陕西省1470—2012年旱涝灾害时空分布特征及演变趋势分析

徐小钰， 朱记伟， 解建仓， 刘家宏， 李占斌

(1.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室，陕西 西安 710048；2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，中国 北京 100038)

陕西省1470—2012年旱涝灾害时空分布特征及演变趋势分析

徐小钰1， 朱记伟1， 解建仓1， 刘家宏2， 李占斌1

(1.西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室，陕西 西安 710048；2.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，中国 北京 100038)

旱涝灾害是陕西省发生频率最高的自然灾害，研究其时空分布特征及演变趋势对区域防汛、抗旱减灾具有重要意义。本文基于陕西省1470—2012年的旱涝灾害史料，结合累积距平法、滑动平均法、功率谱分析和小波分析等方法，分陕北、关中、陕南三个地区对其旱涝灾害进行研究。结果表明，543年来，陕北发生旱灾最频繁，陕南发生涝灾最频繁，关中发生极旱最频繁，且整个区域持续涝灾发生的可能性高于旱灾。区域旱涝等级变化具有明显的阶段性和周期性。在近30年的时间尺度上，陕北处于偏旱期，关中、陕南处于偏涝期。

旱涝灾害； 时空分布特征； 演变趋势； 陕西省

近年来，受全球气候变暖的影响，极端气候灾害事件发生频繁，人类的生产生活和社会经济的快速发展受到严重威胁。在众多的自然灾害中，以旱涝灾害发生频率最高，危害影响最大，因此致力于其的研究也成为灾害学领域的热点[1]。国外对区域旱涝灾害的时空分布及演变规律的研究有较丰硕的成果，且非常重视对旱涝指标模型的改进与创新[2-4]。国内历史时期旱涝灾害资料丰富，从中提取气候信息，也逐渐成为研究旱涝灾害的主要方法之一[5-6]。

目前，对陕西地区的旱涝灾害已有一定研究。万金红等[7]分析了西北干旱地区1470—2008年旱涝变化特征，得出539年中陕西省洪涝多发的时段明显多于干旱；李星敏等[8]认为陕北干旱过程持续时间较长，关中、陕南干旱时段内常出现多个干旱过程。鉴于之前的研究缺少专门针对陕西地区长时间序列下的旱涝灾害发生规律及变化特征的分析，本文基于1470—2012年的旱涝灾害史料，研究陕西地区543年中的旱涝灾害时空分布特征及演变趋势，以期为区域旱涝灾害的预测评估及制定长远的防汛抗旱减灾应对策略提供支持。

1 资料与方法

1.1 资料来源

1.1.1 研究区域

陕西省地处中国内陆腹地，位于105°29′～111°15′E，31°42′～39°35′N之间，是连接中国东、中部地区和西北、西南的重要区域。陕西省南北狭长，根据地理、气候、历史、文化、语言，可由北向南分为截然不同的三大地区：陕北、关中、陕南。省内南北气候差异显著：陕北北部长城沿线处于中温带气候；关中及陕北大部分属于暖温带气候；陕南则属于北亚热带气候。全省水资源时空分布严重不均(参考《陕西省地图集》得陕西省多年平均降雨量图，见图1[9])，从时间分布上看，年降雨量的60%～70%集中于7～10月份，往往造成汛期洪涝成灾，春季旱灾频发；从地域分布上看，秦岭以南的长江流域，水资源量占到全省总量的71%，而秦岭以北的黄河流域，水资源量却仅占全省的29%[10]。针对陕西省特殊的地域特点，为更好地研究该区旱涝灾害变化特征，将其按照陕北、关中、陕南三个区域分别进行研究。

1.1.2 资料处理

本文通过整理《陕西省自然灾害史料》、《陕西省自然灾害简要纪实》、《中国气象灾害大典·陕西卷》等历史文献资料，并结合《中国西北地区近500年旱涝分布图集(1470—2008)》中已有的榆林、延安、西安、宝鸡、汉中、安康六站的灾害等级资料获取陕西省1470—2012年543年的旱涝灾害史料数据，并参考《陕西水利年鉴》、《陕西救灾年鉴》等相关文献对缺资料年份进行补充[11-16]。

