（自然地理学专业论文）近36年来湖南省干旱的时空分布特征.pdf

摘要 洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化是二十一世纪我国面临的三大 水问题。其中由于干旱缺水而导致的水荒已逐渐成为制约社会与经济 可持续发展的重要因素。评价区域干旱程度、干旱的时空分布状况， 制定区域抗旱对策，应对干旱缺水问题是十分必要的。本文采用湖南 省8 0 个地面气象站点1 9 7 0 2 0 0 5 年的月降水、蒸发资料，河道来水 量资料和农作物受旱面积资料，运用模糊综合评价、一元线性回归、 小波分析、突变分析、经验正交和旋转经验正交函数、聚类分析等方 法分析了近3 6 年来湖南省干旱的时空分布特征。此外，本文还综述 了湖南省区域干湿变化对全球气候变化的响应及抗旱措施。主要研究 结果包括： ( 1 ) 论述了区域干旱的成因，选用降水量、蒸发降水比、河道 来水量和农业受旱面积组成区域干旱评级指标体系，建立模糊综合评 价模型，确定旱涝的等级。 ( 2 ) 湖南省综合指标呈微弱增加趋势，其中1 9 7 0 年代和1 9 9 0 年代处于湿润时期，1 9 8 0 年代处于干旱时期，进入2 1 世纪后有变干 的趋势。1 9 9 0 年代初有一个由干向湿的转变过程。m o r l e t 小波分析 表明综合指标存在3 a 、6 a 和1 6 a 三个时间特征尺度。2 0 0 5 年之后小 波系数仍将是负值，表明未来若干年湖南将仍处于干旱期，之后可能 进入一个湿润期。 ( 3 ) 在多年平均的情况下，对湖南省8 0 站年蒸发降水比资料进 行分析发现存在4 个高值( 干旱) 区和3 个低值( 湿润) 区，除湘南 湘西和湘东部分地区外其它地区有变湿趋势。根据e o f 和r e o f 分析， 湖南省干湿空间分布既有全区一致性，也存在着南部和北部及湘中与 周围地区相反变化的差异，大致可以分为湘南湘西南、湘北、湘中和 湘东北4 个异常区。 ( 4 ) 湘南湘西南区和湘北区有变干趋势，1 9 7 0 年代中期以前和 1 9 9 0 年代以后处于湿润时期；1 9 8 0 年代处于干旱时期。湘中区1 9 7 0 年代处于干旱时期，1 9 8 0 年代中期到1 9 9 0 年代初处于水平年，之后 处于湿润时期。湘东北区1 9 7 0 年代中期以前和1 9 9 0 年代以后处于湿 润期；1 9 8 0 年代处于干旱期；进入2 1 世纪后有变干的趋势。四异常 型区域于1 9 8 0 年代末1 9 9 0 年代初有一个由干向湿的转变过程。湘北 区和湘中区存在2 - 3 年、5 年和1 1 1 2 年周期干湿变化；湘南湘西南 区和湘东北区存在2 - 3 年、7 年和1 6 年干湿变化。 ( 5 ) 在过去3 6 年间，将湖南省干湿季节变化分为6 个型。与湖 南省旱涝的年际变化比较，i ，型即夏秋连旱型，发生了1 9 年，其中 有1 年为特大干旱年，严重干旱2 年，中度干旱1 年，轻度干旱3 年， 5 年为正常年，轻度湿润3 年，2 年为较湿润年，2 年为湿润年。不 难发现在正常年、轻度湿润年和轻度干旱年发生i1 型次数较多。i2 型和i3 型发生特大干旱年，i4 型发生湿润年。i i 型发生中度干旱年 和较湿润年，i i i 型夏旱冬旱型发生中度干旱年，型湿润型发生湿润 年和正常年，v 型冬旱型为中度湿润年，型夏秋连旱型发生中度干 旱年。 ( 6 ) 在多年平均的情况下，除了湘西北外，湖南省其它地区7 一l o 月蒸发降水比较大，其中湘中地区和北部洞庭湖平原位于高值( 干旱) 的中心区域。在未来趋势变化上，湘中地区可能变得更加干旱，湘北 洞庭湖区和湘中部分地区有向湿润转变的趋势；湘东和湘南有将向干 旱转变。根据e o f 和r e o f 分析，湖南省干湿空间分布既有全区一致 性，也存在着南部和北部、西南和东北及湘中与周围地区相反变化的 差异，空间分布大致可以分为湘南、湘西北、湘西南和湘中4 个异常 区。 ( 7 ) 湖南省区域干湿变化有3 a 、6 a 的振荡周期，与长江中游旱 涝变化趋势一致；但1 6 a 的周期变化与我国旱涝变化2 2 一- - 2 3 a 的振荡 周期不吻合。湖南省干湿转变发生在1 9 9 0 年代左右，与有些研究指 出长江流域干湿转变发生在1 9 8 0 年代末一致。 关键词：湖南省，干旱，定量分析，时空分布，区域差异 h a b s t r a c t c h i n a 7sw a t e ri s s u e sa r em a i n l ym a n i f e s t e di nt h r e a t so f f l o o d sa n dd r o u g h td i s a s t e r s ，s h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e sa n d d e t e r i o r a ti o no ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n to ft h e2 1 s tc e n t u