付冶怡,安彤彤,李金建
(成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院,成都 610225)
干旱從古至今都是人類面臨的主要災(zāi)害,它發(fā)生頻率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣,即使在科技發(fā)達(dá)的今天,它造成的災(zāi)難性后果仍比比皆是[1]。值得注意的是,在全球氣候變暖的背景下,干旱化趨勢(shì)已成為全球關(guān)注的問題,我國(guó)干旱問題也不斷突出。進(jìn)入20 世紀(jì),許多學(xué)者已從不同領(lǐng)域、不同方面對(duì)干旱進(jìn)行了研究,并取得了很多成果。
近年來,我國(guó)的干旱覆蓋面積增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯。據(jù)統(tǒng)計(jì),四川作為我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)大省[2],干旱發(fā)生頻繁,且季節(jié)性干旱持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、危害范圍大,對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人民生活造成了重大影響[3?4]。劉建剛等[5]通過對(duì)比2009 年秋至2010 年春西南地區(qū)干旱與歷史場(chǎng)次干旱,得出干旱災(zāi)害對(duì)西南五省的水資源、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市發(fā)展、工業(yè)及其他社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)產(chǎn)生重大影響等結(jié)論。王明田等[6]利用相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)對(duì)四川省季節(jié)性干旱時(shí)空分布特征進(jìn)行分析,得出四川省年尺度干旱頻率和強(qiáng)度均呈西高東低的帶狀分布,且在年際變化趨勢(shì)上,干旱強(qiáng)度有所減弱,但最近10 年明顯增強(qiáng),干旱范圍擴(kuò)大等結(jié)論。陳艾琳等[7]利用遙感和GIS 手段等對(duì)四川省土壤干旱程度進(jìn)行時(shí)空分析,得出在春季、夏季和秋季,四川盆地區(qū)域的土壤干旱程度均有較大變化,而冬季干旱程度變化不明顯等結(jié)論。巫娜等[8]對(duì)四川盆地近30 年干旱災(zāi)害進(jìn)行分析,得出四川盆地夏旱出現(xiàn)的頻率最高,伏旱的發(fā)生頻率最低,強(qiáng)度最強(qiáng)等結(jié)論。齊冬梅等[9]利用Z 干旱指數(shù)研究四川干旱的時(shí)空分布特征,得到四川盆地西部、東部和川西高原區(qū)夏旱比較嚴(yán)重,而盆地南部區(qū)、中部區(qū)和川西南山地區(qū)冬旱比較嚴(yán)重等結(jié)論。
總的說來,已有研究多集中分析夏季四川盆地干旱的時(shí)空變率及成因,但對(duì)于該地區(qū)春旱的分析還有所欠缺。因此,本文擬利用1961~2016 年四川盆地101 個(gè)站點(diǎn)的春季(3~5 月)觀測(cè)數(shù)據(jù),在計(jì)算綜合氣象指數(shù)CI 的基礎(chǔ)上,運(yùn)用多種統(tǒng)計(jì)方法研究該地區(qū)春旱的時(shí)空變化特征,以期為提高短期氣候預(yù)測(cè)水平和制定防災(zāi)減災(zāi)策略提供科技支撐。
