基于SPEI的1958-2018年鄱陽(yáng)湖流域干旱時(shí)空特征及其與ENSO的關(guān)系

劉衛(wèi)林，朱圣男，劉麗娜，萬(wàn)一帆，黃一鵬

(南昌工程學(xué)院 江西省水文水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330099)

干旱是對(duì)人類社會(huì)影響最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一，對(duì)農(nóng)業(yè)、生產(chǎn)和生活及生態(tài)產(chǎn)生了巨大的影響。由于干旱災(zāi)害發(fā)生頻率高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣，已經(jīng)成了制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要因素之一[1]。根據(jù)IPCC2012年出版的“管理極端時(shí)間和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、推進(jìn)氣候變化適應(yīng)特別報(bào)告”[2]的研究成果，未來(lái)隨著全球進(jìn)一步變暖，一些極端氣候事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度將會(huì)加強(qiáng)，尤其是干旱等極端氣候事件。特別是近年來(lái)，各地頻發(fā)的干旱災(zāi)害更是造成了巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)損失[3]。隨著氣候變化影響的加強(qiáng)，干旱事件呈廣發(fā)和頻發(fā)的態(tài)勢(shì)，且時(shí)間節(jié)律和空間分布特征也發(fā)生了顯著變化[4,5]。很多學(xué)者普遍使用干旱指數(shù)來(lái)簡(jiǎn)化復(fù)雜的干旱現(xiàn)象，應(yīng)用較多的干旱指數(shù)只要有帕默爾干旱指數(shù)(Palmer Drought Severity Index，PDSI)[6]、標(biāo)準(zhǔn)化降雨指數(shù)(SPI)[7]、Z指數(shù)[8]和綜合氣象干旱指數(shù)[9]等。而標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)是Vicente-Serrano等[10]2010年在SPI的基礎(chǔ)上集合了PDSI的優(yōu)點(diǎn)，通過引入潛在蒸散發(fā)量構(gòu)建的[11]，SPEI指數(shù)的研究立意特別強(qiáng)調(diào)適于檢測(cè)和監(jiān)測(cè)全球變暖環(huán)境的大背景下干旱的變化特征。

鄱陽(yáng)湖流域自20世紀(jì)90年代以來(lái)，干旱事件發(fā)生的頻率不斷增加。已有學(xué)者對(duì)鄱陽(yáng)湖流域進(jìn)行了研究[12-14]。如劉元波等[12]利用流域降水和地表蒸散和出湖徑流等，從流域水量收支平衡的角度，較為系統(tǒng)地分析近10年導(dǎo)致鄱陽(yáng)湖湖區(qū)極端干旱事件頻發(fā)的原因；洪興駿等[13]以SPI為工具，利用鄱陽(yáng)湖流域內(nèi)13個(gè)氣象站共50 a的逐月降水量和5個(gè)水位站的水位數(shù)據(jù)，分析了鄱陽(yáng)湖流域干旱的時(shí)空演變特征及其與湖區(qū)水位相關(guān)程度；王懷清[14]等對(duì)1160-1950年鄱陽(yáng)湖流域旱澇頻次次序進(jìn)行了變化周期及趨勢(shì)預(yù)測(cè)。但是上述研究多注重于干旱的時(shí)間變化過程與趨勢(shì)及鄱陽(yáng)湖湖區(qū)的干旱特征研究，較少涉及鄱陽(yáng)湖流域的空間差異及不同空間上干旱發(fā)生的時(shí)間變化特征，也缺乏對(duì)不同大尺度氣候因子與鄱陽(yáng)湖流域干濕變化關(guān)系的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。所以對(duì)鄱陽(yáng)湖流域61年來(lái)的干旱時(shí)空變化特征和規(guī)律研究，同時(shí)研究多變量ENSO指數(shù)(MEI)與流域干旱的相關(guān)性，對(duì)鄱陽(yáng)湖流域糧食安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)

