鄢鳳玉 趙傳湖 孫即霖

1.中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，青島，266100

2.山東省海洋-大氣相互作用與氣候重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青島，266100

1 引 言

中國東部位于東亞季風(fēng)區(qū)，降水季節(jié)性強(qiáng)且存在顯著的年代際變化，旱澇災(zāi)害頻發(fā)（黃榮輝等，2006）。由于降水減少和氣溫升高，20世紀(jì)八九十年代以來北方干旱形勢變得非常嚴(yán)峻，極端干旱發(fā)生的頻率明顯增大（馬柱國等，2006；王勁松等，2012），而長江、淮河流域洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。在全球變暖的背景下，中國旱澇氣候?yàn)?zāi)害的年際和年代際變化更加明顯（黃榮輝等，2010）。

中國東部豐富的史料可以用來研究歷史氣候變化（竺可楨，1973）。比如歷史文獻(xiàn)中關(guān)于降水的半定量和定量記載，晴雨錄和雨雪分寸記錄就被用來定量揭示過去300多年的中國東部各地的降水變化特征（鄭景云等，2004；葛全勝等，2007；伍國鳳等，2010；丁玲玲等，2020），但這些記錄連續(xù)性不好，且研究局限于少數(shù)特定區(qū)域。

1470年以來半定量化的旱澇等級序列為研究中國東部旱澇長期變化提供了非常有利的條件。歷史氣候?qū)W家根據(jù)2100多種地方志及其他歷史文獻(xiàn)中關(guān)于旱澇的記載，建立了1470—1979年120個(gè)站點(diǎn)包含5個(gè)旱澇等級的逐年序列，并編繪了《中國近五百年旱澇分布圖集》（中央氣象局氣象科學(xué)研究院，1981），張德二等 (1993，2003)又進(jìn)行了兩次續(xù)補(bǔ)。在此基礎(chǔ)上，王紹武等（1979）利用經(jīng)驗(yàn)正交 函 數(shù) 分 解 （Eempirical Orthogonal Function，EOF）將中國東部地區(qū)25個(gè)站的旱澇特征歸為6種分布型，編制了中國近500年旱澇分型年表；Qian等（2003）將不同時(shí)期中國東部（100°E 以東）旱澇等級進(jìn)行旋轉(zhuǎn)正交經(jīng)驗(yàn)函數(shù)分解，發(fā)現(xiàn)黃河與長江中下游流域是主要的變率中心；朱亞芬（2003）則將中國東部劃分為7個(gè)氣候區(qū)，研究每個(gè)氣候區(qū)存在的主要周期；也有不少學(xué)者基于《中國近五百年旱澇分布圖集》分析中國東部部分區(qū)域、流域自1470年以來的旱澇時(shí)、空分布特征（魏軍等，2016；畢碩本等，2018；趙峰等，2019）。這些研究重點(diǎn)關(guān)注中國東部旱澇分布型隨時(shí)間變化，但對于長時(shí)間的旱澇年代際變化特征的研究較少。

現(xiàn)代觀測表明，太平洋海表溫度（Sea Surface Temperature，SST）的變化會(huì)顯著地影響中國東部的降水。厄爾尼諾事件的影響具有全球性，可以影響全球超過 75% 區(qū)域的氣候變化（Kiladis，et al，1989）。在厄爾尼諾的發(fā)展階段華北地區(qū)的降水會(huì)偏少，厄爾尼諾的衰減階段，夏季長江流域及江南地區(qū)的降水會(huì)偏多，而拉尼娜起的作用與厄爾尼諾大致相反（黃榮輝，1990；朱益民等，2007）。厄爾尼諾會(huì)導(dǎo)致長江中下游地區(qū)夏季降水持續(xù)性延長和降水強(qiáng)度的增強(qiáng)（余榮等，2018），然而厄爾尼諾對中國夏季降水變化的影響也具有不穩(wěn)定性，主要表現(xiàn)在年際尺度上的雨帶位置和范圍差異（張德二等，1994；宗海峰等，2010）。