在《中国西北地区近500年旱涝分布图集(1470—2008)》一书当中，用5级去划分旱涝灾害等级，为更好地反映旱涝灾害的严重程度，本文在其基础上，参考《气象干旱等级》(GB/T20481-2006)国家标准、《气象灾情收集上报调查和评估试行规定》气发(2005)96号文件及《中华人民共和国水利行业标准——洪涝灾情评估标准》(SL579-2012)等相关规定，制定旱涝等级划分标准(如表1)，将旱涝灾害划分为极涝(旱)、大涝(旱)、轻涝(旱)、正常等7级[14]。

1.2 分析方法

1.2.1 累积距平法

通过累积距平曲线可以直观了解旱涝灾害随时间的变化趋势，清楚地判断旱涝灾害的阶段性。计算公式[17]为：

(1)

1.2.2 功率谱分析

功率谱分析是基于傅里叶变换的一种频域分析方法，其通过将旱涝灾害等级序列的总能量分解到不同频率的分量上，再根据不同频率波的方差贡献诊断出序列的主要周期[17]。首先将旱涝灾害等级序列xt展开成傅里叶级数：

(2)

式中，fi为频率，a0、ai、bi为傅里叶系数，k为主周期及其谐波的个数。

功率谱强度计算公式为：

(3)

式中，I(fi)表示当频率为fi时功率谱的强度，据此对应关系，可计算旱涝灾害等级序列的周期。

1.2.3 小波分析

小波分析是在傅里叶变换的基础上发展起来的对信号进行分析与处理的方法，由于旱涝灾害演变过程是一种连续且具有多时间尺度的变化，因此本节当中采用Morlet连续复小波变换来分析其演变周期情况[18]。基于旱涝灾害等级函数f(t)的连续小波变换为：

(4)

2 结果分析

2.1 旱涝时空分布特征

根据表1的标准，判定陕北、关中、陕南三个地区1470—2012年的旱涝灾害等级，绘制陕西地区543年的旱涝等级演变图谱(见图2)。

从图中可知，543年来陕西省各地旱涝灾害发生频繁，旱涝等级序列存在多次转折与突变，旱涝阶段往往交替出现，极涝、大涝、极旱、大旱等严重旱涝灾害多发且集中。如：陕北地区1623—1633年的10年间，就发生极(大)涝灾害2年，极(大)旱灾害5年；关中地区1621—1653年间，连续3年的洪涝灾害之后，出现了长达9年的偏旱期；陕南地区1928—1935年间、1959—1969年间，连年极(大)旱灾后都发生了严重的涝灾。三个地区中，陕北地区干旱灾害发生频率远高于洪涝灾害，陕南地区洪涝灾害发生频率远高于干旱灾害，关中地区发生极旱灾害的频率远高于其它两个地区。

进一步统计不同时间段上不同区域旱涝灾害等级的分布情况(见表2)。

就陕北而言，543年中共发生洪涝灾害144年，干旱灾害250年。其中发生极涝灾害6年，平均90.5年发生一次；发生极旱灾害11年，平均49.4年发生一次。在所有的时间段中，1900—2012年发生旱涝灾害最频繁，共计发生101年，平均1.1年发生一次。就关中而言，543年中共发生洪涝灾害204年，干旱灾害207年。其中发生极涝灾害17年，平均31.9年发生一次；发生极旱灾害22年，平均24.7年发生一次。在所有的时间段中，1900—2012年发生旱涝灾害最频繁，共计108年，平均1.0年发生一次。就陕南而言，543年中共发生洪涝灾害216年，干旱灾害137年。其中发生极涝灾害26年，平均20.9年发生一次；发生极旱灾害7年，平均77.6年发生一次。在所有时间段中，1900—2012年发生旱涝灾害最频繁，共计101年。由此可见，陕西地区旱涝灾害具有明显的阶段性和区域性，不同时间段、不同区域的旱涝灾害发生情况不尽相同，同时旱涝灾害的发生还具有同步性，极(大)旱灾多发时段，极(大)涝灾往往也多发。

