張善紅,齊貴增,蘇 凱,周林燕,孟 清,白紅英,*

1 西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院,西安 710127 2 商洛學(xué)院城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院, 商洛 726000 3 西北大學(xué)陜西省地表系統(tǒng)與環(huán)境承載力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710127

隨著全球環(huán)境變化,極端氣候事件頻發(fā),氣象災(zāi)害日趨嚴(yán)重,災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)逐漸加大,其中,旱澇災(zāi)害是影響范圍最廣的氣象災(zāi)害類型[1],不僅破壞人類生存環(huán)境,造成水土流失及農(nóng)作物受災(zāi)減產(chǎn),還對(duì)人類健康和社會(huì)穩(wěn)定造成威脅[2]。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出[3],全球幾乎所有地區(qū)都出現(xiàn)了地表溫度持續(xù)上升的現(xiàn)象,并且最近30年地表溫度的增暖幅度持續(xù)加大；近100年來我國氣候增溫率達(dá)到1.52℃/100a,超過世界平均水平。全球變暖使大氣環(huán)流發(fā)生異常,極端降水事件發(fā)生,在此背景下,全球旱澇影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,全球干旱發(fā)生頻率增加,旱澇災(zāi)害問題成為氣候?qū)W界研究的熱點(diǎn)[4—6]。

秦嶺地處我國暖溫帶和亞熱帶的生態(tài)過渡帶,是我國中部最重要的生態(tài)屏障及全球生物多樣性最豐富的地區(qū)之一,是重要的氣候和南北地理分界線,是中國氣候變化研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)區(qū)域[7]。近些年來隨著全球氣候變化和人類活動(dòng)的影響,秦嶺山地氣候變化的特征表現(xiàn)出以下幾個(gè)特征：①氣溫上升顯著。近60年來秦嶺南北坡氣溫均呈上升趨勢(shì),秦嶺南北氣候增暖主要表現(xiàn)在20世紀(jì)90年代之后[8—9]；②極端氣溫對(duì)海拔的依賴性不同。秦嶺極端氣溫的變暖率隨海拔升高而增大,高海拔區(qū)域極端氣溫頻率和強(qiáng)度的變化最明顯,中海拔區(qū)域極端氣溫持續(xù)時(shí)間的變化最明顯[10]；③秦嶺山地極端降水的持續(xù)性呈現(xiàn)減少趨勢(shì),降水強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)。秦嶺山地降水時(shí)間短、強(qiáng)度大,尤其在秦嶺南坡表現(xiàn)最明顯,易發(fā)生洪水災(zāi)害[11]；④春季暖干化趨勢(shì)顯著。近60年來秦嶺山地春季表現(xiàn)為暖干化趨勢(shì),其中1994—2008年是干旱化程度高、頻率高的時(shí)間段[12]。

目前對(duì)旱澇災(zāi)害的研究主要集中在3個(gè)方面：一是旱澇指標(biāo)的確定。目前應(yīng)用最廣泛,適應(yīng)性最好,且反映旱澇最理想的指數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index, SPEI)。該指數(shù)兼顧帕爾默干旱指數(shù)(Palmer Drought Severity Index, PDSI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index, SPI)的優(yōu)點(diǎn),適合多尺度、多空間比較的優(yōu)點(diǎn)[13—14]。二是旱澇災(zāi)害的時(shí)空分布規(guī)律及成因研究。Yu等[15]采用SPEI指數(shù)對(duì)中國旱澇時(shí)空特征進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)90年代末期中國干旱強(qiáng)度增加,東北和華北干旱發(fā)生次數(shù)最頻繁,華南也表現(xiàn)出干旱化趨勢(shì)；Voice等[16]基于全球環(huán)流模式對(duì)澳大利亞海表溫度距平(Sea surface temperature anomaly, SSTA)指數(shù)與旱澇的關(guān)系進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)兩者關(guān)系非常密切,當(dāng)東太平洋處于厄爾尼諾暖期時(shí),對(duì)干旱影響更為強(qiáng)烈；也有學(xué)者[17—19]認(rèn)為青藏高原熱力抬升作用影響到亞洲大部分區(qū)域,夏季高原的加熱作用通過激發(fā)異常的大氣環(huán)流,使得中亞、西北和華北的干旱事件加劇。近些年來,關(guān)于厄爾尼諾/南方濤動(dòng)(El Nio-Southern Oscillation,ENSO)、大氣環(huán)流、太陽黑子對(duì)旱澇災(zāi)害的關(guān)系研究逐漸成為熱點(diǎn),普遍認(rèn)為這些因素對(duì)旱澇災(zāi)害的變化起著非常重要的作用[20—26]。三是研究SPEI指數(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)和林業(yè)的影響。張華等[27]研究西北地區(qū)植被變化對(duì)干旱的響應(yīng),結(jié)果表明植被生長狀況在大部分區(qū)域與SPEI呈現(xiàn)不同程度的正相關(guān)；曹樂瑤等[28]研究了森林生長對(duì)氣候干旱的響應(yīng),結(jié)果表明森林生長對(duì)氣候干旱的響應(yīng)有正有負(fù),且在不同月份、不同時(shí)間尺度上正負(fù)響應(yīng)有所不同；Jiang等[29]對(duì)中國牧區(qū)不同時(shí)間尺度下植被生長對(duì)干旱的響應(yīng)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明森林對(duì)較長時(shí)間尺度的干旱比較敏感,而草地和農(nóng)田對(duì)較短時(shí)間尺度的干旱有關(guān)系；Qi等[30]研究結(jié)果表明,秦嶺山地植被歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)變化與秦嶺干濕變化密切相關(guān),植被年NDVI與春季SPEI絕大多面積呈正相關(guān),且隨海拔上升植被對(duì)干濕變化的敏感有差異。