中國東部降水變化也與北太平洋海表溫度年代 際振 蕩 （Pacific Decadal Oscillation，PDO）有關(guān)。PDO處于暖相位時(shí)，夏季北太平洋海平面氣壓呈現(xiàn)負(fù)異常，而東亞大陸為正異常，海陸氣壓梯度弱，東亞夏季風(fēng)偏弱，西太平洋副熱帶高壓偏南，使得華北地區(qū)降水偏少，而長江中下游、華南南部、東北和西北地區(qū)降水偏多；PDO冷相位時(shí)形勢相反（朱益民等，2003；Choi，et al，2011；王曉青等，2020）。PDO還會(huì)造成厄爾尼諾與中國東部夏季降水關(guān)系的年代際變化，在PDO暖相位時(shí)期，厄爾尼諾事件發(fā)生的頻率較高，強(qiáng)度較強(qiáng)；反之，PDO冷相位時(shí)期，拉尼娜事件發(fā)生頻率高，強(qiáng)度較強(qiáng)（朱益民等，2007；馬柱國，2007）。

歷史時(shí)期中國旱澇是否也受到太平洋海表溫度的影響受到了越來越多的關(guān)注。裴琳等（2015）揭示了1600年以來多個(gè)PDO指數(shù)序列的集合與華北旱澇變率存在顯著的相關(guān)，PDO暖（冷）相位對應(yīng)華北偏旱（澇）；彭友兵（2019）則利用代用資料重建和模擬數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)中國東部（25°—40°N，105°E 以東）1380—1429年雨澇與同期的赤道太平洋類拉尼娜的海表溫度分布、PDO冷位相、北大西洋年代際振蕩暖位相、北大西洋濤動(dòng)正位相相關(guān)。

長江、黃河中下游地區(qū)是中國東部過去500多年旱澇變率最大的區(qū)域（Qian，et al，2003），但已有研究沒有充分揭示中國東部旱澇變化的年代際特征，并且由于器測資料的時(shí)間跨度所限，對于中國東部降水與太平洋海表溫度的關(guān)系在更長時(shí)間尺度上的討論相對較少。因此，文中基于經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解、小波分析、集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD）等方法研究1470年以來中國東部地區(qū)旱澇年代際變化特征及其與北太平洋和赤道中東太平洋海表溫度變化的關(guān)系。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 中國東部旱澇等級資料與太平洋海表溫度資料

旱澇等級資料來自1470—1979年《中國近五百年旱澇分布圖集》（中央氣象局氣象科學(xué)研究院，1981）和張德二等（1993，2003）續(xù)補(bǔ)至 2000年的旱澇等級資料。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，除了北京站（在1509年缺測，按照時(shí)間連續(xù)性原則將其旱澇等級值補(bǔ)為4），其余站點(diǎn)均無缺測，由此得到中國東部（30°—40°N，105°E 以東）19個(gè)站（圖1）的逐年旱澇等級指數(shù)。站點(diǎn)主要集中在黃河中下游以及長江以北地區(qū)。

旱澇等級劃分如表1所示，1—5級分別對應(yīng)澇、偏澇、正常、偏旱、旱。文中基于中國160站降水資料，選取5—9月的降水量，按照表1的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算1951—2019年的平均降水量與標(biāo)準(zhǔn)差，得到相應(yīng)站點(diǎn)的旱澇等級，取其2001—2019年部分將1470—2000年旱澇等級序列補(bǔ)充延長到2019年，最終得到中國東部19個(gè)站共550年的旱澇等級序列。

圖1 研究區(qū)域站點(diǎn)分布Fig.1 Study area and distribution of stations

表1 旱澇等級的劃分標(biāo)準(zhǔn) （中央氣象局氣象科學(xué)研究院，1981）Table 1 Definition and implication of dryness/wetness indices （Chinese Academy of Meteorological Sciences，1981）