鄱陽(yáng)湖流域位于長(zhǎng)江中下游南岸，地處113°E～118°E，23°N～31°N之間，總面積超過16 萬(wàn)km2，流域地理環(huán)境特殊，三面環(huán)山，由鄱陽(yáng)湖和贛、撫、信、饒、修等“五河”及其流域構(gòu)成，占長(zhǎng)江流域面積的9%，平均年徑流量1 450 億m3，水量占長(zhǎng)江流域的15%[15]。地貌類型以丘陵山地為主，北部以鄱陽(yáng)湖為中心的平原，地形復(fù)雜，河網(wǎng)分布密集[16]，總體上呈現(xiàn)由南向北地勢(shì)降低的局面。流域?qū)儆趤啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候，水分、光照充沛，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均氣溫18.0 ℃，年降水量為1 651 mm，由于季節(jié)變化，降水量時(shí)空分布不均，整體上具有西南向東北方向降水遞增的趨勢(shì)，表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性和區(qū)域性。4-6月是雨季，多洪澇災(zāi)害，7-9月為少雨期，多干旱災(zāi)害，因此導(dǎo)致鄱陽(yáng)湖流域旱澇災(zāi)害頻繁。

本文選擇中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(http:∥data.cma.cn/ site/index. html)提供的鄱陽(yáng)湖流域13個(gè)氣象站1958-2018年逐日降水和氣溫(平均氣溫)觀測(cè)數(shù)據(jù)， 13個(gè)氣象站均勻地分布在流域內(nèi)，為保證數(shù)據(jù)的可靠性，利用13個(gè)氣象站點(diǎn)的實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)訂正，若某站點(diǎn)缺測(cè)日≤5，缺測(cè)值采用線性插值方法替代；若某站點(diǎn)缺測(cè)日>5，則缺測(cè)值采用同一日的多年平均值替代。將數(shù)據(jù)處理后，經(jīng)驗(yàn)證具有良好的連續(xù)性和代表性(見圖1)。

圖1 鄱陽(yáng)湖流域概況及氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Overview of Poyang Lake Basin and distribution of meteorological stations

厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(ENSO)采用多變量ENSO指數(shù)MEI表示，MEI指數(shù)是將海平面氣壓(SLP)，海面溫度(SST)，熱帶太平洋盆地(30°S～30°N和100°E～70°W)的地面風(fēng)的緯向(u)和經(jīng)向(v)分量和緯向輻射(OLR)通過換算得到，數(shù)據(jù)來(lái)源于(https:∥www.esrl.noaa.gov/psd/enso/mei.old/table.html)，文中時(shí)間序列為1958-2018年，MEI年際指數(shù)為年平均值[18]，2018年的年際指數(shù)為1-11月的平均值。

1.2 研究方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(SPEI)是在標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，該指數(shù)不僅考慮了溫度及降水的影響，還綜合考慮了蒸散作用，繼承了PDSI對(duì)蒸散量的敏感性和SPI的長(zhǎng)序列尺度及計(jì)算的簡(jiǎn)便性，是較為理想的干旱指標(biāo)[19]。同時(shí)與SPI一樣，SPEI可以計(jì)算多尺度即月尺度(SPEI1 )、季節(jié)尺度(SPEI3 )、半年尺度(SPEI6 )、年尺度(SPEI12)的SPEI值，計(jì)算方法如下:

首先估計(jì)水汽平衡：

Di=Pi-PETi

(1)

式中：Pi為降水；PETi為潛在蒸發(fā)量，可通過Thornthwaite方法[11]求得。

然后采用3參數(shù)的log-logistic概率分布函數(shù)對(duì)Di數(shù)據(jù)序列進(jìn)行正態(tài)化，計(jì)算每個(gè)數(shù)值對(duì)應(yīng)的SPEI值：

(2)

(3)