秦嶺是中國南北地理環(huán)境的重要分界線,是氣候變化的敏感區(qū)。在全球變暖的大背景下,基于秦嶺南北坡32個(gè)氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù),探討秦嶺南北坡旱澇時(shí)空分布特征,引入交叉小波和小波相干分析法,更好地揭示秦嶺山地旱澇變化與各因子之間在不同周期尺度上的時(shí)頻位相關(guān)系,旨在為秦嶺南北坡的旱澇防治,秦嶺林業(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù),為秦嶺山、水、林、田、湖、草生態(tài)保護(hù)工程提供有力的理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

秦嶺山地橫亙于我國中部地區(qū)呈東西走向的巨大山脈,其大體上與我國1月0℃等溫線、800mm等降水量線重合[7],是濕潤季風(fēng)氣候與半濕潤季風(fēng)氣候的分界線,也是北亞熱帶常綠落葉闊葉林混交林與暖溫帶落葉闊葉林的分界線,是重要的氣候和南北地理分界線,是全球生物多樣性關(guān)鍵地區(qū)之一,同時(shí)這座橫亙東西的巨大山脈又是氣候變化區(qū)域響應(yīng)的敏感區(qū)[31]。秦嶺山地的高山、中山地貌一般海拔在1500—3000m,導(dǎo)致氣候山地多樣,呈現(xiàn)出明顯的山地垂直分帶特征[7],隨著海拔的上升,依次呈現(xiàn)暖溫帶、中溫帶、寒溫帶等垂直氣候帶(南坡在暖溫帶以下有北亞熱帶)。氣候帶的垂直地帶性,相應(yīng)植被也呈現(xiàn)明顯的垂直分帶特征。本文研究的秦嶺山地為陜西省境內(nèi)的秦嶺腹地,地處105°30′—111°05′E,32°40′—34°35′N之間,西起嘉陵江,東與伏牛山相接,北以渭河為界,南以漢江為邊,東西橫貫于陜西省南部,包括陜西省的六市32個(gè)縣區(qū),見圖1。

圖1 研究區(qū)氣象站點(diǎn)Fig.1 Spatial distribution of meteorological stations in the study area

1.2 資料來源

本文所采用的氣象數(shù)據(jù)來源于陜西省氣象局,包括1960—2019年秦嶺山地32個(gè)氣象站點(diǎn)逐日氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)以及太白山中高海拔的11個(gè)自動(dòng)氣象站2013—2015年逐日氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)。其中1960—2019年日值數(shù)據(jù)有部分站點(diǎn)數(shù)據(jù)缺測(cè),為保證研究數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性,缺測(cè)數(shù)據(jù)通過站點(diǎn)已有數(shù)據(jù)與鄰近站點(diǎn)數(shù)據(jù)采用回歸方法[32]進(jìn)行插補(bǔ),部分缺測(cè)站點(diǎn)結(jié)果如圖2(圖2為部分所缺站點(diǎn)與鄰近站點(diǎn)數(shù)據(jù)的一致性檢驗(yàn))所示。由圖2可以看出,缺測(cè)數(shù)據(jù)站點(diǎn)與臨近站點(diǎn)的數(shù)據(jù)一致性良好,R2均大于0.97以上,說明采用臨近站點(diǎn)的插補(bǔ)方法是可行的。

