近63年安阳市旱涝等级研究

2015-02-16赵国永

安阳师范学院学报 2015年5期

关键词：百分率安阳市降雨量

韩艳，赵国永

(信阳师范学院城市与环境科学学院，河南信阳 464000)

近63年安阳市旱涝等级研究

韩艳，赵国永

(信阳师范学院城市与环境科学学院，河南信阳 464000)

我国是旱涝灾害多发的国家，旱涝灾害给工农业生产、人民生活带来极大的影响，需要加强研究。本研究选取了1951-2013年安阳市756个月份降雨量资料为研究对象，以探讨安阳市旱涝等级变化。首先，将3种不同的旱涝指标(Z指数、降雨量距平百分率、湿度指标)进行对比，发现每一个指标均存在一定的问题，不能反映安阳市实际的情况。其次，由于Z指数考虑因素比较全面(偏态系数和标准变量)，且修正起来比较方便，本文对Z指数进行修正，使修正后旱涝等级实际频率与理论值更加接近，符合安阳市实际情况。最后，运用修正后Z指数分析安阳市63年间年和四季的旱涝等级变化，其结果显示：(1)较其他季节，秋季容易发生旱涝灾害；(2)夏季降雨量对年降雨量影响较大；(3)旱涝等级变化无常。同时，根据修正后Z指数，计算年、四季降雨量和降雨量距平百分率的旱涝等级判断标准，为以后判断旱涝等级变化提供了方便、快捷的方法。

安阳市；降雨量；旱涝；指标；等级

1 引言

我国是世界上典型的季风气候区，季风气候一个重要特征是：降雨量变率大，其结果是容易发生旱涝灾害。我国又是农业大国，旱涝灾害对农业影响极大，同时，给人们的日常生活、生产带来不便。2011年，我国因旱涝灾害造成的直接经济损失达2329亿元[1]。

为了减少旱涝灾害带来的影响，学者对区域的旱涝指标和等级等方面进行大量研究。旱涝形成的最直接的因素是降雨量多少及其年内的分配状况，学者以降雨量为基础分析不同的旱涝指标。王跃民等[2]利用襄城县50年春季和夏季降雨量资料，采用3种不同的旱涝指标进行旱涝等级的对比研究，发现Z指数、旱涝指标和降雨量距平百分率所对应的气候频率完全相同，认为3种指标具有相同的指示意义。张成才&周勇[3]运用3种旱涝指标研究郑州气象站50年旱涝等级变化，认为CI(综合气象干旱指数)指数可以作为郑州地区旱涝等级划分的标准。汪丽新[4]运用4种旱涝指标研究辽宁省葫芦岛地区46年旱涝等级变化，得出：Ik指标能够反映当地的旱涝变化。有些学者[5-6]单用Z指数，确定区域的旱涝等级变化。从以上的分析可知，不同地区确定旱涝等级标准时运用的旱涝指标不同，可能与我国面积辽阔，各个地方所处的地理位置、下垫面情况及人类活动影响等因素有关[7]。研究某一区域旱涝等级变化，需要探讨合适该区域的旱涝指标。

安阳市是河南省农业大市，学者对安阳地区旱涝等级、指标研究的程度不高。本研究利用近63年月降雨量资料，采用3种不同旱涝指标进行对比研究，最后选取符合安阳地区实际情况的旱涝指标，并进行结果的统计与分析。

2 研究区概况

安阳市位于河南省的北部，豫晋冀三省交界处，西依巍峨的太行山脉，东接广袤的华北平原，北与河北省邯郸市接壤，南与河南省鹤壁市、新乡市接壤。安阳市总体地貌特征为西高东低，地貌类型复杂多样。安阳市气候特征为暖温带半湿润大陆性季风气候，夏季受东亚夏季风控制，高温多雨；冬季受西伯利亚蒙古高压控制，寒冷干燥。安阳市多年、春季、夏季、秋季和冬季平均气温分别为：14.25、14.9、26.4、14.8、0.92℃；年、春季、夏季、秋季和冬季平均降雨量分别为：575.23、83.1、365.6、107.7、18.9mm。

3 数据来源

本研究的数据包括安阳市1951—2013年间63年756个月份降雨量，数据来自于中国气象局科学数据共享网，其安阳市站点的名称为53898，经纬度为36.03°N，114.24°E，海拔为62.9m。按照气候学常用的方法进行四季划分，3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月至翌年2月为冬季。年降雨量为各个月份降雨量之和，季节降雨量为3个月总降雨量。

