譚云霞， 黃 菲,2**， 許士斌， 王 宏

(1.中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 26610；2. 寧波大學(xué)寧波市非線性海洋和大氣災(zāi)害系統(tǒng)協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 寧波 315000)

干旱是影響農(nóng)牧業(yè)最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一[1-2]，直接影響到人們的飲食來(lái)源，全世界每年因干旱造成巨大的農(nóng)業(yè)損失[3]。全球變暖導(dǎo)致總體地表面變旱，干旱頻率的增加擴(kuò)大了干旱氣候區(qū)域[4]，近幾十年旱澇特征表現(xiàn)為干旱地區(qū)更加干旱，濕潤(rùn)地區(qū)更加濕潤(rùn)[5]。在亞洲中部，極端干旱環(huán)境增加、沙漠日益增大[6]。Zhang等[5]研究表明，北半球亞熱帶及熱帶地區(qū)降水普遍減少，呈現(xiàn)出變旱的總趨勢(shì)。鄒旭凱等[7]用綜合氣象干旱指數(shù)研究中國(guó)1951—2008年干旱變化，結(jié)果表明，干旱變化最明顯的地方在華中、東北和山東等地區(qū)。夏半年(4—9月)中國(guó)大部分地區(qū)干旱呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，從1979—2010年，干旱頻率增長(zhǎng)了109%[8]。對(duì)于冬季，1980年代以來(lái)，中國(guó)東亞區(qū)域近20年降水為異常顯著負(fù)距平，僅為氣候平均的50%[9]。冬春季華北等地區(qū)的極端干旱也越來(lái)越頻繁發(fā)生[10]。

以往的研究中多用降水異常偏少作為表征干旱的指標(biāo)，且干旱具有發(fā)展速度慢、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣等特點(diǎn)[11]，作為降水偏少的極端情況——無(wú)降水發(fā)生，特別是持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的無(wú)降水發(fā)生，必然會(huì)造成極端干旱事件。因此從統(tǒng)計(jì)各地區(qū)不同季節(jié)無(wú)降水日數(shù)發(fā)生的頻率，即空雨頻率的發(fā)生分布規(guī)律，可以更好地從一個(gè)新的視角理解中國(guó)極端干旱的分布特征和發(fā)生規(guī)律。考慮到極端干旱發(fā)生的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且可能存在跨季節(jié)的緩慢演變，本文采用Wang和 An[12]提出的季節(jié)-經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(S-EOF)方法，對(duì)空雨頻率進(jìn)行時(shí)空主模態(tài)特征分析，探究我國(guó)不同區(qū)域、不同時(shí)間尺度極端干旱的變化特征，并探究干旱異常的原因。

1 資料與方法

降水資料采用國(guó)家氣象中心提供的站點(diǎn)日降水資料，時(shí)間長(zhǎng)度為1980—2015年。為保證資料的連續(xù)性和準(zhǔn)確性，剔除了大量缺測(cè)的站點(diǎn)，最終選出487個(gè)站點(diǎn)。采用歐洲數(shù)據(jù)中心月平均再分析資料分析相關(guān)的大尺度環(huán)流特征，包括500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)、850 hPa風(fēng)場(chǎng)、1 000～100 hPa垂直速度場(chǎng)，數(shù)據(jù)分辨率為2.5°×2.5°。

本文將空雨頻率作為極端干旱的指標(biāo)，即無(wú)降水日的頻率。空雨頻率指標(biāo)的建立：分別統(tǒng)計(jì)1980—2014年每年秋(+0，表示同年的秋季)、冬季(+0)、春季(+1，表示第二年春季)各季節(jié)的無(wú)降水日出現(xiàn)的天數(shù)，再除以該季節(jié)的總天數(shù)，即得到每年各季節(jié)的空雨頻率?？沼觐l率的數(shù)值越大，表明極端干旱越強(qiáng)。

