陳子燊

（1. 中山大學(xué)新華學(xué)院，廣東廣州510520；2. 中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東廣州510275）

干旱是全球影響最大的自然災(zāi)害之一，在中國(guó)科學(xué)技術(shù)藍(lán)皮書中，干旱已列為我國(guó)氣候?yàn)?zāi)害之首［1］。干旱屬于漸進(jìn)性災(zāi)害，通常災(zāi)前無(wú)明顯征兆，但是當(dāng)災(zāi)害已形成時(shí)已構(gòu)成危害。四類干旱中，氣象干旱的直接表現(xiàn)是降水量減少，通常成為農(nóng)業(yè)干旱的前兆。而被認(rèn)為是氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱的延續(xù)和發(fā)展的水文干旱通常是通過(guò)河道徑流量、水庫(kù)蓄水量和地下水位值加以確定，降水量持續(xù)減少將影響地區(qū)生產(chǎn)生活用水，將形成水資源供需不平衡的社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)干旱監(jiān)測(cè)主要使用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）、降水距平百分率（R）、Z 指數(shù)、濕潤(rùn)度指數(shù)（MI）、綜合氣候干旱指數(shù)（CI）、土壤水分（SM）指標(biāo)和帕默爾干旱指數(shù)（PDSI）等［2-10］。其中，被普遍接受的SPI 由于假定不同地點(diǎn)旱澇發(fā)生概率相同，無(wú)法標(biāo)識(shí)頻發(fā)地區(qū)，沒(méi)有考慮水分的支出，而且由于降水變異性大大高于氣溫和潛在蒸散發(fā)等變量，是否適用于干旱識(shí)別還需進(jìn)一步觀測(cè)檢驗(yàn)。Vicente-Serrano 等［11］提出了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散量指數(shù)（SPEI，Standardized Precipitation Evapotranspiration Index），類似于標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)（SPI），但SPEI 融合了包括氣溫蒸散作用與降水之間的水量平衡關(guān)系。Sergio 等［12］的研究表明，SPEI 可與基于水分平衡原理、計(jì)算可能蒸散發(fā)量、物理意義較清晰的自校準(zhǔn)帕爾默干旱嚴(yán)重程度指數(shù)（sc-PDSI，Wells 等［13］）相比較。相對(duì)于PD?SI，SPEI 計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)便，不僅可消除降水和氣溫的時(shí)空分布差異，還能有效地反映不同區(qū)域和時(shí)段的旱澇狀況，同時(shí)具有概率分布和多時(shí)間尺度的優(yōu)勢(shì)。李偉光等［14］應(yīng)用SPEI 對(duì)中國(guó)59 年來(lái)干旱化的空間分布、四季干旱趨勢(shì)變化和全國(guó)極端干旱事件發(fā)生頻次進(jìn)行了分析， 并定性分析了干旱發(fā)生的原因。陳子燊等［15］利用SPEI分析了廣東1962～2007 年來(lái)的干濕時(shí)空變化特征，研究結(jié)果顯示，西江流域和北江中下游流域、雷州半島為主的粵西沿海流域存在著顯著的干旱趨勢(shì)，廣東干濕變化普遍具有2～8 a 的振蕩周期，其與ENSO 事件的關(guān)聯(lián)性還有待進(jìn)一步探索。目前，SPEI 已成為分析干旱演變趨勢(shì)新的理想指標(biāo)，并應(yīng)用于干旱與農(nóng)作物生產(chǎn)評(píng)估和水資源管理等領(lǐng)域［16-18］。進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，珠江流域旱災(zāi)強(qiáng)度和頻度愈益加大，深入探索其干旱時(shí)空變化特征，可為應(yīng)對(duì)區(qū)內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱問(wèn)題和水資源風(fēng)險(xiǎn)管理提供科學(xué)依據(jù)［16］。

1 研究區(qū)域概況

珠江流域是西江、北江、東江三江水系和珠江三角洲水系的總稱。流域跨云南、貴州、廣西、廣東、湖南、江西6 省區(qū)，面積約45 萬(wàn)km2（包括流經(jīng)越南的1萬(wàn)多km2）。珠江流域下墊面類型復(fù)雜多樣，地形北接南嶺山地，西連云貴高原，從西向東總體上可分為3大塊：云貴高原、兩廣丘陵及其山間盆地、珠江三角洲。由于地處對(duì)氣候變化敏感的南海季風(fēng)和西南季風(fēng)交叉影響區(qū)，海-陸-氣交換強(qiáng)烈，珠江流域雨量充沛，但時(shí)空分布不均勻。多年平均降雨1 200～2 200 mm ，全流域多年平均降雨為1 470 mm。然而，珠江流域水面平均蒸發(fā)量高達(dá)1 400 mm，中西部往中北部降水依次遞減，屬于典型的干旱、半干旱少雨區(qū)域［17］。

