基于改进帕默尔干旱指数的中国气象干旱时空演变分析.pdf

第3 2 卷 2 0 1 6 焦 第2 期 1 月 农业工程学报 T r a n s a c t io n so ft h eC h in e s eS o c ie t yo fA g r ic u l t u r a lE n g in e e r in g V r 0 1 3 2 N o 。2 J a n 2 0 1 61 6 1 基于改进帕默尔干旱指数的中国气象干旱时空演变分析 王兆礼，李 军，黄泽勤，钟睿达，陈佳颖，邱卓辉 ( 华南理工大学土木与交通学院，广州I5 1 0 6 4 1 ) 摘要：近几十年来随着全球变暖的不断加剧，中国多地频繁发生干旱灾害，经济损失也越来越大，因而研究干旱的时 空演变对社会经济发展具有重要的现实意义。论文基于改进帕默尔干旱指数( s c P D S I ) 分析了1 9 6 1 - - 2 0 0 9 年间年和四季 干湿变化，并利用旋转经验正交函数( r o t a t e de m p ir ic a lo r t h o g o n a l f u n c t io n ，R E O F ) 探讨了中国气象干旱的时空演变特征。 结果表明：1 ) 近4 9a 来，整体上中国年和四季均呈显著变湿趋势，且均在2 0 世纪7 0 年代初期发生了由干变湿的突变； 2 ) 年及四季均存在2 8a 的振荡周期，其中夏季主周期为4 4a ，其余主周期均为6 2a ；3 ) 根据R E O F 时空分解的前8 个空间模态，将中国划分成8 个干湿特征区域，其中大兴安岭地区、东南地区、西北地区和青藏高原南部地区有变湿趋 势，后两个区域变湿趋势显著；东北一内蒙古高原区、青藏高原北部地区、中部地区和黄淮海平原地区呈变干趋势，前 3 个区变干趋势显著，黄淮海平原分区干湿变化不明显；各分区普遍具有2 9a 的振荡周期；4 ) 极涡指数、印度洋偶极 子和太平洋涛动与部分地区气象干旱有较好的相关关系。研究结果可为研究区防旱、抗旱与干旱预测提供参考依据。 关键词：干旱；气象；降水；改进帕默尔干旱指数；旋转经验正交函数；时空演变；中国 d o i：1 0 11 9 7 5 ，j is s n 1 0 0 2 6 8 1 9 2 0 1 6 0 2 0 2 4 中图分类号：S 1 6 5文献标志码：A 文章编号：1 0 0 2 6 8 1 9 ( 2 0 1 6 ) - 0 2 0 1 6 1 0 8 王兆礼，李军。黄泽勤。钟睿达，陈佳颖，邱卓辉基于改进帕默尔干旱指数的中国气象干旱时空演变分析r J 农业 工程学报。2 0 1 6 。3 2 ( 2 ) ：1 6 1 1 6 8 d o i：1 0 1 1 9 7 5 0 is s n 1 0 0 2 6 8 1 9 2 0 1 6 0 2 0 2 4h t t p ：w w w t c s a e o 玛 W a n gZ h a o l i，L iJ u n , H u a n gZ e q in , Z h o n gR u id a , C h e nJ ia y in ，Q iuZ h u o h u iS p a f io m m p o r a lv a r ia t io n sa n a l y s iso fm e t e o r o l o g ic a l d r o u g h tinC h in ab a s e do ns c P D S I ：阴T r a n s a c t io n so f t h eC h in e s eS o c ie t y o f A g r ic u l t u r a lE n g in e e r in g ( T r a n s a c t io n so f t h eC S A Z ) ，2 0 1 6 ， 3 2 ( 2 ) ：1 6 1 1 6 8 ( inC h in e s e w it hE n g l is ha b s t r a c t ) d o i1 0 1 1 9 7 5 j is s n 1 0 0 2 6 8 1 9 2 0 1 6 0 2 0 2 4 h t t p ：w w w t c s a e o r g 0 引言 干旱是一种自然灾害，对农业生产、水资源供给和 环境生态系统产生不良影响【卜2 1 。气候变化伴随着人类活 动增加( 如，森林砍伐、大规模修建水库等) 造成全球 气温升高，这加快全球的水文循环，影响干旱发生频次， 甚至可能导致旱灾的发生【3 】。干旱发生在世界上大部分地 区，甚至在湿润地区【4 】。自2 0 世纪5 0 年代以来，大范围 的干旱在世界各地都有发生，例如，澳大利亚、非洲、 亚洲、欧洲和美洲等地区【5 】。近1 0 年来中国多地发生严 重旱灾。例如，长江流域多次发生旱灾，在2 0 0 6 年长江 径流量跌落到近5 0 年来最底点【6 1 及2 0 0 9 - - 2 0 1 0 年在中国 西南地区发生冬春极端严重干旱【_ 7 1 。旱灾给社会经济发展 和生态环境带来诸多不利影响，故分析中国的干旱时空 演变具有重要的现实意义。 