基于WAP指數(shù)的華北地區(qū)夏季旱澇研究

趙悅晨 周志花 李彬

摘 要 基于華北地區(qū)均勻分布的各個站點最近53年（1960-2012年）降水資料，進(jìn)行WAP指數(shù)變換，對于華北地區(qū)夏季降水資料的降水距平場進(jìn)行REOF分區(qū)，并對各個分區(qū)內(nèi)的站點WAP指數(shù)序列進(jìn)行線性趨勢分析、M-K檢驗分析和Morlet小波分析。結(jié)果表明：我國華北地區(qū)的6個分區(qū)，各分區(qū)年際和年代際波動幅度都比較明顯，具有干旱化的趨勢，除河南省外，其他5個分區(qū)分別在2005年、1966年、1980年、1993年、1995年、1983年和1973年發(fā)生突變，突變后UF呈下降趨勢，總體都是呈現(xiàn)明顯的干旱化趨勢。具有旱澇異常的相對一致性。

關(guān)鍵詞 華北地區(qū)；干旱；夏季降水；WAP指數(shù)

華北地區(qū)四季分明，冬季寒冷干燥且較長，夏季高溫降水相對較多。春秋季較短。華北平原是我國小麥的主產(chǎn)區(qū)。過去幾十年的資料表明該地區(qū)暴雨洪澇和持續(xù)性干旱異?；钴S，對當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成諸多不利的影響。夏季是華北地區(qū)降水最為集中的階段，且降水的突發(fā)性和局域性很強，對此國內(nèi)的氣象學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。共同揭示出過去50多年我國華北地區(qū)干旱化趨勢十分明顯。同時，華北干旱表現(xiàn)出明顯的年代際變化特征，特別是20世紀(jì)70年代中后期開始干旱更趨嚴(yán)重，目前認(rèn)為北方地區(qū)普遍增溫是干旱化加劇的主要原因且我國北方持續(xù)的大范圍干旱是取決于我國夏季降水的南澇北旱分布特征的。

干旱指數(shù)作為干旱程度的量化標(biāo)準(zhǔn)，在干旱監(jiān)測、預(yù)測和水資源管理方面起著重要作用。而各種干旱指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)繁多，干旱指數(shù)多種多樣， 大量前人研究發(fā)現(xiàn)，SPI和Z指數(shù)，能較好的反映旱澇趨勢。姚玉璧【1】等利用全國515個站的氣象資料，用Palmer指數(shù)進(jìn)行了干旱區(qū)劃和研究春季區(qū)域的演變特征。但已有的這些干旱指數(shù)并不能反映干旱強度和持續(xù)時間上的關(guān)系，對此Byun【2】提出了有效降水的概念，認(rèn)為可以利用日降水量隨時間衰減的累積函數(shù)來表征前期降水對于當(dāng)前旱澇的影響。之后Lu【3】提出用逐日加權(quán)平均降水量（WAP）來表征當(dāng)前的旱澇狀況，WAP實際上就是一種有效的指數(shù)，能夠很好的反應(yīng)一個區(qū)域的干濕狀況，且WAP指數(shù)在干旱過程演變的判別效果上，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。而CI指數(shù)和Palmer指數(shù)出于自身算法上的因素容易出現(xiàn)不合理的波動乃至中斷現(xiàn)象。

故本文引入WAP指數(shù)對我國華北地區(qū)的夏季的旱澇進(jìn)行分析，基于降水距平場的REOF分區(qū)，對各分區(qū)再行分析WAP指數(shù)。以分析基于WAP指數(shù)的華北地區(qū)旱澇特征。

1 資料與方法

1.1 資料

本文所用的資料為國家氣候中心提供的華北地區(qū)109個測站1960-2013年6-8月逐日降水資料。

1.2 方法

2 結(jié)果與分析

2.1 WAP指數(shù)的空間分布特征

對我國華北地區(qū)109個站1960-2013年夏季降水資料的降水距平場進(jìn)行REOF分析，載荷量LV能夠較好的反映降水場的空間特征。我們按照旋轉(zhuǎn)載荷向量取大值區(qū)且及基本上覆蓋華北地區(qū)的原則，得到6個主要的區(qū)域（圖1）。上述前6個載荷向量累計解釋方差貢獻(xiàn)達(dá)到總方差的79%（圖2）。

