1959—2018年大伙房水库流域旱涝急转特征分析

岳树朋

(辽宁省大伙房水库管理局有限责任公司，辽宁 抚顺 113000)

IPCC 第五次评估报告中指出20世纪中叶以来，极端事件的强度和频率发生明显变化[1]。1961年以来，中国区域性的高温事件、气象干旱事件和强降雨事件增多。其中，干旱和洪涝灾害是最为突出的2类极端气候事件。近年来许多学者开展了很多具有区域特色的旱涝事件研究。吴志伟等[2]通过对比5—6月和7—8月降水的差异定义了一个长周期旱涝急转指数,对长江中下游地区夏季旱涝急转现象进行研究；孙鹏等[3]分析了东江流域汛期长周期和短周期降雨旱涝急转现象的趋势变化和时空分布特征；方永旭等[4]通过旱涝急转指数研究了王英水库灌区水旱交替特征，并探讨了旱涝急转对农业的影响；何慧等[5]采用长周期旱涝急转指数研究了1961—2014年华南地区夏季旱涝急转的演变规律,结果表明，华南地区旱涝急转强度增强，发生频率增大；张屏等[6]通过计算各旬降水量的距平及距平百分率,在确定旱涝等级的基础上对旱涝急转事件进行定义,并对淮北市旱涝急转进行规律分析；罗蔚等[7]对鄱阳湖入湖总水量变化分析，发现鄱阳湖旱涝和涝旱交替出现，进入21世纪，旱涝和涝旱转换的时间间隔变短、震荡加剧；闪丽洁等[8]分析长江中下游流域旱涝交替，发现流域内旱涝急转以涝转旱为主，旱转涝主要发生在长江北岸，涝转旱主要发生在长江南岸；吴志伟等[9]揭示了华南夏季旱涝急转事件与季节性严重旱涝事件的显著差异,并对华南旱涝急转夏季大气环流异常特征和前期海气异常信号进行了分析。

旱涝急转指的是在研究时期内，一段时间发生干旱，一段时间发生洪涝，旱涝交替出现的情形[10]。上述研究表明不同流域旱涝急转特征不尽相同，以往针对大伙房水库流域内旱涝异常的研究大多立足于年总降水量，对季节内旱涝变化情况研究较少，而季节内旱涝变化对水资源配置和工农业生产十分重要。目前在水文序列分析中，对于趋势变化及预测的方法很多，比较成熟的方法有R/S分析法、Mann-Kendall检验法等。R/S分析法[11]是在20世纪中叶由英国水文学家Havold Edwin Hurst提出的一种判断时间序列是否具有标度不变性的统计分析方法。王孝礼等[12]在国内首次将R/S分析法应用于水文时间序列分析中，该方法能揭示水文时间序列变异特征。Mann-Kendall方法[13]广泛应用于检验气候与径流的时间序列变化中，能很好的体现时间序列的趋势特征。基于此，本文根据大伙房水库流域 1959—2018 年6—9月逐月降水量资料，利用长、短周期旱涝急转指数和滑动平均法、线性趋势法、Mann-Kendall趋势分析法、R/S分析法从典型旱涝急转年、旱涝急转趋势和旱涝急转强度变化及未来趋势等方面着手，研究大伙房水库流域内旱涝急转特征，为流域内水资源科学配置、城市防灾、减灾工作提供理论参考和数据支持。

1 资料与方法

1.1 研究区概况与数据资料

大伙房水库位于辽河的大支流浑河中上游，坐落在辽宁省抚顺市境内，控制流域面积5 437 km2，总库容21.87亿m3。坝址以上流域多年平均径流量15.13亿m3，洪水主要发生在6—9月，洪水成因主要是此期间的大暴雨，坝址以上流域多年平均降水量792.1 mm。

