謝五三,田 紅

(安徽省氣候中心,安徽合肥 230031)

0 引言

干旱是我國主要的自然災(zāi)害之一,特點(diǎn)是發(fā)生頻率高、影響范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)[1],如2008年11月-2009年1月,30年未遇的秋冬連旱襲擊我國北方冬麥區(qū),造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。長(zhǎng)期以來,國內(nèi)外不少專家和學(xué)者致力于干旱指標(biāo)、干旱監(jiān)測(cè)診斷及預(yù)警技術(shù)的研究,鄒旭愷等[2]利用我國地面606個(gè)氣象站逐日氣溫和降水資料研究表明我國干旱面積在近50年沒有顯著增加或減少的趨勢(shì),但不同地區(qū)差異較大;吳洪寶[3]對(duì)我國東南部夏季干旱指數(shù)研究得出時(shí)間演變沒有顯著的長(zhǎng)期傾向;張強(qiáng)等[4-7]對(duì)我國干旱指標(biāo)做了深入研究并制定了氣象干旱國家標(biāo)準(zhǔn),使全國干旱監(jiān)測(cè)與評(píng)估業(yè)務(wù)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化;此外還有很多關(guān)于干旱指標(biāo)的應(yīng)用研究[8-13],對(duì)干旱研究及業(yè)務(wù)化有很大的推動(dòng)和促進(jìn)作用。相對(duì)于干旱指標(biāo)研究而言,關(guān)于干旱的氣候特征研究較少,而對(duì)于安徽省干旱時(shí)空特征做系統(tǒng)的分析更為少見。

安徽省為農(nóng)業(yè)大省,地處中緯度地帶,屬暖溫帶向亞熱帶的過渡型氣候,天氣復(fù)雜多變,災(zāi)害頻繁,干旱是最常見的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一,每年都會(huì)造成較大經(jīng)濟(jì)損失。2009年全省因干旱造成的經(jīng)濟(jì)損失超過25億元,因此對(duì)安徽省干旱時(shí)空特征做系統(tǒng)性分析是很有必要的。本文利用安徽省78個(gè)氣象臺(tái)站1961-2009年共49年的逐日氣溫和降水資料,采用綜合氣象干旱指數(shù),通過趨勢(shì)分析、EOF分析、功率譜分析、小波分析、滑動(dòng)T檢驗(yàn)等方法對(duì)安徽省干旱特征進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1 資料與方法

本文所有溫度和降水資料均來自安徽省氣象檔案館整編資料,氣象站點(diǎn)均勻分布在全省各地,滿足研究需要。干旱指標(biāo)采用國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 20481-2006)[4]《氣象干旱等級(jí)》中給出的綜合氣象干旱指數(shù)CI,它是利用近30 d(相當(dāng)月尺度)和近90 d(相當(dāng)季尺度)降水量標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù),以及近30 d相對(duì)濕潤(rùn)指數(shù)進(jìn)行綜合而得,該指數(shù)既反映短時(shí)間尺度(月)和長(zhǎng)時(shí)間尺度(季)降水量氣候異常情況,又反映短時(shí)間尺度(影響農(nóng)作物)水分虧欠情況,綜合氣象干旱指數(shù)CI的計(jì)算見下式:

式中:Z30、Z90分別為近30 d和近90 d標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI值;M30為近30 d相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)。

采用累積頻率法對(duì)干旱指標(biāo)的閾值進(jìn)行修正,得出更為適合安徽的干旱指標(biāo)。通過計(jì)算各站歷年發(fā)生的各個(gè)干旱過程來統(tǒng)計(jì)各站歷年干旱日數(shù),干旱過程是指當(dāng)干旱指標(biāo)連續(xù)十天為輕旱以上等級(jí),則確定為發(fā)生一次干旱過程。干旱過程的開始日為第1 d干旱指標(biāo)達(dá)輕旱以上等級(jí)的日期,在干旱發(fā)生期,當(dāng)干旱指標(biāo)連續(xù)10 d為無旱等級(jí)時(shí)干旱解除,同時(shí)干旱過程結(jié)束,結(jié)束日期為最后1次干旱指標(biāo)達(dá)無旱等級(jí)的日期。按照干旱過程的定義,統(tǒng)計(jì)各個(gè)代表站歷年的干旱日數(shù)并建立時(shí)間序列。