PDO指數(shù)（PDOI），討論了基于中國東部旱澇等級重建的1470—1998 年P(guān)DOI（PDOI_S）（Shen，et al，2006）和根據(jù)北美西南部以及加拿大2個(gè)地區(qū)樹輪重建的 993—1996年 PDOI（PDOI_M）（MacDonald，et al，2005）；1900—2018 年的 PDOI來自美國華盛頓大學(xué)大氣和海洋聯(lián)合研究所（http://research.jisao.washington.edu/pdo/index.html）。赤道中東太平洋海表溫度指數(shù)來自于根據(jù)亞洲、新西蘭和南北美洲2222個(gè)樹木年輪年表以及赤道太平洋珊瑚重建的1301—2005年前一年11月到當(dāng)年1月Nino3.4海溫指數(shù)（Li，et al，2013）。

2.2 主要分析方法

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解是將變量場分解為正交的線性組合，構(gòu)成不相關(guān)的典型模態(tài)，將變量場的信息集中在幾個(gè)模態(tài)上，不僅能基本涵蓋原變量場的信息，而且分離出來的空間結(jié)構(gòu)又有一定的物理意義（魏鳳英，2007）。通過經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解方法可以提取中國東部旱澇的主要模態(tài)，揭示其旱澇時(shí)、空變化的主要特征。

滑動(dòng)t檢驗(yàn)通過考察氣候序列中兩段子序列均值有無顯著性差異來判斷是否有突變發(fā)生（魏鳳英，2007）。通過滑動(dòng)t檢驗(yàn)判斷中國東部旱澇等級異常是否發(fā)生轉(zhuǎn)折，揭示其旱澇狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間。

小波分析不僅可以給出氣候序列變化的尺度，還可以顯示出變化的時(shí)間位置（魏鳳英，2007）。Morlet小波系數(shù)實(shí)部可用來反映不同時(shí)間尺度旱澇的周期變化及其出現(xiàn)時(shí)段，小波方差可用來反映信號(hào)能量在時(shí)間尺度上的分布情況。通過小波分析揭示中國東部旱澇變化中不同時(shí)間尺度變化的主周期及其變化特征。

EEMD 是 EMD 的改進(jìn)（Wu，et al，2009），是一種自適應(yīng)的時(shí)頻分析技術(shù)，可以有效地分離出原始序列中存在的不同時(shí)間尺度的固有分量，得到原信號(hào)中不同周期的模態(tài)本征模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function，IMF）。使用EEMD方法以分析中國東部不同周期的旱澇變化特征。

3 結(jié) 果

3.1 中國東部旱澇的時(shí)、空分布特征

1470—2019年19 站旱澇等級距平序列的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解揭示了中國東部旱、澇時(shí)空變化的主要模態(tài)。第一模態(tài)表現(xiàn)為全區(qū)一致型分布（圖2a），方差貢獻(xiàn)率為25.2%，即整個(gè)研究區(qū)域同時(shí)偏旱或者偏澇的特征明顯，變率中心出現(xiàn)在黃河中下游地區(qū)，這與已有的研究結(jié)果（王紹武等，1979；Qian，et al，2003；裴琳等，2015）一致。第二模態(tài)表現(xiàn)為南、北反相的二極型分布（圖2c），與裴琳等（2015）研究結(jié)論一致，方差貢獻(xiàn)率為12.8%，說明區(qū)域內(nèi)黃河流域和江淮地區(qū)旱澇特征相反的情況也經(jīng)常出現(xiàn)。

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解結(jié)果表明，中國東部旱澇一致型分布特征顯著，以下將主要分析這一模態(tài)的變化特征及其可能原因。