四川盆地是中國(guó)四大盆地之一,位于亞洲大陸中南部,中國(guó)腹心地帶和中國(guó)大西部東緣中段。地理坐標(biāo)介于97°21′~108°31′E,26°03′~34°19′N。其輪廓形態(tài)總體近似為長(zhǎng)方形,盆地有盆周山地和盆地底部構(gòu)成。盆周東部為長(zhǎng)江三峽,南部為云貴高原,西部為青藏高原,北部為大巴山。盆地底部主要分為川東平行嶺谷、川中丘陵和川西成都平原三部分。四川盆地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,符合夏季高溫多雨,冬季低溫少雨且冬季月平均氣溫在0℃以上的特征。同時(shí)也是海洋性氣候,由于四川盆地北有秦嶺和大巴山阻擋,使得盆地冬季不易受到北方南下的冷空氣影響而氣溫較高,氣溫年較差??;由于地形封閉,多云霧天氣,氣溫日較差很小,晝涼夜暖。
研究選用1961~2016 年四川盆地101 個(gè)地面氣象觀測(cè)臺(tái)站的逐日降水資料,由四川省氣象信息中心提供。經(jīng)過了比較嚴(yán)格的質(zhì)量控制,但本文并沒有對(duì)可能由于臺(tái)站變遷、觀測(cè)儀器變更、觀測(cè)方法改變等因素造成的氣候資料非均一性進(jìn)行檢驗(yàn)與訂正,僅對(duì)少量缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了插補(bǔ)處理。臺(tái)站分布情況如圖1 所示。
圖1 四川盆地氣象站分布
1.3.1 綜合氣象指數(shù)(CI)的計(jì)算
氣象干旱綜合指數(shù)(以下簡(jiǎn)稱CI)[10]是利用月尺度和季尺度這兩個(gè)尺度標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù),以及近30d相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)進(jìn)行綜合計(jì)算而得。該指標(biāo)既能反映短時(shí)間尺度(月)和長(zhǎng)時(shí)間尺度(季)降水量的氣候異常情況,又能反映短時(shí)間尺度水分短缺(影響農(nóng)作物)的情況。指標(biāo)不僅適合實(shí)時(shí)氣象干旱監(jiān)測(cè),同時(shí)還可用于歷史同期氣象干旱評(píng)估。本文基于1961~2016年四川盆地101 個(gè)地面氣象觀測(cè)站的逐日降水資料,計(jì)算了綜合氣象干旱指數(shù),根據(jù)CI 值的大小劃分干旱等級(jí),見表1。
表1 基于CI 的干旱分級(jí)
1.3.2 干旱過程的確定
當(dāng)逐日CI 值連續(xù)10d 以上(含10d)達(dá)到輕旱或以上等級(jí)則定為發(fā)生一次干旱過程。干旱過程的起始日期為首次CI 指數(shù)達(dá)到輕旱或以上等級(jí)的日期。在干旱發(fā)生期,當(dāng)CI 值連續(xù)10d 為無旱等級(jí)時(shí)干旱過程結(jié)束,結(jié)束日期為最后1 次CI 值達(dá)到無旱等級(jí)的日期。從干旱過程開始到結(jié)束的時(shí)間則為干旱持續(xù)時(shí)間或干旱過程持續(xù)時(shí)間。干旱過程內(nèi)所有CI 值為輕旱以上的干旱等級(jí)之和表示為干旱過程強(qiáng)度,其值越小,干旱過程越強(qiáng)。
當(dāng)某一時(shí)段內(nèi)至少出現(xiàn)1 次干旱過程,并且累計(jì)干旱持續(xù)時(shí)間超過所評(píng)價(jià)時(shí)段的1/4 時(shí),則認(rèn)為該時(shí)段發(fā)生干旱事件,其干旱強(qiáng)度由時(shí)段內(nèi)CI 值為輕旱以上的干旱等級(jí)之和確定。本文主要討論四川省春季干旱發(fā)生特征,下文提及的干旱持續(xù)時(shí)間均是在春季(3~5 月)內(nèi)發(fā)生的所有干旱過程的持續(xù)時(shí)間之和;而干旱強(qiáng)度則是發(fā)生在春季的所有干旱過程強(qiáng)度的平均值。
1.3.3 干旱頻率的計(jì)算
統(tǒng)計(jì)1961~2016 年春季有干旱事件發(fā)生的年份(即在春季中出現(xiàn)了至少1 次輕旱以上的干旱過程),計(jì)算干旱發(fā)生頻率,具體公式如下:
