毛明策

(陜西省氣候中心,西安 710014)

關(guān)中地區(qū)位于陜西省中部,南依秦嶺,北界黃土高原,西起寶雞峽,東到潼關(guān),總面積39 064.5 km2,是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)。為了提高區(qū)域糧食安全水平,陜西省計(jì)劃未來10 a把關(guān)中平原和漢中盆地建設(shè)成為陜西省旱澇保收、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的糧食生產(chǎn)核心區(qū)。而關(guān)中處于季風(fēng)邊緣氣候敏感區(qū),年降水量變率大,干旱與洪澇發(fā)生頻繁,是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力的主要?dú)夂蛞蛩亍?/p>

旱澇事件受多種因素的共同影響,旱澇指數(shù)普遍具有非線性、非穩(wěn)態(tài)和非平衡特征,這給旱澇氣候診斷和預(yù)測(cè)帶來了極大不便,以往在對(duì)干旱指數(shù)或者等級(jí)資料進(jìn)行的特征分析中,常常假設(shè)旱澇事件的時(shí)間序列是線性的和平穩(wěn)的,從而可以應(yīng)用各種方法來分析其波動(dòng)周期特征。

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法(Em piricalm ode decomposition,EMD)是由Huange等[1]提出的一種分析非線性非穩(wěn)態(tài)信號(hào)的方法,能夠?qū)π盘?hào)逐級(jí)進(jìn)行曲線性化、平穩(wěn)化處理,并且是直觀、基于經(jīng)驗(yàn)和自適應(yīng)的。EMD的關(guān)鍵部分為經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解,它可以將復(fù)雜的數(shù)據(jù)序列分解成有限的幾個(gè)本征模態(tài)函數(shù)(intrinsicmode functions,IM F)。由于分解是基于數(shù)據(jù)時(shí)間尺度的自身特征,它可以應(yīng)用于非線性非穩(wěn)態(tài)過程[1]。EMD分解已經(jīng)在氣候[2]、氣候變化[3]、生態(tài)[4]等方面得到廣泛應(yīng)用。

本文利用1926-2008年以來82 a西安器測(cè)降水量值,計(jì)算近百年西安標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized precipitation index,SPI),結(jié)合歷史事件記錄[5],對(duì)照關(guān)中平原洪澇史分析成果[6],驗(yàn)證SPI對(duì)于西安乃至關(guān)中旱澇事件的敏感性,同時(shí)基于EMD分解,討論近百年西安及關(guān)中旱澇的多年變化,哪些尺度的振蕩對(duì)近百年旱澇事件波動(dòng)起主要作用。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)和資料

西安測(cè)候所于1926年建站開始觀測(cè),陜西省氣象局經(jīng)過對(duì)不同歷史時(shí)期觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正,得到1926-2008年以來82 a西安降水量月值序列,在月值序列基礎(chǔ)上計(jì)算年降水量。

利用已有的中國(guó)近500年旱澇分布圖[5],整理成西安近百年旱澇等級(jí)序列(簡(jiǎn)稱旱澇等級(jí)),其中旱澇分級(jí)為1-澇,2-偏澇,3-正常,4-偏旱,5-旱,起止時(shí)間為1926-1979年(圖1)。關(guān)中平原洪澇災(zāi)害的歷史記錄(簡(jiǎn)稱洪澇記錄),引自邵天杰[6]根據(jù)歷史文獻(xiàn)整理的關(guān)中平原近200 a來洪澇災(zāi)害研究成果。

