1970年以来湖北省气候变化与旱涝灾害响应分析

陈前江，延军平（陕西师范大学　旅游与环境学院，陕西　西安　710119）

1970年以来湖北省气候变化与旱涝灾害响应分析

陈前江，延军平*
（陕西师范大学旅游与环境学院，陕西西安710119）

摘要：湖北省是中国亚热带地区的内陆省区，具有气候变化响应的特殊性。依据湖北省分布较为均匀的17个气象站点1970-2013年的逐月气温和降水数据，运用线性回归、插值分析、Mann-Kendall突变检验、Morlet小波分析和标准化降水指数SPI等数理分析统计方法，对湖北省近44年来气候变化的时空分异规律以及旱涝灾害响应特征进行分析，结果显示：（1）近44年来，湖北省年降雨量呈减少趋势，其减少的速率为16.16 mm / 10a，年平均气温呈波动上升趋势，其上升的速率为0.30℃/ 10a，整体呈暖干化趋势；（2）通过对年均温做Mann-Kendall突变检验后发现，湖北省气温在1994年前后发生突变，之后呈现出较大幅度的增温趋势；（3）就旱涝灾害来说，湖北省旱涝灾害频繁，中度、重度和极端旱涝灾害发生频率高达31.8％。研究证明：在暖干化趋势的背景下，湖北省气候变化响应体现出显著的阶段性特征，具有特殊性，其旱涝灾害也因气候变化体现出周期性干湿变化规律，当前几年正处于偏干旱阶段，旱灾较多。

关键词：气候变化；旱灾；涝灾；应急响应；湖北省

0　引言

近年来，全球气候暖干化趋势加剧，极端降水事件持续增多，扩大了旱涝灾害的发生范围，加剧了旱涝灾害发生的频率和强度［1］，影响了人类生产的发展和生活的进步。因此，全球气候异常以及旱涝灾害等问题成为学者们关注的焦点。任国玉等［2］研究了中国近50年地面气候变化的基本特征；陈龙勋等［3］对我国近80年的气候变化特征及其形成机制作了详细研究，发现近年来中国气候整体呈变暖趋势；黄建武［4］对湖北省旱涝灾害的特征及成因进行了分析，指出湖北省旱涝灾害具有季节性、区域性和延续性等特征；徐新创等［5］对湖北省近500年的干湿序列进行重建，并在分析的基础上将湖北省干湿状况分为3个区域。笔者在研究这一系列成果的基础上，将气候突变检验、标准化降水指数SPI和小波分析等方法集合起来，对湖北省气候变化和旱涝趋势进行了研究。

湖北省位于中国中部，长江中游，介于北纬29°05′～33°20′、东经108°21′～116°07′之间，属于典型的北亚热带季风气候区。降雨量冬夏分明的气候特征以及三面环山、中间低平的地形地势，使该省成为中国中部典型的旱涝灾害频发区。同时，位于湖北省中部的江汉平原又是中国重要的商品粮基地，一旦发生旱涝灾害，将对中国农业造成重大损失，威胁国家粮食安全［6］。因此，充分研究在全球变暖背景下湖北省气候响应的特征，对认识中国南方区域气候变化特点及旱涝灾害规律、促进湖北省经济社会的可持续发展以及维护粮食安全等方面都具有极其重要的意义。

1　资料来源与研究方法

本研究中逐月气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网（http：//cdc.cma.gov.cn/home.do），其中的气温数据主要来源于中国气象局均一化气温数据集。在气象站点选取过程中，笔者以站点在湖北省地域范围内均匀分布为前提，选取了建站较早且气象数据记录相对完整的17个站点（见图1），并对个别站点少数数据残缺的月份进行插值处理，最终得到了本文的数据支撑。

图1　湖北省气象站点分布图Fig.1 Distribution of meteorological stations in Hubei Province

在研究方法上，主要应用趋势线法、气候倾向率法［7-8］等数理统计的方法对气温和降水逐月数据集进行分析，在此基础上运用Mann-Kendall气候突变检验法［9-11］对其气温变化进行检验，得出气温变化特征。再运用标准化降水指数（SPI）法［12-13］对旱涝灾害响应进行分析，得到湖北省近44年旱涝变化的基本规律及未来旱涝趋势。在运用SPI标准化降水指数时，以当年12月的SPI作为当年的旱涝指数，并根据中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局的相关研究［14］，将旱涝程度划分为9个等级，具体见表1。

