海溫震蕩對區(qū)域旱澇災害的敏感性研究
——以中國浙江省為例

張曉玲，李棟梁，于文金，黃亦露

(南京信息工程大學，江蘇 南京 210044)

海溫震蕩對區(qū)域旱澇災害的敏感性研究
——以中國浙江省為例

張曉玲，李棟梁，于文金，黃亦露

(南京信息工程大學，江蘇 南京 210044)

采用ECHAM5氣候模式、Z指數(shù)、SVD分析等方法，探討海溫震蕩與浙江省春季旱澇特征之間的關聯(lián)性，并對其敏感性進行了研究。結果顯示：①浙江省春季旱澇在1990年代初到21世紀初存在一個顯著的3～4年周期的特征;②全區(qū)域氣候分東、西兩個主要的分布型，且與其余地區(qū)反向分布。分為三個旱澇異常顯著區(qū)：平湖-慈溪帶，洪家-玉環(huán)帶，衢州帶；③浙江省春季旱澇與前期冬季北大西洋、中東太平洋、孟加拉灣、南海海域、北印度洋海溫存在著顯著負相關關系，其中，孟加拉灣負相關表現(xiàn)最顯著；浙江旱澇事件與太平洋西南-東北走向狹長海域(120°E～120°W，0°～30°N)前期冬季海溫呈顯著正相關關系，與該海域同期海溫存在顯著的負相關；④將前冬季的NINO3、NINO4、NINO3.4、IOD指數(shù)分別作對浙江省春季旱澇的相關分析，NINO3指數(shù)對浙江西北部影響更大，表明當前期冬季EP型ENSO發(fā)生時浙江省北部會產生較為嚴重的旱澇天氣?？梢詳喽?，太平洋西南-東北走向狹長海域[120°E～120°W,0°～30°N]前期冬季海溫的異常震蕩是浙江旱澇的重要控制因子。

ENSO；海溫震蕩區(qū)；海溫異常；旱澇災害；敏感性；浙江

在全球變暖的背景下，極端氣候事件頻繁發(fā)生，旱澇災害作為主要自然災害，成為國內外學者研究的熱點問題[1-4]。我國幅員遼闊，常年受到各種自然災害的侵擾，在眾多自然災害類型中，旱澇災害屬于發(fā)生頻率最高危害最大的兩種自然災害[5]。浙江省季風氣候顯著，四季分明，雨熱季節(jié)變化同步，豐富的氣候資源優(yōu)勢交織著頻繁的氣象災害，目前的研究主要集中在區(qū)域夏季、秋季旱澇的規(guī)律特征，區(qū)域旱澇災害對全球變暖響應的趨勢性研究等方面[6-10]，關于區(qū)域旱澇控制因子以及旱澇內在觸發(fā)機制等研究較少，氣候變化與區(qū)域極端天氣災害之間的響應關系尚不清晰。本文探討了浙江省旱澇特征與海溫動蕩之間的關聯(lián)性，并利對結果敏感性進行驗證，探尋區(qū)域氣候災害的控制性因子，以便為區(qū)域氣候異常災害預測提供有益的物理依據(jù)，為浙江省的防災減災提供科技支持。

1 資料和方法

1.1 資料來源和處理

本文資料來源于中國氣象局國家氣象信息中心，共選取了浙江省14站，研究時段為1981-2010年，各站點分布圖如圖1所示；英國Hadley中心1980-2009年時間段1°×1°的月平均海溫資料；美國國家環(huán)境預報中心/大氣研究中心(NCEP/NCAR)的逐月再分析資料，主要是2.5°×2.5°的全球范圍網(wǎng)格點的風場；氣候模式采用德國馬普氣象研究所提供的ECHAM5模式，輸出同期降水量月數(shù)據(jù)(1981年1月-2010年12月)，該模式同時耦合海冰和陸面過程模式，其中大氣模式采用T63的網(wǎng)格，水平網(wǎng)格分辨率為1.875°×1.875°，垂直分31層，并且更新了可預報的氣溶膠模塊，對云層覆蓋重新進行了參數(shù)化過程，提高了對降水過程的模擬能力[11]，研究表明[12]，ECHAM5可以更好地把握降水量的年際變率和降水量的季節(jié)內分配模擬。

圖1 浙江省站點分布圖

1.2 研究方法

1.2.1 Z指數(shù)

旱澇Z指數(shù)的前提是要假設降水量服從PersonⅢ型分布[13-16]，其概率密度函數(shù)為：

(1)