圖2 部分缺測(cè)站點(diǎn)與臨近站點(diǎn)的數(shù)據(jù)一致性檢驗(yàn)Fig.2 Data consistency test between lack of measured data site and adjacent site

數(shù)字高程(DEM)數(shù)據(jù)分辨率為30m×30m,來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心；ENSO數(shù)據(jù)來自美國海洋氣象局NOAA(http://www.cpc.noaa.gov),ENSO事件選用赤道中、東太平洋El Nio3.4區(qū)的海表溫度距平(Sea surface temperature anomaly,SSTA)指數(shù)進(jìn)行表征[23]；太陽黑子數(shù)據(jù)來源于美國天文觀測(cè)網(wǎng)站公布的太陽黑子相對(duì)數(shù)。

1.3 研究方法

1.3.1標(biāo)準(zhǔn)潛在蒸散發(fā)指數(shù)SPEI

Vicente-Serrano等[33]提出標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI),兼顧帕爾默干旱指數(shù)(PDSI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)的優(yōu)點(diǎn),適合多尺度、多空間比較的優(yōu)點(diǎn)。SPEI表征全球變暖背景下干旱的變化特征,在全球各地區(qū)有較好應(yīng)用[34—36]。具體計(jì)算過程參見以下參考文獻(xiàn)[33,37]。秦嶺山地的旱澇等級(jí)劃分參考GB/T20481—2006《氣象干旱等級(jí)》,并借鑒劉珂和蔣大膀[38]的劃分方法,具體標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)對(duì)應(yīng)的旱澇等級(jí)Table 1 SPEI grades for drought and flood

1.3.2Anuplin插值方法及驗(yàn)證

Anusplin空間插值法,是由澳大利亞學(xué)者Hutchinson基于薄盤光滑樣條函數(shù)理論開發(fā),該軟件通過多個(gè)影響因子進(jìn)行空間插值,更加適用于長時(shí)間序列的氣象要素插值處理[39],并且在復(fù)雜山地環(huán)境下,插值精度誤差小[40],研究表明Anusplin對(duì)氣象數(shù)據(jù)的插值相于其他插值法更加準(zhǔn)確[41],因此本文選用了Anusplin對(duì)秦嶺山地各站點(diǎn)SPEI進(jìn)行空間插值。采用交叉驗(yàn)證方法選取中高海拔站點(diǎn)和中低海拔站點(diǎn)數(shù)據(jù),運(yùn)用平均絕對(duì)誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)2個(gè)參數(shù)評(píng)估SPEI數(shù)據(jù)的插值精度。中高海拔站點(diǎn)驗(yàn)證：采用太白山地區(qū)2013—2015年11個(gè)中高海拔區(qū)自動(dòng)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)Anusplin法空間插值結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)；中低海拔站點(diǎn)驗(yàn)證：從32個(gè)站點(diǎn)中每次隨機(jī)預(yù)留3個(gè)站點(diǎn)作為驗(yàn)證,剩余29個(gè)站點(diǎn)用來建立插值模型,共取4次,得到12個(gè)驗(yàn)證點(diǎn),用來評(píng)估中低海拔地區(qū)插值驗(yàn)證精度。表2插值結(jié)果精度最大年份、最小年份以及中間年份的驗(yàn)證結(jié)果,SPEI插值結(jié)果在中低海拔處、中高海拔插值良好,滿足研究需要。

表2 SPEI空間插值結(jié)果檢驗(yàn)Table 2 Results of SPEI spatial interpolation of the Qinling Mountains

1.3.3相關(guān)性分析

使用交叉小波變換(XWT)與小波相干變換(WTC)分析秦嶺山地SPEI與ENSO、太陽黑子的關(guān)系。交叉小波變換[42]是一種將小波變換和交叉譜分析結(jié)合的一種新的信號(hào)分析技術(shù),可以從多時(shí)間尺度研究兩個(gè)時(shí)間序列在時(shí)域頻中的相互關(guān)系。該方法可以揭示兩個(gè)不同時(shí)段尺度上的相關(guān)性和一致性,并能再現(xiàn)時(shí)頻空間中的相位關(guān)系。小波相干譜是用來衡量兩個(gè)時(shí)間序列在時(shí)頻域中局部相關(guān)的低值區(qū),兩者在小波相干譜中也可能對(duì)應(yīng)著顯著的相關(guān)性。小波相干譜的檢驗(yàn)采用蒙特卡洛檢驗(yàn)法。具體使用方法,見參考文獻(xiàn)[42]。

