淮河流域干旱時空演變特征及成因

姚 蕊,夏 敏,孫 鵬,4,*,溫慶志,劉果鎳,梁媛媛

1 南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室,南京 210023

2 安徽師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院,蕪湖 241002

3 資源環(huán)境與地理信息工程安徽省工程技術(shù)研究中心,蕪湖 241002

4 北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點實驗室,北京 100875

IPCC報告指出,近100多年來全球氣溫平均增加0.85℃[1],氣溫上升使得全球旱災(zāi)呈顯著的增加趨勢[1-2]。干旱是我國最常見和影響最大的氣象災(zāi)害[3]。中國平均每年因旱受災(zāi)面積20.50×104km2,造成糧食損失16.26×1010kg[4]?；春恿饔蚴俏覈匾唐芳Z基地[5],水旱災(zāi)害的頻繁發(fā)生[6],嚴(yán)重制約了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國家糧食安全。因此,對干旱時空變化和成因的研究有利于提高防旱抗旱能力,保障我國糧食安全、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。

一些學(xué)者開展了干旱演變特征和成因分析的研究,Andreadis等[7]使用空間聚類方法提取干旱斑塊,識別干旱事件,刻畫干旱的時空變化規(guī)律。Xu等[8]基于多種干旱指數(shù),使用三維聚類方法識別干旱事件的特征,綜合分析干旱的時空變化的動態(tài)過程。干旱的研究僅從干旱歷時、強(qiáng)度、面積等方面進(jìn)行分析,缺乏對干旱事件時空演變和成因關(guān)系的分析,而大量研究表明,王艷玲等[9]研究發(fā)現(xiàn)南方氣旋活動頻數(shù)與上一年赤道東太平洋海溫存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。強(qiáng)ENSO不僅造成中國東部夏季降水異常,而且能控制其他氣候因子對東亞夏季風(fēng)的影響[10],導(dǎo)致南澇北旱[11]異常氣候現(xiàn)象。Sun等[12]研究發(fā)現(xiàn)La Nina現(xiàn)象、北大西洋濤動和青藏高原熱力條件的相互作用導(dǎo)致了我國春季南方的嚴(yán)重干旱。劉學(xué)洋等[13]研究發(fā)現(xiàn)北極濤動和赤道附近東太平洋指數(shù)(Nino3.4)海域提前一年海溫異常是灤河流域發(fā)生嚴(yán)重干旱的主要影響因子。陳文等[14]研究發(fā)現(xiàn)ENSO事件在El Nino發(fā)展位相的夏季,華北降水偏少易發(fā)生干旱,江淮流域降水偏多,容易形成洪澇。綜上所述,干旱的時空演變特征、成因與海面溫度有關(guān)[15],氣候因子以“遙相關(guān)”的形式影響大氣環(huán)流系統(tǒng)[16],進(jìn)而影響到淮河流域旱澇情況。

本文基于SPEI指數(shù)與氣候因子相結(jié)合,探討淮河流域干旱與氣候因子的相關(guān)關(guān)系,辨別影響淮河流域干旱的主要氣候因子,揭示淮河流域干旱發(fā)生的時空變化特征及干旱發(fā)生的機(jī)制。在氣候變化的背景下,為淮河流域干旱監(jiān)測預(yù)警、生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供理論支持和技術(shù)支撐。

