21世紀全球變暖背景下江淮流域夏季旱澇急轉特征分析

陸苗 陳翔 唐鵬 王明珠

摘要? ? 江淮流域旱澇異常經常發(fā)生，一直是國內外關注和研究的熱點。本文利用國際耦合模式比較計劃（CMIP5）21世紀最強變暖背景（rcp85）下5個模式的模擬數據資料，對2006—2100年江淮流域夏季降水的時空分布特征、典型旱澇年降水特征及旱澇急轉特征進行了分析。結果表明，江淮流域降水量空間分布整體表現一致，但南北區(qū)域和東西區(qū)域略有差異。時間分布上表現為夏初降水多于夏末且有明顯的年際變化特征，尤其是在2060年之后，全球變暖會對降水量造成很大的影響，旱澇急轉事件頻發(fā)。2060年之前，江淮流域LDFAI指數較小且基本處于旱轉澇的階段，2060年之后，LDFAI指數變率增大，可能會出現幾次較嚴重的旱澇急轉事件。

關鍵詞? ? 旱澇急轉;時空分布特征;氣候變暖;江淮流域

中圖分類號? ? S161.6;S166? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）14-0184-03

江淮流域不僅是我國的工業(yè)和農業(yè)生產基地，也是科學技術、交通運輸的中心，在全國占據重要的地位，其特殊的氣候和地理要素使得該區(qū)域旱澇災害頻繁。葉篤正等[1]的研究表明，全國旱澇災害主要集中在江淮流域。因此，江淮地區(qū)的旱澇現象是值得密切關注的問題，江淮流域大范圍的旱澇現象，一直是我國大氣科學研究的重點。然而，前人對季節(jié)性嚴重旱（或澇）事件關注較多，對旱澇的季節(jié)內變化關注比較少。王? 勝等[2-4]認為旱澇急轉是指前期持續(xù)偏旱，接著因一場暴雨以上的強降水或雨量較大的連陰雨致使迅速轉旱轉澇的天氣過程。吳志偉等[5-9]認為“旱澇并存、旱澇急轉”現象正是降水季節(jié)內變化的典型代表。系統(tǒng)全面地認識夏季旱澇急轉的特征及其變化規(guī)律，具有重要的科學意義和應用價值。為此，本文利用國際耦合模式比較計劃21世紀模擬數據（CMIP5），對江淮流域夏季旱澇急轉發(fā)生次數的變化特征進行分析，探討未來近100年江淮流域夏季旱澇急轉的發(fā)生演變規(guī)律。

1? ? 資料與方法

1.1? ? 資料選取

本文使用的資料主要是國際耦合模式比較計劃（CMIP5）下21世紀最強變暖背景下（rcp85）模擬的月平均降水量資料，時間為2006—2100年，均插值到水平分辨率為1°×1°，全球共有360×181個網格點。計算了這5個模式合成的資料，簡寫為MME。

1.2? ? 地理范圍與時間范圍的劃定

1.2.1? ? 地理范圍。一般來說，江淮流域是指我國北緯28°～34°之間，湖北宜昌以東的陸地區(qū)域。本文規(guī)定北緯28°～34°、東經109°～122°范圍內的陸地為江淮流域。

1.2.2? ? 時間范圍。規(guī)定江淮流域夏季為5—8月。

1.3? ? 研究方法

首先利用國際耦合模式比較計劃（CMIP5）21世紀最強變暖背景下模擬數據（CMIP5）資料，分別計算6種模式資料下95年來每一個格點5—8月累積降水量，并計算其方差，找出方差最大值所在的格點，記下其經緯度。

將最大值所在點的5—8月累積降水量與整個江淮流域5—8月累積降水量作相關，得到空間相關圖，陰影所覆蓋的區(qū)域為顯著相關的區(qū)域（通過95%水平的置信度檢驗）。

根據空間相關圖及EOF分析，劃分新的研究范圍，得到MME合成資料下分區(qū)域降水平均值、11年降水滑動平均值，初步認識初夏與盛夏降水分布的情況。

最后，參考吳志偉等[5]對長周期“旱澇急轉”的定義以及旱澇急轉指數LDFAI，計算不同模擬資料下的5—8月的標準化降水量以及每個模式模擬出的旱澇急轉指數，挑出高指數年和低指數年，統(tǒng)計各年代旱澇急轉指數，統(tǒng)計分析研究江淮流域夏季旱澇急轉的發(fā)生演變規(guī)律。

2? ? 江淮流域夏季降水時空分布特征

2.1? ? 空間分布特征

為了弄清楚21世紀江淮流域夏季降水量異常分布特征，計算了6種不同模式資料下得到的5—8月累積降水量方差圖以及方差最大值所在區(qū)域夏季累積降水量與整個江淮流域夏季累積降水空間相關圖。

BNU-ESM模式下，降水方差最大值在東經116°、北緯31°處，大致在湖北黃岡市，說明在該點處降水量不穩(wěn)定，存在很大的變率。整個江淮流域以北緯31°為界，相關系數呈南北對稱分布的趨勢，相關系數均為正值。