圖2 1470—2019年中國東部19站旱澇等級距平序列經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解第一模態(tài)空間場 （a） 和時(shí)間系數(shù) （b）、第二模態(tài)空間場 （c） 和時(shí)間系數(shù) （d）Fig.2 The first and second EOF modes of dryness/wetness spatial patterns at 19 sites in eastern China during 1470—2019，（a） the spatial pattern of the first EOF mode and （b） its time coefficient series，（c） the spatial pattern of the second mode and （d） its time coefficient series

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)（EOF1）的11 a滑動(dòng)平均曲線顯示，中國東部旱澇的變化存在20—30 a和世紀(jì)尺度的準(zhǔn)周期。根據(jù)EOF1的11 a滑動(dòng)平均曲線表征的旱澇轉(zhuǎn)變特征，結(jié)合EOF1的30 a滑動(dòng)t檢驗(yàn)曲線（圖3b）得到的旱澇轉(zhuǎn)折突變時(shí)間點(diǎn)，將中國東部旱澇劃分為幾個(gè)顯著連續(xù)偏旱或偏澇的時(shí)段，其中顯著連續(xù)偏澇的時(shí)段為1540— 1570、 1650— 1780、 1810— 1850、 1880—1910和1950—1970年，顯著連續(xù)偏旱的時(shí)段為1470— 1540、 1570— 1650、 1780— 1810、 1850—1880、1910—1950和 1970—2019年（圖3a藍(lán)色陰影區(qū)域）。19—20世紀(jì)存在50—70 a的多年代際變化周期。這種準(zhǔn)周期變化表現(xiàn)出明顯的旱澇轉(zhuǎn)折突變，如歷史上著名的明代崇禎十年至十五年（1637—1642年）和清代光緒二年至四年（1876—1878年）特大干旱事件之后中國東部轉(zhuǎn)向總體偏澇。并且19世紀(jì)以來，中國東部偏澇持續(xù)時(shí)間縮短呈現(xiàn)整體干旱化的趨勢。

3.2 中國東部旱澇的年代際變化特征

中國東部旱澇變化的主模態(tài)為全區(qū)一致型，對其時(shí)間系數(shù)的小波分析進(jìn)一步揭示出年代際尺度的旱澇波動(dòng)特征（圖4）。其中較為顯著的是10—30 a的準(zhǔn)周期變化，且年代際信號(hào)較強(qiáng)的時(shí)期主要處于17世紀(jì)的前、中期以及19世紀(jì)的中、后期。

為進(jìn)一步揭示不同時(shí)間尺度周期的變化特征，對EOF1進(jìn)行EEMD分析（圖5）。結(jié)果顯示，EOF1的長期趨勢變化（Trend分量）呈現(xiàn)出先向澇發(fā)展后向旱發(fā)展的特征，表明中國東部在17—18世紀(jì)整體是偏澇的，19世紀(jì)以后逐漸往偏旱的方向發(fā)展。這與在寒冷時(shí)段華北地區(qū)降水可能增多的結(jié)論一致（鄭景云等，2005）。

EEMD的IMF3（方差貢獻(xiàn)率為15.5%）顯示16 a的周期信號(hào)在17世紀(jì)前期和19世紀(jì)較強(qiáng)，在20世紀(jì)中后期顯著減弱。IMF4（方差貢獻(xiàn)率為13.5%）表明26 a的周期信號(hào)在17世紀(jì)和19世紀(jì)較為明顯。對比IMF5和IMF6可以看到，中國東部550年來74 a的多年代際變化周期的影響在逐漸增大，世紀(jì)尺度周期的影響在逐漸減小，19世紀(jì)后中國東部旱澇的多年代際變化信號(hào)較強(qiáng)。

