPEI值为1.19在8次持续性雨涝事件中排名第5，除此之外，发生在1997年、1999年的持续性雨涝事件强度也很强，1997年持续性雨涝事件的月平均SPEI值最大，且最大SPEI值可达1.738，持续时长3个月；根据不同季节发生的持续性雨涝事件统计结果来看：春季发生了5次，累计10个月；夏季发生3次，累计3个月；秋季发生3次，累计7个月；冬季发生3次，累计5个月，说明在春季发生持续性洪涝事件的可能性最大，并且从持续时间来看发生在春季的持续性洪涝事件往往持续时间是最长的。

2.4 鄂州市旱涝影响要素分析

为了弄清各气象要素与鄂州市旱涝的关系，本文利用通径分析的方法，以月尺度SPEI值作为媒介，对影响旱涝的因素进行了分析。从表4的结果可以看出，SPEI-1与月降水量、平均气温及月蒸散量的相关系数分别为0.647、-0.036、-0.035，说明SPEI-1与温度和月蒸散量呈明显的负相关，SPEI-1与月降水量呈正相关，且相关性通过了0.01显著性水平，表明月降水量与鄂州市旱涝状况密切相关，是影响旱涝强度的重要因子之一，相反月蒸散量和平均气温与SPEI-1的相关系数均较小，间接表明它们对旱涝影响程度小于降水。而从计算得到的直接通径系数可以看出，平均气温、月降水量和月蒸散量三者对SPEI-1值的直接通径系数分别为0.163、0.854、-0.566，也可以说明对旱涝变化直接影响最大的是月降水量，二者之间正相关显著，月蒸散量次之，两者为负相关。通过比较近30 a降水量及蒸散量，降水波动范围较大，且远远超过蒸散量，因而降水量与SPEI-1的通径系数和相关性更加显著，平均气温相反对SPEI-1值的直接通径系数较小。通过月降水量和月蒸散量对SPEI-1的间接通径系数较大，进一步证明平均气温是通过月降水量和月蒸散量间接影响SPEI-1值。

3 讨论

本文中对鄂州市旱涝相关研究与郑治斌等^［33］和刘可群等^［34］对近年来湖北省各市特征分析的研究结果相似。而旱涝是一种极其复杂的过程，后续还需针对旱涝机理、周期性变化规律、影响因素等方面对旱涝特征进行全面分析，才能更好地了解旱涝的发生发展规律。

本文对旱涝影响要素的研究主要基于气象因素，而在大尺度自然因素如季风、北极涛动、ENSO等对旱涝的影响涉猎较少，在今后的研究中需重点分析。

4 结论

1） 不同尺度旱涝发生频率变化规律具有一致性，中度及以下旱涝，鄂州市受旱几率高于受涝几率，而重度及以上旱涝正好相反。并且月尺度和季尺度的SPEI值波动振幅较大，在一定程度上均能识别出短期旱涝过程，而年尺度SPEI值变化平稳，周期性显著，可以识别出长期旱涝。

2） 鄂州市整体呈变旱的趋势，但是各季节略有差异，其中春季和夏季都表现为变旱的趋势，秋季表现为变涝的趋势，冬季有弱的变旱趋势。

3） 从旱涝发生时间可以看出，鄂州市各季节都有可能发生旱涝，其中夏季易旱，但持续时间较短；春季易涝，持续时间长。

4） 从影响旱涝变化的因素来看，对鄂州市旱涝变化影响最大的因素是月降水量，其次是蒸散量，而气温则是间接影响蒸散量和降水量进而影响旱涝变化的。

参考文献

[1] 高雅文，邓可楠，张月，等.基于农业旱涝指标的湖北省棉花生育期内旱涝急转特征分析［J］.灌溉排水学报，2021，40（2）：101-110.

[2] 李维京，左金清，宋艳玲，等.气候变暖背景下我国南方旱涝灾害时空格局变化［J］.气象，2015，41（3）：261-271.

[3] 赵东升，张家诚，邓思琪，等.1960-2018年中国西南地区旱涝急转的时空变化特征［J］.地理科学，2021，41（12）：2222-2231.

[4] 任建成，张婷婷.基于标准化降水指数的山东省近45年旱涝演变特征［J］.水土保持研究，2021，28（2）：149-154.

[5] 李小涵，潘兴瑶，杨默远，等.基于多尺度SPEI指数的北京市干旱时空特征分析［J］.水利水电技术（中英文），2021，52（11）：50-63.

[6] 张运福，房一禾，龚强.基于SPEI指数的辽宁省生长季干旱时空特征［J］.生态学杂志，2017（1）：190-197.

[7] 白恒，严登明，翁白莎，等.皖北地区旱涝演变及急转特征［J］.水电能源科学，2019，37（1）：1-4.