1 研究數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文選取淮河流域149個氣象站1962—2016年逐日最高溫、日最低溫、日降水量資料,數(shù)據(jù)來源于中國氣象局(圖1),所使用的數(shù)據(jù)均使用RClimDex程序進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測,不合格數(shù)據(jù)按缺測值處理,缺測值使用3次樣條函數(shù)內(nèi)插補(bǔ)齊。主要選取了氣候因子：西太平洋指數(shù)(Western Pacific, WP)、西半球溫水池(Western Hemisphere Warm Pool, WHWP)、跨尼羅指數(shù)(Traffic Nino Index, TNI)、雙變量ENSO指數(shù)(Bivariate Enso Timeseries, BEST)、南方濤動指數(shù)(Southern Oscillation Index, SOI)、太平洋北美指數(shù)(Pacific North America, PNA)、北太平洋年代際震蕩(Pacific Decadal Oscillation, PDO)、全球溫度指數(shù)(Global Temperature index, GTI)、北太平洋模式(North Pacific, NP)、海洋尼諾指數(shù)(Oceanic Nino Index, ONI)、極端東部熱帶太平洋溫度(Nino2)、東部熱帶太平洋溫度(Nino3)、中東熱帶太平洋溫度(Nino3.4)、中央熱帶太平洋溫度(Nino4)、北太平洋震蕩(North Annular Oscillation, NAO)和多變量ENSO指數(shù)(Multivariable Enso Index, MEI)。選取了美國氣象環(huán)境預(yù)報中心(National Center for Environmental Prediction, NCEP)和美國國家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)再分析資料：250 hPa、500 hPa、800 hPa位勢高度數(shù)據(jù),以及風(fēng)速分量等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)均來源于：http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/data.ncep.reanalysis.derived.html。

圖 1 淮河流域氣象站點分布

1.2 研究方法

1.2.1標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(Standard Precipitation Evapotranspiration Index, SPEI)Vicente-Serrano等[17]2010年在SPI的基礎(chǔ)上結(jié)合降水和溫度變化提出,SPEI是對降水量與潛在蒸散量差值序列的累積概率值進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化后的指數(shù)。

本文采用Penman—Monteith公式計算1962—2016年逐日潛在蒸散量[18],然后計算逐月降水與蒸散的差值Di,即

Di=Pi-PETi

(1)

式中,Pi為月降水量(mm/月)；PETi為月潛在蒸散量(mm/月)。通過疊加計算建立不同時間尺度氣候?qū)W意義的水分盈虧累積序列,即

(2)

式中,n≥k,k為時間尺度(月),n為計算次數(shù)。

對Di數(shù)據(jù)序列進(jìn)行正態(tài)化處理,計算每個數(shù)值對應(yīng)的SPEI指數(shù)。其中,標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)化擬合采用Log-logistic分布模型,并得到不同時間尺度的SPEI指數(shù)。依據(jù)中國氣象局制定的SPEI干旱等級劃分標(biāo)準(zhǔn)[19]對研究區(qū)干旱等級進(jìn)行劃分。

1.2.2干旱的定量表征

干旱的定量表征通過其屬性來表示,主要包括干旱事件和干旱重心[8]。

(1)干旱事件

本文干旱事件定義為：SPEI<-0.5,其值越小表明干旱強(qiáng)度越強(qiáng)。

Q=SPEISPEI≤-0.5

(3)

式中,SPEISPEI≤-0.5為小于-0.5的SPEI值。

(2)干旱重心

干旱重心表示為干旱事件在三維時空域中的位置(經(jīng)度、緯度、時間)。采用MATLAB圖像處理函數(shù)regionprios提取干旱事件的重心。

1.2.3小波分析

小波函數(shù)φ(t)指具有震蕩特性、能夠迅速衰減到零的一類函數(shù),定義為

(4)

小波函數(shù)是小波分析的關(guān)鍵。文章采用Morlet小波分析淮河流域SPEI值與氣候因子的周期變化特征,Morlet小波具有良好的時、頻域局部性,展現(xiàn)時間序列的精細(xì)結(jié)構(gòu),顯現(xiàn)出隱含在序列中隨時間變化的周期[20-21]。

1.2.4旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗正交函數(shù)分解

旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗正交函數(shù)分解(Rotated Empirical Orthogonal Function, REOF)是對時空向量場進(jìn)行EOF分解基礎(chǔ)上,對原矩陣進(jìn)行極大方差旋轉(zhuǎn)(正交旋轉(zhuǎn)),使同一空間模態(tài)下高載荷向量場均集中在部分區(qū)域的少數(shù)變量中[22-23]。經(jīng)旋轉(zhuǎn)之后的特征場在時間上更為穩(wěn)定,空間分布結(jié)構(gòu)更為清晰,更能突出氣候要素在空間上異常分布的局域特征。

