珠江流域旱涝时空演变规律分析

陈 云，郭 霖，叶长青，朱丽蓉

(1.海南大学热带农林学院，海口 570228；2.海南大学旅游学院，海口 570228)

气候环境变化对人类社会和自然生态的影响已成为全球关注的重大科学问题，由于气温在全球范围内不同程度地升高，极端降水事件逐渐增多，给自然环境和人类社会造成不利影响[1]。降水对水文循环起着十分重要的作用，通过对降水变化特征的深入研究，可有效利用水资源、全面了解气候变异下的水文响应和减少旱涝灾害对人类社会的不利影响。许多学者在相关方面的研究取得了一定的进展。在近50 a来，平均降水量在全国范围内没有明显的变化趋势，但在不同区域降水量变化趋势不同[2]。严华生等[3]指出，我国降水量存在华南与华北相反的分布特点，以长江流域为界，旱涝分布有着明显变化。有的学者[4-7]从降水气候特征着手，分析降水对各地区旱涝的影响，还有[8-11]通过不同方法研究旱涝指数、旱涝等级的划分，以及对气候的预测，认识变化环境下旱涝时空分布变化特征。研究表明我国旱涝的分布特征为旱的地方越旱，涝的地方越涝。

关于珠江流域降雨变化特征、年代变化、影响因子等已有广泛研究[12-14]。张强等[15,16]利用珠江流域1960-2005年44个降雨站点的日降雨资料，分析降雨集中程度的时空变化规律，结果表明降水集中指数高的地区为流域的南部、东南部和西北部，而降雨集中程度较低的为流域西南部和东北部。王兆礼等[17]对近40 a来珠江流域降水量的时空演变特征进行分析，结果表明其总降水量趋势是微弱增加的，主周期振荡为11 a，未发生突变现象。刘艳群等[18]指出珠江流域存在南旱北涝和南涝北旱分布交替发生的现象。然而，当前绝大部分学者只对夏季降水进行了诊断研究，对一年4季旱涝时空分布特征及其成因分析还稍显不足。本文则通过分析珠江流域4季旱涝时空分布变化的特征，为进一步探讨其成因和研制预测方法提供依据，也为我国农业的稳定发展提供指导。

1 资料与方法

珠江流域位于中国南方，横跨云南、贵州、广西、广东、湖南、江西6省，面积44.2 万km2，流域地形以丘陵和山地为主，占总面积的94.5%，平原面积小而分散，流域地势呈现西北高而东南低，属于亚热带季风气候，温和多雨，多年平均气温为14～22 ℃，平均降雨量1 200～2 200 mm，降水量分布由东向西逐渐减少，降水年内分配不均，地区分布差异明显和年际变化大。

本文选用珠江流域(见图1)1959-2009年44个均匀分布于流域的站点逐日降水量为基本资料(见图2)。资料来源于国家气象信息中心提供的中国地面气候资料日值数据集，资料的可靠性与代表性均已通过国家气象信息中心审查。利用Z指数进行旱涝等级的划分，结合经验正交分解(EOF)，分析珠江流域旱涝时空分布特征。

图1 珠江流域站点分布Fig.1 The distribution on stations in Pearl River basin

图2 珠江流域1959-2009年降水特征参数分布Fig.2 The characteristic parameter of precipitation in Pearl River basin in 1959-2009

1.1 Z指数

由于降水量在不同时空变化幅度较大，直接用降水量在时空尺度上的比较缺乏一定的科学依据，且降水是一种偏态分布，因此许多降水研究中，常用Z指数[19]来描述降水量在不同时空的分布情况。Z指数在考虑降水服从偏态分布的基础上，对其进行了正态标准化处理，用以确定不同时间尺度的旱涝监测和评价[20]。假设某时段的降水量服从Person Ⅲ型分布，再将概率密度函数PersonⅢ型分布转换为以Z为变量的标准正态分布，从而利用单站Z指数法划分旱涝等级(见表1)。转化公式为：

(1)

(2)