由于干旱的复杂性，使用不同的干旱指数、数据集 或者计算蒸发量方法来评估干旱往往得出不同的结果【8 。 例如，D a i认为全球干旱呈增加趋势【9 J ，但S h e f f ie l d 等研 究发现过去6 0 年里全球干旱状况几乎没有发生变化 10 1 。 众学者也对中国干旱进行诸多研究，获得了若干新的认 收稿日期：2 0 1 5 - 1 1 - 0 6修订日期：2 0 1 5 1 2 2 3 基金项目：国家自然科学基金( 5 1 2 0 9 0 9 5 ，5 1 5 7 9 1 0 5 ) ，国家科技支撑计划 ( 2 0 1 2 B A C 2 1 8 0 t 0 3 ) ，中央高校基本科研业务费专项基金( 2 0 1 4 Z Z 0 0 2 7 ) 。 作者简介：王兆礼，男( 汉族) ，江苏徐州人，博士，副教授，主要从事水 文水资源研究。广州华南理工大学土木与交通学院，5 1 0 6 4 1 。 E m a il ：w a n g z h l s c u t e d u c a 识，但也出现上述类似结果，难有共识性结论。一种观 点认为中国干旱无明显变化，例如，W a n g 等运用S P E I 和S P I 指数分析中国干湿变化，并认为1 9 6 1 - - 2 0 1 2 年期 间中国干旱没有呈增加或减少趋势【1 1 1 。Z o u 等发现1 9 5 1 - - 2 0 0 3 年间，整个中国的干旱状况并无增加或下降的 趋势【l2 1 。徐仁贵等基于蒸散量和湿润指数，研究发现中 国极端干旱区面积在显著减小，西北蒸散量呈显著减小 趋势 13 1 。翟盘茂等认为1 9 5 1 - - 2 0 0 3 年间中国干旱面积略 有增加，但变化趋势并不显著【1 4 】。第二种观点认为中国 干旱呈增加趋势，例如，L i等的研究表明，在1 9 5 1 - - 2 0 0 5 年间中国土壤水分减少趋势显著，干旱加剧【15 1 。W a n g 等 结合土壤中水分变化，分析了中国1 9 5 0 - - 2 0 0 6 年中国干 旱的严重程度、持续时间和频率，结果表明由土壤中缺 乏水分引起的干旱变得更加频繁，在东北和中部地区这 种情况更加显著，这容易引起农业干旱【1 6 1 。Y u 等1 1 7 1 表明 近5 0 年来，受旱面积每1 0 年以3 7 2 的速度增长，且自 1 9 9 0 年代以来，中国严重和极端干旱灾害呈增加趋势。 叶敏等【】8 】分析中国早涝时空变化特征，认为2 l 世纪以来， 中国干旱发生变频繁，且强度也增加。陈方藻等 1 9 1 研究 发现近6 0 年来中国干旱的发生整体呈上升趋势。 上述研究成果为中国干旱的研究提供重要的参考依 据，但也出现了类似全球研究的两种矛盾性结论。那么， 中国气象干旱的变化趋势到底如何，是否具有突变特性 和显著的周期性还有待进一步深入研究。再者，已有的 大多研究使用的干旱指数只牵涉单一的降雨量( 如S P I 指数) ，或所用的干旱指数采用桑斯维特( T h o m t h w a it e ) 1 6 2 农业工程学报( h t t p ：w w w t c s a e o r g ) 2 0 1 6 年 算法计算蒸发量，忽略了辐射和空气动力控制等因素( 如 S P E IT h ，P D S IT h ) ，不能精确评估干旱变化1 8 1 。因而 采用精确性更高的s c P D S IP M 指数( 使用P e n m a n - M o n t e it h 公式计算蒸散发) 分析中国气象干旱状况就显得 十分必要了。 鉴于此，本文基于2 0 1 3 年发布的高空间分辨率 s c P D S IP M 数据集，采用线性回归、M a n n - K e n d a l l 方法、 小波分析和旋转经验正交函数( r o t a t e de m p ir ic a l o r t h o g o n a lf u n c t io n ，R E O F ) 等方法，研究1 9 6 1 - - 2 0 0 9 年中国气象干旱的时空分布和演变规律，并探究干旱的 大气环流影响因素，以期为研究区防旱、抗旱提供理论 依据和科学参考。 1研究区概况和研究方法 1 1 研究区域 中国幅员辽阔，跨经纬度较广( 7 3 0 4 0 7 1 3 5 0 2 E ， 3 0 5 2 5 3 0 3 3 q q ) ，位于亚欧大陆东部，太平洋西岸，距 印度洋较近，中国气候受大陆、大洋影响显著。由于地 形复杂，气候类型复杂多样，地跨多个温度带，可划分 为多个不同干湿特征区域，在同一气候类型中，热量和 干湿程度差异较大。中国是全球气象灾害最频繁、最严 重的国家之一，其中干旱又是最严重的灾害之一。过去 干旱普遍发生在中国北区地区，且造成严重危害，但近 年来南方地区严重干旱事件也频繁发生【2 0 1 。在1 9 5 9 、 1 9 6 0 、1 9 7 2 、1 9 7 8 、1 9 9 7 、2 0 0 6 与2 0 0 9 - - 2 0 1 0 年等年份 中国都发生严重旱灾，小干旱灾害几乎每年都会发生， 平均每年有千万公顷的农田因旱受灾，占各类灾害影响 面积的6 0 以上【2 1 1 。 