基于SPEI的丹东市洪涝规律分析

宋永华

(辽宁省东港市水利勘测设计院，东港 118300)

丹东市(123°22′E～125°42′E，39°43′N～41°09′N)地处辽宁东南部，东与朝鲜隔江相望。东西横跨196km，南北纵距160km，海岸线总长120km。年平均气温6～9℃，是辽宁乃至东北地区最大的雨量中心。丹东市属暖温带亚湿润季风型气候，逐年间季风的不稳定性造成了其旱涝的频繁发生，严重影响了农业生产的发展。丹东市年平均降水量在800～1200mm，其中2/3的降水集中于夏季，7月中旬至8月中旬是暴雨集中期。因此，汛期的防汛抗涝工作十分重要。

目前有许多研究旱涝规律的指标，其中SPEI指数(即标准化降水蒸散指数)基于降水和蒸散两种变量，既考虑了水分平衡对旱涝的影响，具有对温度敏感的特点，又适合多尺度、多空间比较。由于对降水和蒸发的差值进行了标准化，SPEI指数更适合不同季节和地区之间干旱化程度的比较。因此SPEI特别适于检测和监测全球变暖背景下干旱的变化特征。本文利用SPEI指数研究丹东市近57年的洪涝灾害，分析其发生规律和趋势，并做出预测，为防洪减灾和该区域农业生产提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

气象数据是由中国气象局气象信息中心提供。本文选取了丹东市内丹东(40°17′N，123°17′E，79.8m)、宽甸(40°43′N，123°47′E，260.1m)、岫岩(40°03′N，124°20′E，13.8m)等3个站点的气象数据，取三个站点的平均数据代表丹东市的气象资料。资料起始时间为1960年1月，终止时间为2016年12月，包括每日最低、平均和最高气温，相对湿度，风速(10m高度)，日照时数，蒸发量和降雨量等数据。

1.2 SPEI指数

SPEI计算过程如下：

首先采用Penman- Monteith方法计算腾发量(ET0)：

(1)

式中，ET0—腾发量，mm/d；T—平均温度，℃；Δ—温度～饱和水汽压关系曲线在T处的切线斜率，kPa/℃；Rn—净辐射，MJ/m2·d；G—土壤热通量，MJ/m2·d，γ—湿度表常数，kPa/℃；μ2—距离地面2m高处风速，m/s；ea—饱和水汽压，kPa；ed—实际水汽压，kPa。

第二步：计算逐月降雨量与蒸散量的差值：

Di=Pi-ETi

(2)

式中，Di—降水量与蒸散量的差值；Pi—月降水量,mm；ETi—月腾发量。

第三步：利用三个参数的log- logistic概率分布对降水量与蒸散量的差值Di正态化处理，求得相应每一个数值的SPEI指数：

(3)

式中，F(x)—概率密度函数；x—概率密度函数自变量；α，β，γ—参数。

第四步：对累积概率密度进行标准化：

P=1-F(x)

(4)

当累积概率P≤0.5时：

(5)

(6)

式中，c0，c1，c2，d1，d2，d3—参数。

当P>0.5时：

P=1-P

(7)

(8)

1.3 SPEI指数洪涝等级划分

本文根据相关研究，将洪涝程度划分为4个等级，见表1。SPEI指数具有多尺度分析的特点，SPEI时间尺度是前期影响时长(月)的表达，尺度为1、3、12时，表示考虑前期影响期为1个月、3个月、12个月。本文以12月份的SPEI- 12值代表该年度的洪涝强度。采用5月份、8月份、11月份和2月份的SPEI分别研究春季、夏季、秋夏和冬季的洪涝情况。

表1 洪涝等级SPEI值划分标准

2 结果与分析

2.1 年代际洪涝灾害频率

丹东市年代际洪涝灾害频率情况见表2。从1970年以后，重涝及以上的频率逐年增加，由1970年后的2.5%增加到2010年后的10.71%。从各类洪涝频率总和看，1970～1979年是洪涝发生最少的年代，为25%，而2010年后洪涝频率为39.29%，洪涝灾害频率明显增加，尤其以重涝及以上较为频发。

