基于SPI的旱涝气候演变及对洪湖水位的影响分析

邓艳君 周守华 杨超

摘要： 利用洪湖市气象站逐月降水数据和洪湖水位站水位资料，计算不同时间尺度标准化降水指数（SPI）及其干旱等级，分析洪湖市旱涝气候演变及不同时间尺度旱涝气候事件演变特征，探讨降水量、不同时间尺度SPI与洪湖水位的相关性。结果表明，洪湖市近62年来干旱年和洪涝年频次和等级均相差较小，不同季节旱涝变化及等级频次分布存在一定差异，洪湖市呈湿润化演变趋势，SPI以0.086/10年的速率弱增长，春、秋季SPI呈下降趋势，干旱略加剧，夏、冬季SPI呈增长趋势，洪涝加剧;洪湖水位与降水变化趋势一致，但时间上有所滞后，洪湖水位与SPI具有较好的相关性，相关程度因SPI的时间尺度存在一定差异，其中SPI3与水位相关性最好，利用3个月时间尺度的SPI3来监测洪湖水位变化，两者具有很好的一致性，可以采用SPI3指数监测洪湖水位。

关键词：旱涝; SPI; 洪湖; 水位

中图分类号：P467;P426.616    文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）10-0032-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.10.007             开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Abstract： Based on the monthly precipitation data from Honghu meteorological station and water level data from Honghu lake， variables time-scale standard precipitation index（SPI） was calculated. Using SPI， the changes of drought-flood and the temporal characteristics of drought-flood events were analyzed in Honghu lake. The correlation among precipitation， various time-scale SPI and water lever were investigated. The results showed that the frequency and grade of the drought and flood events in Honghu lake in the past 62 years were approximate on the annual scale， little difference on seasonal scale. There was a wetting trend in Honghu， and annual SPI decreased with an average rate of 0.086/10a. SPI declined in spring and autumn， and slightly intensified in drought; SPI increased in summer and winter， and increased in flood and waterlogging. The variability between the water level and the precipitation data was consistent， but the water level later than the precipitation data three months. Variables time-scale SPIand water level were significant correlation. The 3 month scale SPI3 was most closely correlated with water level of Honghu lake. The 3 month scale SPI3 agrees well with the variability of the water level. SPI3 can be used to monitor the water level of Honghu lake.

Key words： drought and flood; standard precipitation index（SPI）; Honghu lake; water level

在近百年以全球变暖为主要特征的气候变化影响下，洪湖湿地气候与生态出现了显著的变化[1]，极端旱涝气候事件对湖泊湿地造成严重威胁、破坏[2]，2010―2011年旱涝急转、2016年全流域洪涝，使洪湖湿地及其生态系统遭受极大危害，已经引起当地政府及有关学者的关注。国内外对极端天气气候事件进行了许多分析研究[3-5]，但主要关注的是极端气候事件的时间空间变化特点。对于极端气候事件的影响分析中，对农业的影响已有了相关研究[6-11]，针对极端气候事件对湖泊湿地等自然生态系统的影响研究相对较少。胡毅鸿等[12]利用标准化降水指数和夏季长周期旱涝急转指数，分析洞庭湖区旱涝演变及典型年份旱涝急转特征;刘敏等[13]分析不同时间尺度SPEI/SPI干旱指数与洪湖水位的相关性，发现基于5个月时间尺度的SPEI/SPI干旱指数监测历史时期洪湖水位变化具有很好的一致性;程玉菲等[14]研究疏勒河流域极端水文事件对極端气候事件的响应关系，发现极端洪水事件主要受控于极端降水事件，特别是极端降水总量;黄菊梅等[15]基于标准化降水指数分析了洞庭湖区干旱时空分布特征，计算了标准化降水指数、降水量和水位之间的相关性。本研究以洪湖为例，计算不同尺度标准化降水指数（SPI）及其干旱等级，基于SPI分析洪湖市旱涝气候演变特征及不同时间尺度旱涝气候事件变化特征，探讨SPI、降水量和水位之间的相关性，分析降水对洪湖水位的影响。这对把握洪湖市旱涝出现规律、指导洪湖科学调度、防汛抗旱、防灾减灾具有参考意义。

1  研究区概况

洪湖市位于湖北省江汉平原腹地，以境内最大的湖泊——洪湖而命名，属亚热带湿润季风气候，其特点是冬夏长，春秋短，四季分明，光照充足，雨量充沛，年均降水量1 174 mm，降水主要集中于春夏，最大月降水量出现在6月，最小月降水量出现在12月（图1）。洪湖位于四湖流域下游入口，是湖北省第一大淡水湖，年平均水位24.6 m，高水位出現在7―9月，低水位出现在12月至次年4月，滞后于月降水量2～3个月。

