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摘要：为分析苏北地区季节性干旱灾害特征，利用1989—2013年苏北地区5市的月平均降水量数据进行降水量聚类分析，选取代表性的徐州市、盐城市作为季节性干旱研究对象。基于标准化降水指数（SPI）方法，分析了徐州市、盐城市季节性干旱分布和干旱等级的时空变化特点。在此基础上，利用重標极差分析法（R/S分析法）计算Hurst指数，对徐州市、盐城市发生季节性干旱灾害的规律进行研究。结果表明，夏季是苏北地区季节性干旱发生频率最高的季节；徐州市干旱灾害在季节性上具有不同的分形特征，冬季干旱灾害具有时间上的长记忆性，未来的总体旱灾趋势将与过去特征相关，其他季节干旱灾害特征与过去特征相反；盐城市干旱灾害在季节性上具有相同的分形特征，即四季干旱灾害特征与过去特征相反。
关键词：苏北地区；季节性干旱；标准化降水指数；R/S分析
中图分类号： S423 文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）02-0340-04
收稿日期：2015-03-18
基金项目：国家自然科学基金（编号：71303074）；江苏省社会科学基金（编号：14GLC004）；武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室开放基金（编号：2013B107）；中央高校基本科研业务费基金（编号：2015B23914、2015B28014）。
作者简介：龚艳冰（1979—），男，江苏靖江人，博士，副教授，研究方向为水资源管理。E-mail：yanbg79@163.com。江苏省地处中纬度的海陆相过渡带和气候过渡带，兼受西风带、副热带、低纬东风带天气系统的影响，属典型的东亚季风气候区，降水量的年际、年内分布不均匀，易导致旱涝灾害频繁发生。尤其是近年来，随着社会经济发展，水资源短缺现象日趋严重，在全球变暖背景下，江苏省作为最不缺水的“水乡”，经常出现大部分地区季节性干旱灾害现象。由于受区域分布和南北差异的影响，处在苏北地区的徐州、连云港、宿迁、淮安、盐城等5市是全省旱灾发生最多的地区，经常发生季节性干旱灾害。2009年初江苏省发生大旱，苏北地区降水最少的地区是徐州市、连云港市、宿迁市、淮安市，其中徐州市部分站点的降水量不足20 mm。2010年春季，苏北地区遭遇50年来最严重的秋旱，淮北地区降水量为1961年以来历史最少值。2011年5月上旬，苏北地区出现60年来最严重的旱灾，淮河下游断流，洪泽湖水位处于历史最低水位。2012年5月中旬，苏北地区雨水偏少，徐州市遭遇60年不遇的干旱。2013年6月下旬，江苏省淮河以南地区遭遇大范围、持续高温天气，多地高温日数、高温极值创1961年以来历史记录，共有42万hm2耕地受旱。
目前，国内外学者对于干旱问题的研究主要采用Mckee等在评价美国科罗拉多州干旱灾情时提出的基于降水量累积概率的标准化降水指数（SPI）[1]。SPI不涉及具体的干旱机理，计算简单，资料获取容易，可对不同时间尺度的干旱进行监测，已经被广泛应用于国内外各种干旱灾害的分析[2-9]。分形理论中的重标极差分析法（R/S分析法）主要用于研究事物的某种结构或过程特征，从不同空间、时间尺度来看是否具有相似性，或局部结构与整体是否具有相似规律的理论。干旱灾害可以看成时间轴上的点状事件，所以干旱灾害的发生十分类似于局部与整体之间在一定时间尺度内是否具有自相似特征，目前分形理论已经在我国多个地区的干旱特征分析中被应用[10-14]。本研究以苏北地区的徐州市、盐城市1989—2013年的月平均降水量数据为研究对象，结合SPI指数和R/S方法分析苏北地区干旱时间序列季节性分布特征和干旱等级情况，在此基础上对干旱的季节性周期性进行分析，定量化研究苏北地区干旱灾害特征，以期为政府及时了解灾情发生规律、科学指挥抗灾救灾提供参考。
2苏北地区季节性干旱分析
