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        基于SPEI的陜西近40年干旱時(shí)空特性分析

        2014-10-25 07:57:48張聰娥
        陜西氣象 2014年5期
        關(guān)鍵詞:秦嶺陜北陜西省

        賀 音 ,張聰娥 ,張 黎

        (1.陜西省氣象信息中心,西安 710014;2.陜西省氣象臺(tái),西安 710014)

        基于SPEI的陜西近40年干旱時(shí)空特性分析

        賀 音1,張聰娥1,張 黎2

        (1.陜西省氣象信息中心,西安 710014;2.陜西省氣象臺(tái),西安 710014)

        根據(jù)1971—2012年陜西省96個(gè)氣象觀測站月降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index),運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解EOF(empirical orthogonal function)、線性趨勢分析及Morlet小波分析等方法,分析了近40 a來陜西省干旱時(shí)空演變特征、干旱化趨勢、變率及周期性特征,結(jié)果表明:(1) 陜西地區(qū)具有整體干旱變化特征一致的特點(diǎn),總體呈現(xiàn)出干旱化趨勢增強(qiáng)的特征,其中西安地區(qū)增強(qiáng)最明顯,關(guān)中及陜北干旱變率最大;(2)干旱呈現(xiàn)明顯的區(qū)域分布特征,以秦嶺為界將陜西省分為秦嶺以南和秦嶺以北兩大區(qū)域,兩區(qū)域干旱呈現(xiàn)南北相反的分布特征,突變分析表明這種相反分布特征在1994年之后加?。?3) 從周期上看,整個(gè)陜西地區(qū)干旱呈準(zhǔn)10 a震蕩,且關(guān)中與陜北地區(qū)呈現(xiàn)干旱特征相反的震蕩步調(diào)。

        SPEI;經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù);干旱特征;陜西

        干旱是全球最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[1],發(fā)生頻率高、影響范圍大、持續(xù)時(shí)間長[2],它的頻繁發(fā)生和長期持續(xù)給社會(huì)經(jīng)濟(jì)特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了重大影響[3],因此,通過有效的方法監(jiān)測、評估干旱對于減少干旱損失、保障人類生命財(cái)產(chǎn)安全顯得尤為重要[4]。國內(nèi)外的干旱監(jiān)測多通過定量化的干旱指標(biāo)來完成,目前常用于氣象、農(nóng)業(yè)類干旱指標(biāo)有:標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)[5-6]、帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)[7]、Z指數(shù)[8]、作物水分指數(shù)(CMI)[9]、地表供水指數(shù)(SMSI)[10]等。其中PDSI采用水平衡原理綜合考慮水分蒸散、徑流、土壤水分交換等因素,但是該指標(biāo)在計(jì)算蒸散量、徑流量、土壤水分交換量的可能值與實(shí)際值時(shí)要遵循一系列的規(guī)則和假設(shè),且計(jì)算過程比較復(fù)雜[11];Z指數(shù)是假設(shè)降水量服從 PearsonⅢ型分布,分析效果與偏態(tài)系數(shù)密切相關(guān),偏態(tài)系數(shù)越大,Z指數(shù)的分析結(jié)果越好,越能反映出旱澇的程度[12]。SPI指數(shù)計(jì)算簡單,具有多時(shí)間尺度的特點(diǎn),然而其只考慮了降水作為影響干旱化的唯一因素,而忽略了氣溫變化對干旱的影響,存在一定局限性。最近由Vicente-Serrano等[13-14]提出的新的干旱指數(shù)—標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI),結(jié)合了PDSI與SPI的優(yōu)點(diǎn),既考慮了水分平衡,又具有多尺度的特點(diǎn),且計(jì)算程序簡單。

        陜西省地處我國中部內(nèi)陸腹地,地域南北狹長,北部跨黃土高原中部,屬大陸性季風(fēng)氣候,全省地形多樣、地勢復(fù)雜、地貌類型多樣,南北高,中間低,自然條件較差,北部溝壑縱橫,水土流失嚴(yán)重[15]。陜西省素有“十年九旱”之稱,干旱災(zāi)害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面造成嚴(yán)重影響,近年來不少學(xué)者對干旱指標(biāo)在陜西省的適用性進(jìn)行了深入研究,如:喬麗等[16]以1951—1999年間發(fā)生的典型干旱個(gè)例為代表,對降水百分率、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、相對濕潤指數(shù)等6個(gè)干旱指標(biāo)在陜西省的適用性進(jìn)行了研究;孫智輝等[17]通過采用百分位法對相對濕潤指數(shù)進(jìn)行了本地化訂正用于陜西省黃土高原干旱監(jiān)測。然而對陜西省的干旱演變趨勢特征的研究相對較少,利用SPEI指數(shù),結(jié)合氣候?qū)W統(tǒng)計(jì)方法研究近40 a來陜西省的干旱化時(shí)空特征及其成因,為提出比較科學(xué)、合理、有效的防御農(nóng)業(yè)干旱措施提供理論依據(jù)。

