基于过程降水量的长江中下游地区单季稻洪涝灾害指标构建*

张桂香，霍治国，杨建莹，吴 立，杨宏毅



基于过程降水量的长江中下游地区单季稻洪涝灾害指标构建*

张桂香1,2，霍治国1,3**，杨建莹1，吴 立4，杨宏毅1

（1．中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京 100081；2．广州市气候与农业气象中心，广州 511430；3．南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044；4．福建省气象服务中心，福州 350001）

基于长江中下游地区1961−2014年297个气象站的日雨量数据，耦合单季稻生育期和洪涝灾情数据，统计单季稻不同生育阶段、不同等级的洪涝灾害样本过程降水量序列，基于S-W分布拟合检验，采用t-分布区间估计法计算样本序列95%可信区间的下限值，确定指标阈值，构建各省单季稻分生育阶段洪涝灾害的等级指标，并采用预留独立水稻洪涝灾害样本进行指标验证，分析了区域1961−2010年单季稻洪涝灾害的时空分布和风险分布。结果表明：同等洪涝灾情等级时，抽穗-成熟期的洪涝灾害指标阈值最高，拔节-孕穗期次之，移栽-分蘖期最低；同一生育阶段、同等灾情等级时，5省份的洪涝灾害指标阈值从低到高依次是江苏、安徽、湖北、湖南、浙江；各省每年均有单季稻洪涝灾害发生，发生次数呈波动增减，无明显的线性趋势；随着洪涝灾害等级加大，洪涝发生的次数减少；灾害的多发区主要位于鄱阳湖和黄山地区、浙江沿海及恩施和张家界一带；移栽-分蘖期灾害风险指数普遍较高，大部分地区风险指数在0.6以上；拔节-成熟期，风险指数高值区明显缩小，主要位于浙江沿海地区，其余大部分地区处于低值区，风险指数大都低于0.3。

长江中下游地区；单季稻；过程降水量；洪涝灾害指标；时空分析；风险分析

洪涝对作物的危害主要有两种：直接的机械损伤，如折断茎秆致植株倒伏；水分胁迫破坏作物的生理机能[1]。受亚热带季风气候、地形和地貌等影响，长江中下游地区是暴雨洪涝频发、受灾面积最广的地区之一。该区水稻种植面积占全国的3/5[2]，其中单季稻主要分布在江北[3]。全球气候变化背景下，该区的暴雨频次和强度在过去以及未来都呈现增长的趋势，潜在洪涝风险增大[4]。洪涝灾害是影响该区水稻生长发育及其产量形成的主要农业气象灾害，开展该区水稻洪涝灾害的指标研究，探索其时空变化规律具有重要的现实意义。

国外对水稻洪涝指标的研究较少，多是针对洪涝灾害脆弱性的研究[5-6]。Okazumi等[7]基于当地洪水特性，利用卫星的数字高程地图、江河水位数据和水稻产量易损性地图，对柬埔寨湄公河泛滥平原的水稻种植进行了洪水脆弱性评价；Yamagata等[8]基于1986年8月6日和9月7日的日本关东地区TM图像和地表反射率，计算水浊度（WTI）和垂直植被指数（PVI），并结合受灾和未受灾稻田的水稻产量，评价了洪水对水稻造成的损失。国内对水稻洪涝指标的研究多是基于水稻淹涝控制试验，从淹水历时和淹水深度两个方面分析水稻的耐淹能力，从而选择耐淹水稻品种或者制定排水标准[9]。部分学者分析了生育期内暴雨的雨日、雨量与水稻的减产率（或受灾率）等的联系，构建水稻洪涝灾损模拟模型，以评价暴雨洪涝对水稻生产的危害。如李巧媛等[10]选取暴雨日及暴雨日年降水量、大暴雨日及大暴雨日年降水量为致灾因子，结合水稻洪涝受灾率，建立主成分回归模型，进而评价水稻受洪涝影响的大小；陈家金等[11]考虑到不同生育期水稻抗暴雨的能力不同，引入效力暴雨量，并结合典型年份的水稻减产率，建立水稻单产灾损模型；黄河等[12]采用水稻受淹减产率的数学模型，结合淹没水稻面积和区域单位面积水稻产值，计算区域损失率，评估区域水稻洪涝损失；徐鹏等[13]借助卫星遥感技术，探讨洪涝灾害发生后的泥沙含量、垂直植被指数与受灾水稻减产的关系，建立水稻灾损估算数学模型，便于灾后及时评估水稻损失。