1.2.5主成分分析

主成分分析[24](Principal Component Analysis, PCA)于1901年由Pearson提出,Hotelling推廣到隨機(jī)向量。主成分分析主要對協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分析,在數(shù)據(jù)降維的同時保持?jǐn)?shù)據(jù)貢獻(xiàn)最大。

2 淮河流域干旱與氣候因子特征分析

2.1 淮河流域干旱空間演變分析

圖2是基于SPEI的1962—2016年月尺度干旱時空發(fā)展過程。從整體來看,干旱重心空間分布從流域中心向四周減少,且大多沿河流分布,干旱過程表現(xiàn)為：全流域性干旱—局部干旱—全流域性干旱的變化。從季節(jié)來看,春季主要干旱重心在淮河流域中部,少數(shù)沿河流分布,表明春季干旱為全淮河流域的,局部區(qū)域春旱發(fā)生較少；夏季干旱主要發(fā)生的淮河流域中部,并漸次南移,表明夏季干旱的演變由全流域到局部演變,且淮河流域南部區(qū)域夏季干旱；秋季干旱重心較均勻地分布于各區(qū)域,表明淮河流域干旱從區(qū)域性干旱轉(zhuǎn)變?yōu)榫植啃愿珊?東北部和西部干旱增加；冬季干旱重心空間分布又開始從局部發(fā)生干旱轉(zhuǎn)向全流域性發(fā)生干旱。

圖2 1962—2016年淮河流域月尺度干旱重心空間分布

圖3是基于SPEI的1962—2016年年際干旱時空發(fā)展過程。從整體來看,淮河流域中部干旱重心分布最多,向四周擴(kuò)散,且有年際變化。1962—1969年主要沿西北—東南的線路分布,全流域性干旱雖然經(jīng)常發(fā)生,但是局部干旱也比較嚴(yán)重；1970—1979年淮河流域干旱嚴(yán)重,以局部干旱為主,全流域性干旱減少,干旱重心分布轉(zhuǎn)移到中部以及西部,東部較少；1980—1989年干旱重心分布較為均勻,以局部發(fā)生干旱為主,全流域性減少,較之前十年,西部的變化不大,東部急劇增長；1990—1999年,干旱重心分布中部增多,東部分布迅速減少,中部和西部增多；2000—2009年,干旱重心分布東部明顯增多,西部減少,東南部增加明顯,干旱以全流域性為主,局部減少；2010—2016年,干旱分布中部較多,干旱重心空間分布向北轉(zhuǎn)移。這與方國華等[25]研究發(fā)現(xiàn)干旱整體向西北方向遷移結(jié)果一致。

圖3 1962—2016年淮河流域年代際干旱重心空間分布

圖4是基于SPEI的2013年干旱時空過程。2013年干旱重心從西北部—中部—西南部—中部這一次序發(fā)生變化,上半年淮河流域干旱重心分布在中部、西部,下半年主要集中在中部、東北部。而中部地區(qū)較西北地區(qū)干旱程度低,當(dāng)干旱中心在西部發(fā)生的時候,SPEI累積值較高,當(dāng)干旱重心分布在中心位置的時候,SPEI累積值較低,雖然中部干旱發(fā)生次數(shù)多,但是干旱程度較西部低。主要是因為當(dāng)淮河流域全流域性發(fā)生干旱的時候,干旱程度都比較低,而當(dāng)局部發(fā)生干旱的時候,往往比較嚴(yán)重。春季發(fā)生嚴(yán)重的干旱,干旱面積覆蓋了流域的58%,主要集中在中部和西部；夏季干旱面積覆蓋流域48%,主要集中在西南部中部；秋季干旱面積覆蓋了流域54%,干旱重心從東南向西北轉(zhuǎn)移,對應(yīng)的干旱面積也呈現(xiàn)出“低-高-低”；冬季干旱面積覆蓋了流域34%,分布比較分散,干旱逐漸減少。

