1961—2018年四川盆地極端伏旱日數(shù)準2 a周期變化特征及其可能成因

周 斌，王春學(xué)，張順謙

(1.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室，四川 成都 610072；2.四川省氣候中心，四川 成都 610072)

引 言

干旱是我國最常見的氣象災(zāi)害之一，具有持續(xù)時間長、影響范圍廣的特點，每年因干旱造成的糧食減產(chǎn)約占氣象災(zāi)害引起的糧食損失的一半以上[1]。四川盆地一年四季皆可出現(xiàn)干旱，其中春、夏、伏旱的影響最大。四川盆地的伏旱通常發(fā)生在6月26日至9月5日期間，其發(fā)生位置和形成機理與春旱(3月1日至5月5日)、夏旱(4月26日至7月5日)顯著不同，且伏旱期間往往伴隨高溫天氣，造成的影響巨大[2]，如1994年四川盆地發(fā)生嚴重伏旱，造成7000多萬人受災(zāi)，農(nóng)作物受災(zāi)面積526萬hm2，直接經(jīng)濟損失達94億元人民幣[2]；2006年川渝再次出現(xiàn)特大伏旱，受災(zāi)人數(shù)1800多萬，農(nóng)作物受災(zāi)面積207萬hm2，直接經(jīng)濟損失150多億元人民幣[3-4]。

研究表明，四川盆地盛夏伏旱并非局地現(xiàn)象，而是與大范圍非絕熱熱流量場密切相關(guān)，青藏高原加熱作用通過影響東亞大氣環(huán)流系統(tǒng)，引起副熱帶高壓、西風(fēng)急流、南亞高壓等發(fā)生異常，進而導(dǎo)致四川盆地出現(xiàn)伏旱[5-9]。有關(guān)四川盆地伏旱變化規(guī)律及形成機理的研究較多，部分研究也涉及其周期特征。研究發(fā)現(xiàn)，四川盆地伏旱主要出現(xiàn)在盆地東部，平均每2 a出現(xiàn)一次[10-11]，其中20世紀80年代至90年代盆地伏旱存在準3 a的周期振蕩[12]。然而，這些結(jié)論都是基于區(qū)域平均的伏旱序列，無法給出其空間差異，而且盆地伏旱準2 a周期的演變規(guī)律及形成機理也罕有研究。多錐度奇異值分解方法能夠探查一個空間變量場的周期特征，還可以研究多個變量場在某個周期上的協(xié)同變化關(guān)系。因此，本文采用多錐度奇異值分解方法，研究1961年以來四川盆地極端伏旱的準2 a周期變化規(guī)律，初步探討其可能的形成原因，以期進一步增強對盆地極端伏旱的認識，為盆地伏旱的監(jiān)測預(yù)測及防災(zāi)減災(zāi)提供支撐。

1 資料和方法

1.1 資 料

使用了1961—2018年7—8月四川盆地103個國家氣象觀測站逐日降水量資料、逐日氣象干旱綜合指數(shù)(meteorological drought composite index, MCI)以及逐月NCEP/NCAR高度場、風(fēng)場和水汽場等再分析資料，分辨率為2.5°×2.5°。

1.2 方 法

1.2.1 多錐度奇異值分解

多錐度奇異值分解(multi taper method-singular value decomposition, MTM-SVD)是由MANN等[13]提出的一種多變量頻域分解技術(shù)，是一種將譜分析的多錐度方法(MTM)和變量場的奇異值分解(SVD)方法相結(jié)合的氣候信號檢測技術(shù)，詳細內(nèi)容參閱文獻[14]。近年來，MTM-SVD被廣泛應(yīng)用在氣象研究領(lǐng)域[15-18]。