在使用交叉小波變換對(duì)秦嶺山地SPEI研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合小波相干譜,更能準(zhǔn)確地得出秦嶺山地SPEI及其影響因子特征指數(shù)的時(shí)間序列的時(shí)頻位相關(guān)系[43]。

2 結(jié)果與分析

2.1 1960—2019年秦嶺山地旱澇變化

2.1.1秦嶺山地SPEI指數(shù)時(shí)間變化趨勢(shì)

圖3為秦嶺山地平均SPEI指數(shù)年際變化趨勢(shì)及其Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果。由圖3可以看出,1960—2019年,秦嶺山地年平均SPEI指數(shù)以0.124/10a的速度下降,干旱趨勢(shì)明顯增強(qiáng),1990年秦嶺山地發(fā)生干旱突變。突變前的30年洪澇事件相對(duì)較多,而突變后的30年干旱頻繁發(fā)生,干旱事件大于洪澇事件。在0.05的置信度水平下,由UF曲線可知,1960—2019年秦嶺年平均SPEI指數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)變化,并于1990年發(fā)生下降突變,且在2000—2019年間(除2011—2013年)達(dá)顯著下降趨勢(shì),而在突變之前,無論是干旱事件還是洪澇事件基本未達(dá)到顯著變化。

圖3 1960—2019年秦嶺山地SPEI值年際變化及M-K突變檢驗(yàn)Fig.3 Interannual variation of SPEI value and M-K mutation test in Qinling Mountains from 1960 to 2019SPEI: 標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù) Standardized precipitation evapotranspiration index；M-K: Mann-Kendall; UF,Forward standard normal distribution; UB,Backward standard normal distribution; 在給定顯著性水平a=0.05,統(tǒng)計(jì)量UF和UB的臨界值為±1.96; UF>0,表示序列呈上升趨勢(shì)；反之,呈下降趨勢(shì),大于或小于±1.96,表示上升或下降趨勢(shì)顯著

2.1.2秦嶺山地SPEI指數(shù)空間變化趨勢(shì)

通過對(duì)1960—2019年秦嶺山地各站點(diǎn)的SPEI值進(jìn)行Anusplin插值,得到60張SPEI的空間分布圖,采用線性傾向分析的方法,得到秦嶺山地每個(gè)柵格上年SPEI變化傾向率并進(jìn)行顯著性分析(圖4)。由圖4秦嶺SPEI傾向率可知,秦嶺山地SPEI的變化率介于-0.350/10a到0.086/10a之間,傾向率大于0的地區(qū)占總面積的4.17%,傾向率小于0的地區(qū)占總面積的95.83%。由SPEI傾向率顯著性檢驗(yàn)可知,秦嶺山地90.23%的面積顯著下降趨勢(shì)(P≤0.1),5.17%不顯著下降；2.64%不顯著上升；1.96%顯著上升。

圖4 1960—2019年秦嶺山地年均SPEI傾向率與顯著性空間分布Fig.4 Spatial distribution of SPEI tendency rate and its significance in the Qinling Mountains

其中,秦嶺南、北坡的年均SPEI指數(shù)分別以0.121/10a和0.171/10a的速度下降,表明北坡的干旱化趨勢(shì)大于南坡。其中北坡的周至、鄠邑、寶雞的干旱化程度較大,其SPEI指數(shù)變化率分別為-0.179/10a、-0.129/10a、-0.172/10a；南坡SPEI指數(shù)傾向率下降較明顯的地區(qū)為鎮(zhèn)安、柞水和城固,分別是-0.179/10a、-0.194/10a和-0.172/10a；而南坡的商南、安康和略陽表現(xiàn)出較微弱的濕潤化特征,傾向率為0.063/10a、0.022/10a和0.013/10a。

參考《陜西秦嶺生態(tài)環(huán)境保護(hù)綱要》中依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)基本特征對(duì)秦嶺高、中、低海拔的劃分,將秦嶺劃分為<1500m、1500—2600m和>2600m 3個(gè)海拔區(qū)域[10],并在3個(gè)海拔區(qū)內(nèi)提取SPEI傾向率。結(jié)果發(fā)現(xiàn),<1500m、1500—2600m和>2600m 3個(gè)區(qū)間范圍的平均傾向率分別為-0.111/10a、-0.193/10a和-0.286/10a,說明高海拔地區(qū)旱澇狀況對(duì)氣候變化更為敏感。