季節(jié)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(S-EOF)分解方法是一種著重于季節(jié)演變的時(shí)空主模態(tài)分析方法，本文對(duì)全國(guó)487個(gè)站點(diǎn)空雨頻率連續(xù)秋、冬、春三個(gè)季節(jié)的距平場(chǎng)進(jìn)行S-EOF分解，得到中國(guó)極端干旱隨三個(gè)季節(jié)演變的時(shí)空主模態(tài)特征，特別是可以抓住季節(jié)持續(xù)的極端干旱特征。采用North準(zhǔn)則[13]檢驗(yàn)S-EOF分解出來(lái)各模態(tài)的獨(dú)立性；用T檢驗(yàn)方法[14]檢驗(yàn)要素相關(guān)場(chǎng)的顯著性。

2 空雨頻率的季節(jié)變化

從1980—2014年夏(JJA+0)、秋(SON+0)、冬(DJF+0)、春(MAM+1)四個(gè)季節(jié)空雨頻率的氣候平均態(tài)(見圖1)來(lái)看，中國(guó)空雨頻率的分布總體上表現(xiàn)為從南向北，從東南到西北逐漸增大的特征，但不同季節(jié)局部地區(qū)特征有所不同。夏季的空雨頻率普遍偏低，只有在常年無(wú)降水的西北一帶空雨頻率才超過(guò)0.7，東北、華中、華南地區(qū)的空雨頻率大都在0.6之下，夏季高原東側(cè)西南地區(qū)的西南渦為該地區(qū)帶來(lái)頻繁的降水，空雨頻率最低，只有0.2～0.4。秋、冬、春三個(gè)季節(jié)的空雨頻率明顯偏大，西北和內(nèi)蒙地區(qū)甚至有的地方超過(guò)0.9，呈現(xiàn)三季連旱型。隨著時(shí)間的推移，夏季西南地區(qū)的空雨頻率高值區(qū)東移。隨著5月份夏季風(fēng)的爆發(fā)，春季長(zhǎng)江流域以南地區(qū)空雨頻率顯著減少。統(tǒng)計(jì)各季節(jié)空雨頻率的區(qū)域均值分別為夏(0.58)、秋(0.74)、冬(0.80)、春(0.69)，夏季的空雨頻率明顯低于其他三個(gè)季節(jié)，所以本文主要從秋、冬、春三個(gè)連續(xù)季節(jié)空雨頻率的變化來(lái)分析中國(guó)極端干旱的變化。

圖1 不同季節(jié)1980—2014多年氣候平均的空雨頻率分布Fig.1 Climatological mean of frequency of precipitation free day (FPFD) in Summer (JJA+0), Autumn (SON+0), Winter (DJF+0) and the next Spring (MAM+1)

3 空雨頻率的時(shí)空主模態(tài)特征

3.1 S-EOF主模態(tài)的方差貢獻(xiàn)及空間代表性

將1980—2014年秋(SON+0)、冬(DJF+0)、春(MAM+1)三個(gè)季節(jié)的空雨頻率距平場(chǎng)進(jìn)行S-EOF分解，通過(guò)North檢驗(yàn)(見圖2(a))可以發(fā)現(xiàn)，前10個(gè)模態(tài)之間并不相互獨(dú)立，反映出中國(guó)干旱分布的復(fù)雜性，不存在非常顯著的獨(dú)立模態(tài)。但前四個(gè)模態(tài)與其后的模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率有較為明顯的差異，前四個(gè)模態(tài)累積方差貢獻(xiàn)為40.6%，其中第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為14.3%，第二模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為11.6%，前兩個(gè)模態(tài)之間方差貢獻(xiàn)差異不大，表明這兩個(gè)模態(tài)可能反映了同一年際年代際變化過(guò)程的不同位相特征。通過(guò)對(duì)模態(tài)物理意義的檢驗(yàn)，第三模態(tài)(7.9%)和第四模態(tài)(6.7%)對(duì)空雨頻率的觀測(cè)場(chǎng)也具有很好的代表性，因此本文重點(diǎn)分析前四個(gè)主模態(tài)空雨頻率變化的時(shí)空特征。