2 資料與研究方法

采用國(guó)家氣象信息中心基礎(chǔ)資料專項(xiàng)整編的中國(guó)地面水平分辨率0.5°×0.5°的中國(guó)氣溫、降水月值格點(diǎn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)交叉驗(yàn)證、誤差分析，質(zhì)量狀況良好。經(jīng)提取獲得珠江流域169 個(gè)格點(diǎn)在1961 年1 月至2011 年12 月期間的逐月氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)。珠江流域河流與行政區(qū)位置參見(jiàn)圖1。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)和多變量ENSO指數(shù)

SPEI 計(jì)算方法如下：采用Thornthwaite 方法計(jì)算地表潛在月蒸散發(fā)量；計(jì)算特定時(shí)間尺度降水與蒸散的差值；采用3 參數(shù)對(duì)數(shù)邏輯斯特（log-lo?gistic）概率分布計(jì)算差值的累積概率；對(duì)累積概率密度加以標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)化。詳細(xì)的計(jì)算方法可參見(jiàn)Vicente-Serrano等［11］。SPEI干旱等級(jí)劃分見(jiàn)表1。

表1 SPEI的干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 SPEI denoted dry grades

圖1 珠江流域河流與行政區(qū)位置Fig.1 Pearl river basin river and administrative location

使用的多變量ENSO 事件指數(shù)（MEI）可由網(wǎng)站https：//www.esrl.noaa.gov/psd/enso下載。

2.2 時(shí)空分解、變化趨勢(shì)與突變檢驗(yàn)

應(yīng)用旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（REOF）對(duì)要素場(chǎng)Aij進(jìn)行時(shí)空分解。計(jì)算方法如下：設(shè)要素場(chǎng)A=f(t，x)，其中t 表示時(shí)間，x 表示空間點(diǎn)的標(biāo)號(hào)，以Aij（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n）表示第j次時(shí)間第i 個(gè)空間點(diǎn)上的要素值。其中，m 為時(shí)間序列的長(zhǎng)度，n為測(cè)點(diǎn)數(shù)。觀測(cè)資料矩陣Am×n可分解為兩部分：

L 為因子荷載陣，F(xiàn) 為因子陣。按照方差極大正交旋轉(zhuǎn)原則將F，L 加以旋轉(zhuǎn)，使得L 中各列元素平方的方差之和達(dá)最大。由此分解得到的前幾個(gè)空間場(chǎng)（空間模態(tài)）和相應(yīng)時(shí)間向量，使得空間結(jié)構(gòu)更加清晰，有利于對(duì)研究要素的空間分區(qū)［19］。

采用世界氣象組織（WMO）推薦的非參數(shù)Mann-Kendall 檢驗(yàn)方法計(jì)算時(shí)序長(zhǎng)期趨勢(shì)與突變［20］。

2.3 小波時(shí)頻分析與相干性檢驗(yàn)

采用目前廣泛應(yīng)用的復(fù)小波函數(shù)Morlet小波作為母小波，時(shí)間序列f(t)的Morlet小波變換為［21］：

式中，a 為伸縮尺度參數(shù)；b 為平移參數(shù)。ψ?為復(fù)共軛。

在整個(gè)時(shí)間域上平均的小波方差譜為子波能量在各尺度的分布為：

小波能譜中的峰值顯著性通過(guò)紅噪音的小波能量譜來(lái)檢驗(yàn)：

式中，Pk為傅立葉譜，k為頻率指數(shù)，k=0，…，N/2，α為時(shí)間序列滯后1的相關(guān)系數(shù)，N 為時(shí)間序列長(zhǎng)度。兩個(gè)時(shí)間序列X、Y的交叉小波變換為：