1 2 数据获取与处理 本文的s c P D S IP M 数据拉2 J ( s e l f - c a l ib r a t in gp a l m e r d r o u g h ts e v e r it yin d e xb a s e do nP e n m a n M o n t e it h ) 来源于 英国东英格利亚大学气候研究中心( c l im a t icr e s e a r c hu n it ， C R U ) 编辑的气候数据集。该数据集基于C R UT S3 1 0 0 1 版本气候数据，具有较高的精度 2 2 1 ，可从英国气象数据 中心下载( h t t p ：w w w b a d e r 1 a c u k ) 。本研究所选的中 国地区37 2 5 个网格点的数据资料均来自s c P D S IP M 数 据集，时间范围为1 9 6 1 2 0 0 9 年，空间分辨率为0 5 0 0 5 0 。 有关土壤田间持水量、径流的推求过程可参考文献 2 2 1 。 该数据集主要有3 个优势：1 ) 在多样的气候条件下， s c P D S I 有相似的变动范围，使其更适合分析不同地区的 有效水分。2 ) 使用物理意义更清晰的P e n m a n M o n t e it h 公式( P M ) 计算蒸散量，用实际的植被代替参考作物，植 被数据来源于美国地质调查局，为卫星遥感解译数据 ( 1k m 分辨率) 。3 ) 计算水分平衡时考虑了季节性积雪动 态变化 2 2 1 。中国基础地理信息( A r c G I S 格式) 由中国科 学院资源环境科学数据中心提供( h t t p ：w w w r e s d c c n ) 。 7 4 项大气环流数据由国家气候中心气候系统诊断预测室 提供( h t t p ：n c c c m a g o v c n ) ；太平洋涛动( P a c if ic O s c il l a t io n ，P D O ) 数据来源于E a r t hS y s t e mR e s e a r c h L a b o r a t o r y ( E S R L ) o fN O A A ( h t t p ：w w w e s r l n o a a g o v p s d d a t a c o r r e l a t io n p d o d a t a ) ；印度洋偶极子( I n d ia nO c e a n D ip o l e ，I O D ) 数据由日本低纬度气候预测研究所提供 ( h t t p ：w w w j a m s t e c g o j p f r s g c r e s e a r c h d 1 io d e in d e x h t r n l ) 。 数据处理过程为：首先运用A r c G I S l 0 2 软件裁减出中国 部分，再运用R 软件计算年均和四季s c P D S I 值及其M K 值；采用M a t l a b 软件做M K 突变检测图及小波分析图， 最后再运用A r c G I S l 0 2 软件获得R E O F 空间分区图。 1 3 研究方法 1 3 1改进的帕默尔干旱指数( s c P D S I ) P D S I 广泛运用于干旱评估，由P a l m e r 提出的 2 3 】，最 初是为测量陆地表面水分供需的累积距平。P D S I 考虑气 温因素，可以有效反映气候变化对于干旱的影响【2 3 l 。此 外，其表征在一段时间内，该地区实际水分供应持续少 于当地气候适宜水分供应的水分亏缺 2 3 1 。但因P D S I 对于 不同空间的干旱分析有差异，认为不适用于评估不同地 区的干旱【2 2 1 。而s c P D S I 较P D S I 有较大改进，且使用F A O P M 公式计算蒸散发，精确度更高【2 2 1 。此外，s c P D S I 用 各自站点的气候资料得出的值取代气候权重因子和持续 因子，故较少受地域约束，具有更大的空间可比性【2 4 1 ， 具体P D S I 和s c P D S I 计算方法详见参考文献 2 5 2 6 1 。 s c P D S I 指数的干旱等级分布，详见表1 。 表1s c P D S I 干湿等级划分标准 T a b l e1C l a s s t ic a t io no fs c P D S Iv a l u e s s e P D S I 指数干湿等级s c P D S l 指数干湿等级 ! 塑! ! 型堡! ! 旦旦塾! 坐g ! 型! ! 旦旦坠! 型塑! 业! ! ! 璺! ! g 型 i 4 极端湿润 2 一l 轻微干旱 3 4 严重湿润 3 2 中等干旱 2 3中等湿润 4 一3严重干旱 l 2轻微湿润 4极端干旱 1 3 2 统计方法 对于中国气象干旱的时间变化主要采取趋势分析、 突变分析和周期分析，空间变化则采用旋转经验正交函 数( R E O F ) 。本文采用M a n n n - K e n d a l l 法( M - K 法) 1 2 7 - 2 S 对年和四季s c P D S I 值进行突变检测。