2.1数据来源和SPI等级分析
苏北地区位于江苏省北部，包括徐州、连云港、淮安、盐城、宿迁等5市，其中宿迁市于1996年建市。苏北地区下辖23个县（市），土地面积5.44万km2，2013年末常住人口数 2 988.51万人，土地面积和常住人口数分别占江苏省的53%、37.6%。苏北地区地处黄海之滨，海岸线744 km，与日本、韩国隔海相望，属于温带湿润性季风气候，四季分明。近年来全球气候变暖，太平洋“厄尔尼诺”现象加剧，海洋季风无法登陆形成降水，人为破坏环境等因素的影响，江苏省尤其是苏北地区季节性干旱灾害频繁。
依据江苏省统计年鉴，对苏北地区5市的月平均降水量情况进行层次聚类分析。由图1可见，首先盐城市、淮安市聚为一类，然后徐州市、连云港市聚为一类，再是盐城市、淮安市、徐州市、连云港市聚为一类，最后和宿迁市聚成一个大类。因此，依据行政区划特点和降水量聚类分析，以1989—2013年徐州市、盐城市为例研究苏北地区季节性干旱情况。
采用基于多时间尺度的SPI指数和R/S分析方法研究苏北地区的干旱情况。首先利用SPI指数软件（可从相关网站免费下载），以1989—2013年徐州市、盐城市的月平均降水量数据计算多时间尺度标准化降水指数SPI3、SPI6、SPI12的值，并依据《SPI指数干旱等级划分标准表》统计不同干旱等级发生次数，结果见表1。
由于不同时间尺度的SPI值反映不同类型的干旱情况（气象、农业、水文干旱），SPI3值考虑3个月的降水量情况，反映年内季节的干旱变化。随着时间尺度增大（6、12个月），SPI对短期降水的响应减弱，干旱变化比较稳定，周期更明显，可以清楚地反映出长期的干旱趋势变化特征，其中SPI12显示其年际变化特征。由表1可知，近25年（300个月），徐州市在3、6、12个月尺度出现不同程度干旱的频率分别为274%、32.6%、30.5%，盐城市分别为34.7%、34.4%、34.0%。因此，徐州市、盐城市属于干旱灾害频发的地区，至少有1/3的月份发生不同程度干旱灾害。 为了分析苏北地区季节性干旱灾害情况，按照气象学的季节划分规则，以每年3月至次年2月为1个季节循环。即3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月至次年2月为冬季。根据该季节划分方法，对1990—2013年徐州市、盐城市的SPI3值分季节进行统计，结果见图 2。
由图2可知，徐州市春季发生特旱的年份为2000年（4—5月）、2001年（5月），夏季發生特旱的年份为2012年（6—7月），秋季发生特旱的年份为2002年（9月），冬季发生特旱的年份为1996年（1月）、2010年（12月）。盐城市春季发生特旱的年份为2000年（4月）、2001年（5月），夏季发生特旱的年份为2004年（8月）、2012年（6月），秋季发生特旱的年份为2001年（11月）、2004年（9—10月），冬季发生特旱的年份为1995年（12月）、2011年（1月）。同时，在发生旱灾的分界线-0.5以下，2市旱灾一年四季都可能发生，经常是冬旱连春旱，初夏旱、伏旱、秋旱交替发生，具有连旱的特点，这与徐州市、盐城市干旱实际基本一致，2市其他旱灾情况见图3、图4。
由图3可知，1989—2013年徐州市春季发生干旱灾害情况：轻旱10个月、中旱6个月、重旱1个月、特旱3个月，发生重旱以上灾害占旱灾的20%；夏季发生干旱灾害情况：轻旱10个月、中旱10个月、重旱2个月、特旱2个月，发生重旱以上灾害占旱灾的16.7%；秋季发生干旱灾害情况：轻旱9个月、中旱5个月、重旱3个月、特旱1个月，发生重旱以上灾害占旱灾的22.2%；冬季发生干旱灾害情况：轻旱6个月、中旱2个月、重旱7个月、特旱2个月，发生重旱以上灾害占旱灾的52.9%。从整体来看，徐州市夏季发生干旱的频率最高，冬季发生干旱的频率最低；但冬季一旦发生旱灾，很可能是比较严重的旱灾。
