粵東北汛期旱澇急轉(zhuǎn)時空變化特征分析

李思萍，鐘東良，巫燕輝，曾思亮，葉小武

(河源市氣象局，廣東 河源 517000)

旱澇急轉(zhuǎn)是指一段時間旱，而接下來的一段時間澇，旱、澇事件交替出現(xiàn)的情形，反映了旱澇極端事件在短期內(nèi)的共存。全球氣候暖干化的背景之下，水循環(huán)格局變化顯著，導(dǎo)致幾十年或百年一遇的旱澇異?，F(xiàn)象持續(xù)頻發(fā)[1]。張玉琴[2]等在統(tǒng)計近56 a華南地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)事件的發(fā)生頻率時指出有先減少后增加的年代際特征；何慧[3]等在研究中指出粵東的夏季長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)呈顯著上升趨勢；陳心池[4]等研究得出廣東地區(qū)主要存在兩種旱澇時空演變特征且以澇事件居多。還有部分研究指出近年來廣東省“旱澇交替、旱澇急轉(zhuǎn)、旱澇無?！钡默F(xiàn)象頻發(fā)[5-6]?；洊|北屬于南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，降水季節(jié)變化大，旱澇急轉(zhuǎn)事件的發(fā)生常常導(dǎo)致粵東北山區(qū)出現(xiàn)旱澇災(zāi)害，嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。目前對旱澇急轉(zhuǎn)事件的預(yù)測難度還很大，因此旱澇的演變規(guī)律、發(fā)生機制和中長期預(yù)測等已成為當(dāng)前氣候變化研究領(lǐng)域的熱點。

本文基于粵東北12個國家氣象站近55 a的月降雨量資料，選用長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)(LDFAI)作為旱澇急轉(zhuǎn)的評價指標(biāo)，并結(jié)合線性趨勢分析、Mann-Kendall檢驗和EOF分析等方法全面分析粵東北汛期旱澇急轉(zhuǎn)時空分布特征，并總結(jié)了典型旱澇異常年份的特征，為粵東北地區(qū)旱澇災(zāi)害的發(fā)生規(guī)律、轉(zhuǎn)變機制研究和指導(dǎo)水庫科學(xué)調(diào)度提供理論依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料選取

本文研究數(shù)據(jù)采用粵東北地區(qū)的河源、連平、和平、龍川、紫金、梅縣、平遠(yuǎn)、興寧、蕉嶺、大埔、五華、豐順等共12個國家級氣象觀測站1965—2019年逐月降水資料，從統(tǒng)計意義上看，這樣長的時間序列可獲得可信的結(jié)論。

1.2 研究方法

1.2.1降水距平百分率

降水距平百分率(Pa)是反映一段時間的降水與常年同期平均狀態(tài)的偏離程度[7]。

(1)

1.2.2長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)

由于華南區(qū)域汛期一般在4—9月，因此將4—9月累計雨量定義為粵東北的汛期降水，并將4—6月和7—9月分別定義為前汛期和后汛期。為定量地分析粵東北汛期旱澇急轉(zhuǎn)的基本特征，參考文獻[8]定義的長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)LDFAI：

LDFAI=(R后-R前)×(|R前|+|R后|)×1.8-|R前+R后|

(2)

式中R前、R后分別是前汛期標(biāo)準(zhǔn)化降水量、后汛期標(biāo)準(zhǔn)化降水量；(R后-R前)是旱澇急轉(zhuǎn)強度項；(|R前|+|R后|)是旱澇強度項；1.8-|R前+R后|是權(quán)重系數(shù)，可增加長周期旱澇急轉(zhuǎn)事件所占權(quán)重，降低全旱(全澇)事件權(quán)重[3，9]。

對降水量標(biāo)準(zhǔn)化處理后，降水距平在0.5倍標(biāo)準(zhǔn)差以上為偏澇，1倍標(biāo)準(zhǔn)差以上為顯著偏澇；降水距平在-0.5倍標(biāo)準(zhǔn)差以下為偏旱，-1倍標(biāo)準(zhǔn)差以下為顯著偏旱；降水距平介于-0.5～0.5倍標(biāo)準(zhǔn)差之間為正常狀態(tài)。長周期旱澇急轉(zhuǎn)事件的判斷標(biāo)準(zhǔn)：LDFAI>1是旱轉(zhuǎn)澇事件，LDFAI<-1是澇轉(zhuǎn)旱事件，1>LDFAI>-1是正常狀態(tài)[10-11]。用粵東北地區(qū)12個站點的LDFAI指數(shù)和強度的時間序列值計算算術(shù)平均值，作為該地區(qū)的區(qū)域平均序列值。

