黔東南干旱的時空特征分析及其氣候區(qū)劃

楊 帆，陳 波，余代輝，張 超

(1.貴州省黔東南自治州氣象局，貴州 凱里 556000；2.貴州省黔南自治州氣象局，貴州 都勻 558000)

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黔東南干旱的時空特征分析及其氣候區(qū)劃

楊 帆1，陳 波2，余代輝1，張 超1

(1.貴州省黔東南自治州氣象局，貴州 凱里 556000；2.貴州省黔南自治州氣象局，貴州 都勻 558000)

利用黔東南1981—2012年16個縣市的干旱受災(zāi)數(shù)據(jù)，通過主成分分析和旋轉(zhuǎn)主成分分析方法對黔東南農(nóng)業(yè)氣象干旱進(jìn)行分析。結(jié)果表明：黔東南農(nóng)業(yè)氣象干旱在空間上表現(xiàn)為較高的整體一致性，州中西部與其余地區(qū)，州南部與州北部具有反向變化的特征。32 a來，黔東南干旱總體呈加重趨勢，其中2010—2011年發(fā)生了極端干旱事件，中西部與其余地區(qū)因干旱導(dǎo)致的受災(zāi)強(qiáng)度反向變化特征呈微弱下降的趨勢，而南北反位相變化特征越發(fā)突出。黔東南農(nóng)業(yè)氣候干旱可以劃分為3個明顯的相關(guān)區(qū)域，分別為黔東南西北部、東北部以及中南部，州東北部及中南部總體而言干旱呈加重的趨勢，而州西北部干旱呈緩解趨勢，其中干旱年際變率最大的是中南部。

干旱；主成分分析；旋轉(zhuǎn)主成分分析；氣候區(qū)劃

1 引言

在貴州，氣象災(zāi)害給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的損失占各種自然災(zāi)害的80%以上[1]。20世紀(jì)，谷曉平等[2]在對農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險研究時就已提出干旱是貴州省影響最大、波及面積最廣的氣象災(zāi)害，隨后，蘇躍等[3-4]通過分析1950—2003年貴州災(zāi)害資料，也進(jìn)一步證明了這一點。黔東南苗族侗族自治州(以下簡稱黔東南)位于貴州省東南部，地處云貴高原向湘桂丘陵盆地的過渡地帶，地勢西高東低，山地、丘陵相間，使得境內(nèi)干旱具有錯綜復(fù)雜的特點。目前已有學(xué)者從氣象干旱的角度出發(fā)研究黔東南干旱，如顧欣等[5-6]統(tǒng)計1961—2009年黔東南四季最大連續(xù)無雨日數(shù)，用各季節(jié)極端干期日數(shù)來討論黔東南干旱，結(jié)果表明黔東南各季節(jié)極端干期日數(shù)最多出現(xiàn)在秋季，并且時空分布存在差異大，在大尺度天氣系統(tǒng)控制下，各季節(jié)極端干期日數(shù)事件的步調(diào)基本一致，而中東部發(fā)生異常的頻次較高。本文利用黔東南州民政局提供的數(shù)據(jù)，主要從干旱導(dǎo)致的實際受災(zāi)面積出發(fā)，分析研究黔東南干旱的時空分布特征，并進(jìn)行干旱氣候區(qū)劃，以期為后期確定區(qū)域化的干旱監(jiān)測指數(shù)提供一定的參考。

2 資料與方法

利用黔東南州民政局提供的1981—2012年境內(nèi)16個縣市的干旱災(zāi)情數(shù)據(jù)，計算各縣市的逐年干旱受災(zāi)率序列，計算方法為：干旱受災(zāi)率=(干旱受災(zāi)面積/播種面積)×100%，其中受災(zāi)面積是指因自然災(zāi)害破壞力而遭受損失的農(nóng)作物播種面積。對標(biāo)準(zhǔn)化的干旱受災(zāi)率進(jìn)行主成分(EOF)和旋轉(zhuǎn)主成分(REOF)[7]分析，并用North等[8]提出的計算特征值誤差范圍的方法進(jìn)行顯著性檢驗，分析黔東南農(nóng)業(yè)干旱的時空分布特征，進(jìn)一步得出合理的干旱氣候區(qū)劃。

