1955－郑州夏季旱涝急转特征分析.docx

1955－郑州夏季旱涝急转特征分析 彭高辉 秦琳琳 马建琴 黄孟亚摘要：根据郑州1955-2015年逐月降水数据，结合长、短周期旱涝急转指数、线性倾向估计及Mann-Kendall突变检验等数学模型，对郑州年降水特征以及6月-9月份旱涝急转演变规律进行研究结果表明：郑州的年降水量总体以-7.87 mm/（10a）的速率下降;郑州地区的长周期旱涝急转指数（LDFAI）趋势变化不明显，但LDFAI强度呈阶段性变化特征，存在2个偏强期和2个偏弱期，其中LDFAI强度大于1占37.7%，旱涝急转比较频繁;各相邻月之间的短周期旱涝急转指数SDFAI曲线振荡最频繁的是6月-7月，7月-8月次之，8月-9月指数变化平缓总体来说，LDFAI的涝转旱的强度比旱转涝强，长、短周期旱涝急转现象均呈现减弱趋势关键词：降水;旱涝急转;趋势分析;Mann-Kendall检验：P426文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：[TP彭高晖.TIF]Analysis of drought-flood abrupt alternation in Zhengzhou during summer in 1955-2015PENG Gaohui.1，QIN Linlin.1，MA Jianqin.2，HUANG Mengya.1（1.School of Mathematics and Statistics，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China;2.School of Water Conservancy，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China）Abstract：Based on the monthly precipitation data of Zhengzhou meteorological station from 1955 to 2015，using long-and short-cycle drought-flood abrupt alternation index，Linear Tendency Estimation，Mann-Kendall test and other mathematical models，we analyzed the annual precipitation and the evolution of drought-flood during June to September in Zhengzhou.The results were as follows：The annual precipitation significantly decreased at a rate of -7.87 mm/（10a）.The change trend of the LDFAI in Zhengzhou was not obvious，but the intensity of LDFAI exhibited periodic changes，including two strong and two weak periods.The intensity of LDFAI greater than 1 accounted for 37.7% in the recent 61 years，which meant drought-flood abrupt alternation occurred frequently.The short-cycle drought-flood abrupt alternation index between adjacent months had the most frequent fluctuation from June to July，the second most from July to August，and it leveled off from August to September.In general，the intensity of long-cycle flood-to-drought transition was generally stronger than that of drought-to-flood transition.Both long-and short-cycle drought-flood abrupt alternation phenomena showed a trend of decline.Key words：precipitation;drought-flood abrupt alternation;trend analysis;Mann-Kendall test政府間气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告中指出[1]，1951-2012年全球温度以0.12 ℃/（10a）的速率上升，由于气候变暖导致极端气候事件发生的频率、强度均出现变化，其中，干旱和洪涝灾害是最为突出的两类极端气候事件[2-3]。

近年来，郑州的强降水异常气候事件不断增多，学者对该地区的降水情况也作了研究，刘德林[4]分析了近60年郑州年降水的变化特征，结果显示，年降水量呈增加趋势，且年内分配非常不均匀;崔灿[5]对郑州2012年8月20日的暴雨过程进行分析，得出暴雨形成的过程以及其集中的区域;王纪军等[6]基于1955-2011年郑州市的逐分降水资料，对场次降水量的分布特征进行分析除此之外，罗浩[7]、史本林[8-9]分别对河南的旱涝灾害、以及干旱情况作研究，结果显示，河南省整体呈干旱加剧、洪涝减弱的趋势在这种背景下，郑州市作为黄河流域中下游的平原腹地，起着承东启西的重要作用，研究该区旱涝急转特征对整个中原城市群的旱涝急转情况具有十分典型的意义旱涝急转[10]指在研究时期内，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目前，国内已经有很多学者对旱涝急转现象作了相关研究，但对季节内旱涝急转情况的研究较少，WU Zhiwei等[11-12]基于长周期旱涝急转指数对1957-2000年长江中下游地区进行分析;何慧等[13]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;张水峰等[14]利用旱涝急转指数对淮河流域旱涝急转特征进行了研究。