由图4可知，1989—2013年盐城市春季发生干旱灾害情况：轻旱13个月、中旱9个月、重旱1个月、特旱2个月，发生重旱以上灾害占旱灾的12%；夏季发生干旱灾害情况：轻旱18个月、中旱5个月、重旱3个月、特旱2个月，发生重旱以上灾害占旱灾的17.9%；秋季发生干旱灾害情况：轻旱8个月、中旱9个月、重旱1个月、特旱3个月，发生重旱以上灾害占旱灾的19.0%；冬季发生干旱灾害情况：轻旱13个月、中旱7个月、重旱3个月、特旱2个月，发生重旱以上灾害占旱灾的20.0%。从整体来看，盐城市夏季发生干旱的频率最高，秋季发生干旱的频率最低；春秋两季发生干旱的频率基本一致，灾害程度也基本一致。
2.2R/S分析
通过季节性SPI指数分析可知徐州市、盐城市的干旱季节性分布特征，以下分析季节性干旱的长期周期性，即研究季节性干旱发生是否具有规律性。本研究以徐州市为例，利用Matlab软件对季节性干旱SPI3数据进行R/S分析，将计算结
果用最小二乘法进行回归，得到相应的H指数，结果见图5。由图5可知，对于徐州市季节性SPI3指数的Hurst值，只有冬季的H值大于0.5，春季、夏季、秋季都小于0.5，这表明徐州市干旱灾害在季节性上具有不同的分形特征，冬季干旱灾害具有时间上的长记忆性，未来的总体旱灾趋势将与过去特征相关，春季、夏季、秋季干旱灾害特征与过去正好相反，即过去减少的旱灾趋势在未来可能出现增加趋势。对徐州市季节性SPI3指数进行V统计量分析，得到Vt和lnt的关系（图6）。
由图6可知，徐州市春季、夏季、秋季的SPI3指数曲线都为1个向下倾斜的曲线，说明其未来旱灾总体趋势将与过去特征相关，当Vt图形状改变时，就产生了突变，长期记忆消失。冬季的SPI3指数曲线都为1个向上倾斜的曲线，可以估计出徐州市冬季干旱灾害波动的周期长度，冬季SPI3指数干旱灾害发生周期为17年（拐点处lnt= 2.833 2），即徐州市冬季平均发生干旱灾害的周期为17年左右，这与历史上徐州市冬季干旱灾害发生的周期性基本吻合。
对盐城市季节性干旱SPI3数据进行R/S分析，将计算结果用最小二乘法进行回归，可得相应的季节性H指数（春季0.119 9，夏季0.280 9，秋季0.370 9，冬季0.497 7），表明盐城市干旱灾害在季节性上具有相同的分形特征，四季干旱灾害特征与过去正好相反，即过去减少的旱灾趋势在未来可能出现增加趋势。
3结论
季节性干旱灾害受到许多不确定因素的影响，主要包括全球气候变暖、太平洋“厄尔尼诺”现象加剧、海洋季风无法登陆形成降水、人为破坏环境等。SPI计算简单，资料获取容易，可以反映不同时间尺度、不同地区的干旱状况。通过对徐州市、盐城市近25年降水量数据不同时间尺度SPI指数的计算，分析了徐州市、盐城市季节性干旱灾害发生的时空分布特征，进而通过R/S分析发现季节性干旱指数在时间序列上具有自相似性。在此基础上，利用H指数和V统计量分析季节性干旱灾害发生的变化周期，对苏北地区干旱灾害的特征分析、评估与监测研究具有重要指导意义。
参考文献：
[1]Mckee T B，Doesken N J，Kleist J. The relationship of drought frequency and duration to time scales[C].The 8th Conference on Applied Climatology，1993：17-22.
[2]袁文平，周广胜. 标准化降水指标与Z指数在我国应用的对比分析[J]. 植物生态学报，2004，28（4）：523-529.
[3]冶明珠，李林，王振宇.SPI指数在青海东部地区干旱监测中的应用及检验[J]. 青海气象，2007（4）：21-24.
[4]韩萍，王鹏新，王彦集，等. 多尺度标准化降水指数的ARIMA模型干旱预测研究[J]. 干旱地区农业研究，2008，26（2）：212-218.
[5]袁云，李栋梁，安迪. 基于标准化降水指数的中国冬季干旱分区及气候特征[J]. 中国沙漠，2010，30（4）：917-925.
