中國極端干旱
——空雨頻率的主模態時空特征*

譚云霞， 黃 菲,2**， 許士斌， 王 宏

(1.中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室 青島海洋科學與技術國家實驗室，山東 青島 26610；2. 寧波大學寧波市非線性海洋和大氣災害系統協同創新中心，浙江 寧波 315000)

干旱是影響農牧業最嚴重的氣象災害之一[1-2]，直接影響到人們的飲食來源，全世界每年因干旱造成巨大的農業損失[3]。全球變暖導致總體地表面變旱，干旱頻率的增加擴大了干旱氣候區域[4]，近幾十年旱澇特征表現為干旱地區更加干旱，濕潤地區更加濕潤[5]。在亞洲中部，極端干旱環境增加、沙漠日益增大[6]。Zhang等[5]研究表明，北半球亞熱帶及熱帶地區降水普遍減少，呈現出變旱的總趨勢。鄒旭凱等[7]用綜合氣象干旱指數研究中國1951—2008年干旱變化，結果表明，干旱變化最明顯的地方在華中、東北和山東等地區。夏半年(4—9月)中國大部分地區干旱呈增長趨勢，從1979—2010年，干旱頻率增長了109%[8]。對于冬季，1980年代以來，中國東亞區域近20年降水為異常顯著負距平，僅為氣候平均的50%[9]。冬春季華北等地區的極端干旱也越來越頻繁發生[10]。

以往的研究中多用降水異常偏少作為表征干旱的指標，且干旱具有發展速度慢、持續時間長、影響范圍廣等特點[11]，作為降水偏少的極端情況——無降水發生，特別是持續長時間的無降水發生，必然會造成極端干旱事件。因此從統計各地區不同季節無降水日數發生的頻率，即空雨頻率的發生分布規律，可以更好地從一個新的視角理解中國極端干旱的分布特征和發生規律?？紤]到極端干旱發生的持續時間較長，且可能存在跨季節的緩慢演變，本文采用Wang和 An[12]提出的季節-經驗正交函數分解(S-EOF)方法，對空雨頻率進行時空主模態特征分析，探究我國不同區域、不同時間尺度極端干旱的變化特征，并探究干旱異常的原因。

1 資料與方法

降水資料采用國家氣象中心提供的站點日降水資料，時間長度為1980—2015年。為保證資料的連續性和準確性，剔除了大量缺測的站點，最終選出487個站點。采用歐洲數據中心月平均再分析資料分析相關的大尺度環流特征，包括500 hPa位勢高度場、850 hPa風場、1 000～100 hPa垂直速度場，數據分辨率為2.5°×2.5°。

本文將空雨頻率作為極端干旱的指標，即無降水日的頻率?？沼觐l率指標的建立：分別統計1980—2014年每年秋(+0，表示同年的秋季)、冬季(+0)、春季(+1，表示第二年春季)各季節的無降水日出現的天數，再除以該季節的總天數，即得到每年各季節的空雨頻率?？沼觐l率的數值越大，表明極端干旱越強。

季節經驗正交函數(S-EOF)分解方法是一種著重于季節演變的時空主模態分析方法，本文對全國487個站點空雨頻率連續秋、冬、春三個季節的距平場進行S-EOF分解，得到中國極端干旱隨三個季節演變的時空主模態特征，特別是可以抓住季節持續的極端干旱特征。采用North準則[13]檢驗S-EOF分解出來各模態的獨立性；用T檢驗方法[14]檢驗要素相關場的顯著性。

2 空雨頻率的季節變化

從1980—2014年夏(JJA+0)、秋(SON+0)、冬(DJF+0)、春(MAM+1)四個季節空雨頻率的氣候平均態(見圖1)來看，中國空雨頻率的分布總體上表現為從南向北，從東南到西北逐漸增大的特征，但不同季節局部地區特征有所不同。夏季的空雨頻率普遍偏低，只有在常年無降水的西北一帶空雨頻率才超過0.7，東北、華中、華南地區的空雨頻率大都在0.6之下，夏季高原東側西南地區的西南渦為該地區帶來頻繁的降水，空雨頻率最低，只有0.2～0.4。秋、冬、春三個季節的空雨頻率明顯偏大，西北和內蒙地區甚至有的地方超過0.9，呈現三季連旱型。隨著時間的推移，夏季西南地區的空雨頻率高值區東移。隨著5月份夏季風的爆發，春季長江流域以南地區空雨頻率顯著減少。統計各季節空雨頻率的區域均值分別為夏(0.58)、秋(0.74)、冬(0.80)、春(0.69)，夏季的空雨頻率明顯低于其他三個季節，所以本文主要從秋、冬、春三個連續季節空雨頻率的變化來分析中國極端干旱的變化。

圖1 不同季節1980—2014多年氣候平均的空雨頻率分布Fig.1 Climatological mean of frequency of precipitation free day (FPFD) in Summer (JJA+0), Autumn (SON+0), Winter (DJF+0) and the next Spring (MAM+1)