r y a m o n gt h et h r e ep r o b l e m s ，t h es h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e sh a v e b e c o m et h e i m p o r t a n tr e s t r i c t f a c t o ro ft h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m y t h e r e f o r e ，i ti se s s e n t i a l t oe v a l u a t et h ed e g r e eo ft h ed r o u g h to fad is t r i c ta n dw o r k o u tt h ed r o u g h tp r e p a r e d n e s sp l a n s u s i n g1 9 6 0 2 0 0 5 aa n n u a l p r e c i p i t a t i o n a n d e v a p o r a t i o n ， r i v e rr u n o f fa n d d r o u g h t d i s a s t e r a f f e c t e dc r o pa r e a s ，t h es p a t i o t e m p o r a ld i s t r i b u t i o n o fr e g i o n a ld r o u g h ti nh u n a n p r o v i n c ei sa n a l y s i sb yf u z z y c o m p r e h e n s i o ne v a l u a t i o n ，l i n e a rr e g r e s s i o n ，w a v e l e ta n a l y s i s ， a b r u p tc h a n g ea n a l y s i s ，c l u s t e ra n a l y s i s i ，e o fa n dr e o f i n a d d i t i o n ，t h er e s p o n s e sb e t w e e nr e g i o n a ld r o u g h t f l o o di n h u n a na n dg l o b a lc h a n g ea r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ： ( 1 ) w eh a v ed i s c u s s e do nt h ec a u s e so ft h er e g i o n a ld r o u g h t s e l e c ti o no ft h ea p p r o p r i a t ee v a l u a ti o ns y s t e m ，e s t a b lis h e d f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e l ， i d e n t i f i e dt h el e v e lo f r e g i o n a ld r o u g h t f l o o d ( 2 ) t h ec o m p o s i t ei n d i c a t o ri nh u n a np r o v i n c eh a saw e a k i n c r e a s i n gt r e n dw h i c ht h e1 9 7 0 sa n d1 9 9 0 sw e r ei nf l o o dp e r i o d s ， t h e1 9 8 0 sw e r ei nd r o u g h tp e r i o d t h e r ei sad e c r e a s i n gt r e n d e n t e r i n gt h e2 1 s tc e n t u r y ，a n dt h e r ei sa na b r u p tc h a n g ef r o m d r yt ow e te a r l y1 9 9 0 s g e n e r a l l y ，t h ec o m p o s i t ei n d i c a t o r p r e s e n t e dv a r i a ti o n so ft h r e ep e r i o d s i nt h e l a t e2 0 0 0 s ， h u n a np r o v i n c ew il lb ei nap e r i o do fd r o u g h t ，a f t e rt h e nw il l b ei nap e r i o do ff l o o d ( 3 ) a na n a l y s i so fe v a p o r a t i o n p r e c