[6]林盛吉，许月萍，田烨，等. 基于Z指数和SPI指数的钱塘江流域干旱时空分析[J]. 水力发电学报，2012，31（2）：20-26.
[7]罗艳青，邹滨，邱永红.华东地区干旱灾害时空演化特征研究[J]. 干旱区资源与环境，2013，27（10）：58-64.
[8]付丽娟，曹杰，德勒格日玛.三种气象干旱指标在内蒙古地区的适用性分析[J]. 干旱区资源与环境，2013，27（2）：108-113.
[9]马海娇，严登华，翁白莎，等. 典型干旱指数在滦河流域的适用性评价[J]. 干旱区研究，2013，30（4）：728-734.
[10]李伟，黎洪德. 旱涝灾害的分形研究方法[J]. 灾害学，2000，15（2）：17.
[11]李海毅，汤洁，斯蔼. 分形理论在吉林西部干旱指数预测中的应用[J]. 东北师大学报：自然科学版，2007，39（1）：126-130.
[12]丁贤法，李巧媛，胡国贤. 云南省近500年旱涝灾害时间序列的分形研究[J]. 灾害学，2010，25（2）：76-80.
[13]彭高辉，马建琴. 黄河流域干旱时序分形特征及空间关系研究[J]. 人民黄河，2013，35（5）：38-40.
[14]陈社明，卢文喜，罗建男，等. 吉林西部气象干旱的多标度分形特征[J]. 吉林大学学报：地球科学版，2013，43（1）：245-250.
[15]Kaboudan M A. Diagnosing time series dynamical structures[J]. Chaos Solitons
关键词：苏北地区；季节性干旱；标准化降水指数；R/S分析
中图分类号： S423 文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）02-0340-04
收稿日期：2015-03-18
基金项目：国家自然科学基金（编号：71303074）；江苏省社会科学基金（编号：14GLC004）；武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室开放基金（编号：2013B107）；中央高校基本科研业务费基金（编号：2015B23914、2015B28014）。
作者简介：龚艳冰（1979—），男，江苏靖江人，博士，副教授，研究方向为水资源管理。E-mail：yanbg79@163.com。江苏省地处中纬度的海陆相过渡带和气候过渡带，兼受西风带、副热带、低纬东风带天气系统的影响，属典型的东亚季风气候区，降水量的年际、年内分布不均匀，易导致旱涝灾害频繁发生。尤其是近年来，随着社会经济发展，水资源短缺现象日趋严重，在全球变暖背景下，江苏省作为最不缺水的“水乡”，经常出现大部分地区季节性干旱灾害现象。由于受区域分布和南北差异的影响，处在苏北地区的徐州、连云港、宿迁、淮安、盐城等5市是全省旱灾发生最多的地区，经常发生季节性干旱灾害。2009年初江苏省发生大旱，苏北地区降水最少的地区是徐州市、连云港市、宿迁市、淮安市，其中徐州市部分站点的降水量不足20 mm。2010年春季，苏北地区遭遇50年来最严重的秋旱，淮北地区降水量为1961年以来历史最少值。2011年5月上旬，苏北地区出现60年来最严重的旱灾，淮河下游断流，洪泽湖水位处于历史最低水位。2012年5月中旬，苏北地区雨水偏少，徐州市遭遇60年不遇的干旱。2013年6月下旬，江苏省淮河以南地区遭遇大范围、持续高温天气，多地高温日数、高温极值创1961年以来历史记录，共有42万hm2耕地受旱。