3 空雨頻率的時空主模態特征

3.1 S-EOF主模態的方差貢獻及空間代表性

將1980—2014年秋(SON+0)、冬(DJF+0)、春(MAM+1)三個季節的空雨頻率距平場進行S-EOF分解，通過North檢驗(見圖2(a))可以發現，前10個模態之間并不相互獨立，反映出中國干旱分布的復雜性，不存在非常顯著的獨立模態。但前四個模態與其后的模態的方差貢獻率有較為明顯的差異，前四個模態累積方差貢獻為40.6%，其中第一模態的方差貢獻率為14.3%，第二模態的方差貢獻率為11.6%，前兩個模態之間方差貢獻差異不大，表明這兩個模態可能反映了同一年際年代際變化過程的不同位相特征。通過對模態物理意義的檢驗，第三模態(7.9%)和第四模態(6.7%)對空雨頻率的觀測場也具有很好的代表性，因此本文重點分析前四個主模態空雨頻率變化的時空特征。

將前四個模態的主成分做加權平均，再與空雨頻率觀測場求相關(見圖2(b))，可以發現，對于全場487個站點，通過95%顯著性檢驗的站點數分別為：401(秋)，470(冬)，428(春)。由此可見，前四個模態可以較好地體現出我國90%以上的站點空雨頻率異常分布特征，且顯著相關的站點主要分布在華中、華南、華東等中國東部區域，表明前四個模態主要代表這些區域空雨頻率的變化情況，而對西北、東北區域的代表性較差。三個季節相關系數的區域平均都超過0.5，均通過了99%的顯著性檢驗。秋季發生極端干旱的范圍較集中；冬季發生極端干旱的范圍最大，且前四個模態對冬季的代表性最好；對春季的代表性略差?？沼觐l率模態的空間分布場與觀測數據的檢測場進行空間相關分析(見表1)，第二模態對冬季的空間代表性略差(0.79)，其他的各模態各季節的相關系數均大于或等于0.87，說明前四個模態對空雨頻率觀測場具有很好的代表性。第一模態對冬季的代表性最好，空間相關系數達0.98, 具有高度一致性。

(誤差棒表示抽樣誤差的標準差。Error bar represents the standard deviation of sampling error.)

(黑點為過95%顯著性檢驗的站，綠點為過99%顯著性檢驗的站。0.54、0.60、0.51分別為秋、冬、春487個站點相關系數均值。Black dot is as passing 95% significance level and green dot as 99%. 0.54、0.60、0.51 is spatial averaged correlation coefficient in autumn/winter/spring respectively.)

圖2(b) 前四個模態合成場(∑ PC1-4×EOF1-4)與空雨頻率異常場的相關場Fig.(b) Correlation fields in autumn, winter and the next spring between modes1-4 combined field (∑ PC1-4×EOF1-4) and frequency of FPFD

3.2 三季連旱模態

對比圖3(b)和3(c)，模態檢驗過顯著的區域主要分布在秋季的長江流域、冬季的華中華南地區、春季的華中華北地區，表明第一模態主要表征出這些區域的空雨頻率的變化。1980—2014年我國秋、冬、春三個季節空雨頻率的空間分布場基本呈現一致型的干旱分布特征，空雨頻率高值區均分布在江南地區，冬季的極端干旱范圍最大且強度最強，從秋季開始，一直持續到次年春季；時間序列(見圖3(a))呈現顯著的振蕩上升特征，在1990s中期存在顯著的年代際轉折，這可能與東亞季風的年代際減弱有關。其中線性趨勢的方差貢獻率為29.5%，去趨勢的年際變化方差貢獻為70.5%。綜合時空特征看：秋、冬、春三個季節我國中南部和東部大部分地區均為空雨頻率增多的變旱趨勢，反映出三季連旱的特征，其中，華南沿海地區冬季變旱強度最大，且從1990s中期開始顯著加強。

3.3 秋-冬-春極端干旱反位相模態

由圖4(b)和4(c)可知，第二模態對長江流域和華南地區的空雨頻率代表性較好?？沼觐l率的空間分布場最主要的特征表現為：秋季空雨頻率強負異常與冬春兩季的正異常成明顯的反位相分布狀態?？沼觐l率三個季節變化最大的區域在長江流域，中心位于30°N附近。時間序列PC2(見圖4(a))表現為年際年代際振蕩，1980—1987年和2010—2014年(前后階段)多為正值，1988—2009年(中間階段)多為負值。綜合時空變化看：前后兩個年代際變化階段(1987年之前和2010年之后)江淮地區秋雨較強，空雨頻率減少，冬春兩季轉為空雨頻率增多、極端干旱增加的特征，春季華南沿海則干旱略有減輕。中間階段的極端干旱特征則與前后階段變化相反，呈現出秋季江淮地區變旱而冬春季干旱減輕的反位相變化特征。