式中:n為實(shí)際有干旱事件發(fā)生的年數(shù),N為資料年代序列數(shù)。1961~2016 年共56 年數(shù)據(jù),帶入資料計(jì)算所得的CI 值是從1961 年開始,N取56。
1.3.4 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析法
經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析方法(以下簡(jiǎn)稱EOF)的基本原理是把包含p個(gè)空間點(diǎn)(變量)的場(chǎng)隨時(shí)間變化分解成空間模態(tài)和時(shí)間模態(tài)的乘積,進(jìn)而識(shí)別出主要空間型及其時(shí)間演變規(guī)律[11]。對(duì)四川盆地各站綜合氣象干旱指數(shù)處理成距平形式后,計(jì)算得到特征向量對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)以及空間模態(tài)中各格點(diǎn)的方差貢獻(xiàn),利用方差貢獻(xiàn)進(jìn)行模態(tài)分析。
1.3.5 小波分析
小波分析具有時(shí)頻多分辨率功能,局部分析性能優(yōu)越,可以展現(xiàn)時(shí)間序列的精細(xì)結(jié)構(gòu),從而可以對(duì)不同時(shí)間尺度上的變化情況進(jìn)行分析,更準(zhǔn)確地揭示干旱的變化周期。小波方差反映波動(dòng)隨尺度的分布,可以用來確定一個(gè)時(shí)間序列中各種尺度擾動(dòng)的相對(duì)強(qiáng)度。這里采用復(fù)值morlet 小波[12]進(jìn)行周期分析,具體公式如下:
利用所求得的四川盆地各站逐年春季氣象干旱指數(shù)(CI),根據(jù)表1 將其中歷年達(dá)到干旱標(biāo)準(zhǔn)的氣象干旱指數(shù)進(jìn)行干旱等級(jí)劃分,再對(duì)各等級(jí)干旱強(qiáng)度進(jìn)行多年平均,進(jìn)而得到四川盆地春季各等級(jí)干旱強(qiáng)度的空間分布(圖2)。如圖所示,近56a 平均四川盆地春旱強(qiáng)度由西南向東北大致呈“高-低-高”的分布特征;其中高強(qiáng)度區(qū)域主要分布在盆地西北部(成都、德陽、綿陽、廣元)和盆地西南部(雅安、眉山、樂山),CI 值為?1.38~?1.25,達(dá)到中旱等級(jí);中部大片地區(qū)CI值為?1.25~?1.20,也達(dá)到了中旱等級(jí),但強(qiáng)度略低于盆西北和盆西南;春旱強(qiáng)度最低區(qū)域主要位于盆地東北部(南充、巴中、達(dá)州、廣安),CI 值為?1.15~?1.13,為輕旱等級(jí)。
圖2 近56a 平均四川盆地春旱強(qiáng)度空間分布
由近56a 四川盆地春旱頻率空間分布(圖3)可知,春旱發(fā)生頻率由南向北呈““低-高-低-高-低””的多極子分布模態(tài)。其中,春旱高發(fā)中心集中在四川盆地中部(資陽、遂寧、內(nèi)江)、西南部(樂山、雅安、眉山)與北部(成都、廣元、德陽及綿陽),西南部與北部區(qū)域較小。
圖3 近56a 四川盆地春旱頻率空間分布
不同等級(jí)的春旱(輕、中、重、特)發(fā)生頻率特點(diǎn)又各有不同。輕旱(圖4a)在四川盆地發(fā)生頻率略高,除盆地西南及盆地西北小部分地區(qū)介于14%~20%外,其余地區(qū)一般在20%以上;中旱(圖4b)發(fā)生頻率高值中心在盆地中西部,次高值中心在盆地西南部,中旱發(fā)生頻率可達(dá)30% 以上,其余地區(qū)中旱發(fā)生頻率多在30%以下;重旱(圖4c)高發(fā)地區(qū)在盆地西北部,中心區(qū)域可達(dá)6%以上。整片區(qū)域的分布較零散;特旱(圖4d)發(fā)生頻率較低,即使在發(fā)生頻率最高的盆地西南部,其發(fā)生頻率最高也低于4%??偟膩碚f,四川盆地春旱發(fā)生頻繁,在各等級(jí)春旱強(qiáng)度中,以輕旱和中旱發(fā)生頻率較高。
圖4 近56a 四川盆地不同強(qiáng)度春旱頻率空間分布(a.輕旱,b.中旱,c.重旱,d.特旱)
