江苏省干旱空间格局研究

2020-09-12冯胜男唐运忆

江苏水利 2020年8期

何健，冯胜男，陈静，唐运忆

(1.江苏省水文水资源勘测局，江苏南京 210029； 2.江苏省水资源服务中心，江苏南京 210029)

1 概述

江苏省地处我国南北气候、高低纬度和海陆相的三重过渡带，历来自然灾害频发。干旱是江苏省最常见的气象灾害之一，全省几乎每年都有不同程度的旱情。如1978年春夏秋连旱，河道断流，塘坝干涸，全省受旱面积达380万km2以上，农业损失惨重，人畜饮水困难；又如2011年，由于持续严重少雨，加之长江、淮河来水普遍减少，致使江河湖库水位异常偏低，近60年不遇的冬春夏连旱袭扰全省，对生态环境、涉水产业影响明显。干旱已成为制约江苏省经济社会可持续发展的重要因素之一，开展干旱相关研究刻不容缓。

把握干旱时空演变规律对防旱抗旱工作有重要参考价值，同时也是进行干旱成因分析和长期预测的基础与前提。因此，有必要利用长系列资料，通过构建能准确反映旱情的干旱指数，对江苏省历史干旱的空间格局进行系统研究。

2 资料与方法

选取标准化降水蒸散指数SPEI[1]作为衡量干旱的标准。SPEI在标准化降水指数SPI的基础上引入潜在蒸散发项，既具有SPI多时间尺度特征，又考虑了气温对干旱的影响，在中国区域具有较好的适用性[2]。采用江苏省60个气象站1961—2012年月降水量和月平均气温资料，计算站点3个月、6个月和12个月尺度SPEI，空间上形成SPEI场。

对各时间尺度SPEI场依次进行经验正交函数分解(EOF)、旋转经验正交函数分解(REOF)和统计检验聚类(CAST)，方法具体步骤见相关文献[3-4]。SPEI场EOF模态侧重于描述场的整体相关结构，代表干旱在空间上的典型分布形式，即空间型；REOF载荷向量更加突出场的局部相关结构，有利于进行干旱区划分；而干旱空间型和干旱区随时间变化的主要信息则包含在对应的EOF、REOF时间系数中。CAST聚类结果通过显著性检验，具有统计学意义，用于验证干旱分区的合理性。

3 江苏省干旱空间型

SPEI场EOF分析结果(表1)表明，3种时间尺度下前4个模态EOF1～4累计方差贡献率均接近或超过80%，其中EOF1和EOF2方差贡献率之和均达70%以上；换言之，利用少数几个新变量(EOF时间系数)即可反映原SPEI场60个气象站绝大部分信息，表明江苏省干旱空间分布存在较强共性。比较发现，SPEI3、SPEI6和SPEI12场具有相似的EOF模态。鉴于此，以SPEI12场为例，阐明EOF模态包含的物理意义，并归纳江苏省干旱主要空间型。

表1 江苏省SPEI场EOF方差贡献率

3.1 全省一致型

据统计分析，SPEI12场EOF模态见图1， SPEI12场EOF时间系数见图2，EOF1典型过程SPEI12合成场见图3。

如图1(a)所示，SPEI12场EOF1一致为正，揭示出干湿状况全省同步变化的特征，即全省性干旱或湿润。该模态方差贡献率高达52.37%，一定程度上反映了江苏省干旱最有代表性的空间分布。此外，EOF1自中部向南北两侧递减，江淮之间中南部和沿江苏南西北部为0.8以上高值覆盖，说明该模态在当地更具意义。

图2(a)给出了SPEI12场EOF1时间系数。将时间系数≥1.5(<-1.5)且持续3个月以上作为确定模态典型正(负)位相过程的标准，则EOF1典型正位相过程出现3次(1963年3—8月、1987年10—12月、1991年6月至1992年5月)，典型负位相过程出现4次(1966年8月至1968年7月、1978年7月至1979年5月、1994年8月至1995年6月、2005年5—7月)。

如图3所示，对典型过程SPEI12场的合成分析表明，EOF1正(负)位相较为客观地描述了江苏全省性湿润(干旱)的空间分布。

3.2 南北反向型

如图1(b)所示，SPEI12场EOF2北正南负，淮北地区和江淮之间基本为正值，由南往北递增，沿江苏南为负值，自北向南递减，反映出干湿状况南北相反的特征，即南干北湿或南湿北干。EOF2在量值上较EOF1有所减小，但方差贡献率仍有近20%(图2)，是江苏省干旱不可忽略的一种空间分布。

利用SPEI12场EOF2时间系数(图2(b))，识别出EOF2典型正位相过程4次(1965年7—9月、1971年7月至1972年7月、2003年8月至2004年5月、2005年7月至2006年6月)、负位相过程4次(1977年9月至1978年4月、1992年3—6月、1999年8月至2000年6月、2002年3月至2003年4月)，集中出现在20世纪六七十年代及20世纪末至21世纪初。由典型过程SPEI12合成场可知，EOF2正、负位相分别与江苏省南干北湿和南湿北干相对应(图4)。

3.3 南北波列型

如图1(c)和图1(d)所示，SPEI12场EOF3和EOF4在南北方向上将全省划分为多个区域，构成正负相间的波列，显示出干湿状况交替分布的特征。EOF3和EOF4方差贡献率不高，且量值明显小于前2个模态，对江苏省干旱空间分布的代表性有限。

图1 SPEI12场EOF模态

图2 SPEI12场EOF时间系数

图3 EOF1典型过程SPEI12合成场

图4 EOF2典型过程SPEI12合成场

4 江苏省干旱分区

SPEI12场EOF模态强调的是与全省尺度相当的干湿空间配置。为了便于进行干旱区划分，对SPEI12场EOF1～4进一步实施REOF分析，所得4个载荷向量(REOF1～4)累计方差贡献率保持不变。SPEI12场REOF载荷向量见图5。

图5 SPEI12场REOF载荷向量

如图5所示，江苏省SPEI12场REOF1～REOF4结构简单，特征清晰，具体表现在：高载荷(载荷量≥0.6)向相对较小的范围聚集，其余大部载荷较低，甚至接近于零；高载荷区界限分明，相互重叠少，合并起来几乎覆盖全省。不难发现，通过旋转变换，载荷向量高值区实际上已形成对江苏省的区域划分。由于高载荷区干湿变化时间同步性较高，因而上述分区即可作为江苏省干旱分区，如图6所示。方便起见，自北向南将4个区域依次编号A～D，即：干旱A区，对应于REOF2，包括徐州、连云港以及宿迁北部；干旱B区，对应于REOF4，包括淮安、盐城以及宿迁南部和扬泰北部；干旱C区，对应于REOF1，包括南京北部、镇江、扬泰南部和南通西北部；干旱D区，对应于REOF3，包括苏锡常以及南京南部和南通东南部。

以SPEI12场REOF时间系数为中心，对江苏省气象站进行CAST聚类，从统计学角度检验干旱分区的合理性。如图6所示，0.05显著性水平下，绝大多数站有明确类别归属，未分类站主要位于第一、三类交界处的过渡地带，聚类结果与干旱分区基本吻合。江苏省气象站CAST聚类(显著性水平0.05)见图7，由图6和图7还可以看出，江苏省干旱区与三大地理区存在一定程度关联。干旱A区占据淮北地区大部，干旱B区覆盖江淮之间全域，而干旱C区和D区则将沿江苏南划分为西北和东南两部分。