基于SPEI指數(shù)的華南春季旱澇時空特征

彭窈，彭勁洪，何彬，毛文書，楊鑑斌

（1.清遠(yuǎn)市清新區(qū)氣象局，廣東清遠(yuǎn) 511800；2.清遠(yuǎn)市氣象公共安全技術(shù)支持中心英德分中心，廣東英德 513000；3.連南瑤族自治縣氣象局，廣東連南 513300；4.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川成都 610000）

華南汛期一般為4到9月，期間常引發(fā)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，而華南干旱主要發(fā)生在秋末、冬季及前春，嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)秋、冬、春3季持續(xù)性干旱事件［1-3］。春季仍有較明顯冷空氣抵達(dá)華南沿海，但強(qiáng)度逐漸減弱，同時西南季風(fēng)逐步爆發(fā)影響華南，導(dǎo)致降水不穩(wěn)定性增大，更容易引發(fā)洪澇、干旱災(zāi)害。在時間變化上，黃晚華［4］發(fā)現(xiàn)華南春旱總體呈略增加趨勢，其中20世紀(jì)60年代春旱嚴(yán)重，20世紀(jì)80年代春旱發(fā)生頻率低，21世紀(jì)以來春旱又有所增加，其他學(xué)者對于珠江流域春旱的研究也發(fā)現(xiàn)了相似的特征［5］。在空間分布上，陳云［6］發(fā)現(xiàn)珠江流域春旱發(fā)生頻率大值區(qū)包括興義、望謨、靈山、玉林、羅定和南雄幾個地區(qū)。

因研究方向和時空差異，存在不同指標(biāo)討論華南各地旱澇氣候變化［7-10］。2010年，Vicente-Serrano［11］構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI指數(shù)），該指數(shù)引入潛在蒸發(fā)項，考慮了水分平衡對旱澇的影響，消除了降水和氣溫的時空分布差異，能較好地體現(xiàn)華南旱澇特征［12］。目前對華南春季旱澇研究仍不深入，尤其缺乏SPEI指數(shù)的研究，本研究基于SPEI指數(shù)討論華南春季旱澇問題，以期為區(qū)域氣象防災(zāi)減災(zāi)、氣候資源利用提供有價值的參考。

1 資料與方法

本研究中華南地區(qū)包括廣東和廣西，采用國家氣象信息中心提供的氣象觀測站1961—2016年逐月降水、氣溫資料，剔除氣候資料時間尺度不足56年的站點，最后選取出42個站點。

計算逐年華南春季標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI指數(shù)），通過討論指數(shù)的時空特征來分析旱澇氣候特征，SPEI指數(shù)旱澇等級見表1。

表1 SPEI指數(shù)的旱澇等級劃分表

研究采用正態(tài)分布檢驗、滑動t檢驗、Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗法、Morlet小波分析等方法［13］，分析華南春季旱澇的時間和周期變化特征；采用經(jīng)驗正交函數(shù)分解（EOF）方法［13］，分析華南春季旱澇的空間分布特征。

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI指數(shù)）的計算步驟［11，14］如下：

第1步：基于Thornthwaite方法計算潛在蒸散量，計算逐月降水量和潛在蒸散量的差值

其中，i為某月；Pi為月降水量（mm）；PETi為月潛在蒸散量（mm）。

第2步：對Di數(shù)據(jù)序列進(jìn)行正態(tài)化，計算每個數(shù)值對應(yīng)的SPEI指數(shù)。計算采用3個參數(shù)的Log-Logistic概率分布，其表達(dá)式為

其中α、β、γ分別為尺度參數(shù)、形狀參數(shù)和位置參數(shù)，采用線性矩的方法擬合獲得。

第3步：對累積概率密度進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理：

式（4）、式（5）中其他常數(shù)項取值：c0＝2.515 517、c1＝0.802 853、c2＝0.010 328、d1＝1.432 788、d2＝0.189 269、d3＝0.001 308。

