中國南北過渡帶短周期旱澇急轉及潛在驅動因素分析

雷曉平，宋小燕，2，果華雯，馬 瑞，宋松柏，2

（1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100；2.西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西楊凌 712100；3.北京良鄉藍鑫水利工程設計有限公司，北京房山 102401）

引言

21世紀以來，氣候系統穩定性逐漸減弱，干旱、洪澇等極端氣候災害頻發，環境變化風險不斷增加［1-4］。這些嚴峻的環境形勢給人類社會、自然的有序發展帶來了巨大壓力。近60年來，全球因極端事件遭受了巨大的經濟損失，亞洲因旱澇災害導致的經濟損失高達9 180億美元；大洋洲經濟損失最少，但也累計達到640億美元。其中中國、美國和加拿大是損失最為慘重的3個國家［5］。愈加頻繁的災害可能會相互作用發展成為復合型災害［6］，從而釀成更大的損失，在一定時期內，干旱、洪澇交替出現的旱澇急轉事件便屬于這一類型的災害，與單一的旱澇災害相比，旱澇急轉帶來的影響更大、造成的損失可能更嚴重。旱澇急轉現象在中國地區時有發生，典型的如2011年中國長江中下游地區1～5月連續偏旱，6月接連出現5次強降水，發生嚴重旱澇急轉［7］；2015年廣西地區3～4月降水量嚴重偏少，5月發生6次強降水，旱澇急轉特征十分凸顯［8］。

近年來，許多學者定量研究了我國南方地區（流域）的旱澇急轉時空演變特征，并進一步對典型旱澇急轉形成機理展開了分析，得出旱澇異常與大尺度大氣環流形勢存在聯系。例如，Wu等［9］研究指出長江中下游地區旱澇急轉的旱期和澇期內西太平洋副熱帶高壓、南亞高壓等大氣環流特征差異明顯；閃麗潔等［10］進一步發現長江中下游流域旱澇急轉事件ENSO事件密切相關。由于我國干旱的區域性和階段性突出；洪澇災害的分布具有明顯的地域性，且分布極不均勻［11］，北方地區在春季和汛期也同樣容易發生旱澇急轉。例如，時興合等發現青海省北部春季旱澇急轉除了受大氣環流影響外，還與春夏過渡時間提前有關［12］；Wu等［6］指出平均水汽壓和北極濤動（AO）是影響渭河流域旱澇急轉的主要因子。這些成果為地區（流域）水資源綜合利用、糧食安全、環境保護等方面提供了科學依據；對于進一步詮釋極端事件發生并提出有效對策具有重要的參考價值。

中國南北過渡帶，作為連接東西，承接南北的過渡區域，特殊的地理位置和氣候條件使得區域內自然災害呈現種類多、強度大、成災重的特點［13］。已有研究表明，過渡帶內水土流失嚴重，山區洪水發育頻繁［14］；干旱強度、歷時以及不同等級的干旱發生頻率均呈上升趨勢［15］；年平均水面蒸發量上升趨勢較為顯著，且未來一段時間內，水面蒸發量還將會持續上升［16］。然而過渡區域內的旱澇急轉情況如何，時空演變特征如何，形成機理又如何？目前尚未得到關注。鑒于此，本文根據中國南北過渡帶32個站點1960-2018年的逐月降水資料，利用短周期旱澇急轉指數（SDFAI），研究區域內5～9月內旱澇急轉的演變特征，淺析其可能的成因，以期能夠為闡述研究區內的旱澇急轉過程以及相應的防控規劃和減災措施提供一些理論支持。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區域概況

中國南北過渡帶的概念源自2017年國家科技基礎資源調查專項“中國南北過渡帶綜合科學考察”，我國的南北分界線被拓展成為南北過渡帶，包括了河南、湖北、重慶、四川、甘肅、陜西6省市的80個縣［17］，其地理位置如圖1所示。南北過渡帶主體為秦巴山地，秦巴山地是由秦嶺-大巴山共同組成的一個完整的地理地貌單元，地跨長江、黃河、淮河三大流域，具有多維地帶性、高度環境復雜性、生物多樣性以及氣候敏感性［18］。區域內地勢起伏，海拔差明顯［19］，河谷極為發育；而且地質條件復雜，山體穩定性差［20］。特殊的地形也使得區域內氣候類型多樣，垂直變化顯著，整體呈現出冬季寒冷少雨，夏季炎熱多雨，并伴有伏旱，春季干燥，秋季濕潤的特征［21］。此外，秦嶺是年降水800 mm分界線，夏季降水400 mm分界線；大巴山是年降水1 000 mm分界線，夏季降水500 mm分界線［22］。

