贵州省1968～2017年旱涝急转时空演变特征分析

(华北水利水电大学 水利学院，河南 郑州 450011； 2.贵州省水利科学研究院，贵州 贵阳 550002)

贵州是自然灾害频发的省份，其中水旱灾害发生频次高，受灾面积大，且多呈插花性出现，极易形成旱涝急转事件，严重威胁当地社会经济发展[1]。贵州省旱涝急转通常与秋收和夏收作物生育期重合，短期内遭遇干旱和洪涝灾害的急剧转变，区域受到的影响和损失成倍增加；而气候变化导致极端水文事件的增多，将在很大程度上增加旱涝急转灾害的风险。从20世纪30年代至20世纪末，国内外学者从形成因素[2-4]、物理过程[5-6]、演变规律[7-8]等方面对水旱灾害进行了大量研究，但大部分都是以“水”“旱”相对独立[9-11]或将旱涝急转作为固定要素[12-14]进行。从21世纪初期开始，随着气候变化加剧，尤其是旱涝急转事件在中国的频发和广发，以“水”“旱”耦合为主的研究在国内进入了发展期，许多学者利用连续无雨日[15]、降水距平[16-17]、SPI[18]等常规气象干湿指标，对长江中下游地区[17-19]和淮河流域[15-16，18]的旱涝急转进行研究。虽然这些研究在宏观规律识别、特征分析方面有较好的效果，但不能完整地描述旱涝急转事件的过程及强度。为了更好地进行量化，吴志伟等[20]通过对比5～6月和7～8月降水的差异，定义了一个长周期降雨旱涝急转指数LDFAI(Long-cycle Drought-Flood Abrupt Alternation Index)，张水锋等[21]参考LDFAI，定义了径流旱涝急转指数RDFAI(Runoff Drought-Flood Abrupt Alternation Index)，闪丽洁等[22]针对LDFAI指数时间尺度大的问题加以改进，构建了日尺度旱涝急转指数DWAAI(Dry-Wet Abrupt Alternation Index)。该指数与前者相比，不仅体现了前后期旱涝差异程度，还体现了由旱转涝的急缓程度，即能够全面地反映旱涝转折过程的“急”和“转”。

本文在日尺度旱涝急转指数DWAAI的基础上，结合贵州省水文气象特点，对该指数计算方法中的前、后期旱涝程度项进行修正，根据计算结果，采用气候倾向率、Mann-Kendall法、反距离插值法等分析贵州省旱涝急转事件时空演变特征及规律，以期对贵州省旱涝急转的监测、预警及防洪抗旱提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

贵州省属于长江流域和珠江流域，地理位置介于103°36′E-109°35′E和24°37′N-29°13′N之间。境内地势西高东低，自中部向北、东、南三面倾斜，平均海拔在1 000 m左右，西部海拔1 600～2 800 m。全省河网密布，河流坡度陡，地貌复杂多样，以山地和丘陵为主，喀斯特地貌分布广泛，约占全省面积的73%。贵州省属于亚热带温湿季风气候区，全省年平均气温15℃左右，雨热同季，平均年降水量1 179 mm，但时空分布不均，由东南向西北递减，其中5～10月降水量占全年的75%。

1.2 数据来源

本文数据资料来源于中国气象局国家气象信息中心(http://data.cma.cn)，采用贵州省境内共19个基本气象站1968～2017年逐日降雨量资料，并对原始数据进行质量整理和补差。气象站点空间分布见图1。

图1 贵州省气象站点空间分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Guizhou Province

1.3 指标与方法

1.3.1修正的DWAAI指数

(1) DWAAI指数。DWAAI指数计算模型来源于吴志伟等[20]2006年定义的长周期降雨旱涝急转指数LDFAI，闪丽洁等[22]对LDFAI指数加以改进，构建了DWAAI指数，其表达式如下：

DWAAIi=K×a-|SPA前i+SPA后i|+(SPA后i-SPA前i)×

(|SPA前i|+|SPA后i|)×a-|SPA前i+SPA后i|

(1)

(2)

式中,SPA前i、SPA后i为前、后期标准化降水异常值[25]；SAPIi和SAPI0分别表示涝期第i天和前期最后一天的SAPI(Standard Antecedent Precipitation Index)值，其计算方法为对前期降水指数API(Antecedent Precipitation Index)取标准化[23]；n为涝期天数；α为权重系数，文献[22]建议取值范围为1<α≤1.4，根据贵州省实际情况，并结合α各种取值计算结果的对比及其合理性分析，确定取α=1.1。