表1　标准化降水指数（SPI）旱涝等级Tab.1 Classification scales of drought and flood by SPI

2　1970-2013年气候变化响应分析

2.1气温变化特征分析

2.1.1气温变化的时间差异通过对近44年的数据处理可知，湖北省多年平均气温为16.32℃，最高年平均气温为17.26℃，出现在2007年，最低年平均气温为15.47℃，出现在1984年，二者相差1.79℃，年际间气温差异偏大。从湖北年平均气温变化趋势图（见图2）可以看出，近44年年均气温明显上升，呈现出暖干化趋势［15］，其上升速率为0.30℃/ 10a，略快于近50年中国地表平均增温速率（0.22℃/ 10a）［16］。

图2　1970-2013年湖北年平均气温变化趋势图Fig.2 Tendency of temperature change in Hubei during 1970-2013

就其各个不同阶段来看，湖北省1970年以来气温变化趋势可分为3个阶段：第一阶段为1970年代初至1980年代末，这一阶段气温呈波动上升状态，但增温不显著；第二阶段为1990年代至2003年左右，年均温呈大幅上升状态，距平值由负值变为正值且保持高位稳定，增温趋势最快；第三阶段为2005年以后，年均温波动幅度较大，整体呈上升趋势，但增温速度较第二阶段有所放缓。

对湖北省近44年平均气温进行Mann-Kendall突变检验（图3）后发现：1970-1980年代，UF大部分在0 到1之间波动，气温呈缓慢上升趋势。1990年代以来，UF迅速增大，并在1997年前后超过0.05信度线［17］，说明这一阶段气温迅速升高，气候变暖势头加剧。UF和UB在±1.96置信线之间相交于1994年，说明湖北省年均气温在1994年前后发生突变，之后升温迅速。

2.1.2气温变化的空间差异为更好地研究湖北省气温变化的空间差异，笔者从湖北省各地区多年均温（图4（a））和增温倾向率（图4（b））两方面进行分析，结果发现：该省各地区多年均温差异较大。多年均温较高的地区在湖北省东南部以及西南部长江谷地地区，最高的巴东地区达到17.33℃；多年均温偏低的地区在鄂西北秦巴山地，其中最低的房县仅有14.39℃；其余大部分地区多年均温在15～17℃，地区间差异明显。

从多年增温的趋势来看，湖北省各地增温速度不同。湖北东北部，包括孝感、随州、天门等地增温速度最快，达到0.4℃/ 10a，鄂西南增温速度最慢，多数地区增温速率在0.1℃/ 10a左右，总体上呈现出由鄂东北向鄂西南递减的趋势；此外，鄂西北山地和鄂东南丘陵区增温速率较江汉平原及其附近地区偏小，体现出平原增温快，山地增温慢的特征。

图3　1970-2013年湖北均温Mann-Kendall突变检验Fig.3 Mann-Kendall test on abrupt change of annual mean temperature in Hubei during 1970-2013

图4　湖北省多年均温及增温倾向率空间分布图Fig.4 Spatial distribution of perennial mean temperature（a）and its variation trend rate（b）in Hubei Province

2.2降水变化特征分析

2.2.1降水量的时间变化趋势湖北省近44年的年平均降水量为1 129.26 mm。降水最多的年份在1983年，为1 562.57 mm，最少的年份在2001年，为843.85 mm，二者相差718.72 mm，年际变化大。从年降水量变化趋势图（图5）可以看出，湖北省1970-2013年的年均降水量呈波动减少趋势，降水量减少的速率为16.16 mm/10a。通过对湖北省近44年的年均降水量进行Mann-Kendall突变检验后发现：在1970-1980年代，UF均在0值以下波动，降水量呈缓慢减少趋势；1980年代末到21世纪初，UF由负值变为正值，在0到1之间波动，说明这一阶段降水量略有上升；2009年以后，UF大幅度下降，降水量再度呈现迅速减少趋势。降水突变年份在2009年，之后减少趋势加剧。

图5　1970-2013年湖北省年均降水量变化趋势Fig.5 Tendency of rainfall change in Hubei during 1970-2013

就季节降水量来看，湖北省降水主要集中在春季和夏季，降水量之和占到年降水量的70％以上，冬季降水量稀少（见表2）。从1970年代到21世纪初，湖北省各季节平均降水量随时间变化体现出不同的变化趋势。总的来说，春秋季降水量有所减少，冬季变化不大，夏季有所增多，降水往夏季集中，气候的大陆性特征更加明显。

表2　湖北省各季节降水量变化趋势Tab.2 Tendency of rainfall change in each season in Hubei　/nm

2.2.2降水量空间变化特征湖北省近44年平均降水量在空间上极不均匀，表现出较大的差异性。因受东南季风影响，位于夏季风迎风坡的黄石地区多年平均降水量最大，达到1 429.11 mm；其次是鄂西南的恩施，因其受夏季西南季风的影响明显，多年平均降水量达到1 423.34 mm；最少的是鄂西北的房县及其附近地区，因其更靠近内陆，受夏季风影响较弱，加之南部大巴山和北部秦岭对水汽的阻隔作用，多年平均降水量仅有828 mm。就其空间变化来看，鄂东南和鄂西南降水量大，江汉平原地区次之，鄂西北地区较少，整体呈现出从鄂东南和鄂西南分别向鄂西北递减的变化趋势（见图6）。

