孫亞興

(新疆昌源水務(wù)科學(xué)研究院(有限公司)，新疆 烏魯木齊 830000)

干旱是一個(gè)復(fù)雜、多維的自然現(xiàn)象，發(fā)生在一系列的時(shí)間和空間尺度上，是最具有破壞性的災(zāi)害之一，可以導(dǎo)致嚴(yán)重的生態(tài)危害，如森林火災(zāi)、環(huán)境沙漠化等。由于全球氣候的變化，干旱造成的嚴(yán)重性預(yù)計(jì)將會(huì)加劇[1]。在過去的幾十年里，公眾對干旱的認(rèn)識(shí)急劇提高，環(huán)境管理取得了顯著的進(jìn)展?，F(xiàn)今，我國仍然遭受著干旱影響。因此，準(zhǔn)確了解干旱的變化特征，對區(qū)域防災(zāi)應(yīng)對具有重要的影響。

塔城地區(qū)位于我國西北部，轄區(qū)總面積為10.46×104km2，占新疆總面積的6.12%。該區(qū)域?qū)僦袦貛Ц珊岛桶敫珊禋夂?，水資源年內(nèi)時(shí)空變化不均勻，干旱成為該區(qū)域比較常見的自然災(zāi)害之一[2]。目前，部分學(xué)者已對塔城地區(qū)干旱時(shí)空分布進(jìn)行了一些研究，主要集中在塔城地區(qū)的時(shí)空變化特征及驅(qū)動(dòng)因素[3-4]。然而未涉及到干旱多尺度的周期分析以及對研究區(qū)發(fā)生季節(jié)性干旱變化特征的深入研究?；诖耍疚倪x用標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)和集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)方法對塔城地區(qū)的氣象干旱進(jìn)行多尺度分析，對該區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)具有重要的意義。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

收集1984—2016年布克塞爾、塔城市、烏蘇和托里4個(gè)氣象站點(diǎn)逐月降水?dāng)?shù)據(jù)(來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)http:∥data.cma.cn)。

1.2 研究方法

1) 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)是世界氣象組織推薦的氣象干旱指標(biāo)，由Mckee等于1993年提出，用于監(jiān)測干旱情況[5]。本研究選取3個(gè)月尺度(表示季節(jié))和12個(gè)月尺度(表示年)的SPI指數(shù)分別監(jiān)測研究區(qū)季節(jié)和年際干旱多尺度特征。SPI值越大，表明干旱等級越輕，干旱程度越小。

2) 集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)

EEMD利用了噪聲的統(tǒng)計(jì)特性和EMD的尺度分離原則，在原始時(shí)間序列中加入高斯白噪聲，組合成一個(gè)混合的序列，使得信號(hào)變化在不同時(shí)間尺度上連續(xù)，改變不同時(shí)間尺度信號(hào)在極值點(diǎn)的特性。與傳統(tǒng)小波分析相比，EEMD具有小波分析的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服了小波分析在分辨率上的不清晰的缺點(diǎn)[6]。EEMD具體步驟如下[7]：

① 設(shè)EMD執(zhí)行集合平均次數(shù)為N，i=1，2…，N。

② 在原始信號(hào)X(t)中多次加入均值為0、幅值標(biāo)準(zhǔn)差為常數(shù)的隨機(jī)高斯白噪聲信號(hào)，設(shè)每次得到的信號(hào)為Xi(t)，Ui(t)為第1次加入的白噪聲。

Xi=X(t)+Ui(t) 。

③ 用EMD分解Xi(t)，得到n個(gè)IMF分量。

Cij(t)(j=1，2…,n)及ri(t)。Cij(t)表示第i次分解得到的第j個(gè)IMF；ri(t)表示第i次分解后得到的余項(xiàng)。

④i

⑤ 利用不相關(guān)隨機(jī)序列統(tǒng)計(jì)均值為0的原理，對第i次加入白噪聲后分解的每個(gè)IMF計(jì)算均值，并將此均值作為原始信號(hào)EEMD分解的最終結(jié)果。Cj(t)為對原始信號(hào)進(jìn)行EEMD分解后得到的第j個(gè)IMF，其公式如下：