將前四個(gè)模態(tài)的主成分做加權(quán)平均，再與空雨頻率觀測(cè)場(chǎng)求相關(guān)(見圖2(b))，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于全場(chǎng)487個(gè)站點(diǎn)，通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)數(shù)分別為：401(秋)，470(冬)，428(春)。由此可見，前四個(gè)模態(tài)可以較好地體現(xiàn)出我國(guó)90%以上的站點(diǎn)空雨頻率異常分布特征，且顯著相關(guān)的站點(diǎn)主要分布在華中、華南、華東等中國(guó)東部區(qū)域，表明前四個(gè)模態(tài)主要代表這些區(qū)域空雨頻率的變化情況，而對(duì)西北、東北區(qū)域的代表性較差。三個(gè)季節(jié)相關(guān)系數(shù)的區(qū)域平均都超過(guò)0.5，均通過(guò)了99%的顯著性檢驗(yàn)。秋季發(fā)生極端干旱的范圍較集中；冬季發(fā)生極端干旱的范圍最大，且前四個(gè)模態(tài)對(duì)冬季的代表性最好；對(duì)春季的代表性略差。空雨頻率模態(tài)的空間分布場(chǎng)與觀測(cè)數(shù)據(jù)的檢測(cè)場(chǎng)進(jìn)行空間相關(guān)分析(見表1)，第二模態(tài)對(duì)冬季的空間代表性略差(0.79)，其他的各模態(tài)各季節(jié)的相關(guān)系數(shù)均大于或等于0.87，說(shuō)明前四個(gè)模態(tài)對(duì)空雨頻率觀測(cè)場(chǎng)具有很好的代表性。第一模態(tài)對(duì)冬季的代表性最好，空間相關(guān)系數(shù)達(dá)0.98, 具有高度一致性。

(誤差棒表示抽樣誤差的標(biāo)準(zhǔn)差。Error bar represents the standard deviation of sampling error.)

(黑點(diǎn)為過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)的站，綠點(diǎn)為過(guò)99%顯著性檢驗(yàn)的站。0.54、0.60、0.51分別為秋、冬、春487個(gè)站點(diǎn)相關(guān)系數(shù)均值。Black dot is as passing 95% significance level and green dot as 99%. 0.54、0.60、0.51 is spatial averaged correlation coefficient in autumn/winter/spring respectively.)

圖2(b) 前四個(gè)模態(tài)合成場(chǎng)(∑ PC1-4×EOF1-4)與空雨頻率異常場(chǎng)的相關(guān)場(chǎng)Fig.(b) Correlation fields in autumn, winter and the next spring between modes1-4 combined field (∑ PC1-4×EOF1-4) and frequency of FPFD

3.2 三季連旱模態(tài)

對(duì)比圖3(b)和3(c)，模態(tài)檢驗(yàn)過(guò)顯著的區(qū)域主要分布在秋季的長(zhǎng)江流域、冬季的華中華南地區(qū)、春季的華中華北地區(qū)，表明第一模態(tài)主要表征出這些區(qū)域的空雨頻率的變化。1980—2014年我國(guó)秋、冬、春三個(gè)季節(jié)空雨頻率的空間分布場(chǎng)基本呈現(xiàn)一致型的干旱分布特征，空雨頻率高值區(qū)均分布在江南地區(qū)，冬季的極端干旱范圍最大且強(qiáng)度最強(qiáng)，從秋季開始，一直持續(xù)到次年春季；時(shí)間序列(見圖3(a))呈現(xiàn)顯著的振蕩上升特征，在1990s中期存在顯著的年代際轉(zhuǎn)折，這可能與東亞季風(fēng)的年代際減弱有關(guān)。其中線性趨勢(shì)的方差貢獻(xiàn)率為29.5%，去趨勢(shì)的年際變化方差貢獻(xiàn)為70.5%。綜合時(shí)空特征看：秋、冬、春三個(gè)季節(jié)我國(guó)中南部和東部大部分地區(qū)均為空雨頻率增多的變旱趨勢(shì)，反映出三季連旱的特征，其中，華南沿海地區(qū)冬季變旱強(qiáng)度最大，且從1990s中期開始顯著加強(qiáng)。