圖1 研究區地理位置分布圖Fig.1 Geographical location distribution of the study area

1.2 數據來源

本研究采用的研究資料包括地面觀測站降水量數據、再分析數據和大氣環流指數。其中降水量數據來源于中國氣象數據網（http：//data.cma.cn）提供的研究區氣象站1960-2018年的32個站點5～9月逐月降水數據。再分析數據包括500 hPa、200 hPa位勢高度、850 hPa溫度、相對濕度、經向風速和緯向風速月平均值，空間分辨率為0.25o×0.25o，下載地址：https：//psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis.derived.pressure.html。大氣環流指數包括北極濤動指數（AO）、NINO 3.4區域海溫指數（NINO 3.4）、太陽黑子指數（TSNI）、太平洋年代際濤動指數（PDO），均下載自中國氣象局國家氣候中心（http：//cmdp.ncc-cma.net/cn/download.htm）。

1.3 研究方法

1.3.1 短周期旱澇急轉指數（SDFAI）

本文采用張水鋒等［23］提出的短周期旱澇急轉指數進行南北過渡帶旱澇急轉特征分析，研究中該指數將旱、澇時間尺度選取為一個月，如5月旱、6月澇（即旱轉澇），或者5月澇、6月旱（即澇轉旱）。為去除不同地區的降水量差異，故需先將降水量進行標準化處理，然后計算SDFAI，具體公式如下：

式中：Pi為第i時段降水量為平均降水量mm；N為樣本數。

式中：Ri為某月的標準化降水量；Ri+1為后一個月的標準化降水量值；Ri+1-Ri代表旱澇急轉強度；|Ri+1|+|Ri|代表旱澇強度；3.2-|Ri+1|+|Ri|為權重系數，作用是增加短周期旱澇急轉事件的權重，|SDFAI|＞1表明發生旱澇急轉。

1.3.2 分析方法

基于5～9月各時段內32個站點的SDFAI和旱澇急轉事件篩選結果，采用M-K趨勢分析法進行歷史變化趨勢分析，統計量|Z|越大表明趨勢越顯著，如果Z值絕對值大于1.96，則通過了0.05的顯著性水平；采用R/S分析法計算Hurst指數進行長期變化趨勢，Hurst=0.5表明序列呈現出隨機游走，是一個標準的布朗運動；0.5＜Hurst＜1表明時間序列就有持續性；0＜Hurst＜0.5表明時間序列具有反持續性；采用M-K突變檢驗和滑動T檢驗共同進行可能突變年份識別，增強結果可信度。采用交叉小波變換分析各時段SDFAI與大氣環流指數的時頻域關系，分析出潛在驅動因素。上述方法具體計算過程可參考文獻［24-26］。

2 結果與分析

2.1 旱澇急轉時間特征分析

圖2展示了基于SDFAI識別的旱澇急轉事件頻次年代變化情況。整體上，5～6月和6～7月內旱澇急轉事件較為多發，旱轉澇與澇轉旱事件平均每年發生3次以上；其次，各時段內的澇轉旱頻次均高于旱轉澇，尤其6～7月內澇轉旱明顯偏多，表明過渡帶區域旱澇急轉以澇轉旱為主；而且各時段的一些年份只發生過旱轉澇事件或者澇轉旱事件；可以看到，1994年5～6月內旱轉澇頻次和1998年8～9月內澇轉旱頻次為研究時段內最高，均達到27站次，屬于典型的旱澇急轉多發時期。另外，分析各時段旱澇急轉事件年代際變化情況表明1990 s為旱轉澇與澇轉旱事件年代際變化中較為清晰的轉折年代。可以看到，在4個時段的年代際旱轉澇與澇轉旱事件中，有3次峰值和3次谷值均出現在該年代，其序列前后趨勢整體呈現為“V型”和“倒V型”的變化特點。

圖2 旱澇急轉頻次變化圖Fig.2 Change of frequency of short-cycle drought and flood sudden alteration（SDFSA）

結合表1，在各時段內，無論是旱轉澇事件，還是澇轉旱事件，其線性變化趨勢緩慢，且均未通過0.05顯著性水平檢驗。分別對4個時段內旱轉澇與澇轉旱事件時間序列進行M-K突變檢驗，結合滑動T檢驗（分別取步長為4、6、8）尋找最可能的突變年份。由圖3可以看到，UF和UB統計量在2003-2009年之間出現多個交叉點，滑動T檢驗表明8～9月澇轉旱事件序列在2009年附近發生突變，突變以前，序列整體呈上升趨勢；突變以后，序列呈現下降趨勢。