从上述文献来看，他们仅结合流域的平均降水量来分析整个流域旱涝急转特征，研究区域较宽泛，且未从多时间尺度对研究区的旱涝急转情况进行对比分析鉴于此，本文根据郑州1955-2015年逐月降水资料，利用长、短周期旱涝急转指数，从典型的旱涝急转年、旱涝急转强度以及其时间变化这三方面着手，系统地研究郑州旱涝急转的特征，力求为旱涝趋势预测工作积累经验，进一步为城市防灾、减灾工作提供理论参考和数据支持1资料与研究方法1.1资料来源数据资料来源于中国气象数据共享网[15]考虑到数据资料的完整性，本文选取1955-2015年郑州气象站为研究对象，并将其逐日的降水整理成逐月降水量图1为郑州气象站的地理分布图1.2分析方法统计郑州近61年来各月的降水量情况，得出6月-9月份的降水量占全年降水的65.7%，且旱涝急转事件多发生在此时间段，本文选用这四个月作为研究对象，即，以6月-9月的降水量来表示夏季的降水量为了消除量纲对实验结果造成的影响，先将6月-9月的降水量进行标准化处理，再根据文献[13-14]中定义的长、短周期旱涝急转指数，来分析郑州旱涝急转的特征长周期旱涝急转是指6月-7月旱，8月-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”即，长周期的变化时间尺度为2个月，短周期则以月为单位1）降水量标准化处理式中：R为标准化降水;Xi为降水量（mm）;[AKX-]为降水量的均值（mm）2）长周期旱涝急转指数ILDFA=（R89-R67）（|R89|+|R67|）1.8-|R67+R89|（2）式中：ILDFA為长周期旱涝急转指数;R67、R89依次为6月-7月、8月-9月标准化降水量;（R89-R67）表示旱涝急转强度项;（|R67|+|R89|）表示旱涝强度项;1.8.-|R67+R89|为权重系数;其作用是增加旱涝急转事件所占权重，降低全旱或全涝事件权重[12-14]3）短周期旱涝急转指数ISDFA=（Rj-Ri）（|Ri|+|Rj|）3.2.-|Ri+Rj|，j=i+1（i=6，7，8）（3）式中：ISDFA为短周期旱涝急转指数;3.2.-|Ri+Rj|为权重系数依据权重系数再计算6月-7月、7月-8月、8月-9月的月间旱涝急转指数4）Mann-Kendall突变检验[16-17]Mann-Kendall检验法适用于水文、气象等非正态分布的数据，该方法不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，广泛应用突变检验，特别是旱涝突变中。

设气候序列为{Xn}，Sk[WTBX]表示第i个样本Xi>Xj（1≤j≤i）的累计数，定义统计量Sk=∑[DD（]k[WTBX][]i=1[DD）]ri，ri=[JB（{]1Xi>Xj0Xi≤Xj[JB）]在序列随机独立的假定下，Sk[WTBX]的均值和方差分别为E（Sk）=k（k-1）/4，将新序列Sk[WTBX]标准化得：其中：UF1=0给定显著水平α，若|UFk[WTBX]|>Uα，则表明序列存在明显的趋势变化将此方法引用到反序列{xn}，即，{xn}={Xn，…，X2，X1}再进行类似的运算，有新的序列UFk[WTBX]′，则反序列的UBk[WTBX]由下式给出：其中：UB1=0给出曲线UFk[WTBX]，UBk的曲线图，如果两曲线相交，只有一个交点，且位于显著性水平范围之内，则认为该交叉点为突变点，反之，不能确定对应两序列的交叉点是否存在突变[17]2郑州市旱涝急转规律与分析[HJ1.85mm]2.1长周期旱涝急转指数时间演变特征2.1.1典型年份旱涝急转根据式（2），统计出郑州长周期旱涝急转指数，再选取最高（低）的LDFAI年，见表1由表1可知：高LDFAI年中，6月-7月的标准降水量均低于8月-9月，即6月-7月到8月-9月的降水量有增加趋势;高LDFAI年中6月-7月的标准化降水量均小于-0.5，其中有5 年小于-1，说明高LDFAI年里有5年显著偏旱;而8月-9月的标准化降水量均大于0.5，且有3年大于1，说明其显著偏涝。

同理，可以得到低LDFAI的旱涝情况即高LDFAI对应着“旱转涝”，低LDFAI对应着“涝转旱”根据上述分析结果，在夏季LDFAI中选出指数大于1的年份为典型旱转涝事件，小于-1的年份为典型涝转旱事件故，典型的旱转涝年有1962、1969、1974、1975、1985、2011年，典型的涝转旱年有1957、1971、1973、1978、1994、2008年其中，在低LDFAI年中，1973年的8月-9月份为-0.22，没有达到-0.5个标准差，但是其6月-7月份为1.85，比较接近2倍标准差，差距异常明显，故将其选为旱转涝年2.1.2旱涝急转指数的时间变化夏季LDFAI可以反映研究区域是“旱转涝”，还是“涝转旱”的过程，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LDFAI取绝对值，并绘制出1955-2015年郑州夏季LDFAI、旱涝急转强度的年际变化图以及Mann-K。