通過對降水量序列進行正態(tài)處理之后，可將上述概率密度函數(shù)PersonⅢ型分布轉換為以Z為變量的標準正態(tài)分布，其轉換公式：

(2)

式中：Cs為偏態(tài)系數(shù)，Φi為標準變量。

根據(jù)Z變量的正態(tài)分布曲線，劃分為7個等級，并確定其相應的Z界限值，作為各級旱澇指標(表1)。

表1 旱澇Z指數(shù)分類

1.2.2EOF和REOF

EOF分析也叫做經驗正交函數(shù)分解，最早是由英國的生物學家Person在1902年提出[17]，Lorena于1950年代中期將這種研究方法引入到大氣科學的研究中，由于計算條件的限制，直至1970年代初才開始在我國氣候研究中運用。EOF基本原理是：將某氣候變量場的觀測資料以矩陣形式給出，則其可看成為空間函數(shù)和時間函數(shù)兩部分的線性組合：與空間有關的部分由正交函數(shù)組成，稱為特征向量；與時間有關的部分表示各正交函數(shù)隨時間的變化，稱為時間系數(shù)。過程可以寫成：

Fm×n=Tm×nXm×n。

(3)

式中：Fm×n是原氣象場，m為時間序列的長度，n為測站數(shù)。Tm×n是時間系數(shù)矩陣；Xm×n矩陣由特征向量組成。

EOF方法的局限性在于它往往不能清晰地表達不同地理區(qū)域的特征，得到的前幾個空間模型一般是相同的分布，而旋轉主成分分析(REOF)主要用于表現(xiàn)空間的相關性分布結構，是在EOF分析結果的基礎上再做旋轉，REOF方法用來做氣候區(qū)劃，可以反映不同地域的氣象要素分布差異。

1.2.3SVD分析

奇異值分解(SVD)是用于分析兩個氣象要素場序列之間的重要診斷工具，以兩個場之間的最大協(xié)方差為基礎的展開，在研究兩個要素場序列之間時空關系時是一個有力的工具。具體方法為：設有兩個變量場，分別為左場和右場，其中記左場為X(t)，由p個空間點構成，樣本量為n，記右場為Y(t)，由p1個空間點構成，樣本容量也為n，左右場中元素均經過標準化處理：

X(t)=(x1(t),x2(t),…xp1(t))T；

(4)

Y(t)=(y1(t),y2(t),…yp2(t))T。

(5)

兩氣象場之間的交叉協(xié)方差陣為：

Cxy=。

(6)

式中：符號<>表示平均，YT(t)表示矩陣的轉置。

尋找兩個變量場的線性組合，即分別由左、右氣象場構造兩組新矩陣：

(7)

(8)

SVD相當于將左，右氣象場分解成左，右奇異向量的線性和，每一對奇異向量和相應的時間系數(shù)確定了一對SVD模態(tài)。

前k個模態(tài)的累計平方協(xié)方差貢獻百分率為：

(9)

奇異值按降序排列，即=max，第1模態(tài)對交叉協(xié)方差的貢獻率最大，其余第2，第3，…，依次遞減。

定義每對奇異向量的時間系數(shù)之間的相關系數(shù)如下：

(10)

第k個模態(tài)異類相關系數(shù)分布性表示第k個左(右)場的展開系數(shù)所反映的右(左)氣象場時間變化程度大小的分布，顯著相關區(qū)則代表了兩變量場相互作用的關鍵區(qū)域，同類相關系數(shù)的分布則反映了展開系數(shù)序列自身氣象場時間變化程度大小的地理分布，在一定程度上代表了兩變量場的遙相關性。

2 結論與分析

2.1 浙江省春季旱澇時空分布特征

通過對浙江省區(qū)域內14個代表站1981-2010年逐月降水資料計算Z指數(shù)，得出各站每年的旱澇Z指數(shù)序列，將序列進行站點平均可得到每年的旱澇Z指數(shù)序列，將此序列進行小波分析，浙江省多年來春季旱澇Z指數(shù)時間序列的小波功率如圖1所示，浙江春季旱澇情況在整個時間段上存在多個尺度的周期，其中在1990年代初到21世紀初存在一個顯著的3～4年周期的特征。

圖2 春季旱澇Z指數(shù)的Morlet小波功率譜分析結果(陰影部分表示在90%置信度統(tǒng)計下顯著，點陰影區(qū)是小波變換受邊界影響的區(qū)域)