550年來，中國東部旱澇一致型模態(tài)是穩(wěn)定存在的。旱澇等級距平序列每隔30 a進(jìn)行EOF的第一模態(tài)空間場均呈現(xiàn)出一致型分布特征（圖6），但是不同年代第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)率顯著不同（圖7）。尤其值得關(guān)注的是，在17世紀(jì)前、中期和19世紀(jì)中、后期，旱澇一致型分布的方差貢獻(xiàn)率為35%—40%，而且這兩個(gè)時(shí)段EOF1具有顯著的年代際信號(hào)（圖4a），特別是16 a的周期在這兩個(gè)時(shí)段振幅達(dá)到極大（圖5中IMF3）。說明在小冰期寒冷期，中國東部更容易出現(xiàn)年代際尺度的全區(qū)同旱或同澇的一致型變化特征。

圖3 1470—2019 年中國東部旱澇等級經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解第一模態(tài)時(shí)間序列 （EOF1）（a） 及其 30 a 滑動(dòng) t檢驗(yàn) （b）（藍(lán)色實(shí)線為11 a滑動(dòng)平均曲線，藍(lán)色陰影區(qū)域表示顯著偏澇的時(shí)段，灰色虛線為0.05顯著水平檢驗(yàn)線）Fig.3 EOF1 in eastern China during 1470—2019 （a） and the 30 a moving t-test of it （b）（The blue solid line indicates 11 a moving average of EOF1，the blue shaded area indicates the remarkable wet period，and the grey dotted line represents the 0.05 significant level）

圖4 1470—2019 年中國東部旱澇等級 EOF1 的小波分析實(shí)部 （a） 和小波方差 （b）Fig.4 Contour map of the real part of wavelet coefficient （a） and wavelet variance analysis of EOF1 （b） in eastern China during 1470—2019

3.3 中國東部旱澇變化與PDO的關(guān)系

中國東部旱澇的年代際變化與PDO顯著相關(guān)。現(xiàn)代觀測表明，過去100多年中國東部華北、長江流域和華南夏季降水的年代際變化特征與PDO冷、暖相位年代際轉(zhuǎn)折相吻合（呂俊梅等，2014）。1470年來EOF1與PDOI_S存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，PDO冷相位對應(yīng)全區(qū)偏澇，暖相位對應(yīng)全區(qū)偏旱（圖8b），尤其是19世紀(jì)以來，PDO存在明顯的50—70 a周期變化，與中國東部旱澇的多年代際變化一致。

圖6 1470—2010年中國東部旱澇等級距平序列每隔30 a進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解的第一模態(tài)空間分布（a—r，左下角為它們各自的方差貢獻(xiàn)率） 和時(shí)間系數(shù) （s，灰色實(shí)線；藍(lán)色實(shí)線為時(shí)間系數(shù)的11 a滑動(dòng)平均曲線）Fig.6 Spatial patterns of the first EOF mode （a—r） and the corresponding time coefficient series （s，solid gray line）decomposed from dryness/wetness indices by every 30 a during 1470—2010 in eastern China（variance contributions are given in the bottom left corners of panels （a—r），and the bule solid line indicates the 11 a moving average of time coefficient series （s））

根據(jù)不同區(qū)域代用資料重建的PDO指數(shù)與EOF1的關(guān)系有所不同。PDOI_S包含了旱澇等級資料的信息，較好地反映了PDO與中國東部旱澇的內(nèi)在聯(lián)系；而基于北美的樹木年輪歷史序列重建的PDOI_M，在某些時(shí)段與PDOI_S的相位存在較大的差異。由于重建資料包含了局地氣候環(huán)境對于PDO響應(yīng)的不確定性及其隨時(shí)間演變的不穩(wěn)定性，所以不同PDOI表現(xiàn)出來的相位差異既可能是不同區(qū)域?qū)DO的響應(yīng)有所不同，也可能是由于PDO與區(qū)域氣候的關(guān)系發(fā)生了變化導(dǎo)致的。