式中：φi为降水的标准变化；Cs为偏态系数；2者均可由降水量X资料序列求得。

表1 单站Z指数的旱涝等级划分[21]Tab.1 The classification of drought and flood with Zindex of single station

1.2 经验正交分解(EOF)

经验正交函数分解的基本原理是把包含P个空间点的场随时间变化进行分解。主成分对应的是时间变化，即时间系数，抽取容量为n的样本，排成矩阵形式：

(1)

式中：m是空间点(观测站或者网格数)；n是时间序列长度(观测次数)。在场中任一空间点i和任一时间点j的观测值xij能分解为空间函数V与时间函数T的线性组合，表示成矩阵形式为：

X=VT

(2)

记为：

A=XXT

则A为实对称矩阵，根据实对称矩阵的性质，必定有VTAV=∧成立。V、∧分别是A阵的特征向量组成的正交阵和特征值组成的对角阵，由此可知，空间函数部分指由A阵的特征向量组成的正交阵，时间系数部分指满足TTT=∧的矩阵T，T是由公式T=VTX求得。

1.3 EOF的显著性检验

2 结果分析

2.1 旱涝的统计分析

将全年划分为4个季节，即3-5月为春季，6-8月为夏季，9-11为秋季，12月-翌年2月为冬季，根据以上标准对珠江流域的各个站点的Z指数进行判定，统计出每个测站点各个季节旱涝的等级和频率。

从图3中看出，1959-2009年珠江流域春、夏、秋3季较冬季发生干旱的地区分布不均匀。然而，每个季节发生干旱的地区又各不相同。珠江流域春季发生干旱的频率大值区主要集中在兴义、望谟、灵山、玉林以及罗定几个地区，其中兴义、灵山、玉林为一般干旱，望谟为大旱，在南雄周边发生干旱的频率也相对较高，且为重旱(见图3)。夏季发生干旱的地区主要集中在靖西和佛冈，周围区域有逐渐递减的趋势。秋季发生干旱的区域主要集中在以南雄为中心包括韶关、连平区域，在玉林和来宾发生干旱的频率也相对较高，表现为重旱。冬季发生干旱的频率相对于其他3季分布较为均匀，以连县为中心的区域发生干旱的频率较低，最高只达13%，其他大部分区域发生干旱频率都在19%以上，主要集中在龙州、南宁和南雄地区。不同干旱等级对区域生态环境及区域用水造成不同影响，当出现一般干旱时，对区域生态环境及供水不会造成影响；而出现大旱时，城镇和农村供水不会受到威胁，灌溉用水逐步缺乏，且随着降雨和径流的减少，开始影响生态环境；当出现严重干旱及以上时，区域水资源可供量逐渐减少，农村水饮、部分工业用水开始受到威胁[22]。

从图4可以看出，在1959-2009年珠江流域每个季节发生洪涝的地区各不相同，春季降水的频率大值区主要集中在东部的盘县、兴义和西部的广宁、南雄都达到23%以上，在罗定及信宜发生的频率也较高(见图4)。夏季在望谟及周围区域发生洪涝灾害的频率较高，在南雄和灵山发生的频率也在25%以上。秋季分布较为不均，以深圳为主要的高频率值区域，在南雄、梧州、独山以及沽益出现洪涝灾害的频率也在22%以上。冬季在以连县为中心的区域出现的频率值较高，在南雄、广州、融安这一部分也都在24%以上。

图3 1959-2009年珠江流域发生干旱的频率Fig.3 The occurence frequency of drought in Pearl River basin in 1959-2009

图4 1959-2009年珠江流域发生洪涝的频率Fig.4 The occurence frequency of flood in Pearl River basin in 1959-2009