不同生育期淹水对水稻产量的影响不同，生殖生长阶段淹水更易造成减产[14-15]。在营养生长阶段和生殖生长阶段对淹水最敏感的生育期分别是分蘖末期和抽穗期[16]。基于淹水深度和天数的水稻耐淹指标，能直观地体现水稻不同生育期耐淹性的差异，但需要长期的控制试验，受水稻品种差异的影响较大，又因洪涝发生前的淹水深度和持续天数不易预测，而不适用于短时的灾情预测评估中。基于年减产率和降水量的水稻洪涝指标，难以分离出一次洪涝过程造成的产量损失。因此，为实现水稻洪涝灾害的短时监测预警和风险评估，构建针对一次洪涝过程的水稻洪涝灾害等级指标是关键。

鉴于此，以长江中下游地区单季稻的洪涝灾害为研究对象，结合洪涝史实和洪涝过程降水量，筛选出分生育阶段、分等级的洪涝样本，基于区间估计方法计算过程降水量的阈值，构建分省单季稻分生育阶段洪涝等级指标，定量描述了近50a研究区内单季稻洪涝灾害的时空分布和风险分布特征，以期为优化作物布局、减轻灾害危害及制定灾害保险政策等提供科学依据，从而保证粮食安全和农业生产持续稳定发展。

1 资料与方法

1.1 数据来源与预处理

气象资料来源于国家气象信息中心，包括长江中下游地区297个气象站点（图1）1961−2014年的逐日降水量资料；单季稻种植分布范围（图1）参考国家气象中心2012年编著的《农业气象业务服务手册》（非出版物），主要包括湖北省（郧西县除外）、安徽省、江苏省、上海市、浙江省、湖南北部和西北部、江西北部；单季稻生育期资料来源于研究区内农业气象观测站观测数据（其中江西省单季稻的生育期借鉴湖北省的）；水稻洪涝灾情资料来源于长江中下游地区7省市的《中国气象灾害大典》和《中国气象灾害年鉴（2005−2014年）》，以及各地民政部门统计信息。

图1 长江中下游地区单季稻种植区域及297个气象站点的分布

根据已有研究，将单季稻的大田生育期划分为3个阶段，即移栽-分蘖期、拔节-孕穗期和抽穗-成熟期。依据水稻洪涝历史灾情中的受灾程度，将灾情分为重、中、轻涝3个等级，其中重涝的灾情描述为：冲毁、绝收、改种；中涝的灾情描述为：成灾，部分绝收、改种；轻涝的灾情描述为：倒伏、受灾、受涝。根据水稻洪涝历史灾情中洪涝发生时间和地点，反演到站点洪涝过程，分省、分生育阶段、分等级统计每次洪涝过程的累计降水量，构建单季稻生育期洪涝样本，1961−2014年共得到样本1224个。随机抽取其中52个覆盖单季稻各生育阶段的各等级洪涝验证样本，用于指标验证，剩余1172个洪涝样本用于指标构建。

1.2 研究方法

1.2.1 指标构建

（1）洪涝样本的分布型检验。过程降水量指一次连续降水过程的累计降雨量，大于1d 的过程其间不能出现降水量小于0.1mm的日降水量，如出现则认为该过程中断。按照分省、分生育阶段、分洪涝等级的原则，将1224个洪涝样本分为45组，分别统计单季稻洪涝过程降水量。用S-W检验方法[17]检验每组过程降水量序列是否符合正态分布。S-W检验是由Shapiro和Wilk提出的单样本正态分布检验方法，将m个过程降水量随机排列，记为x1，x2，…，xm，则检验统计量W为