接著對(duì)累計(jì)概率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，當(dāng)P≤0.5時(shí)，P=F(x)；當(dāng)P≥0.5時(shí)，P=1-F(x)，且SPEI的符號(hào)逆轉(zhuǎn)：

(4)

(5)

其中，常數(shù)C0=2.515 517，C1=0.802 853，C2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

SPEI指數(shù)具有多尺度特征，計(jì)算了13個(gè)站點(diǎn)不同時(shí)間尺度的SPEI(SPEI1、SPEI3、SPEI6、SPEI12)，本文主要研究SPEI3表示的春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)和冬季(12-次年2月)干旱和SPEI12表示的年干旱。

目前關(guān)于SPEI干旱等級(jí)沒有統(tǒng)一劃分標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)學(xué)者利用不同的SPEI干旱閾值進(jìn)行研究，適用性較好[20,21]。根據(jù)國(guó)家氣象等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[22]，將干旱分為5個(gè)等級(jí)：極度干旱(≤-2)、重度干旱[-1.5,2)、中度干旱[-1,-1.5)、輕度干旱[-0.5,-1)、正常(>-0.5)

1.2.2 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)

Mann -Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法已成為一種被世界氣象組織推薦用于時(shí)間序列趨勢(shì)分析[23]。文中利用MK檢驗(yàn)分析鄱陽(yáng)湖流域四季和年際SPEI指數(shù)的時(shí)間變化趨勢(shì)。

1.2.3 Molet小波分析

小波分析也是一種被廣泛應(yīng)用于氣象領(lǐng)域周期分析的工具，其中的Morlet 小波能夠揭示隱藏在時(shí)間序列中的多種尺度的變化周期，充分反映在不同時(shí)間尺度中的變化趨勢(shì)，并能對(duì)系統(tǒng)的未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行定性估計(jì)。本文利用Morlet小波分析鄱陽(yáng)湖流域年際SPEI指數(shù)的周期變化規(guī)律。

1.2.4 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分解

為了得到干濕狀況空間分布差異，對(duì)鄱陽(yáng)湖流域13個(gè)站點(diǎn)61年來(lái)的SPEI值組成的二維矩陣采用氣象學(xué)研究中廣泛使用的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)EOF分解進(jìn)行分析。EOF 方法的基本原理是對(duì)包含空間點(diǎn)的場(chǎng)隨時(shí)間變化進(jìn)行分解，將變量場(chǎng)時(shí)間和空間變化特征分離，展開得到前幾個(gè)特征向量，用盡可能少的模態(tài)表達(dá)主要的時(shí)空變化特征[24]。EOF原始推導(dǎo)過程在此不再贅述，文獻(xiàn)中已有介紹。

1.2.5 干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算

對(duì)于鄱陽(yáng)湖流域的干旱特征的評(píng)價(jià)，利用干旱強(qiáng)度和干旱站次比[25]來(lái)分析。

(1)干旱強(qiáng)度(Sij)。評(píng)價(jià)干旱的嚴(yán)重程度，單一站點(diǎn)某時(shí)段內(nèi)干旱強(qiáng)度可由SPEI值反映，計(jì)算公式如下：

(6)

式中：m為發(fā)生干旱的站數(shù)；|SPEIi|為發(fā)生干旱SPEI的絕對(duì)值。

根據(jù)干旱等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)Sij<0.5 時(shí)干旱強(qiáng)度不明顯；0.5≤Sij<1時(shí)為輕旱；1≤Sij<1.5 時(shí)為中旱；1.5≤Sij<2時(shí)為重旱；Sij≥2時(shí)為極旱。

(2)干旱站次比(Pj)。評(píng)價(jià)干旱影響范圍的大小，用區(qū)域內(nèi)干旱發(fā)生站數(shù)的多少占全部站數(shù)的比例來(lái)表現(xiàn)，計(jì)算公式如下：

(7)