根據(jù)所求得的各站逐年春旱天數(shù),將歷年有春旱發(fā)生的天數(shù)進(jìn)行多年平均,得到近56a 平均四川盆地春旱天數(shù)空間分布(圖5)。如圖所示,四川盆地年平均春旱天數(shù)分布特征與春旱頻率的分布具有一定的相似性,均由南向北呈“低-高-低-高-低”的多極子分布模態(tài);春旱天數(shù)比較高的區(qū)域主要在盆地中部和南部,最高可達(dá)43d;春旱天數(shù)比較低的區(qū)域主要在盆地東北部,最低可達(dá)26d。
圖5 近56a 平均四川盆地春旱天數(shù)空間分布
圖6a 和圖6b 分別是1961~2016 年四川盆地101個(gè)站點(diǎn)春旱天數(shù)和強(qiáng)度長(zhǎng)期趨勢(shì)的空間分布。如圖6a所示,近56a 四川盆地春旱天數(shù)總體呈減弱趨勢(shì);春旱天數(shù)呈下降趨勢(shì)的站點(diǎn)共79 個(gè),所占比例約為78.2%,主要分布在盆地南部和中部的交界處及盆地西南部,其中下降趨勢(shì)最為顯著的站點(diǎn)為寶興(?4.387d/10a);其余站點(diǎn)春旱天數(shù)均呈上升趨勢(shì),主要分布在盆地西北部和盆地南部,其中上升趨勢(shì)最為顯著的站點(diǎn)為龍泉驛(5.462d/10a)。如圖6b 所示,近56a 四川盆地春旱強(qiáng)度總體呈上升趨勢(shì);春旱強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)的站點(diǎn)共68 個(gè),所占比例約為67.3%,主要分布在盆地西南部、中部及南部,其中上升趨勢(shì)最為顯著的是資中(0.12d/10a);其余站點(diǎn)春旱強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì),最為明顯的是龍泉驛(?0.213d/10a)通過相關(guān)分析可以發(fā)現(xiàn),四川盆地春旱天數(shù)和強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)為?0.878,通過了0.001 水平的信度檢驗(yàn),表明1961~2016 年四川盆地春旱天數(shù)與春旱強(qiáng)度呈顯著的負(fù)相關(guān)。
圖6 近56a 四川盆地101 個(gè)站點(diǎn)春旱天數(shù)(a)和強(qiáng)度(b)長(zhǎng)期趨勢(shì)空間分布
為了進(jìn)一步了解四川盆地干旱強(qiáng)度的空間模態(tài)特征,本文對(duì)1961~2016 年春旱強(qiáng)度進(jìn)行了EOF 分析,發(fā)現(xiàn)其前四個(gè)特征向量累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為62.4%(表2),能夠代表春旱強(qiáng)度的主要空間模態(tài)。因此,本文主要討論前四個(gè)特征向量的時(shí)空特征。
表2 四川盆地春旱強(qiáng)度和天數(shù)EOF 分解前4 個(gè)模態(tài)的方差和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率
圖7a 是四川盆地春旱強(qiáng)度EOF 分解的第一特征向量場(chǎng)。分析可知:第一特征向量的方差貢獻(xiàn)為42.99%,是春旱強(qiáng)度最主要的空間模態(tài),其特征向量載荷值全為正,即整個(gè)四川盆地呈一致性變化;荷載高值中心區(qū)主要位于盆地西南部(雅安、眉山、樂山)與盆地西北部(成都、德陽、綿陽、廣元)部分區(qū)域,達(dá)到0.13。從對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(圖7c)來看,春旱強(qiáng)度呈弱上升趨勢(shì),且在20 世紀(jì)60~70 年代及80 年代之后表現(xiàn)出明顯的年代際振蕩特征。