        1 資料來源與方法

        1.1 數(shù)據(jù)來源與處理方法

        利用除黃陵、三原輔助站及涇河(2005建站)、楊凌(2007年建站)以外陜西省96個(gè)氣象觀測站點(diǎn)1971—2012年月降水量、月平均氣溫資料計(jì)算SPEI指數(shù)。

        利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解法(EOF)對SPEI進(jìn)行時(shí)空分離,并借助Mann-Kendall(M-K)法確定時(shí)間系數(shù)的突變時(shí)刻,同時(shí)計(jì)算了SPEI場的線性傾向率及變率,最后利用Morlet小波對干旱的周期變化進(jìn)行分析。

        1.2 SPEI指數(shù)計(jì)算方法

        通過計(jì)算月降水與潛在蒸散量的差值并進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理得到水分距平D,即月降水量P(mm)與潛在蒸散量PET(mm)差值:

        D=P-PET,

        (1)

        式中,PET由Thornthwaite方法計(jì)算得到

        PET=16K(10Ti/I)m,

        (2)

        其中,K為緯度和月序數(shù)決定的訂正系數(shù),Ti為月平均溫度,I為年熱量指數(shù),m為常數(shù)。

        對降水蒸散差值數(shù)據(jù)序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,水分距平D序列服從Log-Logistic分布,其概率密度函數(shù)為

        (3)

        其中,α、β、γ分別為尺度參數(shù)、形狀參數(shù)及原始參數(shù),得到的D序列概率分布函數(shù)為

        (4)

        經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化正態(tài)分布處理后得到SPEI指數(shù)

        ISPE=W-(C0+C1+C2W2)/(1+

        d1W+d2W2+d3W3),

        (5)

        W=(-2ln(P))1/2,

        (6)

        式中,P=1-F(x),當(dāng)Pgt;0.5時(shí),P變?yōu)?-P,式中常數(shù)C0=2.515 517,C1=0.802 853,C2=0.010 328,d1=1.432 788,d2=0.189 26,d3=0.010 308。

        2 干旱變化特征分析

        2.1 SPEI與降水量的關(guān)系

        SPEI具有多尺度的特點(diǎn),分別用SPEI-1,SPEI-3,SPEI-6,SPEI-12來表示1、3、6、12個(gè)月等不同時(shí)間尺度下的SPEI干旱指數(shù),不同時(shí)間尺度SPEI值與降水量分布關(guān)系見圖1。在不同尺度下,SPEI值與降水量呈一定的正相關(guān)關(guān)系,但在小尺度(1個(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月)的情況下,兩者的相關(guān)性較小,點(diǎn)相對分散;而在尺度達(dá)到12個(gè)月時(shí),SPEI-12與降水量的相關(guān)性最好,點(diǎn)相對聚攏集中。這表明時(shí)間尺度選取較短,降水量隨時(shí)間分布不均勻,而當(dāng)選取12個(gè)月的尺度時(shí),降水量隨時(shí)間分布不均的影響最小,這與李敏敏等[18]研究得到SPI尺度與降水的關(guān)系結(jié)果一致,因此選擇SPEI-12作為干旱指數(shù),研究干旱的時(shí)空變化特征。

        2.2 干旱的時(shí)空變化特征

        為了分析陜西省干旱時(shí)空分布特征,利用EOF分析法對陜西省SPEI場進(jìn)行時(shí)空分解,表1是分解得到的前3個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)及累積方差貢獻(xiàn),從表1可以看出,前3個(gè)模態(tài)的累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到了73.2%,其空間分布基本上包含了陜西各區(qū)域的干旱空間分布特征。