式中：m為發(fā)生干旱的站數(shù)；M為研究區(qū)域氣象站點(diǎn)數(shù)；Pj為一定區(qū)域內(nèi)干旱發(fā)生范圍的大小。

當(dāng)Pj<10%時(shí)為無(wú)明顯干旱發(fā)生；當(dāng)10%≤Pj<25%時(shí)為局域性干旱；當(dāng)25%≤Pj<33%時(shí)為部分區(qū)域性干旱；當(dāng)33%≤Pj<50%時(shí)為區(qū)域性干旱；當(dāng)Pj≥50%時(shí)表明研究區(qū)域有一半以上的站點(diǎn)發(fā)生干旱，為全流域性干旱[25]。

1.2.6 氣候傾向率

用Y表示序列長(zhǎng)度為n的氣候要素，t表示為對(duì)應(yīng)的時(shí)間，建立Y與t之間的一元線性回歸方程。

Y=at+b(t=1,2,…,n)

(8)

式中：a為回歸系數(shù)；b為截距；a和b用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)，將a的10倍作為氣候要素的氣候傾向率[26]。

2 結(jié)果與分析

2.1 鄱陽(yáng)湖流域SPEI及干旱的時(shí)間格局特征

1958-2018年鄱陽(yáng)湖流域年際SPEI呈波動(dòng)變化，上升與下降趨勢(shì)交替出現(xiàn)[圖2(a)]，1962-1967年SPEI為負(fù)指數(shù)，處于干旱時(shí)期，20世紀(jì)七八十年代SPEI指數(shù)正負(fù)交替，1976年超過了0.05顯著性水平臨界值，并處于濕潤(rùn)的時(shí)期，1999、2001-2002年SPEI值又超過α=0.05的臨界線，表明進(jìn)入21世紀(jì)干旱得到緩解，隨后除個(gè)別年份外，其他均為干旱。

圖2(b)～圖2(e)為不同季節(jié)鄱陽(yáng)湖流域SPEI變化及M-K檢驗(yàn)，圖2可以看出，春季變化明顯，1961和2002年增加趨勢(shì)明顯，超過了0.05顯著性水平臨界值，UF曲線在1963-1978年、2007-2018年呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其他均呈上升的態(tài)勢(shì)；夏季SPEI在61年來(lái)正負(fù)交替，UF曲線在1986-1994年持續(xù)減少，隨后增加，表明夏季是干-濕-干的變化趨勢(shì)；秋季在1964-1971年UF曲線出現(xiàn)負(fù)值，有持續(xù)減小的趨勢(shì)外，從1972-2018年內(nèi)均為增加趨勢(shì)，但流域在秋季整體變化不明顯；冬季SPEI在1964年出現(xiàn)最小值，隨后增減交替，變化趨勢(shì)與夏季類似，整體上呈上升趨勢(shì)但不顯著，近10年變濕趨勢(shì)明顯。

從干旱強(qiáng)度和站次年際變化(圖3)可知：鄱陽(yáng)湖流域干旱強(qiáng)度變化不明顯，有輕微上升趨勢(shì)，干旱強(qiáng)度介于0～1.35之間，有22年沒有發(fā)生干旱，數(shù)值為0，2003年達(dá)到最大值，為1.35，達(dá)到中旱等級(jí)，發(fā)生干旱的年份主要以輕旱和中旱為主；圖3(b)表示鄱陽(yáng)湖流域干旱站次比，可以大致反映出發(fā)生干旱的范圍，近61年來(lái)流域發(fā)生干旱站次比在0%～100%之間，并呈下降趨勢(shì)。1971、2007年干旱站次比為100%，1962-1964、1967、1985、1986、2003、2006、2008年站次比均超過50%，達(dá)到了全流域干旱標(biāo)準(zhǔn)。有3年發(fā)生了區(qū)域性干旱，分別是1977、2004、2017年；1958-2018年至今有8年發(fā)生過區(qū)域性干旱，分別是1958-1959、1984、1986、1998、2013、2018年；有6年發(fā)生了局域性干旱，主要是1960、1965-1966、1979、1989、2000年。