MTM-SVD方法的主要特點：(1)分析對象不僅是一維時間序列，也可以是一個氣候變量場，能夠非常方便地分析出氣候變量場整體具有的譜特征。(2)MTM方法中，通過變量場時間序列與多個錐度相乘，使得在譜解析度和譜的變異之間達到最佳平衡，有效防止譜泄漏現(xiàn)象。(3)通過MTM-SVD方法可以得到局部方差百分比(local fractional variance, LFV)，LFV譜中一個給定頻率處的波峰預(yù)示著一個潛在的周期信號。(4)可以為所有時間和區(qū)域重建時空信號。這種信號的重建可以更直觀地分析和描述不同時間尺度振動的時間-空間演變特征和過程。(5)MTM-SVD技術(shù)可擴展到耦合的區(qū)域，即在同一時刻多于一個區(qū)域的耦合。

1.2.2 經(jīng)驗正交函數(shù)

經(jīng)驗正交函數(shù)(empirical orthography function, EOF)展開，是由LORENZ在20世紀50年代中期引入大氣科學(xué)。由于沒有固定的函數(shù)，它能夠?qū)Σ灰?guī)則分布的站點進行分解，且收斂速度快，可以將變量場信息集中到幾個具有一定物理意義的空間模態(tài)上，EOF已成為氣候研究中分析變量場的主要工具[14]。

1.2.3 氣象干旱綜合指數(shù)

2017年國家氣候中心修訂了《氣象干旱等級》國家標準[19]，建立了MCI干旱指數(shù)，其干旱等級劃分標準見表1，該指數(shù)已廣泛應(yīng)用于我國干旱事件研究中[20-23]。

表1 氣象干旱綜合指數(shù)等級劃分標準Tab.1 Classification standard of meteorological drought composite index grades

根據(jù)MCI干旱等級劃分標準，當出現(xiàn)重旱時，土壤水分持續(xù)嚴重不足，出現(xiàn)干土層，作物出現(xiàn)枯死現(xiàn)象，產(chǎn)量下降；河流出現(xiàn)斷流，水資源嚴重不足，對人們生產(chǎn)、生活產(chǎn)生較重影響。因此，本文定義7—8月MCI達重旱及以上等級為極端伏旱，根據(jù)MCI≤-1.5標準統(tǒng)計極端伏旱日數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 四川盆地極端伏旱日數(shù)的時空分布特征

對1961—2018年四川盆地103站年極端伏旱日數(shù)進行EOF分解，前3個模態(tài)通過了NORTH等[24]顯著性檢驗，累計解釋方差貢獻率為39.7%，其中第一模態(tài)的解釋方差為20.2%，是四川盆地極端伏旱日數(shù)的最典型模態(tài)；第二、三模態(tài)的解釋方差分別為11.0%、8.5%(表略)。從第一模態(tài)的空間分布[圖1(a)]看出，除西部個別站點為負值外，盆地其余大部分地區(qū)都為正值，大值中心出現(xiàn)在盆地中部地區(qū)，即第一模態(tài)表現(xiàn)為全區(qū)一致變化型。進一步分析其對應(yīng)的時間系數(shù)[圖1(b)]發(fā)現(xiàn)，四川盆地極端伏旱日數(shù)具有明顯的年際和年代際變化特征，但總體線性變化趨勢并不顯著，其中20世紀60年代到80年代波動幅度較小，并呈現(xiàn)微弱減少趨勢；從20世紀90年代開始波動幅度顯著增大，至21世紀初呈明顯增多趨勢，隨后又有所減少，但波動幅度仍較大。

圖1 1961—2018年四川盆地極端伏旱日數(shù)EOF分解的第一模態(tài)空間分布(a)及其對應(yīng)的時間系數(shù)(b)Fig.1 The spatial distribution of the first mode of extreme summer drought days decomposed by EOF (a) and its corresponding time coefficient (b) in Sichuan Basin from 1961 to 2018

對1961—2018年四川盆地103站年極端伏旱日數(shù)進行線性趨勢分析，發(fā)現(xiàn)變化趨勢存在空間差異(圖2)，盆地東北部呈現(xiàn)減少趨勢，其余大部地區(qū)呈現(xiàn)增多趨勢，但除個別站點通過α=0.1、0.05的顯著性檢驗外，絕大部分地區(qū)增多或減少趨勢不顯著。