4 研究方法

4.1 降雨量距平百分率

降雨量距平百分率反映了某段降雨量相对于同期平均状态的偏离程度，公式如下：

4.2 湿度指标

4.3Z指数

由于某一时间段的降雨量一般并不服从正态分布，现假设月、季降雨量服从Person—Ⅲ型分布，其概率密度分布为：

P(X)=[βτ(γ)]-1[(X-α)/β]γ-1e-(x-α)/β

根据文献[10]，对降雨量X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，其转换公式为：

式中：Cs为偏态系数，φi为标准变量，均可由降水资料序列计算求得，即

根据Z变量的正态分布曲线，划分为7个等级并确定其相应的Z值界限值，作为各级旱涝指标，列于表1[9]。

表1 降雨量距平百分率(a)、湿度指标(b)和Z指数(c)的旱涝等级

Table1Gradesofflood/droughtforanomalouspercentageofprecipitation(a),moisitureindex(b)andZ-index(c)

等级距平百分率(a)湿度指标(b)Z值(c)旱涝类型1M≥75%X≥150Z>1．645极涝250%≤M<75%80≤X<1501．037

5 结果与分析

5.1 3种旱涝指标的对比

从图1中可以看出，3种指标分析的结果比较一致，峰、谷具有相似的变化幅度，大旱(峰值)、大涝(谷值)的年份均能体现出来。比如：1963年，全年、春季、夏季降雨量是极涝的等级，3种指标在图1中均能表现出来。但是，3种指标之间存在不一致的地方：(1)Z指数、距平百分率中等级为4的年份较多，湿度指标等级为4的年份较少(表2)。(2)总体上，湿度指标曲线波动幅度较大；距平百分率曲线在冬季降雨量波动幅度较大，其他季节表现不明显；年和四季降雨量变化中，Z指数曲线波动比较平缓。

Z指数旱涝等级(1—7级)占的比重分别为：5.40%、9.52%、3.17%、62.85%、4.12%、9.52%、5.40%，4级的年份(接近正常)过于集中；3级和5级比重仅为3.17%和4.12%，明显偏低，所以这种旱涝等级分布不太合理。该研究结果与前人[7-9]的研究结果一致。

湿度指标旱涝等级(1—7级)占的比重分别为：8.89%、8.57%、13.33%、26.67%、21.90%、18.09%、2.53%，非正常年份(旱涝灾害年份)占的比重为73.33%，即灾害年份过多，接近正常的年份偏少，夸大了旱涝灾害的程度，所以这种旱涝等级分布也不太合理。该研究结果与前人[7-9]的研究结果一致。

距平百分率旱涝等级(1—7级)占的比重分别为：8.89%、3.49%、12.06%、43.80%、17.46%、9.52%、4.76%，比重分布基本符合正态分布。从图1中可以看出，冬季和秋季降雨量中距平百分率波动幅度较大，有些年份的振幅大于湿度指标，冬季降雨量表现最明显；在全年、春季和夏季降雨量变化中，距平百分率波动幅度小于湿度指标，说明距平百分比率在划分旱涝等级方面具有不稳定性，即没有统一的标准，使可比性下降。同时，前人的研究也指出：距平百分率反映旱涝程度比较弱，反映慢；有时候会出现同一指标值或等级对应不同程度的旱涝情况[9]。

总之，3种旱涝指标在反映安阳市实际旱涝等级方面均存在一定的问题。

5.2 修正后Z指数

3种指标均不能反映安阳市实际情况，需要探讨新的旱涝指标，我们拟选取Z指数进行修正。

为什么选择Z指数进行修正呢？首先，湿润指标接近正常的年份较少，夸大了旱涝等级；距平百分率没有统一标准，使得可对比降低。其次，虽然Z指数接近正常年份占的比重较大，但是Z指数在进行计算的时候，考虑到了偏态系数和标准变量，即Z指数不仅与降雨量有关，还与该地区的降雨量分布特征有关[9]，考虑因素较全面。最后，Z指数4级占的比重大，其相邻的3级和5级占的比重较小，调整起来比较方便。