3.4 中國東部旱澇變化與赤道中東太平洋海表溫度的關(guān)系

現(xiàn)代觀測表明，不同年代際背景下ENSO與中國東部夏季降水關(guān)系存在年代際變化（朱益民等，2007）。代用資料定量重建的前一年11月到當(dāng)年1月（NDJ）Nino3.4指數(shù)（圖9a）與 EOF1存在一定的相關(guān)，兩者30 a滑動(dòng)相關(guān)的最大相關(guān)系數(shù)絕對值超過0.6，且多數(shù)時(shí)段表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，即年代際尺度上Nino3.4區(qū)海表溫度偏高對應(yīng)中國東部偏旱。

圖7 （a） 定量重建的北半球年平均溫度異常 （Jones，et al，1998；Mann，et al，2003；D'Arrigo，et al，2006），（b） 中國東部每 10 a平均溫度異常 （王紹武等，1998），（c） 旱澇等級每隔10 a做的30 a的EOF第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率隨時(shí)間變化曲線Fig.7 （a） Reconstructed annual temperature anomalies in the Northern Hemisphere （Jones，et al，1998；Mann，et al，2003；D'Arrigo， et al，2006），（b） decadal temperature anomalies in eastern China （Wang，et al，1998），（c） variance contributions of the first EOF mode decomposed for 30 a dryness/wetness indices every 10 a

圖8 中國東部旱澇 EOF1 （a）、PDOI_S （b） （Shen，et al，2006）、PDOI_M （c）（MacDonald，et al，2005） 和觀測的 PDOI （d）（藍(lán)色實(shí)線：11 a滑動(dòng)平均曲線，藍(lán)色陰影區(qū)域表示圖3b中30 a滑動(dòng)t檢驗(yàn)劃分的中國東部顯著連續(xù)偏澇的時(shí)段）Fig.8 EOF1 index of dryness/wetness in eastern China （a），PDOI_S （b）（Shen，et al，2006），PDOI_M （c）（MacDonald，et al，2005） and observed PDOI （d）（Bule solid lines indicate 11 a moving averages，and the blue shaded areas indicate the wetness periods in eastern China by 30 a moving t-test shown in Fig.3b）

小波分析表明，Nino3.4指數(shù)存在顯著的10—30 a的年代際變化（圖9），其 EEMD 的結(jié)果（圖10）顯示，5 a（IMF1）和 9 a（IMF2）的年際變化的方差總貢獻(xiàn)率為54.3%，即赤道中東太平洋海表溫度以年際變化為主，且年際信號(hào)強(qiáng)度存在明顯的年代際變化。13 a（IMF3）的周期在18 世紀(jì)、19 世紀(jì)較強(qiáng)，26 a（IMF4）的周期在17世紀(jì)的前、中期最強(qiáng)。這顯示出Nino3.4指數(shù)具有重要的年代際變化分量，與EOF1 的年代際信號(hào)（圖5 IMF3、 IMF4）對比發(fā)現(xiàn)，它們均在17世紀(jì)前中期有10—30 a準(zhǔn)周期變化，在19—20世紀(jì)有10—20 a顯著周期信號(hào)。

由Nino3.4指數(shù)小波分析實(shí)部（圖9b）和EEMD的IMF1（圖10）可知，赤道中東太平洋海表溫度在20世紀(jì)年際信號(hào)顯著增強(qiáng)而年代際信號(hào)較弱，這與依據(jù)現(xiàn)代觀測重點(diǎn)關(guān)注熱帶太平洋海-氣耦合系統(tǒng)的年際變化是吻合的。但是赤道中東太平洋海表溫度不僅在年際尺度上對中國東部旱澇有顯著影響，也對年代際尺度上的中國東部旱澇變化產(chǎn)生作用。Nino3.4指數(shù)年代際信號(hào)較強(qiáng)的時(shí)期（圖10中IMF3）與中國東部旱澇一致型方差貢獻(xiàn)率大（圖7c）的時(shí)期吻合，都在小冰期。可能原因是，當(dāng)ENSO方差高（低）時(shí)，泛太平洋區(qū)域的ENSO遙相關(guān)一般是強(qiáng)（弱）的，而這個(gè)周期信號(hào)的時(shí)間尺度為年代際到百年尺度（Li，et al，2013）。這說明，旱澇一致型特征模態(tài)可能與前一年11月到當(dāng)年1月Nino3.4區(qū)海表溫度的年代際變化有關(guān)，尤其在小冰期的寒冷期。