2 干旱指數(shù)閾值修正

國家氣候中心于2006年制定發(fā)布了《氣象干旱等級(jí)》[4],給出了常用的干旱指標(biāo)的各個(gè)干旱等級(jí)所對(duì)應(yīng)的閾值,供全國氣象干旱實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)應(yīng)用。由于我國幅員遼闊,南北氣候差異較大,為了使綜合氣象干旱指數(shù)更準(zhǔn)確地反映安徽省的干旱實(shí)際情況,需對(duì)干旱指標(biāo)的各個(gè)干旱等級(jí)的閾值進(jìn)行修正。目前國內(nèi)外較為常用的閾值修正方法是累積頻率法,本文亦采用累積頻率法,對(duì)CI指數(shù)的閾值進(jìn)行修正,累積頻率如表1。

表1 干旱指數(shù)各等級(jí)對(duì)應(yīng)的累積頻率

運(yùn)用CI指數(shù)的計(jì)算公式,計(jì)算各個(gè)臺(tái)站的逐日干旱指數(shù)值,再把全省78個(gè)代表站49年共140多萬個(gè)樣本資料放在一起進(jìn)行排序,結(jié)合表1中的累積頻率,計(jì)算出CI指數(shù)各個(gè)干旱等級(jí)所對(duì)應(yīng)的閾值。以《氣象干旱等級(jí)》[4]給出干旱指標(biāo)的閾值稱為原始值,用安徽省資料結(jié)合累積頻率計(jì)算出的閾值稱為修正值,CI指數(shù)原始及修正后的閾值見表2。

表2 CI指數(shù)原始及修正后的閾值

由表2可知,CI指數(shù)的各個(gè)干旱等級(jí)的原始閾值與修正閾值基本一致,相差很小,這也從實(shí)況資料的角度證實(shí)《氣象干旱等級(jí)》[4]給出的CI指數(shù)在安徽省較為適用,可用于安徽省氣象干旱監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)。由于修正閾值是用安徽省實(shí)況資料計(jì)算所得,以下分析計(jì)算所用到的閾值均用修正后的閾值。

3 安徽省常年干旱日數(shù)分布

圖1所示為安徽省常年(1971-2000年平均)干旱日數(shù)分布圖。由圖1可見,安徽省干旱日數(shù)基本呈緯向空間分布特征,干旱頻率自北向南遞減,沿淮淮北和江淮之間北部是干旱最容易發(fā)生發(fā)展的地方,大別山區(qū)和皖南山區(qū)發(fā)生頻率最低。查閱安徽省氣象災(zāi)害大典[14]可知這與安徽省歷史干旱實(shí)際情況非常吻合。

圖1 安徽省常年干旱日數(shù)分布圖

4 安徽省干旱日數(shù)時(shí)空特征分析

4.1 趨勢(shì)分析

圖2a所示為安徽省干旱日數(shù)線性傾向圖(虛線表示減少趨勢(shì),實(shí)線表示增加趨勢(shì))。由圖2a可知安徽省沿淮淮北及江淮之間東部地區(qū)干旱日數(shù)呈減少趨勢(shì),其它地區(qū)干旱日數(shù)呈增加趨勢(shì);由趨勢(shì)系數(shù)圖(圖2b)可知(虛線為負(fù)值,實(shí)線為正值),樣本資料為49年,趨勢(shì)系數(shù)絕對(duì)值需超過0.27才達(dá)到0.05的顯著性水平,全省所有臺(tái)站均未通過0.05的顯著性檢驗(yàn),表明安徽省各地干旱日數(shù)增加或減少趨勢(shì)不顯著。

圖2 安徽省干旱日數(shù)線性傾向及趨勢(shì)系數(shù)

4.2 EOF分析

為了得到安徽省干旱日數(shù)的空間分型,對(duì)資料作EOF分析。EOF展開前三個(gè)模態(tài)累積方差貢獻(xiàn)為75%,空間分布見圖3。由第1模態(tài)可知,全省一致為正,基本呈緯向空間分布;第2模態(tài)零線橫向?qū)不辗譃槟媳眱刹糠?北部為負(fù),南部為正,數(shù)值相當(dāng),表明南北干旱日數(shù)呈現(xiàn)相反的分布型式,北多(少)南少(多);第3模態(tài)零線橫向?qū)不辗譃槿糠?中間正兩頭負(fù),表明安徽干旱日數(shù)還有兩頭多(少)中間少(多)的分布特征。