圖2 1958-2018年鄱陽(yáng)湖流域全年和四季SPEI年際變化及M-K曲線Fig.2 Interannual variation and M-K curve of SPEI in the Poyang Lake Basin from 1958 to 2018

圖3 1958-2018年鄱陽(yáng)湖流域干旱強(qiáng)度年際變化和干旱站次比變化Fig.3 Interannual variation of drought intensity and the change of drought stations in Poyang Lake Basin from 1958 to 2018

2.2 鄱陽(yáng)湖流域SPEI及干旱的空間格局特征

2.2.1 氣候傾向率分布

鄱陽(yáng)湖流域三面環(huán)山，區(qū)域內(nèi)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，地形總體上呈現(xiàn)由南向北地勢(shì)降低，造成了降水和氣溫等氣象要素在時(shí)空上分布不均，由此干旱的空間分布也更加復(fù)雜。由鄱陽(yáng)湖流域SPEI年際氣候傾向率的空間分布[圖4(a)]可得：除了贛北個(gè)別站點(diǎn)以外，從南到北干旱逐漸減輕的趨勢(shì)，東南部廣昌地區(qū)干旱趨勢(shì)最高，為每10 a -0.05，贛州地區(qū)次之，為每10 a -0.02。其他地區(qū)則呈現(xiàn)干旱向潤(rùn)濕發(fā)展的趨勢(shì)，其中贛東北部趨勢(shì)最明顯。

圖4(b)～圖4(e)分別表示鄱陽(yáng)湖流域不同季節(jié)干旱氣候傾向率空間分布，可以看出不同季干旱氣象傾向率在空間分布上差異明顯，春季整體干旱趨勢(shì)最顯著，夏季次之，秋、冬兩季僅在局部地區(qū)有干旱趨勢(shì)。春季除贛中部分地區(qū)有微弱濕潤(rùn)趨勢(shì)，其他絕大部分地區(qū)都呈干旱態(tài)勢(shì)，其中西南部分地區(qū)干旱趨勢(shì)最明顯，最大值為每10 a -0.07；夏季干旱主要集中在鄱陽(yáng)湖流域南部，由南向北依次減弱,氣候傾向率主要集中在每10 a -0.05～0.09；秋季干旱趨勢(shì)與年尺度變化趨勢(shì)大致相同，發(fā)生干旱趨勢(shì)最大的主要集中在流域中東部部分地區(qū)；冬季氣候傾向率在四季中最高，冬季的氣候傾向率最大和最小值分別為每10 a 0.11和0.03，在冬季，整個(gè)流域基本上呈現(xiàn)濕潤(rùn)態(tài)勢(shì)，基本無(wú)干旱發(fā)生。

圖4 1958-2018年鄱陽(yáng)湖流域SPEI氣候傾向率空間分布Fig.4 Spatial distribution of SPEI climate tendency rate in Poyang Lake Basin from 1958 to 2018

2.2.2 經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)(EOF)分解展開

為了更好地分析鄱陽(yáng)湖流域近61年來(lái)的干旱空間分布特征，對(duì)該流域SPEI12進(jìn)行EOF分解，從表1可以看出，前6個(gè)特征值累積貢獻(xiàn)率已達(dá)到92.24%，其中第1個(gè)特征值貢獻(xiàn)率最大，為67.27%，第二個(gè)特征值次之，12.44%，隨后依次減小，表明內(nèi)鄱陽(yáng)湖流域干旱分布類型的大致數(shù)量，特征明顯，基本可以反映出鄱陽(yáng)湖流域干旱的時(shí)空分布特征。

表1 鄱陽(yáng)湖流域SPEI12的EOF特征值Tab.1 Characteristic values of SPEI12 in Poyang Lake Basin