觀測資料表明，20世紀(jì)50年代以來，Nino3.4指數(shù)與PDOI年代際波動(dòng)相位具有很高的一致性，代用資料揭示兩者在20世紀(jì)以來存在50—70 a的多年代際周期變化，表明Nino3.4指數(shù)年代際變化和PDO可能是太平洋年代際振蕩IPO（Power，1999；Henldy，et al，2015）的區(qū)域表現(xiàn)。另外，在不同時(shí)期（小冰期與全球變暖時(shí)期），PDOI與Nino3.4指數(shù)的年代際波動(dòng)相位不一致可能影響了中國東部旱澇與海表溫度的關(guān)系，這需要進(jìn)一步研究。

3.5 中國東部旱澇變率中心

過去550年中國東部旱澇的變率中心主要位于黃河中下游，但不同冷暖背景下變率中心是不同的。圖6顯示在17世紀(jì)前、中期和19世紀(jì)中、后期小冰期極冷期變率中心位于黃河下游流域，相對較暖的時(shí)期變率中心南移到江淮地區(qū)或者位于偏西的地區(qū)，例如：18世紀(jì)中、后期變率中心位于淮河流域，20世紀(jì)以來變率中心在偏西地區(qū)較為明顯。

圖9 1470—2005 年定量重建的冬季 Nino3.4 指數(shù) （a）（Li，et al，2013），Nino3.4 指數(shù)的小波分析實(shí)部 （b） 和小波方差 （c）（a中藍(lán)色實(shí)線是11 a平滑曲線）Fig.9 Quantitative reconstructed NDJ Nino3.4 index during 1470—2005 （Li，et al，2013）（a），contour map of the real part of wavelet coefficient （b） and wavelet variance analysis （c） of the Nino3.4 index（The bule solid line in （a） indicates the 11 a moving average of Nino3.4 index）

圖10 1470—2005 年冬季 Nino3.4 指數(shù) EEMD 分解的前 4 個(gè)本征模態(tài)（a—d）Fig.10 The first four IMFs （a—d） of NDJ Nino3.4 index based on EEMD during 1470—2005

中國東部冷、暖時(shí)段對應(yīng)著不同旱澇分布格局，相應(yīng)的變率中心南北移動(dòng)可能與季風(fēng)的強(qiáng)弱有關(guān)（鄭景云等，1995，2014）。隨著全球變暖，中國夏季風(fēng)指數(shù)處于減弱的趨勢，夏季風(fēng)北邊緣向東南撤退，使得中國原受夏季風(fēng)影響較大的部分逐漸干旱化（張強(qiáng)等，2019）；550年來旱澇變率中心的移動(dòng)也受到了太平洋海表溫度的影響，在相對冷期，PDO多處于冷相位，所以出現(xiàn)了冷期旱澇變率中心偏北、暖期偏南的現(xiàn)象。

Nino3.4區(qū)海表溫度的異常變化也可能影響中國東部旱澇變率中心。每隔30 a的Nino3.4指數(shù)回歸的中國東部旱澇等級（圖11）表明，在17世紀(jì)中、后期到19世紀(jì)的小冰期主要表現(xiàn)為全區(qū)多數(shù)站點(diǎn)正相關(guān)，變率中心位于黃河中下游，即此時(shí)厄爾尼諾型海溫分布對應(yīng)全區(qū)偏旱。圖11顯示的Nino3.4指數(shù)與中國東部旱澇的相關(guān)在不同年代是有差異的，因此在討論兩者的關(guān)系時(shí)需要關(guān)注研究問題的時(shí)間尺度和長期氣候背景變化。

