降水量对湖南省水稻生产的影响分析

摘要：根据1961-2010年湖南省自然灾害历史数据以及同期湖南省逐日降水量资料，利用一元回归、Mann-Kendall检验、Morlet小波分析等方法，对湖南省内1961-2010年的水稻受洪涝灾害及年降水量变化影响的特征进行了分析，在此基础上利用主成分回归方法，建立了湖南省水稻受洪涝灾害影响的多元回归方程。结果表明，湖南省水稻受洪涝灾害影响重、频率高，且在2000年后受灾的严重程度有加重的趋势；各降水因子中，暴雨日及大暴雨日产生的年降水量以及它们的雨日数是决定湖南省水稻受洪涝灾害影响程度的主要因子；利用时间、暴雨日的年降水量建立的多元回归方程可以简便地对某年湖南省水稻受洪涝灾害影响的程度进行简单的预测。

关键词：降水量；湖南省；水稻生产；风险分析

中图分类号：S162.5+3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）02-0265-04

湖南省是一个气象灾害比较严重的省份，气象灾害多发、频发。洪涝，尤其是暴雨洪涝是湖南省仅次于干旱的又一严重自然灾害，它给人民生命财产直接造成威胁。湖南省是中国的主要产粮区之一，素有“鱼米之乡”之称，对湖南省进行暴雨洪涝灾害影响因素的定量分析，可为水灾风险评估和管理提供科学依据。

目前，中国对气象灾害风险的评价及研究很多，其中结合GIS技术对洪涝灾害的风险等级进行区划[1-4]和利用各种数据模型进行风险评估[5，6]是两大亮点。对湖南省洪灾风险影响方面的研究成果也不少，例如对洞庭湖区洪涝灾害的脆弱性评价[7，8]，对湖南全省及地区的洪涝灾害风险评价[9-11]，在这些研究中，缺少一种既科学又简单可行的洪涝灾害对水稻影响评价的模型。此次研究在分析1961-2010年湖南省水稻受洪涝灾害影响的时序变化特征及同时段湖南省降水量变化特征的基础上，利用回归方法，建立基于湖南省水稻受洪涝灾害影响的历史资料的气候学评价模型。

1 材料与方法

1.1 数据来源

主要数据有两类，一类是湖南省1961-2010年自然灾害数据，其数据来源主要是中国种植业信息网和湖南省统计年鉴[12]；另一类是1961-2010年湖南省97个站逐日降水量资料，资料来源于湖南省气象台历年降水实况资料。

1.2 主要方法

1）线性倾向分析。线性倾向分析采用一元线性回归分析[13]：

yi=a+b■ i=l，2，…，n （1）

式中，a是回归常数，b是回归系数，代表气候变化倾向率，b>0表示呈上升趋势，b

2）Mann-Kendall检验。Mann-Kendall突变检验法是一种非参数统计检验方法[14]。非参数检验方法亦称无分布检验，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，计算比较简便。

3）Morlet小波分析。小波分析是分析变化周期的常用方法，Morlet小波分析是在气象上运用较多的连续性小波分析，具体算法参见文献[15]。

4）主成分回归。主成分回归是一种有偏估计的回归预测方法，由Massy于1965年提出，其主要思想是对影响预测因变量的多个自变量的观测样本矩阵中取前几项方差较大的成分作为主成分，略去方差较小的一些成分，在此基础上再进行回归，具体方法参见文献[13]。

2 结果与分析

2.1 1961-2010年湖南省水稻洪涝受灾率分布及变化特征

研究中，对洪涝灾害与洪水灾害的区别不细分。利用1961-2010年湖南省水稻种植面积、水稻受灾面积、水稻洪涝受灾面积、水稻干旱受灾面积、农业种植面积、农业受灾面积等数据，对湖南省近50年来水稻洪涝受灾面积等进行了计算，得到1961-2010年湖南省水稻洪涝受灾率等的时序分布（图1）。