3 黔東南干旱的時空分布特征

3.1 黔東南干旱空間分布

對黔東南干旱受災(zāi)率用主成分(EOF)分析，各主成分的個別方差貢獻(xiàn)率以及相應(yīng)的累積方差如表1所示。從結(jié)果看出，收斂比較快，其中第 1主成分所占的方差比例最大為73.93%，主成分的方差所占比例依次遞減，從第7主成分開始，方差貢獻(xiàn)率<2%。為保證EOF分解的可靠性，進(jìn)一步用North等提出的方法進(jìn)行顯著性檢驗，結(jié)果為前3個EOF特征向量滿足要求，表明這3個共同解釋了84.31%總方差的主成分已經(jīng)能夠較好地表征黔東南干旱受災(zāi)率的空間分布特征。

圖1為黔東南年尺度的干旱受災(zāi)率進(jìn)行EOF 分解后的前3個載荷向量的空間分布圖。第一載荷向量場上(圖1a)，整個黔東南區(qū)域為一致的正值分布，這表明實際的干旱從空間異常上來講，具有很好的一致性，說明黔東南干旱一般受天氣尺度的系統(tǒng)影響，表現(xiàn)為一致的干旱或濕潤，這是黔東南旱澇異常的第一氣候特征。進(jìn)一步可以看出，載荷向量最大值為州中南部的劍河與黎平為0.28，這2個縣即是黔東南旱澇異常最敏感的區(qū)域，其次為榕江0.27。

第2載荷向量場(圖1b) 表現(xiàn)為黔東南中西部明顯與其余地區(qū)反向變化的特征，具體來說，麻江、丹寨、雷山、凱里、黃平為正值區(qū)，最大值為麻江0.79，劍河、黎平為0，其余縣為負(fù)值，最小負(fù)值為從江-0.18。主要原因是受滇黔靜止鋒影響，由于黔東南西高東低地形，當(dāng)受東北路徑冷空氣影響時，冷空氣在西進(jìn)的過程中，白天受山脈阻擋，常使得鋒后降水比鋒前明顯，而夜間冷空氣勢力強(qiáng)盛，靜止活躍鋒生并向西移動，雨區(qū)才會向西擴(kuò)展。此載荷向量的方差貢獻(xiàn)率為6.18%。

第3載荷向量場(圖1c)基本表現(xiàn)為南北反位相的特征，北部麻江、黃平、鎮(zhèn)遠(yuǎn)、岑鞏、三穗、天柱、臺江為負(fù)值，其余為正值。這可能與冷空氣分別以東北路徑和西部路徑同時夾擊影響有關(guān)。此載荷向量的方差貢獻(xiàn)率為4.20%。

圖1 黔東南年尺度的干旱受災(zāi)率進(jìn)行EOF 分解后的第1(a)、 第2(b)、 第3(c)載荷向量場

3.2 黔東南干旱時間變化特征

為了解黔東南干旱的時間變化特征，對黔東南干旱受災(zāi)率的前3個載荷向量場對應(yīng)的時間系數(shù)曲線進(jìn)行線性趨勢及六階擬合分析，如圖2所示。

第1時間系數(shù)(圖 2a)線性趨勢總體呈上升趨勢，傾向率為0.4/10 a，結(jié)合圖 1a分析，表明 1981—2012年黔東南干旱整體來講，呈加重趨勢。由時間系數(shù)的六階擬合曲線反映出，20世紀(jì)80年代直至20世紀(jì)末，第1時間系數(shù)在波動中緩慢下降，而后開始明顯上升。從系數(shù)序列曲線看出，2011年為時間系數(shù)序列的正極值年，2010年為次正極值年，結(jié)合圖1a反映出2010—2011連續(xù)2 a全州出現(xiàn)了極端干旱事件。