式中，WX(S，t)、WY(S，t)分別為時(shí)間序列X、Y 的小波變換。

以小波平方相干函數(shù)度量?jī)蓚€(gè)時(shí)間序列X、Y之間的全域相干性：

3 珠江流域干旱時(shí)空變化特征分析

3.1 珠江流域干旱事件及SPEI適用性

為分析1961～2011年期間珠江流域的干旱總體演變特征，首先對(duì)流域逐月溫度和降水進(jìn)行區(qū)域平均，再計(jì)算SPEI。以-1 為SPEI 游程的截?cái)嗨剑珊凳录臍v時(shí)為SPEI 連續(xù)小于等于-1 的時(shí)間跨度，干旱事件的強(qiáng)度為干旱事件期間SPEI 最小值。分析3、6、12 和24 個(gè)月4 種不同時(shí)間尺度的SPEI 隨時(shí)間的振蕩過(guò)程，從圖2 可見(jiàn)3 個(gè)月和6個(gè)月時(shí)間尺度SPEI 表現(xiàn)出季節(jié)變化特征，顯示珠江流域幾乎歷年都出現(xiàn)干旱，而12 個(gè)月和24 個(gè)月時(shí)間尺度的SPEI 具有明顯的年際及年代際振蕩特征。統(tǒng)計(jì)表明，期間珠江流域3個(gè)月時(shí)間尺度的干旱事件出現(xiàn)43 次，平均持續(xù)時(shí)間2.2 個(gè)月，干旱平均強(qiáng)度1.5。最大持續(xù)時(shí)間始于1998 年9 月，歷時(shí)8 個(gè)月。干旱最大強(qiáng)度為2.5，出現(xiàn)在2009 年2月，達(dá)特旱級(jí)別；6 個(gè)月時(shí)間尺度的干旱事件共有29個(gè)，平均持續(xù)時(shí)間3.3個(gè)月，最大持續(xù)時(shí)間始于2009 年5 月，歷時(shí)11 個(gè)月。干旱最大強(qiáng)度為2.3，出現(xiàn)在1998 年12 月；12 個(gè)月時(shí)間尺度的干旱事件共有18 個(gè)，平均持續(xù)時(shí)間5.1 個(gè)月，歷時(shí)達(dá)13 個(gè)月的最大干旱持續(xù)時(shí)間分別始于1963 年5 月和2009 年8 月。其中，1963 年5 月干旱強(qiáng)度為2.1，達(dá)特旱級(jí)別；24個(gè)月時(shí)間尺度的干旱事件有10個(gè)，平均持續(xù)時(shí)間10.4 個(gè)月，最大持續(xù)時(shí)間始于2010年2 月，歷時(shí)23 個(gè)月。華南出現(xiàn)干旱已屬常態(tài)，并屢現(xiàn)特旱，如1963 年出現(xiàn)跨年的重旱和特旱事件；1998 年秋到1999 年春出現(xiàn)持續(xù)8 個(gè)月的秋、冬、春3 季特大干旱［24］；2009 年珠江流域西部也發(fā)生了秋、冬、春連旱，遭受百年一遇大旱的江河來(lái)水比特大干旱年1963 年的流量還少近30%。對(duì)1961～2011年來(lái)干旱事件的分析表明，SPEI對(duì)珠江流域出現(xiàn)的包括重旱和特旱在內(nèi)的干旱事件、強(qiáng)度與歷時(shí)等特性有良好的識(shí)別能力，適用于珠江流域干旱事件的監(jiān)測(cè)與分析。

圖2 珠江流域SPEI指數(shù)的時(shí)間振蕩Fig.2 The time oscillation of SPEI of the Pearl River basin

珠江流域不同時(shí)間尺度、不同年代與不同季節(jié)干旱事件發(fā)生頻次的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2、圖3所示，具有以下特征：1）1961～2011 年來(lái)不同時(shí)間尺度不同年代干旱事件發(fā)生累計(jì)頻次變化幅度十分明顯，21 世紀(jì)前10 a 干旱出現(xiàn)頻次已超過(guò)20%，反映干旱問(wèn)題愈加突出；2）不同年代珠江流域干旱中心位置變化較大，20 世紀(jì)以來(lái)以流域西北區(qū)域?yàn)楦珊抵行模?）干旱事件具有長(zhǎng)期增多的變化趨勢(shì)，20 世紀(jì)70 年代以來(lái)不同時(shí)間尺度的干旱事件頻次均出現(xiàn)較大幅度的增加，其中2001 年以來(lái)中旱和重旱級(jí)別的干旱事件出現(xiàn)頻次增加明顯；4）不同年代不同季節(jié)的干旱事件與干旱類型發(fā)生頻次呈較強(qiáng)的隨機(jī)性，四季普遍存在干旱現(xiàn)象，夏旱和冬旱發(fā)生頻次則呈現(xiàn)波動(dòng)特征。20 世紀(jì)80 年代以來(lái)春旱和秋旱有加重趨勢(shì)，尤其是秋旱十分突出，和黃晚華等［10］研究得到的結(jié)果相近。

3.2 干旱空間分布和演變特征

圖3 珠江流域不同年代干旱事件發(fā)生頻次的空間分布Fig.3 Spatial variation of the frequencies of drought among different decade in the Pearl River basin.