3.3 秋-冬-春極端干旱反位相模態(tài)

由圖4(b)和4(c)可知，第二模態(tài)對(duì)長(zhǎng)江流域和華南地區(qū)的空雨頻率代表性較好?？沼觐l率的空間分布場(chǎng)最主要的特征表現(xiàn)為：秋季空雨頻率強(qiáng)負(fù)異常與冬春兩季的正異常成明顯的反位相分布狀態(tài)?？沼觐l率三個(gè)季節(jié)變化最大的區(qū)域在長(zhǎng)江流域，中心位于30°N附近。時(shí)間序列PC2(見圖4(a))表現(xiàn)為年際年代際振蕩，1980—1987年和2010—2014年(前后階段)多為正值，1988—2009年(中間階段)多為負(fù)值。綜合時(shí)空變化看：前后兩個(gè)年代際變化階段(1987年之前和2010年之后)江淮地區(qū)秋雨較強(qiáng)，空雨頻率減少，冬春兩季轉(zhuǎn)為空雨頻率增多、極端干旱增加的特征，春季華南沿海則干旱略有減輕。中間階段的極端干旱特征則與前后階段變化相反，呈現(xiàn)出秋季江淮地區(qū)變旱而冬春季干旱減輕的反位相變化特征。

((a)標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列PC1(藍(lán)線)，黑線是PC1的線性趨勢(shì)，綠色虛線為去趨勢(shì)的PC1，柱狀圖為5年滑動(dòng)平均的PC1；(b) 空間分布型；(c) 對(duì)第一模態(tài)的檢驗(yàn)，即PC1的 5個(gè)大值年份與小值年份空雨頻率的合成差值場(chǎng)，圓圈表示超過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)的站點(diǎn)。(a) The standardized time series principal component of the first mode (PC1). Blue line is PC1; Black line is the trend of PC1; Green line is the detrended PC1; Bar is five-years running mean of PC1. (b) Spatial pattern. (c) Composite difference fields of FPFD in different seasons between 5 maximum years and 5 minimum years of PC1. Black circle represents significant at the 95% confidence level.)

圖3 空雨頻率異常場(chǎng)S-EOF分解的第一模態(tài)
Fig.3 The first mode of S-EOF on anomaly FPFD

3.4 冬-春極端干旱反位相模態(tài)

第三模態(tài)(見圖5)主要為秋冬季與春季的空雨頻率的反位相變化，對(duì)冬季和次年春季的代表性較好，對(duì)秋季的代表性略差。秋冬兩季空雨頻率的空間分布場(chǎng)為以長(zhǎng)江流域?yàn)橹行牡臉O端變旱，冬季長(zhǎng)江流域的中下游變旱最強(qiáng)。春季空雨頻率出現(xiàn)顯著的反相變化，表現(xiàn)為以長(zhǎng)江流域?yàn)橹行牡目沼觐l率的減少，降水頻繁。從時(shí)間序列來(lái)看，1980—1998年，空雨頻率主要在正值區(qū)振蕩，1998年之后， PC3出現(xiàn)了明顯的年代際轉(zhuǎn)折，主要在負(fù)值區(qū)振蕩。綜合時(shí)空變化看：1980—1998年，秋、冬季節(jié)以長(zhǎng)江流域?yàn)橹行模A中、華南地區(qū)表現(xiàn)為極端干旱異常，東北、西南地區(qū)為空雨頻率偏低的多降水區(qū)域；春季空雨頻率異常偏低，降水頻繁。1999—2014年，整體呈現(xiàn)反向變化，充分體現(xiàn)出我國(guó)位于東亞季風(fēng)區(qū)干旱和降水的復(fù)雜性。

圖4 同圖3，但為第二模態(tài)的空雨頻率時(shí)空變化Fig.4 Same as in figure 3，but for the second mode