i p i t a t i o nr a t i od a t a f o u n dt h a tt h e r ea r ef o u rh ig h v a l u ea r e a sa n dt h r e el o w - v a l u e a r e a si nh u n a np r o v i n c e t h e s p a t i a lv a r i a t i o n s o fh u n a n p r o v i n c ew i1 1b ew e t n e s st r e n d se x c e p ti t ss u r r o u n d i n ga r e a s i i i t h em o s tt y p i c a lp a t t e r no fa n n u a lp r e c i p i t a t i o ni st h ed r y w e t c o n sis t e n c y o t h e rt y p ic a lp a t t e r n s s h o wt h e d r y w e t d i f f e r e n c e 。f o re x a m p l e ，w e t ( o rd r y ) i nn o r t ha n dd r y ( o rw e t ) i n s o u t h w e t ( o rd r y ) i nc e n t e ra n dd r y ( o rw e t ) i ns u r r o u n d i n g a r e a s t h ee v a p o r a ti o np r e c i p i t a ti o nr a t i od i s t r i b u t i o n e x h i b i t st h ec o m m o nf e a t u r e sa sw e l la st h es p a t i a ld i f f e r e n c e s ， w h i c hc a nb ec l a s s i f i e di n t of o u rt y p e sa ss o u t hh u n a n ，n o r t h ， n o r t h e a s th u n a na n dc e n t r a lh u n a n ( 4 ) a na n a l y s i so fi n t r a a n n u a ld r ya n dw e tv a r i a t i o n si n h u n a np r o v i n c ey e a rb yy e a r ，i tcanb ed i v i d e di n t os i xt y p e s c o m p a r e dw i t hi n t e r a n n u a lv a r i a b i lit yo fd r o u g h ta n df l o o d ，i t isp r o n et od r o u g h t ，n o r m a la n df l o o di nn o r m a lt y p e s ( 5 ) h u n a np r o v i n c ea r ea r i dr e g i o n se x c e p tn o r t h w e s tf o r m j u l yt oo c t o b e r ，a n dc e n t r a la n dn o r t h h u n a na r ei nt h es e r i o u s d r , h t 。 t h em o s t 。c a l) a t t e r no f iondroughtr e g i o n t y p l c a lp a t t e r ne v a p o r a ti o n p r e c i p i t a t i o nr a t i oi st h ed r y - w e tc o n s i s t e n c y o t h e rt y p i c a l p a t t e r n ss h o wt h ed r y w e t d if f e r e n c e ，f o re x a m p l e ，w e t ( o r d r y ) i nn o r t ha n dd r y ( o rw e t ) i ns o u t h ，w e - t ( o rd r y ) i nc e n t e ra n d d r y ( o rw e t ) i ns u r r o u n d i n ga r e a s ，w e t ( o rd r y ) i nn o r t h e a s ta n d d r y ( o rw e t ) i ns o u t h w e s t t h ee v a p o r a t i o np r e c i p i t a t i o nr a t i o d i s t r i b u t