圖4 2013年淮河流域干旱時空變化

2.2 氣候因子對干旱空間特征的影響

根據(jù)南方濤動指數(shù)(SOI)對1962—2016年的冷暖事件進(jìn)行劃分[26]。研究期間共發(fā)生冷暖事件36次,其中,冷、暖事件分別發(fā)生了16次和20次。暖事件發(fā)生的總頻次高于冷事件。從持續(xù)時間來看,暖事件在1970.3—1972.3持續(xù)了最長的25個月,而冷事件于1977.1—1978.4持續(xù)了最長的15個月；從發(fā)生的季節(jié)來看,冷事件主要開始于夏、秋季節(jié),而暖事件主要發(fā)生于春、夏季節(jié)；發(fā)生冷暖事件較為頻繁的季節(jié)為秋季與冬季,且冷暖事件大多在春季時結(jié)束,占總事件41%。

圖5 南方濤動指數(shù)冷暖事件的劃分

圖6是干旱在氣候因子冷暖期內(nèi)累積值、出現(xiàn)次數(shù)百分比的差異。由圖可知：在不同冷暖事件下,淮河流域干旱累積值、出現(xiàn)次數(shù)的差異性不同?；春恿饔蚋珊翟谂诟咧党霈F(xiàn)在中部及西南部,冷期高值出現(xiàn)在東北部。在不同位相時,對淮河流域干旱的影響不同,空間分布也具有差異性。當(dāng)處于SOI冷期時,當(dāng)處于SOI冷期時,淮河流域東北部、西北部易發(fā)生干旱,當(dāng)處于SOI暖期時則是中部及西南部易發(fā)生干旱。相較于SOI暖期,淮河流域干旱在SOI冷期發(fā)生次數(shù)更大且易發(fā)地區(qū)更集中。在1962—2016年的SOI冷期內(nèi),淮河流域受影響較顯著東北部超過50%,最顯著的地方達(dá)到了60%。當(dāng)處于SOI暖期時,淮河流域干旱分布較為均勻,與冷期相反,主要集中在中部和南部。從干旱累積值可知,干旱值暖期>冷期,這與暖事件>冷事件發(fā)生次數(shù)結(jié)果相一致；從干旱處出現(xiàn)次數(shù)比可知,冷事件>暖事件處出現(xiàn)次數(shù)比。

圖6 干旱在氣候因子冷暖期內(nèi)累積值、出現(xiàn)次數(shù)百分比的差異

對SPEI指數(shù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗正交分解,前3個模態(tài)的累積解釋方差均超過了總方差的50%,選擇REOF旋轉(zhuǎn)下的前3個模態(tài)(REOF1, REOF2, REOF3)。前3個主要特征向量的方差累積貢獻(xiàn)率分別達(dá)85.3%,65.2%,69.4%和87.4%。

前3個模態(tài)的空間分布如圖7所示,春季和冬季空間模態(tài)全流域值一致為正值或負(fù)值時,表明淮河流域干旱分布一致性。夏季第一模態(tài)中零線縱向?qū)⒒春恿饔蚍譃闁|西兩部分,干旱具有東多(少)西少(多)的分布型,淮河流域西部有顯著的逐年遞減趨勢,而東部則有逐漸增大的特點；第二、三模態(tài)零線橫向?qū)⒒春恿饔蚍譃槟媳眱刹糠?淮河流域以零線為界干旱呈相反的北多(少)南少(多)分布型式,淮河流域西部有顯著的逐年遞減趨勢,而東部則有逐漸增大的特點。秋季第一模態(tài)與夏季一致,第二模態(tài)全流域值一致,第三模態(tài)則與夏季相反,零線橫向?qū)⒒春恿饔蚍譃槟媳眱刹糠?表明在不同模態(tài)下,淮河流域干旱空間分布類型不同。而在空間中,春夏秋冬的空間模態(tài)分布大體具有一致性,第一模態(tài)空間呈經(jīng)向分布,第二模態(tài)空間呈緯向分布,第三模態(tài)空間呈緯向分布。