表3为按照原来的Z指数计算的旱涝等级频率分布，发现理论与实际频率分布相差不大。为什么没有用它来研究旱涝等级变化呢？其主要原因是等级4占的比重太大，等级3和5占的比重偏小。Z指数是通过对降雨量进行正态化处理后得到的，服从标准的正态分布[8]。为了得到合理的、符合安阳地区实际的旱涝频率分布，根据Z指数的标准正态分布[7-8]，重新界定旱涝等级的界限，缩小等级4占的比重，增加等级3和5的比重，使各等级出现的频率与理论频率更加接近，并统计各等级在不同时间尺度上出现的年数，其结果见表4。本研究重新修订后Z指数旱涝等级的界限，与我国其他地区结果不一致[7-8]，主要的不同体现在等级3和4、等级4和5的界限，可能与我国处于典型的季风气候区，地域辽阔，各个地方降雨量差异较大有关。

表2 安阳市3种旱涝指标与划分结果(年)

表3 按照表1中Z指数计算的频率分布

表4 修正后Z指数旱涝等级与划分结果(年)

表5 按照表4中Z指数计算的频率分布

重新修正后Z指数旱涝等级频率分布，理论与实际频率的结果基本一致，且频率分布符合正态分布(表5)，这种分布比较合理，所以，重新修正后Z指数旱涝等级变化，能够更加真实的反映安阳地区实际情况。

表6 修正后Z指数旱涝等级的年份分布

注：标示出来年份分析见5.3

5.3 修正后Z指数的结果

从表6中我们可以得到以下结论：(1)相较于其他季节，安阳市秋季降雨量接近正常年份占的比率较小，说明秋季容易发生旱涝灾害。(2)夏季出现极涝、极旱的年份，在全年降雨量中有所体现(如1956、1963、1965、1986、1997年)，说明夏季降雨量的变化对年降雨量影响较大；冬季出现极涝、极旱的年份(如1976、1990、1999年)，年降雨量旱涝等级中没有体现，说明冬季降雨量变化对年降雨量变化影响较小。(3)有些年份，春季、夏季降雨量的为偏涝(包括大涝和极涝)的等级，但是秋季、冬季降雨量为偏旱(包括大旱和极旱)等级(如：1956、1977年)；有些年份，四个季节旱涝等级变化为“大涝—极旱—大涝—极旱”(如1983年)，这些共同说明年和四季降雨量旱涝等级变化无常。

我们将安阳市年、四季降雨量和降雨量距平百分率与Z指数进行相关性分析，发现它们之间具有很好的相关性，其相关系数(R2)高达0.999以上，其中秋季降雨量和降雨量距平百分率与Z指数相关性为1(图2)。

运用曲线拟合的方法，获得降雨量与Z指数、降雨量距平百分率与Z指数之间的拟合公式，其结果均为一元二次多项式(图2)。通过一元二次方程，取修正后Z指数的旱涝等级标准，获得年、四季降雨量和降雨量距平百分率的旱涝等级的标准(表7)。相关系数达到0.999以上，说明其结果非常可靠。

Tab.7Gradesofdrought/floodforannualandfourseasonprecipitation(mm)andanomalouspercentageofprecipitation(%)inAnyangcity,basedontheZ-indexcalculatinginTable4

等级全年春季夏季秋季冬季降雨量距平值降雨量距平值降雨量距平值降雨量距平值降雨量距平值1>885>54>166>100>634>73>231>114>45>1412746

从表7可以看出，安阳市年降雨量大于885mm，或者年降雨量距平百分率超过54%时，容易发生极涝灾害；年降雨量低于346mm，或者年降雨量距平百分率低于-40%时，容易发生极旱灾害；年降雨量大于634mm，或者年降雨量距平百分率超过10%时，安阳市旱涝程度为偏涝(包括大涝和极涝)；降雨量低于479mm，或者年降雨量距平百分率低于-17%时，安阳市旱涝程度为偏旱(包括大旱和极旱)；当年降雨量处于479—634mm之间，年降雨量距平百分率介于-17%至10%时，安阳市旱涝程度接近正常值。四季的分析方法与年降雨量类似，不再一一赘述。