CanESM2模式下，降水量從北向南呈現不穩(wěn)定的變化趨勢。在東經117°區(qū)域，2006—2100年降水量比較穩(wěn)定，變率不大。

CCSM4模式下，大致以北緯32°為界，北緯32°以南的區(qū)域均通過了檢驗，說明該點與此區(qū)域降水情況一致。而北緯32°以南的區(qū)域相關性并不明顯，可能與淮河流域和長江流域的降水差異有關。

MRI-CGCM3模式下，在兩湖平原處降水量不穩(wěn)定，變率較大。江蘇南部、安徽南部和兩湖平原以南部分的區(qū)域均通過了置信度檢驗，說明該點的降水情況與上述區(qū)域保持一致。而河南北部、淮河北部一直到江蘇北部都沒有通過95%的置信度檢驗，說明此區(qū)域降水情況與方差最大值點的降水情況存在差異。

NorESM1-M模式下，有一個明顯的高值區(qū)，因而選擇方差最大點為北緯30°30′、東經115°，以東經115°為界，方差值向左右兩邊呈遞減趨勢，左邊區(qū)域遞減趨勢大于右邊區(qū)域。

MME合成資料下，將方差最大值選在北緯29°30′、東經115°處，即鄱陽湖的北部。結合其他5種模式下得到的空間相關圖，可以看出整個江淮流域的降水情況一致，除去河南北部極少區(qū)域外，大約有90%的區(qū)域均通過了置信度檢驗。相關性最高的區(qū)域處于鄱陽湖、洞庭湖一帶，以北緯31°為界，以南區(qū)域相關性較高，以北區(qū)域相關性較小。由此表明，整個江淮流域降水情況大致相同，但淮河流域與長江流域還是存在著差異。

2.2? ? 基于EOF分析江淮流域降水的時空分布

通過對2006—2100年MME合成資料下逐月江淮降水量資料采取標準化處理后，再進行EOF分析，得到各個主成分，第一主成分的方差貢獻最大，第二主成分的方差貢獻迅速減小，后面幾個主成分方差貢獻很小，解釋方差也有同樣的變化趨勢。前3個主成分的方差貢獻大約占80%，分析前3個主成分所對應的特征場，反映出江淮流域夏季降水量異常的幾種主要大范圍空間分布特征。根據江淮流域夏季降水量第一特征場，總的來說呈現南北向緯度地帶性分布，大值區(qū)是江淮流域夏季降水量變率最大的地區(qū)，亦是旱澇異常的敏感區(qū)。第二特征場與第一特征場有著很大的差異，其分布呈現南北反向變化的結構特點，長江流域區(qū)域基本為正值區(qū)，淮河流域基本為負值區(qū)，說明江淮流域夏季降水呈現南多北少或北多南少的結構特點，即南北差異是江淮流域夏季降水量的第二空間異常類型。從第三特征場可以看出，其分布有著東西反向變化的結構特點，負值中心位于長江三角洲附近，正值中心位于兩湖平原的北部，可能是正負區(qū)域的河流、丘陵等地理因素的不同造成的差異。

分析EOF前3個時間系數所對應的曲線。從第一時間系數可以看出時間系數有著明顯的年代際變化特征，21世紀江淮流域會由偏旱轉為偏澇。第二、第三時間系數都有明顯的逐年變化的現象，有年際變化特征。

2.3? ? 時間分布特征

將研究區(qū)域重新分成北緯28°～31°，東經109°～122°和北緯31°～34°，東經109°～122° 2個小區(qū)域。通過MME合成資料，選取該區(qū)域平均降水量來表征整個區(qū)域夏季降水的強弱，進一步分析江淮流域夏季降水隨時間的變化趨勢。

可以得出，2006—2040年整個江淮流域區(qū)域5月降水量整體偏少。2060—2100年，區(qū)域降水量整體增加。南北分區(qū)域變化情況大體相同，南部降水量大于北部降水量。

整個江淮流域未來5月的降水呈明顯上升的趨勢，2010—2030年上升幅度較大，在2055年左右出現了明顯的下降趨勢但之后又是緩慢上升的趨勢。在2070年之前，這2個區(qū)域降水趨勢也保持一致，但2070年之后南部降水明顯減少，北部降水明顯增多。

5月降水量小于6月降水量，南北分區(qū)域降水仍存在明顯的差異，南部降水普遍高于北部降水。2070年之后，降水量出現了大范圍的浮動，呈現先下降后上升的趨勢。南部降水也有明顯的年代際變化，2050年之前降水量浮動范圍小，且在均值線處上下浮動，2050年之后呈明顯上升的趨勢。

2006—2030年江淮流域北部降水量大部分在均值以下，2030—2050年降水量基本在均值以上，2051年之后降水逐漸上升，21世紀后期降水量基本在均值以上。7月江淮南北部降水整體差異不大，但南部降水比北部穩(wěn)定。7月江淮北部降水在2031—2054年出現了較大的浮動，先增后減，之后又穩(wěn)定上升，而2031—2054年南部的降水則保持一個穩(wěn)定緩慢上升的趨勢。北部區(qū)域8月降水量明顯減小，2006—2050年變化幅度不大，2051年之后，降水量變化幅度增大，且降水量逐漸減小。南部區(qū)域降水量在2050年之前變化不大，但在2051年之后降水量大部分超過平均值，說明降水量有上升的趨勢。