圖7 淮河流域春夏秋冬干旱空間特征

2.3 氣候因子對淮河流域干旱變化影響

氣候因子對淮河流域干旱的影響(圖8)從空間特征來看,氣候因子WP與淮河流域干旱相關(guān)關(guān)系為正相關(guān),從東北部向西南部遞減,且都通過了0.05的顯著性檢驗。MEI、BEST、GTI、Nino3.4、Nino3、PNA、Nino4、ONI、Nino2、TNI和WHWP對淮河流域干旱的影響從東南到西北遞減,對淮河流域干旱呈現(xiàn)東正西負(fù)的相關(guān)關(guān)系,這與圖7淮河流域干旱存在東西相反型的結(jié)果相符。其中MEI、BEST、Nino3.4、Nino4、ONI在淮河流域南部呈顯著正相關(guān),說明氣候因子影響淮河流域南部干旱,Nino3、Nino2、WHWP則影響淮河流域東南部干旱。GTI、PDO則對淮河流域南部干旱呈正相關(guān)關(guān)系,對淮河流域北部呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。研究表明PDO為冷位相時,造成淮河流域夏季降水偏多,呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系,反之PDO為暖位相時,造成淮河流域降水偏少,呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系[27],這與圖7淮河流域干旱存在南北相反型的結(jié)果一致。SOI則與上述氣候因子相反,與淮河流域干旱從南向北遞增,且南部呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖8 氣候因子與淮河流域干旱的遙相關(guān)關(guān)系

從時間特征來看,氣候因子與季節(jié)干旱時間分量的關(guān)系如圖9所示。由圖可知,PDO、ONI、Nino4、Nino3.4、MEI、BEST與干旱均呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),SOI、TNI與干旱則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。SOI與PDO、ONI、Nino4、Nino3.4、MEI、BEST等氣候因子均為負(fù)相關(guān)(P<0.01)。PDO與夏季、秋季和冬季干旱呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),而與春季干旱存在負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.1)。SOI與當(dāng)年淮河流域干旱呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05),在夏季和秋季呈顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05),冬季干旱的變化則呈不顯著相關(guān)關(guān)系(P>0.1)。與淮河流域春夏秋冬時間分量與氣候因子之間的相關(guān)關(guān)系看,淮河流域主要影響因子是SOI、PDO、ONI、Nino4、Nino3.4、MEI、BEST等氣候因子。

圖9 REOF春夏秋冬時間分量與氣候因子之間的相關(guān)關(guān)系

對SPEI與氣候因子進(jìn)行主成分分析得到特征值及主要貢獻(xiàn)率(表1)。由于前三個主成分的累積貢獻(xiàn)度>85%,且第四個成分<5%,本文選擇前3個成分。前3個主要成分的累積貢獻(xiàn)率分別達(dá)65.3%、77.6%和85.4%。

表1 前3個成分的特征值及主要貢獻(xiàn)率

由圖10可知,對SPEI與氣候因子相關(guān)系數(shù)進(jìn)行主成分分析。第一主成分與WP、WHWP、BEST、PNA、PDO、GTI、NP、ONI、Nino2、Nino3、Nino3.4、Nino4和MEI呈正相關(guān)關(guān)系,與SOI、NAO和TNI呈負(fù)相關(guān)；第二主成分與ONI、Nino3、Nino3、Nino3.4、Nino2、PNA、NAO、TNI、WP和GTI呈正相關(guān)關(guān)系,與PDO、SOI、WHWP、BEST、NP、ONI、Nino4和MEI呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；第三主成分與ONI、Nino3、Nino3、Nino3.4、Nino2、PNA、TNI、SOI、WHWP、NP、ONI、WP和MEI呈正相關(guān)關(guān)系,與PDO、Nino4、NAO、BEST、和GTI呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由圖可知：氣候因子對淮河流域干旱的影響主要是SOI> Nino3.4> ONI> Nino2> BEST> MEI> Nino3> WHWP> GTI> Nino4> TNI> PDO> NAO> WP> NP> PNA。