2 華南春季旱澇時間變化特征

將華南42個站點的春季SPEI指數(shù)值求平均作為一個點（平均SPEI值），代表華南區(qū)域春季旱澇值，以此來討論1961—2016年區(qū)域整體的旱澇時間變化特征。對區(qū)域平均SPEI序列進(jìn)行正態(tài)分布偏度和峰度檢驗，其偏度系數(shù)-0.778、峰度系數(shù)0.597，兩者的絕對值均小于1.96，認(rèn)為在95%的顯著性水平下，平均SPEI序列服從正態(tài)分布。華南春季平均SPEI序列與平均降水量的相關(guān)系數(shù)為0.961，表明該指數(shù)能反映降水量的變化趨勢。平均SPEI序列與平均氣溫的相關(guān)系數(shù)為-0.315，兩者存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，氣溫高則蒸發(fā)量大，容易發(fā)生干旱，氣溫低則蒸發(fā)量有限，容易發(fā)生洪澇，這種負(fù)相關(guān)關(guān)系與實況相符。

2.1 平均SPEI值的年際變化特征

統(tǒng)計1961—2016年華南春季平均SPEI值及滑動平均，如圖1所示。

圖1 1961—2016年華南春季平均SPEI值的年際變化（a）和5年滑動t檢驗（b）

由近56年華南春季平均SPEI值及其5年滑動平均的時間變化（圖1a）發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)60年代滑動平均值總體小于0，處于干旱期，其中1963年（重旱）旱情最重；20世紀(jì)70年代至90年代初，滑動平均值總體大于0，處于雨澇期，其中1978年（中澇）澇害最重；20世紀(jì)90年代初至21世紀(jì)初，滑動平均值在0值附近變動，SPEI值圍繞0值線上下波動明顯，即這10余年旱澇轉(zhuǎn)換頻繁；21世紀(jì)后，滑動平均值小于0值為主，進(jìn)入干旱期；2014—2016年，滑動平均值均大于0，可能存在由干旱期向雨澇期過渡的趨勢。

結(jié)合近56年華南春季平均SPEI值的5年滑動t檢驗（圖1b）發(fā)現(xiàn)，SPEI值表現(xiàn)出“升-降-升”的變化趨勢。起初平均SPEI值呈上升趨勢，即趨濕潤化；在1983年其t統(tǒng)計量為-2.6，經(jīng)歷了由上升到下降的明顯突變，置信區(qū)間達(dá)95%，即呈現(xiàn)趨干旱化；在2011年其t統(tǒng)計量為3.09，經(jīng)歷了由下降到上升的明顯突變，置信區(qū)間達(dá)95%，旱情趨于緩解，即呈現(xiàn)趨濕潤化。上述的旱澇時間變化特征，在實況記錄和諸多研究中同樣得到印證［3-5］。

2.2 平均SPEI值的小波分析

由近56年華南春季平均SPEI值小波變換圖（圖2a）可知，華南春季旱澇在20世紀(jì)70年代存在3年左右的周期變化，其余年代存在4～6年的周期變化，其中20世紀(jì)60年代前中期、20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初周期振蕩信號最強(qiáng)；7～11年的周期變化主要出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代以后，存在準(zhǔn)5次周期振蕩；還存在14～25年的周期變化，存在準(zhǔn)4次周期振蕩，其中20世紀(jì)70至90年代前中期周期振蕩信號最強(qiáng)。由小波功率譜圖（圖2b）發(fā)現(xiàn)（陰影部分通過95%的顯著性檢驗），20世紀(jì)70年代中期，存在3年左右的顯著周期變化；20世紀(jì)60年代前中期和20世紀(jì)90年代，存在4～6年的顯著周期變化。