(2) DWAAI指数的修正。旱涝急转事件中，前期干旱形成和后期洪涝急转是两个不同的阶段，其机理亦不同。干旱的形成是前期受旱积累的结果，且前期逐日降水对当日旱情的影响随日期增加呈指数形式衰减趋势[24-25]；后期强降水形成洪涝具有短期性的特点，不存在衰减和积累的过程。因此本文对SPA前i和SPA后i的计算进行修正如下：

(3)

(4)

式中，m为旱期天数，前期第44 d对当日旱情影响已小于1‰[24]，故本文m取44；k为衰减指数，Lu[24]在对密西西比河流域的研究中建议取0.9，但贵州省以喀斯特地貌为主，多山地丘陵，且土壤厚度薄，地下水层深，因此衰减程度较大，结合实际的参数优选，本次研究中取k=0.87；n为涝期天数，由于洪涝的短期性，n取值过大会造成“旱涝中和”，结合贵州省气象特点及实际计算结果优选，本文中n=5。结合计算结果及贵州实际情况，基于DWAAI指数的旱涝急转等级划分见表1。

表1 旱涝急转等级划分Tab.1 Grade division of dry-wet abrupt alternation index

1.3.2研究方法

本文参照黄晚华等[26]构建的区域干旱评估指标，用旱涝急转发生频率、旱涝急转站次比和旱涝急转强度来反映贵州省旱涝急转事件的时空特征，其中站次比反映旱涝急转发生范围的大小，具体计算公式见文献[26]。采用气候倾向率和Mann-Kendall法[27]进行趋势性分析。其中气候倾向率即线性倾向率，采用最小二乘法拟合长时间要素序列一元回归方程，并以回归系数的10倍表示；利用Mann-Kendall法对变化趋势的显著性进行检验；采用ArcGIS反距离权重插值法分析空间演变特征。

2 结果与分析

2.1 指标适用性验证

目前国内旱涝急转研究主要集中在长江中下游地区及淮河流域，贵州省降雨及旱、涝特征与类型和上述地区存在差异，因此分别以2011年和2012年典型旱涝急转事件为例，对修正的DWAAI指数在贵州省的适用性进行验证。根据计算结果，2011年及2012年贵州省旱涝急转事件空间分布见图2。根据真实情况，2011年5月上中旬，江西中北部、湖南中部、贵州东部地区出现较强的降水过程，尽管缓解了旱情，但同时造成3省部分地区出现旱涝急转事件；2012年5月下旬，由于降雨分布不均，铜仁市沿河县、德江县及毕节市黔西县发生严重旱涝急转事件。由图2(a)可看出，2011年除遵义市西部、六盘水市西南部等少数地区外，贵州省大部分地区均出现不同程度旱涝急转，东部地区最为严重；由图2(b)可看出，2012年除贵州省南部、西北部地区外，其他地区均出现不同程度的旱涝急转，且高强度区域集中在黔西县、铜仁市一带，与历史真实情况一致。

图2 贵州省2011年和2012年旱涝急转事件空间分布Fig.2 Spatial distribution of dry-wet abrupt alternation events in 2011 and 2012 in Guizhou Province

结合2011年和2012年贵州省旱涝急转实际情况，选取2011年榕江县、2012年黔西县和铜仁市旱涝急转发生时段前后的降水过程及对应的DWAAI指数进行验证，结果如图3所示。由图3(a)可看出，榕江县2011年5月10日前45 d累积降水87.5 mm，5月10日后5 d累积降水132.2 mm，其中5月11日单日降水77.0 mm，5月10日DWAAI指数为20.5，达到极值，因此判定5月10日为旱涝急转发生日期，等级为中度。图3(b)可看出，黔西县2012年5月7日前45天累积降水35.3 mm，5月7日后5 d降水190.5 mm，尽管5月12日单日降水达到150.9 mm，但DWAAI极值为35.9出现在5月7日，等级为重度，这是因为5月8日单日降水35.4 mm，更能体现出从当日开始旱涝变化“急”的程度，因此判定5月7日为旱涝急转开始日期，经过一定时期的涝期，5月中下旬旱涝急转产生严重影响。同理，由图3(c)可看出，铜仁市判定为5月8日为旱涝急转日期，但DWAAI指数为15.4，属轻度旱涝急转，这是因为前期累积降水达到204.9 mm，从旱涝变化“转”的角度说明旱涝急转程度没有黔西县高，从而进一步说明了指标的适用性和合理性。因此，修正的DWAAI指数在贵州省的适用性得到验证。