圖2 1961—2018年四川盆地極端伏旱日數(shù)的線性趨勢空間分布[單位：d·(10 a)-1](淺、深色區(qū)分別通過α=0.1、0.05的顯著性檢驗)Fig.2 Spatial distribution of linear trends of extreme summer drought days in Sichuan Basin during 1961-2018 (Unit: d·(10 a)-1)(The light and dark areas passed significance test of 0.1 and 0.05 levels, respectively)

2.2 四川盆地極端伏旱日數(shù)的周期特征

利用MTM-SVD方法分析四川盆地極端伏旱日數(shù)的周期特征，發(fā)現(xiàn)年際尺度上的2.3～2.5 a和6 a周期通過了99%的信度蒙特卡洛檢驗，3 a和5 a周期通過了95%的信度檢驗，而年代際尺度上周期不顯著(圖3)。對準2 a周期進行典型循環(huán)重建，第一年(0°位相)時[圖4(a)]，四川盆地西北和西南邊緣極端伏旱日數(shù)略偏少，其余大部極端伏旱日數(shù)偏多，盆中局部偏多10 d以上；第二年(180°位相)時[圖4(b)]，異常狀況與第一年相反；第三年(360°位相)又轉(zhuǎn)變?yōu)榈谝荒甑那闆r，開始下一個周期循環(huán)?？梢?，四川盆地極端伏旱日數(shù)準2 a的典型周期循環(huán)空間異常分布與其EOF主模態(tài)分布基本一致，而其他幾個年際周期的典型循環(huán)只有個別位相與EOF主模態(tài)類似(圖略)，表明準2 a周期是四川盆地極端伏旱日數(shù)最主要的年際周期信號。

圖3 1961—2018年四川盆地極端伏旱日數(shù)的LFV譜(虛線為蒙特卡洛置信度)Fig.3 The LFV spectrum of extreme summer drought days in Sichuan Basin during 1961-2018(the dashed lines for Monte Carlo confidence)

圖4 1961—2018年四川盆地極端伏旱日數(shù)的準2 a周期典型循環(huán)重建(單位：d)(a)0°位相，(b)180°位相Fig.4 The reconstruction of extreme summer drought days with typical quasi-biennial period in Sichuan Basin during 1961-2018 (Unit: d)(a) 0° phase, (b) 180° phase

另外發(fā)現(xiàn)，四川盆地極端伏旱日數(shù)準2 a周期空間異常大值中心出現(xiàn)在射洪站，且射洪站也處在其EOF第一模態(tài)的大值中心，因此重建了射洪站1961—2018年準2 a周期的極端伏旱日數(shù)(圖5)，發(fā)現(xiàn)該站準2 a周期并非一直存在，僅有2個顯著時段，20世紀60年代末到80年代初是第一個顯著時段，20世紀90年代中期到21世紀初為第二個顯著時段，且第二個顯著時段的波動幅度明顯大于第一個時段，這種波動幅度的差異與EOF第一模態(tài)時間系數(shù)一致，進一步說明四川盆地極端伏旱日數(shù)準2 a周期表現(xiàn)的是其主模態(tài)的變化特征。

圖5 1961—2018年四川盆地射洪站極端伏旱日數(shù)的準2 a周期重建Fig.5 The reconstruction of extreme summer drought days with quasi-biennial period at Shehong station of Sichuan Basin during 1961-2018

2.3 四川盆地極端伏旱日數(shù)的突變特征

使用滑動t檢驗方法對EOF第一模態(tài)的時間系數(shù)進行突變檢驗(圖6)，發(fā)現(xiàn)有兩處峰值通過α=0.05的顯著性檢驗，即近58 a四川盆地極端伏旱日數(shù)發(fā)生了2次顯著突變，一次發(fā)生在1978年前后，極端伏旱日數(shù)由多變少；另一次發(fā)生在1993年前后，極端伏旱日數(shù)由少變多。