目前，国内外学者对于干旱问题的研究主要采用Mckee等在评价美国科罗拉多州干旱灾情时提出的基于降水量累积概率的标准化降水指数（SPI）[1]。SPI不涉及具体的干旱机理，计算简单，资料获取容易，可对不同时间尺度的干旱进行监测，已经被广泛应用于国内外各种干旱灾害的分析[2-9]。分形理论中的重标极差分析法（R/S分析法）主要用于研究事物的某种结构或过程特征，从不同空间、时间尺度来看是否具有相似性，或局部结构与整体是否具有相似规律的理论。干旱灾害可以看成时间轴上的点状事件，所以干旱灾害的发生十分类似于局部与整体之间在一定时间尺度内是否具有自相似特征，目前分形理论已经在我国多个地区的干旱特征分析中被应用[10-14]。本研究以苏北地区的徐州市、盐城市1989—2013年的月平均降水量数据为研究对象，结合SPI指数和R/S方法分析苏北地区干旱时间序列季节性分布特征和干旱等级情况，在此基础上对干旱的季节性周期性进行分析，定量化研究苏北地区干旱灾害特征，以期为政府及时了解灾情发生规律、科学指挥抗灾救灾提供参考。
2苏北地区季节性干旱分析
2.1数据来源和SPI等级分析
苏北地区位于江苏省北部，包括徐州、连云港、淮安、盐城、宿迁等5市，其中宿迁市于1996年建市。苏北地区下辖23个县（市），土地面积5.44万km2，2013年末常住人口数 2 988.51万人，土地面积和常住人口数分别占江苏省的53%、37.6%。苏北地区地处黄海之滨，海岸线744 km，与日本、韩国隔海相望，属于温带湿润性季风气候，四季分明。近年来全球气候变暖，太平洋“厄尔尼诺”现象加剧，海洋季风无法登陆形成降水，人为破坏环境等因素的影响，江苏省尤其是苏北地区季节性干旱灾害频繁。
依据江苏省统计年鉴，对苏北地区5市的月平均降水量情况进行层次聚类分析。由图1可见，首先盐城市、淮安市聚为一类，然后徐州市、连云港市聚为一类，再是盐城市、淮安市、徐州市、连云港市聚为一类，最后和宿迁市聚成一个大类。因此，依据行政区划特点和降水量聚类分析，以1989—2013年徐州市、盐城市为例研究苏北地区季节性干旱情况。
采用基于多时间尺度的SPI指数和R/S分析方法研究苏北地区的干旱情况。首先利用SPI指数软件（可从相关网站免费下载），以1989—2013年徐州市、盐城市的月平均降水量数据计算多时间尺度标准化降水指数SPI3、SPI6、SPI12的值，并依据《SPI指数干旱等级划分标准表》统计不同干旱等级发生次数，结果见表1。
由于不同时间尺度的SPI值反映不同类型的干旱情况（气象、农业、水文干旱），SPI3值考虑3个月的降水量情况，反映年内季节的干旱变化。随着时间尺度增大（6、12个月），SPI对短期降水的响应减弱，干旱变化比较稳定，周期更明显，可以清楚地反映出长期的干旱趋势变化特征，其中SPI12显示其年际变化特征。由表1可知，近25年（300个月），徐州市在3、6、12个月尺度出现不同程度干旱的频率分别为274%、32.6%、30.5%，盐城市分别为34.7%、34.4%、34.0%。因此，徐州市、盐城市属于干旱灾害频发的地区，至少有1/3的月份发生不同程度干旱灾害。 为了分析苏北地区季节性干旱灾害情况，按照气象学的季节划分规则，以每年3月至次年2月为1个季节循环。即3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月至次年2月为冬季。根据该季节划分方法，对1990—2013年徐州市、盐城市的SPI3值分季节进行统计，结果见图 2。
由图2可知，徐州市春季发生特旱的年份为2000年（4—5月）、2001年（5月），夏季發生特旱的年份为2012年（6—7月），秋季发生特旱的年份为2002年（9月），冬季发生特旱的年份为1996年（1月）、2010年（12月）。盐城市春季发生特旱的年份为2000年（4月）、2001年（5月），夏季发生特旱的年份为2004年（8月）、2012年（6月），秋季发生特旱的年份为2001年（11月）、2004年（9—10月），冬季发生特旱的年份为1995年（12月）、2011年（1月）。同时，在发生旱灾的分界线-0.5以下，2市旱灾一年四季都可能发生，经常是冬旱连春旱，初夏旱、伏旱、秋旱交替发生，具有连旱的特点，这与徐州市、盐城市干旱实际基本一致，2市其他旱灾情况见图3、图4。