將第1、2個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的特征向量進(jìn)行空間分析，由圖5～圖6可知，鄱陽(yáng)湖流域第一空間模態(tài)中第一特征向量均為正，說(shuō)明干旱變化情況在全省空間分布上具有一致性，只是每個(gè)區(qū)域的干旱程度不同，鄱陽(yáng)湖流域東北部地區(qū)的第一特征向量最大，這里屬于第一空間模態(tài)的主要中心，而南部大部分地區(qū)和西北與東北部高值中心對(duì)稱的部分地區(qū)，為主要的低值區(qū)，第一空間模態(tài)對(duì)這些地區(qū)影響較小。由圖5(a)第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)可以看出：從1958-2018年鄱陽(yáng)湖流域干旱和濕潤(rùn)交替變化，2001-2011年間時(shí)間系數(shù)整體為負(fù)，說(shuō)明在這段時(shí)間內(nèi)普遍存在著干旱的情況，近五年時(shí)間系數(shù)為正，說(shuō)明有逐漸濕潤(rùn)的趨勢(shì)。第一時(shí)間模態(tài)可以看作為全省的干旱的平均趨勢(shì)。第二特征值貢獻(xiàn)率為12.44%，可以看作分析鄱陽(yáng)湖流域干旱的空間分布參考，EOF經(jīng)驗(yàn)正交分解展開的第二空間模態(tài)與第一模態(tài)有明顯差別，在圖5(b)可以看出：第二特征向量最小值為-0.43，以28°N為分界，北部地區(qū)為正值中心，由南向北呈緯向分布逐漸增加。由圖6(b)第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)可以看出：20世紀(jì)60-80年代鄱陽(yáng)湖流域時(shí)間系數(shù)正負(fù)交替，整體負(fù)值更多，在鄱陽(yáng)湖北部呈現(xiàn)干旱趨勢(shì)，在流域南部地區(qū)則處于濕潤(rùn)態(tài)勢(shì)。90年代正負(fù)波動(dòng)性較大，2000年前后時(shí)間系數(shù)又變?yōu)樨?fù)值，即南部出現(xiàn)濕潤(rùn)，北部出現(xiàn)干旱。

圖5 鄱陽(yáng)湖流域EOF第一、第二空間模態(tài)Fig.5 First and second spatial modes of EOF in Poyang Lake Basin

圖6 鄱陽(yáng)湖流域EOF第一、第二空間模態(tài)時(shí)間系數(shù)Fig.6 First and second spatial modal time coefficients of EOF in Poyang Lake Basin

圖7 年SPEI指數(shù)系列小波系數(shù)實(shí)部等值線與小波方差圖Fig.7 The SPEI index series wavelet coefficient real part contour and wavelet variance diagram

通過對(duì)鄱陽(yáng)湖流域SPEI的時(shí)空變化格局分析，又對(duì)比《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》(江西卷)記錄的鄱陽(yáng)湖流域1958-2000年典型干旱事件與同期SPEI的驗(yàn)證結(jié)果，可得出：大典中記錄的典型干旱事件的發(fā)生時(shí)間、發(fā)生區(qū)域及干旱發(fā)生強(qiáng)度與本文利用SPEI及相關(guān)干旱指標(biāo)計(jì)算出的干旱事件發(fā)生吻合度基本一致，從中可說(shuō)明SPEI能夠很好地說(shuō)明鄱陽(yáng)湖流域歷史干旱事件，證明了該指數(shù)在鄱陽(yáng)湖流域?qū)Ω珊凳录幸欢ǖ闹甘咀饔谩?/p>

2.3 鄱陽(yáng)湖流域SPEI指數(shù)的小波分析

通過采用Molet小波分析對(duì)鄱陽(yáng)湖流域1958-2018年SPEI指數(shù)系列進(jìn)行周期分析，小波系數(shù)實(shí)部等值線圖如圖7所示。鄱陽(yáng)湖流域年SPEI指數(shù)在整個(gè)時(shí)間域上存在著26～32、12～18、3～9 a三類時(shí)間尺度周期變化。其中26～32 a尺度范圍內(nèi)存在著干-濕-干交替變換的3次震蕩，且周期性表現(xiàn)出穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，12～18、3～9 a這兩種時(shí)間尺度在干-濕交替變換上表現(xiàn)更加頻繁。