(1)

2 結(jié)果分析

2.1 年際和季節(jié)降水變化分析

1984—2016塔城地區(qū)逐年及逐月降水量見圖1所示。年際變化：1984—2015年研究區(qū)降水量呈增加趨勢，趨勢率為1.24/a；1984—2015年降水量最大值出現(xiàn)在2010年，為305.13 mm，最小值出現(xiàn)在1997年，為113.90 mm。季節(jié)變化：降水主要集中在春末和夏季，春、夏和秋季平均降水量分別為202.19 mm、296.16 mm和174.62 mm。

圖1 1984—2016塔城地區(qū)逐年及逐月降水量示意

2.2 年際和季節(jié)干旱多尺度分析

圖2為1984—2016年塔城地區(qū)SPI3和SPI12序列的EEMD干旱趨勢分解。表1為SPI3和SPI12序列的周期、方差貢獻(xiàn)率和相關(guān)性分析。

(a)年

(b)春

(c)夏

(d)秋

表1 SPI3和SPI12序列的周期、方差貢獻(xiàn)率和相關(guān)性分析

由圖2(a)和表1可知：在年際變化上，其中IMF1為3.30 a周期且方差貢獻(xiàn)率最大為72.62%，該分量振蕩信號(hào)極為明顯，其振幅在1990—1995年、2010—2016年期間波動(dòng)較大，其余階段波動(dòng)較小且變化較為平穩(wěn)；與原序列的相關(guān)性最高，達(dá)0.65，較真實(shí)地反映了SPI12原始序列的變化趨勢。隨著階數(shù)的增加，IMF2至IMF5分量振幅和頻率逐漸減小，波動(dòng)周期逐漸增加，曲線波動(dòng)也更加平緩；趨勢項(xiàng)(RES)曲線表明，塔城地區(qū)SPI12從1984年開始呈上升的趨勢，表明干旱程度呈減弱趨勢，主要原因是1984—2015年期間降水量表現(xiàn)為增加的趨勢。

季節(jié)變化，由圖2(b)和表1可知：① 春季IMF1分量代表3.67 a的周期，方差貢獻(xiàn)率為133.14%；其振幅最大，波動(dòng)頻率最高，在1990年和2010年振幅達(dá)到最大值；與原序列的相關(guān)性最高，達(dá)0.50。②IMF2周期為5.50 a，方差貢獻(xiàn)率為50.33%；相比IMF1 分量，IMF2振幅波動(dòng)頻率較小變化較為平緩，在2010年達(dá)到最大值；其相關(guān)性為0.30，僅次于IMF1。③IMF3振幅雖呈現(xiàn)“W”型變化過程，但整體上呈增加趨勢，代表11.00 a的周期。④IMF4經(jīng)歷了“減小—增大—減小”的變化過程，其振幅波動(dòng)較小，代表16.50 a的周期變化。⑤IMF5分量經(jīng)歷了“負(fù)—正—負(fù)”波動(dòng)特征，其振幅在1990年最低，之后振幅逐漸增大，至2009年達(dá)到最大，之后又逐漸減小，變化周期為16.50 a。⑥ RES曲線呈現(xiàn)“U”型變化過程，2000之前，SPI3呈現(xiàn)上升的趨勢，2000年之后，SPI3呈現(xiàn)上升的趨勢，表明1984—2000干旱呈增加趨勢，2012—2016年干旱呈減弱趨勢。主要原因?yàn)榇杭窘邓可?，蒸發(fā)強(qiáng)烈，易形成春旱。