本文选取大伙房水库流域(图1)内13个雨量站1959—2018年6—9月的实测降雨量数据进行分析研究。

图1 大伙房水库流域

1.2 研究方法

本文以6—9月这4个月的降水量为研究对象，在消除量纲对实验结果影响的基础上，采用长、短周期旱涝急转指数，来分析大伙房水库旱涝急转的特征。长周期的变化时间尺度为 2个月，短周期则以月为单位。长周期旱涝急转指的是，6—7 月旱，8—9 月涝称为“旱转涝”，反之，则为“涝转旱”。短周期旱涝急转指的是相邻月份，一个月份为旱，另一个月份为涝，称其为“旱转涝”，反之，则为“涝转旱”。并运用滑动平均法、线性趋势法、Mann-Kendall趋势分析法和R/S分析法对旱涝急转强度变化趋势进行分析。

a)降雨量标准化处理

(1)

b)长周期旱涝急转指标

LDFAL=(R89-R67)·(|R67|+|R89|)·1.8-|R67+R78|

(2)

式中R67——夏季6—7月标准化降雨量；R89——夏季8—9月标准化降雨量；|R67|+|R89|——旱涝强度项；1.8-|R67+R89|——权重系数，作用是增加长周期旱涝急转事件所占权重，降低全旱或全涝事件权重。降雨量距平标准差小于-0.5为偏旱，小于-1为显著偏旱,大于0.5为偏涝，大于1为显著偏涝。

c)短周期旱涝急转指标

SDFAL=(Rj-Ri)·(|Ri+Rj|)·3.2-|Ri+Rj|,j=i+1(i=6,7,8)

(3)

选用3.2-|Ri+Rj|作为权重系数，分别计算6—7、7—8、8—9月的月间旱涝急转指数。

d)Mann-Kendall趋势分析法。Mann-Kendall法是非参数统计检验的方法 ，目前，Mann-Kendall趋势及突变检验法对水文站实测径流时间序列趋势变化及突变点的分析已被广泛应用于检验气候与降雨的时间序列变化中。Mann-Kendall法能很好地揭示时间序列的趋势变化。

e)R/S分析法。R/S (Re-scaled Range )是一种时间序列统计法。利用R/S分析法可以计算得Hurst指数H，该指数可以反映具有统计特性的非线性数据系列的持续性，适用于降雨序列。通过Hurst 指数，可判定降雨时序的状态持续性及其记忆长度。

2 旱涝急转特征

2.1 旱涝急转典型年

根据式(2)统计的长周期旱涝急转指数，选取其中最高(低)前6 a(表1)，高LDFAL年中，6—7月标准化降雨量中有4 a小于-0.5(2 a小于-1.0)，说明6个高LDFAL里4 a偏旱,2 a显著偏旱，而8—9月标准化降雨量中有4 a大于0.5(1 a大于1.0，2 a大于2.0)，有4 a偏涝，1 a显著偏涝；低LDFAL年中，6—7月标准化降雨量中6 a均大于0.5(2 a大于2.0)，说明6个低LDFAL里有6 a偏涝，2 a显著偏涝，而8—9月标准化降雨量中有5 a小于-0.5(3 a小于-1.0)，有5 a偏旱，3 a显著偏旱。

在高LDFAL年，8—9月的标准降雨量均大于6—7月，即降雨量6—7月到8—9月有增加趋势；在低LDFAL年，8—9月的标准降雨量均小于6—7月，即降雨量6—7月到8—9月有减少趋势，由此可知，高LDFAL年对应“旱转涝”年，低LDFAL年对应“涝转旱”年。

表1 1959—2018年最高(低)LDFAL年及其标准化降雨量

根据上述分析结果，在LDFAL中选出指数大于 1 的年份为典型“旱转涝”年，小于-1的年份为典型“涝转旱”年(表2)。需要说明的是，在低LDFAL年中，1995年8—9月的标准化降雨量为0.15，没有达到-0.5个标准差，但6—7月标准化降雨量为3.87，大于3倍标准差，差异异常明显，同样的情况还有1967年；2002年6—7月的标准化降雨量为0.31，没有达到0.5个标准差，但8—9月标准化降雨量为-1.11，大于1倍标准差，差异明显，同样的情况还有2003年,故将这4 a选为涝转旱典型年；在高LDFAL年中，1964年6—7月的标准化降雨量为0.18，没有达到-0.5个标准差，但8—9月标准化降雨量为2.02，大于2倍标准差，差异明显；1965年8—9月的标准化降雨量为0.26，没有达到0.5个标准差，但6—7月标准化降雨量为-1.48，大于1倍标准差，差异明显，同样的情况还有1972年,故将这3 a选为旱转涝典型年。大伙房水库流域在1959—2018年间共发生14次典型旱涝急转现象。