2.2 时间演变特征

2.2.1年内分布特征

由图4可看出，贵州省旱涝急转发生时间主要在4～10月，累积次数占全部旱涝急转次数的93.51%；7～9月相对集中，各发生75次、59次和67次，分别占全部事件次数的19.48%，15.32%和17.40%，12月至次年2月极少发生旱涝急转事件；就中度及以上旱涝急转事件来看，其年内发生时间主要集中在7～9月，各发生33次、24次和27次，分别占全部次数的8.57%，6.23%和7.01%。这与陈学凯[28]、卢瑞荆[29]分别对贵州省干旱、暴雨洪涝特征的研究结论基本一致，进一步证明DWAAI指数在贵州省的适用性。

2.2.2年际变化特征

(1) 站次比。由图5可看出，贵州省近50 a来旱涝急转站次比在10.53%～78.95%之间波动变化，且年际差异较大。2015，1986年等共5a发生区域性旱涝急转，2013，2007年等共14a发生部分区域性旱涝急转，2016～2017年、2014年等共21 a发生区域性旱涝急转，2011～2012年、2002年等共10a发生全域性旱涝急转；2000年以前主要以部分区域性和区域性旱涝急转为主，2000年以后全域性旱涝急转频繁发生，且站次比最高的年份均在2000年以后，分别为2002年和2011年(站次比78.95%)，表明近20 a来旱涝急转发生范围不断扩大。

图3 贵州省2011年和2012年典型旱涝急转事件过程Fig.3 The process of typical dry-wet abrupt alternation events in 2011 and 2012 in Guizhou Province

图4 贵州省1968～2017年旱涝急转事件年内分布Fig.4 Annual distribution of dry-wet abrupt alternation events over 1968～2017 in Guizhou Province

(2) 强度。由图5可看出，贵州省50a来旱涝急转强度在8.96～17.88之间波动变化，平均旱涝急转强度为12.59，表明整体上贵州省旱涝急转多以轻度为主。共29 a旱涝急转强度高于12.00，其中1970，2011年和1990年强度高于17.00，强度分别为17.88，17.55和17.43，为50a以来旱涝急转强度最高的3个年份。

图5 贵州省1968～2017年旱涝急转站次比和强度变化特征Fig.5 Variation characteristics of station proportion and intensity of dry-wet abrupt alternation over 1968～2017 in Guizhou province

从站次比和强度的变化趋势来看(见表2)，气候倾向率和Mann-Kendall法的结果一致，贵州省50 a来站次比和强度均有增加趋势，其中站次比增加趋势显著，表明随着时间增加，贵州省旱涝急转发生范围显著扩大，旱涝急转强度有增加的趋势。

2.2.3季节性旱涝急转历年变化特征

(1) 春季(3～5月)。由图6(a)可看出，贵州省50a的春季旱涝急转站次比在0～42.11%之间，平均为10.84%；仅1973年发生区域性旱涝急转，站次比42.11%，1969，1977，1999年和2006年共4 a发生部分区域性旱涝急转，其余45 a均为局域性旱涝急转或无明显旱涝急转，春季较大范围旱涝急转在1994～2007间发生频繁。春季旱涝急转强度年际间在0～16.80之间变化，平均为10.91；共有15 a春季旱涝急转强度超过12.00，其中有7 a集中在2000年以后，4 a发生在近10年，分别为2009年、2011～2012年和2016年。

表2 贵州省1968～2017年旱涝急转站次比和强度趋势检验结果Tab.2 Trend detection results of station proportion and intensity of dry-wet abrupt alternation over 1968～2017 in Guizhou Province

注：Z为Mann-Kendall检验统计量；β为Sen斜率，表示年均变化趋势；*表示α=0.05时变化趋势显著；下同。

(2) 夏季(6～8月)。由图6(b)可看出，贵州省50a的夏季旱涝急转站次比在0～57.89%之间，平均为18.74%，普遍较高，表明贵州省夏季旱涝急转发生范围大；夏季旱涝急转站次比最高的年份为2002年，达57.89%，为全域性旱涝急转，1982、1991，2009年和2012年共4 a发生区域性旱涝急转，2011，2005年等共10 a发生部分区域性旱涝急转，2016，2014年等共23 a发生局域性旱涝急转。夏季旱涝急转强度年际间在0～27.02之间变化，平均为13.74。有37 a强度超过12.00，其中2004年达到27.02，整体上为重度水平，是夏季旱涝急转强度最强的一年。