圖3 安徽省干旱日數(shù)EOF前三個(gè)模態(tài)的空間分布

4.3 周期分析

功率譜分析是一種應(yīng)用極為廣泛的分析周期的方法,為研究安徽省干旱日數(shù)的周期,對(duì)其時(shí)間序列做功率譜分析,結(jié)果見圖4(虛線為a=0.05的紅噪音標(biāo)準(zhǔn)譜)。由圖4可見,在周期長(zhǎng)度為12～13年處,功率譜估計(jì)值為一個(gè)峰值且超過標(biāo)準(zhǔn)譜,因此12～13年為第1顯著周期。其次在2～3年處,功率譜估計(jì)值也超過標(biāo)準(zhǔn)譜,因此2～3年為第2顯著周期。由此可見,安徽省干旱日數(shù)存在12～13年的主周期,此外還存在2～3年左右的次周期。

圖4 安徽省干旱日數(shù)功率譜分析

小波變換方法是一種時(shí)頻分析方法,既可以了解時(shí)間序列不同時(shí)間的頻率特征,又可以了解不同頻率的時(shí)間分布特征。圖5所示為安徽省干旱日數(shù)的小波變換圖(虛線為負(fù)值,實(shí)線為正值),圖的上半部分等值線相對(duì)稀疏,對(duì)應(yīng)較長(zhǎng)時(shí)間尺度的振蕩,而下半部分等值線相對(duì)密集,對(duì)應(yīng)較短時(shí)間尺度的振蕩。由圖5還可見,12～13年和2～3年左右的周期振蕩較為明顯,這與功率譜分析結(jié)果是一致的。在12～13年的時(shí)間尺度上,安徽省近50年干旱日數(shù)經(jīng)歷了由少到多3個(gè)循環(huán)交替,這種循環(huán)交替在1990年代之前較為明顯。

圖5 安徽省干旱日數(shù)小波變換

4.4 突變分析

滑動(dòng)T檢驗(yàn)是一種較為常見的突變檢驗(yàn)方法,為檢測(cè)安徽省近50年干旱日數(shù)的突變信息,本文采用滑動(dòng)T檢驗(yàn)方法。圖6所示為安徽省干旱日數(shù)5年滑動(dòng)T檢驗(yàn)結(jié)果,由圖6可見,安徽省近50年干旱日數(shù)在1968年前后存在一次突變,但這次突變不顯著,未通過0.05的顯著性檢驗(yàn)。1970年代至今,安徽省干旱日數(shù)沒有明顯的突變。

圖6 安徽省干旱日數(shù)滑動(dòng)T檢驗(yàn)

5 結(jié)論

(1)本文運(yùn)用安徽省78個(gè)氣象臺(tái)站1961-2009年共49年的逐日氣溫和降水資料,通過累積頻率法對(duì)CI指數(shù)的閾值進(jìn)行修正,修正后閾值與《氣象干旱等級(jí)》國家標(biāo)準(zhǔn)中給出的閾值基本一致,相差很小,表明CI指數(shù)在安徽省干旱監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中較為適用。

(2)安徽省常年干旱日數(shù)基本呈緯向空間分布特征,干旱頻率自北向南遞減,沿淮淮北和江淮之間北部是干旱最容易發(fā)生發(fā)展的地方,大別山區(qū)和皖南山區(qū)發(fā)生頻率最低。

(3)安徽省沿淮淮北及江淮之間東部地區(qū)干旱日數(shù)呈減少趨勢(shì),其它地區(qū)干旱日數(shù)呈增加趨勢(shì),但這種增加或減少趨勢(shì)未通過0.05的顯著性檢驗(yàn)。

(4)安徽省干旱日數(shù)EOF展開前三個(gè)模態(tài)累積方差貢獻(xiàn)為75%,第1模態(tài)全省一致為正,基本呈緯向空間分布;第2模態(tài)零線橫向?qū)不辗譃槟媳眱刹糠?南北干旱日數(shù)呈現(xiàn)相反的分布型式,北多(少)南少(多);第3模態(tài)零線橫向?qū)不辗譃槿糠?表明安徽干旱日數(shù)還有兩頭多(少)中間少(多)的分布特征。

(5)安徽省干旱日數(shù)第1顯著周期為12～13年,第2顯著周期為2～3年左右,在12～13年的時(shí)間尺度上,安徽省近50年干旱日數(shù)經(jīng)歷了由少到多3個(gè)循環(huán)交替,這種循環(huán)交替在1990年代之前較為明顯。近50年干旱日數(shù)在1968年前后存在一次突變,但未通過0.05的顯著性檢驗(yàn)。

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