綜上所述,整個(gè)秦嶺山地干旱化趨勢(shì)顯著,且北坡的干旱化趨勢(shì)大于南坡；高海拔地區(qū)SPEI指數(shù)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì),即高海拔地區(qū)干旱更加敏感。

2.2 秦嶺南北旱澇發(fā)生頻率變化特征

按照SPEI旱澇等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)將SPEI指數(shù)劃分為不同的旱澇級(jí)別,并分為6個(gè)年代際變化進(jìn)行分析,結(jié)果見表3。由表3可以看出,秦嶺南北的干旱發(fā)生頻率呈上升趨勢(shì),洪澇發(fā)生頻率呈下降趨勢(shì),20世紀(jì)80年代之前,秦嶺北坡的洪澇發(fā)生頻率大于南坡,20世紀(jì)80年代開始,秦嶺北坡的干旱發(fā)生頻率大于南坡。20世紀(jì)60—70年代秦嶺南坡和北坡地區(qū)均由濕潤向干旱發(fā)展,且秦嶺北坡的澇災(zāi)頻率大于秦嶺南坡；20世紀(jì)80年代秦嶺南北坡均以濕潤為主,且秦嶺南坡的澇災(zāi)頻率大于北坡；20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)的前10年,秦嶺地區(qū)濕潤事件呈現(xiàn)斷崖式下降,旱災(zāi)頻率和等級(jí)明顯增加,秦嶺北坡的干旱事件由12.50%上升到48.33%,南坡由6.67%劇增到41.67%,北坡的干旱程度大于秦嶺南坡；2010—2019年秦嶺地區(qū)開始轉(zhuǎn)向濕潤,但其干旱程度仍高于20世紀(jì)60年代干旱,且北坡的干旱程度大于秦嶺南坡。

表3 1960—2019年秦嶺南北旱澇發(fā)生頻率/%Table 3 Frequency of drought and flood in the Qinling Mountains from 1960 to 2019

秦嶺地區(qū)1960—2019年SPEI指數(shù)在1990年發(fā)生降低突變,值得注意的是,突變前30年(1960—1989年)秦嶺地區(qū)整體濕潤比例平均值為36.94%,突變后30年(1990—2019年)濕潤比例平均值下降為18.19%；干旱比例平均值由突變前的17.64%急劇上升到突變后的38.19%,表明1990年以后,秦嶺由濕潤轉(zhuǎn)向干旱的趨勢(shì)明顯。此外,突變發(fā)生前秦嶺南北坡極端干旱事件從未發(fā)生,嚴(yán)重干旱事件也很罕見,突變后嚴(yán)重干旱和極端干旱事件發(fā)生頻率較高；同時(shí),突變后秦嶺南北坡極端濕潤和嚴(yán)重濕潤事件近乎銷聲匿跡,1990—2019年只發(fā)生3次嚴(yán)重濕潤事件。

3 秦嶺山地旱澇變化周期與成因分析

3.1 秦嶺山地旱澇周期

采用Morlet小波對(duì)秦嶺年SPEI值進(jìn)行周期分析,結(jié)果如圖5。小波變換系數(shù)實(shí)部時(shí)頻圖中,正小波代表SPEI指數(shù)偏大時(shí)期,表示濕潤條件,負(fù)小波代表SPEI指數(shù)偏小時(shí)期,表示干旱條件。由圖5秦嶺SPEI的小波周期圖可以看出,秦嶺山地主要存在23年的中長周期及9年左右的短周期,大尺度的周期嵌套著小尺度的周期變化,且不同周期對(duì)應(yīng)的SPEI指數(shù)偏大偏小情況不同。23年尺度的中長周期,其周期信號(hào)具有全域性特點(diǎn),周期信號(hào)最強(qiáng),小波系數(shù)等值線閉合值高,是秦嶺山地SPEI指數(shù)序列的最大周期變化。9年左右的周期變化,周期信號(hào)具有局域性特征,以1995為界,周期振蕩在1960—1995年表現(xiàn)最明顯。由圖5秦嶺SPEI小波分析方差可知,秦嶺山地SPEI干旱指數(shù)序列的小波方差有2個(gè)峰值,對(duì)應(yīng)周期分別為23年和9年。其中23年尺度的小波方差值遠(yuǎn)大于9年尺度對(duì)應(yīng)的小波方差峰值,表明23年的周期振蕩最為明顯,為第一主周期,9年周期為次周期。該結(jié)論與小波實(shí)部時(shí)頻圖得到結(jié)論基本一致。