(3) 秋季(9～11月)。由图6(c)可看出，50 a的秋季旱涝急转站次比在0～47.37%之间，平均为10.63%；1990年和2011年共2a秋季发生区域性旱涝急转，1970，1978年和1996年共3a秋季发生部分区域性旱涝急转，1969，1975，1976年等共21 a秋季发生局域性旱涝急转，其中有9 a发生在2000年以后，4 a发生在2010年以后。秋季旱涝急转强度年际间在0～19.36之间变化，平均为11.15。有22 a秋季旱涝急转强度超过12.00，其中2011年达到19.36，整体上为中度水平，是秋季旱涝急转强度最强的一年。

(4) 冬季(12～2月)。根据计算结果，贵州省50 a冬季仅发生3次旱涝急转事件，分别为1983，2009年和2017年，且都属轻度事件，由图6(d)可以看出，就站次比来看，尚不能看出变化规律；冬季旱涝急转强度变化在0～12.66之间，平均为2.59。故贵州省冬季无明显旱涝急转发生。

从不同季节旱涝急转站次比和强度变化趋势来看(表3)，气候倾向率和Mann-Kendall法的结果基本一致。春季旱涝急转站次比有微弱的增加趋势，强度增加趋势显著；夏季旱涝急转站次比和强度均有显著增加的趋势；秋季旱涝急转强度有微弱的减小趋势，秋季站次比线性倾向率和Mann-Kendall检验统计量Z结果不一致，但二者绝对值均较低，故秋季站次比无明显变化趋势；冬季旱涝急转站次比和强度均有增加趋势，但不显著。

图6 贵州省1968～2017年不同季节旱涝急转站次比和强度变化特征Fig.6 The seasonal variation characteristics of station proportion and strength of dry-wet abrupt alternation over 1968～2017 in Guizhou Province

表3 贵州省1968～2017年不同季节旱涝急转站次比和强度趋势检验结果Tab.3 Trend detection results of station proportion and strength of dry-wet abrupt alternation in different seasons over 1968～2017 in Guizhou Province

2.3 空间演变特征

2.3.1发生频率空间分布特征

由图7可看出，1968～2017年贵州省旱涝急转发生频率地区差异明显，整体呈现由东向西递减。旱涝急转易发地区主要集中在铜仁中南部和黔东南中东部，发生频率为50.85%～68.00%，为1～2 a一遇；毕节西部地区发生频率较低，频率在24.01%～33.90%之间。

2.3.2季节性空间变化

根据计算结果分别统计各站点不同季节旱涝急转发生频率，按照超过10 a一遇(0～10%)、7～10 a一遇(10%～15%)、5～7 a一遇(15%～20%)和不到5 a一遇(>20%)分为4个区，其空间分布见图8，不同区域面积比例见表4，并用各发生频率所占面积比例与频率之积表示旱涝急转区域严重指数(Severity Index)。由图8可看出，不同季节旱涝急转发生频率空间分布差异较大。春季旱涝急转发生频率南部高于北部，易发地区主要为黔西南一带，其中兴义市发生频率超过20%，即不到5 a一遇；中部、北部大部分地区及毕节西部地区发生频率在10%以下，见图8(a)。夏季与春季正好相反，整体呈现由北向南递减，发生频率超过20%的易发区遍及中北部大部分地区，仅黔西南局部地区发生频率在10%以下，见图8(b)；秋季旱涝急转发生频率呈现由东向西递减，黔东南、铜仁西南部和遵义东南部一带为相对易发地区，发生频率为15%～20%，即5～7 a一遇，黔西北、黔西南大部分地区发生频率不到10%，见图8(c)。冬季极少发生旱涝急转事件，全省发生频率均在10%以下，见图8(d)。

图7 贵州省1968～2017年旱涝急转频率空间分布Fig.7 Spatial distribution of dry-wet abrupt alternation frequency over 1968～2017 in Guizhou Province