M K 法是一种非参 数统计检验方法，具有不需要样本遵从一定的分布，不 受少数异常值干扰，检测范围宽广和定量化程度高的优 点。小波分析( c o n t in u o u sw a v e l e tt r a n s f o r m ，C W T ) 2 9 1 是建立在经典的傅里叶分析和窗口傅里叶变换的基础上 发展起，是国际上十分热门的一种周期分析方法。它可 以很好表征时间序列的周期振荡现象，可以提供连续、 平滑的小波能量谱图。 旋转经验正交函数( R E O F ) 1 3 0 是基于经验正交函数 ( e m p ir ic a lo r t h o g o n a lf u n c t io n ，E O F ) ，进一步分析要素 场空间分布的局部区域特征，可更好表现地域差异，同 时反映不同地域的相关分布，将气候要素一致的地区划分 为同一的区域。上述方法的计算步骤详见参考文献 3 1 。 2 结果与分析 2 1 中国干湿变化分析及周期分析 2 1 1 年与四季千湿变化趋势和突变检测 为研究1 9 6 1 - - 2 0 0 9 年中国年、四季的干湿突变情况， 采用M K 法对年和四季的s c P D S I 时间序列进行突变分析 第2 期 王兆礼等：基于改进帕默尔干旱指数的中国气象干旱时空演变分析 1 6 3 ( 图1 ) 。由图1 可知，U F 曲线自2 0 世纪7 0 年代呈上升 趋势，表明整体上中国呈变湿趋势。一直到2 1 世纪初期， 这种变湿趋势超过0 0 5 临界线，表明变湿趋势显著 ( 尸 0 0 5 ) ；但2 0 0 5 年以来，又呈现明显的变干趋势，这 与近几年中国多地频繁发生干旱灾害相吻合。U F 与U B 曲线相交位置可知，1 9 7 1 年为由干变湿的突变点。基于 面积平均的中国春季、夏季、秋季、冬季与年系列的变 化趋势基本一致( 图略) ，均呈显著的变湿趋势，1 9 7 0 年代初期为变湿的突变点，均通过了检验( P 0 0 5 ) 。 ；荔矽 ；W愉1 I u f l 、I u Iq 、I J 矧 I J S jl t 删11 0 。) 52 0 ( I n2 0 0 j ! 川0 7 t j “ r e a l 注：u F 为正序列统计量，U B 为反序列统计量。 N o t e ：U Fr e p r e s e n t st h es t a t is t ic so ff o r w a r ds e q u e n c e ，U Bt h es t a t is t ic so f b a c k w a r ds e q u e n c e 。 图1中国年s c P D S I 指数M K 突变检测图 F ig 1 M a n n K e n d a l lt e s to f a n n u a ls c P D S Ia c r o s sC h in a 2 1 2 年及四季的干湿变化周期分析 为研究干湿序列不同时间尺度的变化特征，使用小 波分析其周期变化特征。由2a 小波功率图可知，在 1 9 6 1 - - 2 0 0 9 年s c P D S I 序列存在2 6 、4 4 、6 2 、1 4 7 和 2 4 8a 的周期，其中2 6 、4 4 和6 2a 的周期通过9 5 的 红噪声检验，6 2 a 为该序列的主周期。在连续小波变换图 中，能量密度的峰值主要集中在1 9 6 0 年代、1 9 8 0 年代到 9 0 年代中期、8 0 年代中期到2 0 0 0 年和1 9 5 0 年代到2 l 世纪初期。其中，1 9 8 0 年代到9 0 年代中期、8 0 年代中 期到2 0 0 0 年分别存在5 8a 和2 3a 的振荡周期，并均 通过红噪声检验，此外1 9 6 0 年代和1 9 8 0 年代到2 l 世纪 初期存在2 4a 和4 8a 的振荡周期，但没有通过红噪 声检验，可知基于面积平均的中国年干湿变化存在2 0 8 0a 的振荡周期。 a W a v e l e tp o w e rs p e c t r u mp o w e rs p e c t r u m 注：图2 a 黑色粗实线内的值表示通过9 5 置信水平的红噪声检验，黑色粗 实线包络显示了C O l ( c o n eo f in f l u e n c e ，表示连续小波变换的数据边缘效应 影响较大的区域) 区域。图2 b 虚线表示9 5 置信水平的红噪声检验曲线， 若实线的峰值超过虚线则表示对应的周期显著。 