圖7b 是四川盆地春旱強(qiáng)度EOF 分解的第二特征向量場(chǎng)。分析可知:第二特征向量的方差貢獻(xiàn)為8.49%,是春旱強(qiáng)度的次要空間模態(tài);其特征向量載荷值在盆地西南部為負(fù),絕對(duì)值高值區(qū)處于盆地西南部與攀西地區(qū)的交界處;載荷值在盆地東北部為正,高值中心在大巴山脈一處;這意味著當(dāng)盆地西南部春旱強(qiáng)度偏強(qiáng)(弱)時(shí),盆地東北部的春旱強(qiáng)度則偏弱(強(qiáng))。從對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(圖7d)來看,春旱強(qiáng)度存在比較明顯的年際振蕩,在盆地西南部呈上升趨勢(shì),而在盆地東北部則表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。
圖7e 是四川盆地春旱強(qiáng)度EOF 分解的第三特征向量場(chǎng)。分析可知:第三特征向量的方差貢獻(xiàn)為6.04%;其特征向量載荷值在盆地中西部地區(qū)為負(fù),絕對(duì)值高值中心為綿陽一帶;盆地東南部載荷值為正,高值中心在內(nèi)江和瀘州附近;這意味著當(dāng)盆地中西部地區(qū)春旱強(qiáng)度偏強(qiáng)(弱)時(shí),盆地東南部則會(huì)偏弱(強(qiáng))。從對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(圖7g)來看,春旱強(qiáng)度在20 世紀(jì)60 年代和90 年代存在明顯的年代振蕩特征,總體呈四川盆地中西部增強(qiáng)、東南部減弱的趨勢(shì)。
圖7f 是四川盆地春旱強(qiáng)度EOF 分解的第四特征向量場(chǎng)。分析可知:第四特征向量的方差貢獻(xiàn)為4.89%;盆地北部與南部載荷值為負(fù),高值中心在廣元北部;盆地中部載荷值為正,高值中心在廣安一帶;這意味著當(dāng)盆地北部和南部春旱強(qiáng)度較強(qiáng)(弱)時(shí),盆地中部春旱強(qiáng)度則較弱(強(qiáng))。從對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(圖7h)來看,春旱強(qiáng)度總體呈盆地北部和南部春旱強(qiáng)度下降,盆地中部上升的一個(gè)趨勢(shì)。
圖7 四川盆地春旱強(qiáng)度EOF 分解前四個(gè)模態(tài)的特征向量場(chǎng)及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(a、c.第一模態(tài),b、d.第二模態(tài),e、g.第三模態(tài),f、h.第四模態(tài))
本節(jié)對(duì)1961~2016 年四川盆地春旱天數(shù)進(jìn)行了EOF 分析,得出其前四個(gè)特征向量累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為65.59%(表2),可以代表春旱天數(shù)的主要空間模態(tài)。
四川盆地春旱天數(shù)EOF 分解的第一特征向量場(chǎng)(圖8a)所占方差貢獻(xiàn)率為44.24%,是最主要的空間模態(tài),其特征向量載荷值均為正,即整個(gè)四川盆地為一致性變化;盆地中部及西南部西北部交界處為高值中心(成都、資陽、遂寧、內(nèi)江、樂山、眉山),達(dá)到0.13。由對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(圖8c)來看,整個(gè)盆地的春旱天數(shù)呈下降趨勢(shì),同時(shí)具有明顯的振蕩特征。
四川盆地春旱天數(shù)EOF 分解的第二特征向量場(chǎng)(圖8b)表現(xiàn)為經(jīng)向的偶極型空間分布,約以105°E 為界,方差貢獻(xiàn)率為11.52%,是次要空間模態(tài);盆地西部載荷值為正,高值中心位于眉山、宜賓一帶;盆地東部載荷值為負(fù)值,高值區(qū)位于南充、巴中、達(dá)州與廣安;這意味著春旱天數(shù)在盆地西部與東部存在相反變化特征。對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(圖8d)呈弱上升趨勢(shì),在20 世紀(jì)70 年代和80 年代表現(xiàn)出明顯的年代際振蕩特征。
