近百年来关中平原旱涝振荡多尺度分析*

毛明策

(陕西省气候中心,西安 710014)

关中地区位于陕西省中部,南依秦岭,北界黄土高原,西起宝鸡峡,东到潼关,总面积39 064.5 km2,是我国重要的农业生产区。为了提高区域粮食安全水平,陕西省计划未来10 a把关中平原和汉中盆地建设成为陕西省旱涝保收、高产稳产的粮食生产核心区。而关中处于季风边缘气候敏感区,年降水量变率大,干旱与洪涝发生频繁,是影响农业生产能力的主要气候因素。

旱涝事件受多种因素的共同影响,旱涝指数普遍具有非线性、非稳态和非平衡特征,这给旱涝气候诊断和预测带来了极大不便,以往在对干旱指数或者等级资料进行的特征分析中,常常假设旱涝事件的时间序列是线性的和平稳的,从而可以应用各种方法来分析其波动周期特征。

经验模态分解方法(Em piricalm ode decomposition,EMD)是由Huange等[1]提出的一种分析非线性非稳态信号的方法,能够对信号逐级进行曲线性化、平稳化处理,并且是直观、基于经验和自适应的。EMD的关键部分为经验模态分解,它可以将复杂的数据序列分解成有限的几个本征模态函数(intrinsicmode functions,IM F)。由于分解是基于数据时间尺度的自身特征,它可以应用于非线性非稳态过程[1]。EMD分解已经在气候[2]、气候变化[3]、生态[4]等方面得到广泛应用。

本文利用1926-2008年以来82 a西安器测降水量值,计算近百年西安标准化降水指数(Standardized precipitation index,SPI),结合历史事件记录[5],对照关中平原洪涝史分析成果[6],验证SPI对于西安乃至关中旱涝事件的敏感性,同时基于EMD分解,讨论近百年西安及关中旱涝的多年变化,哪些尺度的振荡对近百年旱涝事件波动起主要作用。

1 数据与方法

1.1 数据和资料

西安测候所于1926年建站开始观测,陕西省气象局经过对不同历史时期观测数据进行订正,得到1926-2008年以来82 a西安降水量月值序列,在月值序列基础上计算年降水量。

利用已有的中国近500年旱涝分布图[5],整理成西安近百年旱涝等级序列(简称旱涝等级),其中旱涝分级为1-涝,2-偏涝,3-正常,4-偏旱,5-旱,起止时间为1926-1979年(图1)。关中平原洪涝灾害的历史记录(简称洪涝记录),引自邵天杰[6]根据历史文献整理的关中平原近200 a来洪涝灾害研究成果。

1.2 SPI指数计算

SPI是表征某时段降水量出现概率多少的指标之一,该指标适合于月以上尺度相对于当地气候状况的干旱监测与评估[7]。由于降水量的分布一般不是正态分布,而是一种偏态分布。所以在进行降水分析和干旱监测、评估中,采用 Γ分布概率来描述降水量的变化。标准化降水指标就是在计算出某时段内降水量的Γ分布概率后,再进行正态标准化处理,最终用标准化降水累积频率分布来划分旱涝等级。按照GB/T 20481-2006原理编程计算得到历年SPI,引用袁文平[8]对SPI的旱涝分类(表1)。

1.3 EMD方法

采用Huang于1998年提出的经验模态分解的方法[1],从近百年西安SPI序列中逐级分解出IMF分量,通过分析这些分量揭示原序列内在的多尺度振荡变化。分离采用筛选过程:把序列中的极大值和极小值分别用样条函数连结起来,构成上下包络线,它们的均值为m1。由原序列SPI(t)与m1之差得到h1:经过K次筛选,使得h1的全部极大值都为正,极小值都为负,且局部峰谷的波形关于横轴是基本对称的,这样得到IMF1:

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

式中:C1——原序列中时间尺度最短即最高频的分量(模态),然后把C1从原序列中分离出来,得到剩余序列r1,再对r1重复上述过程,得到第二个IMF分量,如此进行下去,可以逐级分离出IMF分量,最后剩余一个趋势项,它可以表示序列的总趋势,详细的计算方法见[9-10]。采用镜像法延拓两端[11],编写EMD程序,对数据进行分析,计算SPI分解结果,提取关中平原旱涝的时间特征。

对分解得到的每个IM F进行谱分析,提取最大周期,并进行了检验,通过0.05置信度检验周期列在表2中。

表1 标准化降水指数(SPI)干旱等级

2 结果与分析

2.1 SPI对西安旱涝事件的敏感性

表征干旱的指数非常多样化,但对于一个具体的研究对象,应选合理的干旱指标,SPI指数对于西安旱涝的敏感性如何,还需要与其它资料进行印证。

由图1可见,SPI和旱涝等级对应的相当好,旱涝等级较偏旱时,SPI偏小,指示出现干旱,而旱涝等级偏湿时,SPI偏大,指标出现偏涝。但也有少数年份两者变化趋势不一致如1934年、1946年、1961年旱涝等级表明偏旱,同期SPI＞0,表明无旱,查阅历史记载,1934年临潼、华县、岐山等夏秋两季出现洪涝[12],而1946年降水量近700 mm,1961年降水量621mm,与降水量均值相比,属于湿润年份。

同时,与邵天杰等洪涝灾害的研究结果对比可以看出(图2),旱涝等级表明1923-1930年是关中平原上近百年来少见的干旱时段,基本不发生洪涝灾害,SPI指数创下自1926年来的极低值,表明了这段时期是近百年来最干旱的时期。