N o r e ：V a l u eint h eb l a c ks o l idl in er e p r e s e n t st h e9 5 c o n f id e n c el e v e lf o rar e d n o is en u l lh y p o t h e s isinF ig 2 b T h eb l a c ks o l idl in es h o w st h ec o n eo fin f l u e n c e ( C O I ) e n v e l o p ea r e a ( ar e g io no ft h ew a v e l e ts p e c t r u mw h e r ee d g ee f f e c t s b e c o m eim p o r t a n t ) T h eim a g in a r yl in einF ig 2 bd e s ig n a t e st h e9 5 c o n f id e n c e l e v e lf o rar e dn o is en u l lh y p o t h e s is I ft h ep e a kv a l u eo ff u l ll in ee x c e e d st h e im a g in a r yl in eint h ep o w e rm a pt h e nt h ec o r r e s p o n d in gp e r io diss ig I l if ic a n t 图2中国年干湿变化小波分析图 F ig 2 W a v e l e ta n a l y s ism a Do fa v e r a g ea n n u a ld r y w e t c h a n g e sinC h in a 春、秋和冬季干湿变化周期基本一致( 图略) ，均 存在2 6 、6 2 、1 4 7 和2 4 8 a 的周期，其中2 6 和6 2a 的 周期经过红噪声检测，主周期均为6 2a 。夏季存在3 1 、 4 4 、1 4 7 和2 4 8a 的周期，其中3 1 和4 4a 的周期经过 红噪声检测，主周期为4 4a 。四季干湿变化基本一致， 存在2 8a 的振荡周期。 2 2 中国气象干旱时空演变特征分析 2 2 1 R E O F 空间分区 为研究中国干湿变化空间分布规律，对中国4 9a 的 年和四季s c P D S I 值作旋转经验正交函数( R E O F ) 分解， 结果表明：年和四季空间分区基本一致。限于篇幅，本 文仅分析年尺度空间模态，前8 个主分量旋转后的方差 贡献分别为1 4 3 、9 8 、8 6 、7 2 、6 9 、5 5 、 5 1 、4 5 ，累积解释方差贡献占总方差的6 1 9 。 图3 是年s c P D S I 值前8 个R E O F 旋转载荷向量 ( r o t a t e dl o a dv e c t o r ，R L V ) 的空间分布。图3 a 为第1 空 间模态( R E O F l ) ，R L V l 正的高值区位于中国西北部地 区，其中心旋转载荷向量值为0 0 5 5 。图3 b 为第2 空间 模态( R E O F 2 ) ，R L V 2 正的高值区位于东北一内蒙古高 原地区，中心旋转载荷向量值为0 0 5 3 。第3 旋转载荷向 量R L V 3 正的高值区位于黄淮海平原地区，中心旋转载 荷向量值为0 0 6 1 ( 图3 c ) 。图3 d 为第4 空间模态 ( R E O F 4 ) ，R L V 4 负的高值位于青藏高原北部地区，中 心旋转载荷向量值为一0 0 5 7 。第5 空间模态( R E O F 5 ) ， R L V 5 正的高值区位于中国中部地区( 包括四川盆地、汉 中盆地和黄土高原等地区) ，其中心旋转载荷向量值为 0 0 5 5 ( 图3 e ) 。图2 f 为第6 空间模态( R E O F 6 ) ，R L V 6 的高值区位于青藏高原南部地区，其中心旋转载荷向量 值为0 0 6 7 。第7 空间模态( 图3 9 ) ，I 也V 7 的高值区位 于大兴安岭地区，其中心旋转载荷向量值为0 0 6 6 。第8 空间模态( 图3 h ) ，R L V 8 负的高值区位于中国东南地 区，其中心旋转载荷向量值为- 0 0 6 0 。 根据各模态在空间上的高载荷区，将中国划分成8 个干湿特征区域：西北地区、东北一内蒙古高原地区、 黄淮海平原地区、青藏高原北部地区、中部地区、青藏 高原南部地区、大兴安岭地区、东南地区。相邻区域基 本没有重叠，I I O F 分区结果合理地反映了中国地形的实 际情况。 2 2 2 各分区年和四季干湿状况时间演变趋势分析 I I O F 分解得到的旋转主成分( r o t a t e dp r in c ip a l c o m p o n e n t s ，R P C ) 序列实际上反映了各分区干湿状况的 时间变化特征，本文分析8 个分区年和四季干湿状况的 时间变化M K 值，结果见表2 。限于篇幅，本文具体分 析年尺度干湿变化特征。 由表2 可知，西北地区、青藏高原南部地区、大兴 安岭地区和东南地区有变湿趋势，其前两个区变湿趋势 显著( P 0 0 5 ) ；而东北内蒙古高原地区、青藏高原北 部地区、中部地区和黄淮海平原地区呈现出变干趋势， 其中，前3 个分区变干趋势显著( P = 0 0 5 ) ，黄淮海平原 地区变干趋势不明显。此外，西北地区年和四季M - K 值 均大于1 9 6 ，表明全年变湿趋势显著( P 0 0 5 ) ；而中部 0 505050 5 0 5 0 33，一，O O一 竺lsI专ls2三_I暮+t咩至 地区年和四季M K 值均小于一1 9 6 ，全年变干趋势显著 ( 尸 O 0 5 ) 。