为了验证表7划分旱涝等级的可靠性，我们用表6的数据进行检验，1956和2002年是63年间年和四季降雨量同时具有非接近正常旱涝等级的年份。表8的结果与表6的结果一致，说明本研究的结果比较可靠。实际上，划分降雨量旱涝等级，用修正后Z指数计算出来的降雨量即可，本研究同时给出了降雨量距平百分率旱涝等级标准，其目的：(1)验证降雨量划分旱涝等级是否准确；(2)便于记忆，有助于理解旱涝程度。如：1956年安阳市年降雨量为929.7mm，旱涝等级为极涝，如果不知道多年平均降雨量的话，年降雨量只是一个数字而已；1956年安阳市年降雨量距平百分率为61.6%，大于54%，旱涝等级为极涝；可以这样理解，1956年安阳市年降雨量比多年平均值偏高6成以上，旱涝等级为极涝。

表8 1956和2002年安阳市年、四季降雨量(mm)和降雨量距平百分率(%)旱涝等级结果

Tab.8Theresultofdrought/floodforannualandfourseasonprecipitation(mm)andanomalouspercentageofprecipitation(%)inAnyangcityoftheyear1956and2002

全年春季夏季秋季冬季降雨量距平值降雨量距平值降雨量距平值降雨量距平值降雨量距平值1956929．761．6131．958．8756．910733．9-68．57-62．9等级121652002355．9-38．199．119．3171．4-53．157．2-46．928．249．5等级63753

前人[7-9]经过比较分析，获得修正Z指数后，没有更进一步划分单站(区域)旱涝等级降雨量、降雨量距平百分率的具体范围。本研究比前人研究向前更进一步，获得安阳市年、四季降雨量和降雨量距平百分率的旱涝等级划分的具体数值，为以后划分旱涝等级提供参考标准。较重新计算Z指数，对照修正后Z指数标准，再判断旱涝等级，本研究结果使用起来更加方便、快捷。

6 结论

本研究首先对3个旱涝指标进行对比分析，发现3个指标反映的旱涝等级变化，均不符合安阳市实际情况。然后，探讨符合安阳市实际情况的旱涝指标，Z指数考虑因素比较全面(偏态系数和标准变量)，且修正起来比较方便，选取Z指数进行修正，使修正后旱涝等级实际频率与理论值更加接近。最后，利用修正后Z指数，分析安阳市年和四季旱涝等级变化，发现旱涝等级变化无常；同时，利用修正后Z指数，计算年、四季降雨量和降雨量距平百分率的旱涝等级标准，为以后判断旱涝等级变化提供参考，相较于3种指标的判断方法，该研究结果使用起来更加方便、快捷。

[1]中国新闻网. 2011年全国旱涝灾害直接经济损失2329亿元[EB/OL].http://www.chinanews.com/gn/2012/02-02/3641057.shtml.

[2]王跃民, 鲁慧霞, 刘璟瑜等. 3个不同旱涝指标分旱涝等级的比较研究[J]. 现代农业科技, 2011, (7): 326-327, 329.

[3]张成才, 周勇. 3种旱涝指标在郑州市干旱分析中的对比研究[J]. 安徽农业科学, 2011, 39(4): 2005-2006, 2024.

[4]汪丽新. 葫芦岛旱涝指标的确定和干旱规律分析[J]. 江西农业学报, 2010, 22(1): 78-80.

[5]张鹏, 迟贵富, 李锋等.Z指数在抚顺地区旱涝分析中的应用[J]. 安徽农业科学, 2011, 39(3): 1396-1397, 1398.

[6]程红军. 利用Z指数确定吉林省旱涝指标及干旱分布特征[J]. 吉林气象, 2013, (1): 5-8.

[7]袁晓燕, 管华, 闻余华等. 江苏沿海地区不同旱涝指标的对比分析[J]. 徐州师范大学学报(自然科学版), 2007, 25(1): 75-78.

[8]张存杰, 王宝灵, 刘德祥等. 西北地区旱涝指标的研究[J]. 高原气象, 1998, 17(4): 381-389.

[9]鞠笑生, 杨贤为, 陈丽娟等. 我国单站旱涝指标确定和区域旱涝级别划分的研究[J]. 应用气象学报, 1997, 8(1): 26-33.

[10]KifeGW.Frequencyandriskanalysisinhydrology[M].WaterResourcesPublication,Colorado80522,ISBN-0-918334-24-3, 1978.

[责任编辑：D]

2015-07-17