表2 不同年代間不同時(shí)間尺度與季節(jié)干旱事件發(fā)生頻次Table 2 The frequencies of drought occurrence among different time scales and seasons in different decades

為了進(jìn)一步了解珠江流域內(nèi)不同區(qū)域干旱的時(shí)空分布特征，對(duì)珠江流域169 個(gè)格點(diǎn)3 個(gè)月尺度的SPEI-3 作經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）分解，再對(duì)提取的前6 個(gè)特征向量做方差最大旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)前（EOFs）和旋轉(zhuǎn)后（REOFs）的方差貢獻(xiàn)見(jiàn)表3，前6 個(gè)模態(tài)累積解釋方差貢獻(xiàn)已占總方差的85.8%。圖4 為6 個(gè)旋轉(zhuǎn)特征向量等值線圖，可以看出，旋轉(zhuǎn)后的荷載相對(duì)集中。按方差大小排序的6 個(gè)空間模態(tài)為：第1 模態(tài)（圖4a）位于東江流域（圖中陰影區(qū)，下同），旋轉(zhuǎn)后該模態(tài)的方差貢獻(xiàn)占總方差的17%。第2 模態(tài)（圖4b）的荷載中心位于桂北地區(qū)，旋轉(zhuǎn)后該模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為15.7%。第3 模態(tài)（圖4c）的中心位于桂東南地區(qū)，方差貢獻(xiàn)率15.7%。第4模態(tài)（圖4d）的中心位于桂西南地區(qū)，方差貢獻(xiàn)率15.5%。第5 模態(tài)和第6模態(tài)高荷載區(qū)分別位于珠江流域的黔南區(qū)域和滇東地區(qū)（圖4e，f），方差貢獻(xiàn)率分別為11.6%和10.3%。黔南和滇東兩個(gè)區(qū)域歷來(lái)受干旱影響，而且自20 世紀(jì)90 年代末以來(lái)干旱出現(xiàn)頻率增大并愈趨嚴(yán)重。按照高載荷區(qū)標(biāo)準(zhǔn)劃分的珠江流域6個(gè)區(qū)域基本沒(méi)有重疊，分區(qū)結(jié)果顯示出了珠江流域干旱空間分布特征。

圖4 珠江流域SPEI前6個(gè)REOF空間模態(tài)Fig.4 The first six modes of SPEI from REOF in the Pearl River basin

表3 前6個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)Table 3 The contributions to total variance from the first six modes

利用6個(gè)空間模態(tài)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間函數(shù)作趨勢(shì)檢驗(yàn)，圖5 中的SPEI 各個(gè)分區(qū)的時(shí)間函數(shù)經(jīng)檢驗(yàn)后達(dá)置信水平95%的趨勢(shì)采用粗直線表示，表示為95%置信水平，否則表示不存在顯著的趨勢(shì)變化。一致的負(fù)傾向率檢驗(yàn)結(jié)果反映6個(gè)分區(qū)均向干旱發(fā)展，但其中只有分區(qū)5（黔南區(qū)域）和分區(qū)6（滇東地區(qū)）呈現(xiàn)顯著變干趨勢(shì)，反映珠江流域旱澇演變具有全流域一致性特點(diǎn)。突變檢驗(yàn)結(jié)果則表明，6個(gè)分區(qū)大約在2002年前后都出現(xiàn)旱澇的轉(zhuǎn)變（為省篇幅圖略）。

3.3 各分區(qū)旱澇變化周期及其對(duì)ENSO的響應(yīng)

圖5 珠江流域SPEI 6個(gè)REOF時(shí)間向量趨勢(shì)檢驗(yàn)Fig.5 The trend tests of first six time functions of SPEI from REOF in the Pearl River basin