其他分区干湿变化季节特征较明显，存在一 aR E O F l CR E O F 3 fR E O F 6 定差异性，但大部分地区春季均呈变干趋势，夏季均呈 现变湿趋势。 bR E O F 2 dR E O F 4 g R E O F 7 N 0 05 61 2 0k in eR E O F 5 hR E O F 8 注：R E O F I 8 分别为前8 个旋转载荷向量空间分布；a 曲虚线圈出区域分别代表中国西北地区、东北一内蒙古高原地区、黄淮海平原地区、青藏高原北部地 区、中部地区、青藏高原南部地区、大兴安岭地区和东南地区。 N o t e ：R E O F I 8r e p r e s e n ts p a t ia ld is t r ib u t io n so ff ir s te ig h tR E O F sf o ra n n u a ls c P D S I D o t t e dc ir c l er e g io n sr e p r e s e n tn o r t h w e s tC h in a ，N o r t h e a s t - I n n e rM o n g o l ia p l a t e a ua r e a ，H u a n gH u a i H a ip l a in ，N o r t h e r nT ib e t a nP l a t e a u ，M id d l ea r e a ，S o u t h e r nT ib e tp l a t e a u ，G r e a t e rK h in g a nR a n g ea r e a ，S o u t h e a s tC h in a 图3 前8 个R E O F 的旋转载荷向量空间分布 F ig _ 3S p a t ia ld is t r ib u t io n so fr o t a t e dl o a dv e c t o ro ff ir s te ig h tR E O F s 表2 中国各分区年和四季千湿变化M K 值 T a b l e2M Kt r e n dt e s to fa v e r a g ea n n u a la n ds e a s o nd r y w e tc h a n g e sinC h in a 第2 期 王兆礼等：基于改进帕默尔干旱指数的中国气象干旱时空演变分析 1 6 5 2 2 3 各分区年干湿变化周期 为了进一步探索中国4 9a 来不同区域干湿的年际及年 代际变化特征。采用小波分析方法研究前8 个空间模态的 干湿状况( 即旋转主成分r o t a t e dp r in c ip a lc o m p o n e n t s ， R P C ) 的周期特征( 图4 ) 。由图4 可知，不同分区干湿 变化的时间尺度分布不均匀，各分区具有2 9a 的振荡周 期，且具有明显的局部化特征，干湿变化具有区域差异性。 西北地区( 图4 a ) 1 9 9 3 - - 2 0 0 5 年存在3 5 a 振荡周期， 1 9 9 7 - - 2 0 0 9 年存在6 9a 振荡周期。由图4 b 可知，东北 一内蒙古高原地区1 9 8 2 - - 2 0 0 9 年存在3 9a 的振荡周期。 专。2 i 8 冀 年份Y e a r a 西北地区 aN o r t h w e s tC h in a 萋l | 陲 互3 2 l = 二三兰苎兰苎竺三= 二：= 艘擀簿薛拱萨 ；f 价Y c a l 。 c j _ ：地R e M id d ieC h iil a = 詈j 58 冀 b 东北一内蒙古高原区 bN o r t h e a s t - in n e rm o n g o l iap l a t e a ua r e a ； 善8 星1 6 主3 2 专。2 58 冀 在黄淮海平原地区1 9 6 1 1 9 6 9 年存在4 8a 的周期， 1 9 8 7 1 9 9 4 存在4 6 年的周期( 图4 c ) 。青藏高原北部 地区( 图4 d ) 1 9 6 1 1 9 6 7 年存在2 5a 的周期，1 9 8 1 1 9 8 8 存在6 7a 的周期。在中部地区( 图4 e ) ，3 6a 的周期大约出现在1 9 6 1 1 9 7 0 年，1 9 7 0 年至2 0 0 9 年存在 6 8a 的周期。由图4 f 可知，青藏高原南部地区1 9 7 3 1 9 8 4 年存在3 4a 的周期，1 9 8 0 - - 2 0 0 3 年存在8 1 0a 的周期。大兴安岭地区( 图4 9 ) 仅在1 9 7 7 - - 1 9 9 4 年存在 3 8a 的周期。在东南地区( 图4 h ) ，1 9 6 8 1 9 7 7 出现2 4a 的振荡周期，1 9 9 4 - - 2 0 0 5 年出现4 6a 的振荡周期。 