(華北水利水電大學 水利學院，河南 鄭州 450011； 2.貴州省水利科學研究院，貴州 貴陽 550002)

貴州是自然災害頻發(fā)的省份，其中水旱災害發(fā)生頻次高，受災面積大，且多呈插花性出現(xiàn)，極易形成旱澇急轉事件，嚴重威脅當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展[1]。貴州省旱澇急轉通常與秋收和夏收作物生育期重合，短期內(nèi)遭遇干旱和洪澇災害的急劇轉變，區(qū)域受到的影響和損失成倍增加；而氣候變化導致極端水文事件的增多，將在很大程度上增加旱澇急轉災害的風險。從20世紀30年代至20世紀末，國內(nèi)外學者從形成因素[2-4]、物理過程[5-6]、演變規(guī)律[7-8]等方面對水旱災害進行了大量研究，但大部分都是以“水”“旱”相對獨立[9-11]或將旱澇急轉作為固定要素[12-14]進行。從21世紀初期開始，隨著氣候變化加劇，尤其是旱澇急轉事件在中國的頻發(fā)和廣發(fā)，以“水”“旱”耦合為主的研究在國內(nèi)進入了發(fā)展期，許多學者利用連續(xù)無雨日[15]、降水距平[16-17]、SPI[18]等常規(guī)氣象干濕指標，對長江中下游地區(qū)[17-19]和淮河流域[15-16，18]的旱澇急轉進行研究。雖然這些研究在宏觀規(guī)律識別、特征分析方面有較好的效果，但不能完整地描述旱澇急轉事件的過程及強度。為了更好地進行量化，吳志偉等[20]通過對比5～6月和7～8月降水的差異，定義了一個長周期降雨旱澇急轉指數(shù)LDFAI(Long-cycle Drought-Flood Abrupt Alternation Index)，張水鋒等[21]參考LDFAI，定義了徑流旱澇急轉指數(shù)RDFAI(Runoff Drought-Flood Abrupt Alternation Index)，閃麗潔等[22]針對LDFAI指數(shù)時間尺度大的問題加以改進，構建了日尺度旱澇急轉指數(shù)DWAAI(Dry-Wet Abrupt Alternation Index)。該指數(shù)與前者相比，不僅體現(xiàn)了前后期旱澇差異程度，還體現(xiàn)了由旱轉澇的急緩程度，即能夠全面地反映旱澇轉折過程的“急”和“轉”。

本文在日尺度旱澇急轉指數(shù)DWAAI的基礎上，結合貴州省水文氣象特點，對該指數(shù)計算方法中的前、后期旱澇程度項進行修正，根據(jù)計算結果，采用氣候傾向率、Mann-Kendall法、反距離插值法等分析貴州省旱澇急轉事件時空演變特征及規(guī)律，以期對貴州省旱澇急轉的監(jiān)測、預警及防洪抗旱提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴州省屬于長江流域和珠江流域，地理位置介于103°36′E-109°35′E和24°37′N-29°13′N之間。境內(nèi)地勢西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜，平均海拔在1 000 m左右，西部海拔1 600～2 800 m。全省河網(wǎng)密布，河流坡度陡，地貌復雜多樣，以山地和丘陵為主，喀斯特地貌分布廣泛，約占全省面積的73%。貴州省屬于亞熱帶溫濕季風氣候區(qū)，全省年平均氣溫15℃左右，雨熱同季，平均年降水量1 179 mm，但時空分布不均，由東南向西北遞減，其中5～10月降水量占全年的75%。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)資料來源于中國氣象局國家氣象信息中心(http://data.cma.cn)，采用貴州省境內(nèi)共19個基本氣象站1968～2017年逐日降雨量資料，并對原始數(shù)據(jù)進行質(zhì)量整理和補差。氣象站點空間分布見圖1。

圖1 貴州省氣象站點空間分布Fig.1 Distribution of meteorological stations in Guizhou Province

1.3 指標與方法

1.3.1修正的DWAAI指數(shù)