1.2.2 指标验证

根据52个单季稻洪涝验证样本中记载的洪涝发生时间、地点，依据构建的单季稻洪涝等级指标，计算站点单季稻洪涝灾害的等级，对比其与实际灾情等级是否一致。

1.2.3 洪涝灾害风险分析

（1）灾害风险概率计算。根据单季稻分生育阶段洪涝灾害等级指标，统计297个气象站1961−2010年历年单季稻分生育阶段各等级洪涝灾害的发生次数，选取正态信息扩散法分别计算不同等级洪涝灾害的风险概率值。针对样本信息模糊不完善，通过单值样本扩散成集值样本，信息扩散法能优化利用少量数据[19]。其具体计算步骤如下：

设灾害指数样本集合为

即各气象站历年的作物涝渍灾害发生次数。

灾害指数论域为

灾害指数论域取为[0，y]点在历年研究时段内洪涝灾害理论上发生次数的最大值，0为理论上的洪涝灾害发生次数可能出现的最小值。

按照式（4）将样本信息扩散给U。

其中

令

其中

而超越uj的概率值为

P(uj)即为超越概率风险估计值。

（2）灾害风险指数的构建。主要针对单季稻洪涝灾害致灾因子的危险性进行分析，综合各站点单季稻分生育阶段洪涝灾害的发生概率和强度，构建洪涝灾害风险指数。计算式为

2 结果与分析

2.1 基于过程降水量的单季稻洪涝等级指标的构建

2.1.1 洪涝等级指标阈值

表1 研究区单季稻的生育阶段划分（月.日）

Note: Tr-ti represents the transplanting-tillering stage; Jo-bo represents Jointing-booting stage; Ta-ma represents the tasselling-maturity stage. The same as below.

表2 洪涝样本过程降水量的正态分布显著性检验与95%可信区间（95CI）

将95%可信区间的下限值取整数，作为洪涝灾害等级指标的阈值，得到单季稻分生育阶段洪涝等级指标，结果见表3。由表可见，同等洪涝灾情等级时，抽穗-成熟期的阈值最高，拔节-孕穗期次之，移栽-分蘖期最低。已有研究表明，水稻在一定淹水深度下持续淹水之后才会受灾，而从移栽-抽穗开花期水稻是不断增高的，抽穗期之后水稻的株高变化很小，且抽穗期和乳熟期淹涝之后水稻气生根的产生可以缓解根系缺氧以适应淹涝环境[20]，所以移栽-分蘖、拔节-孕穗和抽穗-成熟期的洪涝指标阈值递增是合理的。

表3 基于过程降水量（R）确定研究区各地单季稻各生育阶段的洪涝等级指标

由表3还可见，同一生育阶段、同等灾情等级时，6省份的洪涝指标阈值从低到高依次是江苏、安徽、湖北和江西、湖南、浙江，这与6省份的地形、地貌密切相关。对比6省份的地形地貌可知，湖北和江西、湖南和浙江4省的海拔相对较高，安徽次之，江苏最低。江苏90%的地形是平原和湖泊，绝大部分地区的海拔小于50m；安徽东邻江苏，境内平原面积约为45%，地势稍高于江苏；湖北省内多山地和丘陵，平原湖区约占20%；湖南省单季稻种植区主要位于西北山地和湘北平原；浙江的地形以山地和丘陵为主，其中盆地、平原、河流和湖泊约占30%。