圖10 氣候因子主成分分析

2.4 SPEI值和氣候因子的周期特征分析

從圖11可知,表征淮河流域干旱春、夏、秋、冬SPEI和SOI、PDO、Nino3.4、MEI、Nino3氣候因子在不同時間段呈現(xiàn)出不同的振蕩周期和顯著性水平。春季在1965—1969年和1977—1983年存在2—3.5年、2.5—4.5年顯著周期,夏季在1983—1989年存在4.4—4.7年、3.0—3.5年顯著周期,秋季在1995—2005年存在3.1—3.2年和3.5—4.2年顯著周期,冬季在1968—1976年、1983—2001年存在3.5—4年和4—5年顯著周期,SOI在1967—1973年和1976—1988年存在3.4—4年和3.7—4.5年顯著周期,PDO在1983—1999年存在3.5—3.8年和4—4.5年顯著周期,Nino3.4在1968—1973年和1982—1996年存在3.5—4年和3.7—4.5年顯著周期,MEI在1982—1998年和1967—1974年存在3.7—4.5年和3.4—4年顯著周期,Nino3在1968—1973年、1982—2000年存在3.5—4年和3.7—4.6年顯著周期,均通過置信水平為95%的紅噪聲檢驗。春季在1970年左右與各氣候因子相對應(yīng),夏季則不明顯,秋季對應(yīng)在2000年代左右,冬季與各氣候因子最為貼近,在1970年代左右和1980—2000年的周期3.5—4.5a左右顯著周期。

圖11 淮河流域SPEI值和氣候因子的周期分析

2.5 環(huán)流特征對淮河流域干旱影響分析

選擇1948—2016年的NCEP/NCAR再分析資料,春夏秋冬250 hPa、500 hPa、850 hPa位勢高度進(jìn)行分析。

春季位勢高度進(jìn)行REOF分解發(fā)現(xiàn)(圖12),在250 hPa層面上,位勢高度成“高-低-高”的緯向分布,最高值在赤道附近,淮河流域位于中心的北部；在500 hPa層面上,位勢高度成“高-低-高”的分布,最低值在蒙古附近；在850 hPa層面上,位勢高度場成“高-低-高”的緯向分布,最低值在蒙古附近,淮河流域位于中心的東南部。淮河流域在850 hPa與250 hPa位置呈現(xiàn)相反型,在850 hPa中來自北半球極地和高緯度地區(qū)的氣流,從淮河流域北部和西部蔓延,導(dǎo)致淮河流域春季北部氣溫較南部高；而淮河流域在250 hPa中從印度洋和孟加拉灣的氣流逐漸減弱,造成淮河流域春季南部降水較北部多,故淮河流域北部較南部多春旱。這個結(jié)果與馬開玉等[28]發(fā)現(xiàn)淮河流域北部較南部多春旱一致,也與圖3干旱重心移動的軌跡變化相符合。

夏季位勢高度進(jìn)行REOF分解發(fā)現(xiàn)(圖12),在250 hPa層面上,夏季存在兩個異常,一個異常反氣旋大體位于50°N附近,另一個異常反氣旋大體位于40°N附近。蒙古境內(nèi)存在明顯的異常反氣旋性環(huán)流,氣旋中心位勢高度增加趨勢顯著,這種異常表明了在夏季,東亞地區(qū)從高緯度到低緯度區(qū)域形成的“低-高-低”型位勢高度異常。在500 hPa層面上,從高緯度到低緯度呈現(xiàn)“低-高-低”型分布,下沉氣流依然盛行,淮河流域形成西高東低的態(tài)勢,不利于降水的發(fā)生。這與250 hPa分布基本一致。在850 hPa層面上,850 hPa位勢高度場上東亞地區(qū)從高緯度到低緯度存在“低-高-低”型分布。在這種位勢高度場布局下,蒙古氣旋偏弱致使我國西路水汽輸送減弱[29],而在風(fēng)矢量異常上,淮河流域被異常偏北風(fēng)覆蓋,夏季風(fēng)經(jīng)向分量的偏弱,來自低緯海洋的暖濕水汽輸送減弱[30],降水減少?；春恿饔蚴芨睙釒Ц邏嚎刂莆饕坪兔酚赇h的偏南[31-32],晴熱少雨,進(jìn)入伏旱。