水稻洪涝受灾率的公式为：

D=（Sr / S）×100% （2）

式中，D为水稻洪涝受灾率，单位为%；Sr为水稻洪涝受灾面积，单位为hm2；S为水稻种植面积，单位为hm2。其他的类似项由类似的方法求得。从1961-2010年湖南省水稻洪涝受灾率的时序分析可见，近50年来湖南省水稻洪涝受灾率呈增加趋势。水稻受洪涝灾害的影响存在较明显的年代际变化，1960年代和1970年代前期，水稻的洪涝灾害受灾率呈减少的趋势，且整个的受灾率比较低。从1970年代中期开始，洪涝灾害对水稻生产的影响逐渐加剧，到1996年达到最大值后，出现了较大的年际变化。

按水稻洪涝受灾率水平进行分等，把受灾率均分成5等[16]，受灾率由低到高分成轻灾、小灾、中灾、大灾和重灾。对不同灾等时序分布的统计结果表明，湖南省水稻生产受洪涝灾害的影响频繁，几乎年年受灾，特别是2000年后，湖南省水稻洪涝灾害有加重的趋势（表1）。

由图2可见，湖南省水稻受气象灾害的影响比较重，而在各种气象灾害中，洪涝灾害所占的比例很高。同时，一般年份，湖南省会受到洪涝与干旱两种灾害的双重影响。在多数年份，水稻除受洪涝、干旱的影响外，还受到台风、低温等灾害的影响，因此洪涝灾害对水稻生产的影响不能完全表示湖南省水稻受气象灾害的影响。受灾率与成灾率的时序变化序列都有很高的相似性，两者之间的相关系数达到0.99。

对1961-2010年湖南省水稻洪涝受灾率的Mann-Kendall检验表明，1961-2010年湖南省水稻洪涝受灾率的突变点出现在1963、1965、1967以及1984年前后，在1993年前湖南省水稻洪涝受灾率的变化趋势不明显，此后，其变化趋势达到显著水平（图3）。对1961-2010年湖南省水稻干旱成灾率的Mann-Kendall检验表明，1967-1979年湖南省水稻受干旱的影响呈减少趋势；1980-1995年干旱对湖南省水稻生产的影响呈增强趋势；1996-2010年干旱对湖南省水稻生产的影响又呈减弱趋势。对湖南省水稻洪涝受灾率及干旱受灾率的变化趋势进行对比发现，洪涝与干旱对水稻生产的影响并不存在一定的关系。对1961-2010年湖南省水稻受灾率的Mann-Kendall检验表明，1967-1978年湖南省水稻受灾率呈显著下降趋势，1992年受灾率出现显著上升。

对水稻洪涝受灾率变化趋势的持续性强度的RS分形结果表明，水稻洪涝受灾率的Hurst指数为0.898，表明其变化趋势在未来有很强的持续性，即在未来一段时间内，湖南省水稻洪涝受灾率的增加趋势仍将持续。对其他项的RS分形结果都表明，水稻的受灾率变化趋势将在一段时间内持续，不会很快出现逆转。

对水稻洪涝受灾率、水稻洪涝成灾率等6项指标的相关分析得知这些项为相似项。在研究的后期，选择水稻洪涝受灾率为指标就洪涝灾害对水稻生产的影响进行分析。

1961-2010年湖南省水稻洪涝受灾率的Morlet小波分析结果（图4）表明，洪涝灾害对湖南省水稻生产的影响存在17年左右的周期，1985年后5～6年左右的周期表现得也比较明显。

2.2 1961-2010年湖南省降水分布及变化特征

对湖南省1961-2010年逐日降水量的统计表明，湖南省的年平均降水量为1 377.6 mm，且有增加的趋势，全省降水量约以27.64 mm/（10年）的速率增加。1968-1983年、1996-2002年为两个降水较多时段，对其的Mann-Kendall检验表明，1983年前后，湖南省年平均降水量变化趋势出现了明显变化。1961-2010年湖南省年平均降水量的Morlet小波分析结果表明，湖南省年平均降水量存在37年左右、19年左右两个典型的变化周期（图5）。