1.2 SPI指數(shù)計(jì)算

SPI是表征某時(shí)段降水量出現(xiàn)概率多少的指標(biāo)之一,該指標(biāo)適合于月以上尺度相對(duì)于當(dāng)?shù)貧夂驙顩r的干旱監(jiān)測(cè)與評(píng)估[7]。由于降水量的分布一般不是正態(tài)分布,而是一種偏態(tài)分布。所以在進(jìn)行降水分析和干旱監(jiān)測(cè)、評(píng)估中,采用 Γ分布概率來描述降水量的變化。標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)就是在計(jì)算出某時(shí)段內(nèi)降水量的Γ分布概率后,再進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理,最終用標(biāo)準(zhǔn)化降水累積頻率分布來劃分旱澇等級(jí)。按照GB/T 20481-2006原理編程計(jì)算得到歷年SPI,引用袁文平[8]對(duì)SPI的旱澇分類(表1)。

1.3 EMD方法

采用Huang于1998年提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的方法[1],從近百年西安SPI序列中逐級(jí)分解出IMF分量,通過分析這些分量揭示原序列內(nèi)在的多尺度振蕩變化。分離采用篩選過程:把序列中的極大值和極小值分別用樣條函數(shù)連結(jié)起來,構(gòu)成上下包絡(luò)線,它們的均值為m1。由原序列SPI(t)與m1之差得到h1:經(jīng)過K次篩選,使得h1的全部極大值都為正,極小值都為負(fù),且局部峰谷的波形關(guān)于橫軸是基本對(duì)稱的,這樣得到IMF1:

C1(t)=h1k(t)=h1(k-1)(t)-m1k(t)

式中:C1——原序列中時(shí)間尺度最短即最高頻的分量(模態(tài)),然后把C1從原序列中分離出來,得到剩余序列r1,再對(duì)r1重復(fù)上述過程,得到第二個(gè)IMF分量,如此進(jìn)行下去,可以逐級(jí)分離出IMF分量,最后剩余一個(gè)趨勢(shì)項(xiàng),它可以表示序列的總趨勢(shì),詳細(xì)的計(jì)算方法見[9-10]。采用鏡像法延拓兩端[11],編寫EMD程序,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,計(jì)算SPI分解結(jié)果,提取關(guān)中平原旱澇的時(shí)間特征。

對(duì)分解得到的每個(gè)IM F進(jìn)行譜分析,提取最大周期,并進(jìn)行了檢驗(yàn),通過0.05置信度檢驗(yàn)周期列在表2中。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)干旱等級(jí)

2 結(jié)果與分析

2.1 SPI對(duì)西安旱澇事件的敏感性

表征干旱的指數(shù)非常多樣化,但對(duì)于一個(gè)具體的研究對(duì)象,應(yīng)選合理的干旱指標(biāo),SPI指數(shù)對(duì)于西安旱澇的敏感性如何,還需要與其它資料進(jìn)行印證。

由圖1可見,SPI和旱澇等級(jí)對(duì)應(yīng)的相當(dāng)好,旱澇等級(jí)較偏旱時(shí),SPI偏小,指示出現(xiàn)干旱,而旱澇等級(jí)偏濕時(shí),SPI偏大,指標(biāo)出現(xiàn)偏澇。但也有少數(shù)年份兩者變化趨勢(shì)不一致如1934年、1946年、1961年旱澇等級(jí)表明偏旱,同期SPI＞0,表明無旱,查閱歷史記載,1934年臨潼、華縣、岐山等夏秋兩季出現(xiàn)洪澇[12],而1946年降水量近700 mm,1961年降水量621mm,與降水量均值相比,屬于濕潤(rùn)年份。

同時(shí),與邵天杰等洪澇災(zāi)害的研究結(jié)果對(duì)比可以看出(圖2),旱澇等級(jí)表明1923-1930年是關(guān)中平原上近百年來少見的干旱時(shí)段,基本不發(fā)生洪澇災(zāi)害,SPI指數(shù)創(chuàng)下自1926年來的極低值,表明了這段時(shí)期是近百年來最干旱的時(shí)期。

圖1 近百年西安SPI與旱澇等級(jí)變化動(dòng)態(tài)