通過對各站每年的旱澇Z指數(shù)序列采取標準化處理之后，進行EOF分析，得到各個主成分如表2所示，第一模態(tài)方差貢獻最大，達到77%，第二模態(tài)方差貢獻迅速減小，其中前兩個主成分的累積方差貢獻達到88.1%，最能代表浙江省30年以來旱澇變化特征的分布場，因而給出前兩個模態(tài)所對應的特征場(圖3)。

表2 春季旱澇EOF和REOF的前5個模態(tài)的方差貢獻

圖3 春季旱澇Z指數(shù)EOF分析的前兩個模態(tài)

第一模態(tài)分布呈西部和東部與其余地區(qū)反向分布的特點，大值中心出現(xiàn)在浙江的北部和南部地區(qū)，等值線由南北向中間減小，總體呈南北向緯向地帶性分布，高值中心位置位于麗水一帶，說明此區(qū)域是旱澇變率最大的地區(qū)，較易發(fā)生旱澇。第二模態(tài)春季旱澇分布整體全區(qū)一致，表明全省旱澇變化是一致的，普遍偏旱或者普遍偏澇，即全區(qū)一致的旱澇分布型是浙江省旱澇分布的第二空間異常類型。高值中心位置位于洪家一帶，較易發(fā)生旱澇等災害性天氣。

通過EOF展開方法的討論可以看出,浙江省的旱澇空間分布格局主要是西部與其余地區(qū)反向分布的特征,但是不能更為精細地描述不同地理區(qū)域的特征,因此在EOF分析的基礎上,再進一步做最大正交方差旋轉,進行REOF展開,可以得出非常細微的地理分區(qū)。

旱澇前3個主成分的累積方差就達到了91.6%,由此可見，春季浙江省旱澇復雜性表現(xiàn)突出，可以用此來代表原始的向量場， 由前3個旋轉載荷向量對浙江旱澇情況進行分區(qū)。如圖4，具體表現(xiàn)為，RLV1模態(tài)明顯突出了浙江東北部區(qū)域的正值區(qū)，第1旋轉載荷向量場的高載荷區(qū)主要位于平湖、慈溪一帶，劃分為Ⅰ區(qū)，是旱澇異常的第一顯著區(qū)，高值中心達0.8。考慮到春季受冬季北方弱高壓的影響，RLV2模態(tài)明顯突出了浙江東南部，高載荷區(qū)主要在洪家、玉環(huán)一帶，劃分為Ⅱ區(qū)，是旱澇異常的第二顯著區(qū)，高值中心達0.85，這與南海夏季風向北推進，進而影響到該區(qū)域有關。RLV3模態(tài)明顯突出了浙江西部，高載荷區(qū)主要在衢州一帶，劃分為Ⅲ區(qū)，是干旱異常的第三顯著區(qū)。

圖4 春季旱澇Z指數(shù)REOF分析的前三個模態(tài)

圖5 全球前冬海溫的標準化距平場與浙江省春季旱澇Z指數(shù)的SVD異質相關

2.2 春季旱澇災害與前期冬季全球海溫場之間的關聯(lián)性研究 為了進一步了解海溫異常與浙江省旱澇的關系，使用SVD分析可以揭示海溫與浙江省旱澇之間的關系[18-21]。研究中采用1980-2009年30年冬季(12月-次年1、2月)的全球SSTA作為左場，浙江省14個臺站的1981-2010年春季(3-5月)旱澇Z指數(shù)作為右場(時間長度均為30年)，作前期冬季海溫對浙江省旱澇Z指數(shù)的SVD分析?？梢园l(fā)現(xiàn)，SST對浙江省降水的影響具有空間穩(wěn)定性和時間一致性，即前冬全球海溫的關鍵區(qū)穩(wěn)定而持續(xù)地影響浙江省的旱澇。由春季浙江省旱澇Z指數(shù)與前冬全球海溫距平的SVD分析異質關系圖可以看出，左場前兩個模態(tài)協(xié)方差貢獻分別為28.68%和16.49%，右場前兩個模態(tài)協(xié)方差貢獻分別為81.57%和12.71%，前兩模態(tài)均通過North檢驗，可知第一模態(tài)左右場的方差百分比最大，能夠反映出浙江省春季旱澇與全球前冬海溫之間相關關系的主要特征。從第一模態(tài)左右場相關系數(shù)的空間分布(圖4a)可以看到，全球海溫中顯著的關鍵區(qū)是中東太平洋、孟加拉灣、南海海域、北大西洋和赤道西太平洋到東北太平洋的一個西南-東北走向的狹長海域[120°E～120°W,0°～30°N]。從第一模態(tài)旱澇z指數(shù)異質相關分布圖中可以看到北大西洋、中東太平洋、包括孟加拉灣、南海海域和整個浙江地區(qū)旱澇趨勢呈顯著負相關關系，其中孟加拉灣海域的相關系數(shù)能高達0.5以上，是最顯著的正相關區(qū)域，而西南-東北走向狹長海域海溫為最顯著的負相關區(qū)域。從圖5中可看出當前期冬季此狹長海域海溫偏高，北大西洋、中東太平洋、孟加拉灣、南海海域、北印度洋海溫偏低，整個浙江地區(qū)偏澇，尤其東南部會出現(xiàn)較明顯的澇情，反之則偏旱。 第二模態(tài)全球海溫距平場的空間相關系數(shù)與第一模態(tài)有明顯的區(qū)別(如圖5b)?？梢钥吹?，第一模態(tài)主要呈現(xiàn)在太平洋南北反向的態(tài)勢，北太平洋和南太平洋相關系數(shù)基本相反，類似于PDO分布型。第二模態(tài)的旱澇Z指數(shù)相關系數(shù)分布顯示，浙江東南部與北大西洋和南北太平洋海溫是顯著的正相關區(qū)域，而與中東太平洋和北美沿岸地區(qū)海溫呈現(xiàn)負相關，浙江其余地區(qū)與中東太平洋和北美沿岸地區(qū)海溫呈正相關，而與北大西洋和南北太平洋海溫呈現(xiàn)負相關關系。表明，當北大西洋和南北太平洋海溫偏高，中東太平洋和北美沿岸地區(qū)海溫偏低時，浙江省的東南部偏澇，而在浙江省中東部地區(qū)則偏旱，反之亦然。

