中国南北过渡带短周期旱涝急转及潜在驱动因素分析

雷晓平，宋小燕，2，果华雯，马 瑞，宋松柏，2

（1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；2.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100；3.北京良乡蓝鑫水利工程设计有限公司，北京房山 102401）

引言

21世纪以来，气候系统稳定性逐渐减弱，干旱、洪涝等极端气候灾害频发，环境变化风险不断增加［1-4］。这些严峻的环境形势给人类社会、自然的有序发展带来了巨大压力。近60年来，全球因极端事件遭受了巨大的经济损失，亚洲因旱涝灾害导致的经济损失高达9 180亿美元；大洋洲经济损失最少，但也累计达到640亿美元。其中中国、美国和加拿大是损失最为惨重的3个国家［5］。愈加频繁的灾害可能会相互作用发展成为复合型灾害［6］，从而酿成更大的损失，在一定时期内，干旱、洪涝交替出现的旱涝急转事件便属于这一类型的灾害，与单一的旱涝灾害相比，旱涝急转带来的影响更大、造成的损失可能更严重。旱涝急转现象在中国地区时有发生，典型的如2011年中国长江中下游地区1～5月连续偏旱，6月接连出现5次强降水，发生严重旱涝急转［7］；2015年广西地区3～4月降水量严重偏少，5月发生6次强降水，旱涝急转特征十分凸显［8］。

近年来，许多学者定量研究了我国南方地区（流域）的旱涝急转时空演变特征，并进一步对典型旱涝急转形成机理展开了分析，得出旱涝异常与大尺度大气环流形势存在联系。例如，Wu等［9］研究指出长江中下游地区旱涝急转的旱期和涝期内西太平洋副热带高压、南亚高压等大气环流特征差异明显；闪丽洁等［10］进一步发现长江中下游流域旱涝急转事件ENSO事件密切相关。由于我国干旱的区域性和阶段性突出；洪涝灾害的分布具有明显的地域性，且分布极不均匀［11］，北方地区在春季和汛期也同样容易发生旱涝急转。例如，时兴合等发现青海省北部春季旱涝急转除了受大气环流影响外，还与春夏过渡时间提前有关［12］；Wu等［6］指出平均水汽压和北极涛动（AO）是影响渭河流域旱涝急转的主要因子。这些成果为地区（流域）水资源综合利用、粮食安全、环境保护等方面提供了科学依据；对于进一步诠释极端事件发生并提出有效对策具有重要的参考价值。

中国南北过渡带，作为连接东西，承接南北的过渡区域，特殊的地理位置和气候条件使得区域内自然灾害呈现种类多、强度大、成灾重的特点［13］。已有研究表明，过渡带内水土流失严重，山区洪水发育频繁［14］；干旱强度、历时以及不同等级的干旱发生频率均呈上升趋势［15］；年平均水面蒸发量上升趋势较为显著，且未来一段时间内，水面蒸发量还将会持续上升［16］。然而过渡区域内的旱涝急转情况如何，时空演变特征如何，形成机理又如何？目前尚未得到关注。鉴于此，本文根据中国南北过渡带32个站点1960-2018年的逐月降水资料，利用短周期旱涝急转指数（SDFAI），研究区域内5～9月内旱涝急转的演变特征，浅析其可能的成因，以期能够为阐述研究区内的旱涝急转过程以及相应的防控规划和减灾措施提供一些理论支持。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区域概况

中国南北过渡带的概念源自2017年国家科技基础资源调查专项“中国南北过渡带综合科学考察”，我国的南北分界线被拓展成为南北过渡带，包括了河南、湖北、重庆、四川、甘肃、陕西6省市的80个县［17］，其地理位置如图1所示。南北过渡带主体为秦巴山地，秦巴山地是由秦岭-大巴山共同组成的一个完整的地理地貌单元，地跨长江、黄河、淮河三大流域，具有多维地带性、高度环境复杂性、生物多样性以及气候敏感性［18］。区域内地势起伏，海拔差明显［19］，河谷极为发育；而且地质条件复杂，山体稳定性差［20］。特殊的地形也使得区域内气候类型多样，垂直变化显著，整体呈现出冬季寒冷少雨，夏季炎热多雨，并伴有伏旱，春季干燥，秋季湿润的特征［21］。此外，秦岭是年降水800 mm分界线，夏季降水400 mm分界线；大巴山是年降水1 000 mm分界线，夏季降水500 mm分界线［22］。