秋季位勢高度進(jìn)行REOF分解發(fā)現(xiàn)(圖12),在250 hPa層面上,位勢高度成“北低南高”的緯向分布,位勢高度表現(xiàn)為負(fù)異常達(dá)到0.02,最高值在赤道附近,呈現(xiàn)南北相反型；在500 hPa層面上,位勢高度成“低-高-低”的經(jīng)向分布,呈現(xiàn)東西相反型,淮河流域處于高壓東部,受大陸暖高壓控制,盛行西北氣流,不利于降水出現(xiàn)；在850 hPa層面上,位勢高度場成“高-低-高”緯向分布。位勢高度最低值在內(nèi)蒙古地區(qū),偏北風(fēng)與偏南風(fēng)在淮河流域處交匯,西側(cè)受來自印度洋和孟加拉灣的氣流,增溫增濕,東側(cè)受北方的干冷氣團(tuán)所控制,干旱少雨。

冬季位勢高度距平場REOF分解發(fā)現(xiàn)(圖12),在250 hPa層面上,位勢高度成“北低南高”的緯向分布,位勢高度表現(xiàn)為正負(fù)異常達(dá)到0.04,正異常位于東北地區(qū),負(fù)異常則位于青藏高原,呈現(xiàn)東西相反型；在500 hPa層面上,位勢高度成“低-高-低”的經(jīng)向分布,呈現(xiàn)東西相反型；正值位于中國東北區(qū)域,淮河流域處于反氣旋的南部,盛行東南風(fēng),淮河流域帶來太平洋氣流增溫增濕,從東部向西部遞減。在850 hPa層面上,位勢高度場成“由低到高”緯向分布,位勢高度表現(xiàn)為正負(fù)異常達(dá)到0.075,負(fù)異常位于西伯利亞。冬季西伯利亞高壓南下,風(fēng)力逐漸減弱[33],當(dāng)移動到淮河流域時,氣團(tuán)干冷,盛行下沉氣流,多晴朗少云天氣,易引發(fā)干旱。

圖12 春夏秋冬250、500、850 hPa位勢高度REOF第一模態(tài)空間分布和平均風(fēng)場分析

3 討論

在氣候變暖背景下,SPEI指數(shù)在淮河流域的干旱監(jiān)測與分析中具有較好的適用性[34]?；春恿饔蚋珊抵饕尸F(xiàn)全流域性干旱—局部干旱—全流域性干旱的變化。不同季節(jié)干旱重心的演變路徑不同,隨著干旱面積的增大,干旱重心向流域中心移動?；春恿饔蛭挥谀媳睔夂蜻^渡帶,冬春干旱少雨,降水量減少[37],容易造成全流域干旱的發(fā)生,夏季炎熱多雨,呈現(xiàn)先洪后旱、旱澇交替的局面,受副熱帶高壓長期控制,全流域爆發(fā)干旱[35]；秋季干旱重心向北方轉(zhuǎn)移,受流域降水南多北少的空間分布影響,王崠等[36]研究表明淮河流域受降水空間分布影響,干旱程度北部>南部。

而大氣環(huán)流的規(guī)律性運動和異常是形成淮河流域干旱的重要原因,不同冷暖期間,對淮河流域的影響不同。當(dāng)氣候因子(ENSO)位于低相位時,赤道東太平洋海溫增高、西太平洋海溫降低,東亞季風(fēng)減弱,西太平洋副熱帶高壓位置南移,使得中國主要季風(fēng)雨帶偏南,淮河流域降水減少[37]。干旱在1970年代、1990年代和2000年代存在2—5年顯著周期(P<0.05),氣候因子在3.4—4.5年存在顯著周期(P<0.05)。干旱和各氣候因子具有相似的震蕩周期變化,說明氣候因子促進(jìn)淮河流域干旱的變化,并對淮河流域干旱在較短年際周期交替上有著重要的作用。