圖2 黔東南干旱受災(zāi)率的第1(a)、第2(b)、第3(c)載荷向量場對應(yīng)的時間系數(shù)、線性趨勢及六階擬合曲線

第2時間系數(shù)(圖 2b)線性趨勢呈微弱的下降趨勢，傾向率僅為-0.08/10 a，說明黔東南中西部與其余地區(qū)因干旱導(dǎo)致的受災(zāi)強(qiáng)度呈反向變化的特征呈微弱下降的趨勢。由六階擬合曲線反映出，時間系數(shù)在20世紀(jì)80—90年代中期呈緩慢上升的趨勢，接著直至2005年明顯下降，近幾年又明顯上升。在這一系數(shù)序列中，1998是最大正值年，2003為負(fù)極值年。

第3時間系數(shù)(圖 2c)線性趨勢總體呈上升趨勢，傾向率為0.36/10 a。結(jié)合圖1c可知，黔東南旱澇異常南北反位相變化的特征呈上升的趨勢。由六階擬合曲線呈多波動型的特點， 2011年為正極值年，1989年為負(fù)極值年。

4 黔東南干旱氣候區(qū)劃及各干旱區(qū)年際變化特點

4.1 黔東南干旱氣候區(qū)劃

3.1討論的是黔東南干旱總體空間異常結(jié)構(gòu)，可以看出黔東南農(nóng)業(yè)氣象干旱在空間上表現(xiàn)為較高的整體一致性，但州中西部與其余地區(qū)，州南部與州北部具有反向變化的特征。為進(jìn)一步突出境內(nèi)各地域的干旱氣候變化特征，在主成分分析的基礎(chǔ)上對前3個主成分及對應(yīng)的載荷向量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后的結(jié)果如圖3所示。

圖3 黔東南年尺度的干旱受災(zāi)率在EOF基礎(chǔ)上取前3向量進(jìn)行REOF 旋轉(zhuǎn)后的第1(a)、第2(b)、第3(c)載荷向量

取旋轉(zhuǎn)后載荷向量元素值絕對值>0.30(通過α0.01的顯著性檢驗)的區(qū)域來劃分主要干旱的地域相關(guān)區(qū)域，由此3個旋轉(zhuǎn)載荷向量場來確定黔東南干旱的3個主要空間異常相關(guān)區(qū)域如下圖4所示。

圖4 黔東南干旱相關(guān)區(qū)域圖

Ⅰ區(qū)：州東北部，中心在三穗，中心旋轉(zhuǎn)載荷向量值為0.78(圖3a)，包括錦屏、天柱、三穗、鎮(zhèn)遠(yuǎn)、岑鞏。前面已經(jīng)討論過，黔東南地形總體而言西高東底，當(dāng)冷空氣從東北路徑影響黔東南時，會受地形阻擋使得冷空氣西進(jìn)受阻，進(jìn)而使得鋒后即州東北部降水較鋒前明顯，使得Ⅰ區(qū)干旱特征有別于另兩個區(qū)域，這與引言部分提到的顧欣[5]等的結(jié)論比較接近。

Ⅱ區(qū)：州西北部，中心為麻江，中心旋轉(zhuǎn)載荷向量值為正的0.96(圖3b)，包括臺江、凱里、麻江、黃平、施秉。當(dāng)西風(fēng)帶低槽自西北向東南移動的過程中，受黔東南中部雷公山阻擋抬升，州西北部屬于西風(fēng)帶系統(tǒng)的迎風(fēng)坡，地形抬升作用會加強(qiáng)西風(fēng)帶系統(tǒng)帶來的降水，而Ⅰ區(qū)卻大都屬于西風(fēng)帶系統(tǒng)的背風(fēng)坡，故這兩個區(qū)域，也就具有了不同的干旱特征。

Ⅲ區(qū)：州中南部，中心在雷山，中心旋轉(zhuǎn)載荷向量值為-0.82(圖3c)，包括從江、榕江、丹寨、黎平、雷山、劍河。前面在討論EOF分解第1載荷向量時已經(jīng)提到，以劍河、黎平為代表，Ⅲ區(qū)是黔東南旱澇異常最敏感的區(qū)域，黔東南屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，也即是說這里是黔東南受季風(fēng)影響最大的區(qū)域。參考文獻(xiàn)[9]，受雷公山阻擋，Ⅲ區(qū)是南支系統(tǒng)的迎風(fēng)坡，同樣地形抬升作用會加劇南支系統(tǒng)系所帶來的降水，使得這里的干旱特征與Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)有較大區(qū)別。