图1 研究区地理位置分布图Fig.1 Geographical location distribution of the study area

1.2 数据来源

本研究采用的研究资料包括地面观测站降水量数据、再分析数据和大气环流指数。其中降水量数据来源于中国气象数据网（http：//data.cma.cn）提供的研究区气象站1960-2018年的32个站点5～9月逐月降水数据。再分析数据包括500 hPa、200 hPa位势高度、850 hPa温度、相对湿度、经向风速和纬向风速月平均值，空间分辨率为0.25o×0.25o，下载地址：https：//psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis.derived.pressure.html。大气环流指数包括北极涛动指数（AO）、NINO 3.4区域海温指数（NINO 3.4）、太阳黑子指数（TSNI）、太平洋年代际涛动指数（PDO），均下载自中国气象局国家气候中心（http：//cmdp.ncc-cma.net/cn/download.htm）。

1.3 研究方法

1.3.1 短周期旱涝急转指数（SDFAI）

本文采用张水锋等［23］提出的短周期旱涝急转指数进行南北过渡带旱涝急转特征分析，研究中该指数将旱、涝时间尺度选取为一个月，如5月旱、6月涝（即旱转涝），或者5月涝、6月旱（即涝转旱）。为去除不同地区的降水量差异，故需先将降水量进行标准化处理，然后计算SDFAI，具体公式如下：

式中：Pi为第i时段降水量为平均降水量mm；N为样本数。

式中：Ri为某月的标准化降水量；Ri+1为后一个月的标准化降水量值；Ri+1-Ri代表旱涝急转强度；|Ri+1|+|Ri|代表旱涝强度；3.2-|Ri+1|+|Ri|为权重系数，作用是增加短周期旱涝急转事件的权重，|SDFAI|＞1表明发生旱涝急转。

1.3.2 分析方法

基于5～9月各时段内32个站点的SDFAI和旱涝急转事件筛选结果，采用M-K趋势分析法进行历史变化趋势分析，统计量|Z|越大表明趋势越显著，如果Z值绝对值大于1.96，则通过了0.05的显著性水平；采用R/S分析法计算Hurst指数进行长期变化趋势，Hurst=0.5表明序列呈现出随机游走，是一个标准的布朗运动；0.5＜Hurst＜1表明时间序列就有持续性；0＜Hurst＜0.5表明时间序列具有反持续性；采用M-K突变检验和滑动T检验共同进行可能突变年份识别，增强结果可信度。采用交叉小波变换分析各时段SDFAI与大气环流指数的时频域关系，分析出潜在驱动因素。上述方法具体计算过程可参考文献［24-26］。

2 结果与分析

2.1 旱涝急转时间特征分析

图2展示了基于SDFAI识别的旱涝急转事件频次年代变化情况。整体上，5～6月和6～7月内旱涝急转事件较为多发，旱转涝与涝转旱事件平均每年发生3次以上；其次，各时段内的涝转旱频次均高于旱转涝，尤其6～7月内涝转旱明显偏多，表明过渡带区域旱涝急转以涝转旱为主；而且各时段的一些年份只发生过旱转涝事件或者涝转旱事件；可以看到，1994年5～6月内旱转涝频次和1998年8～9月内涝转旱频次为研究时段内最高，均达到27站次，属于典型的旱涝急转多发时期。另外，分析各时段旱涝急转事件年代际变化情况表明1990 s为旱转涝与涝转旱事件年代际变化中较为清晰的转折年代。可以看到，在4个时段的年代际旱转涝与涝转旱事件中，有3次峰值和3次谷值均出现在该年代，其序列前后趋势整体呈现为“V型”和“倒V型”的变化特点。

图2 旱涝急转频次变化图Fig.2 Change of frequency of short-cycle drought and flood sudden alteration（SDFSA）