表2 1959—2018年旱涝急转典型年及其标准化降雨量

根据式(3)统计的短周期旱涝急转指数，再选取最高(低)的SDFAL年，得到低SDFAL年的旱涝情况。与长周期典型旱涝年选择类似，得出典型的“旱转涝”年(表3—5)；大伙房水库流域在1959—2018年间6—7月共发生9次典型旱涝急转现象，7—8月共发生6次典型旱涝急转现象，8—9月共发生11次典型旱涝急转现象。

表3 1959—2018年6—7月旱涝急转典型年及其标准化降雨量

表4 1959—2018年7—8月旱涝急转典型年及其标准化降雨量

表5 1959—2018年8、9月旱涝急转典型年及其标准化降雨量

2.2 旱涝急转典型年降雨特征

旱涝急转年分为“旱转涝”年和“涝转旱”年，根据长周期旱涝急转指数的计算结果，1987年LDFAL指数为3.15，属于典型“旱转涝”年，1975年LDFAL指数为-7.29，属于典型“涝转旱”年，绘制1975—1987年6—9月逐日降雨量(图2)。

图2 大伙房流域长周期典型旱涝急转年逐日降雨量

在1975年，6—7月降雨量为553.4 mm,8—9月降雨量为131.9 mm，6—7月降雨次数多，其中7月发生6次大降雨，最大值达92.7 mm；8—9月降雨量与降雨次数均少，超过10 mm降雨过程仅5次，最大值为20.6 mm，因此认为7月以涝为主，8—9月为持续性干旱，对应低LDFAL年的涝转旱过程。

在1987年，6—7月降雨量为240.9 mm,8—9月降雨量为344.1 mm，6月降雨量少，且次降雨量较小，大多未能形成有效降雨，7月降雨较6月有所增加，但总体雨量较少；8—9月降雨量与降雨次数增多，8月发生5次大的降雨过程，9月中后期降雨量减少，总体上，6—9月降雨过程较为温和，无极端降雨过程，因此认为6月为持续干旱，7月为间歇性干旱，8—9月以涝为主，对应高LDFAL年的旱转涝过程。

根据短周期旱涝急转指数的计算结果，绘制6—7、7—8、8—9月典型旱涝急转年逐日降雨量(图3)。

a)6—7月

b)7—8月

c)8—9月图3 大伙房流域短周期典型旱涝急转年逐日降雨量

2010年，6月平均降雨67.2 mm，降雨稀少，仅发生2次大于10 mm降雨过程，且持续多日无雨，表现为持续干旱；7月降雨增多，平均降雨386.5 mm，在7月下旬发生4次降雨过程，最大1 d降雨量105.1 mm，7月以涝为主且雨量集中，对应高SDFAL6—7月的旱转涝过程。

2014年，6月平均降雨187.8 mm，上旬降雨稀少，中、下旬雨量增多，总体以涝为主，7月平均降雨78.1 mm，上、下旬几乎无降雨过程，中旬降雨有所增加，但雨量小，除21日降雨28.9 mm外，其余降雨均不超过10 mm，表现为持续干旱，对应低SDFAL6—7月的涝转旱过程。

2011年，7月平均降雨83.4 mm，降雨稀少，仅发生2次大于10 mm降雨过程，且持续多日无雨，表现为持续干旱；8月降雨增多，平均降雨218.4 mm，在8月下旬发生3次大的降雨过程，其余时间降雨稀少，8月以涝为主，雨量相对集中，对应高SDFAL7—8月的旱转涝过程。

1991年，7月平均降雨292.8 mm，降雨次数多，雨量大，以涝为主，8月平均降雨87.9 mm，仅有3次大于10 mm的降雨，且最大值仅为20.3 mm，表现为间歇性干旱，对应低SDFAL7—8月的涝转旱过程。