i o ne x h i b i t st h ec o m m o nf e a t u r e sa sw e l la st h e s p a ti a ld if f e r e n c e s ，w h i c hc a nb ec l a s s i f i e di n t of o u rt y p e s a ss o u t hh u n a n ，n o r t h w e s t ，s o u t h w e s ta n dc e n t r a lh u n a n ( 6 ) r e g i o n a ld r y - w e t c h a n g e i nh u n a np r o v i n c ew a s c o r r e l a t e dw i t hg l o b a lc l i m a t ec h a n g e s i ti sc o n s i s t e n tw i t h g l o b a ld r o u g h t f l o o dc h a n g e st h a tt h e1 9 7 0 sa n d1 9 9 0 sw e r ei n f l o o dp e r i o d s ，t h e1 9 8 0 sw e r ei nd r o u g h tp e r i o da n dad e c r e a s i n g t r e n de n t e r i n gt h e2 1 s tc e n t u r y f u r t h e r m o r e ，t h ea r e ao f d r o u g h t - f l o o dp e r i o d i co s c i l l a t i o nw i t h3a n d6 。y e a r s i st h e s a m ea sm i d d l er e a c h e so fy a n g t z er i v e r h o w e v e ri t sn o tf i t w i t hd r o u g h t f l o o dc h a n g e si nc h i n ai n2 2 ati m es c a l e k e yw o r d s ：h u n a np r o v i n c e ，d r o u g h t ，q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ， s p a t i o t e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，r e g i o n a ld i f f e r e n c e i v 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 张刽明刎吁年多月牟日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：冼剑喟 导师签坤可 日期：甜年 日期o o o ，年 多月 年日 占月够 日 i 近3 6 年来湖南省干旱的时空分布特征 1 绪论 1 1 研究背景 干旱已经成为影响面最广，造成经济损失最大的自然灾害，旱 灾涉及面广、后续和潜在危害较大。严重干旱主要发生在非洲、印度、 中国、北美和澳大利亚等世界上近一半的国家髓1 。中国干旱灾害发生 频繁，影响面积广，是造成农业经济损失最严重的气象灾害口1 ，2 0 世 纪5 0 - 8 0 年代因旱灾损失的粮食占全国粮食损失总量的一半n 1 。近百 年来，特别是近4 0 年来，由于全球气候变化、社会经济发展和人口 膨胀，水资源短缺现象日趋严重。有些学者睁1 2 1 从气候变化角度，指 出了全球变暖或干旱化等对旱灾的影响。旱灾时空格局方面的研究成 果很多n 3 叫引，也很为深入，还有些学者n 7 吨钔从气象记录或历史记录中， 提取干旱次数或划分干旱等级( 一般旱和重旱) 等，恢复了不同时段 中国旱灾的时空格局，或出版了相应的图集。近年对旱灾灾情时空格 局的研究日益引起人们的关注，侧重于历史重大旱灾年表的建立和全 国灾情系列图的编制n9 2 别。 湖南省几乎年年发生旱灾，即使是大水年也同样经常会出现干 旱，只是范围不同，程度不一。湖南省多年平均降水量约1 4 0 0 m m ， 但年际变率较大，降水的季节分配也很不均匀，具有很强的季节性和 地域性，加上抗旱设施不足，因此旱灾成为影响湖南最为严重的灾害 之一。湖南的旱灾多以夏秋旱为主，春旱次之。一般年份干旱分为两 个阶段：第一阶段出现在6 月底到7 月下旬，第二阶段出现在8 月中 旬到9 月下旬。两个干旱期之间常因热带低压、台风的影响而产生降 水，使旱情缓和。有的年份因受副热带高压长期控制，两个干旱期相 连，出现大范围夏秋连旱。干旱缺水已成为制约湖南省社会经济可持 续发展的重大因素。因此，全面正确评价干旱时空变化特征，制定合 硕十学侮论文 理的抗旱对策，减少干旱造成的损失，加强抗旱设施建设，成为应对 干旱、保障社会经济可持续发展的当务之急。 