2.2 M-K检验

洪涝强度变化趋势及显著性水平检验采用气象学中常用的Mann-Kendall检验(简称M-K检验)。M-K检验是一种用于检验时间序列变化趋势的非参数检验方法，其中M-K突变检验统计量U>0，表示时间序列为上升趋势；U<0，表示时间序列为下降趋势。当|U|>1.645，通过0.05显著性水平检验；|U|>1.96，通过0.01显著性水平检验。四季M-K突变检验结果见图1。春季MK突变检验表明，UF线未超过0.05显著水平线，UF线先上升再下降，再上升，两个突变点分别在在1970年和1999年，总体来看在丹东市春季趋向不显著湿润发展。夏季MK突变检验表明，UF线在1975～1984年、1991～1995年和2000～2011年呈现显著干旱化趋势，其余时间段均为不显著干旱化趋势。UF线先上升后下降，突变点在1968年，从整体来看，夏季SPEI趋向干旱化发展。秋季MK突变检验表明，UF线在1966～1971年间超出0.05显著性水平线，该阶段秋季SPEI表现为显著干旱化趋势，UF曲线先上升后下降再上升再下降，突变点发生在1973年、1980年、1985年和1995年。秋季SPEI值旱涝变化趋势不明显。冬季MK突变检验表明，UF线在1974～1979年呈现显著干旱化趋势，冬季整体较为干旱，突变点发生在2010年，自2010年开始向不显著湿润化发展。

表2 丹东市年代际洪涝灾害频率

图1 丹东市近57年四季SPEI的M-K突变检验

MK趋势检验结果见表3。气候倾向率指标均为不显著。日平均气温按照0.2341℃/10a的速率逐年增加，月总降水量按0.3594mm/10a速率逐年增加，月总ET0却在按0.2368mm/10a速率逐年降低，SPEI值按0.0227/10a速率逐年增加。说明丹东市逐年向湿润化发展，SPEI值的逐年增加原因在于其降水量在不断增加的同时，ET0反而在不断下降。

表3 气候倾向率MK趋势检验

2.3 不同时间尺度SPEI值洪涝分析

月、季、年尺度下SPEI见图2。最涝年为1964年，该年度为特涝年，其SPEI值为2.14，1985年为重涝年，2012年、2013年和2012年为中涝年，可见洪涝发生较为频繁的年份集中在2010年后。洪涝最为严重的季度为1992年秋季，洪涝强度达到2.17，1964年夏季、2012年秋季、1985年夏季洪涝强度较高。可见，丹东市最容易发生洪涝的季节为秋季和夏季。月值SPEI表明最涝月份为2007年3月，洪涝强度为2.58，1964年1月、1992年9月、1979年6月、1992年12月以及2016年5月，其SPEI值均高于2.0，均为特涝月份。

图2 不同时间尺度下SPEI值

2.4 未来5年洪涝情况预测

气象研究中常用马尔柯夫链模型预测洪涝时间序列，它能反映洪涝情况随机过程的动态变化趋势。马尔柯夫链模型具有无后效性的特征，即某一年的状态只与前一年(或最近几年)的状态及状态变化有关，与更前面的年份关联较弱[15]。表4为根据1960～2015年的SPEI值，对2017～2021年做了洪涝情况预测。2017年发生洪涝的概率为35.14%，2018～2021年发生洪涝灾害的概率均为32%左右，2017年发生特涝的几率为0。2017年发生重涝以上的概率为2.7%，2018年发生重涝以上的概率为3.92%，而2019～2021年重涝及以上发生的几率均在3.6%左右。

表4 马尔柯夫预测旱涝概率(2017～2021年)

2.5 洪涝特征结果分析

本文基于丹东市三个气象站点的气象资料，通过气象研究方面广泛应用的SPEI指数，对丹东市近57年的洪涝特征进行分析。主要结果有：

(1)从1970年以后，丹东市重涝及以上的频率逐年增加，2010年后洪涝灾害频率明显增加，频率为39.29%。

(2)丹东市春季SPEI趋向不显著湿润发展，夏季SPEI趋向干旱化发展，秋季SPEI值旱涝变化趋势不明显，冬季自2010年开始向不显著湿润化发展。

(3)最涝年为1964年，洪涝发生较为频繁的年份集中在2010年后。洪涝最为严重的季度为1992年秋季，丹东市最容易发生洪涝的季节为秋季和夏季。月值SPEI表明最涝月份为2007年3月，洪涝强度为2.58。

(4)丹东市逐年向湿润化发展，SPEI值的逐年增加的原因在于其降水量在不断增加的同时，ET0反而在不断下降。

(5)预测得到2017年发生洪涝的概率为35.14%，2018～2021年发生洪涝灾害的概率均为32%左右。

3 结语

丹东市冬春季节趋向湿润发展。近57年内最涝年为1964年，洪涝发生较为频繁的年份集中在2010年以后。丹东市SPEI值的逐年增加，向湿润化发展，原因在于其降水量在不断增加的同时，ET0反而在不断下降。预测表明近几年洪涝灾害频率较大，建议农业部门做好防范。

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