(1) DWAAI指數(shù)。DWAAI指數(shù)計算模型來源于吳志偉等[20]2006年定義的長周期降雨旱澇急轉指數(shù)LDFAI，閃麗潔等[22]對LDFAI指數(shù)加以改進，構建了DWAAI指數(shù)，其表達式如下：

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為前、后期標準化降水異常值[25]；SAPIi和SAPI0分別表示澇期第i天和前期最后一天的SAPI(Standard Antecedent Precipitation Index)值，其計算方法為對前期降水指數(shù)API(Antecedent Precipitation Index)取標準化[23]；n為澇期天數(shù)；α為權重系數(shù)，文獻[22]建議取值范圍為1<α≤1.4，根據(jù)貴州省實際情況，并結合α各種取值計算結果的對比及其合理性分析，確定取α=1.1。

(2) DWAAI指數(shù)的修正。旱澇急轉事件中，前期干旱形成和后期洪澇急轉是兩個不同的階段，其機理亦不同。干旱的形成是前期受旱積累的結果，且前期逐日降水對當日旱情的影響隨日期增加呈指數(shù)形式衰減趨勢[24-25]；后期強降水形成洪澇具有短期性的特點，不存在衰減和積累的過程。因此本文對SPA前i和SPA后i的計算進行修正如下：

(3)

(4)

式中，m為旱期天數(shù)，前期第44 d對當日旱情影響已小于1‰[24]，故本文m取44；k為衰減指數(shù)，Lu[24]在對密西西比河流域的研究中建議取0.9，但貴州省以喀斯特地貌為主，多山地丘陵，且土壤厚度薄，地下水層深，因此衰減程度較大，結合實際的參數(shù)優(yōu)選，本次研究中取k=0.87；n為澇期天數(shù)，由于洪澇的短期性，n取值過大會造成“旱澇中和”，結合貴州省氣象特點及實際計算結果優(yōu)選，本文中n=5。結合計算結果及貴州實際情況，基于DWAAI指數(shù)的旱澇急轉等級劃分見表1。

表1 旱澇急轉等級劃分Tab.1 Grade division of dry-wet abrupt alternation index

1.3.2研究方法

本文參照黃晚華等[26]構建的區(qū)域干旱評估指標，用旱澇急轉發(fā)生頻率、旱澇急轉站次比和旱澇急轉強度來反映貴州省旱澇急轉事件的時空特征，其中站次比反映旱澇急轉發(fā)生范圍的大小，具體計算公式見文獻[26]。采用氣候傾向率和Mann-Kendall法[27]進行趨勢性分析。其中氣候傾向率即線性傾向率，采用最小二乘法擬合長時間要素序列一元回歸方程，并以回歸系數(shù)的10倍表示；利用Mann-Kendall法對變化趨勢的顯著性進行檢驗；采用ArcGIS反距離權重插值法分析空間演變特征。

2 結果與分析

2.1 指標適用性驗證

目前國內(nèi)旱澇急轉研究主要集中在長江中下游地區(qū)及淮河流域，貴州省降雨及旱、澇特征與類型和上述地區(qū)存在差異，因此分別以2011年和2012年典型旱澇急轉事件為例，對修正的DWAAI指數(shù)在貴州省的適用性進行驗證。根據(jù)計算結果，2011年及2012年貴州省旱澇急轉事件空間分布見圖2。根據(jù)真實情況，2011年5月上中旬，江西中北部、湖南中部、貴州東部地區(qū)出現(xiàn)較強的降水過程，盡管緩解了旱情，但同時造成3省部分地區(qū)出現(xiàn)旱澇急轉事件；2012年5月下旬，由于降雨分布不均，銅仁市沿河縣、德江縣及畢節(jié)市黔西縣發(fā)生嚴重旱澇急轉事件。由圖2(a)可看出，2011年除遵義市西部、六盤水市西南部等少數(shù)地區(qū)外，貴州省大部分地區(qū)均出現(xiàn)不同程度旱澇急轉，東部地區(qū)最為嚴重；由圖2(b)可看出，2012年除貴州省南部、西北部地區(qū)外，其他地區(qū)均出現(xiàn)不同程度的旱澇急轉，且高強度區(qū)域集中在黔西縣、銅仁市一帶，與歷史真實情況一致。