1 2 国内外研究现状及存在问题 长期以来对于干旱没有一个统一的定义，存在着不同的理解 除2 引。美国气象学会在总结各种干旱定义的基础上将干旱分为4 种类 型：气象干旱、农业干旱、水文干旱和社会经济干旱。干旱的评价方 法也随干旱的不同划分而不同。b h a l m e 町提出了区域旱涝指数 ( d a i f a i ) 法，d a i 计算简单可行，有效反映了区域和年季尺度的 水分状况；湿润度和干旱度指标法是一种表示水分收支的综合指标 3 1 - 3 2 ，但上述两种方法仅适合讨论气象干旱问题。1 9 6 5 年p a l m e r 提 出了p d s i 干旱指标法口3 q 制，引入了水量平衡概念，考虑了供需关系， 具有时间、空间可比性，能够描述干旱形成、发展、减弱和结束的全 过程，但p a l m e r 指标中有些假定不符合水平衡理论引。供需水关系 指标法，用降水量与农作物需水量的比值得出旱涝指数来评价干旱程 度，或者以农作物根系层实际土壤含水量与农作物适宜生长含水率的 关系作为农业干旱指标啪1 。一个区域发生干旱，可能由于干旱雨少在 农业区发生农业干旱；也可能是由于河流来水减少，水库蓄水不足而 发生水文干旱；还可能是由于供水能力不足，造成工业生产缺水而发 生社会经济干旱。因此上述对干旱的各种评价方法，若用来对区域进 行干旱评价，存在评价主体片面、评价指标单一的问题，不能反映城 市生活、工业、农业、环境等各方面的缺水状况。 模糊综合评判法是上世纪六十年代扎德教授创立了模糊数学之 后，逐渐发展起来的一种评价方法口7 删。它把模糊数学理论应用到判 别事物优劣、等级等领域。由于区域干旱的影响因素众多，综合多方 面对区域干旱进行整体评价难免带有模糊性和主观性，因此适合用模 糊概念来分析这个问题。运用模糊综合评判法建立模型评价区域干旱 状况，方法比较简单，只要把观测到的数据输入到模型中，通过运算， 就能获得直观的评价结果。 近3 6 年来湖南省干旱的时空分布特征 有些科学工作者在研究区域干旱灾害时运用了不同的干旱评估 指标h 州3 i 。2 0 0 6 年国家防汛指挥部为加强抗旱工作指导，统一干旱评 估方法h 制，规范干旱评估工作，组织编写的干旱评估标准中，提 出了农业旱情旱灾评估和城市干旱等级及预警评估体系，根据土壤墒 情法、降水距平法、连续无雨日法、缺水率法、断水天数法等方法评 估农业旱情，区域综合旱情等级评估采用受旱面积比率法，把干旱分 为轻度干旱、中度干旱、严重干旱和特大干旱四个等级。 为了减轻干旱灾害的影响，避免各种工程与非工程减灾措施实施 过程中的盲目性，有必要对干旱灾害进行风险评估。特别是近年来， 随着社会经济发展和人口增长，水资源短缺现象日趋严重，所以干旱 灾害的风险评估已越来越受到人们的重视。 1 3 研究内容 本文主要针对目前湖南省干旱灾害的现状，根据3 6 年实测资料， 运用模糊综合评价模型对影响区域可供水量的各因素进行分析，确定 干旱的等级，分析湖南省干旱的时间变化特征；采取线性回归、e o f 、 m k 突变分析和小波分析等方法分析湖南省干旱空间分布特征及变化 趋势。 ( 1 ) 分析区域干旱的成因。对干旱各方面的影响因素及其之间 的内在联系进行综合分析，提出在实际评价区域干旱时，选取评价因 子的原则。 ( 2 ) 干旱的时间变化趋势。通过对影响区域可供水量的各因素 进行分析，确定区域干旱评价的各因素，提出各因素的评价标准，并 以此为基础，建立区域干旱程度模糊综合评价模型，分析干旱的时间 变化趋势。 ( 3 ) 干旱的空间分布特征及变化趋势。通过蒸发量与降水量的 比值对湖南省干旱的空间变化特征进行分析。 硕十学位论文 1 4 研究方法 1 4 1 模糊综合评价 模糊综合评价是以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理， 将些边界不清楚、不容易定量的指标定量化，依次进行综合评价的 方法，它是通过构造等级模糊子集把反映被评价目标的模糊指标进行 量化( 即确定隶属度) ，然后利用模糊交换原理对各指标总和。即按 照确定隶属度函数的一般原则，给出单个因素对评价结果的影响程度 的隶属函数，并得出其隶属度向量，在将所有因素的隶属度向量组合 成模糊关系矩阵，将此矩阵与权重分配向量进行复合运算，就可得到 最终的评价结果。 依据模糊数学中关于综合评价的模糊数学模型，建立干旱模糊综 合评价模型如下。 设x 为影响干旱的各因素组成的向量，x g ，工：，x n ) ，咒为影 响因素的个数；干旱评价结果的评语集合为v = p 。，矿：，v 。 ，m 为干 旱等级的分级数。 单因素隶属向量的确定：对于x 中的任一影响因数x i ，按照常用 的模糊分布中的梯形分布确定其隶属函数，计算出对各干旱等级矿， 的隶属度，构成x i 的干旱等级隶属度向量 吒= ( r i z , 2 ，) ( 1 1 ) ( 卜1 ) 中o l 2 ， 一1 , 2 , - - - , 加) 表示第i 个影响因素隶属与第_ 分级的隶属度。 将各影响因素干旱等级隶属度向量组成的综合评价矩阵r ，r 的 表达式为( 1 - 2 ) 。 