e 黄淮海平原地区 cH u a n gh u a ih a ip l a in 薛艚簿对斛萨 午fY e a r g 大兴安岭地 gG r e a t e rk h in g a nt a n g ea r e a 2 暑4 声8 蚕1 6 銎3 2 年份Y e a r d 青藏高原北部地区 dN o r t h e r nt ib e t a np l a t e a u 薜或辞薛最忒斛萨 年份Y e a r 1 1 尔南地区 1 1S o u t h e a s tC h in a 图4R E O F 分解的8 个旋转主成分小波分析 F ig 4 C o n t in u o u sw a v e l e tt r a n s f o r mo fa n n u a lr o t a t e dP Cs e r ie s 2 3 与大尺度环流的关系 相关研究表明，中国地处亚洲季风区，容易受各种 大气环流的影响【3 2 - 3 5 。但有关大尺度大气环流指标对中 国干旱的演变是否有影响的研究还较薄弱，故本文用年 s c P D S I 值及各分区旋转主成分( R P C ) 与大气环流因子做 相关分析( 表3 ) ，识别可能影响中国干旱的大气环流因子。 表3 全国和各分区s c P D S I 与大气环流指数的关系 T a b l e3C o r r e l a t io nb e t w e e ns c P D S Ia n dc ir c u l a t io nin d ic e so fs u b r e g io na n dw h o l eC O U R t l y 瘫j 亚洲面积极涡指数，A P V A ：北美极涡面积指数，N A P V A ；北半球极涡面积指数，V P A ：亚洲极涡强度指数，V P A S ：印度洋偶极子，I O D ；太平洋涛动， P D O 。表示通过0 0 5 可信度检验。 N o t e ：I n d e xo ft h ea r e ao ft h ep o l a rv o r t e xint h eA s ia , A P V A ；I n d e xo ft h ea r e ao ft h ep o l a rv o r t e xint h en o r t hA m e r ic a n ，N A P V A ；I n d e xo ft h ea r e ao ft h en o r t h e r n h e m is p h e r ep o l a rv o r t e x ，V P A ；I n d e xo ft h es t r e n g t ho ft h ep o l a rv o r t e xint h eA s ia ，V P A S ；I n d ia nO c e a nD ip o l e ，I O D ；P a c if icO s c il l a t io n ，P D O + r e p r e s e n t s s ig n if ic a n tc o r r e l a t io n s 由表3 可知，极涡指数跟年均s c P D S I 值密切相关， 当极涡指数低值时，s c P D S I 值较大。西北地区不仅受极 涡指数影响，也受印度洋偶极子( I O D ) 和太平洋涛动 ( P D O ) 影响，与其呈正相关趋势。I O D 与东北一内蒙古 高原地区呈负相关关系。黄淮海平原地区P D O 呈负相关 关系。青藏高原北部地区与极涡指数呈正相关关系，但 与I O D 呈负相关关系。中部地区受北美、亚洲极涡面积 指数影响，与其呈正相关关系，但与I O D 呈负相关关系。 极涡指数与青藏高原南部地区呈负相关关系，I O D 与青 藏高原南部地区呈正相关关系。北半球极涡面积指数与 大兴安岭地区呈负相关关系，亚洲极涡强度指数与东南 地区呈正相关关系。 以上相关分析表明，极涡指数与中国大部分地区气 象干旱有较好相关性。前人众多研究结果认为极涡与中 z 峙 密出2 O 之。 温婴_ - - j e 零 鍪 1 6 6 农业工程学报( h t t p ：w w w t c s a e o r g ) 2 0 1 6 年 国不少区域降水、气温有一定的联系。例如，极涡指数 与后期中国气温呈负相关，在春季，若太平洋区极涡面 积异常大，亚洲区极涡面积、北美区极涡面积强度异常 弱，长江、黄河之间中游地区的降水出现负距平，广东、 福建沿海降水出现正距平 3 6 - 3 7 】。印度洋偶极子与中国部 分地区降雨密切相关，如I O D 指数为正位相时，华北及 江淮流域夏季干旱少雨，而华南沿海地区为多雨带。此 外云南、河套地区北部、东北北部也为正的降水距平区。 当印度洋偶极指数为负位相，夏季南北地区多雨而长江 流域少耐3 8 】。北半球冬季I O D 正异常峰值后一年春季欧 亚中高纬度地区呈显著的负欧亚太平洋型遥相关，长江 以北( 特别是黄河中上游地区) 大部分地区持续多雨， 反之，中国东部大部分地区降雨偏少，容易发生大范围 干旱。太平洋涛动是影响中国降雨的另一重要因素【3 9 】。 亚洲一太平洋涛动指数可很好指示中国东部水变化。当 P D O 指数偏高时，长江以北和以南、南亚地区的降水增 加，而长江流域的降水减少 4 0 1 。 3 讨论 论文应用s c P D S IP M 指数研究表明，中国年和四季 变湿趋势均显著且存在2 8a 的振荡周期，该结论有别 于前人 1 1 - 1 9 1 的研究结论。