江蘇省干旱空間格局研究

何 健， 馮勝男， 陳 靜， 唐運(yùn)憶

(1.江蘇省水文水資源勘測(cè)局， 江蘇 南京 210029； 2.江蘇省水資源服務(wù)中心， 江蘇 南京 210029)

1 概 述

江蘇省地處我國(guó)南北氣候、高低緯度和海陸相的三重過渡帶，歷來自然災(zāi)害頻發(fā)。干旱是江蘇省最常見的氣象災(zāi)害之一，全省幾乎每年都有不同程度的旱情。如1978年春夏秋連旱，河道斷流，塘壩干涸，全省受旱面積達(dá)380萬km2以上，農(nóng)業(yè)損失慘重，人畜飲水困難；又如2011年，由于持續(xù)嚴(yán)重少雨，加之長(zhǎng)江、淮河來水普遍減少，致使江河湖庫水位異常偏低，近60年不遇的冬春夏連旱襲擾全省，對(duì)生態(tài)環(huán)境、涉水產(chǎn)業(yè)影響明顯。干旱已成為制約江蘇省經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一，開展干旱相關(guān)研究刻不容緩。

把握干旱時(shí)空演變規(guī)律對(duì)防旱抗旱工作有重要參考價(jià)值，同時(shí)也是進(jìn)行干旱成因分析和長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)與前提。因此，有必要利用長(zhǎng)系列資料，通過構(gòu)建能準(zhǔn)確反映旱情的干旱指數(shù)，對(duì)江蘇省歷史干旱的空間格局進(jìn)行系統(tǒng)研究。

2 資料與方法

選取標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)SPEI[1]作為衡量干旱的標(biāo)準(zhǔn)。SPEI在標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)SPI的基礎(chǔ)上引入潛在蒸散發(fā)項(xiàng)，既具有SPI多時(shí)間尺度特征，又考慮了氣溫對(duì)干旱的影響，在中國(guó)區(qū)域具有較好的適用性[2]。采用江蘇省60個(gè)氣象站1961—2012年月降水量和月平均氣溫資料，計(jì)算站點(diǎn)3個(gè)月、6個(gè)月和12個(gè)月尺度SPEI，空間上形成SPEI場(chǎng)。

對(duì)各時(shí)間尺度SPEI場(chǎng)依次進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF)、旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(REOF)和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)聚類(CAST)，方法具體步驟見相關(guān)文獻(xiàn)[3-4]。SPEI場(chǎng)EOF模態(tài)側(cè)重于描述場(chǎng)的整體相關(guān)結(jié)構(gòu)，代表干旱在空間上的典型分布形式，即空間型；REOF載荷向量更加突出場(chǎng)的局部相關(guān)結(jié)構(gòu)，有利于進(jìn)行干旱區(qū)劃分；而干旱空間型和干旱區(qū)隨時(shí)間變化的主要信息則包含在對(duì)應(yīng)的EOF、REOF時(shí)間系數(shù)中。CAST聚類結(jié)果通過顯著性檢驗(yàn)，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，用于驗(yàn)證干旱分區(qū)的合理性。

3 江蘇省干旱空間型

SPEI場(chǎng)EOF分析結(jié)果(表1)表明，3種時(shí)間尺度下前4個(gè)模態(tài)EOF1～4累計(jì)方差貢獻(xiàn)率均接近或超過80%，其中EOF1和EOF2方差貢獻(xiàn)率之和均達(dá)70%以上；換言之，利用少數(shù)幾個(gè)新變量(EOF時(shí)間系數(shù))即可反映原SPEI場(chǎng)60個(gè)氣象站絕大部分信息，表明江蘇省干旱空間分布存在較強(qiáng)共性。比較發(fā)現(xiàn)，SPEI3、SPEI6和SPEI12場(chǎng)具有相似的EOF模態(tài)。鑒于此，以SPEI12場(chǎng)為例，闡明EOF模態(tài)包含的物理意義，并歸納江蘇省干旱主要空間型。

表1 江蘇省SPEI場(chǎng)EOF方差貢獻(xiàn)率

3.1 全省一致型

據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，SPEI12場(chǎng)EOF模態(tài)見圖1， SPEI12場(chǎng)EOF時(shí)間系數(shù)見圖2，EOF1典型過程SPEI12合成場(chǎng)見圖3。

如圖1(a)所示，SPEI12場(chǎng)EOF1一致為正，揭示出干濕狀況全省同步變化的特征，即全省性干旱或濕潤(rùn)。該模態(tài)方差貢獻(xiàn)率高達(dá)52.37%，一定程度上反映了江蘇省干旱最有代表性的空間分布。此外，EOF1自中部向南北兩側(cè)遞減，江淮之間中南部和沿江蘇南西北部為0.8以上高值覆蓋，說明該模態(tài)在當(dāng)?shù)馗咭饬x。

圖2(a)給出了SPEI12場(chǎng)EOF1時(shí)間系數(shù)。將時(shí)間系數(shù)≥1.5(<-1.5)且持續(xù)3個(gè)月以上作為確定模態(tài)典型正(負(fù))位相過程的標(biāo)準(zhǔn)，則EOF1典型正位相過程出現(xiàn)3次(1963年3—8月、1987年10—12月、1991年6月至1992年5月)，典型負(fù)位相過程出現(xiàn)4次(1966年8月至1968年7月、1978年7月至1979年5月、1994年8月至1995年6月、2005年5—7月)。

如圖3所示，對(duì)典型過程SPEI12場(chǎng)的合成分析表明，EOF1正(負(fù))位相較為客觀地描述了江蘇全省性濕潤(rùn)(干旱)的空間分布。