r = r n，1 2 吃l 屹 厶l 厶2 ( 1 - 2 ) 权重向量的确定：由于各影响因素间关系不是十分明显，因此采 用适用范围较广的主管赋权法，设a 为各因素权重组成的向量，采用 专家打分得n as 如。，口：，) 。 将权重向量4 与综合评价矩阵r 进行复合运算，采用m ( ，+ ) 模型， ； _ ： 近3 6 年来湖南省干旱的时空分布特征 可得( 卜3 ) 。 a or ：w( 1 3 ) ( 卜3 ) 中复合向量w 一( w 1w 2 ) ，w 为干旱程度综合评价 向量。向量w 中的元素m 可表示为( 4 4 ) 。 m 一o 口， f ；l 扣m ( 1 4 ) 评价结果的处理：采用加权平均法，用多年平均年降水量的分级 特征值向量与w 向量的各元素相对应，可求得干旱程度评价指标a 。 a 的表达式为( 1 - 5 ) 。 a 。ym 只 ( 卜5 ) 留。 根据a 值的大小将旱情划分为四个等级( 特大干旱、严重干旱、 中度干旱和轻度干旱) ，即对应四个区间。 1 4 2 线性回归 线性回归是研究气候变化的最常用方法，它可以估计气候变化的 趋势n 5 1 。在一元线性回归分析中用x ，表示样本量为n 的某一气候变量， t ；表示对应的时间，z ，与t 之间的一元线性回归模型为： x i = 口o + 口l t fo 一1 ，2 ，甩) ( 1 6 ) 式中口。为回归常数，口，为回归系数，它们可用最d 、- - - 乘法进行估 计： 口。赶二超邋尘 q 。可丽善乒糯t ) 孑；昙喜而f = 昙薹 ( 1 - 8 ) ( 1 - 9 ) 时n t ，与变量t 之间的相关系数为，。计算公式如下： 弘耪；) 2 塞彳一撼x 彳 ( 1 - 1 0 ) 硕十学位论文 b 。口，1 0 作为气候要素倾向率。当b o 时，说明气候变量随时 间t 呈上升的趋势，b o 时，表明两变量呈正 相关，越接近1 0 ，正相关越显著；当r u 。， 则表明序列存在明显的趋势变化。 按时间序列石逆序，_ 巾，石，重复上述过程，同时使u b k 一也峨， k ：刀，刀一卜，1 ，u b l ；0 。给定显著性水平：q = o 0 5 ，临界线为1 9 6 ( 两条虚线) 。若u f 或叩值大于0 ，则表明序列呈上升的趋势，小于 o 则表明呈下降趋势。当统计曲线超过临界线时，表明上升或下降趋 势显著。如果统计曲线在临界线之间出现交点，则交点对应的时刻就 是突变开始的时间。 1 4 5 小波分析( w a v eie ta n aiy sis ) 小波分析在时域和频域上同时具有良好的局部性质可以分析出 时间序列周期变化的局部特征，能更清楚的看出各周期随时间的变化 情况n 6 叫引。m o r l e t 小波是常用的复数形式的小波函数，其表达式为： _ 三 妒( j ) = 万4e 2 e 麟( 卜1 4 ) 其小波变换形式为： e , b 。lm ) 去矿( 半) 出 ( 1 啪) 式中： 何。j ( 厂) 为一个信号平方或平方可积函数；a 0 为分辨尺 度；b e r 为平移因子；“一表示共轭，以为连续小波变换将一维信 号变换到由尺度参数a 和平移参数b 所构成的小波平面上。小波系数 模、小波系数实部是m o r l e t 小波变换得到的最重要的变量。小波系 数模的大小表示特征时间尺度信号的强弱，其模值越大，表明其所对 硕十学位论文 应的时段和尺度周期性越明显。m o r l e t 小波变换系数的实部可以用 来判别气候资料序列中所包含的不同时间尺度气温的结构。 1 4 6 聚类分析 聚类分析是根据地理变量的属性或特征的相似性、亲疏程度，用 数学的方法把它们逐步地分型划类，最后得到一个能够反映个体之间 亲疏关系的分类系统。用各种方法计算出各点间相互距离，以它来刻 画各点间相似性或亲疏程度。距离系数有很多种，本文采用欧氏距离 分析3 6 年干湿年内变化的分布型，其表达式为： ( 1 - 1 6 ) 其中表示第i 年蒸发降水比的第k 月观测值，x 汝表示第j 年蒸发降 水比的第k 月观测值，d 。为第i 年与第f 年之间的欧氏距离。若d ，越小， i 年与年蒸发降水比年内变化越接近，性质接近的年份可以将其划 为一类。 确定年与年之间的距离之后，对年蒸发降水比进行分类。分类的 方法很多，本文选取系统聚类法，它是聚类分析中应用最广泛的一种 方法。首先将3 6 年蒸发降水比白成一类，然后每次将具有最小距离 的两类合并成一类，合并后重新计算类与类之间的距离，这个过程一 直持续到所有样品归为一类为止。 应用系统聚类法进行聚类分析的步骤如下： 将原始数据经标准差标准化处理后，以欧氏距离作为分类统计 量，得到初始矩阵； 把3 6 年年内蒸发降水比分成3 6 类； 计算各类之间的距离，得到一个距离对称矩阵，将距离最近的 两个类并成一类； 合并类后，如果类的个数大于1 ，那么重新计算各类之间的距 离，继续并类，直至所有样品归为一类为止； 最后按分类标准或分类原则，得出分类结果。 近3 6 年来湖南省干旱的时空分布特征 2 研究区域的基本概况 2 1 地理概况 湖南位于长江中下游荆江以南，南岭山地以北，介于北纬2 4 。 3 8 - 3 0 。0 8 ，东经1 0 8 。