圖2 近百年來關(guān)中平原旱澇特征分析

1931-1937年是關(guān)中平原偏濕的時(shí)期,這個(gè)時(shí)期旱澇等級(jí)以正常到偏旱為主,SPI指數(shù)表明部分時(shí)期處于偏濕的狀態(tài),而洪澇記錄出現(xiàn)了一個(gè)集中暴發(fā)的特征。

1938-1951年以偏旱為主,本段時(shí)期SPI以輕旱-中旱為主,旱澇等級(jí)也記錄了偏旱發(fā)生,而洪澇災(zāi)害基本沒發(fā)生。1944年3種歷史記錄不能很好的印證,體現(xiàn)了各自對(duì)旱澇的描述能力,1944年降水量較少,SPI和旱澇等級(jí)都表明偏旱,關(guān)中平原卻出現(xiàn)了洪澇,這可能與渭河流域其它區(qū)域的降水增加有關(guān)。

1952年以后,關(guān)中進(jìn)入偏濕潤(rùn)時(shí)段,洪澇記錄表明洪澇災(zāi)害發(fā)生頻繁,50-80年代中期幾乎每年都會(huì)發(fā)生一定級(jí)別的洪澇,SPI也表明這一時(shí)段很少發(fā)生干旱。

1980年后,無論是SPI和洪澇序列,都呈現(xiàn)了干旱化的趨勢(shì),對(duì)黃土高原的研究表明多數(shù)站點(diǎn)在半個(gè)世紀(jì)中呈現(xiàn)減少趨勢(shì),降水減少的突變時(shí)間大約在1983年[13],同時(shí)對(duì)于西北地區(qū)東部,1990年代干旱發(fā)生最為頻繁,干旱災(zāi)害最為嚴(yán)重[14]。

綜上所述,西安年SPI指數(shù)與西安區(qū)域年旱澇等級(jí)和關(guān)中區(qū)域洪澇災(zāi)害記錄匹配得很好,對(duì)西安和關(guān)中區(qū)域旱澇變化敏感,可以用來定量描述西安及關(guān)中區(qū)域旱澇變化特征。

2.2 旱澇的波動(dòng)特征分析

通過EMD分解,西安近百年SPI的時(shí)間序列可分解為9個(gè)本征模態(tài)函數(shù)和1個(gè)趨勢(shì)項(xiàng)(圖3),分解結(jié)果包括了多個(gè)時(shí)間尺度的振蕩,利用最大熵譜分析,得到每個(gè)IMF的周期,通過0.05置信度檢驗(yàn)后的周期見表2。

表2 西安1926-2008年來SPI的EMD分析

通過EMD分解可以得到西安近百年來SPI的波動(dòng)特征。在圖3上,每個(gè)IMF分量呈現(xiàn)出圍繞零均值線的,局部極大值和極小值基本對(duì)稱的振蕩形式。它們的均值都為零,不隨時(shí)間變化,因而是平穩(wěn)的;振幅和頻率的變化比較小,波形比原序列規(guī)整簡(jiǎn)單,非平衡性減弱了。圖3縱坐標(biāo)值表征振幅或能量(振幅的平方),從圖3上可以看出,原序列的變化主要是由IM F1、IMF2和IMF9三個(gè)本征模態(tài)構(gòu)成的,分別反映了3 a、5 a和年代際的變化。對(duì)其方差貢獻(xiàn)率的計(jì)算表明IM F1、IM F2和IM F9三者貢獻(xiàn)了原始波動(dòng)91.78%的方差,是原序列主要的波動(dòng)。