鄱陽(yáng)湖流域年SPEI指數(shù)小波方差圖如圖7(b)所示，可以看出存在3個(gè)較為明顯的峰值，它們對(duì)應(yīng)著26、10和6 a的時(shí)間尺度。原序列在26 a左右的周期震蕩最強(qiáng)，為第一主周期。10、6 a分別是年際SPEI指數(shù)變化的第二、三主周期。這表明26、10和6 a左右的周期波動(dòng)控制著鄱陽(yáng)湖流域年際SPEI指數(shù)在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)的周期變化特征。

2.4 鄱陽(yáng)湖流域干旱特征與多變量ENSO指數(shù)(MEI)的關(guān)系

由圖8(a)可以看出：MEI指數(shù)在1977年為0.63，發(fā)生了由冷暖位相的轉(zhuǎn)變，而在1999年年平均MEI指數(shù)為-0.85，則發(fā)生了由暖位相向冷位相轉(zhuǎn)變，隨后又發(fā)生了冷暖交替，最近五年則呈現(xiàn)出暖位相趨勢(shì)；圖8(b)～圖8(c)是1958-2018年鄱陽(yáng)湖流域降水、氣溫與距平的變化，可以得出降水在1976年之前波動(dòng)變化，整體呈現(xiàn)負(fù)距平，隨后降雨量開始增加，距平為正并逐漸增加，在2001年前后降雨量開始減少，距平也逐漸轉(zhuǎn)為負(fù)，最近五年降雨量又出現(xiàn)增加的趨勢(shì)；年平均氣溫在1998年之后逐漸增加，并持續(xù)升高，距平也隨之為正，這與SPEI的變化趨勢(shì)也基本相同。對(duì)圖8(a)～圖8(c)分析，MEI指數(shù)、降水、氣溫年際變化趨勢(shì)和波動(dòng)情況大致類似，整體呈現(xiàn)“冷(負(fù))-暖(正)-冷(負(fù))”。在MEI發(fā)生暖位相時(shí)，對(duì)應(yīng)在鄱陽(yáng)湖流域發(fā)生的是高溫、多雨；則冷位相對(duì)應(yīng)為干旱、低溫和少雨。在圖8(d)中MEI指數(shù)和SPEI線性關(guān)系看出：兩種指數(shù)通過了0.1水平的顯著性檢驗(yàn)，存在正相關(guān)關(guān)系，表明MEI指數(shù)對(duì)鄱陽(yáng)湖流域的氣候變化和干旱有正向影響，即在MEI指數(shù)的冷暖位相和鄱陽(yáng)湖流域干旱濕潤(rùn)變化情況基本一致，即MEI指數(shù)暖相位時(shí)，流域存在濕潤(rùn)趨勢(shì)，反之則出現(xiàn)干旱。

圖8 1958-2018年MEI指數(shù)、鄱陽(yáng)湖流域降水與距平、氣溫與距平的年際變化和SPEI指數(shù)與MEI指數(shù)的線性趨勢(shì)關(guān)系Fig.8 MEI index from 1958 to 2018, precipitation and anomalies in Poyang Lake Basin, interannual variation of temperature and anomaly, and linear trend of SPEI index and MEI index

3 結(jié) 語(yǔ)

通過利用SPEI指數(shù)、干旱指標(biāo)分析、EOF經(jīng)驗(yàn)正交分解和Molet小波分析對(duì)鄱陽(yáng)湖流域干旱的時(shí)空變化和特征進(jìn)行分析，有以下結(jié)果：

