1961—2018年四川盆地極端伏旱日數準2 a周期變化特征及其可能成因

周 斌，王春學，張順謙

(1.高原與盆地暴雨旱澇災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害之一，具有持續時間長、影響范圍廣的特點，每年因干旱造成的糧食減產約占氣象災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干旱，其中春、夏、伏旱的影響最大。四川盆地的伏旱通常發生在6月26日至9月5日期間，其發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年四川盆地發生嚴重伏旱，造成7000多萬人受災，農作物受災面積526萬hm2，直接經濟損失達94億元人民幣[2]；2006年川渝再次出現特大伏旱，受災人數1800多萬，農作物受災面積207萬hm2，直接經濟損失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象，而是與大范圍非絕熱熱流量場密切相關，青藏高原加熱作用通過影響東亞大氣環流系統，引起副熱帶高壓、西風急流、南亞高壓等發生異常，進而導致四川盆地出現伏旱[5-9]。有關四川盆地伏旱變化規律及形成機理的研究較多，部分研究也涉及其周期特征。研究發現，四川盆地伏旱主要出現在盆地東部，平均每2 a出現一次[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，這些結論都是基于區域平均的伏旱序列，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同變化關系。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，為盆地伏旱的監測預測及防災減災提供支撐。

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(meteorological drought composite index, MCI)以及逐月NCEP/NCAR高度場、風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，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)方法相結合的氣候信號檢測技術，詳細內容參閱文獻[14]。近年來，MTM-SVD被廣泛應用在氣象研究領域[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示著一個潛在的周期信號。(4)可以為所有時間和區域重建時空信號。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技術可擴展到耦合的區域，即在同一時刻多于一個區域的耦合。

1.2.2 經驗正交函數

經驗正交函數(empirical orthography function, EOF)展開，是由LORENZ在20世紀50年代中期引入大氣科學。由于沒有固定的函數，它能夠對不規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

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，其干旱等級劃分標準見表1，該指數已廣泛應用于我國干旱事件研究中[20-23]。

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

根據MCI干旱等級劃分標準，當出現重旱時，土壤水分持續嚴重不足，出現干土層，作物出現枯死現象，產量下降；河流出現斷流，水資源嚴重不足，對人們生產、生活產生較重影響。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MCI≤-1.5標準統計極端伏旱日數。

2 結果與分析

2.1 四川盆地極端伏旱日數的時空分布特征

對1961—2018年四川盆地103站年極端伏旱日數進行EOF分解，前3個模態通過了NORTH等[24]顯著性檢驗，累計解釋方差貢獻率為39.7%，其中第一模態的解釋方差為20.2%，是四川盆地極端伏旱日數的最典型模態；第二、三模態的解釋方差分別為11.0%、8.5%(表略)。從第一模態的空間分布[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都為正值，大值中心出現在盆地中部地區，即第一模態表現為全區一致變化型。進一步分析其對應的時間系數[圖1(b)]發現，四川盆地極端伏旱日數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EOF分解的第一模態空間分布(a)及其對應的時間系數(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站年極端伏旱日數進行線性趨勢分析，發現變化趨勢存在空間差異(圖2)，盆地東北部呈現減少趨勢，其余大部地區呈現增多趨勢，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的線性趨勢空間分布[單位：d·(10 a)-1](淺、深色區分別通過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的周期特征

利用MTM-SVD方法分析四川盆地極端伏旱日數的周期特征，發現年際尺度上的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略偏少，其余大部極端伏旱日數偏多，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)又轉變為第一年的情況，開始下一個周期循環?？梢?，四川盆地極端伏旱日數準2 a的典型周期循環空間異常分布與其EOF主模態分布基本一致，而其他幾個年際周期的典型循環只有個別位相與EOF主模態類似(圖略)，表明準2 a周期是四川盆地極端伏旱日數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的準2 a周期典型循環重建(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