2.2 旱涝演变趋势分析

2.2.1 旱涝变化阶段性特征

为了解陕西地区的旱涝灾害总体变化趋势和阶段性特征，对陕北、关中、陕南三个地区1470—2012年的旱涝等级序列分别进行累积距平，并计算21年的滑动平均，以此滤去小于21年高频分量振动的影响，体现较大周期尺度下的变化趋势，最后根据结果绘制累积距平曲线和滑动平均曲线如图3。定义曲线的上升表示偏旱期，曲线下降表示偏涝期。从图3可知，3个地区的旱涝等级序列均有较明显的上升下降变化趋势。进一步利用滑动T检验法判断相邻变化阶段是否具有显著差异，转折点是否具有突变性，结果表明：陕北地区在超过t0.01显著性水平下存在1542年、1648年、1782年、1804年、1974年等5个突变点，此外在1573年处也有明显变化，超过t0.05显著性水平；关中地区在t0.01显著性水平下仅存在1648年1个突变点；陕南地区在t0.01显著性水平下，存在1554年、1646年、1747年、1769年、1781年、1818年、1871年、1880年8个突变点，此外在1573年处也有明显变化，超过t0.05显著性水平。据此划分陕西地区旱涝阶段(见表3)：陕北可划分为4个偏旱期和3个偏涝期，其中偏旱期、偏涝期最长持续时间分别为74年和169年，最短持续时间分别达到21年和30年，即偏涝期的持续性远远强于偏旱期；关中地区可划分为1个偏旱期和1个偏涝期，偏旱期和偏涝期的持续时间分别为178年和364年，且偏旱期与郭瑞等[19]提出的1470—1639年是泾河流域旱灾多发时段的研究结果相一致；陕南地区可划分为5个偏旱期和5个偏涝期，其中偏旱期、偏涝期持续最长时间分别为91年和132年，持续最短时间为8年和11年，偏旱期、偏涝期平均发生年数分别为44.6年、62.2年。且目前陕北处于偏旱期，关中和陕南处于偏涝期。由此可知，543年中陕西各地区旱涝灾害交替出现，且差异显著，其中发生偏涝期的持续性较偏旱期强，即持续洪涝灾害发生的可能性高于干旱灾害，这与万金红等[8]得出的陕西旱涝变化特征结果相同。

表3 陕西省543年旱涝等级阶段性

Tab.3 Stage of drought and flood grades in Shaanxi Province for recent 543 years

2.2.2 旱涝变化的周期性特征

旱涝灾害不仅存在阶段性、突变性以及多时间尺度的结构，还具有趋势性和周期性。本文利用功率谱和基于Morlet函数的小波分析方法分析陕西地区1470—2012年的不同区域不同时间尺度上的旱涝灾害等级序列，以揭示隐藏在灾害等级序列中的多种变化周期，充分反映灾害在不同时间尺度下的变化情况。根据式(2)～(3)计算功率谱频率强度，绘制旱涝灾害等级序列的功率谱分析图，如图4。从图中可知，陕北地区存在2～5年、8年、11年、13～14年、22～24年、37年、49年等显著周期；关中地区存在4～5年、7～11年、13～16年、22～25年、28年、45年等显著周期；陕南地区存在2～5年、7～11年、13年、25年～29年、38年、47年等显著周期。由此可知，陕西地区1470—2012年间，旱涝灾害变化具有明显的周期性，不同区域其周期长度不尽相同，但均具有4～5年、8年、11年、13年左右时间尺度的周期，其中4～5年和11年的周期分别与厄尔尼诺(3～7年)和太阳黑子活动(11年)的周期相对应，因此可推断太阳黑子和厄尔尼诺现象对陕西地区旱涝灾害发生存在一定的影响[20]。