圖5 同圖3，但為第三模態(tài)的空雨頻率時(shí)空變化Fig.5 Same as in figure 3 but for the third mode

3.4 南北偶極型秋-冬-春反位相模態(tài)

第四模態(tài)(見圖6)主要表現(xiàn)為華中、華南空雨頻率的反向變化，對(duì)秋季和春季的代表性較好，也可以體現(xiàn)出冬季西南地區(qū)的極端干旱異常。分析空雨頻率的空間分布場(chǎng)(見圖6(b))可以發(fā)現(xiàn)，秋季長(zhǎng)江流域以南與長(zhǎng)江流域以北呈現(xiàn)反位相變化，華南沿海地區(qū)秋季空雨頻率的負(fù)異常與冬春兩季華南沿海正異常的呈現(xiàn)反向變化。時(shí)間序列PC4則呈現(xiàn)不規(guī)律的年際振蕩。

圖6 同圖3，但為第四模態(tài)的空雨頻率時(shí)空變化Fig.6 Same as in figure 3 but for the fourth mode

4 結(jié)論

本文以空雨頻率作為極端干旱指標(biāo)，選取了我國(guó)487個(gè)站點(diǎn)，對(duì)1980—2014年秋(SON+0)、冬(DJF+0)、春(MAM+1)三個(gè)季節(jié)的空雨頻率進(jìn)行S-EOF分解，并對(duì)空雨頻率的時(shí)空變化進(jìn)行探究，得出以下主要結(jié)論：

(1)前四個(gè)模態(tài)為S-EOF分解的主模態(tài)，累積方差貢獻(xiàn)為40.6%，能體現(xiàn)出我國(guó)90%站點(diǎn)空雨頻率的異常分布。前四個(gè)模態(tài)對(duì)空雨頻率觀測(cè)場(chǎng)的變化有很高的時(shí)空代表性，主要代表華中、華南和華東等大部分地區(qū)空雨頻率的變化情況。

(2)方差貢獻(xiàn)最大的是三季連旱模態(tài)，表明我國(guó)空雨頻率呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)，華中、華南大部分地區(qū)為變旱異常，異常大值區(qū)位于25°N附近。三季連旱模態(tài)對(duì)冬季空雨頻率的變化代表性最好，冬季華南沿海地區(qū)的變旱強(qiáng)度最大。

(3)秋-冬春干旱反位相變化模態(tài)主要代表了長(zhǎng)江流域和華南地區(qū)的空雨頻率時(shí)空變化。秋季空雨頻率異常偏少、冬春季異常偏多，出現(xiàn)明顯的季節(jié)反差。異常區(qū)域位于30°N附近?？沼觐l率變化存在弱的年代際振蕩。

(4)冬-春反位相年代際轉(zhuǎn)型模態(tài)對(duì)冬春兩季的代表性較好。秋冬兩季空雨頻率的空間分布為以長(zhǎng)江流域?yàn)橹行牡臉O端變旱，冬季長(zhǎng)江流域的中下游變旱最強(qiáng)，春季空雨頻率呈現(xiàn)反位相變化。時(shí)間序列表現(xiàn)為以1998年為界，1980—1998年和1998年之后空雨頻率明顯的年代際轉(zhuǎn)折。

華南華北反位相模態(tài)對(duì)秋季和春季的代表性較好，也可以體現(xiàn)出冬季西南地區(qū)的極端干旱異常。三個(gè)季節(jié)中，長(zhǎng)江流域以南與長(zhǎng)江流域以北空雨頻率均為反位相變化。

本文在降水資料的選取時(shí)，剔除了大量缺測(cè)的站點(diǎn)，最終選出487個(gè)站點(diǎn)資料，站點(diǎn)數(shù)量相對(duì)較少；選取的前四個(gè)主模態(tài)，主要體現(xiàn)華中、華南等部分地區(qū)的空雨頻率變化情況，對(duì)西北、東北地區(qū)的代表性略差，因此本文的研究主要反映了中國(guó)中東部地區(qū)極端干旱的時(shí)空分布特征。