圖5 1960—2019年秦嶺山地SPEI指數(shù)小波分析圖Fig.5 Wavelet analysis of SPEI index in the Qinling Mountains from 1960 to 2019

3.2 秦嶺山地旱澇變化的成因分析

影響氣候旱澇的直接原因是氣溫和降水的異常,而氣溫和降水變化的原因可能與熱帶海洋表面溫度、大氣環(huán)流、太陽活動(dòng)等綜合因素的影響。本文就太陽黑子變化、海表溫度距平指數(shù)(SSTA)、ENSO事件分析秦嶺山地旱澇變化的成因。

3.2.1太陽黑子的影響

圖6為秦嶺山地1960—2019年SPEI與太陽黑子的交叉小波計(jì)算結(jié)果。由圖6交叉小波能量譜可知,秦嶺年SPEI與太陽黑子存在一個(gè)顯著的共振周期振蕩,大約為8—10年周期(1965—1994年)。其中1960—1984期間相位向上偏左,近似負(fù)相關(guān)；1985—1994期間,相位向上偏右,近似正相關(guān)。由圖6交叉小波凝聚譜可以看出,交叉小波凝聚譜彌補(bǔ)了交叉小波能量譜在低能區(qū)相關(guān)性分析的不足,交叉小波凝聚譜有著較大的時(shí)頻域空間,SPEI與太陽黑子序列在有效譜區(qū)內(nèi)存在3個(gè)周期,5—6年周期(1963—1975年)、3年周期(1975—1978年)和2年周期(1994—2005年)。5—6年周期相位差向上偏左,近似負(fù)相關(guān)；3年周期SPEI變化相位比太陽黑子提前90°；2年周期SPEI變化與太陽黑子呈負(fù)相關(guān)。可見太陽黑子相對(duì)數(shù)在不同的時(shí)間尺度上對(duì)旱澇變化影響不同,在1960—1984年和1994—2005年太陽黑子與秦嶺干旱呈負(fù)相關(guān),而在1985—1994年呈正相關(guān)關(guān)系,整體上太陽黑子相對(duì)數(shù)與秦嶺旱澇干旱基本呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖6 秦嶺年SPEI與太陽黑子的交叉小波能量譜、交叉小波凝聚譜Fig.6 Cross wavelet power and wavelet coherence between SPEI and sunspot in the Qinling Mountains黑色實(shí)線圈閉合區(qū)域?yàn)橥ㄟ^置信水平為95%的標(biāo)準(zhǔn)背景譜檢驗(yàn)；箭頭表示相位關(guān)系,←表示兩個(gè)序列變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,→表示位正相關(guān)關(guān)系；↑表示SPEI變化滯后太陽黑子變化位相90°,↓表示SPEI變化相位超前太陽黑子90°;XWT:交叉小波變換 Cross wavelet transform；WTC: 小波變換相干法 Wavelet transform coherence

3.2.2海洋表面溫度距平指數(shù)(SSTA)的影響

圖7為秦嶺山地1960—2019年SPEI- 1與SSTA- 1的交叉小波計(jì)算結(jié)果。由圖7 SPEI與SSTA序列的交叉小波能量譜可知,SPEI與SSTA存在兩個(gè)顯著的共振周期振蕩,分別是2—3年周期(1962—1970年)和4—6年周期(1982—2007年)。前者相位差向下偏左,近似負(fù)相關(guān)；后者分為兩個(gè)階段,其中1982—1990年相位向上偏左,近似負(fù)相關(guān),1991—2007年秦嶺山地SPEI滯后SSTA約1/4周期。結(jié)合SPEI與SSTA序列交叉小波凝聚譜可以發(fā)現(xiàn),兩序列具有的凝聚性最強(qiáng)的周期為5—6年的年際共同變化周期(1995—2012年),位相差為垂直向上,SPEI滯后SSTA約1/4周期,約1.25—1.5年；2012年后位于有效譜區(qū)外,但2012年后在有效譜區(qū)外出現(xiàn)顯著正相位高能量振蕩,表明2012年后秦嶺SPEI受到東太平洋El Nio3.4區(qū)的海表溫度變化的影響依然很強(qiáng)烈。

圖7 秦嶺年SPEI與SSTA的交叉小波能量譜、交叉小波凝聚譜Fig.7 Cross wavelet power(left)and wavelet coherence(right)between SPEI and SSTA in the Qinling Mountains黑色實(shí)線圈閉合區(qū)域?yàn)橥ㄟ^置信水平為95%的標(biāo)準(zhǔn)背景譜檢驗(yàn)；箭頭表示相位關(guān)系,←表示兩個(gè)序列變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,→表示為正相關(guān)關(guān)系；↑表示SPEI變化相位滯后SSTA變化位相90°,↓表示SPEI變化相位超前SSTA變化相位90°;SSTA：海表溫度距平 Sea surface temperature anomaly