3.2 南北反向型

如圖1(b)所示，SPEI12場(chǎng)EOF2北正南負(fù)，淮北地區(qū)和江淮之間基本為正值，由南往北遞增，沿江蘇南為負(fù)值，自北向南遞減，反映出干濕狀況南北相反的特征，即南干北濕或南濕北干。EOF2在量值上較EOF1有所減小，但方差貢獻(xiàn)率仍有近20%(圖2)，是江蘇省干旱不可忽略的一種空間分布。

利用SPEI12場(chǎng)EOF2時(shí)間系數(shù)(圖2(b))，識(shí)別出EOF2典型正位相過程4次(1965年7—9月、1971年7月至1972年7月、2003年8月至2004年5月、2005年7月至2006年6月)、負(fù)位相過程4次(1977年9月至1978年4月、1992年3—6月、1999年8月至2000年6月、2002年3月至2003年4月)，集中出現(xiàn)在20世紀(jì)六七十年代及20世紀(jì)末至21世紀(jì)初。由典型過程SPEI12合成場(chǎng)可知，EOF2正、負(fù)位相分別與江蘇省南干北濕和南濕北干相對(duì)應(yīng)(圖4)。

3.3 南北波列型

如圖1(c)和圖1(d)所示，SPEI12場(chǎng)EOF3和EOF4在南北方向上將全省劃分為多個(gè)區(qū)域，構(gòu)成正負(fù)相間的波列，顯示出干濕狀況交替分布的特征。EOF3和EOF4方差貢獻(xiàn)率不高，且量值明顯小于前2個(gè)模態(tài)，對(duì)江蘇省干旱空間分布的代表性有限。

圖1 SPEI12場(chǎng)EOF模態(tài)

圖2 SPEI12場(chǎng)EOF時(shí)間系數(shù)

圖3 EOF1典型過程SPEI12合成場(chǎng)

圖4 EOF2典型過程SPEI12合成場(chǎng)

4 江蘇省干旱分區(qū)

SPEI12場(chǎng)EOF模態(tài)強(qiáng)調(diào)的是與全省尺度相當(dāng)?shù)母蓾窨臻g配置。為了便于進(jìn)行干旱區(qū)劃分，對(duì)SPEI12場(chǎng)EOF1～4進(jìn)一步實(shí)施REOF分析，所得4個(gè)載荷向量(REOF1～4)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率保持不變。SPEI12場(chǎng)REOF載荷向量見圖5。

圖5 SPEI12場(chǎng)REOF載荷向量

如圖5所示，江蘇省SPEI12場(chǎng)REOF1～REOF4結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特征清晰，具體表現(xiàn)在：高載荷(載荷量≥0.6)向相對(duì)較小的范圍聚集，其余大部載荷較低，甚至接近于零；高載荷區(qū)界限分明，相互重疊少，合并起來幾乎覆蓋全省。不難發(fā)現(xiàn)，通過旋轉(zhuǎn)變換，載荷向量高值區(qū)實(shí)際上已形成對(duì)江蘇省的區(qū)域劃分。由于高載荷區(qū)干濕變化時(shí)間同步性較高，因而上述分區(qū)即可作為江蘇省干旱分區(qū)，如圖6所示。方便起見，自北向南將4個(gè)區(qū)域依次編號(hào)A～D，即：干旱A(chǔ)區(qū)，對(duì)應(yīng)于REOF2，包括徐州、連云港以及宿遷北部；干旱B區(qū)，對(duì)應(yīng)于REOF4，包括淮安、鹽城以及宿遷南部和揚(yáng)泰北部；干旱C區(qū)，對(duì)應(yīng)于REOF1，包括南京北部、鎮(zhèn)江、揚(yáng)泰南部和南通西北部；干旱D區(qū)，對(duì)應(yīng)于REOF3，包括蘇錫常以及南京南部和南通東南部。

以SPEI12場(chǎng)REOF時(shí)間系數(shù)為中心，對(duì)江蘇省氣象站進(jìn)行CAST聚類，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度檢驗(yàn)干旱分區(qū)的合理性。如圖6所示，0.05顯著性水平下，絕大多數(shù)站有明確類別歸屬，未分類站主要位于第一、三類交界處的過渡地帶，聚類結(jié)果與干旱分區(qū)基本吻合。江蘇省氣象站CAST聚類(顯著性水平0.05)見圖7，由圖6和圖7還可以看出，江蘇省干旱區(qū)與三大地理區(qū)存在一定程度關(guān)聯(lián)。干旱A(chǔ)區(qū)占據(jù)淮北地區(qū)大部，干旱B區(qū)覆蓋江淮之間全域，而干旱C區(qū)和D區(qū)則將沿江蘇南劃分為西北和東南兩部分。

圖6 江蘇省干旱分區(qū)

5 結(jié) 語

基于月降水量和月平均氣溫長(zhǎng)系列氣象資料，構(gòu)建了多時(shí)間尺度SPEI場(chǎng)，進(jìn)而通過對(duì)SPEI場(chǎng)的客觀分型，揭示出江蘇省干旱在空間分布上的規(guī)律性。

(1)江蘇省干旱主要表現(xiàn)為全省一致型、南北反向型和南北波列型3個(gè)空間型，分別代表全省性干旱、南干北濕或南濕北干、干濕南北交替。

圖7 江蘇省氣象站CAST聚類(顯著性水平0.05)

(2)江蘇省可劃分為4個(gè)干旱區(qū)，自北向南依次為干旱A(chǔ)區(qū)(徐州、連云港以及宿遷北部)、干旱B區(qū)(淮安、鹽城以及宿遷南部和揚(yáng)泰北部)、干旱C區(qū)(南京北部、鎮(zhèn)江、揚(yáng)泰南部和南通西北部)和干旱D區(qū)(蘇錫常以及南京南部和南通東南部)。