表1 旱澇急轉頻次變化趨勢Table 1 Trend of frequency of short-cycle drought and flood sudden alteration（SDFSA）

圖3 8～9月澇轉旱事件突變診斷結果Fig.3 Diagnostic results of flood-to-drought from August to September

2.2 旱澇急轉空間分布特征分析

2.2.1 旱澇急轉頻次空間分析

5～6月、6～7月、7～8月、8～9月內各站點旱轉澇與澇轉旱事件總頻次空間分布如圖4所示，圖中紅色越深，事件頻次越高；藍色越深，事件頻次越低。可以很直觀地看到，旱轉澇和澇轉旱事件在5～6月和6～7月的空間分布頻次較高，且各時段內澇轉旱事件空間分布頻次較高，如6～7月內石泉站澇轉旱頻次高達12次。更具體的，5～6月內過渡帶西部岷江一帶（如松潘站、岷縣站）旱轉澇與澇轉旱頻次空間分布較高，東部陜南、重慶一帶澇轉旱頻次相對較高；6～7月內澇轉旱事件在陜西、重慶、湖北、四川在內的大范圍地區（如石泉站、萬源站、佛坪站、安康站、鎮安站）發生頻次偏高。并且5～6月和6～7月內旱轉澇在漢江下游分布頻次較高，這與趙英等［27］在漢江流域旱澇急轉時空分析得出的結論基本一致。7～8月和8～9月內的旱澇急轉事件則地區局部性較為突出。

圖4 旱澇急轉頻次空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of short-cycle drought and flood sudden alteration（SDFSA）

2.2.2 旱澇急轉趨勢空間分析

5～6月、6～7月、7～8月、8-9月內SDFAI趨勢空間分布如圖5所示，圖中紅色表示趨勢為正；藍色表示趨勢為負。從圖中可以看到，各時段內區域的SDFAI增大（減小）趨勢基本不顯著。另外，5～6月內出四川境內岷江流域和湖北局部地區外，大部分地區Z＞0，表明旱澇急轉變化趨勢傾向于旱轉澇；而6～7月區域Z值整體以負值為主，澇轉旱有增加的趨勢；7～8月內陜西、湖北、河南境內Z＞0，旱轉澇有增加的趨勢，四川、重慶、甘肅境內Z＜0，澇轉旱有增加的趨勢；8～9月旱澇急轉變化趨勢恰好與7～8月相反。為分析短周期旱澇急轉指數長期的變化趨勢，采用R/S法分別計算各時段內32個站點SDFAI序列的Hurst指數。結果顯示過渡帶內各時段hurst指數均值分別為0.62、0.62、0.61、0.68（圖略），這表明過渡帶內SDFAI序列具有較強持續性，因此過去的變化趨勢在未來一段時間內可能仍然持續下去。

圖5 旱澇急轉趨勢空間分布圖Fig.5 Spatial trend distribution of short-cycle drought and flood sudden alteration index

3 典型旱澇急轉大氣環流特征分析

通過對南北過渡帶地區短周期旱澇急轉事件時空變化特征分析表明，該地區旱澇急轉形勢較為嚴峻，在1994年5～6月、1998年8～9月內旱轉澇、澇轉旱發生站點數均高達27站次。選取這2個時期作為典型旱轉澇和澇轉旱時期，揭示期間大氣環流異常特征。

3.1 500 hPa合成高度場

中層大氣環流異常特征如圖6所示。1994年5月旱期，西太平洋副熱帶高壓（副高）面積、強度偏弱，其脊線位置位于19N°，西伸脊點在141.6 E°附近，表明副高主體偏南、偏東；孟加拉灣南支槽較常年偏弱，過渡帶區域主要受干冷高壓脊控制，干旱少雨。到了6月澇期，西太副高面積、強度增強，副高北跳，脊線北移約3.2個緯度，同時副高主體西伸至臺灣東部；過渡帶區域位于副高主體西北方向，水汽輸送充沛，有利于降水的增加。在1998年8～9月澇轉旱時期，情況恰好相反。在8月澇期，西太副高面積、強度幾乎達到全年最大；脊線位于26.5N°，較常年偏南；副高主體西伸至華南地區，過渡帶位于副高主體西北邊緣，水汽來源充沛，有利于降水的增加。而在9月澇期，西太副高面積、強度減弱，脊線位置略偏南，西伸脊點向東退至134.1E°，過渡帶區域主要受高壓脊控制，不利于降水。