进一步对旱涝等级进行划分，统计各季节发生不同等级的旱涝灾害的频率。珠江流域4季发生一般干旱、大旱、重旱的频率基本符合正态分布，满足12%、8%、4%的分布比率(见图5)。春季在兴义、灵山和玉林地区易发生干旱事件，梧州、信宜和望谟、那坡地区易出现大旱，南雄、桂林和都安出现重旱的机率较大。夏季，在佛冈和流域西南地区容易发生干旱，桂平、来宾和罗定几个地区出现大旱的频率较高，在河池、南雄出现重旱的频率较高。秋季来宾和佛冈容易发生干旱，在台山、深圳和惠阳则易出现大旱，整个流域出现重旱的概率较低，主要重旱发生地区在南雄。冬季流域易出现干旱的地区大部分在西部，其中龙州、威宁和灵山发生的频率较高，在靖西、凤山-河池、梧州易发生大旱，在流域的东部出现重旱的频率较高。

从流域4季发生偏涝、大涝和重涝的频率图可看出(见图6)，流域4季发生偏涝、大涝和重涝的频率也满足12%、8%、4%的正态分布比率。春季，兴义、沽益、罗定和广宁几个地区为中心降水偏多的频率较大，东源、来宾和蒙山出现大涝的机率较大，高要及周围地区则易出现重涝。夏季，偏涝在望谟地区出现频率较大，在沽益-泸西、融安、广宁和寻乌出现大涝的频率较高，盘县和韶关2个地区重涝的频率较大，都在5%以上。秋季整个流域出现降水偏多，发生的频率都在10%以上，在兴义-泸西和蒙山出现的大涝的频率较大，而重涝主要集中在河池。冬季在连县出现偏涝的频率较高，兴义、南雄-寻乌较易出现大涝，南雄则是重涝的易发生区域。不同洪涝等级对农业生产有着不同程度的影响。偏涝是指持续时间较长，对局部地区造成威胁的降水，属于中度涝灾，农业生产受灾面积较大；大涝是指受灾范围广，降水集中，大量农田被淹、有人畜伤亡等现象，使农业生产遭到较为严重的破坏；重涝指降水时间长，强度大、范围广，对人的生命财产安全造成危害的现象，对农业生产造成的损失也是巨大的[23]。

2.2 珠江流域降水量场的主成分分析

对流域44个站各季降水距平百分率进行EOF分解，得出 特征向量，计算各特征向量方差贡献率(见表2)，以特征向量正负为分区的依据，零线为分区的边界线，表2前2个模态即反应了降水时空变化的主要特征。通过对EOF分解结果进行统计检验发现，春、夏、秋3个特征向量的特征值可分离，说明有显著的物理意义的信号。

表2 各个季节珠江流域降水EOF分析的前5个模态的方差贡献率 %

图5 1959-1959年珠江流域四季发生干旱的频率偏旱；大旱；重旱Fig.5 The occurence frequency of flood in Pearl River Basin in four seasons, partial drought, serious drought heavy drought

图6 1959-1959年珠江流域四季发生干旱的频率偏涝，大涝，重涝Fig.6 The occurence frequency of flood in Pearl River Basin in four seasons, partial flood,serious flood，heavy flood

2.3 珠江流域的时空分布特征

2.3.1 春 季

前2个模态的方差贡献分别为33.5%、17.2%，累计方差贡献率达到50.7%，由第3特征向量开始，方差贡献比重显著减小，并且前2个特征向量通过了显著性检验。可认为流域前2个特征向量的作用最重要，可用于揭示最常见的春季大尺度降水分布特征。由于时间系数(某一年数值的绝对值越大，这类分布形式越典型；正值表示变多，负值表示偏少)有正、负，分别给予讨论。

图7(a)为珠江流域春季降水距平百分率的第1特征向量，可知第1特征向量全部为正值，表明流域旱涝变化基本同步，表现为全流域一致多雨或者少雨。高值出现在2个区域(东源西部及靖西周围地区)，反映了该区域的旱涝等级变化相对显著，属于旱涝异常敏感区域。整体趋势表现为从东南部向西北呈逐渐递减趋势。图7(b)为春季降水第1特征向量所对应的时间系数，可看出在时间序列值有下降的趋势，当时间系数为正时，结合图7(a)，得到流域表现于整体一致型降水趋势偏多。分析时间系数变化，在51 a中有11次峰值，分别出现在20世纪60年代中期、20世纪70年代中后期、20世纪80年代初期、20世纪90年代中期，其中在 1973年的峰值达到最大，可作为典型代表，对比实际观测结果，该年春季，靖西、东源发生了重涝的现象。当时间系数为负值时，整体表现为降水偏少现象，在20世纪60年代中期、20世纪70年代末期、20世纪90年代初中期出现极值，在1963年的峰值到达最低值，可作为典型代表。对比实际观测结果，该年春季盘县和威宁发生特大旱灾。