4 7 11 4 。1 5 之间。省境距东海5 5 0 千米以上，而距南海约3 5 0 千米，全省总面积为2 1 1 8 万平方千米。 湖南省地貌特征是：东、南、西三面为山地围绕，中部丘岗起伏， 北部低缓，平原、湖泊搌布，以洞庭湖为中心朝北开口的不对称马蹄 形盆地。东面是罗霄山脉，大致呈东北向西南走向，为洞庭湖流域与 鄱阳湖流域的分水岭，南面山地是南岭山系的一部分，为长江流域与 珠江流域的分水岭，西北部有武陵山脉，西接云贵高原，山脉呈东北 向西南走向，中西部的雪峰山脉，为资、沅两水的分水岭。 省境内河流众多，河网密布。河流多发源于东、南、西山地地区， 湘、资两大水系由南向北注入洞庭湖；沅水自西南向东北、澧水自西 向东、新墙河与泪罗江自东向西分别流入洞庭湖，长江向洞庭湖分流 的松滋河、虎渡河、藕池河则自北向南泄入洞庭湖，洞庭湖接纳来水， 于岳阳城陵矶汇入长江。 洞庭湖是我国第二大淡水湖，位于长江南岸湘、鄂两省之间，其 主体在湖南东北部。湖南境内的洞庭湖区，习惯将四水尾间受堤防保 护的地区均算在内，总面积1 5 2 万平方千米，高程一般在海拔2 5 5 0 米，是一个纵横交错的水网区。 2 2 气候特点 湖南省属于亚热带，因其处于东亚季风气候区的西侧，加之地形 特点和离海洋较远，导致湖南气候为具有大陆性的亚热带季风湿润气 候，既有大陆性气候的光温丰富特点，又有海洋性气候的雨水充沛、 硕 ：学 7 ：论文 空气湿润特征。 湖南省气候的季风特征主要表现在冬夏盛行风向相反，多雨期与 夏季风的进退密切相关，雨热同季，降雨量的年际变化大。冬季盛行 干冷的偏北风，夏季盛行暖湿的偏南风。在西风环流中，巨大高耸的 青藏高原位于湖南的上风方，这给湖南气候带来重大影响：高原上空 冬季常有冷高压，夏季常有暖低压，与周围同高层自由大气的冬低夏 高的气压场产生独特的高原季风现象，高原季风冬季使湖南西北风加 强，而夏季使湖南东南风加强，这是青藏高原对湖南的热力影响；同 时高原使运行的大气环流产生分支、绕流与汇合现象，这种动力影响 会使湖南处于南北两支气流波动的同位相叠加或反位相的北脊南槽 环流形势控制之下。青藏高原对湖南的热力、动力影响的综合作用加 强了湖南气候的季风特色。 湖南气候的大陆性特征主要表现在气温的年变化大，冬冷夏热四 季分明，最冷月出现在一月，最暖月出现在七月。形成湖南大陆性气 候特征的地理原因是由于省境距海洋较远，且境内山脉多呈东北西 南走向，这种地理特点对湖南季风气候有着明显的制约作用。南岭存 在对湖南气候有着重要影响：它使得北方南下的冷空气受阻在湖南上 空形成冷空气垫，这对湖南冬季严寒和阴雨日数增加及冰冻频繁发生 都有直接影响，尤其是对春秋季节低温阴雨的持续发生起着重要作 用；夏季盛行的偏南风在翻越南岭山脉时产生的焚风效应，对湖南夏 季的炎热高温有着加强作用。 此外由于湖南复杂的地形地貌造就了湖南气候的多样性特征。首 先，在三面环山、朝北开口的马蹄形地貌背景下，湖南的雨、热等气 候要素等值线打破了与纬线平行的一般规律，而是与地形等高线大致 平行，少雨中心在衡邵盆地、洞庭湖平原及河谷地区，多雨中心位于 雪峰山、幕阜山、九岭山和湘东南山地的迎风面；高温中心在洞庭湖 平原、衡邵盆地与河谷地带，并向东、西、南三面递减。其次，山区 垂直气候特征非常明显，按不同山系气候要素年平均资料统计，每上 升1 0 0 米，年平均气温的垂直递减率为0 4 4 o 5 8 。c ，年降水量的 近3 6 年来湖南省千早的时空分布特征 垂直递增率为3 4 o 5 3 4 毫米。 2 3 湖南省干旱的特征及成因 2 3 1 湖南省干旱基本特征 2 3 1 1 干旱频繁，旱情严重 从公元前9 8 0 年至公元2 0 0 5 年间，有纪录的湖南旱灾有5 9 9 年 4 9 - 5 0 。从公元1 世纪到1 4 世纪共有1 5 1 年，发生频率为1 1 ，之后旱 灾发生频率增多，1 5 世纪为5 0 ，1 6 世纪为5 8 ，1 7 世纪为7 9 ，1 8 世纪为7 6 ，1 9 世纪为7 9 ，2 0 世纪为9 3 ，旱灾几乎年年发生，在 许多年份水旱灾害同时发生。1 9 4 9 年以来的受灾情况统计分析，旱 灾受灾面积累计3 9 6 4 3 6 万公顷，成灾面积1 9 0 4 8 5 万公顷，年均成 灾3 3 4 2 万公顷。 2 3 1 2 农业干旱灾害的夏秋千旱重于春旱 湖南省干旱四季均有，春旱对于耕田整地、播种育秧有很大影响， 但是出现频繁、危害最大的是夏秋干旱瞄。夏秋干旱包括夏旱、秋旱 和夏秋连旱。湖南省立秋前后往往有一次明显降水过程，这使湖南省 的干旱有了夏秋之分。但有的年份由于受副热带高压的长期控制，这 次降水过程不明显，则雨季结束到1 0 月底可能出现连续干旱。夏秋 干旱发生次数最多、灾害范围最广、影响时间最长，故灾害损失最重。 2 3 1 3 地域差异明显，湘中旱重、山区较轻 湖南省地形复杂，受季风环流控制，大多数年份雨季比较明显， 降水量较少的时段发生在7 月到次年2 月。湖南省各地均可能发生干 旱，由于地形地貌不同，各地气候略有差异，加上土壤、植被、水利 设施、耕作制度不同，干旱具有明显的地区差异。