由圖2(c)和表1可知：① 夏季IMF1分量代表春季干旱高頻振蕩信號(hào)，為4.71 a周期且方差貢獻(xiàn)率為112.08%，在21世紀(jì)初期以后振幅較大；與原序列的相關(guān)性最高，達(dá)0.38。②IMF2周期為6.60 a，方差貢獻(xiàn)率為37.53%；相比IMF1分量，IMF2振幅頻率較小，但波動(dòng)變化較大，在2010年達(dá)到最大值；其相關(guān)性為0.36，僅次于IMF1。③IMF3振幅雖呈現(xiàn)“W”型變化過程，變化周期為11.00 a且方差貢獻(xiàn)率為4.61%。④IMF4經(jīng)歷了“減小—增大—減小”的變化過程，其振幅波動(dòng)較??；其變化周期為16.50 a且方差貢獻(xiàn)率為2.10%。⑤IMF5分量為16.50 a周期且方差貢獻(xiàn)率最小，其變化趨勢已逐漸接近趨勢項(xiàng)(RES)。⑥RES曲線也呈現(xiàn)U字型，2000年開始SPI3指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，2001—2016年的升高幅度小于1984—2000年的降低幅度，說明1984—2000年期間夏旱較嚴(yán)重。夏季雖然降水量最大，為296.16 mm，但氣溫較高，引起蒸發(fā)愈加強(qiáng)烈，因此易發(fā)生干旱。

由圖2(d)和表1可知：① 秋季IMF1為4.13 a周期且方差貢獻(xiàn)率最大，為72.23%；該分量振蕩信號(hào)極為明顯，在20世紀(jì)90年代末期波動(dòng)較大。②IMF2周期為8.25 a，方差貢獻(xiàn)率為20.67%；相比IMF1分量，IMF2振幅頻率較小，但波動(dòng)變化較大，在2010年達(dá)到最大值；與原序列的相關(guān)性最高，達(dá)0.44。③IMF3振幅雖呈現(xiàn)“W”型變化過程，變化周期為11.00 a且方差貢獻(xiàn)率為10.10%。④IMF4經(jīng)歷了“增大—減小—增大”的變化過程，其振幅波動(dòng)較??；其變化周期為16.50 a且方差貢獻(xiàn)率為4.39%。⑤IMF5分量經(jīng)歷了“負(fù)—正—負(fù)”波動(dòng)特征；變化周期為16.50 a，方差貢獻(xiàn)率最小。⑥RES曲線從1984年開始呈現(xiàn)上升趨勢，干旱強(qiáng)度在逐年下降。

綜合分析，研究區(qū)在1984—2001年期間易發(fā)生春、夏旱，這與氣象災(zāi)害大典[8]記載較為符合。年際波動(dòng)周期對干旱貢獻(xiàn)率最大，季節(jié)降水量及其溫度變化可能是影響各季節(jié)周期變化的主要因素,與吳燕峰[9]分析北疆的干旱特征結(jié)果較為一致。

3 結(jié)語

1) 1984—2016年研究區(qū)降水量呈增加趨勢，趨勢率為1.24/a；春、夏和秋季平均降水量分別為202.19 mm、296.16 mm和174.62 mm。

2) 研究區(qū)全年與季節(jié)干旱均受年際尺度的振蕩影響，但具體周期和變化趨勢存在差異。春季以3.67 a周期為主且方差貢獻(xiàn)率為133.14%，在1990年和2010年振幅較大，與原序列的相關(guān)性最高，達(dá)0.50；(RES曲線表明研究區(qū)春季SPI以2000年為臨界點(diǎn)，干旱程度呈先增加后減弱的趨勢。夏季主導(dǎo)周期為4.71 a且方差貢獻(xiàn)率為112.08%；該分量振蕩信號(hào)極為明顯，在1990—2000年期間波動(dòng)較大；RES曲線表明成都市春季SPI以2000年為臨界點(diǎn)，干旱程度呈先增加后減弱的趨勢。秋季為4.13 a周期且方差貢獻(xiàn)率最大，為72.23%；RES曲線從1984年開始呈現(xiàn)上升趨勢，干旱強(qiáng)度在逐年下降。

3) EEMD分解表明SPI12中IMF1與原序列的相關(guān)性最高，達(dá)0.65，可表征實(shí)際干旱在研究期的變化狀況，從而為塔城地區(qū)干旱周期和趨勢分析提供有利依據(jù)。