圖6 四川盆地極端伏旱日數(shù)EOF第一模態(tài)時間系數(shù)的滑動t檢驗Fig.6 The sliding t test of time coefficient of the EOF1 mode of extreme summer drought days in Sichuan Basin

2.4 四川盆地極端伏旱期間大氣環(huán)流背景

西太平洋副熱帶高壓(簡稱“西太副高”)是常年存在的永久性暖性深厚系統(tǒng)，西太副高的位置對東亞地區(qū)天氣氣候有重要影響，而影響我國的并不是西太副高主體，而是它伸向我國大陸的脊，副高控制區(qū)域天氣晴好，因此當副高長時間控制某一地區(qū)時，往往會造成干旱。

多年平均狀況下，西太副高脊線在7月末到8月初到達最北位置[圖7(a)]，四川盆地在西太副高西伸脊的控制下為下沉氣流，盆地易出現(xiàn)伏旱。為了分析西太副高與四川盆地極端伏旱的協(xié)同變化，采用MTM-SVD方法，對四川盆地極端伏旱日數(shù)在準2 a周期上不同位相的500 hPa高度場進行循環(huán)重建。可以看到，第一年(0°位相)時，500 hPa高度距平場上西太平洋至東亞南部一帶為負異常區(qū)，日本海到中國北部為正異常區(qū)[圖7(b)]，這種北正南負的異常分布有利于西太副高脊線位置偏北，四川盆地受西太副高西伸脊控制的時間更長，導(dǎo)致四川盆地極端伏旱日數(shù)偏多；第二年(180°位相)時，500 hPa高度場異常分布與第一年相反，為北負南正分布[圖7(c)]，有利于西太副高脊線偏南，四川盆地受西太副高西伸脊控制的時間縮短，對應(yīng)四川盆地極端伏旱日數(shù)偏少。

圖7 四川盆地伏旱期間500 hPa平均位勢高度場(a)及極端伏旱日數(shù)在準2 a周期上0°位相(b)和180°位相(c)重建的500 hPa高度距平場(單位：gpm)(粗黑色線為四川盆地邊界，下同)Fig.7 The average geopotential height field on 500 hPa (a) during summer drought period and 500 hPa geopotential height anomaly field reconstructed by MTM-SVD at 0° (b) and 180° (c) phase of extreme summer drought days in quasi-biennial period over Sichuan Basin (Unit: gpm)(the thick black line for the boundary of Sichuan Basin, the same as below)

東亞副熱帶西風(fēng)急流作為影響中國乃至東亞地區(qū)天氣氣候的重要環(huán)流系統(tǒng)，對東亞地區(qū)大氣環(huán)流的季節(jié)轉(zhuǎn)換有重要意義，急流南北位置異常對四川盆地降水有重要影響。多年平均情況下，7—8月東亞副熱帶西風(fēng)急流軸到達最北位置，四川盆地位于急流出口的右側(cè)[圖8(a)]，高空輻合、低空輻散，易導(dǎo)致四川盆地出現(xiàn)伏旱。同樣的方法，分析準2 a周期上東亞副熱帶西風(fēng)急流與四川盆地極端伏旱日數(shù)的協(xié)同變化。第一年(0°位相)時，東亞地區(qū)從北向南200 hPa緯向風(fēng)呈現(xiàn)“+、-、+”的異常分布，42°N以北地區(qū)為正異常，以南地區(qū)為負異常[圖8(b)]，副熱帶西風(fēng)急流位置偏北，四川盆地處于急流出口右側(cè)的時間更長，導(dǎo)致四川盆地極端伏旱日數(shù)偏多；第二年(180°位相)時，副熱帶西風(fēng)急流異常分布與第一年相反，副熱帶西風(fēng)急流位置偏南[圖8(c)]，四川盆地處于急流出口右側(cè)的時間變短，對應(yīng)四川盆地極端伏旱日數(shù)偏少。