        第一特征向量方差解釋率為54%,反映了場的主要模態(tài)特征,第一特征向量場全區(qū)符號(hào)一致(見29頁圖2),表明陜西地區(qū)整體干旱變化特征是一致的,全區(qū)存在相同的干濕變化。從分布型來看,干旱程度呈北高南低趨勢,EOF第一時(shí)間系數(shù)表現(xiàn)為在波動(dòng)中下降的特點(diǎn),在1994年之前時(shí)間系數(shù)多為正值,表明此時(shí)段干旱整體程度偏弱;1994年之后時(shí)間系數(shù)為負(fù),表明此時(shí)間段干旱整體程度偏強(qiáng),時(shí)間系數(shù)的線性趨勢證明了這點(diǎn)。第二特征解釋方差解釋率為13.3%,以秦嶺為界分為正值和負(fù)值區(qū)域,如圖3所示,說明以秦嶺為界將陜西省劃分為秦嶺以南和秦嶺以北兩大區(qū)域,干旱特征呈現(xiàn)為南北相反的分布型式,負(fù)值主要位于陜北地區(qū),以陜北榆林地區(qū)的長城沿線為中心,正值主要位于漢中的秦巴山區(qū)。EOF第2時(shí)間系數(shù)表現(xiàn)為輕微的上升趨勢,突變分析表明這種相反分布特征在1994年之后加劇。這是由于受小尺度局地強(qiáng)降水的影響,加上秦嶺的地貌特征,秦嶺作為南北氣候北界線位于陜西中部,南北之間氣候差異大,降水分布不均。陜南河流密布,縱橫交錯(cuò),漢江橫貫其中,地表水資源豐富,該區(qū)植被覆蓋率高,常年雨水充沛;而陜西黃土高原地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,雨水少,風(fēng)沙大,水土流失嚴(yán)重,使得陜西地區(qū)以秦嶺為界呈現(xiàn)相反的干旱特征。在第三模態(tài)下,時(shí)間系數(shù)呈現(xiàn)明顯的年代際震蕩特征,存在約10 a左右的準(zhǔn)周期性震蕩,形成以渭北塬區(qū)為正值中心,秦巴山區(qū)及陜北北部為負(fù)值中心的相反分布特征(如圖4),在20世紀(jì)70年代末、80年代中期、90年代末及21世紀(jì)末均表現(xiàn)為負(fù)值,其余時(shí)間則正好相反。

        圖1 不同時(shí)間尺度SPEI值與降水量分布關(guān)系

        表1 陜西干旱指數(shù)EOF分析前3個(gè)方差貢獻(xiàn)及累積方差貢獻(xiàn)率

        2.3 干旱趨勢及變率特征分析

        進(jìn)一步分析干旱的演變趨勢和變率特征,從SPEI線性趨勢分布(圖5a)可以看出,全省絕大部分地區(qū)在近40 a呈現(xiàn)干旱化趨勢,特別是在關(guān)中東部、陜南西部、黃土高原中部干旱化趨勢明顯,全省平均線性趨勢達(dá)到-0.01 a-1,趨勢變化最大出現(xiàn)在關(guān)中東部西安站,達(dá)到-0.03 a-1,這與城市化進(jìn)程加劇,人口分布相對集中,產(chǎn)生的“熱島效應(yīng)”有很大關(guān)系;而在陜南的東部商南及陜北的東部佳縣出現(xiàn)小范圍的干旱化程度減弱的趨勢,約0.01 a-1,這可能與極端天氣及局地強(qiáng)降水有關(guān)。

        圖2 EOF 分解第一模態(tài)空間場(a)和第一模態(tài)對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(b)(虛線為線性趨勢)

        圖3 EOF分解第二模態(tài)空間場(a)和第二模態(tài)對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(b) (虛線為線性趨勢)

        圖4 EOF分解第三模態(tài)空間場(a)和第三模態(tài)對應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(b)(虛線為線性趨勢)

        圖5 1971—2012年陜西地區(qū)SPEI線性趨勢分布(a)和SPEI方差分布(b)

        從SPEI的方差分布(圖5b )可以看出,干旱變率最大區(qū)域集中在陜北北部、關(guān)中中部、渭北塬區(qū),這與夏季此區(qū)域容易發(fā)生局地強(qiáng)降水,而冬季又長時(shí)間無降水有關(guān)。