圖11 1471—2010年每隔30 a用冬季Nino3.4指數(shù)回歸的中國東部19站夏季旱澇異常分布Fig.11 Regression of dryness/wetness indices anomalies at 19 sites in eastern China by NDJ Nino3.4 index every 30 a

4 結(jié)論和討論

揭示了中國東部地區(qū)550年來旱澇變化的主模態(tài)及其年代際變化特征，分析了中國東部旱澇的年代際變化規(guī)律與太平洋海表溫度的相關(guān)關(guān)系，得到以下結(jié)論：

（1）1470年以來中國東部旱澇變化的主模態(tài)（全區(qū)一致型，方差貢獻(xiàn)率為25.2%）存在顯著的10—30 a的年代際變化，17世紀(jì)前、中期和19世紀(jì)中、后期兩個(gè)小冰期冷期表現(xiàn)得尤為凸出。該型模態(tài)還揭示出中國東部旱澇的長期變化，17—18世紀(jì)整體偏澇，而19世紀(jì)之后呈現(xiàn)干旱化的趨勢。

（2）550年來旱澇變化主模態(tài)變率中心主要位于黃河中下游地區(qū)，但冷、暖背景變化會(huì)影響變率中心位置，表現(xiàn)為冷期對應(yīng)變率中心偏北，暖期對應(yīng)變率中心偏南或偏西。小冰期冷期旱澇主模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率顯著增大，17世紀(jì)前、中期和19世紀(jì)中、后期，該模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為35%—40%。

（3）中國東部旱澇年代際變化與北太平洋和赤道中東太平洋海表溫度存在顯著的相關(guān)。PDO冷（暖）相位對應(yīng)中國東部大部分站點(diǎn)偏澇（旱）。旱澇一致型特征模態(tài)與前一年11月到當(dāng)年1月Nino3.4指數(shù)主要表現(xiàn)為年代際尺度上的海表溫度偏高對應(yīng)中國東部偏旱；Nino3.4指數(shù)年代際信號(hào)較強(qiáng)的時(shí)期中國東部旱澇一致型方差貢獻(xiàn)率大，并且在小冰期冷期，旱澇的年代際信號(hào)也最顯著。

現(xiàn)代觀測表明，中國氣候存在顯著的年代際變化，且這種年代際變化的區(qū)域性特征也很明顯（Qian，et al，2001）。分析表明，近 550 年來中國東部地區(qū)夏季旱澇的10—30 a的年代際變化是長期存在，并且這種準(zhǔn)周期變化的信號(hào)在小冰期冷期尤為顯著，這在已有研究中關(guān)注較少。對于中國東部氣候年代際變化的原因，已有研究主要考慮到PDO的影響（Choi，et al，2011；裴琳等，2015），但結(jié)果顯示，赤道太平洋海表溫度的年代際變化也有重要貢獻(xiàn)。小冰期冷期里中國東部全區(qū)一致型旱澇對區(qū)域旱澇年代際變化的貢獻(xiàn)較大，同時(shí)Nino3.4的年代際變化也最顯著，其影響機(jī)制需要進(jìn)一步研究。

另外，中國東部旱澇變化的主模態(tài)揭示的中國東部旱澇變化與全球和區(qū)域大氣環(huán)流的影響密切相關(guān)。因此，除了PDOI與Nino3.4指數(shù)等表征的太平洋海表溫度的影響以外，還需要考慮中國東部旱澇變化與北極濤動(dòng)、北大西洋海溫等因素的關(guān)系。下一步工作中，將結(jié)合多種代用資料和數(shù)值模擬結(jié)果，針對各因子對中國東部旱澇的綜合影響及各自貢獻(xiàn)進(jìn)行深入研究。

致 謝：感謝美國國家環(huán)境信息中心（NCEI）提供的古氣候資料及美國華盛頓大學(xué)大氣和海洋聯(lián)合研究所提供的PDO指數(shù)資料。