结合表1，在各时段内，无论是旱转涝事件，还是涝转旱事件，其线性变化趋势缓慢，且均未通过0.05显著性水平检验。分别对4个时段内旱转涝与涝转旱事件时间序列进行M-K突变检验，结合滑动T检验（分别取步长为4、6、8）寻找最可能的突变年份。由图3可以看到，UF和UB统计量在2003-2009年之间出现多个交叉点，滑动T检验表明8～9月涝转旱事件序列在2009年附近发生突变，突变以前，序列整体呈上升趋势；突变以后，序列呈现下降趋势。

表1 旱涝急转频次变化趋势Table 1 Trend of frequency of short-cycle drought and flood sudden alteration（SDFSA）

图3 8～9月涝转旱事件突变诊断结果Fig.3 Diagnostic results of flood-to-drought from August to September

2.2 旱涝急转空间分布特征分析

2.2.1 旱涝急转频次空间分析

5～6月、6～7月、7～8月、8～9月内各站点旱转涝与涝转旱事件总频次空间分布如图4所示，图中红色越深，事件频次越高；蓝色越深，事件频次越低。可以很直观地看到，旱转涝和涝转旱事件在5～6月和6～7月的空间分布频次较高，且各时段内涝转旱事件空间分布频次较高，如6～7月内石泉站涝转旱频次高达12次。更具体的，5～6月内过渡带西部岷江一带（如松潘站、岷县站）旱转涝与涝转旱频次空间分布较高，东部陕南、重庆一带涝转旱频次相对较高；6～7月内涝转旱事件在陕西、重庆、湖北、四川在内的大范围地区（如石泉站、万源站、佛坪站、安康站、镇安站）发生频次偏高。并且5～6月和6～7月内旱转涝在汉江下游分布频次较高，这与赵英等［27］在汉江流域旱涝急转时空分析得出的结论基本一致。7～8月和8～9月内的旱涝急转事件则地区局部性较为突出。

图4 旱涝急转频次空间分布图Fig.4 Spatial distribution of short-cycle drought and flood sudden alteration（SDFSA）

2.2.2 旱涝急转趋势空间分析

5～6月、6～7月、7～8月、8-9月内SDFAI趋势空间分布如图5所示，图中红色表示趋势为正；蓝色表示趋势为负。从图中可以看到，各时段内区域的SDFAI增大（减小）趋势基本不显著。另外，5～6月内出四川境内岷江流域和湖北局部地区外，大部分地区Z＞0，表明旱涝急转变化趋势倾向于旱转涝；而6～7月区域Z值整体以负值为主，涝转旱有增加的趋势；7～8月内陕西、湖北、河南境内Z＞0，旱转涝有增加的趋势，四川、重庆、甘肃境内Z＜0，涝转旱有增加的趋势；8～9月旱涝急转变化趋势恰好与7～8月相反。为分析短周期旱涝急转指数长期的变化趋势，采用R/S法分别计算各时段内32个站点SDFAI序列的Hurst指数。结果显示过渡带内各时段hurst指数均值分别为0.62、0.62、0.61、0.68（图略），这表明过渡带内SDFAI序列具有较强持续性，因此过去的变化趋势在未来一段时间内可能仍然持续下去。

图5 旱涝急转趋势空间分布图Fig.5 Spatial trend distribution of short-cycle drought and flood sudden alteration index

3 典型旱涝急转大气环流特征分析

通过对南北过渡带地区短周期旱涝急转事件时空变化特征分析表明，该地区旱涝急转形势较为严峻，在1994年5～6月、1998年8～9月内旱转涝、涝转旱发生站点数均高达27站次。选取这2个时期作为典型旱转涝和涝转旱时期，揭示期间大气环流异常特征。

3.1 500 hPa合成高度场

中层大气环流异常特征如图6所示。1994年5月旱期，西太平洋副热带高压（副高）面积、强度偏弱，其脊线位置位于19N°，西伸脊点在141.6 E°附近，表明副高主体偏南、偏东；孟加拉湾南支槽较常年偏弱，过渡带区域主要受干冷高压脊控制，干旱少雨。到了6月涝期，西太副高面积、强度增强，副高北跳，脊线北移约3.2个纬度，同时副高主体西伸至台湾东部；过渡带区域位于副高主体西北方向，水汽输送充沛，有利于降水的增加。在1998年8～9月涝转旱时期，情况恰好相反。在8月涝期，西太副高面积、强度几乎达到全年最大；脊线位于26.5N°，较常年偏南；副高主体西伸至华南地区，过渡带位于副高主体西北边缘，水汽来源充沛，有利于降水的增加。而在9月涝期，西太副高面积、强度减弱，脊线位置略偏南，西伸脊点向东退至134.1E°，过渡带区域主要受高压脊控制，不利于降水。