圖8 四川盆地伏旱期間200 hPa平均緯向風(fēng)場(a)及極端伏旱日數(shù)在準2 a周期上0°位相(b)和180°位相(c)重建的200 hPa緯向風(fēng)距平場(單位：m·s-1)Fig.8 The average zonal wind field on 200 hPa (a) during summer drought period and 200 hPa zonal wind anomaly field reconstructed by MTM-SVD at 0° (b) and 180° (c) phase of extreme summer drought days in quasi-biennial period over Sichuan Basin (Unit: m·s-1)

進一步分析四川盆地極端伏旱日數(shù)準2 a周期上整層水汽輸送及其輻合輻散特征。第一年(0°位相)時[圖9(a)]，西太平洋上空出現(xiàn)反氣旋性水汽輸送異常，從日本南部到中國華南西部出現(xiàn)水汽輸送異常大值帶，并在廣東和海南之間產(chǎn)生異常輻合，而四川盆地位于水汽異常輸送帶的西部，并出現(xiàn)異常輻散，不利于降水的產(chǎn)生，導(dǎo)致四川盆地極端伏旱日數(shù)偏多；第二年(180°位相)時[圖9(b)]，西太平洋上空出現(xiàn)氣旋性水汽輸送異常，自菲律賓群島經(jīng)南海北部至中國山東半島出現(xiàn)水汽輸送異常大值帶，并在四川盆地到淮河流域產(chǎn)生異常輻合，有利于降水的產(chǎn)生，對應(yīng)四川盆地極端伏旱日數(shù)偏少。

圖9 四川盆地極端伏旱日數(shù)在準2 a周期上重建的1000～300 hPa水汽輸送通量距平場(矢量，單位：kg·m-1·s-1)及其散度距平(陰影，單位：10-5 kg·m-2·s-1)(a)0°位相，(b)180°位相Fig.9 The water vapor transport flux anomaly field (vectors, Unit: kg·m-1·s-1) and its divergence anomaly (shadows, Unit: 10-5 kg·m-2·s-1) from 1000 hPa to 300 hPa reconstructed by MTM-SVD of extreme summer drought days in quasi-biennial period over Sichuan Basin(a) 0° phase, (b) 180° phase

3 結(jié) 論

(1)四川盆地極端伏旱日數(shù)的EOF第一模態(tài)方差貢獻率為20.2%，為全區(qū)一致變化型，大值中心出現(xiàn)在盆地中部地區(qū)，且有明顯的年際和年代際變化特征。近58 a來，四川盆地極端伏旱日數(shù)發(fā)生了2次顯著突變，極端伏旱日數(shù)分別在1978年前后發(fā)生了由多到少的突變、1993年前后發(fā)生由少到多的突變。

(2)近58 a來，四川盆地極端伏旱日數(shù)存在顯著的2.3～2.5 a和6 a的年際尺度周期，準2 a周期為主周期。準2 a周期下典型循環(huán)的第一年，盆地西北和西南邊緣極端伏旱日數(shù)略偏少，其余大部極端伏旱日數(shù)偏多，盆中局部偏多超過10 d；第二年異常狀況與第一年相反，極端伏旱日數(shù)偏少。這種空間異常分布與其EOF主模態(tài)空間分布基本一致，表明準2 a周期是四川盆地極端伏旱日數(shù)最主要的年際周期信號。

(3)四川盆地準2 a周期的極端伏旱日數(shù)與大氣環(huán)流系統(tǒng)存在明顯的協(xié)同變化關(guān)系。第一年時，西太副高脊線位置和副熱帶西風(fēng)急流位置均偏北，西太平洋上空出現(xiàn)反氣旋性水汽輸送異常，四川盆地位于異常水汽輸送帶的西部，并出現(xiàn)異常輻散，不利于降水的產(chǎn)生，導(dǎo)致四川盆地極端伏旱日數(shù)偏多；第二年時正相反，西太副高脊線位置和副熱帶西風(fēng)急流位置均偏南，西太平洋上空為氣旋性水汽輸送異常，四川盆地到淮河流域出現(xiàn)異常輻合帶，導(dǎo)致四川盆地極端伏旱日數(shù)偏少。