3.1 山东省旱涝发生频率
SPI(12个月)可以反映旱涝的年际变化规律[16]。山东省多年平均干旱频率为24.4%,雨涝频率为31.1%,雨涝频率高于干旱频率。使用ArcGIS软件对全省旱涝频率进行反距离插值(图1)。
可以看出,全省旱涝频率地区不均,鲁西北东部、鲁西南东部、鲁中东部、鲁东南及半岛南部地区干旱发生频率较高。鲁西北中西部、鲁中大部及鲁南地区为雨涝高发区。全省多年不同旱涝等级发生频率差异较大(表2)。对比不同等级季节干旱的发生频率得到:春、夏、秋季干旱发生频率大体一致,冬季发生干旱的频率略低,夏、秋季易发生重旱以上干旱。春季和秋季发生雨涝的频率最高,冬季和秋季易发生重涝以上雨涝。
3.2 山东省旱涝发生范围
3.2.1 山东省年际旱涝发生范围 山东省近45 a旱涝站次比变化特征见图2。全省干旱站次比在0～96%波动,1977年、1981年、1983年、1986年、1988年、1989年、1992年、1997年、1999年、2002年、2006年、2014年干旱站次比均大于50%,发生了全域性干旱。45 a间,无干旱、局域性干旱、部分区域性干旱、区域性干旱发生的年数分别为:12,15,2,4 a。全省雨涝站次比在也是在0～96%波动,其中1971年、1973年、1974年、1985年、1990年、1993年、1998年、2003年、2004年、2005年、2007年雨涝站次比大于50%,发生了全域性雨涝。45 a间,无雨涝、局域性雨涝、部分区域性雨涝、区域性雨涝发生的年数分别为:12,9,8,5 a。总体来看,全省旱涝影响范围大致相当,全域性干旱发生的概率略高于全域性雨涝发生的概率。20世纪80,90年代发生全域性干旱最多,而21世纪10年代发生全域性雨涝最多。
图2 1971-2015年山东省旱涝站次比变化特征
3.2.2 山东省季节旱涝发生范围 研究表明[16],可以使用3个月时间尺度的SPI进行季节干旱特征分析。基于山东省气候特点,分别用3—5月、6—8月、9—11月、12月—次年2月的SPI值,代表春夏秋冬四季的SPI值(图3)。
图3 1971-2015年山东省不同季节旱涝站次比变化特征
(1)春季(图3A)。山东省春季雨涝的影响范围略高于干旱,全域性雨涝的影响范围明显高于全域性干旱的范围。1971—2015年春季,山东省发生全域性、区域性、部分区域性、局域性干旱事件的年数分别为9,6,8,7 a; 全域性、区域性、部分区域性、局域性雨涝事件发生的年数分别为:14,3,5,9 a。20世纪80年代后,山东省春季雨涝影响范围呈现逐步扩大的态势,而干旱影响范围呈现逐步减少的趋势。
(2)夏季(图3B)。山东省夏季雨涝的影响范围明显高于干旱。45 a间夏季,山东省发生全域性、区域性、部分区域性、局域性干旱的年数分别为8,8,6,8 a; 全域性、区域性、部分区域性、局域性雨涝发生的年数分别为:11,11,2,11 a。从趋势线变化来看,夏季干旱趋势线波动起伏较大,雨涝趋势线相对比较平缓,这与山东省气候雨热同期,降水主要集中在夏季的气候特点是一致的。
(3)秋季(图3C)。山东省秋季雨涝的影响范围略高于干旱,全域性雨涝的影响范围低于全域性干旱。45 a间秋季,山东省发生全域性、区域性、部分区域性、局域性干旱的年数分别为12,4,1,11 a; 全域性、区域性、部分区域性、局域性雨涝发生的年数分别为:9,11,2,8 a。从变化趋势来看,进入21世纪,雨涝影响范围呈现缓慢扩大的趋势,而干旱的影响范围则呈现缓慢减少的趋势。
(4)冬季(图3D)。山东省冬季干旱的影响范围高于雨涝,全域性干旱发生年数略低于全域性雨涝的发生年数。冬季发生全域性、区域性、部分区域性、局域性干旱的年数分别为10,4,1,13 a; 全域性、区域性、部分区域性、局域性雨涝发生的年数分别为:12,6,1,6 a。从发展趋势来看,雨涝影响范围呈缓慢减少的趋势,干旱影响范围呈现先缓慢上升后缓慢减少的趋势。
3.3 山东省旱涝发生强度