1992年，8月平均降雨56.6mm，降雨稀少，仅发生2次大于10 mm降雨过程，且持续多日无雨，表现为持续干旱；9月降雨增多，但总体雨量较少，平均降雨104.2 mm，在9月发生3次大的降雨过程，其余时间降雨稀少，9月相对较涝，对应高SDFAL8—9月的旱转涝过程。

2005年，8月平均降雨338.2 mm，上、中旬降雨次数多，雨量大且降雨集中，以涝为主，9月平均降雨24.0 mm，降雨次数少且无大于10 mm的降雨过程，表现为持续干旱，对应低SDFAL8—9月的涝转旱过程。

综上所述，长、短周期旱涝急转指数可以很好地反映大伙房水库流域 6—9 月旱涝急转变化的特征。

3 旱涝急转变化分析

3.1 旱涝急转变化趋势分析

LDFAL可以反映研究区域是“旱转涝”，还是“涝转旱”的过程，绘制出 1959—2018 年大伙房流域LDFAL指数时间序列(图4)。大伙房水库流域在1959—2018年期间，发生典型“旱转涝”5 a,平均12 a/次，发生典型“涝转旱”9 a,平均6.67 a/次，旱涝急转发生频率为4.28 a/次；且在1987年后没有“旱转涝”发生，2005年以后无典型旱涝急转现象发生，曲线起伏平缓，LDFAL变化趋势呈不明显的微弱上升。由上所述，随着时间推移，LDFAL逐渐趋于平缓，长周期旱涝急转现象发生概率降低。

图4 1959—2018年大伙房流域LDFAL指数时间序列

根据SDFAL计算结果绘制出 1959—2018 年大伙房流域6—7、7—8、8—9月的SDFAL指数时间序列(图5)。大伙房水库流域在1959—2018年期间，6—7月发生典型“旱转涝”6 a,平均10 a/次，发生典型“涝转旱”3 a,平均20 a/次，旱涝急转发生频率为6.67 a/次，且在1965—2009年间SDFAL相对平缓，发生“旱转涝”和“涝转旱”各一次，随着时间推移，SDFAL变化呈下降趋势，即由“旱转涝”主导转向以“涝转旱”为主导；7—8月发生典型“旱转涝”2 a,平均30 a/次，发生典型“涝转旱”4 a,平均15 a/次，旱涝急转发生频率为10 a/次；且在1993年以后SDFAL变化相对平缓，随着时间推移，SDFAL变化呈上升趋势，即由“涝转旱”主导转向以“旱转涝”为主导；8—9月发生典型“旱转涝”7 a,平均8.57 a/次，8—9月发生典型“涝转旱”4 a,平均15 a/次，旱涝急转发生频率为5.45 a/次；且在1993年之前未发生“涝转旱”，1993年以后未发生“旱转涝”，随着时间推移，SDFAL变化呈下降趋势，即由“旱转涝”主导转向以“涝转旱”为主导。

a)6—7月

b)7—8月

c)8—9月图5 1959—2018年大伙房流域SDFAL指数时间序列

3.2 旱涝急转强度变化趋势分析

LDFAL可以反映研究区域的旱涝急转过程，但是，在一定程度上未能反映旱涝急转的强度，因此，为了更好地反映旱涝急转的强度变化，对LDFAL和SDFAL取绝对值，并绘制出 1959—2018 年旱涝急转强度的年际变化(图6、7)。

图6 1959—2018年大伙房流域LDFAL强度时间序列

滑动平均法可以使序列高频震荡对变化趋势分析的影响得以弱化[14]，本文旱涝急转强度以5 a进行滑动平均，观察图6，LDFAL强度序列呈下降趋势，表示旱涝转换强度减弱。在60 a内，LDFAL强度序列呈现阶段性，1972—1982 年、1985—1994年为相对偏强期；其中，1975、1979 年旱涝急转情况比较严重。