IMF1、IMF2表示序列漲落時(shí)間短(約 3～5 a),是高頻分量,對(duì)應(yīng)了關(guān)中平原洪澇發(fā)生的平均值。對(duì)關(guān)中平原近200年來的洪澇災(zāi)害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)關(guān)中平原共發(fā)生洪澇災(zāi)害81次,平均每2.53年發(fā)生一次[6]。但實(shí)際上,關(guān)中平原的洪澇災(zāi)害在不同年代有不同發(fā)生頻率,因此僅用平均值來表征關(guān)中平原的洪澇特征是不足的。但是IMF1也有比平均值更有意義的特征,即IMF1表現(xiàn)出振幅是兩端較高,中間較低,表明了近百年西安SPI或者旱澇經(jīng)歷了變化劇烈-和緩-劇烈的時(shí)期,當(dāng)前正在一個(gè)波動(dòng)較為強(qiáng)烈的時(shí)期,旱澇變率增加,年景不穩(wěn)定。

圖 3 西安1926—2008年 SPI的 EM D分析

IMF9表現(xiàn)了年代際振蕩,在1926-2008年中,呈現(xiàn)了低-高-低的年代際變化,把近百年來西安SPI的變化和關(guān)中平原旱澇特征的大體走勢(shì)表現(xiàn)很清楚。結(jié)合關(guān)中平原近百年來洪澇記錄,西安SPI的IMF9分量波動(dòng)特征表明:近百年來西安經(jīng)歷了旱-澇-旱的波動(dòng)特征,當(dāng)前正處于較為干旱的時(shí)期,并有轉(zhuǎn)向濕潤(rùn)的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

(1)近百年來西安SPI序列所反映的旱澇事件與洪澇記錄、旱澇等級(jí)間相互印證很好,表明西安SPI指數(shù)對(duì)關(guān)中平原的旱澇年很敏感。西安歷史上出現(xiàn)了三個(gè)重要的旱澇時(shí)期,其中20世紀(jì)20年代是關(guān)中平原上近百年來最干旱的時(shí)期,20世紀(jì)30年代偏濕,30-40年代偏旱,50-80年代偏濕。80年代以后,呈現(xiàn)了干旱化的趨勢(shì),1990年代干旱發(fā)生最為頻繁,干旱災(zāi)害最為嚴(yán)重。

(2)經(jīng)過EMD分解,西安SPI振蕩呈現(xiàn)出多時(shí)間尺度特征,主要變化為3～5 a和年代際的振蕩。其中3～5 a為SPI的高頻變化,體現(xiàn)了關(guān)中平原的洪澇災(zāi)害平均特征,平均特征的波幅變化表明了近百年關(guān)中平原SPI或者旱澇經(jīng)歷了劇烈-和緩-劇烈的變化,當(dāng)前正在一個(gè)波幅較為強(qiáng)烈的時(shí)期,旱澇變率增加,年景不穩(wěn)定。

(3)IMF9則體現(xiàn)了SPI年代際變化的低頻特征,呈現(xiàn)了“低-高-低”的年代際變化,表明近百年來西安經(jīng)歷了“旱-澇-旱”的波動(dòng)特征,把近百年來SPI的變化和關(guān)中平原旱澇特征的大體走勢(shì)表現(xiàn)得很清楚,當(dāng)前正處于較為干旱的時(shí)期。但近年來,西安SPI維持在0以上,出現(xiàn)了偏濕的趨勢(shì),這與近年來關(guān)于西北地區(qū)氣候變化的研究有相似之處。進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著以新疆為代表的西北地區(qū)出現(xiàn)了向暖濕轉(zhuǎn)變的氣候特征[15]。對(duì)西北地區(qū)東部降水和蒸發(fā)量的研究表明:整個(gè)西北地區(qū)及其西風(fēng)帶氣候區(qū)、高原氣候區(qū)年干濕特征呈較為顯著的變濕趨勢(shì),以西風(fēng)帶氣候區(qū)的變濕趨勢(shì)最為顯著,高原氣候區(qū)次之[16],但是IM F9所表明的偏濕趨勢(shì)并不顯著,同時(shí)對(duì)近40 a中國(guó)北方降水量與蒸發(fā)量變化的研究也表明西北地區(qū)東部具有變濕的趨勢(shì),但不顯著[17]。

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