由图3可知，1989—2013年徐州市春季发生干旱灾害情况：轻旱10个月、中旱6个月、重旱1个月、特旱3个月，发生重旱以上灾害占旱灾的20%；夏季发生干旱灾害情况：轻旱10个月、中旱10个月、重旱2个月、特旱2个月，发生重旱以上灾害占旱灾的16.7%；秋季发生干旱灾害情况：轻旱9个月、中旱5个月、重旱3个月、特旱1个月，发生重旱以上灾害占旱灾的22.2%；冬季发生干旱灾害情况：轻旱6个月、中旱2个月、重旱7个月、特旱2个月，发生重旱以上灾害占旱灾的52.9%。从整体来看，徐州市夏季发生干旱的频率最高，冬季发生干旱的频率最低；但冬季一旦发生旱灾，很可能是比较严重的旱灾。
由图4可知，1989—2013年盐城市春季发生干旱灾害情况：轻旱13个月、中旱9个月、重旱1个月、特旱2个月，发生重旱以上灾害占旱灾的12%；夏季发生干旱灾害情况：轻旱18个月、中旱5个月、重旱3个月、特旱2个月，发生重旱以上灾害占旱灾的17.9%；秋季发生干旱灾害情况：轻旱8个月、中旱9个月、重旱1个月、特旱3个月，发生重旱以上灾害占旱灾的19.0%；冬季发生干旱灾害情况：轻旱13个月、中旱7个月、重旱3个月、特旱2个月，发生重旱以上灾害占旱灾的20.0%。从整体来看，盐城市夏季发生干旱的频率最高，秋季发生干旱的频率最低；春秋两季发生干旱的频率基本一致，灾害程度也基本一致。
2.2R/S分析
通过季节性SPI指数分析可知徐州市、盐城市的干旱季节性分布特征，以下分析季节性干旱的长期周期性，即研究季节性干旱发生是否具有规律性。本研究以徐州市为例，利用Matlab软件对季节性干旱SPI3数据进行R/S分析，将计算结
果用最小二乘法进行回归，得到相应的H指数，结果见图5。由图5可知，对于徐州市季节性SPI3指数的Hurst值，只有冬季的H值大于0.5，春季、夏季、秋季都小于0.5，这表明徐州市干旱灾害在季节性上具有不同的分形特征，冬季干旱灾害具有时间上的长记忆性，未来的总体旱灾趋势将与过去特征相关，春季、夏季、秋季干旱灾害特征与过去正好相反，即过去减少的旱灾趋势在未来可能出现增加趋势。对徐州市季节性SPI3指数进行V统计量分析，得到Vt和lnt的关系（图6）。
由图6可知，徐州市春季、夏季、秋季的SPI3指数曲线都为1个向下倾斜的曲线，说明其未来旱灾总体趋势将与过去特征相关，当Vt图形状改变时，就产生了突变，长期记忆消失。冬季的SPI3指数曲线都为1个向上倾斜的曲线，可以估计出徐州市冬季干旱灾害波动的周期长度，冬季SPI3指数干旱灾害发生周期为17年（拐点处lnt= 2.833 2），即徐州市冬季平均发生干旱灾害的周期为17年左右，这与历史上徐州市冬季干旱灾害发生的周期性基本吻合。
对盐城市季节性干旱SPI3数据进行R/S分析，将计算结果用最小二乘法进行回归，可得相应的季节性H指数（春季0.119 9，夏季0.280 9，秋季0.370 9，冬季0.497 7），表明盐城市干旱灾害在季节性上具有相同的分形特征，四季干旱灾害特征与过去正好相反，即过去减少的旱灾趋势在未来可能出现增加趋势。
3结论
季节性干旱灾害受到许多不确定因素的影响，主要包括全球气候变暖、太平洋“厄尔尼诺”现象加剧、海洋季风无法登陆形成降水、人为破坏环境等。SPI计算简单，资料获取容易，可以反映不同时间尺度、不同地区的干旱状况。通过对徐州市、盐城市近25年降水量数据不同时间尺度SPI指数的计算，分析了徐州市、盐城市季节性干旱灾害发生的时空分布特征，进而通过R/S分析发现季节性干旱指数在时间序列上具有自相似性。在此基础上，利用H指数和V统计量分析季节性干旱灾害发生的变化周期，对苏北地区干旱灾害的特征分析、评估与监测研究具有重要指导意义。
参考文献：
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