图6　湖北省降水量空间差异Fig.6 Spatial difference of the rainfall in Hubei Province

3　湖北省旱涝灾害响应

3.1年际旱涝灾害变化特征

在旱涝趋势上，采用当前国际通用的标准化降水指数SPI法［18-20］进行分析，结果发现：湖北省1970-2013年标准化降水指数SPI呈下降趋势，这与之前分析的湖北省多年气候变化的暖干化趋势相一致。从分析结果可以看出，湖北省近44年来，旱涝灾害整体上呈现出旱涝交替出现的特征（图7）。从大的变化趋势来看，近44年的旱涝灾害整体可以分为两个以旱灾为主的阶段和一个以涝灾为主的阶段（图8）：第一阶段是整个1970年代，旱涝灾害等级偏低，整体呈现出偏旱的特征；第二阶段是1980-1990年代，此阶段旱涝灾多于旱灾，中等程度以上涝灾年份占25％，呈现出偏涝特征；第三阶段为2001年至今，这一阶段旱涝灾害在数量上较前两个阶段更少，但旱灾重于涝灾，呈现出偏旱趋势。

图7　湖北省近44年旱涝指数变化趋势Fig.7 Variation tendency of drought and flood index in Hubei in recent 44 years

图8　湖北省近44年旱涝灾害等级Fig.8 Grade of drought and flood in Hubei in recent 44 years

3.2区域旱涝灾害变化特征

为突出旱涝灾害的空间特征，在分析各地标准化降水指数的基础上，分别求出湖北省各地44年中旱灾和涝灾年份所占的比重，得到旱灾和涝灾频率图（图9）。从图9（a）中可以看出湖北省旱灾最多的地区为鄂东地区，包括武汉、黄石、咸宁等地，比重达到38％左右；其次是鄂东北及中部江汉平原地区，包括黄冈、孝感、荆州等地，旱灾比重普遍在35％左右；旱灾最少的鄂北岗地，包括荆门、襄阳和随州等地，频率只有30％左右；鄂西地区旱灾频率适中，普遍在32％～35％。

从图9（b）可以看出，湖北省中部江汉平原地区涝灾严重，涝灾频率高达38％左右。鄂西南地区涝灾最少，频率仅有26％左右。东部和中部大部分地区涝灾比重较低，鄂西北地区涝灾相对严重，但考虑到其山地地形，因此受涝灾威胁不大。

图9　湖北省各区域1970-2013年旱涝灾害频率Fig.9 Frequency of drought and flood in different regions of Hubei during 1970-2013

3.3旱涝灾害的时间尺度特征

在旱涝灾害时间尺度分析上，笔者采用小波分析法制作出湖北省年降水量的Morlet复小波变换系数的实部图（图10），再通过对小波变换系数实部图的分析，来剖析湖北省在短、中、长3个时间尺度上的旱涝情况，并分析其变化趋势。

图10　湖北省年降水量小波变换图Fig.10 Wavelet transformation of rainfall in Hubei

从图10可以看出，湖北省年降水量在短、中、长3个时间尺度上均有较明显的振荡周期。在短时间尺度上，从1970年代到1990年代末体现出旱涝交替分布的特征，其旱涝周期为5a左右，2000年以后规律性不明显；在较长时间尺度上，湖北省年降水量表现出10a的旱涝振荡周期，当前正处于该周期的偏旱状态，这种状况将会持续到2018年左右；在长时间尺度上，以25年为周期，湖北省年降水量变化周期明显，呈现出5个较为完整的旱—涝—旱—涝—旱的振荡周期，受该周期的影响，自2005年起，湖北省年降水量整体偏少，气候状况偏旱。

3.4旱涝灾害趋势判断

在3.1、3.2和3.3从时间和空间尺度上对湖北省近44年气候变化及旱涝灾害响应进行分析的基础上，对湖北省未来的旱涝趋势的简要判断如下：从短时间来看，湖北省旱涝灾害变化复杂，难以预测，但总体上呈旱涝交替分布，旱灾过后，必有不同程度的涝灾出现。从较长时间尺度来看，湖北省年降水量呈现出10a和25a左右的旱涝振荡周期，并且当前都处在偏旱状态，这种偏干旱状态将会持续到2018年甚至更久。未来2～3年，该区域以旱灾为主，2018年以后，该区域整体将由旱转涝，之后的10a将以涝灾为主。但考虑到湖北省SPI的下降趋势，未来气候向暖干化方向发展，因此相比上一个旱涝周期，涝灾状况会有所减缓。