2 結(jié)果與分析

2.1 旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)年際變化特征及突變年份

根據(jù)粵東北地區(qū)汛期降水序列，計算其1965—2019年汛期長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)(LDFAI)，統(tǒng)計分析近55 a排名前5位的最高(低)LDFAI年及相應(yīng)的前、后汛期標(biāo)準(zhǔn)化降雨量(見表1)?？梢姼週DFAI年的后汛期降雨量大于前汛期，前汛期有3 a的降水距平在-0.5倍標(biāo)準(zhǔn)差以下(偏旱)，正常狀態(tài)和顯著偏澇各1 a；后汛期有3 a為正常狀態(tài)，偏澇和顯著偏澇各1 a。與高LDFAI年相反，低LDFAI年的前汛期降雨量大于后汛期，前汛期降水距平都在1倍標(biāo)準(zhǔn)差以上(顯著偏澇)，后汛期降水距平都在-1倍標(biāo)準(zhǔn)差以下(顯著偏旱)。

圖1a中可見，LDFAI指數(shù)尤以20世紀(jì)90年代以前差異最明顯，20世紀(jì)90年代以后差異趨于減小。近55 a期間有85%的年份LDFAI指數(shù)小于0，其中有60%的年份LDFAI指數(shù)小于-1，可知粵東北汛期長周期旱澇急轉(zhuǎn)特征以澇轉(zhuǎn)旱為主。LDFAI指數(shù)時間序列上最大值在2002年為2.57，最小值在1974年為-14.04，線性系數(shù)為0.052。LDFAI強度時間序列上最大值在1974年為16.05，最小值在1985年為0.34，線性系數(shù)為-0.022 8。由圖1可見，雖然指數(shù)和強度的變化趨勢不明顯，但是指數(shù)的年際變化差異大、強度的年際變化較穩(wěn)定并伴有階段性的突變。LDFAI指數(shù)年際變化差異大的時期有2個：1965—1983年、1989—2007年，年際變化差異小的時期也有2個：1984—1988年、2008—2019年。LDFAI強度年際變化的3個突增點分別出現(xiàn)在1974年、1989年和2005年。

表1 1965—2019年排名前5位最高(低)LDFAI年及其前、后汛期標(biāo)準(zhǔn)化降雨統(tǒng)計

a LDFAI指數(shù)區(qū)域平均變化趨勢

b LDFAI強度區(qū)域平均變化趨勢

對近55 a汛期LDFAI指數(shù)和強度的區(qū)域平均序列進行M-K突變檢驗(見圖2)。指數(shù)平均序列的M-K統(tǒng)計曲線圖上(見圖2a)，UF線與UB線先后相交于1967年、1969年、1973年和1984年，并且相交點相交于顯著性水平之間?？芍@些年份的時間序列差距不大且旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)變化顯著，表明1967—1984年間的旱澇急轉(zhuǎn)強度和頻率增大。與此同時，LDFAI強度平均序列的M-K統(tǒng)計曲線圖上主要有4個交點均在±1.96線之間(見圖2b)，分別對應(yīng)1968年、1973年、1989年和2005年。可見該4個交點對應(yīng)的時間點有3個與強度年際變化的3個突增點基本對應(yīng)，可見粵東北地區(qū)1973年、1989年和2005年的旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)強度發(fā)生顯著突變，旱澇急轉(zhuǎn)強度增大。

a 平均LDFAI指數(shù)的M-K突變檢驗

b 平均LDFAI強度的M-K突變檢驗

2.2 典型年份汛期旱澇異常特征分析

根據(jù)本文對旱澇急轉(zhuǎn)事件的判斷標(biāo)準(zhǔn)，比較近55 a粵東北逐年前、后汛期標(biāo)準(zhǔn)化降水?dāng)?shù)據(jù)，挑選出典型的汛期旱澇異常事件年，統(tǒng)計情況見表2。近55 a共出現(xiàn)澇轉(zhuǎn)旱11次、旱轉(zhuǎn)澇3次；取1992年作為中間年份，在此之前的28 a間共出現(xiàn)澇轉(zhuǎn)旱7次，并且相比1992年以后出現(xiàn)澇轉(zhuǎn)旱事件的強度更強、頻次更多、更集中。全澇和全旱事件在1992年之前(4次)及之后(5次)的總出現(xiàn)頻次相差不大?？紤]到粵東北近55 a旱轉(zhuǎn)澇異常年較少，雖然1970年的前汛期降水距平、1995年和2002年的后汛期降水距平較小，未達到顯著偏旱(澇)的標(biāo)準(zhǔn)，但由于這些年份對應(yīng)的前(后)汛期降水距平差異明顯，故也將這些年份視為旱轉(zhuǎn)澇異常年。