图6 500 hPa位势高度场（黑色等值线，单位：dagpm）及位势距平场（阴影，单位：dagpm）以及585 dagpm和588 dagpm（红色等值线）气候态分布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合成高度场

图7所示为高层大气环流异常分布特征。在1994年5月旱期，南亚高压主体位于中南半岛，位置偏南，强度偏弱，过渡带地区为高空西风急流控制；进入6月涝期后，南亚高压中心移至印度西北部上空，强度增强，主体向东西伸展，此时，副高主体也相应向西伸展。过渡带地区位于南亚高压主体东北边缘，受反气旋控制，上升运动增强，有利于降水增加。1998年8月涝期，南亚高压主体中心位于伊朗高原上空，且异常偏强。副高与南亚高压“西伸东进、相向而行”十分突出，过渡带地区受反气旋影响强烈，有利于降水；转入旱期后，南亚高压主体东移至青藏高原上空，位置偏南，强度减弱，副高与南亚高压“东退西进，相背而离”。

图7 100 hPa位势高度场（单位：dagpm）及风场（单位：m/s）Fig.7 Composite of 100 hPa geopotential height field（Units：dagpm）and wind anomaly field（Units：m/s）

3.3 850 hPa水汽通量场

图8分别展示了典型旱涝急转时期的850 hPa水汽输送通量及其距平的空间分布。可以看到，在2个典型时期南北过渡带地区水汽源地主要为印度西南季风区的水汽输送。1994年5月旱期，区域整体水汽输送通量距平为负，较常年偏低。当大量水汽输送至华南地区后被分为2股，一股刚好在过渡带南侧转向并形成反气旋式水汽输送；另一股在台湾附近同转向的偏南气流经日本南部返回至太平洋，不利于降水的产生。6月涝期，水汽输送通量较常年略高，较为充足的西南水汽被输送至该地区，有利于降水的增加。1998年8月涝期水汽输送通量较常年偏低，但仍有大量的水汽被输送至过渡带，为区域内降水增加创造了必要的水汽条件；而在9月旱期，较充足的西南水汽在东海一带转向为东北气流经过研究区东南角并被输送至华南地区，不利于过渡带地区降水。

图8 850 hPa水汽输送场（单位：kg·hPa-1·m-1·s-1）及距平场（阴影，单位：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变化潜在驱动因素分析

交叉小波变换可以很好地展示出两个序列间地时频域关系。本节对4个时段内区域SDFAI与同时段（前一月与后一月）AO、NINO 3.4、TSNI、PDO 4项指数时间序列进行交叉小波变换，以分析其主要潜在驱动因素以及驱动方向，结果如图9所示，图中细黑线表示小波影响锥线边界，其包络区域为有效谱值区；粗黑线包络区域表明通过了0.05显著性水平检验。→（←）表示SDFAI与大气环流指数变化相位相同（相反）；↓（↑）表示SDFAI变化超前（滞后）于大气环流指数。不难看出，SDFAI与同时段内前后两月AO的时频域关系明显不一致且整体偏弱；而且SDFAI与时段内前一月的AO共振关系表现得略强，表明SDFAI变化受时段内前一月AO的影响较大，但是其各时段内驱动方向差异较大，逐时段主要相关关系依次为负相关、SDFAI超前1/4周期、SDFAI滞后1/4周期、正相关。相较之下，SDFAI与同时段内前后两月NINO 3.4、TSNI、PDO的时频域关系则呈现出高度的一致性。其中9～14年尺度上各时段内SDFAI与TSNI在1975-2005年存在显著性共振，5～6月内SDFAI与TSNI先为正相关，然后表现为SDFAI滞后1/4周期；6～7月内SDFAI与TSNI则先表现为SDFAI超前1/4周期，然后转为负相关；7～8月和8～9月内则均以SDFAI滞后1/4周期为主。另外，5～6月内SDFAI与NINO 3.4、PDO分别在13年尺度、9～12年尺度上存在显著性共振，表现为强烈且稳定的正相关关系，6～7月和8～9月内同样尺度上则表现得相对较弱，时域范围短，并且7～8月内SDFAI与NINO 3.4、PDO则在6年左右尺度上存在小范围正相关共振关系。