图7(d)为春季降水第2特征向量所对应的时间系数，线性趋势线略微下降，表明流域降水有逐渐减弱的趋势。当时间系数为正时，从20世纪60年代到2000-2010年中期连续出现峰值，结合图7(c)，贺县—梧州—罗定为分界线，呈现出流域东西旱涝格局的差异，得到东西差异型的第1种类型；负值区位于分界线东部，正值区位于分界线西部，即东部惠阳—东源地区处于春旱的情况下，位于西部的那坡—白色地区则表现为春涝，时间系数为负值时则刚好相反。

图7 春季降水距平百分率EOF分解结果Fig.7 The EOF decomposition in spring precipitation

2.3.2 夏 季

前2个模态的方差贡献分别为35.2%、11.5%，累计方差贡献率达到46.7%，由第3特征向量开始，方差贡献比重显著减小，可认为流域前2个特征向量的作用最为重要，前2个模态基本能反应出最常见的夏季大尺度降水分布特征。前2个特征向量也通过了显著性检验。

图8(a)为流域夏季降水距平百分率的第1特征向量，可知第1特征向量全部为正值，表明流域夏季旱涝变化基本同步，表现为全流域一致多雨或者少雨。在蒙山和韶关地区出现的值较高，反映了该区域的旱涝等级变化相对显著，属于旱涝异常敏感区域。图8(b)为夏季降水第1特征向量所对应的时间系数，从线性趋势线可以看出流域夏季的降水有逐渐增加的趋势。结合流域夏季第1特征表现为全流域一致型，当时间系数为正值时，整体表现为降水偏多。从时间系数可以看出，从20世纪60年代初到20世纪70年代初以及20世纪90年代中期开始，连续到达该型的峰值，其中1994年的峰值达到最大，可作为典型代表。对比实际观测结果，该年蒙山和韶关都出现了重涝现象，当时间系数为负值时，从20世纪70年代开始到20世纪90年代中期，连续到达峰值，整体表现出降水偏少，在1989年的峰值到达最低值，可作为典型代表。对比实际观测结果，该年夏季，盘县发生特大旱灾。

图8(d)是夏季降水第2特征向量所对应的时间系数，容易发现在1960年出现极小值，线性趋势线逐渐上升，结合图8(c)，流域的东南、西北部与中部存在一种反位相的分布形式。当时间系数为正时，东南部的高要—深圳地区，西北部的望谟周围区域，这些区域出现降水偏多的现象，而中部地区则出现干旱。当时间系数为负值时，分布情况与上述相反。

图8 夏季降水距平百分率EOF分解的结果Fig.8 The EOF decomposition in summer precipitation

2.3.3 秋 季

前2个模态的方差贡献分别为41.8%、13.6%，累计方差贡献率达到55.4%，从第3特征向量开始，方差贡献比重显著减小，可认为流域前2个特征向量的作用最为重要，前2个模态基本上能反应出最常见的秋季大尺度降水分布特征。前2个特征向量也通过了显著性检验。

图9(a)为流域秋季降水距平百分率的第1特征向量，可知第1特征向量全部为正值分布，描述的是整个流域一致旱 (涝)的分布形式，这一分布特征说明秋季流域旱涝等级趋势基本一致，高值区中心位置位于玉林—高要一带，反映了玉林—高要一带旱涝等级变化显著。低值区中心位置位于盘县周围，说明其秋季降水变化率小，是旱涝异常较弱地区。图9(b)为秋季降水第1特征向量所对应的时间系数，发现时间序列值趋势下降较为明显。当时间系数为正值时，结合图9(a)，可看出全流域降水一致偏多。分析时间系数变化可以看出，20世纪60年代中期、20世纪70年代中期、20世纪80年代中期一直到2000-2010年初期改型达到峰值，以1965年为典型代表。当时间系数为负值时，在20世纪60年代末期到20世纪70年代中期以及20世纪90年代到2000-2010年出现峰值，得到和上述相反的类型，全流域降水偏少，以2004年为典型代表。