衡邵盆地因受地形 性下沉气流影响，降水较少，干旱概率比其它地区高h 9 5 。 2 3 1 4 孕灾环境复杂，致灾因子类型多样 随着社会的发展，农业干旱所造成的损失呈上升趋势。人口增长， 耕地减少，复种指数提高，加重了干旱的发生发展；森林植被遭受破 硕十学位论文 坏，生态失衡，水土流失严重，人类生存的自然环境恶化，抗旱御灾 的客观条件脆弱；水利工程老化失修，水利基础设施的局限性和发展 不平衡使抗旱能力降低瞄羽。 2 3 2 干旱的成因 2 3 2 1 大气环流的影响 大气环流的规律性运动和异常是形成湖南规律性干旱和特大干 旱的主要原因。常年6 月以后，湖南除湘西北外，常受西伸北进的西 太平洋副热带高压控制，雨带北移，各地雨季相继结束，天气晴朗， 气温高，蒸发强，引起干旱发生。常年7 9 月，湖南省总降水量除 湘西北近4 0 0 毫米外，其余多在3 0 0 毫米以下，水分的不足，常常引 起干旱发生。如大气环流异常，前期副热带高压很弱，脊线位置偏南， 在湖南省冷暖空气交汇少，雨季降水不足，后期副热带高压过强、过 早并长时间控制湖南省，则出现长期无雨或少雨的现象，引起严重干 旱h 引。大气环流的影响，导致湖南省出现长时间的降水量偏少是形成 干旱的主要原因。 2 3 2 2 降雨量与农业阶段需水量极不平衡 湖南省的早稻本田期需水量一般小于同期降水量，但在某些5 7 月少雨的年份和渗漏严重的地区仍有亏缺，而晚稻本田期需水量一 般大于同期降水量，大多入不敷出。7 - - 9 月是中、晚稻需水关键阶 段，需水量达9 3 8 5 毫米，占全生育期需水量的9 4 7 ，这一时期， 也是棉花结桃、柑橘壮果的关键时间，此时若出现干旱，如果没有良 好的水利灌溉条件，对各类农作物的生长危害极大。 2 3 2 3 气温高，蒸发大，降水和蒸发不平衡 夏秋季节是全省气温较高时段，日平均气温高，全省各地日最高 气温大于或等于3 5 的酷暑期也大多集中在夏秋季节。这一时期蒸 发量也大，最大的可达同期降水量的4 倍以上。 2 3 2 4 地形地貌 地形地表特征是影响干旱的重要因素，衡邵盆地因受地形性下 近3 6 年米湖南省干旱的时空分布特征 沉气流影响，干旱频率较高。湘西、湘西南的石灰岩地质区土层薄， 不利于蓄水保水，十天半月没有降水，就容易发生干旱。 2 3 2 5 社会因素 随着社会发展，自然灾害所造成的损失一直呈上升的趋势。虽然 原因是多方面的，但社会因素越来越显著：一是人口急剧增长，耕地 急剧减少，复种指数提高，加重了干旱的发生和发展；二是森林植被 遭到破坏，生态失去平衡，水土流失日趋严重，人类生存的自然环境 恶化，抗御自然灾害的客观条件脆弱；三是水利工程老化失修，水利 基础设施的局限性和发展的不平衡使抗旱能力降低；四是经济建设的 高速发展，工农业生产和人民日常生活需水成倍增加，少水、缺水的 程度在不断加剧，干旱造成的损失和影响越来越大，一些原本不缺水 的区域也出现水源日益紧张的趋势。这些都是干旱影响加剧的社会因 素5 3 一训。 2 3 3 湖南省历史干旱概况 干旱严重时使得溪河断流，塘坝、水库干涸，对航运、水电产生 致命影响，甚至人畜饮水也会发生困难。尤其农业生产受干旱制约很 大，夏秋季节是湖南省农作物繁茂生长时期，天气炎热，降水少，蒸 发大，农田水量不足，如遇久晴不雨，导致农作物生长发育不良而减 产，甚至农作物被干死绝收。因此，旱灾是湖南影响最为严重的气象 灾害。 最早收集到的湖南旱灾记录是西周昭王十六年( 公元前9 8 0 年) ： 荆州江竭( 注：当时湖南属荆州南境) 。从1 5 世纪到2 0 世纪的6 0 0 年 间，有据可查的旱灾年数达4 2 2 年，发生频率为7 0 3 h 引。 在古代有以记载时间长短来说明旱情的，如“公元前2 3 5 年，湖 南天下大旱，六月不雨至八月 ；有以记载干旱范围来说明旱情的， 如“公元前7 3 年，湖南夏大旱，东南数千里；有以记载干旱影响来 说明旱情的，如“公元6 1 7 年，湖南天下大旱。宁乡大旱，田禾枯焦， 赤地千里 。“公元1 0 3 3 年，南方大旱，种粒皆绝，人多流亡，因饥 硕十学何论文 疫死者十之二、三，墟里几为之空 。近代对旱灾的描述更为详细， 1 9 2 1 年，全省各地发生严重旱灾，受灾饥民达二百万人。入春后长 期不雨，大部分地区早稻不能下种，夏秋以后，旱尤酷烈，禾苗大都 枯死，早稻颗粒无收，五十多县减产，其中收获较多的三、四成，少 的一、二成。1 9 3 4 年，湖南特大旱，6 8 县成灾，自夏迄秋久晴不雨， 湘中、湘南赤地千里，川泽断流，稻菜尽枯，田多失收，民食艰难， 绝境，饿死人无数n 9 矧。 中华人民共和国建国后的几次特大旱灾：1 9 5 6 年，干旱来得早 去得迟，受旱面积广、危害重，尤以湘西和湘南受灾最重。全省农作 物受旱面积1 6 9 6 万公顷，占当年播种面积的2 4 9 ，其中成灾面积 8 8 3 万公顷。因灾减产粮食1 4 5 7 亿公斤。1 9 6 0 年，受旱县市占全 省县市总数的四分之三，全省农作物受旱面积1 9 8 7 万公顷，占当年 播种面积的2 5 7 ，其中成灾面积达8 3 7 万公顷，因灾减产粮食2 0 6 亿千克。1 9 8 5 年，全省农作物受