近40年貴州省夏季基于Z指數(shù)的干旱特征分析*

茅海祥，雷 霆，高紅梅，周長志，張 祝

(1銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300；2黔南州氣象局，貴州 黔南 558003)

0 引言

干旱一直以來都是人類面臨的主要自然災(zāi)害，直接關(guān)系到水資源安全、糧食安全和生態(tài)安全[1]。據(jù)貴州省氣象部門統(tǒng)計(jì)貴州干旱發(fā)生的面積占各種自然災(zāi)害受災(zāi)總面積的比例達(dá)到50%，其中6—8月份的夏旱又至關(guān)重要，容易導(dǎo)致大面積旱地、稻田農(nóng)作物枯黃、干死、農(nóng)作物減產(chǎn)甚至絕收。降水量及其時(shí)空分布是導(dǎo)致干旱最直接的原因，因此進(jìn)行多要素、長時(shí)間序列干旱監(jiān)測預(yù)警分析就顯得尤為重要。干旱指標(biāo)是判斷干旱程度的量化標(biāo)準(zhǔn)但也有很強(qiáng)的季節(jié)性差異，目前基于降水Z指數(shù)的干旱研究已比較成熟。王宏[2]采用降水Z 指數(shù)研究河北省降水的多時(shí)間尺度變化情況，認(rèn)為河北省近 49 年來，年降水 Z 指數(shù)呈下降趨勢，并存在多時(shí)間尺度變化特征。錢莉莉[3]以1961—2015年農(nóng)業(yè)干旱Z指數(shù)為基礎(chǔ)，利用ArcGIS空間插值技術(shù)，研究了貴州省5年間隔的5個(gè)干旱等級干旱強(qiáng)度和頻率的特征。楚鵬[4]利用全省逐月降水量資料對5個(gè)氣候分區(qū)的降水Z指數(shù)的年際變化特征、突變特征及其周期特征進(jìn)行了研究。近年來也有一些研究[5-6]表明西南地區(qū)的秋、冬、春旱情有抬頭的趨勢，那么貴州夏季旱情究竟怎樣？本文在前期比較PDSI指數(shù)和降水Z指數(shù)在貴州的適用性的基礎(chǔ)上，選取對貴州夏季干旱反映效果較好的夏季降水Z指數(shù)場，從REOF出發(fā)進(jìn)行分區(qū)后再分析各區(qū)代表站，以期得出貴州省夏季干旱的更多信息。

1 資料選取

為了保證資料的完整性和連續(xù)性，本文選取貴州省境內(nèi)83個(gè)氣象臺站1979—2018年夏季(6—8月)的逐日降水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水Z指數(shù)的空間分布特征

在前期進(jìn)行PDSI指數(shù)與降水Z指數(shù)在貴州省適應(yīng)性分析的基礎(chǔ)上選取了對夏季旱情反映較好的降水Z指數(shù)場進(jìn)行REOF分析，其載荷量LV能夠較好地反映出夏旱的空間特征，取前5個(gè)空間向量作正交旋轉(zhuǎn)變換，累積解釋方差貢獻(xiàn)占總方差的71%，根據(jù)主要空間型分布將貴州省分為西北、東北、東南、西南4個(gè)分區(qū)，與4個(gè)異常區(qū)對應(yīng)的載荷向量場分別在赫章、松桃、黎平以及望謨站取得了最大值，故分別對這4個(gè)典型代表站的降水Z指數(shù)序列進(jìn)行線性趨勢，Mann-Kendall和Morlet小波分析。

2.2 貴州省降水Z指數(shù)時(shí)間變化特征

對赫章、松桃、黎平及望謨4個(gè)代表站的降水Z指數(shù)進(jìn)行趨勢分析得出，近40年貴州省赫章(西北區(qū))和望謨(西南區(qū))夏季干旱略有加重(圖1)，下降的趨向率為0.03/10a和0.09/10a，其余兩個(gè)分區(qū)都呈現(xiàn)干旱減緩的趨勢，松桃(東北區(qū))和黎平(東南區(qū))上升的傾向率分別為0.05/10a和0.03/10a，即貴州省西部夏旱略有加重，東部略有減緩，而且4個(gè)區(qū)年際差別較大。西北區(qū)在1989年、1996年、2000年、2003年、2005年還有2006年出現(xiàn)6次較旱年份，在1988年、1998年、2001年、2008年、2014年出現(xiàn)5次大澇，近年來干旱趨勢減緩，年際變化不大；西南區(qū)域近40年中出現(xiàn)5個(gè)大旱年(1990年、2009年、2011年、2013年、2016年)，4個(gè)大澇年(1987年、1993年、2006年、2007年)，2008年以后相對干旱，呈現(xiàn)變旱的趨勢；東北區(qū)域在80年代初期較為濕潤，90年代以后相對濕潤，出現(xiàn)1995年、1999年2次大澇年，21世紀(jì)以來到2014年干旱化趨勢加重，出現(xiàn)2005年、2009年、2013年3次大旱年，近年來呈現(xiàn)由旱變澇的趨勢；東南區(qū)域從90年代以來一直到2008年都較為濕潤，近年來旱澇年際變化較大，旱澇交替。