圖2 貴州省2011年和2012年旱澇急轉事件空間分布Fig.2 Spatial distribution of dry-wet abrupt alternation events in 2011 and 2012 in Guizhou Province

結合2011年和2012年貴州省旱澇急轉實際情況，選取2011年榕江縣、2012年黔西縣和銅仁市旱澇急轉發(fā)生時段前后的降水過程及對應的DWAAI指數(shù)進行驗證，結果如圖3所示。由圖3(a)可看出，榕江縣2011年5月10日前45 d累積降水87.5 mm，5月10日后5 d累積降水132.2 mm，其中5月11日單日降水77.0 mm，5月10日DWAAI指數(shù)為20.5，達到極值，因此判定5月10日為旱澇急轉發(fā)生日期，等級為中度。圖3(b)可看出，黔西縣2012年5月7日前45天累積降水35.3 mm，5月7日后5 d降水190.5 mm，盡管5月12日單日降水達到150.9 mm，但DWAAI極值為35.9出現(xiàn)在5月7日，等級為重度，這是因為5月8日單日降水35.4 mm，更能體現(xiàn)出從當日開始旱澇變化“急”的程度，因此判定5月7日為旱澇急轉開始日期，經(jīng)過一定時期的澇期，5月中下旬旱澇急轉產(chǎn)生嚴重影響。同理，由圖3(c)可看出，銅仁市判定為5月8日為旱澇急轉日期，但DWAAI指數(shù)為15.4，屬輕度旱澇急轉，這是因為前期累積降水達到204.9 mm，從旱澇變化“轉”的角度說明旱澇急轉程度沒有黔西縣高，從而進一步說明了指標的適用性和合理性。因此，修正的DWAAI指數(shù)在貴州省的適用性得到驗證。

2.2 時間演變特征

2.2.1年內(nèi)分布特征

由圖4可看出，貴州省旱澇急轉發(fā)生時間主要在4～10月，累積次數(shù)占全部旱澇急轉次數(shù)的93.51%；7～9月相對集中，各發(fā)生75次、59次和67次，分別占全部事件次數(shù)的19.48%，15.32%和17.40%，12月至次年2月極少發(fā)生旱澇急轉事件；就中度及以上旱澇急轉事件來看，其年內(nèi)發(fā)生時間主要集中在7～9月，各發(fā)生33次、24次和27次，分別占全部次數(shù)的8.57%，6.23%和7.01%。這與陳學凱[28]、盧瑞荊[29]分別對貴州省干旱、暴雨洪澇特征的研究結論基本一致，進一步證明DWAAI指數(shù)在貴州省的適用性。

2.2.2年際變化特征

(1) 站次比。由圖5可看出，貴州省近50 a來旱澇急轉站次比在10.53%～78.95%之間波動變化，且年際差異較大。2015，1986年等共5a發(fā)生區(qū)域性旱澇急轉，2013，2007年等共14a發(fā)生部分區(qū)域性旱澇急轉，2016～2017年、2014年等共21 a發(fā)生區(qū)域性旱澇急轉，2011～2012年、2002年等共10a發(fā)生全域性旱澇急轉；2000年以前主要以部分區(qū)域性和區(qū)域性旱澇急轉為主，2000年以后全域性旱澇急轉頻繁發(fā)生，且站次比最高的年份均在2000年以后，分別為2002年和2011年(站次比78.95%)，表明近20 a來旱澇急轉發(fā)生范圍不斷擴大。

圖3 貴州省2011年和2012年典型旱澇急轉事件過程Fig.3 The process of typical dry-wet abrupt alternation events in 2011 and 2012 in Guizhou Province

圖4 貴州省1968～2017年旱澇急轉事件年內(nèi)分布Fig.4 Annual distribution of dry-wet abrupt alternation events over 1968～2017 in Guizhou Province

(2) 強度。由圖5可看出，貴州省50a來旱澇急轉強度在8.96～17.88之間波動變化，平均旱澇急轉強度為12.59，表明整體上貴州省旱澇急轉多以輕度為主。共29 a旱澇急轉強度高于12.00，其中1970，2011年和1990年強度高于17.00，強度分別為17.88，17.55和17.43，為50a以來旱澇急轉強度最高的3個年份。