綜上所述,在1990年以前,SPEI與SSTA存在2—3年周期(1962—1970年)和4—6年周期(1982—1990年)的顯著負(fù)相關(guān)共振周期,即隨著海溫的增加,SPEI呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；1990年以后,SPEI與SSTA具有凝聚性最強(qiáng)的5—6年的年際共同變化周期(1995—2018年),且秦嶺山地SPEI滯后SSTA約1/4周期。說明在不同時(shí)域范圍內(nèi),SSTA對(duì)秦嶺山地旱澇變化的影響不同。

3.2.3ENSO與SPEI值的關(guān)系

根據(jù)中國國家氣象中心(National center of China)提供的厄爾尼諾/拉尼娜事件判別方法并參考其他文獻(xiàn)的劃分結(jié)果[22—23],統(tǒng)計(jì)1960—2019年ENSO事件。El Nio事件年共有14次,La Nina事件年共有22次。圖8為ENSO事件強(qiáng)度與事件年SPEI值的關(guān)系,在La Nina事件年,SPEI指數(shù)相對(duì)較大,整個(gè)區(qū)域多數(shù)處于濕潤期；在El Nio事件年及其前后1年,SPEI值相對(duì)偏小,整個(gè)區(qū)域基本處于干旱期。在該區(qū)域60年間15次干旱事件(SPEI值<0.5)中,有10次發(fā)生在El Nio事件年及其前后1年；在60年間的16次洪澇事件(SPEI值>0.5),其中有9次發(fā)生在La Nina事件年。在1990年突變前,El Nio事件6次,La Nina事件14次,La Nina事件多于El Nio事件,突變前濕潤年多于干旱年；在1990年突變后,El Nio事件10次,La Nina事件8次,El Nio事件大于La Nina事件,突變后干旱年多于濕潤年。這說明,ENSO事件對(duì)秦嶺山地的旱澇事件影響非常顯著,在La Nina年易發(fā)生洪澇事件,在El Nio年易發(fā)生干旱事件,或者發(fā)生在El Nio年前后一年,地處西北地區(qū)的秦嶺山脈同樣會(huì)受到熱帶太平洋地區(qū)氣溫和水溫變化的影響。

圖8 ENSO事件與秦嶺山地SPEI值關(guān)系Fig.8 The relationship between ENSO events and SPEI value over Qinling Mountains from 1960 to 2019ENSO：厄爾尼諾/南方濤動(dòng)El Nio-Southern Oscillation

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

全球變化使得全球干旱呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì),且局地干旱更加劇烈[44—46],秦嶺山地作為中國南北過渡帶,是氣候變化的敏感區(qū)[47—48]。本文研究1960—2019年秦嶺山地旱澇變化的空間差異時(shí),發(fā)現(xiàn)秦嶺山地的干旱狀況尤其是20世紀(jì)90年代以來秦嶺山地的嚴(yán)重干旱和極端干旱事件異常強(qiáng)烈,且秦嶺北坡的干旱程度大于秦嶺南坡,這與以往研究的結(jié)論一致[49—50]。有研究認(rèn)為,這種狀況可能是因?yàn)榍貛X具有強(qiáng)烈的阻隔作用,南方的水汽很難越過秦嶺到達(dá)秦嶺北坡,使得秦嶺北坡的氣候比較干燥,南坡的氣候比較濕潤[37,51]；另一方面這種南北空間分異的原因也可能是東亞夏季對(duì)流層溫度年代轉(zhuǎn)折的原因[47,52]。1992年后,中國35°N以北年代際變暖,35°N以南的地區(qū)對(duì)流層溫度年代際變冷。秦嶺以北關(guān)中地區(qū)位于35°N過渡區(qū),秦嶺以南地區(qū)位于35°N以南地區(qū)。東亞夏季對(duì)流層溫度年代際的轉(zhuǎn)折,對(duì)秦嶺以北地區(qū)(尤其是關(guān)中平原)增溫具有放大作用,對(duì)秦嶺南坡增溫具有削弱作用[53]。這兩方面的原因,使得秦嶺SPEI發(fā)生干旱突變后,秦嶺北坡的干旱程度大于秦嶺南坡。