2.1.2 单季稻洪涝等级指标验证

采用预留的52个独立样本对构建的分省单季稻分生育阶段洪涝等级指标（表3）进行验证。结果发现，52个验证样本中符合程度为“符合（含基本符合）”的为43个，占82.7%。其中，基本符合和偏重（轻）的多为20世纪60、70年代的记载，这可能是由于近50a来各地区的行政区划不断调整，具体记录个别站点的洪涝情况时出现偏差造成的，但基本没有出现跨等级的判断失误。所以，基于过程降水量构建的分省单季稻分生育阶段洪涝等级指标能很好地反映长江中下游地区单季稻洪涝灾害的实际发生情况。

2.2 基于过程降水量判定单季稻洪涝灾害的时空变化分析

2.2.1 单季稻洪涝灾害的时间变化

根据构建的分省单季稻分生育阶段洪涝等级指标（表3），分别统计1961−2010年研究区内297个站点逐年分生育阶段大、中、小和总洪涝次数，计算分省逐年累计次数，即一年所有站点洪涝次数之和，结果见图2。

就单季稻全生育期的洪涝灾害而言，各省每年均有洪涝发生，洪涝次数呈波动增减，没有明显的线性趋势。随着洪涝灾害等级加大，洪涝发生的次数减少。湖北和湖南的年代际变化趋势相似，在20世纪90年代灾害发生显著增加，21世纪初又明显减少。安徽和浙江在80−90年代灾害发生相对较多。江苏的洪涝灾害发生年代际变化不大，仅在70年代相对较少。湖北省的大涝年有1969、1970、1980、1983、1996和1998年；湖南省的大涝年有1973、1980、1995、1996、1998、1999和2002年；安徽省的大涝年有1969、1975、1980、1983、1984、1987、1991、1996、1998和1999年；江苏省的大涝年有1962、1965、1969、1975、1980、1987、1991、2003、2005、2007和2009年；浙江省的大涝年有1983、1987、1989、1992、1997、1999、2002和2007年。

移栽-分蘖期各省单季稻的各等级洪涝灾害发生最频繁，几乎每年都有发生。湖北移栽-分蘖期洪涝灾害在1983、1991和1999年重涝异常偏多，20世纪70年代和21世纪初显著减少，在20世纪90年代显著增加；湖南移栽-分蘖期洪涝灾害在80年代发生相对较少，70年代重涝相对较多；安徽移栽-分蘖期洪涝灾害在80−90年代灾害发生相对较多，在1991年重涝异常偏多；江苏移栽-分蘖期洪涝灾害年代际变化不大，1991和2003年重涝异常偏多；浙江移栽-分蘖期洪涝灾害在80−90年代灾害发生相对较多，在1989和1997年重涝异常偏多。拔节-孕穗期和抽穗-成熟期，各省单季稻的各等级洪涝灾害发生明显减少，尤其是重涝仅在个别年份才发生，且总洪涝次数的年代际差异也不大。

2.2.2 单季稻洪涝灾害的空间分布

根据统计的单站单季稻生育期各等级50a累计洪涝次数，运用ArcGIS中的反距离插值法，生成研究区单季稻生育期洪涝灾害发生次数的分布图（图3）。由图中可见，就全生育期而言，灾害的高发区主要位于鄱阳湖和黄山地区、浙江沿海及恩施、张家界一带（图3a）。图3b−d显示，不同生育阶段灾害的高发区不尽相同，从移栽-分蘖、拔节-孕穗和抽穗-成熟期，洪涝发生次数逐渐减少，高发区面积也逐渐缩小。而在同一生育阶段内，单季稻轻涝、中涝、重涝发生的空间分布基本一致，且随着灾害等级的增大，灾害高发区逐渐缩小。移栽-分蘖期，灾害的高发区主要位于鄱阳湖和黄山地区、恩施和张家界一带（图3b）；拔节-孕穗期，灾害的高发区主要位于恩施和张家界一带、浙江沿海地区（图3c）；抽穗-成熟期，灾害的高发区主要位于湖南和浙江沿海地区（图3d）。