究其原因主要是采用P M 公式计 算蒸散发所导致。已有的研究多采用桑斯维特 ( T h o m t h w a it e ，T h ) 算法计算蒸发量，其在中国的效用 是值得怀疑的【4 1 1 ，用T h 算法评估干旱的结果很可能会被 夸大u 川。而P e n m a n M o n t e it h ( P M ) 算法考虑了辐射因 素、风速等因素，这可以更加精确地评估干旱【l0 1 。Z h e n g 等 4 2 】研究表明风速、太阳辐射和湿度对中国地区的蒸发 量有较大影响。而由于辐射、水汽压差以及( 或者) 风 速的减小，可能最终导致蒸发的减弱 1 0 】。C h e n 等用P M 算法计算中国1 9 5 6 - - 2 0 0 5 年的蒸发量，发现蒸发量显著 减少。然而，由于气温的显著增加，采用1 1 1 公式计算得 到的潜在蒸发量大都呈增加趋势 1 0 , 1 7 , 4 1 】。因而，在中国大 部分地区蒸发量减少的背景下，s c P D S I 指数采用P M 算 法计算蒸发量，这可能使得s c P D S IP M 值更加准确，在 此基础上得出的相关研究结论可能更接于实际情况。后 续的研究可借鉴N a t u r e 期刊讨论全球干旱变化趋势研究 的思路与方法弘。o 】，深入探讨T h 与P M 公式以及不同数 据源降水数据对中国气象干旱变化趋势分析的影响。 4 结论 根据中国1 9 6 1 - - 2 0 0 9 年间高空间分辨率( 0 5 0 0 5 0 ) s c P D S IP M ( s e l f - c a l ib r a t in gp a l m e rd r o u g h ts e v e r it yin d e x b a s e do nP e n m a n M o n t e it h ) 数据集，M a n n K e n d a l l 法、 小波分析和旋转经验正交函数( r o t a t e de m p ir ic a lo r t h o g o n a l f u n c t io n ，R E O F ) 等方法对中国气象干旱时空演变分析， 并探讨了干旱与大气环流因子的关系，得到如下结论。 1 ) 在1 9 6 1 - - 2 0 0 9 年间，整体上中国年和四季变湿 趋势均显著( P 0 0 5 ) ，且均于2 0 世纪7 0 年代初期发生 了突变。周期分析表明，年和四季的周期基本一致，年 干湿变化存在2 6 、4 4 和6 2a 的周期，其中主周期为 6 2a ，春、秋、冬季有2 6 和6 2a 的周期，主周期为6 2a ， 夏季主周期为4 4 a ：年和四季均存在2 8a 的振荡周期。 2 ) 根据前8 个R E O F 空间模态，将中国划分为8 个 干湿特征区：西北地区、东北一内蒙古高原地区、黄淮 平原地区、青藏高原北部地区、中部地区、青藏高原南 部地区、大兴安岭地区、东南地区。R E O F 分区结果较好 表现了地域特征，客观反映了中国干旱分区实际情况。 各分区年干湿时间演变趋势分析表明：西北地区、青藏 高原南部地区、大兴安岭地区和东南地区呈变湿趋势； 其中前两个区变湿趋势显著( P 0 0 5 ) ；东北一内蒙古高 原区、青藏高原北部地区、中部地区和黄淮平原区呈现 出变干趋势，其中前3 个区年变干趋势显著；8 个分区所 处地理位置不同，受各种气候因素影响存在差异，但干 湿变化普遍存在2 9a 的振荡周期。 3 ) 极涡指数与中国大部分地区气象干旱有较好相关 性；西北地区干湿变化可能受极涡、印度洋偶极子( in d ia n o c e a nd ip o l e ，I O D ) 和太平洋涛动( p a c if ico s c il l a t io n ， P D O ) 影响；东北一内蒙古高原区、青藏高原和中部地 区( 包括四川盆地、汉中盆地和黄土高原等地区) 干湿 变化受I O D 影响显著；P D O 与黄淮海平原地区干旱呈负 相关关系。 参考文献 1 A s h o kKM ，V ij a yPS D r o u g h t m o d e l in g - ar e v ie w J J o u m a lo f H y d r o l o g y ，2 0 11 ，4 0 3 ：1 5 7 1 7 5 2 】 S t e v e nM Q ，T im o t h yNP A ne v a l u a t io no fa g r ic u l t u r a l d r o u g h tin d ic e sf o rt h eC a n a d ia np r a ir ie s J A g r ic u l t u r a la n d F o r e s tM e t e o r o l o g y ，2 0 0 3 ，11 8 ：4 9 6 2 【3 L iuZ h iy o n g ，Z h o uP in g , Z h a n gF a n g q iu ，e ta 1 S p a t io t e m p o r a l c h a r a c t e r is t ic so fd r