从各区域来看，鄂北地区旱灾较轻，但降水集中，存在涝灾威胁，但受到山地地形影响，未来涝灾威胁不大。鄂西南地区旱涝灾害偏少，未来抗旱防洪压力较小。鄂东特别是江汉平原地区，近44年来旱涝灾害均较严重，当前该区域正处于偏旱年份，未来几年抗旱减灾压力较大，加之该地的平原地形，且有多条河流在该区域汇入长江，因此也同样面临夏季洪涝的威胁。因此，鄂东江汉平原区是湖北省未来几年旱涝灾害治理的重点区域。

4　讨论

笔者选取SPI作为旱涝灾害的评价指标，利用气候倾向率、Mann-Kendall突变检验及小波分析等方法，对湖北省1970-2013年逐月气象数据进行处理，并在此基础上分析了湖北省气候变化及旱涝灾害状况，得出了如下结论：

（1）近44年来，湖北省整体气温上升，气候呈现出暖干化趋势。多年来，湖北省平均增温速率为0.30℃/ 10a，略快于全国平均增温速率。湖北省气温突变发生在1994年，之后增温速度加快。

（2）湖北省1970-2013年降水量总体呈减少趋势，其减少的速率为16.16 mm/10a。就内部空间差异来看，鄂东南和鄂西南地区年降水量大，总体呈现出自鄂东南和鄂西南分别向鄂西北递减的趋势。

（3）湖北省近44年的旱涝灾害响应呈旱涝交替的周期性特征，短时间尺度上，周期性规律较差，在长时间尺度上体现出严格的周期性变化。在当前，湖北省正处于该周期的偏旱状态，未来几年旱灾频率高，抗旱减灾压力巨大。鄂中江汉平原地区未来几年以旱灾为主，同时伴随着夏涝的发生，是湖北省未来旱涝灾害治理的重点区域。

（4）近44年中，湖北省出现旱灾16次，旱灾的频率为36.36％，且近年旱灾持续增多，频率有所上升，这与湖北省整体气候的暖干化趋势相一致。1970年代湖北省整体偏旱，1980年代偏涝，1980年代末至1990年代末偏旱，1990年代末至21世纪前6年偏涝，之后就一直呈偏旱状况。

本文主要通过Mann-Kendall气候突变检验法及其他分析方法对湖北省近44年的气候变化进行了分析，揭示了湖北省气候暖干化的特征和趋势，再结合SPI对湖北省多年旱涝灾害进行分析，得出了湖北省旱涝变化的基本规律及其未来趋势，以期为相关部门采取有效措施治理水旱灾害提供理论依据。但由于只选取了数据较完整的17个站点进行了研究，在数量上显得有些不足，在今后的研究中有必要适量增加站点的数量以提高研究的精确性。

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（责任编辑：叶冰）

Analysis on Climatic Change and Responses to Drought-Flood Disasters in Hubei from 1970

CHEN Qianjiang，YAN Junping*
（College of Tourism and Environment，Shanxi Normal University，Xi′an 710119，Shanxi，China）

Abstract：Hubei is a subtropical province in the inland region of China，it has a specific response to drought-flood disasters.Based on the monthly temperature and rainfall data from 17 meteorological sites from 1970-2013，with linear regression，spatial interpolation，Mann-Kendall test，Morlet wavelet，the SPI index and the other mathematical statistics method，to analyze the spatiotemporal difference of climatic change and the characteristic of the responses of drought-flood disasters.The results showed：（1）In recent 44 years，the rainfall of Hubei reduced with the rate of 16.16 mm/10 a and the annual average temperature rose with a speed of 0.30℃/ 10 a.（2）From the Mann-Kendall test，it was found that the abrupt change of the temperature took place in 1994 and then the temperature rose up sharply.（3）The drought-flood disasters of Hubei were frequent，and the moderate，severe and extreme drought-flood disasters accounted a proportion of 31.8％ .The study proves that under the background of warming and drying，the responses to the climatic change had a characteristic of period and speciality，the droughtflood disasters embodied periodic law and the drought was prominent in recent years.

Keywords：climatic change；drought；flood；emergency response；Hubei Province

*通讯作者：延军平（1956—），男，教授，博士生导师，研究方向：区域自然灾害和区域开发。E-mail：yanjp@snnu.edu.cn

作者简介：陈前江（1989—），男，硕士生，研究方向：全球气候变化与区域灾害防治。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（14AZD094）

收稿日期：2015-05-11

DOI：10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.04.005

中图分类号：P426.616

文献标志码：A

文章编号：1673-0143（2015）04-0308-09