由表4可看出，春季和秋季全省80%以上区域旱涝急转发生频率在15%以下；夏季全省超过50%区域旱涝急转发生频率在50%以上，频率低于10%的区域只有3.53%；冬季受旱涝急转事件影响较小。就严重程度来看，夏季旱涝急转最为严重，从高到低依次为夏季、秋季、春季、冬季。

表4 贵州省1968～2017年不同季节旱涝急转各频率面积比例Tab.4 The area proportion of each frequency in different seasons over 1968～2017 in Guizhou Province

2.3.3年代际空间变化特征

为方便描述年代际变化特征，从1968年开始，每10 a记为一个年代。根据计算结果分别统计各站点不同年代旱涝急转发生频率，按照超过5 a一遇(0～20%)、3～5 a一遇(20%～33.33%)、2～3 a一遇(33.33%～50%)和1～2 a一遇(>50%)分为4个区，其空间分布见图9，不同区域面积比例见表5。

由表5可看出，1988～1997年代开始，旱涝急转1～2 a一遇的易发地区面积急剧增长，1998～2007年代全省超过50%的面积为1～2 a发生一次，近10 a易发地区面积有所降低；发生频率33%～50%，即2～3 a一遇的面积相对稳定；发生频率20%～33.33%，即3～5 a一遇的面积显著降低。就严重程度来看，1998～2007年旱涝急转最为严重，2008～2017年次之，1978～1987年旱涝急转严重性最低。

图8 贵州省1968～2017年不同季节旱涝急转频率空间分布Fig.8 Spatial distribution of dry-wet abrupt alternation frequency in different seasons over 1968～2017 in Guizhou Province

图9 贵州省各年代旱涝急转频率空间分布Fig.9 Spatial distribution of dry-wet abrupt alternation frequency in different decades in Guizhou Province

表5 贵州省不同年代旱涝急转各频率面积比例Tab.5 The area proportion of each frequency in different decades in Guizhou Province

由图9可看出，除1998～2007年外，各年代旱涝急转频率空间分布基本均呈现由东向西递减；随着年代增加，旱涝急转易发地区的范围不断扩大。1968～1987年，频率高于50%，即1～2 a一遇的易发区在黔东南、毕节、遵义、铜仁零星分布，见图9(a)、(b)；1988～1997年，易发区的范围已扩大到贵阳、遵义、铜仁及黔东南地区，见图9(c)；1998～2007年，除安顺局部地区外，全省旱涝急转均为1～3 a一遇，其中1～2 a一遇的易发地区范围进一步扩大到贵州西北部、西南部和东南部的大部分地区，见图9(d)；2008～2017年，除遵义和黔西南的局部地区外，全省旱涝急转均为1～3 a一遇，易发地区范围相比1998～2007年有略微减小，但整体上分布范围仍比较大，见图9(e)。

3 结 论

(1) 修正后的DWAAI指数保留了原指数精度高、反映全面的优点，而且计算结果合理，与真实情况吻合度较好，在贵州省具有较好的适用性。

(2) 时间上，贵州省旱涝急转主要发生在4～10月；年际变化上，站次比和强度均有逐年增加的趋势，其中站次比增加趋势显著；季节特征上，除秋季外，其他季节站次比和强度均有上升趋势，其中春夏两季旱涝急转强度和夏季旱涝急转站次比增加趋势显著，秋季旱涝急转强度有减小趋势，站次比变化趋势不明显。贵州省易旱类型为夏旱和春夏连旱，年内降雨集中分布在5～10月，因此春末至初秋是旱涝急转易发时段，这与本文的研究结论相一致。

(3) 空间上，贵州省旱涝急转发生频率整体呈现由东向西递减的态势；不同季节差异较大，春季易发生在南部地区，夏季易发生在中北部地区且易发地区面积最大，秋季易发生在东部地区。随着年代的推移，旱涝急转易发地区范围不断扩大，其中1998～2007年旱涝急转最为严重。尽管近10 a相比1998～2007年范围略微减小，但高强度旱涝急转频发，如2011～2012，2014，2016年，造成的社会经济损失远高于过去，因此研究旱涝急转的演变规律并对其监控、预警有着重要的实际意义。

(4) 贵州主要粮食作物和经济作物主要以秋收为主，其生育期与旱涝急转易发时段吻合，因此旱涝急转对农业生产影响巨大，有必要结合具体作物生理指标、土壤墒情等，对具体作物旱涝急转的响应机理开展更加深入的研究。