图9 交叉小波变换结果Fig.9 Results of cross wavelet transform

整体而言，在AO、NINO 3.4、TSNI、PDO 4项指数中，TSNI对过渡带SDFAI变化的影响最强，其相关关系主要为SDFAI滞后1/4周期，NINO 3.4和PDO次之，与SDFAI以正相关为主；AO对SDFAI变化的影响最小，时频关系存在较大差异。

5 讨论

通过对典型旱转涝和涝转旱时期的大尺度大气环流的分析，旱涝急转的旱期和涝期内西太平洋副热带高压、南亚高压、水汽输送特征差异明显，结果与前人得出的结论具有很好的一致性；过渡带SDFAI变化主要驱动因素分析结果表明，在选用的AO、NINO 3.4、TSNI、PDO 4项指数中，TSNI对SDFAI变化影响最强，NINO 3.4和PDO次之，AO对SDFAI变化的影响最小。许多研究表明太阳活动会对大气环流变化产生一定影响［28-31］，然后共同影响降水等气象要素，从而影响旱、涝的变化。其次，从图9中可以看到，个别时段内SDFAI与AO、NINO 3.4、PDO的响应较弱，这表明很可能受其它环流因子的影响较大。此外，南北过渡带特殊的地形因子对降水的空间分布具有重要贡献［32-33］。秦岭呈东西走向，西与迭山接壤，东至伏牛山一带；大巴山则呈西北-东南走向，西起摩天岭，向东延绵与巫山相接，秦岭-大巴山对于低层冷空气南下和暖湿气流北上具有一定的阻挡作用。在两者之间，则是汉江河谷形成的巨大喇叭口地形。毕宝贵研究指出［32］，秦岭山脉对降水的影响主要是通过地形产生的垂直次级环流实现，并进一步分析出秦巴山区由于秦岭-汉江河谷-大巴山三大地形间的相互作用导致的降水空间分布情况。由于地形对降水影响数值模拟以及秦巴山区地形本身的复杂性，本文未能就地形因素展开深入探索。因此，考虑综合环流因子，以及地形是如何影响中国南北过渡带内旱涝急转的时空分布值得进一步研究。

6 结论

为深入掌握中国南北过渡带旱涝急转特性及其变化规律，定量分析区域旱涝急转时空分布特征及其风险，本研究利用短周期旱涝急转指数SDFAI作为特征变量，进行旱涝急转研究，得到的结果如下：

（1）在5～6月、6～7月、7～8月、8～9月内，过渡带区域旱涝急转以涝转旱为主，其中5～6月和6～7月是旱涝急转事件多发期。此外，1990 s为旱转涝与涝转旱事件年代际变化中较为清晰的转折年代，其峰值和谷值均多次出现在该年代，相应序列前后趋势整体呈现为“V型”和“倒V型”的变化特点。

（2）过渡带内旱涝急转频次变化地区差异较大，整体上旱涝急转事件在岷江一带、陕南周边地区较为多发；各时段内SDFAI空间变化趋势差异较大，且Hurst指数空间均值分别为0.62、0.62、0.61、0.68，均大于0.5，这表明过渡带SDFAI的变化趋势将持续至未来一段时间。

（3）过渡带区域典型旱涝急转时期的旱期与涝期内的西太平洋副热带高压、南亚高压的位置和强度以及水汽输送特征差异明显。

（4）通过分析各时段内SDFAI与AO、NINO 3.4、TSNI、PDO的时频域关系发现，9～14年尺度上SDFAI与TSNI在1975-2005年存在显著性共振，对SDFAI变化影响最强，主要表现为SDFAI滞后1/4周期，NINO 3.4和PDO次之，与SDFAI以正相关关系为主；AO对SDFAI变化的影响最小，其时频关系差异较大。