2.2各分區(qū)的年際變化

圖3所顯示的是華北地區(qū)各分區(qū)WAP指數(shù)的時間序列和一元線性回歸。從6個分區(qū)WAP指數(shù)的年際變化來看，總體上講，近50年我國華北地區(qū)總體上還是呈現(xiàn)出干旱加重的趨勢。這與我國總體上南澇北旱的形勢是一致的。線性趨勢較大的區(qū)域主要有Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)、Ⅵ區(qū)都在華北地區(qū)的東部沿海。而Ⅴ區(qū)的線性趨勢最小。余下的Ⅰ、Ⅱ兩個區(qū)域線性趨勢接近，介于大值與小值之間。具體來說，Ⅰ區(qū)總體來看，澇年的頻次要比干旱年份多，且2000年至2010年代沒有發(fā)生大的旱澇，但總體上已經(jīng)開始有偏旱的趨勢。Ⅱ區(qū)從總體上看是偏旱的，但是在1990年代后期到2010年代出現(xiàn)了偏澇的趨勢。Ⅲ區(qū)旱澇變化顯著，總體上偏干旱。且近年來的2000年到2010年代開始呈現(xiàn)明顯的干旱化趨勢。Ⅵ區(qū)從總體上看，都是呈現(xiàn)明顯的干旱化趨勢。尤其是進(jìn)入1990年以來干旱的年份遠(yuǎn)多于澇年。Ⅴ區(qū)也總體呈現(xiàn)為偏旱。其中1980年到2000年代之間，但是旱澇變化很大，WAP指數(shù)波動較大。2000年到2010年代呈現(xiàn)明顯的干旱化趨勢。Ⅳ區(qū)在1960年到1980年代旱澇變化較大，一直到2010年代WAP指數(shù)波動減小，呈現(xiàn)出明顯的干旱化趨勢。

2.3突變特征

根據(jù)我國華北地區(qū)的6個分區(qū)的WAP指數(shù)的M-K檢驗曲線圖（圖4），可以看出，Ⅰ區(qū)WAP指數(shù)一直呈波動式升降，在1990發(fā)生第一次突變。在1997年第二次發(fā)生突變后，WAP指數(shù)有了一個持續(xù)下降趨勢。Ⅱ區(qū)WAP指數(shù)發(fā)生了4次突變，1995年發(fā)生突變后，WAP指數(shù)呈波動上升的趨勢。Ⅲ區(qū)WAP指數(shù)發(fā)生三次突變之后。1998年又發(fā)生了突變，之后，WAP指數(shù)呈明顯的下降趨勢。Ⅳ區(qū)WAP指數(shù)發(fā)生了4次突變，1993年突變發(fā)生后，WAP指數(shù)呈波動下降趨勢。Ⅴ區(qū)WAP指數(shù)在2005年發(fā)生突變之前呈波動式升降。2005年發(fā)生突變之后，WAP指數(shù)呈明顯的下降趨勢。Ⅵ區(qū)WAP指數(shù)在1966年發(fā)生氣候突變之后，總體上呈現(xiàn)下降趨勢，不過這種下降是伴隨著小的波動升降過程的。綜合上述的分析結(jié)果來看，華北各個分區(qū)表現(xiàn)出了旱澇異常的相對一致性。即為干旱化趨勢明顯。

2.4 周期特征

從圖5（圖5中分別用A，B，C，D，E，F(xiàn)表示上文的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅴ、Ⅵ這6個分區(qū)）可以看出，華北地區(qū)6個分區(qū)的降水都存在有明顯的周期振蕩特征，變化復(fù)雜的小時間尺度存在于大時間尺度上，這是由于不同時間尺度對應(yīng)的降水結(jié)構(gòu)存在差別。也就是說華北的6個分區(qū)分別由不同的周期振蕩疊加而成各自的降水變化特征。Ⅰ區(qū)在1980年代以前具有3a的顯著周期，且從1980年代末開始存在2a的顯著周期；Ⅱ區(qū)存在顯著的5a周期和6a周期，且還有3a和 2a的周期；Ⅲ區(qū)的存在顯著的4a和 6a周期。此外，還有3a的顯著周期；Ⅳ具有2a的周期。此外，還有5a的顯著周期；Ⅴ區(qū)存在2a和4a的顯著周期。此外，在1990年到2000年代中期還有一個5a的顯著周期。Ⅵ區(qū)具有2a和 8a的顯著周期。此外，還具有4a的顯著周期。

3 結(jié)論

（1）我國華北地區(qū)6個分區(qū)年際和年代際波動幅度都比較明顯，都呈現(xiàn)干旱化趨勢，線性趨勢較大的區(qū)域主要有Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)、Ⅵ區(qū)都在華北地區(qū)的東部沿海。而Ⅴ區(qū)的線性趨勢最小。與我國南澇北旱的形勢相吻合。

（2）我國華北地區(qū)6個分區(qū)除Ⅱ區(qū)河南省外，其余5區(qū)分別在2005年、1966年、1980年、1993年、1995年、1983年和1973年發(fā)生氣候突變，突變后wap指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，總體都表現(xiàn)出干旱化的特征。

（3）我國華北地區(qū)各分區(qū)夏季降水的年際、年代際周期特征具有多時間尺度振蕩的特點，典型的來說存在2-3a，4-6a的周期變化。

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