        2.4 干旱的周期變化分析

        選用Morlet小波作為母小波,對干旱周期變化特征進(jìn)行分析,Morlet小波不但具有非正交性而且還是由Gaussian調(diào)節(jié)的指數(shù)復(fù)值小波,其表達(dá)式為

        Ψ0(t)=π-1/4eiω0te-t2/2,

        (7)

        其中t為時(shí)間,令ω0=6,小波尺度與傅立葉周期相等[19]。

        選取一系列尺度S進(jìn)行小波變化,一系列尺度用2的冪來表達(dá),如式(8)

        Sj=S02jδj,j=0,1,……J

        (8)

        J=δj-1log2(Nδt/S0)

        (9)

        式中S0為可分辨的最小尺度,J為確定的最大尺度,軟件平臺(tái)采用Matlab。將陜西省按照區(qū)域劃分,由北向南分別選取陜北、關(guān)中、陜南地區(qū)旋轉(zhuǎn)載荷向量絕對值大的測站作為代表站(陜北選取榆林為代表站,關(guān)中選取西安為代表站,陜南選取紫陽為代表站),做出小波的實(shí)部圖形,如圖6所示(紅色代表干旱期,藍(lán)色代表濕潤期)??梢钥闯觯齻€(gè)地區(qū)同時(shí)都存在10 a的年際變化,并且周期變化明顯;關(guān)中地區(qū)與陜南地區(qū)震蕩步調(diào)一致,在20世紀(jì)70年代中后期、80年代中后期、90年中后期及21世紀(jì)中后期均表現(xiàn)為干旱;當(dāng)關(guān)中地區(qū)出現(xiàn)干旱期時(shí),陜北地區(qū)呈現(xiàn)與關(guān)中地區(qū)相反的干旱特征,處于相對濕潤的時(shí)期,與關(guān)中呈現(xiàn)出干旱特征步調(diào)相反的震蕩類型。小波分析結(jié)果與EOF第3模態(tài)分析的干旱特征一致,可見陜北地區(qū)與關(guān)中地區(qū)呈現(xiàn)準(zhǔn)10 a周期的相反型震蕩。

        (a 陜北地區(qū);b 關(guān)中地區(qū);c 陜南地區(qū))

        3 結(jié)論與討論

        (1)SPEI指數(shù)的EOF第一模態(tài)反映出陜西地區(qū)干旱總體趨勢一致,呈現(xiàn)干旱化趨勢,第二模態(tài)則顯示以秦嶺為界將陜西省分為秦嶺南部和秦嶺北部兩大區(qū)域,這兩大區(qū)域干旱特征呈現(xiàn)南北相反的分布特征,突變分析表明這種相反分布特征在1994年之后加劇。

        (2)全省絕大多數(shù)地區(qū)呈現(xiàn)干旱化趨勢,受城市化進(jìn)程及工業(yè)化的影響,關(guān)中東部西安地區(qū)干旱化趨勢最嚴(yán)重,而在陜南東部商南及陜北東部佳縣出現(xiàn)小范圍的干旱化程度減弱的趨勢,這可能與極端天氣及局地強(qiáng)降水有關(guān)。

        (3)由于夏季受局地強(qiáng)降水的影響,冬季又容易發(fā)生長時(shí)間的無降水過程,使得陜北北部及關(guān)中中部成為干旱變率最大的地區(qū)。

        (4)陜西絕大部分地區(qū)呈現(xiàn)10 a震蕩周期,無論EOF第三模態(tài)的結(jié)果,還是小波分析的結(jié)果,都可以看出陜北與關(guān)中地區(qū)呈現(xiàn)干旱特征相反的震蕩步調(diào)。

        (5)EOF第三模態(tài)方差解釋率僅占5.7%,結(jié)果顯示關(guān)中與陜南地區(qū)呈現(xiàn)干旱特征相反的震蕩步調(diào),但從小波分析的結(jié)果得出,關(guān)中與陜南呈現(xiàn)一致的準(zhǔn)10 a震蕩步調(diào),小波分析與EOF的結(jié)果不一致,這可能與引起降水的天氣尺度不一致有關(guān)。

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        1006-4354(2014)05-0026-07

        2014-02-26

        賀音(1981—),女,陜西西安人,漢,碩士,工程師,從事氣象數(shù)據(jù)資源開發(fā)與應(yīng)用工作。

        收稿日期:陜西省氣象局科技創(chuàng)新基金計(jì)劃項(xiàng)目(2014M—13)

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