利用式(4)，计算连续小波变换系数的实部，并根据结果绘制陕西地区1470—2012年旱涝等级序列小波分析图，如图5。为便于分析，对不同的计算值用不同的颜色加以区分，并用“+”表示正值中心，代表旱期；用“-”表示负值中心，代表涝期[21]。从图中可清楚地看到，543年来陕西各地区的旱涝灾害变化存在明显的多时间尺度特征。就陕北地区而言，在全时间尺度上存在2～5年、7～11年、13～15年的显著周期，其中1470—1560年间存在8年和49年、1560—1680年间存在7～14年和24年、1820—2012年间存在4～6年和8～14年的高频周期振荡。就关中地区而言，在整个时间尺度上存在22～25年、34～39年、45年的显著周期；其中1550—1640年间存在34～39年的高频周期振荡，具有旱涝交替的准3次振荡；1640—1710年间存在13年、22～25年、39年的高频周期振荡；1720—1800年间存在20～24年、31～34年的高频周期振荡；1830—2012年间存在11～16年、22～25年、34～39年的高频周期振荡，其中11～16年的时间尺度上出现了旱涝交替的准3次振荡。陕南在全时间尺度上存在24～29年、38年的周期，其中1470—1530年间存在47年、1865—1895年间存在24～26年、1925—2012年间存在13年和38～43年的高频周期振荡。进一步读图可判断，目前陕北处于旱期，关中、陕南处于涝期，这与阶段性分析的结果相同。

综合功率谱方法和小波分析的结果可知，陕北地区主要存在2～5年、8年、11年、13～14年的周期，其中2～5年周期与甘肃旱涝准4年周期相对应；关中地区主要存在22～25年、45年的周期，其中25年的周期与兰州地区旱涝灾害变化的25～26年的周期相对应；陕南地区主要存在25～29年、38年的周期，其中25～29年周期与中国北方旱涝变化存在20～30年时间尺度的周期振荡相对应[22-24]。

3 结 论

1) 从旱涝时空变化特征上看：543年来陕西省各地旱涝灾害发生频繁，在空间分布上，陕北是旱灾发生最频繁的地区，陕南是涝灾发生最频繁的地区，与多年降雨量南多北少的趋势相吻合。在时间分布上，三个地区的旱涝灾害的发生具有一定的一致性。

2) 从旱涝灾害阶段性特征上看：543年中陕西各地旱涝灾害交替出现且差异显著，并具有明显的阶段性和区域性。其中：陕北地区可划分为4个偏旱期和3个偏涝期；关中地区可划分为1个偏旱期和1个偏涝期；陕南地区可划分为5个偏旱期和5个偏涝期。同时，整个区域持续洪涝灾害发生的可能性高于干旱灾害。

3) 从旱涝灾害周期特征上看：543年来陕西各地区的旱涝灾害变化存在明显的多时间尺度特征。其中，陕北地区主要存在2～5年、8年、11年、13～14年的周期；关中地区主要存在22～25年、45年的周期；陕南地区主要存在25～29年、38年的周期。目前陕北处于偏旱期，关中、陕南处于偏涝期。

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(责任编辑 周蓓)

Analysis of spatial and temporal distribution characteristics and evolution trend of drought and flood disasters from 1470 to 2012 in Shaanxi Province

XU Xiaoyu1， ZHU Jiwei1， XIE Jiancang1， LIU Jiahong2， LI Zhanbin1

(1. State Key Laboratory Base of Eco-hydraulic Engineering in Arid Area，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China；2. State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China)

Drought and flood disasters are the most frequent natural disasters in Shaanxi Province. Research on spatial and temporal distribution characteristics and evolution trend of drought and flood disasters is of the vital significance to regional flood control and drought resistance. Based on the drought and flood disaster historical data of Shaanxi Province from 1470 to 2012, and combined with the accumulative anomaly method, moving average method, power spectrum analysis and wavelet analysis method, drought and flood disasters are studied from three different areas，that is Shanbei, Guanzhong as well as Shannan. The results show that the drought disasters occurred most frequently in shanbei，the flood disasters occurred most frequently in shannan，the extreme drought disasters occurred most frequently in Guanzhong，and the occurrence probability of continuous flooding is higher than that of drought in the whole district during the 543 years. The grade changes of regional drought and flood disasters have had obvious stage and multiple time scale characteristics in different regions. During the recent 30 years，Shanbei is in partial drought period, the Guanzhong and Shannan in partial flood period.

drought and flood disasters； spatial and temporal distribution characteristics； evolution trend； Shaanxi Province

1006-4710(2015)02-0231-07

2014-11-15

国家自然科学基金资助项目(51209170，51479160)。

徐小钰，女，硕士生，研究方向为水资源规划与应急管理。E-mail：xautxxy@163.com。

朱记伟，男，副教授，博士，研究方向为水资源管理与系统工程。E-mail：zhujiwei@xaut.edu.cn。

P461

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