图2 1961−2010年各省单季稻生育期洪涝次数统计

图3 1961−2010年单季稻生育期各等级洪涝次数的统计

2.3 基于过程降水量判定单季稻洪涝灾害的风险分析

基于分省单季稻分生育阶段洪涝等级指标、长江中下游地区297个气象站点降水数据，利用信息扩散法计算单季稻分生育阶段和全生育期各等级洪涝灾害历年发生次数≥1次的概率，作为洪涝灾害的发生概率，将概率与洪涝灾害对应等级的发生强度加权得到洪涝灾害风险指数，绘制长江中下游地区单季稻洪涝灾害风险指数图（图4）。总体上看，单季稻全生育期洪涝灾害风险指数的高值区主要分布在湖北恩施、安徽和江西交界一带（图4a）。随着单季稻生育进程的推进，灾害风险指数高值区的面积逐渐缩小，且分布明显不同。移栽-分蘖期灾害风险指数普遍较高，除湖北省的西北局部地区外，大部分地区风险指数在0.6以上（图4b）；拔节-孕穗期灾害风险指数高值区明显缩小，主要位于浙江沿海、恩施和张家界一带，大都高于0.5（图4c）；抽穗-成熟期灾害风险指数高值区集中在浙江沿海地区，其余大部分地区为低值区，风险指数低于0.3（图4d）。

图4 单季稻生育期洪涝灾害风险指数的空间分布

3 结论与讨论

（1）构建了基于过程降水量的单季稻分生育阶段洪涝灾害等级指标，同等灾情时，抽穗-成熟期的指标阈值最高；同一生育阶段、同等灾情时，江苏、安徽的洪涝指标阈值相对较低。基于单季稻历史洪涝灾害的过程降水量样本，构建的分省分生育阶段单季稻洪涝灾害指标，在一定程度上，指标阈值的差异反映了不同地区、不同时段的单季稻洪涝灾害的孕灾环境、致灾因子和承灾体综合影响的不同，能够更全面地评价单季稻一次洪涝过程灾害的灾情。方法简单，且数据可实时获取，可以用于该区单季稻洪涝灾害的实时监测与预警评估，进一步为及时、准确地防灾减灾提供科学依据。受水稻洪涝历史灾情数据的限制，用于部分生育阶段构建指标的灾害样本较少，且指标等级划分较粗，未来在获取更精细的水稻洪涝灾情数据的基础上，可以细化灾级，进一步完善指标。单季稻不同生育阶段受灾的表现不同，未来可以结合单季稻淹涝控制试验，深入探讨灾害形成机理，运用到水稻灾情灾级评判中。

（2）该区近50a单季稻洪涝灾害的时空变化分析显示，总体上近50a研究区单季稻洪涝灾害在20世纪90年代的发生明显增多，原因是90年代该区的暴雨量和频次明显增多[21]，1991、1995、1996、1998和1999年该区发生的大洪水灾害，造成极为严重的损失[22]。受不同生育阶段单季稻的耐涝性差异和研究区降雨的季节性分布不均等影响，移栽-分蘖期洪涝灾害发生最频繁，几乎每年都有发生，拔节-成熟期，灾害发生明显减少，尤以重涝极少发生。洪涝除了对水稻造成直接危害如机械损伤、生理机能损坏外，还会诱发和加重病虫害的发生。明确易受淹区域的情况下，应完善水利设施和合理安排种植耐淹水稻；淹涝后的稻田应及时排水和清除杂物，合理施肥和注意病虫害防治[23]。灾害多发区主要位于鄱阳湖和黄山地区、浙江沿海及恩施张家界一带，与马润佳等[24]指出的该区单季稻洪涝灾害发生概率高值区基本一致。