圖1 貴州省四個(gè)分區(qū)代表站的降水Z指數(shù)線性趨勢分析(橫坐標(biāo)為年份，縱坐標(biāo)為Z-index值)Fig.1 Linear trends of Z-index of the four representative stationsin Guizhou from 1979 to 2018 (X：year，Y：Z-index)

2.3 突變特征

4個(gè)分區(qū)的降水Z指數(shù)的M-K檢驗(yàn)曲線(圖2)可以看出：西北區(qū)域UF值只有1980年和2015年大于零，其余時(shí)段UF都是小于零的，表明降水Z指數(shù)序列從1981年突變后一直呈下降趨勢，直到2011年再次發(fā)生氣候突變，突變以后一直呈波動上升趨勢；西南區(qū)域UF值在1985年發(fā)生突變之后一直呈上升趨勢(大于零)，到2011年突變呈現(xiàn)波動下降的趨勢；東北區(qū)UF值在2002年突變后呈下降

圖2 貴州省四個(gè)分區(qū)代表站點(diǎn)降水Z指數(shù)MK突變分析(橫坐標(biāo)為年份，縱坐標(biāo)為MK檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量)Fig.2 MK analysis of Z-index of the four representative stations in Guizhou from 1979 to 2018 (X：year，Y：MK value)

的趨勢，直到2014年突變后呈上升趨勢，即由干變濕；東南區(qū)域UF值在1995年之前都是小于零，1995年突變以后一直到2008年發(fā)生突變開始下降之前UF值一直是大于零的即呈上升趨勢，2015年再次發(fā)生突變后一直呈上升趨勢由干變濕。

2.4 周期特征

有研究表明小波系數(shù)的變化趨勢與氣候信號的起伏是基本一致的，從圖3中可以看出，4個(gè)區(qū)域站點(diǎn)的干旱均存在明顯的周期振蕩特征，但不同時(shí)間尺度所對應(yīng)的干旱結(jié)構(gòu)存在差別，在大時(shí)間尺度下又存在著變化復(fù)雜的小時(shí)間尺度結(jié)構(gòu)，表明這4個(gè)區(qū)域站點(diǎn)干旱的變化特征是由不同周期振蕩疊加而成的。由圖3可以看出，西北區(qū)90年代中期到2010年有3～4年的顯著周期；東北區(qū)在90年代中期有3～4年的周期，2010年以后年均有2年的顯著周期；西南區(qū)域在近40年中90年代中期和2010年以后一直存在2～3年的顯著周期；東南區(qū)域在近40年中從90年代以來一直到2008年一直存在3年左右的顯著周期。

圖3 貴州省四個(gè)分區(qū)代表站點(diǎn)的降水Z指數(shù)Morlet小波分析(橫坐標(biāo)為年份，縱坐標(biāo)為時(shí)間尺度)Fig.3 Morlet wavelet analysis of Z-index of the four representative stations in Guizhou from 1979 to 2018 (X：year，Y：time scale)

3 結(jié)論與討論

通過上述氣候診斷方法，對貴州省1979—2018年近40年的降水Z指數(shù)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1)經(jīng)REOF分析將降水Z指數(shù)的空間結(jié)構(gòu)分為4個(gè)具有較高相關(guān)性的異常區(qū)，這4個(gè)異常區(qū)分別是貴州省的西北部、西南部、東北部和東南部，與4個(gè)異常區(qū)對應(yīng)的載荷向量場分別在赫章、望謨、松桃以及黎平站取得了最大值。

2)近40年來貴州的西部夏季旱情略有加重，東部夏旱減緩，尤其是近些年來旱澇更替頻繁，4個(gè)區(qū)域年際差別都較大。

3)近40年來貴州西北區(qū)域和西南區(qū)域反相關(guān)，西北區(qū)域長期呈現(xiàn)下降的趨勢，西南區(qū)域長期呈現(xiàn)上升的趨勢，但是近些年來突變特征較為復(fù)雜；而省的東部近40年來呈現(xiàn)下降-上升-下降-上升的趨勢，旱澇交替。

4)貴州省夏季干旱具有多時(shí)間尺度振蕩的特點(diǎn)，在20世紀(jì)90年代周期特征都比較明顯，存在2～4年的周期，2010年以來東北和西南區(qū)域2年周期比較顯著。