观察图7，6—7月SDFAL强度序列呈上升趋势，旱涝转换强度增强，7—8月SDFAL强度序列呈下降趋势，旱涝转换强度减弱，8—9月SDFAL强度序列呈不明显下降趋势，旱涝转换强度减弱。

a)6—7月

b)7—8月图7 1959—2018年大伙房流域SDFAL强度时间序列

c)8—9月续图7 1959—2018年大伙房流域SDFAL强度时间序列

利用Mann-Kendall趋势分析法，计算统计量U值，如果U>0，表明有上升趋势，如果U<0，表明有下降趋势。当U大于置信区间时，即U>U0.05/2=1.96,表示序列趋势变化显著。

对大伙房水库流域的旱涝急转强度计算结果见表6，长周期旱涝急转强度呈下降趋势，短周期6—7月旱涝急转强度呈上升趋势，7—8月旱涝急转强度呈下降趋势，8—9月旱涝急转强度呈下降趋势。

表6 旱涝急转强度Mann-Kendall统计值成果

利用Mann-Kendall法揭示序列的趋势特征，R/S分析法揭示序列的持续性[15]，结合2种方法综合得出未来的趋势特征[16]。Hurst系数H的取值范围为(0,1)，当H=0.5时，旱涝急转强度序列为随机序列，目前的强度不会影响未来趋势；当H>0.5时，强度序列具有持续性，存在长期记忆性，即下一个状态将持续上一个状态的态势，且其记忆性不随时间标度而变化，当H<0.5时，系统是逆持续性的，即下一个状态与上一个状态的态势相反，这种逆持续性行为的强度取决于距离0的远近，H距离0值越近，负相关性越显著。

对大伙房水库流域旱涝急转强度未来趋势预测，计算结果见表7。在2018年后的一定时间内，大伙房水库流域长周期旱涝急转强度呈现不明显的下降趋势，短周期6—7、7—8月的旱涝急转强度呈现不明显的上升趋势，8—9月的旱涝急转强度呈现不明显的下降趋势。

表7 旱涝急转强度未来趋势变化特征

4 结论

大伙房水库流域降水量年内分配差异明显，主要集中在6—9月份。流域处于盛行西风带，降雨特征受欧亚大气环流影响较大，环流形势和太平洋副热带高压相互作用，常形成大暴雨；其次，台风、华北气旋等也是流域降雨的重要成因。流域的降雨系统主要有西南系统(华北气旋、渤海气旋、江淮气旋、台风、倒槽)、西北系统(冷锋、蒙古气旋、蒙古低压)、东北系统(东北气旋、东北低压)。随着全球气温升高，使流域大气环流、降雨系统发生变化，极端气候现象增多，导致流域降雨特征发生变化，进而影响流域旱涝急转规律。

本文基于对大伙房水库流域内13个雨量站降雨资料的分析，得到流域旱涝急转变化的特点，有以下几个重要结论。

a)长、短周期旱涝急转指数可以很好地反映大伙房水库流域 6—9 月旱涝急转的特征。

b)大伙房水库流域长周期旱涝急转发生频率为4.28 a/次，LDFAL指数1992年后变化平缓，旱涝急转情况不突出，短周期6—7、7—8、8—9月旱涝急转发生频率依次为6.67、10.00、5.45 a/次。

c)长周期LDFAL变化逐渐趋于平缓，旱涝急转现象发生概率降低；短周期6—7、8—9月SDFAL变化呈下降趋势，由“旱转涝”主导转向以“涝转旱”主导；7—8月SDFAL变化呈上升趋势，由“涝转旱”主导转向以“旱转涝”为主导。

d)2018年后的一定时间内，大伙房水库流域长周期旱涝急转强度呈现不明显的下降趋势，短周期6—7月、7—8月的旱涝急转强度呈现不明显的上升趋势，8—9月的旱涝急转强度呈现不明显的下降趋势。

本文仅从降水的角度对大伙房水库流域内旱涝急转现象进行研究，总结归纳了流域内旱涝急转变化特征，分析了旱涝急转变化规律及未来趋势，具有一定的研究意义，但未考虑温度、大气环流等因素的约束，后续将结合多因素对研究区旱涝急转规律做进一步的探讨、分析。