圖5 貴州省1968～2017年旱澇急轉站次比和強度變化特征Fig.5 Variation characteristics of station proportion and intensity of dry-wet abrupt alternation over 1968～2017 in Guizhou province

從站次比和強度的變化趨勢來看(見表2)，氣候傾向率和Mann-Kendall法的結果一致，貴州省50 a來站次比和強度均有增加趨勢，其中站次比增加趨勢顯著，表明隨著時間增加，貴州省旱澇急轉發(fā)生范圍顯著擴大，旱澇急轉強度有增加的趨勢。

2.2.3季節(jié)性旱澇急轉歷年變化特征

(1) 春季(3～5月)。由圖6(a)可看出，貴州省50a的春季旱澇急轉站次比在0～42.11%之間，平均為10.84%；僅1973年發(fā)生區(qū)域性旱澇急轉，站次比42.11%，1969，1977，1999年和2006年共4 a發(fā)生部分區(qū)域性旱澇急轉，其余45 a均為局域性旱澇急轉或無明顯旱澇急轉，春季較大范圍旱澇急轉在1994～2007間發(fā)生頻繁。春季旱澇急轉強度年際間在0～16.80之間變化，平均為10.91；共有15 a春季旱澇急轉強度超過12.00，其中有7 a集中在2000年以后，4 a發(fā)生在近10年，分別為2009年、2011～2012年和2016年。

表2 貴州省1968～2017年旱澇急轉站次比和強度趨勢檢驗結果Tab.2 Trend detection results of station proportion and intensity of dry-wet abrupt alternation over 1968～2017 in Guizhou Province

注：Z為Mann-Kendall檢驗統(tǒng)計量；β為Sen斜率，表示年均變化趨勢；*表示α=0.05時變化趨勢顯著；下同。

(2) 夏季(6～8月)。由圖6(b)可看出，貴州省50a的夏季旱澇急轉站次比在0～57.89%之間，平均為18.74%，普遍較高，表明貴州省夏季旱澇急轉發(fā)生范圍大；夏季旱澇急轉站次比最高的年份為2002年，達57.89%，為全域性旱澇急轉，1982、1991，2009年和2012年共4 a發(fā)生區(qū)域性旱澇急轉，2011，2005年等共10 a發(fā)生部分區(qū)域性旱澇急轉，2016，2014年等共23 a發(fā)生局域性旱澇急轉。夏季旱澇急轉強度年際間在0～27.02之間變化，平均為13.74。有37 a強度超過12.00，其中2004年達到27.02，整體上為重度水平，是夏季旱澇急轉強度最強的一年。

(3) 秋季(9～11月)。由圖6(c)可看出，50 a的秋季旱澇急轉站次比在0～47.37%之間，平均為10.63%；1990年和2011年共2a秋季發(fā)生區(qū)域性旱澇急轉，1970，1978年和1996年共3a秋季發(fā)生部分區(qū)域性旱澇急轉，1969，1975，1976年等共21 a秋季發(fā)生局域性旱澇急轉，其中有9 a發(fā)生在2000年以后，4 a發(fā)生在2010年以后。秋季旱澇急轉強度年際間在0～19.36之間變化，平均為11.15。有22 a秋季旱澇急轉強度超過12.00，其中2011年達到19.36，整體上為中度水平，是秋季旱澇急轉強度最強的一年。

(4) 冬季(12～2月)。根據(jù)計算結果，貴州省50 a冬季僅發(fā)生3次旱澇急轉事件，分別為1983，2009年和2017年，且都屬輕度事件，由圖6(d)可以看出，就站次比來看，尚不能看出變化規(guī)律；冬季旱澇急轉強度變化在0～12.66之間，平均為2.59。故貴州省冬季無明顯旱澇急轉發(fā)生。