另外,通過研究發(fā)現(xiàn)秦嶺山地高海拔地區(qū)SPEI指數(shù)呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì),即高海拔地區(qū)干旱更加敏感。有研究表明[54],隨著氣候變暖,高海拔地區(qū)的植被對(duì)溫度的控制可能正在變緩,但干旱正成為森林生長的一個(gè)更重要的限制,特別是對(duì)中高海拔森林和易于干旱的林地和灌木林地。秦嶺高海拔地區(qū)的太白紅杉為適應(yīng)生境變化正向高山灌叢、裸巖分布處遷移,林線附近的幼齡林隨處可見；而巴山冷杉卻出現(xiàn)大面積退化甚至死亡現(xiàn)象,尤其是在其上限區(qū)域更為嚴(yán)重[55]。這與該地區(qū)近些年來的干旱加劇是否有關(guān)？也可能是不同植被類型對(duì)干旱的敏感不同。

秦嶺山地SPEI與太陽黑子交叉小波計(jì)算得出,太陽黑子相對(duì)數(shù)在不同的時(shí)間尺度上對(duì)秦嶺山地旱澇變化影響不同,這與趙小娟和延軍平[56]利用月降水量計(jì)算的旱澇指數(shù)與太陽黑子在80年代前呈負(fù)相關(guān),80年代后呈正相關(guān),以及與王鵬濤[57]統(tǒng)計(jì)的1961—2013年時(shí)間段內(nèi),總體在太陽黑子谷值年附近出現(xiàn)澇情頻率略高,在太陽黑子峰值年附近出現(xiàn)旱情頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于澇情基本一致。有個(gè)別時(shí)間段內(nèi)二者之間的相關(guān)性不一致,造成這種差異的原因可能是由于研究范圍、選取的資料、數(shù)據(jù)的處理方法不同有一定關(guān)系。ENSO對(duì)我國的降水影響顯著。當(dāng)El Nio強(qiáng)時(shí),全年降水偏少,易發(fā)生干旱事件[58—59]；而La Nina強(qiáng)時(shí),夏秋降水偏多,易發(fā)生洪澇事件[59]。秦嶺位于中國東部季風(fēng)區(qū),是北亞熱帶和暖溫帶的分界線,影響其干旱演變的機(jī)理和因素均比較復(fù)雜,后續(xù)研究應(yīng)該明確更多影響因子,進(jìn)一步探究多因子對(duì)秦嶺山地旱澇變化的影響,從而對(duì)該地區(qū)林業(yè)和農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)提供建議。

4.2 結(jié)論

(1)1960—2019年,秦嶺山地年SPEI指數(shù)以0.124/10a的速度在下降,1990年為干旱的突變年。其中,90.23%的面積呈顯著下降趨勢(shì),1.96%的面積呈顯著上升趨勢(shì)；秦嶺南、北坡的年SPEI指數(shù)傾向率分別為-0.075/10a和-0.128/10a,秦嶺北坡的干旱化趨勢(shì)大于南坡,且高海拔地區(qū)的SPEI變化趨勢(shì)更為明顯。

(2)秦嶺南坡和北坡地區(qū)旱澇發(fā)生頻率變化總趨勢(shì)較為一致,表現(xiàn)出旱災(zāi)增加而澇災(zāi)減少,突變前30年秦嶺山地整體濕潤比例平均值為36.94%,突變后30年下降為18.19%,而干旱比例平均值由突變前的17.64%急劇上升至突變后的38.19%,即1990年后,秦嶺由濕潤轉(zhuǎn)向干旱的趨勢(shì)明顯。突變前30年秦嶺南北坡極端干旱事件、嚴(yán)重干旱事件極少發(fā)生,發(fā)生頻率幾乎為0；突變后30年嚴(yán)重干旱和極端干旱事件發(fā)生頻率增加,秦嶺南北坡極端濕潤和嚴(yán)重濕潤事件近乎銷聲匿跡。

(3)太陽黑子與秦嶺山地旱澇變化以顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系為主；ENSO事件對(duì)秦嶺山地的旱澇變化影響較大,在La Nina年易發(fā)生洪澇事件,在El Nio年易發(fā)生干旱事件,或者發(fā)生在El Nio年前后一年；在不同時(shí)域范圍內(nèi),SSTA對(duì)秦嶺山地旱澇變化的影響不同：1990年以前,SPEI與SSTA存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；1990年后,SPEI與SSTA存在5—6年的強(qiáng)凝聚性共振周期,且SPEI滯后SSTA約1/4周期。