2  材料与方法

2.1  资料来源

气候资料采用洪湖气象站1957年1月至2018年12月逐月平均降水量。洪湖水位资料采用洪湖湖区水位代表站挖沟咀水位站2000年1月至2018年12月月平均观测资料。为消除年周期及长期趋势，对原始水位资料进行了标准化预处理。

2.2  研究方法

采用具有多时间尺度特征的标准化降水指数作为衡量洪湖市气候旱涝指标。SPI计算简单，仅需降水资料即可计算，具有良好的稳定性，适用于不同地区和不同时间尺度的旱涝监测评估服务，被广泛应用于旱涝评估中[16-20]。标准化降水指数假定降水量的变化符合Γ分布，运用数理方法，对其经过正态标准化处理得到指数。具体计算方法参考气象干旱等级GB/T 20481―2017[21]。本研究利用1957―2018年近62年的降水量资料，计算了SPI1、SPI3、SPI6、SPI12（分别为1、3、6和12个月尺度的SPI）。季节SPI取每季最后1个月的SPI3，即取5月、8月、11月、次年2月的SPI3，分别代表春、夏、秋、冬的SPI。年SPI取每年12月的SPI12，代表该年的SPI。

根据上述方法计算月、季、年尺度的标准化降水指数，并参考GB/T 20481―2017[21]和相关文献[16-18]中分级标准划分旱涝等级，如表1所示。

Pearson相关系数是反映变量之间相关关系密切程度的统计指标，通过两个离差乘积反映两个变量之间的相关程度，着重研究线性的单相关系数。本研究利用统计学中常用的Pearson相关系数来衡量降水资料与水位资料的相关性，并采用t检验进行相关系数显著性检验，其中月尺度相关分析样本量为228。

3  结果与分析

3.1  不同时间尺度SPI特征

干旱与洪涝的发生和发展往往表现在不同的时间尺度上，SPI1正负波动频繁，能够反映短期降水不足，SPI3反映季节旱涝变化特征、SPI6和SPI12旱涝波动较平缓，对长时间旱涝有较好的反映，这个特点在SPI的时间序列上具有明显的体现。洪湖气象站1957―2018年1、3、6、12个月4个时间尺度的SPI时间变化序列见图2。由图2可以看出，不同时间尺度SPI变化趋势有显著的一致性，但在发生频率和持续时间上有明显差异，SPI1波动频繁，干旱、洪涝事件发生频率高，持续时间短，较长时间尺度的SPI3、SPI6和SPI12干旱、洪涝事件发生频率越来越低，持续时间越来越长，多种时间尺度SPI相结合可以实现对旱涝的综合检测。以2010―2011年旱涝急转的典型年份为例，SPI显示2010年1―2月为轻旱，3―4月为轻涝到重涝，5月正常，6月轻旱，7月极涝，8月正常，9―10月中涝，11月中旱，12月正常，2011年1―5月轻旱到极旱，6月重涝，7月中旱，8―11月正常，12月轻旱;SPI3显示2010年1月正常，2月轻旱，3月轻涝，4―5月中涝，6月正常，7―11月中涝到重涝，12月轻涝，2011年1―5月重旱到极旱，6―8月正常，9―12月轻旱到中旱;SPI6显示2010年1―2月重旱到极旱，3月正常，4―5月轻涝，6月正常，7―12月重涝到极涝，2011年1―2月正常，3―9月轻旱到极旱，10―11月正常，12月重旱;SPI12显示2010年1―6月正常到轻旱，2010年7月到2011年6月为轻涝到极涝，2011年7―12月为轻旱到中旱。可见随着时间尺度的增加，旱涝起止时间相应延后，旱涝等级发生变化，充分反映了前期降水变化的累积影响，这与学者们基于SPI研究旱涝特征的结论[16-20]基本一致。

3.2  洪湖市旱涝变化特征

3.2.1 旱涝年际变化特征    年SPI可以监测旱涝年份及等级，由图3可知，洪湖市近62年来年SPI呈弱增长趋势，速率为0.086/10年，干旱年和洪涝年分别占21年和22年，频次和等级均相差较小（图4）。极旱年发生在1968、1963和1984年，为重旱年;极涝年发生在1996、2002和2010年，为重涝年。

3.2.2 旱涝季节变化特征    洪湖市不同季节旱涝变化（图5）及等级频次（图6）的分布存在较大差异，春、夏、秋、冬季速率分别为-0.022/10年、0.095/10年、-0.011/10年和0.093/10年，春、秋季SPI呈降低趋势，干旱略加剧，夏、冬季SPI呈增长趋势，洪涝加剧，且夏、冬季对年湿润化的贡献明显，年SPI也呈增长趋势。中度及以上旱涝频率春、夏、秋、冬季分别为27.4%、37.1%、33.9%、30.6%。极旱季出现在1997年春、2011年春、1979年秋、2007年秋、1978年冬、1998年冬;极涝季出现在1973年春、2002年春、1996年夏、1972年秋、1958年冬、2002年冬。