3? ? 江淮流域夏季長周期旱澇急轉異常年的選取及其時間演變

為了更加深入認識21世紀江淮流域夏季季節(jié)內降水長周期變化情況，以及更好地為夏季防汛抗旱工作提供具有參考意義的結果，本文參考了吳志偉等[14]對長周期旱澇急轉的定義以及長周期旱澇急轉指數LDFAI：

LDFAI=（R78-R56）×（|R78|-|R56|）×1.8-|R56+R78|

式中，R78為7—8月標準化降水量;R56為5—6月標準化降水量;（R78-R56）為早澇急轉強度項;（|R78|-|R56|）早澇強度項;1.8-|R56+R78|是權重系數，作用是增加長周期早澇急轉事件所占權重，降低全早或全澇事件權重。本文將降水距平小于-0.5個標準差，定義為偏早，將降水距平大于0.5個標準差，定義為偏澇。

3.1? ? 異常年的選取

2006—2100年10個最高（低）前10年及其標準化降水量分布如表1、2、3所示?？梢钥闯?，總體特征是高LDFAI年7—8月降水量均大于5—6月降水量，而低LDFAI年正好相反，即高LDFAI反映出了從5—6月到7—8月降水量遞增的趨勢，而低LDFAI反映出了從5—6月到7—8月降水量遞減的趨勢。

3.2? ? 旱澇急轉時間演變分析

圖1a為2006—2100年LDFAI隨時間的演變情況，可以看出，LDFAI指數存在著較大的年際變化差異，尤其是在2022—2070年表現最為顯著，因而可以認為在這一時段內江淮流域夏季旱澇急轉事件頻發(fā)，而在2006—2021年和2070年之后，指數振蕩稍有減弱的趨勢。在2006年、2035年、2055年、2070年這4年整個江淮流域都出現了高強度的旱澇急轉事件，可以將這幾年選為旱澇急轉異常年的代表。在2030年、2086年江淮南北兩區(qū)域都出現了澇轉旱的現象，但是江淮流域北部干旱情況強于南部地區(qū)，在2025年、2075年江淮南北兩區(qū)域都出現了旱轉澇的現象，但是江淮流域北部洪澇情況強于南部地區(qū)。

圖1b是旱澇指數9年滑動平均值，可以看出，以2060年為界，2060年之前LDFAI基本為正，即旱轉澇，2060年之后指數基本為負，即澇轉旱。說明在2060年之前，江淮流域夏季7—8月降水量明顯大于5—6月降水量，而2060年之后情況相反。江淮流域北部旱澇情況存在著明顯的年代際變化，在2030—2040年、2060—2070年、2070—2080年會有3次比較強的旱澇急轉事件的發(fā)生。分析江淮流域南部的指數曲線，南部的旱澇急轉強度普遍低于北部的旱澇急轉強度，與北部情況相似，在2060年之后LDFAI指數明顯變強，但基本處于澇轉旱的情況。

4? ? 結論

（1）21世紀在全球變暖指數最強的背景下，由方差及空間相關分布圖可以看出，江淮流域降水情況一分為二，南部降水變率大于北部，結合EOF分析江淮流域的空間分布及時間演變特征，可以看出，江淮流域降水量整體表現一致，在2006—2100年呈現上升的趨勢，但是淮河及長江流域降水又存在著區(qū)別，可能與副熱帶高壓北跳的位置有關，并且東西區(qū)域也有差異，可能是與兩地的地形因素有關。由區(qū)域降水量平均值可以看出，主汛期降水呈南部多于北部的分布，并且5—8月降水呈現遞減的趨勢。未來江淮流域5月和6月降水量逐漸上升，上升幅度較大且南北部差異明顯，7月上升幅度減緩南北差異變小，到了8月，南北兩區(qū)域基本無差異，且研究區(qū)間8月降水量基本穩(wěn)定，無明顯的上升趨勢，可能是梅雨和伏旱造成了夏初和夏末降水的差異。

（2）江淮流域夏季平均降水量年際變率大，尤其是2060年之后降水增加趨勢明顯。5—8月雖然各月份降水趨勢不同，但大體是以2060年為界，2060年之前降水量浮動小且南北差異不大，2060年之后均出現了不同程度的上升情況，全球變暖對降水的影響在2060年之后表現的比較明顯。

（3）江淮流域旱澇更多地取決于流域北部，旱或澇均強于流域南部。與降水量一樣，江淮流域旱澇急轉也存在明顯的年際變化，2060年之前，整個江淮流域旱澇急轉指數較小，基本處于旱轉澇的階段，2060年之后，LDFAI指數變率增大，在2065年和2075年出現了2次較嚴重的旱澇急轉事件。

5? ? 參考文獻

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