(1)鄱陽(yáng)湖流域SPEI指數(shù)年際變化在1967年發(fā)生突變，由干旱向濕潤(rùn)轉(zhuǎn)變，春季變化明顯，夏季呈干-濕-干變化趨勢(shì)；全省干旱強(qiáng)度呈不明顯輕微上升趨勢(shì)，干旱強(qiáng)度介于0～1.35之間，主要以輕旱和中旱為主；近61年來(lái)流域發(fā)生干旱站次比在0%～100%之間，并呈下降趨勢(shì)。干旱發(fā)生范圍主要是全流域干旱與局部性干旱，但有22年未發(fā)生干旱。

(2)鄱陽(yáng)湖流域春季整體干旱趨勢(shì)最顯著，夏季次之，秋、冬兩季僅在局部地區(qū)有干旱趨勢(shì)。春季絕大部分地區(qū)都呈干旱態(tài)勢(shì)，其中西南部分地區(qū)干旱趨勢(shì)最明顯，夏季干旱主要集中在鄱陽(yáng)湖流域南部，由南向北依次減弱。

(3)EOF結(jié)果表明第一空間模態(tài)干旱變化情況在全省空間分布上具有一致性，由第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)看出普遍存在著干旱的情況，第一時(shí)間模態(tài)可以看作為全省的干旱的平均趨勢(shì)；第二空間模態(tài)可以看作分析鄱陽(yáng)湖流域干旱的空間分布參考，以28°N為分界，北部地區(qū)為正值中心，由南向北呈緯向分布逐漸增加。由第二模態(tài)時(shí)間系數(shù)可以看出流域北部呈現(xiàn)干-濕-干變化趨勢(shì)，南部則相反。

(4)Molet小波分析結(jié)果表明鄱陽(yáng)湖流域年SPEI指數(shù)在整個(gè)時(shí)間域上存在著26～32、12～18、3～9 a三類時(shí)間尺度周期變化，其中26～32 a尺度范圍內(nèi)存在著干-濕-干交替變換的3次震蕩，且周期性表現(xiàn)出穩(wěn)定態(tài)勢(shì)。另兩種時(shí)間尺度在干-濕-干交替變換上表現(xiàn)更加頻繁；小波方差圖對(duì)應(yīng)著26、10和6 a的時(shí)間尺度，在26 a左右的周期震蕩最強(qiáng)，為第一主周期。10、6 a分別是年際SPEI指數(shù)變化的第二、三主周期。

(5)1958-2018年MEI指數(shù)在1976年和1999年發(fā)生冷暖位相的相互轉(zhuǎn)變，MEI指數(shù)、降水、氣溫年際變化的變化趨勢(shì)和波動(dòng)情況大致類似，整體呈現(xiàn)“冷(負(fù))-暖(正)-冷(負(fù))”；MEI指數(shù)和SPEI指數(shù)存在正相關(guān)關(guān)系，即MEI指數(shù)暖相位時(shí)，鄱陽(yáng)湖流域存在濕潤(rùn)趨勢(shì)，反之為冷位相時(shí)，全流域則出現(xiàn)干旱。

(6)本文是基于Thornthwaite公式得到了鄱陽(yáng)湖流域的潛在蒸散發(fā)量ET0，該公式只考慮了關(guān)于溫度的函數(shù)，存在著一定的誤差，而Penman-Monteith公式則考慮了更多因子，如空氣動(dòng)力學(xué)因子，熱量因子等，所以可以考慮利用PM公式對(duì)鄱陽(yáng)湖流域計(jì)算潛在蒸散發(fā)量；鄱陽(yáng)湖流域13個(gè)氣象站點(diǎn)的SPEI值插值到全省得到干旱的空間分布，由于插值方法與原理有差異，以致結(jié)果也不同。文中使用的反距離權(quán)重(IDW)插值沒有考慮地形因子對(duì)干旱的影響，分析結(jié)果可能存在局限性和不確定性。因此，今后的研究需要在此作出更深入的分析。

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