图1 近百年西安SPI与旱涝等级变化动态

图2 近百年来关中平原旱涝特征分析

1931-1937年是关中平原偏湿的时期,这个时期旱涝等级以正常到偏旱为主,SPI指数表明部分时期处于偏湿的状态,而洪涝记录出现了一个集中暴发的特征。

1938-1951年以偏旱为主,本段时期SPI以轻旱-中旱为主,旱涝等级也记录了偏旱发生,而洪涝灾害基本没发生。1944年3种历史记录不能很好的印证,体现了各自对旱涝的描述能力,1944年降水量较少,SPI和旱涝等级都表明偏旱,关中平原却出现了洪涝,这可能与渭河流域其它区域的降水增加有关。

1952年以后,关中进入偏湿润时段,洪涝记录表明洪涝灾害发生频繁,50-80年代中期几乎每年都会发生一定级别的洪涝,SPI也表明这一时段很少发生干旱。

1980年后,无论是SPI和洪涝序列,都呈现了干旱化的趋势,对黄土高原的研究表明多数站点在半个世纪中呈现减少趋势,降水减少的突变时间大约在1983年[13],同时对于西北地区东部,1990年代干旱发生最为频繁,干旱灾害最为严重[14]。

综上所述,西安年SPI指数与西安区域年旱涝等级和关中区域洪涝灾害记录匹配得很好,对西安和关中区域旱涝变化敏感,可以用来定量描述西安及关中区域旱涝变化特征。

2.2 旱涝的波动特征分析

通过EMD分解,西安近百年SPI的时间序列可分解为9个本征模态函数和1个趋势项(图3),分解结果包括了多个时间尺度的振荡,利用最大熵谱分析,得到每个IMF的周期,通过0.05置信度检验后的周期见表2。

表2 西安1926-2008年来SPI的EMD分析

通过EMD分解可以得到西安近百年来SPI的波动特征。在图3上,每个IMF分量呈现出围绕零均值线的,局部极大值和极小值基本对称的振荡形式。它们的均值都为零,不随时间变化,因而是平稳的;振幅和频率的变化比较小,波形比原序列规整简单,非平衡性减弱了。图3纵坐标值表征振幅或能量(振幅的平方),从图3上可以看出,原序列的变化主要是由IM F1、IMF2和IMF9三个本征模态构成的,分别反映了3 a、5 a和年代际的变化。对其方差贡献率的计算表明IM F1、IM F2和IM F9三者贡献了原始波动91.78%的方差,是原序列主要的波动。

IMF1、IMF2表示序列涨落时间短(约 3～5 a),是高频分量,对应了关中平原洪涝发生的平均值。对关中平原近200年来的洪涝灾害进行统计分析,发现关中平原共发生洪涝灾害81次,平均每2.53年发生一次[6]。但实际上,关中平原的洪涝灾害在不同年代有不同发生频率,因此仅用平均值来表征关中平原的洪涝特征是不足的。但是IMF1也有比平均值更有意义的特征,即IMF1表现出振幅是两端较高,中间较低,表明了近百年西安SPI或者旱涝经历了变化剧烈-和缓-剧烈的时期,当前正在一个波动较为强烈的时期,旱涝变率增加,年景不稳定。

图 3 西安1926—2008年 SPI的 EM D分析

IMF9表现了年代际振荡,在1926-2008年中,呈现了低-高-低的年代际变化,把近百年来西安SPI的变化和关中平原旱涝特征的大体走势表现很清楚。结合关中平原近百年来洪涝记录,西安SPI的IMF9分量波动特征表明:近百年来西安经历了旱-涝-旱的波动特征,当前正处于较为干旱的时期,并有转向湿润的趋势。

3 结论

(1)近百年来西安SPI序列所反映的旱涝事件与洪涝记录、旱涝等级间相互印证很好,表明西安SPI指数对关中平原的旱涝年很敏感。西安历史上出现了三个重要的旱涝时期,其中20世纪20年代是关中平原上近百年来最干旱的时期,20世纪30年代偏湿,30-40年代偏旱,50-80年代偏湿。80年代以后,呈现了干旱化的趋势,1990年代干旱发生最为频繁,干旱灾害最为严重。

(2)经过EMD分解,西安SPI振荡呈现出多时间尺度特征,主要变化为3～5 a和年代际的振荡。其中3～5 a为SPI的高频变化,体现了关中平原的洪涝灾害平均特征,平均特征的波幅变化表明了近百年关中平原SPI或者旱涝经历了剧烈-和缓-剧烈的变化,当前正在一个波幅较为强烈的时期,旱涝变率增加,年景不稳定。

(3)IMF9则体现了SPI年代际变化的低频特征,呈现了“低-高-低”的年代际变化,表明近百年来西安经历了“旱-涝-旱”的波动特征,把近百年来SPI的变化和关中平原旱涝特征的大体走势表现得很清楚,当前正处于较为干旱的时期。但近年来,西安SPI维持在0以上,出现了偏湿的趋势,这与近年来关于西北地区气候变化的研究有相似之处。进入21世纪以来,随着以新疆为代表的西北地区出现了向暖湿转变的气候特征[15]。对西北地区东部降水和蒸发量的研究表明:整个西北地区及其西风带气候区、高原气候区年干湿特征呈较为显著的变湿趋势,以西风带气候区的变湿趋势最为显著,高原气候区次之[16],但是IM F9所表明的偏湿趋势并不显著,同时对近40 a中国北方降水量与蒸发量变化的研究也表明西北地区东部具有变湿的趋势,但不显著[17]。

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