從不同季節(jié)旱澇急轉站次比和強度變化趨勢來看(表3)，氣候傾向率和Mann-Kendall法的結果基本一致。春季旱澇急轉站次比有微弱的增加趨勢，強度增加趨勢顯著；夏季旱澇急轉站次比和強度均有顯著增加的趨勢；秋季旱澇急轉強度有微弱的減小趨勢，秋季站次比線性傾向率和Mann-Kendall檢驗統(tǒng)計量Z結果不一致，但二者絕對值均較低，故秋季站次比無明顯變化趨勢；冬季旱澇急轉站次比和強度均有增加趨勢，但不顯著。

圖6 貴州省1968～2017年不同季節(jié)旱澇急轉站次比和強度變化特征Fig.6 The seasonal variation characteristics of station proportion and strength of dry-wet abrupt alternation over 1968～2017 in Guizhou Province

表3 貴州省1968～2017年不同季節(jié)旱澇急轉站次比和強度趨勢檢驗結果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 空間演變特征

2.3.1發(fā)生頻率空間分布特征

由圖7可看出，1968～2017年貴州省旱澇急轉發(fā)生頻率地區(qū)差異明顯，整體呈現(xiàn)由東向西遞減。旱澇急轉易發(fā)地區(qū)主要集中在銅仁中南部和黔東南中東部，發(fā)生頻率為50.85%～68.00%，為1～2 a一遇；畢節(jié)西部地區(qū)發(fā)生頻率較低，頻率在24.01%～33.90%之間。

2.3.2季節(jié)性空間變化

根據(jù)計算結果分別統(tǒng)計各站點不同季節(jié)旱澇急轉發(fā)生頻率，按照超過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%)分為4個區(qū)，其空間分布見圖8，不同區(qū)域面積比例見表4，并用各發(fā)生頻率所占面積比例與頻率之積表示旱澇急轉區(qū)域嚴重指數(shù)(Severity Index)。由圖8可看出，不同季節(jié)旱澇急轉發(fā)生頻率空間分布差異較大。春季旱澇急轉發(fā)生頻率南部高于北部，易發(fā)地區(qū)主要為黔西南一帶，其中興義市發(fā)生頻率超過20%，即不到5 a一遇；中部、北部大部分地區(qū)及畢節(jié)西部地區(qū)發(fā)生頻率在10%以下，見圖8(a)。夏季與春季正好相反，整體呈現(xiàn)由北向南遞減，發(fā)生頻率超過20%的易發(fā)區(qū)遍及中北部大部分地區(qū)，僅黔西南局部地區(qū)發(fā)生頻率在10%以下，見圖8(b)；秋季旱澇急轉發(fā)生頻率呈現(xiàn)由東向西遞減，黔東南、銅仁西南部和遵義東南部一帶為相對易發(fā)地區(qū)，發(fā)生頻率為15%～20%，即5～7 a一遇，黔西北、黔西南大部分地區(qū)發(fā)生頻率不到10%，見圖8(c)。冬季極少發(fā)生旱澇急轉事件，全省發(fā)生頻率均在10%以下，見圖8(d)。

圖7 貴州省1968～2017年旱澇急轉頻率空間分布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%以上區(qū)域旱澇急轉發(fā)生頻率在15%以下；夏季全省超過50%區(qū)域旱澇急轉發(fā)生頻率在50%以上，頻率低于10%的區(qū)域只有3.53%；冬季受旱澇急轉事件影響較小。就嚴重程度來看，夏季旱澇急轉最為嚴重，從高到低依次為夏季、秋季、春季、冬季。

表4 貴州省1968～2017年不同季節(jié)旱澇急轉各頻率面積比例Tab.4 The area proportion of each frequency in different seasons over 1968～2017 in Guizhou Province

2.3.3年代際空間變化特征

為方便描述年代際變化特征，從1968年開始，每10 a記為一個年代。根據(jù)計算結果分別統(tǒng)計各站點不同年代旱澇急轉發(fā)生頻率，按照超過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%)分為4個區(qū)，其空間分布見圖9，不同區(qū)域面積比例見表5。