图9 秋季降水距平百分率EOF分解的结果Fig.9 The EOF decomposition in autumn precipitation

图9(d)是秋季降水第2特征向量所对应的时间系数，趋势线有上升的趋势，正、负峰值相间的出现，结合图9(c)可以看出，以灵山—桂平—蒙山为分界线，呈现出南北旱涝格局的差异，即南北差异型。当时间系数为正时，罗甸和榕江2个地区出现干旱现象，而韶关—寻乌的西南部和深圳2个区域则出现降水偏多，以2008年为典型代表。当时间系数为负值时，则刚好与上述情况相反。对比实际观测结果，1994年为典型代表。

2.3.4 冬 季

前2个模态的方差贡献分别为35.2%、11.5%，累计方差贡献率达到46.7%，由第3特征向量开始，方差贡献比重显著减小，可认为流域前2个特征向量的作用最重要，前2个模态基本上能反应出最常见的冬季大尺度降水分布特征。前2个特征向量也通过了显著性检验。

由图10(a)可以看出，流域旱涝变化呈现整体一致性正值，属于同位相，描述了珠江流域一致旱涝的分布形式，并且第1特征向量的方差贡献率到达54.8%，这与大尺度天气系统影响有关。尽管流域各地气候差异较大，但冬季降水在一定程度上还受某些共同因子影响和控制。其中最大值中心位置位于连县周围，说明这里是流域冬季降水变化率大、旱涝的异常敏感地区。最小值中心位于威宁东南部，这些区域受降水机率小、旱涝异常较弱地区。图10(b)为冬季降水第1特征向量所对应的时间系数，从线性趋势线可知降水趋势的变化不大。结合流域冬季第1特征表现为全流域一致型，当时间系数为正值时，20年纪80年代中期、20世纪90年代初期开始到2000-2010年，出现改型的峰值，全流域降水偏多，1983年为该分布的典型代表。当时间系数为负值时，20世纪60年代中期、20世纪70年代中期、20世纪80年代中期、20世纪90年代中期出现4次峰值，流域的降水表现为偏少。

图10(c)为流域冬季降水距平百分率的第2特征向量，可以看出在除连县周围地区外，流域的其他的特征向量变现为负值分布，负值的中心地区位于蒙自的北部地带，属于旱涝异常的敏感地区。图10(d)为冬季降水第2特征向量所对应的时间系数，趋势线线性线变化不是很明显。20世纪90年代初期达到最大峰值，当时间系数为正时，连县周围地区易发生洪涝，流域的其他地区易出现干旱，1990年为该分布的典型代表。当时间系数为负值时恰好相反，1969年为该的典型代表。

图10 冬季降水距平百分率EOF分解的结果Fig.10 The EOF decomposition in winter precipitation

3 结 语

(1)流域各个季节发生旱涝的区域各不相同，春、夏、秋3季较冬季发生干旱的地区分布不均匀。

(2)春季干旱以兴义、望谟和灵山、玉林为主要高发区，夏季主要以靖西和佛冈为主要发生区域，秋季主要在南雄区域的频率较高，冬季主要集中在龙州、南宁和南雄等地。

(3)春季以流域东部的盘县、兴义和西部的广宁、南雄这2个区域是洪涝的高发区，夏季主要集中在望 谟和附近区域，秋季分布较为不均为，高频率值区域主要分布在深圳、南雄、梧州和沽益区域，冬季以连县为高频率发生灾害区域。

(4)对流域44个测站各季降水距平百分率进行EOF分析发现，流域分布存在着总体一致型、东西差异型和南北差异型3种形态。说明流域分布除了受大尺度的天气系统控制和影响外，还受到局地地形等因子的共同影响。

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