3.3.1 山东省年际旱涝发生强度 由图4可以看出,山东省近45 a的SPI值在-2.2～2.29变化。特旱、重旱、中旱发生年数分别为1,3,7 a,特涝、重涝、中涝发生年数分别为1,2,2 a。可以看出,山东省雨涝以轻涝为主,中涝以上雨涝远少于中旱以上干旱发生的年数。45 a间,山东省平均干旱强度为-1.44,为中旱级别,接近重旱级别; 平均雨涝强度为1.04,达到中涝级别,略高于轻涝级别。山东省45 a间正常年份为20 a,每年发生旱涝事件的概率约为56%。从发展趋势来看,进入21世纪,趋势线缓慢上升,说明近年来山东省气候有缓慢变湿的趋势。
3.3.2 山东省季节旱涝发生强度(1)春季(图5A)。山东省春季旱涝呈交替出现的特点。SPI值为-2.69～1.82。45 a间,山东省春季发生雨涝的年数多于发生干旱的年数,但旱涝级别差异明显。45 a间春季发生特旱、重旱和中旱各2 a,发生重涝和轻涝的年数分别为2,6 a,没有特涝发生。春季SPI值总体上呈缓慢上升趋势,干旱强度大于雨涝强度。
图4 1971-2015年山东省旱涝强度(SPI12)变化特征
(2)夏季(图5B)。山东省夏季旱涝呈现交替出现趋势。SPI值为-2.42～2.06。夏季发生雨涝的年数略多于发生干旱的年数,夏季发生特旱和特涝各1 a,发生中旱和中涝各1 a,发生重旱年数为5 a,远多于发生重涝的年数1 a。夏季SPI值总体上呈缓慢下降趋势,干旱强度大于雨涝强度。
(3)秋季(图5C)。山东省秋季在20世纪70年代旱涝状态以正常为主,而后呈现旱涝交替出现的特点。SPI值为-2.36～2.09,秋季发生雨涝的年数多于发生干旱的年数,旱涝级别差异明显。秋季发生特旱、重旱、重旱的年数分别为2,4,2 a,发生特涝、重涝、中涝的年数分别为1,2,3 a,重旱以上旱情发生的年数远高于重涝以上涝情发生的年数。秋季SPI值呈缓慢下降趋势,干旱强度大于雨涝强度。
(4)冬季(图5D)。山东省冬季旱涝呈现交替出现趋势。SPI值为-2.31～1.77。冬季发生雨涝的年数多于发生干旱的年数,旱涝级别差异明显。45 a中山东省冬季发生特旱和重旱各2 a,中旱的发生年数为3 a,重涝和中涝发生年数分别为3,6 a,没有特涝发生。冬季SPI值变化不明显,干旱强度大于雨涝强度。
图5 1971-2015年山东省不同季节SPI值变化趋势
3.4 山东省旱涝年代际变化
由于计算标准化降水指数需对降水数据进行均化,可能导致部分季节、年际旱涝强度值不存在。为了进一步研究山东省旱涝长期演变特征,需对各年代际不同季节的旱涝影响范围及强度进行分析(图6)。
分析山东省各年代旱涝影响范围及强度可以看出:总体来说,山东省受干旱的影响大于雨涝,但20世纪70年代雨涝的强度和范围均明显大于干旱,21世纪10年代干旱的影响范围小于雨涝。干旱的影响范围在20世纪80年代最大,平均干旱站次比达到55.1%,同时也是干旱强度最大值出现的年代,达到1.65,雨涝的影响范围在21世纪10年代最大,平均雨涝站次比达到52%,雨涝强度最大值出现在20世纪80年代,达到1.55。
从年代际季节旱涝特征来看,20世纪80年代的秋季干旱影响范围最大,平均干旱站次比达到了60%,20世纪70,80,90年代的冬季、20世纪90年代的夏季及21世纪10年代的秋季,平均干旱站次比均高于50%; 20世纪80年代的冬季雨涝影响范围最大,平均雨涝站次比达到68%,20世纪70年代的冬季、90年代的秋季和冬季、21世纪10年代的春季,2011—2015年期间的冬季,平均雨涝站次比高于50%。21世纪10年代的春季干旱强度最大,平均干旱强度值达到2.7,其次为20世纪10年代的夏季,平均干旱强度值达到2.4,20世纪70年代、80年代和90年代的冬季、20世纪90年代的夏季,平均干旱强度均大于1.5; 21世纪10年代的冬季雨涝强度最大,平均雨涝强度达到1.51,其他年代各季节平均雨涝强度均低于1.5。
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