4.2 黔東南各干旱區(qū)干旱年際變化特點

圖5為4.1中所劃分的3個干旱氣候區(qū)的干旱受災(zāi)率的變化曲線及其對應(yīng)的線性趨勢和六階擬合線，從中可看出，Ⅰ區(qū)、Ⅲ區(qū)總體而言干旱呈加重的趨勢，其線性傾向率分別為0.01/10 a與0.029/10 a，而Ⅱ區(qū)受旱程度則在緩慢下降，傾向率為-0.001/10 a。從六階擬合線來看變化情況，變率最大的是Ⅲ區(qū)，其次是Ⅰ區(qū)，Ⅱ區(qū)最小。

圖5 1981—2012年黔東南I區(qū)(a)、II區(qū)(b)、III區(qū)(c)干旱受災(zāi)率的曲線、線性趨勢及六階擬合曲線

5 結(jié)論

①黔東南干旱的空間分布具有較高的一致性，其第1主成分方差貢獻(xiàn)占總體方差的73.93%。由于地理位置、地形、冷空氣入侵路徑、天氣系統(tǒng)等的影響引起干旱變化的空間分布差異，主要表現(xiàn)為州中西部明顯與其余地區(qū)反向變化以及南北反位相變化的特征，分別占總體方差的6.18%與4.20%。

②1981—2012年黔東南干旱整體呈加重趨勢，其中2010—2011年全州出現(xiàn)了極端干旱事件。黔東南中西部與其余地區(qū)因干旱導(dǎo)致的受災(zāi)強(qiáng)度呈反向變化的特征呈微弱下降的趨勢；旱澇異常南北反位相變化的特征呈趨于明顯的趨勢。

③根據(jù)旋轉(zhuǎn)主分量載荷向量的分布及其間的相關(guān)性，大致可將黔東南干旱劃分為3個基本相關(guān)的區(qū)域，即黔東南東北部、西北部以及中南部。州東北部及中南部總體而言干旱呈加重的趨勢，而州西北部干旱呈緩解趨勢，其中干旱年際變率最大的是中南部。

[1] 許炳南.貴州主要農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害及其防御對策[J].災(zāi)害學(xué)，2000，15(3)：61-66.

[2] 谷曉平，吳俊銘，武文輝.貴州省農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險研究[J].貴州氣象，1997，4(21)：3- 6.

[3] 廖婧琳，蘇躍，馮澤蔚，等.54年來農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害對貴州農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的影響分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(25)：11 114-11 117.

[4] 蘇躍，廖婧琳，馮澤蔚，等.54年來貴州旱災(zāi)及其對糧食生產(chǎn)的影響[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(1)：51-53.

[5] 顧欣，楊邵洪，閔新平，等.黔東南地區(qū)各季節(jié)極端干期的變化特征分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2011，32(2)：296-302.

[6] 顧欣，楊邵洪，黃大衛(wèi)，等.黔東南地區(qū)各季節(jié)極端干期日數(shù)的時空分布特征[J].高原氣象，2012，31(2)：463-469.

[7] 李躍清.相空間EOF方法極其在氣候診斷中的應(yīng)用[J].高原氣象，2001，20(1)：88-93.

[8]NORTH J R，BELL T，CAHALAN R，et al.Sampling errors in the estimation of empirical orthogonal function[J].Mon Wea Rev，1982，110：699-706.

[9] 顧欣，田楠，潘平珍.黔東南暴雨氣候特征及其地形影響[J].氣象科技，2006，34(4)：441-445.

2015-04-17

楊帆(1986—)，女，助工，主要從事短期天氣預(yù)報工作。

新的氣象干旱綜合檢測指標(biāo)(MCI)在黔東南本地化應(yīng)用研究(黔氣科合 QN[2014]18號)。

1003-6598(2015)06-0046-04

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