分別代表6個(gè)空間模態(tài)的時(shí)間向量小波功率譜及其小波方差譜見(jiàn)圖6。圖中黑粗等值線表示存在置信水平達(dá)95%的時(shí)頻域。由圖6可見(jiàn)，不同分區(qū)水旱變化的時(shí)間-尺度均無(wú)長(zhǎng)時(shí)段連續(xù)性，顯示旱澇演變具有顯著的時(shí)頻局部化的振蕩特征。經(jīng)紅躁音譜（小波方差譜中的短劃線）檢驗(yàn)提取的置信水平為95%的小波方差譜的顯著周期表明受“厄爾尼諾”或“拉尼娜”影響，各個(gè)分區(qū)旱澇普遍具有2～7a 的振蕩周期。對(duì)此，已有研究人員發(fā)現(xiàn)［25-26］廣東省干旱和厄爾尼諾或赤道太平洋海溫異常關(guān)系密切。由于珠江流域覆蓋面積巨大，各分區(qū)所處的地理位置、陸面地形結(jié)構(gòu)與水文氣候的差異而影響降水、蒸發(fā)及產(chǎn)流過(guò)程，旱澇振蕩周期和出現(xiàn)時(shí)間不盡相同。不同分區(qū)還普遍存在約11 a和22 a的年代際振蕩周期表明珠江流域旱澇變化與太陽(yáng)黑子活動(dòng)和太陽(yáng)活動(dòng)磁周期存在關(guān)聯(lián)性［17］。

圖6 各空間模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間向量的小波譜Fig.6 Wavelet power and variance spectra of the time functions of six regions

表4 各分區(qū)顯著振蕩周期Table 4 Significant oscillation periods of each partition

Schulte 等［22］曾利用小波交叉譜對(duì)美國(guó)中大西洋區(qū)3 條主要河流水文氣候的年代際變異性與EN?SO 和太平洋10 年濤動(dòng)（PDO）指數(shù)關(guān)聯(lián)的相干診斷，發(fā)現(xiàn)二者之間存在18 a 和26 a 的顯著相干性。進(jìn)一步探索珠江流域旱澇時(shí)空演變與具有全球指標(biāo)性的多變量厄爾尼諾事件指標(biāo)（MEI）之間的遙相關(guān)結(jié)構(gòu)結(jié)果（見(jiàn)表5），檢測(cè)到各分區(qū)都存在著厄爾尼諾變化周期信號(hào)表明，珠江流域旱澇演變和厄爾尼諾事件關(guān)系密切，變化周期的差異則顯示，流域空間上對(duì)ENSO 事件的響應(yīng)存在差異。此外，廣西（桂北、桂東南和桂西南）的旱澇與厄爾尼諾事件之間還檢測(cè)到存在更長(zhǎng)周期的遙相關(guān)結(jié)構(gòu)。

圖7 六個(gè)特征時(shí)間函數(shù)與MEI的全域相干譜Fig.7 Global coherent spectra of six characteristic time functions and MEI

表5 各分區(qū)時(shí)間特征函數(shù)與MEI的遙相關(guān)結(jié)構(gòu)Table 5 The telecorrelation between the temporal characteristic functions of each partition and MEI

4 結(jié) 論

1） 1961～2011 年來(lái)珠江流域四季干旱現(xiàn)象屬于常態(tài)，但空間分布與時(shí)間變化明顯，旱澇的變異點(diǎn)出現(xiàn)在2002年前后。

2） 21世紀(jì)以來(lái)珠江流域中旱、重旱事件、干旱歷時(shí)和強(qiáng)度都顯著加大，秋旱尤為突出。

3） 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散量指數(shù)的REOF 時(shí)空分解珠江流域可劃分成6 個(gè)區(qū)域，分別為東江流域、桂北、桂東南、桂西南、黔南和滇東，各分區(qū)都存在向干旱發(fā)展趨勢(shì)，其中黔南和滇東干旱趨勢(shì)顯著，已成為珠江流域的干旱中心。

4） 6 個(gè)分區(qū)的干濕變化普遍具有2～8 a、11 a和22 a 的振蕩周期，各個(gè)分區(qū)對(duì)ENSO 事件的響應(yīng)存在差異。此為構(gòu)建與赤道太平洋海溫異常和太陽(yáng)黑子活動(dòng)等指標(biāo)關(guān)聯(lián)的珠江流域中長(zhǎng)期干旱預(yù)報(bào)模式提供了有益的參考依據(jù)。