（3）分析该区近50a单季稻洪涝灾害风险分布，发现总体上单季稻全生育期洪涝灾害风险指数的高值区主要分布在湖北恩施、安徽和江西交界一带，这些地区是长江中下游地区汛期最大降水量和暴雨量大值中心之一[21]。随着单季稻生育进程的推进，灾害风险指数高值区的面积逐渐缩小，移栽-分蘖期单季稻洪涝灾害风险指数普遍较高，拔节-成熟期风险指数明显减小，原因是受季风的影响，长江中下游地区的汛期暴雨在夏季发生最多、范围最广，而春季5月和秋季9−10月的暴雨范围和频率明显减少。拔节-孕穗期灾害风险指数高值区主要位于浙江沿海、恩施和张家界一带，抽穗-成熟期灾害风险指数高值区集中在浙江沿海地区。研究区6−8月正值单季稻移栽-孕穗期，暴雨量高值区集中在湖北东部和西南部、江西北部、安徽西南部和江苏北部，到抽穗-成熟期的9月，暴雨高值区集中在浙江沿海地区，其余地区暴雨较少[21]；而浙江省单季稻拔节-孕穗期和抽穗-成熟期主要处在台汛期（7月中下旬−9月），降水量以东南沿海最大[25]；湖南省单季稻的拔节-成熟期处于7−8月，此时湘西山丘区暴雨较多，易发生洪涝[26]，与本文中单季稻的洪涝灾害风险指数分布规律基本吻合。

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Flood Disaster Index Construction of Single Cropping Rice Based on Process Rainfall in Middle and Lower Yangtze River

ZHANG Gui-xiang1,2，HUO Zhi-guo1,3，YANG Jian-ying1，WU Li4，YANG Hong-yi1

（1．State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing 100081, China; 2．Climatic & Agrometeorological Center of Guangzhou City, Guangzhou 511430; 3．Colloborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044; 4．Meteorological Service Center of Fujian Province, Fuzhou 350001）

The single cropping rice is mainly distributed in the north of Yangtze River. Affected by climate, topography and landforms, Middle and Lower Yangtze River is one of the areas where floods occur most frequently. Therefore, it is very important to study the spatiotemporal variation law and risk distribution of single cropping rice flood in this area. In this study, daily precipitation data of 297 meteorological stations from 1961 to 2014, rice phenophase and flood disaster data in Middle and Lower Yangtze River were integrated to count process rainfall sequences at different stages of single cropping rice growth and different disaster levels. The lower limit of 95% confidence interval for sample sequences was calculated by t-distribution interval estimation method. Flood disaster index for each province in different single cropping rice growth stage was validated by the reserved independent samples of rice flood disaster. Afterwards, spatiotemporal and risk distribution of flood disaster for single cropping rice were analyzed in the area from 1961 to 2010. The results showed that tasselling-maturity stage’s index threshold was the highest in the same flood grade, followed by the jointing-booting stage’s and transplanting-tillering stage’s. In the same growth stage and same flood grade, index threshold of 5 provinces from low to high was Jiangsu, Anhui, Hubei, Hunan, Zhejiang. Single cropping rice flood occurred annually in each province, and without obvious tendency. With flood disaster level increasing, times of rice flood decreased. The high incidence areas of flood disaster for single cropping rice were mainly located in Poyang Lake, Zhejiang coast, Enshi and Zhangjiajie. Transplanting-tillering stage was faced with highest flood risk, with risk index >0.6. Except the coastal areas of Zhejiang, risk index in most areas decreased significantly with < 0.3 during the period from jointing to maturity.

Middle and Lower Yangtze River; Single cropping rice; Process rainfall; Flood disaster index; Spatiotemporal analysis; Risk analysis

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.05.004

张桂香,霍治国,杨建莹,等.基于过程降水量的长江中下游地区单季稻洪涝灾害指标构建[J].中国农业气象,2018,39(5):325-336

2017−08−13

。E-mail: huozg@cma.gov.cn

中国气象科学研究院科技发展基金（2018KJ012）；“十二五”国家科技支撑计划课题（2012BAD20B02）

张桂香(1989-)，女，硕士，主要从事农业气象灾害风险预测与评估研究。E-mail：mubeiguaiguai@163.com