另外發現，四川盆地極端伏旱日數準2 a周期空間異常大值中心出現在射洪站，且射洪站也處在其EOF第一模態的大值中心，因此重建了射洪站1961—2018年準2 a周期的極端伏旱日數(圖5)，發現該站準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第一模態時間系數一致，進一步說明四川盆地極端伏旱日數準2 a周期表現的是其主模態的變化特征。

圖5 1961—2018年四川盆地射洪站極端伏旱日數的準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的突變特征

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

圖6 四川盆地極端伏旱日數EOF第一模態時間系數的滑動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，西太副高的位置對東亞地區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，副高控制區域天氣晴好，因此當副高長時間控制某一地區時，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，盆地易出現伏旱。為了分析西太副高與四川盆地極端伏旱的協同變化，采用MTM-SVD方法，對四川盆地極端伏旱日數在準2 a周期上不同位相的500 hPa高度場進行循環重建?？梢钥吹?，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，日本海到中國北部為正異常區[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，導致四川盆地極端伏旱日數偏多；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，對應四川盆地極端伏旱日數偏少。

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)

東亞副熱帶西風急流作為影響中國乃至東亞地區天氣氣候的重要環流系統，對東亞地區大氣環流的季節轉換有重要意義，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月東亞副熱帶西風急流軸到達最北位置，四川盆地位于急流出口的右側[圖8(a)]，高空輻合、低空輻散，易導致四川盆地出現伏旱。同樣的方法，分析準2 a周期上東亞副熱帶西風急流與四川盆地極端伏旱日數的協同變化。第一年(0°位相)時，東亞地區從北向南200 hPa緯向風呈現“+、-、+”的異常分布，42°N以北地區為正異常，以南地區為負異常[圖8(b)]，副熱帶西風急流位置偏北，四川盆地處于急流出口右側的時間更長，導致四川盆地極端伏旱日數偏多；第二年(180°位相)時，副熱帶西風急流異常分布與第一年相反，副熱帶西風急流位置偏南[圖8(c)]，四川盆地處于急流出口右側的時間變短，對應四川盆地極端伏旱日數偏少。

圖8 四川盆地伏旱期間200 hPa平均緯向風場(a)及極端伏旱日數在準2 a周期上0°位相(b)和180°位相(c)重建的200 hPa緯向風距平場(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)]，西太平洋上空出現反氣旋性水汽輸送異常，從日本南部到中國華南西部出現水汽輸送異常大值帶，并在廣東和海南之間產生異常輻合，而四川盆地位于水汽異常輸送帶的西部，并出現異常輻散，不利于降水的產生，導致四川盆地極端伏旱日數偏多；第二年(180°位相)時[圖9(b)]，西太平洋上空出現氣旋性水汽輸送異常，自菲律賓群島經南海北部至中國山東半島出現水汽輸送異常大值帶，并在四川盆地到淮河流域產生異常輻合，有利于降水的產生，對應四川盆地極端伏旱日數偏少。

圖9 四川盆地極端伏旱日數在準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 論

(1)四川盆地極端伏旱日數的EOF第一模態方差貢獻率為20.2%，為全區一致變化型，大值中心出現在盆地中部地區，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發生了2次顯著突變，極端伏旱日數分別在1978年前后發生了由多到少的突變、1993年前后發生由少到多的突變。

(2)近58 a來，四川盆地極端伏旱日數存在顯著的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周期下典型循環的第一年，盆地西北和西南邊緣極端伏旱日數略偏少，其余大部極端伏旱日數偏多，盆中局部偏多超過10 d；第二年異常狀況與第一年相反，極端伏旱日數偏少。這種空間異常分布與其EOF主模態空間分布基本一致，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與大氣環流系統存在明顯的協同變化關系。第一年時，西太副高脊線位置和副熱帶西風急流位置均偏北，西太平洋上空出現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，并出現異常輻散，不利于降水的產生，導致四川盆地極端伏旱日數偏多；第二年時正相反，西太副高脊線位置和副熱帶西風急流位置均偏南，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異常輻合帶，導致四川盆地極端伏旱日數偏少。