4个季度的降水量存在较大的差异，第二季度（4～6月）的平均降水量最多，为580.0 mm，其次是第三季度（7～9月），平均降水量为343.1 mm；降水量最少的是第四季度（10～12月），平均为196.2 mm。在4个季度中，降水量变化最大的是第四季度，其次是第三季度，降水量变化最小的是第一季度。

2.3 1961-2010年湖南省各等级降水的分布及变化特征

在对降水量进行等级划分后，分别对小雨日、中雨日、大雨日、暴雨日、大暴雨日及特大暴雨日的逐年降水量、逐年雨日进行了统计（表2）。由表2可知，中雨对年平均降水量的贡献最大，其次是大雨；对雨日贡献最大的是小雨，全年大部分的雨日都是小雨。特大暴雨出现的几率很小，对年平均降水量及多年平均雨日的贡献都不大。

各等级降水的年降水量、年雨日的气候趋势统计结果表明，小雨的年降水量及年雨日都呈稍减少趋势，其他等级降水的年降水量都呈增加趋势，其中大雨带来的降水量的增加速率最快，达10 mm/（10年）；其次是暴雨，它带来的降水量的增速为9.6 mm/（10年）。除小雨、特大暴雨外的其他降水等级的年雨日都有略增加趋势，但因小雨日以平均4.1 d/（10年）的速率减少，致使雨日以平均3.5 d/（10年）的速率减少。

2.4 湖南省洪涝灾害影响水稻生产评价模型建立

主成分分析的结果表明，暴雨日年降水量、大暴雨日年降水量、暴雨日、大暴雨日等因子是决定湖南省水稻受洪涝灾害影响程度的主要因子，这4个因子对水稻洪涝灾害受灾率的累积贡献率达80%以上。

利用上述主要影响因子及年序系列，对湖南省水稻受洪涝灾害的影响用逐步回归的方法建立回归模型，结果如下：

■=0.564t+0.146p-1 098.124 R=0.605 （3）

式中，y为某年湖南省水稻受洪涝灾害的受灾率，单位为%；t为年份，p为当年的暴雨日的年降水量，单位为mm。在计算中，t和p都取数值。

公式（3）的显著性水平达0.01，其复相关系数为0.605，可见，由公式（3）估计的湖南省水稻洪涝灾害的受灾率的可信度还是比较高的。

水稻洪涝灾害的受灾率与其降水影响因子，如年降水量、年雨日、四季的降水量、其他各等级降水的年降水量及年雨日等因子也有一定的相关性，不过它们的相关系数都小于0.6，且相关大多未达到极显著水平。

利用公式（3）可在对某年的暴雨日年降水量进行预测的基础上，估算出湖南全省水稻洪涝灾害受灾率，大致预测某年水稻受洪涝灾害影响的轻重程度，提前做好防灾减灾措施。利用同样研究思路，在某个区域有相应资料的基础上，可以得到具体的区域化的计算公式，并最终实现相关的预测，为当地的防灾减灾提供参考。

3 结论

对1961-2010年湖南省水稻受洪涝灾害影响的变化特征的分析表明，湖南省的水稻生产受洪涝灾害的影响严重，受灾频率高，2000年后受灾有加重的趋向。

在1961-2010年，湖南全省的年降水量有增加的趋势，但年雨日有减少的趋势，表明湖南省近50年来雨日的降雨强度有增强的趋势；不同等级降水的年降水量、年雨日的变化趋势并不一致，暴雨、大暴雨等级的年降水量增加趋势明显且这两个等级的年雨日有减少的趋势，表明湖南省的强降水有增多的趋势。

对1961-2010年湖南省水稻洪涝灾害受灾率与年降水量、4个季度的季节降水量及雨日、不同等级降水的年降水量及雨日等因子之间的关系的分析表明，暴雨日年降水量、大暴雨日年降水量、年暴雨日、年大暴雨日等因子是决定湖南省水稻受洪涝灾害影响程度的主要因子。用逐步回归方法建立的多元回归方程中只有两个变量时间和暴雨日的年降水量，此方程可以对某年水稻受洪涝灾害影响的程度进行简单的预测。

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