圖2 1961—2016年華南春季平均SPEI值的小波變換系數(shù)實部圖（a）和小波功率譜圖（b）

3 華南春季旱澇空間分布特征

3.1 SPEI指數(shù)變化趨勢的空間分布

華南春季SPEI指數(shù)隨時間的變化存在站點間差異，可能導(dǎo)致旱澇空間分布特征的變化。由56年華南春季SPEI值M-K趨勢檢驗的空間分布（圖3）發(fā)現(xiàn)，正值主要分布在廣東中部、梅縣至汕頭粵東地區(qū)、陽江至電白的粵西沿海地區(qū)，其中僅韶關(guān)站具有顯著洪澇化趨勢，置信區(qū)間達(dá)95%；負(fù)值主要分布在廣西、廣東東部和西部，其中僅南寧站具有顯著干旱趨勢，置信區(qū)間95%?？梢姡诳臻g分布上華南春季旱澇多年變化趨勢并不顯著，這與羅嵐心等［5］的研究結(jié)果相符。

圖3 1961—2016年華南春季SPEI值M-K趨勢檢驗結(jié)果的空間分布

3.2 SPEI指數(shù)場的EOF分解

對近56年華南春季SPEI指數(shù)場作EOF分解，分析結(jié)果鄭彬等［15］、張凌云等［16］的研究結(jié)果相似，表明該指數(shù)同樣可以表現(xiàn)華南春季旱澇空間分布特征。

EOF分解第1模態(tài)的方差貢獻(xiàn)為42.3%，其空間分布型態(tài)（圖4a）表現(xiàn)為華南春季SPEI指數(shù)全區(qū)一致型，即一致洪澇或一致干旱。當(dāng)各地SPEI指數(shù)均為負(fù)值時，全區(qū)域一致干旱，且自西向東的干旱程度加重；當(dāng)各地SPEI指數(shù)均為正值時，全區(qū)域一致洪澇，且自西向東的洪澇程度加重。第1模態(tài)時間系數(shù)與平均SPEI序列的時間變化趨勢大體一致，該模態(tài)表現(xiàn)的是華南春季旱澇最主要的空間分布型態(tài)。

EOF分解第2模態(tài)的方差貢獻(xiàn)為14%，其空間分布型態(tài)（圖4b）大約以112°E為界表現(xiàn)為東西反位相變化。當(dāng)SPEI指數(shù)在華南112°E以西為正值、以東為負(fù)值時，西部洪澇區(qū)自西向東洪澇程度降低，至112°E逐漸過渡到干旱區(qū)，東部干旱區(qū)自西向東干旱程度加重；當(dāng)SPEI指數(shù)在華南112°E以西為負(fù)值、以東為正值時，西部干旱區(qū)自西向東干旱程度降低，至112°E逐漸過渡到洪澇區(qū)，東部洪澇區(qū)自西向東洪澇程度加重。第2模態(tài)反映出春季旱澇在華南東西部之間的空間差異性，其方差貢獻(xiàn)較第1模態(tài)明顯減小，為次要空間分布型態(tài)。

圖4 華南春季SPEI指數(shù)EOF分解第1模態(tài)（a）和第2模態(tài)（b）空間分布型

4 結(jié)論

1）20世紀(jì)60年代華南春季處于干旱期，70年代至90年代初處于雨澇期，90年代初至21世紀(jì)初出現(xiàn)大幅度旱澇轉(zhuǎn)換，21世紀(jì)后又進(jìn)入干旱期。華南春季平均SPEI值在1983年前以上升趨勢為主，即呈現(xiàn)趨濕潤化；在1983年經(jīng)歷了由上升到下降的顯著突變，后呈現(xiàn)趨干旱化；在2011年經(jīng)歷了由下降到上升的顯著突變，后呈現(xiàn)趨濕潤化。

2）華南春季旱澇具有3、4～6、7～11和14～25年的周期變化特征，其中3年左右的周期變化在20世紀(jì)70年代中后期振蕩信號最強(qiáng)；4～6年的周期變化在20世紀(jì)60年代前中期和90年代振蕩信號最強(qiáng)。

3）在空間分布上，華南春季SPEI指數(shù)與SPI指數(shù)的多年變化趨勢相符，旱澇變化趨勢并不顯著，僅韶關(guān)站具有顯著洪澇化趨勢、南寧站具有顯著干旱化趨勢。

4）SPEI指數(shù)場EOF分解得到的第1模態(tài)揭示華南春季旱澇全區(qū)一致型，第2模態(tài)為華南春季旱澇東西反位相變化型。