圖5 NINO3、NINO4、NINO3.4以及DOI指數(shù)與浙江春季旱澇Z指數(shù)的相關分析圖

3.2 ENSO、IOD對浙江省旱澇的影響

經前述研究發(fā)現(xiàn)，前冬太平洋和印度洋海溫與浙江省春季旱澇有著密切的關系，考慮到ENSO和IOD是太平洋和印度洋最強信號，故本文從這個角度來分析與浙江省旱澇的影響。近年來研究發(fā)現(xiàn)熱帶太平洋存在著兩種不同類型且相對獨立的ENSO事件，即以熱帶東太平洋最大海表面溫度異常為主的東部型ENSO(EP型ENSO)和以熱帶中太平洋SST異常變化為主的中部型ENSO(CP型ENSO)。研究指出[22]，NINO3指數(shù)可以有效識別EP型ENSO事件，NINO4指數(shù)則對CP型事件具有較強的監(jiān)測能力，NINO3.4的優(yōu)勢在于對CP型ENSO有一定監(jiān)測能力。赤道印度洋地區(qū)存在海溫的偶極型變化，并且將熱帶西印度洋和赤道東南印度洋的平均海表溫度異常(TSSA)之差定義為偶極子(IOD)指數(shù)。IOD指數(shù)為正(負)時熱帶東印度洋降水減少(增加)，西印度洋降水增加(減少)[23-25]。

將前冬季的NINO3、NINO4、NINO3.4、IOD指數(shù)分別作對浙江省春季旱澇的相關分析，如圖5，NINO3指數(shù)對浙江西北部影響更大，表明當前期冬季EP型ENSO發(fā)生時浙江省北部會產生較為嚴重的旱澇天氣。相較于NINO3的情況，前期冬季NINO4所代表的CP型ENSO對浙江省影響相對于NINO3來說較輕，主要體現(xiàn)對于浙江省西部的影響較大。前冬NINO3.4結果與NINO3的結果較為一致，表明對浙江省影響大的是EP型ENSO。前冬IOD與ENSO的影響有顯著的差異，它主要體現(xiàn)在對浙江省東部的影響，但強度并沒有ENSO的信號強度強。

3 小結

(1)浙江省春季旱澇在1990年代初到21世紀初存在一個顯著的3～4年周期的特征，旱澇特征有兩個主要的分布型：一個是西部和東部與其余地區(qū)反向分布的特點，大值中心出現(xiàn)在浙江的北部和南部地區(qū)，較易發(fā)生旱澇。另一個為旱澇分布整體全區(qū)一致的特征，全省旱澇變化普遍偏旱或者普遍偏澇，其中可以分為三個旱澇異常顯著區(qū)：RLV1模態(tài)明顯突出了浙江東北部區(qū)域的正值區(qū)，高載荷區(qū)主要在平湖、慈溪一帶，劃分為Ⅰ區(qū)，是旱澇異常的第一顯著區(qū)。RLV2模態(tài)明顯突出了浙江東南部，高載荷區(qū)主要在洪家、玉環(huán)一帶，劃分為Ⅱ區(qū)，是旱澇異常的第二顯著區(qū)。RLV3模態(tài)明顯突出了浙江西部，高載荷區(qū)主要在衢州一帶，劃分為Ⅲ區(qū)，是旱澇異常的第三顯著區(qū)。