圖6 500 hPa位勢高度場（黑色等值線，單位：dagpm）及位勢距平場（陰影，單位：dagpm）以及585 dagpm和588 dagpm（紅色等值線）氣候態分布Fig.6 Composite distribution of 500 hPa geopotential height field（black line，units：dagpm），500 hPa geopotential height anomaly field（the shaded，units：dagpm）and 585 dagpm and 588-dagpm climate geopotential

3.2 100 hPa合成高度場

圖7所示為高層大氣環流異常分布特征。在1994年5月旱期，南亞高壓主體位于中南半島，位置偏南，強度偏弱，過渡帶地區為高空西風急流控制；進入6月澇期后，南亞高壓中心移至印度西北部上空，強度增強，主體向東西伸展，此時，副高主體也相應向西伸展。過渡帶地區位于南亞高壓主體東北邊緣，受反氣旋控制，上升運動增強，有利于降水增加。1998年8月澇期，南亞高壓主體中心位于伊朗高原上空，且異常偏強。副高與南亞高壓“西伸東進、相向而行”十分突出，過渡帶地區受反氣旋影響強烈，有利于降水；轉入旱期后，南亞高壓主體東移至青藏高原上空，位置偏南，強度減弱，副高與南亞高壓“東退西進，相背而離”。

圖7 100 hPa位勢高度場（單位：dagpm）及風場（單位：m/s）Fig.7 Composite of 100 hPa geopotential height field（Units：dagpm）and wind anomaly field（Units：m/s）

3.3 850 hPa水汽通量場

圖8分別展示了典型旱澇急轉時期的850 hPa水汽輸送通量及其距平的空間分布。可以看到，在2個典型時期南北過渡帶地區水汽源地主要為印度西南季風區的水汽輸送。1994年5月旱期，區域整體水汽輸送通量距平為負，較常年偏低。當大量水汽輸送至華南地區后被分為2股，一股剛好在過渡帶南側轉向并形成反氣旋式水汽輸送；另一股在臺灣附近同轉向的偏南氣流經日本南部返回至太平洋，不利于降水的產生。6月澇期，水汽輸送通量較常年略高，較為充足的西南水汽被輸送至該地區，有利于降水的增加。1998年8月澇期水汽輸送通量較常年偏低，但仍有大量的水汽被輸送至過渡帶，為區域內降水增加創造了必要的水汽條件；而在9月旱期，較充足的西南水汽在東海一帶轉向為東北氣流經過研究區東南角并被輸送至華南地區，不利于過渡帶地區降水。

圖8 850 hPa水汽輸送場（單位：kg·hPa-1·m-1·s-1）及距平場（陰影，單位：kg·hPa-1·m-1·s-1）Fig.8 Composite of 850 hPa water vapor flux field（units：kg·hPa-1·m-1·s-1）and 850 hPa water vapor flux anomaly field（the shaded，units：kg·hPa-1·m-1·s-1）

4 SDFAI變化潛在驅動因素分析

交叉小波變換可以很好地展示出兩個序列間地時頻域關系。本節對4個時段內區域SDFAI與同時段（前一月與后一月）AO、NINO 3.4、TSNI、PDO 4項指數時間序列進行交叉小波變換，以分析其主要潛在驅動因素以及驅動方向，結果如圖9所示，圖中細黑線表示小波影響錐線邊界，其包絡區域為有效譜值區；粗黑線包絡區域表明通過了0.05顯著性水平檢驗。→（←）表示SDFAI與大氣環流指數變化相位相同（相反）；↓（↑）表示SDFAI變化超前（滯后）于大氣環流指數。不難看出，SDFAI與同時段內前后兩月AO的時頻域關系明顯不一致且整體偏弱；而且SDFAI與時段內前一月的AO共振關系表現得略強，表明SDFAI變化受時段內前一月AO的影響較大，但是其各時段內驅動方向差異較大，逐時段主要相關關系依次為負相關、SDFAI超前1/4周期、SDFAI滯后1/4周期、正相關。相較之下，SDFAI與同時段內前后兩月NINO 3.4、TSNI、PDO的時頻域關系則呈現出高度的一致性。其中9～14年尺度上各時段內SDFAI與TSNI在1975-2005年存在顯著性共振，5～6月內SDFAI與TSNI先為正相關，然后表現為SDFAI滯后1/4周期；6～7月內SDFAI與TSNI則先表現為SDFAI超前1/4周期，然后轉為負相關；7～8月和8～9月內則均以SDFAI滯后1/4周期為主。另外，5～6月內SDFAI與NINO 3.4、PDO分別在13年尺度、9～12年尺度上存在顯著性共振，表現為強烈且穩定的正相關關系，6～7月和8～9月內同樣尺度上則表現得相對較弱，時域范圍短，并且7～8月內SDFAI與NINO 3.4、PDO則在6年左右尺度上存在小范圍正相關共振關系。