由表5可看出，1988～1997年代開始，旱澇急轉1～2 a一遇的易發(fā)地區(qū)面積急劇增長，1998～2007年代全省超過50%的面積為1～2 a發(fā)生一次，近10 a易發(fā)地區(qū)面積有所降低；發(fā)生頻率33%～50%，即2～3 a一遇的面積相對穩(wěn)定；發(fā)生頻率20%～33.33%，即3～5 a一遇的面積顯著降低。就嚴重程度來看，1998～2007年旱澇急轉最為嚴重，2008～2017年次之，1978～1987年旱澇急轉嚴重性最低。

圖8 貴州省1968～2017年不同季節(jié)旱澇急轉頻率空間分布Fig.8 Spatial distribution of dry-wet abrupt alternation frequency in different seasons over 1968～2017 in Guizhou Province

圖9 貴州省各年代旱澇急轉頻率空間分布Fig.9 Spatial distribution of dry-wet abrupt alternation frequency in different decades in Guizhou Province

表5 貴州省不同年代旱澇急轉各頻率面積比例Tab.5 The area proportion of each frequency in different decades in Guizhou Province

由圖9可看出，除1998～2007年外，各年代旱澇急轉頻率空間分布基本均呈現(xiàn)由東向西遞減；隨著年代增加，旱澇急轉易發(fā)地區(qū)的范圍不斷擴大。1968～1987年，頻率高于50%，即1～2 a一遇的易發(fā)區(qū)在黔東南、畢節(jié)、遵義、銅仁零星分布，見圖9(a)、(b)；1988～1997年，易發(fā)區(qū)的范圍已擴大到貴陽、遵義、銅仁及黔東南地區(qū)，見圖9(c)；1998～2007年，除安順局部地區(qū)外，全省旱澇急轉均為1～3 a一遇，其中1～2 a一遇的易發(fā)地區(qū)范圍進一步擴大到貴州西北部、西南部和東南部的大部分地區(qū)，見圖9(d)；2008～2017年，除遵義和黔西南的局部地區(qū)外，全省旱澇急轉均為1～3 a一遇，易發(fā)地區(qū)范圍相比1998～2007年有略微減小，但整體上分布范圍仍比較大，見圖9(e)。

3 結 論

(1) 修正后的DWAAI指數(shù)保留了原指數(shù)精度高、反映全面的優(yōu)點，而且計算結果合理，與真實情況吻合度較好，在貴州省具有較好的適用性。

(2) 時間上，貴州省旱澇急轉主要發(fā)生在4～10月；年際變化上，站次比和強度均有逐年增加的趨勢，其中站次比增加趨勢顯著；季節(jié)特征上，除秋季外，其他季節(jié)站次比和強度均有上升趨勢，其中春夏兩季旱澇急轉強度和夏季旱澇急轉站次比增加趨勢顯著，秋季旱澇急轉強度有減小趨勢，站次比變化趨勢不明顯。貴州省易旱類型為夏旱和春夏連旱，年內(nèi)降雨集中分布在5～10月，因此春末至初秋是旱澇急轉易發(fā)時段，這與本文的研究結論相一致。

(3) 空間上，貴州省旱澇急轉發(fā)生頻率整體呈現(xiàn)由東向西遞減的態(tài)勢；不同季節(jié)差異較大，春季易發(fā)生在南部地區(qū)，夏季易發(fā)生在中北部地區(qū)且易發(fā)地區(qū)面積最大，秋季易發(fā)生在東部地區(qū)。隨著年代的推移，旱澇急轉易發(fā)地區(qū)范圍不斷擴大，其中1998～2007年旱澇急轉最為嚴重。盡管近10 a相比1998～2007年范圍略微減小，但高強度旱澇急轉頻發(fā)，如2011～2012，2014，2016年，造成的社會經(jīng)濟損失遠高于過去，因此研究旱澇急轉的演變規(guī)律并對其監(jiān)控、預警有著重要的實際意義。

(4) 貴州主要糧食作物和經(jīng)濟作物主要以秋收為主，其生育期與旱澇急轉易發(fā)時段吻合，因此旱澇急轉對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響巨大，有必要結合具體作物生理指標、土壤墑情等，對具體作物旱澇急轉的響應機理開展更加深入的研究。