((a)標準化時間序列PC1(藍線)，黑線是PC1的線性趨勢，綠色虛線為去趨勢的PC1，柱狀圖為5年滑動平均的PC1；(b) 空間分布型；(c) 對第一模態的檢驗，即PC1的 5個大值年份與小值年份空雨頻率的合成差值場，圓圈表示超過95%的顯著性檢驗的站點。(a) The standardized time series principal component of the first mode (PC1). Blue line is PC1; Black line is the trend of PC1; Green line is the detrended PC1; Bar is five-years running mean of PC1. (b) Spatial pattern. (c) Composite difference fields of FPFD in different seasons between 5 maximum years and 5 minimum years of PC1. Black circle represents significant at the 95% confidence level.)

圖3 空雨頻率異常場S-EOF分解的第一模態
Fig.3 The first mode of S-EOF on anomaly FPFD

3.4 冬-春極端干旱反位相模態

第三模態(見圖5)主要為秋冬季與春季的空雨頻率的反位相變化，對冬季和次年春季的代表性較好，對秋季的代表性略差。秋冬兩季空雨頻率的空間分布場為以長江流域為中心的極端變旱，冬季長江流域的中下游變旱最強。春季空雨頻率出現顯著的反相變化，表現為以長江流域為中心的空雨頻率的減少，降水頻繁。從時間序列來看，1980—1998年，空雨頻率主要在正值區振蕩，1998年之后， PC3出現了明顯的年代際轉折，主要在負值區振蕩。綜合時空變化看：1980—1998年，秋、冬季節以長江流域為中心，華中、華南地區表現為極端干旱異常，東北、西南地區為空雨頻率偏低的多降水區域；春季空雨頻率異常偏低，降水頻繁。1999—2014年，整體呈現反向變化，充分體現出我國位于東亞季風區干旱和降水的復雜性。

圖4 同圖3，但為第二模態的空雨頻率時空變化Fig.4 Same as in figure 3，but for the second mode

圖5 同圖3，但為第三模態的空雨頻率時空變化Fig.5 Same as in figure 3 but for the third mode

3.4 南北偶極型秋-冬-春反位相模態

第四模態(見圖6)主要表現為華中、華南空雨頻率的反向變化，對秋季和春季的代表性較好，也可以體現出冬季西南地區的極端干旱異常。分析空雨頻率的空間分布場(見圖6(b))可以發現，秋季長江流域以南與長江流域以北呈現反位相變化，華南沿海地區秋季空雨頻率的負異常與冬春兩季華南沿海正異常的呈現反向變化。時間序列PC4則呈現不規律的年際振蕩。

圖6 同圖3，但為第四模態的空雨頻率時空變化Fig.6 Same as in figure 3 but for the fourth mode

4 結論

本文以空雨頻率作為極端干旱指標，選取了我國487個站點，對1980—2014年秋(SON+0)、冬(DJF+0)、春(MAM+1)三個季節的空雨頻率進行S-EOF分解，并對空雨頻率的時空變化進行探究，得出以下主要結論：

(1)前四個模態為S-EOF分解的主模態，累積方差貢獻為40.6%，能體現出我國90%站點空雨頻率的異常分布。前四個模態對空雨頻率觀測場的變化有很高的時空代表性，主要代表華中、華南和華東等大部分地區空雨頻率的變化情況。

(2)方差貢獻最大的是三季連旱模態，表明我國空雨頻率呈現顯著的上升趨勢，華中、華南大部分地區為變旱異常，異常大值區位于25°N附近。三季連旱模態對冬季空雨頻率的變化代表性最好，冬季華南沿海地區的變旱強度最大。

(3)秋-冬春干旱反位相變化模態主要代表了長江流域和華南地區的空雨頻率時空變化。秋季空雨頻率異常偏少、冬春季異常偏多，出現明顯的季節反差。異常區域位于30°N附近?？沼觐l率變化存在弱的年代際振蕩。

(4)冬-春反位相年代際轉型模態對冬春兩季的代表性較好。秋冬兩季空雨頻率的空間分布為以長江流域為中心的極端變旱，冬季長江流域的中下游變旱最強，春季空雨頻率呈現反位相變化。時間序列表現為以1998年為界，1980—1998年和1998年之后空雨頻率明顯的年代際轉折。

華南華北反位相模態對秋季和春季的代表性較好，也可以體現出冬季西南地區的極端干旱異常。三個季節中，長江流域以南與長江流域以北空雨頻率均為反位相變化。

本文在降水資料的選取時，剔除了大量缺測的站點，最終選出487個站點資料，站點數量相對較少；選取的前四個主模態，主要體現華中、華南等部分地區的空雨頻率變化情況，對西北、東北地區的代表性略差，因此本文的研究主要反映了中國中東部地區極端干旱的時空分布特征。