而張岳軍等[38]研究發(fā)現(xiàn)太原地區(qū)的干旱與NAO、WP、PDO和PNA 4個大尺度因子都具有6—12年年代際主共振周期。SOI與當(dāng)年淮河流域夏季和秋季干旱呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)處于SOI冷期時,淮河流域東北部、西北部易發(fā)生干旱,當(dāng)處于SOI暖期時則是中部及西南部易發(fā)生干旱。王月等[39]研究發(fā)現(xiàn)PDO、IOD是影響淮河流域夏季降水的關(guān)鍵因子,各氣候因子的冷暖位相單獨及聯(lián)合對淮河流域夏季降水的影響不同,PDO的冷期以及NAO、IOD冷位相使流域北部的夏季降水量呈顯著增加趨勢,PDO分別聯(lián)合ENSO、NAO和IOD的冷、暖位相對流域北部地區(qū)和淮河上游地區(qū)的夏季降水影響顯著。這與淮河流域中模態(tài)出現(xiàn)南北相反型分布相對應(yīng),而MEI、BEST、GTI、Nino3.4、Nino3、PNA、Nino4、ONI、Nino2、TNI和WHWP等氣候因子對淮河流域干旱的影響從東南向西北遞減,干旱模態(tài)呈現(xiàn)東西相反型。這與淮河流域中模態(tài)出現(xiàn)南北相反型分布相對應(yīng),而MEI、BEST、GTI、Nino3.4、Nino3、PNA、Nino4、ONI、Nino2、TNI和WHWP等氣候因子對淮河流域干旱的影響從東南向西北遞減,干旱模態(tài)呈現(xiàn)東西相反型。

本文從氣候因子、大氣環(huán)流等方面探討了其對干旱的影響,但這不足以闡述干旱發(fā)生的所有原因,形成干旱的原因還有很多,如下墊面因素、水利工程等,有待進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

本文基于SPEI指數(shù)對淮河流域1962—2016年從多種時間尺度的干旱特征進(jìn)行了分析,從干旱與氣候因子的關(guān)系、周期特征、干旱的空間分布和環(huán)流特征等定量分析淮河流域干旱特征,揭示了淮河流域干旱發(fā)生的時空變化特征及干旱發(fā)生的機(jī)制原因。主要有以下結(jié)論：

(1)從干旱的演變軌跡看,干旱重心從淮河流域中心向四周移動。干旱主要是從全流域性發(fā)生干旱向局部發(fā)生干旱轉(zhuǎn)變,再轉(zhuǎn)向全流域性發(fā)生干旱的變化。2013年干旱重心從西北部—中部—西南部—中部發(fā)生變化,干旱重心隨著面積的增大(減少)向中心(邊緣)移動。

(2)氣候因子對淮河流域干旱遙相關(guān)分析可知,PDO、ONI、Nino4、Nino3.4、MEI、BEST與SPEI均呈正相關(guān)關(guān)系(P<0.05),SOI、TNI與SPEI則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。氣候因子對淮河流域干旱的影響主要是SOI> Nino3.4> ONI> Nino2> BEST> MEI> Nino3> WHWP> GTI> Nino4> TNI> PDO> NAO> WP> NP> PNA。

(3)春季和冬季干旱全流域一致型,夏季和秋季干旱具有東西相反的分布型,南北相反分布型式,在不同模態(tài)下,淮河流域干旱空間分布類型不同。而在空間中,春夏秋冬的空間模態(tài)分布大體具有一致性,第一模態(tài)呈經(jīng)向分布,第二模態(tài)呈緯向分布,第三模態(tài)呈緯向分布。

(4)從年周期看,淮河流域干旱周期時段主要集中在1970年代、1990年代和2000年代,而周期主要存在2—5年顯著周期,SOI、PDO、Nino3.4、MEI、Nino3氣候因子存在3.4—4.5年顯著周期。

(5)分析環(huán)流特征對淮河流域干旱的影響發(fā)現(xiàn),淮河流域干旱變化春季高緯度地區(qū)的氣流南下,遇上印度洋和孟加拉灣的氣流北上造成南濕北干；夏季蒙古氣旋偏弱和異常偏北風(fēng)覆蓋造成干旱東干西濕；秋季受大陸高壓控制,偏北風(fēng)和南風(fēng)相互影響造成東干西濕；冬季盛行下沉氣流和盛行東南風(fēng)造成東濕西干。