四川盆地春旱天數(shù)EOF 分解的第三特征向量場(chǎng)(圖8e)方差貢獻(xiàn)為5.21%;盆地東部一帶載荷值為正,自貢、宜賓與瀘州為高值中心;盆地西北一帶載荷值為負(fù),德陽和綿陽為高值中心;這意味著盆地西北部春旱天數(shù)偏多(少)時(shí),則盆地東部一帶偏少(多)。結(jié)合對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(圖8g)來看,盆地東部春旱天數(shù)呈減少趨勢(shì),盆地西北部呈增多趨勢(shì)。
四川盆地春旱天數(shù)EOF 分解的第四特征向量場(chǎng)(圖8f)方差貢獻(xiàn)率為4.62%;盆地北部與南部載荷值為負(fù),廣元一帶為高值中心;盆地中部載荷值為正,廣安和成都一帶為高值中心;這意味著盆地中部春旱天數(shù)增偏多(少),盆地北部和南部春旱天數(shù)偏少(多)。對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(圖8h)呈弱下降趨勢(shì)。
圖8 同圖7,但為干旱天數(shù)
為了進(jìn)一步分析周期變化特征,本節(jié)對(duì)1961~2016 年四川盆地春旱天數(shù)和強(qiáng)度EOF 分解的第一特征向量場(chǎng)對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)進(jìn)行小波分析,圖9 給出了小波變換系數(shù)的實(shí)部,其中實(shí)線部分表示干旱天數(shù)(強(qiáng)度)偏多(偏強(qiáng)),虛線部分表示干旱天數(shù)(強(qiáng)度)偏少(偏弱)。如圖所示,近56a 四川盆地春旱天數(shù)和強(qiáng)度均存在1~4a、5~12a 以及14~28a 的振蕩周期。
圖9 1961~2016 年四川盆地春旱天數(shù)(a)和強(qiáng)度(b)小波分析
本文基于1961~2016 年四川盆地101 個(gè)地面觀測(cè)站的逐日降水資料,計(jì)算了綜合氣象干旱指數(shù)(CI),分析了近56a 四川盆地春旱的時(shí)空變化特征,得到以下主要結(jié)論:
(1)近56a 平均的四川盆地春旱強(qiáng)度由西南向東北大致呈“高-低”的分布模態(tài),春旱發(fā)生頻率和天數(shù)的空間分布特征大體相似,均由南向北呈“三高兩低”的多極子分布模態(tài)。近56a 四川盆地春旱天數(shù)與春旱強(qiáng)度長(zhǎng)期變化趨勢(shì)呈顯著負(fù)相關(guān),即春旱天數(shù)呈減弱趨勢(shì),而春旱強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)。
(2)春旱強(qiáng)度和春旱天數(shù)EOF 分解的前四個(gè)特征向量累計(jì)方差貢獻(xiàn)率均達(dá)到了60% 以上,能夠代表春旱的主要空間模態(tài)。其中春旱強(qiáng)度(天數(shù))EOF 第一模態(tài)方差為42.99%(44.24%),是春旱強(qiáng)度(天數(shù))最主要的空間模態(tài),其特征向量載荷值均為正,即整個(gè)四川盆地表現(xiàn)為一致性變化。春旱強(qiáng)度和天數(shù)的第二、三、四模態(tài)均表現(xiàn)出比較相似的空間特征,即第二模態(tài)表現(xiàn)為四川盆地西南-東北的反位相分布,第三模態(tài)表現(xiàn)為四川盆地西北-東南的反位相分布,第四模態(tài)在緯向呈“負(fù)-正-負(fù)”的分布特征。
(3)小波分析表明,近56a 四川盆地春旱天數(shù)和春旱強(qiáng)度均存在1~4a、5~12a 以及14~28a 的振蕩周期。