[8] 李双双，杨赛霓，刘宪锋.1960~2013年北京旱涝变化特征及其影响因素分析［J］.自然资源学报，2015，30（6）：951-962.

[9] 谢岷，高聚林，孙继颖，等.基于SPEI指数的内蒙古多时空尺度干旱特征分析［J］.灌溉排水学报，2022，41（6）：140-146.

[10] Mckee T B， Doesken N J， Kleist J.The Relationship of Drought Frequency and Duration to Time Scales.1993.

[11] 中国气象局. 气象干旱等级 GB/T20481-2006 ［S］.北京：中国标准出版社，2006.

[12] DAI A.Increasing drought under global warming in observations and models ［J］.Nature Climate Change，2013，3（1）：52-58.

[13] Vicente-Serrano S M，Beguer， Lopez-Moreno J I，et al.A new global 0.5° gridded dataset （1901~2006） of a multi-scalar drought index comparison with current drought index datasets based on the Palmer drought severity index ［J］.Journal of Hydrometeorology，2010，11（4）：1033-1043.

[14] 郭冬，吐尔逊·哈斯木，吴秀兰，等.四种气象干旱指数在新疆区域适用性研究［J］.沙漠与绿洲气象，2022，16（3）：90-101.

[15] 米蔚峰，邱建秀.气象干旱指数在河北省的适用性分析［J］.水文，2022，42（3）：53-60.

[16] 陈翠彦，穆振侠，周玉良.不同气象干旱指数在天山南坡的适用性分析［J］.水电能源科学，2021，39（9）：14-17.

[17] 甄小丽，孙海燕，袁鸿猷，等.新乡市近65 a降水和干旱变化特征分析［J］.甘肃农业大学学报，2017，52（4）：158-163.

[18] 沈国强，郑海峰，雷振锋.基于SPEI指数的1961~2014年东北地区气象干旱时空特征研究［J］.生态学报，2017（17）：5882-5893.

[19] 苏宏新，李广起.基于SPEI的北京低频干旱与气候指数关系［J］.生态学报，2012（17）：5467-5475.

[20] 徐泽华，韩美.山东省干旱时空分布特征及其与ENSO的相关性［J］.中国生态农业学报，2018（8）：1236-1248.

[21] 张雯，马阳，王素艳，等.西北地区东部春夏季旱涝转换环流特征及其与大西洋海温的关系［J］.干旱气象，2023，41（1）：14-24.

[22] 王学凤，路洁，曹永强.辽宁省近54 a旱涝特征分析及其对大气环流响应研究［J］.水利学报，2020，51（12）：1514-1524.

[23] 连帆，巩远发，刘佩佩，等.基于Quik SCAT资料的江淮流域旱涝年南海季风变化特征［J］.热带气象学报，2014，30（6）：1137-1145.

[24] 胡增臻.6月份格陵兰海冰异常对黄河中上游7月份旱涝的影响［J］.应用气象学报，1995（3）：366-372.

[25] 李江南，丑洁明，赵卫星，等.1991~2019年中国农业生态系统旱涝脆弱性评估［J］.气候与环境研究，2022，27（1）：19-32.

[26] 徐澜，刘艳超，安伟，等.冬麦春播小麦对苗期干旱胁迫的生理响应［J］.甘肃农业大学学报，2020，55（6）：40-47.

[27] 秦昊林，李碧洳，翁殊斐，等.3种园林植物幼苗对旱涝胁迫的生理响应及综合评价［J］.西南林业大学学报（自然科学），2020，40（4）：68-73.

[28] Peng S， Ding Y， Liu W，et al.1 km monthly temperature and precipitation dataset for China from 1901 to 2017 ［J］.Earth System Science Data，2019，11（4）：1931-1946.

[29] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. 气候干旱等级 GB/T20481-2017 ［S］.北京：中国标准出版社，2017.

[30] 刘珂，姜大膀.基于两种潜在蒸散发算法的SPEI对中国干湿变化的分析［J］.大气科学，2015，39（1）：23-36.

[31] 杨金虎，张强，王劲松，等.近60 a来西南地区旱涝变化及极端和持续性特征认识［J］.地理科学，2015，35（10）：1333-1340.

[32] 曹永强，路洁，李玲慧.基于SPEI指数的辽宁省多尺度旱涝特征分析［J］.中国水利水电科学研究院学报，2021，19（2）：210-220.

[33] 郑治斌，刘可群.湖北省干旱灾害特征及其影响分析［J］.湖北农业科学，2020，59（8）：35-40.

[34] 刘可群，李仁东，刘志雄，等.基于CI指数的湖北干旱及其变化特征分析［J］.长江流域资源与环境，2012，21（10）：1274-1280.

基金资助

鄂州市气象局科研项目(EZ202105)