由表2可以看出，洪湖市1968年极旱年由春、夏、秋、冬四季持续中度到重度干旱所致;1963年和1984年重旱年主要由夏季中旱和冬季重旱所致;2002年重涝年由春、冬季极涝导致;2010年春、夏、秋三季连续中度洪涝，虽冬季转为重旱，年旱涝等级仍为重涝;春季微旱、秋冬季正常、夏季极涝导致1996年洪涝程度最为严重。

3.3  洪湖水位变化特征及与降水、SPI的关系

2010―2018年近9年洪湖水位时间序列变化如图7所示，2011年上半年水位逐渐下降，是对2010年冬季重旱和2011年春季极旱的滞后响应;2010年7―8月持续高水位是由2010年春、夏、秋三季连续中涝导致;2016年洪湖春季微涝、夏季中涝，但受超强厄尔尼诺事件和拉尼娜事件的先后影响，长江流域汛期时间长、降雨过程多，受本地降水和长江流域降水的共同影响，导致7―8月洪湖持续高水位，7月3日就超过警戒水位的26.2 m，达26.9 m。

利用2000―2018年逐月228个样本资料进行降水量、SPI和水位的相关分析，从表3可以看出，月降水量距平与SPI的相关性最好，高达0.93，降水量与距平和SPI1相关系数分别为0.69和0.67，距平与SPI3的相关系数为0.53，SPI1与SPI3的相关系数为0.55，SPI3与SPI6的相关系数为0.71，SPI6与SPI12的相关系数为0.61，且均通过0.01的显著性检验，因此多时间尺度SPI与降水显著相关。SPI3与洪湖水位的相关系数为0.51，相关性最好，其次是SPI6，相关系数为0.41，且均通过0.01的显著性检验。

依据上述分析结果，采用3个月时间尺度SPI3对历史洪湖水位进行检测，结果见图8。由图8可以看出，SPI3指数与洪湖水位总体波动基本一致，个别年份和季节的SPI3和标准化水位距平程度略有差异。2000―2018年19年228个样本的历史序列中，水位距平相比SPI3偏高的时间段有2000年秋季、2013年冬至2014年春、2018年下半年，标准化水位距平相比SPI3指数偏低的时间段有2003年冬至2004年春、2006年秋、2008年冬至2009年春。水位监测效果偏差的时段大部分出现在非汛期，考虑大规模水利工程的建设，洪湖水位除受自然降水等气候因子变化的影响外，人工调控、人类活动的影响也非常显著[22-25]，与刘敏等[13]、刘可群等[25]结论一致。因此，利用3个月时間尺度SPI3监测洪湖水位，基本可以反映旱涝气候变化对洪湖水位的影响。

4  小结与讨论

具有多时间尺度的标准化降水指数使用数据少，计算简便，普适性强，广泛应用于旱涝气候事件监测。利用多时间尺度SPI，分析洪湖市近62年旱涝气候事件变化规律，并探讨降水量、SPI和水位之间的相关关系，选取适当时间尺度SPI监测洪湖水位，得到了如下结论。

1）洪湖降水主要集中在春、夏季，最大月降水量出现在6月，最小月降水量出现在12月。洪湖高水位出现在7―9月，低水位出现在12月至次年4月，滞后于降水量2～3个月。

2）SPI1正负波动频繁，能够反映短期降水不足;SPI3反映季节旱涝变化特征;SPI6和SPI12旱涝波动较平缓，对长时间旱涝有较好地反映，且随着时间尺度的增加，旱涝起止时间相应延后，旱涝等级发生变化，充分反映了前期降水变化的累积影响。

3）洪湖市近62年来不同季节旱涝变化及等级频次的分布存在较大差异，春、秋季SPI呈降低趋势，干旱略加剧，夏、冬季SPI呈增长趋势，洪涝加剧，且夏、冬季对年湿润化的贡献明显，年SPI呈弱增长趋势，干旱年和洪涝年频次和等级均相差较小。

4）2010―2018年洪湖水位的时间序列可以反映出水位对降水的滞后响应，特别是2010―2011年旱涝急转、2016年洪涝等旱涝气候事件对洪湖水位的影响显著。

5）具有多时间尺度的SPI与降水量显著相关。SPI3与洪湖水位的相关系数为0.51，相关性最好，其次是SPI6，相关系数为0.41，且均通过0.01的显著性检验。采用3个月时间尺度SPI3对历史洪湖水位进行检测，可以看出SPI3与洪湖水位总体波动基本一致，个别年份和季节的SPI3与水位波动程度略有差异，SPI3可以反映洪湖水位变化状况，可用来监测洪湖水位。

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