(2)前冬全球海溫與浙江省春季旱澇的關系為：北大西洋、中東太平洋、孟加拉灣、南海海域、北印度洋海溫和整個浙江地區(qū)旱澇趨勢呈顯著負相關關系，其中以孟加拉灣海域為最顯著負相關海域，太平洋西南-東北走向狹長海域[120°E～120°W,0°～30°N]海溫和浙江地區(qū)旱澇趨勢呈顯著正相關關系。因此當狹長海域海溫偏高，北大西洋、中東太平洋、孟加拉灣、南海海域、北印度洋海溫偏低，整個浙江地區(qū)偏澇，東南部澇情尤其明顯，反之偏旱。EP型ENSO對浙江省降水強弱影響較大，IOD與ENSO的影響有顯著的差異，它主要體現(xiàn)在對浙江省東部的影響。

以上研究從浙江省省域區(qū)域內春季旱澇氣候災害對前冬海溫動蕩的響應關系得出海溫的異常動蕩是控制區(qū)域氣候災害變化的重要控制因子，其觸發(fā)機制和因子的定量貢獻則需要作為下一步研究的方向。

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SST Shocks on Flood Disaster Area Sensitivity Study in Zhejiang Province as an Example in China

ZHANG Xiaoling, LI Dongliang, YU Wenjin and HUANG Yilu

(NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China)

ByusingECHAM5climatemodel,Zindex,SVDAnalysismethod,theassociationbetweenfeaturesofspringdroughtandfloodinSSTTurbulenceandZhejiangProvinceisinvestigated,andthesensitivityarestudied.Resultsshowthat: (1)InZhejiangProvince,thespringdroughtintheearly90softhe20thcenturytothebeginningofthe21stcenturyhadthecharacteristicsofasignificant3-4Acycle. (2)Thetotalregionalclimateisdividedintotwomaindistributionpatternsoftheeastandwest,andhasareversedistributionintheotherregions.TherearethreesignificantlyabnormalareasofdroughtandfloodasinPinghu-Cix,Hongjia-YuhuanandQuzhou. (3)ThereisasignificantnegativecorrelationbetweendroughtandfloodinspringandseasurfacetemperatureinearlywinterinNorthAtlantic,easternPacific,theBayofBengal,SouthChinaSeaandNorthIndiaOcean.Amongthem,themostobviousnegativecorrelationwithdroughtandfloodeventsisintheBayofBengal;ZhejiangPacificSouthwest-Northeasttowardsthenarrowwaters(120degreesE～120degreesW, 0degrees～30degreesN)hasasignificantpositivecorrelationbetweentheprewinterSST,therewasasignificantnegativecorrelationwiththeseaSSToverthesameperiod; (4)willspringdroughtfloodinZhejiangProvincewereagainstthewinterofNino,nino4,nino3.4,IODindexanalysis,theinfluenceofNINO3indexinNorthwestZhejianggreater,indicatingthatthewinterEPENSOwhenZhejiangProvincenorthwillproducemoreseriousdroughtweather.Itcanbeconcludedthat,thePacificSouthwest-Northeasttowardsthenarrowwaters[120degreesE-120DEGW, 0degrees-30degreesN]prophasewinterSSTAabnormalvolatilityisZhejiangdroughtandfloodtheimportantcontrolfactor.

ENSO;SSTturbulencezone;SSTanomalypattern;droughtandflood;sensibility;Zhejiangprovince

2016-09-06

2016-11-01

國家重大科學研究計劃項目(2013CB430202)；國家自然科學基金(41276187)；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目(PAPD )

張曉玲(1973-)，女，漢族，山東無棣人，碩士，主要從事氣候災害的預防和應用工作. E-mail:18553107658@163.com

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.022.]

X43；P642

A

1000-811X(2017)02-0139-07

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.022

張曉玲， 李棟梁 ，于文金，等. 海溫震蕩對區(qū)域旱澇災害的敏感性研究—以中國浙江省為例[J]. 災害學，2017，32(2)：129-135. [ZHANG Xiaoling,LI Dongliang, YU Wenjin,et al. SST Shocks on Flood Disaster Area Sensitivity Study in Zhejiang Province as an Example in China[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(2)：129-135.