表2 近55 a粵東北典型年份的汛期旱、澇和旱澇急轉(zhuǎn)事件統(tǒng)計

通過對典型年份汛期旱澇異常事件的分析可知：

1)典型洪澇年份：汛期Pa>25%，降水量較同期平均降水明顯偏多，表現(xiàn)為整個汛期的降水量偏多。R前和R后分別在2倍和0.5倍標(biāo)準(zhǔn)差以上，R前明顯大于R后。歷年洪澇最嚴(yán)重的是1973年，參考相關(guān)氣候評估[11-13]，粵東北典型洪澇年份氣候異常的共同特征是海洋和大氣環(huán)流異常，具體表現(xiàn)為赤道西太平洋海表溫度持續(xù)偏高，引起沃克環(huán)流加強，從而使副高強度較常年位置偏北、強度偏弱，南海夏季風(fēng)爆發(fā)異常偏早、強度偏弱。另外，1973年和2006年也屬于全省性異常澇年，而2013則為區(qū)域性異常澇年。

2)典型干旱年份：汛期及前汛期的Pa均在-20%以下，除2018年，其余年份后汛期Pa在-10%以下。R前和R后均在-0.5倍標(biāo)準(zhǔn)差以下，汛期降水明顯偏少，給粵東北農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不利影響。

3)典型澇轉(zhuǎn)旱年份：LDFAI均小于-1，R前均大于1且R后均小于-1；汛期Pa的絕對值小于15%，前汛期Pa大于0且后汛期Pa小于0，以及前、后汛期的Pa之差絕對值均在25%以上?？梢?，澇轉(zhuǎn)旱事件的出現(xiàn)正是基于前汛期降水偏多而后汛期偏少，導(dǎo)致兩個時間段的降水量差異顯著。

4)典型旱轉(zhuǎn)澇年份：LDFAI均大于1，R前小于R后；Pa前小于Pa后，前、后汛期的Pa之差絕對值在60%以上。

2.3 旱澇急轉(zhuǎn)的空間分布特征

為揭示粵東北汛期旱澇急轉(zhuǎn)的空間分布特征，通過計算近55 a粵東北汛期LDFAI指數(shù)年均值，可見均為負(fù)值且差異較大(見表3)，年均值區(qū)間為-5.25(連平)～-0.27(豐順)，相應(yīng)的汛期旱澇急轉(zhuǎn)特征則為澇轉(zhuǎn)旱。通過對12個監(jiān)測站點的汛期LDFAI指數(shù)時間序列進行EOF分析，計算得到第一特征向量貢獻率為50.3%。汛期LDFAI的第一特征向量空間分布圖(見圖3)呈現(xiàn)出該區(qū)域汛期LDFAI指數(shù)自西北向東南減小的特點，河源地區(qū)汛期旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象較梅州地區(qū)更突出，其中具體表現(xiàn)為河源西北部屬粵東北旱澇急轉(zhuǎn)強度最強的區(qū)域。原因可能與此地區(qū)地形復(fù)雜，夏季深受西南季風(fēng)的影響有一定的聯(lián)系。

表3 粵東北汛期LDFAI指數(shù)年均值及第一特征向量貢獻率

圖3 粵東北汛期LDFAI指數(shù)EOF第一特征向量的空間分布

3 結(jié)語

1)粵東北旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)和強度的區(qū)域平均序列變化趨勢不明顯，但是指數(shù)的年際變化差異大、強度的年際變化較穩(wěn)定并伴有階段性的突變。旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)以20世紀(jì)90年代以前差異最明顯，20世紀(jì)90年代以后差異趨于減小。旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)強度在1973年、1989年和2005年發(fā)生顯著突變，旱澇急轉(zhuǎn)強度增大。

2)近55 a粵東北汛期長周期旱澇急轉(zhuǎn)特征以澇轉(zhuǎn)旱為主，1992年之前較1992年以后出現(xiàn)澇轉(zhuǎn)旱事件的強度更強、頻次更多、更集中。分析典型年份汛期旱澇異常事件得出以下認(rèn)識：典型洪澇年份的汛期Pa>25%，R前和R后分別在2倍和0.5倍標(biāo)準(zhǔn)差以上；典型干旱年份的汛期及前汛期Pa均在-20%以下，其余年份后汛期Pa基本在-10%以下，R前和R后均在-0.5倍標(biāo)準(zhǔn)差以下；典型澇轉(zhuǎn)旱年份的汛期Pa的絕對值小于15%，前、后汛期的Pa之差絕對值均在25%以上；典型旱轉(zhuǎn)澇年份的Pa前小于Pa后，前、后汛期的Pa之差絕對值在60%以上。

3)粵東北汛期LDFAI指數(shù)年均值差異較大且均為負(fù)值，年均值為-5.25(連平)～-0.27(豐順)，對應(yīng)的旱澇性質(zhì)為澇轉(zhuǎn)旱。汛期LDFAI指數(shù)的EOF第一特征值空間分布呈自西北向東南減小的特點，河源地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)強度較梅州地區(qū)更明顯，其中具體表現(xiàn)為河源西北部屬粵東北汛期旱澇急轉(zhuǎn)強度最強的區(qū)域。