圖9 交叉小波變換結果Fig.9 Results of cross wavelet transform

整體而言，在AO、NINO 3.4、TSNI、PDO 4項指數中，TSNI對過渡帶SDFAI變化的影響最強，其相關關系主要為SDFAI滯后1/4周期，NINO 3.4和PDO次之，與SDFAI以正相關為主；AO對SDFAI變化的影響最小，時頻關系存在較大差異。

5 討論

通過對典型旱轉澇和澇轉旱時期的大尺度大氣環流的分析，旱澇急轉的旱期和澇期內西太平洋副熱帶高壓、南亞高壓、水汽輸送特征差異明顯，結果與前人得出的結論具有很好的一致性；過渡帶SDFAI變化主要驅動因素分析結果表明，在選用的AO、NINO 3.4、TSNI、PDO 4項指數中，TSNI對SDFAI變化影響最強，NINO 3.4和PDO次之，AO對SDFAI變化的影響最小。許多研究表明太陽活動會對大氣環流變化產生一定影響［28-31］，然后共同影響降水等氣象要素，從而影響旱、澇的變化。其次，從圖9中可以看到，個別時段內SDFAI與AO、NINO 3.4、PDO的響應較弱，這表明很可能受其它環流因子的影響較大。此外，南北過渡帶特殊的地形因子對降水的空間分布具有重要貢獻［32-33］。秦嶺呈東西走向，西與迭山接壤，東至伏牛山一帶；大巴山則呈西北-東南走向，西起摩天嶺，向東延綿與巫山相接，秦嶺-大巴山對于低層冷空氣南下和暖濕氣流北上具有一定的阻擋作用。在兩者之間，則是漢江河谷形成的巨大喇叭口地形。畢寶貴研究指出［32］，秦嶺山脈對降水的影響主要是通過地形產生的垂直次級環流實現，并進一步分析出秦巴山區由于秦嶺-漢江河谷-大巴山三大地形間的相互作用導致的降水空間分布情況。由于地形對降水影響數值模擬以及秦巴山區地形本身的復雜性，本文未能就地形因素展開深入探索。因此，考慮綜合環流因子，以及地形是如何影響中國南北過渡帶內旱澇急轉的時空分布值得進一步研究。

6 結論

為深入掌握中國南北過渡帶旱澇急轉特性及其變化規律，定量分析區域旱澇急轉時空分布特征及其風險，本研究利用短周期旱澇急轉指數SDFAI作為特征變量，進行旱澇急轉研究，得到的結果如下：

（1）在5～6月、6～7月、7～8月、8～9月內，過渡帶區域旱澇急轉以澇轉旱為主，其中5～6月和6～7月是旱澇急轉事件多發期。此外，1990 s為旱轉澇與澇轉旱事件年代際變化中較為清晰的轉折年代，其峰值和谷值均多次出現在該年代，相應序列前后趨勢整體呈現為“V型”和“倒V型”的變化特點。

（2）過渡帶內旱澇急轉頻次變化地區差異較大，整體上旱澇急轉事件在岷江一帶、陜南周邊地區較為多發；各時段內SDFAI空間變化趨勢差異較大，且Hurst指數空間均值分別為0.62、0.62、0.61、0.68，均大于0.5，這表明過渡帶SDFAI的變化趨勢將持續至未來一段時間。

（3）過渡帶區域典型旱澇急轉時期的旱期與澇期內的西太平洋副熱帶高壓、南亞高壓的位置和強度以及水汽輸送特征差異明顯。

（4）通過分析各時段內SDFAI與AO、NINO 3.4、TSNI、PDO的時頻域關系發現，9～14年尺度上SDFAI與TSNI在1975-2005年存在顯著性共振，對SDFAI變化影響最強，主要表現為SDFAI滯后1/4周期，NINO 3.4和PDO次之，與SDFAI以正相關關系為主；AO對SDFAI變化的影響最小，其時頻關系差異較大。