基于SPI的青海省春季干旱时空演变特征及环流诊断

马有绚，李万志,2，王丽霞，白文蓉，王紫文

(1.青海省气候中心，青海 西宁 810001；2.青海省防灾减灾重点实验室，青海 西宁 810001；3.青海省人工影响天气办公室，青海 西宁 810001)

引 言

全球气候变暖背景下，干旱事件频发[1]，且气候变化对干旱及半干旱地区影响更加显著[2-3]。另外干旱是由于长期水汽异常偏少造成的，其发展具有一定的积累过程，影响区域较大，属于一种中长期气候行为，前期及同期环流形势的维持与演变对干旱有十分重要的影响[4]。

青海省处于青藏高原东北部，深居内陆腹地，暖湿气团不易入侵，为北半球同纬度降水量较少地区，且时空分布不均，属我国干旱半干旱气候区[5]。干旱是青海省最严重的气象灾害之一，发生频率高、分布广、面积大、持续时间长[6]，对青海工农业生产和当地人民生活造成严重影响[7]，同时它也是长期制约青海省经济和社会发展的一个重要因素[8]。近50 a来青海省发生重旱以上的年份，春、夏、秋季分别占12%、6%和6%，重旱主要发生在春季[9]。春季(3—5月)是青海省农业区大田作物播种、出苗、分蘖的季节，也是牧区牧草返青的季节，春季干旱会对农牧业造成严重影响[10]，且近年来生长季干旱风险突出，时空差异显著[11]。

研究表明近几十年来青海省东部农业区干旱有缓解趋势[12]，1980年代中后期柴达木盆地气候也由暖干向暖湿转型，全球气候变暖导致的降水量、冰川融水量、河川径流量增加和湖泊水位上升、面积扩大及水循环加快、高空水汽不断增加和黑碳气溶胶浓度增加等是造成青海部分地区气候由暖干向暖湿转型的重要原因[11，13]。大气环流异常是导致各地干旱少雨的主要原因，西北干旱化趋势的变化与副热带西风急流位置的变化有显著关系[14]。

本文主要研究青海省春季干旱发生的基本气候特征和变化规律，同时重点分析青海省不同地区春季及前期环流异常特征，以期对青海省春季旱涝异常特征及其环流形势有更清楚的认识，以便为干旱预测预警提供新的思路，从而为合理利用水资源、预防和减轻农业干旱提供参考和理论依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

青海省地处青藏高原，深居内陆，远离海洋，属于高原大陆性气候。由于区域气候差异明显，因而将其分为4个功能区[15]：东部农业区温湿适宜，适合农作物生长；青南牧区气温低，降水多，适宜高寒牧草生长；柴达木盆地降水少，日照时数多，以荒漠戈壁为主；环青海湖地区为农牧交错地区。图1为青海省不同功能区及气象站点分布，由于柴达木盆地为常年干旱区，因而处理过程中剔除相关站点，仅对盆地以外地区进行分析。

图1 青海省不同功能区及气象站点分布Fig.1 The distribution of different climatic functional zones and meteorological stations in Qinghai Province

1.2 数据来源

所用资料包括：NCEP/NCAR提供的1981—2017年春季(3—5月)及前冬(前一年12月至当年2月)月平均500 hPa高度场、200 hPa纬向风场再分析资料[16]，空间分辨率为2.5°×2.5°；青海省气象信息中心提供的青海省非常年干旱区(东部农业区、环青海湖地区及青南牧区)39站(图1)1981—2017年春季逐月降水资料，用以计算各站点春季标准化降水指数(SPI)。

1.3 研究方法

采用线性趋势法、Mann-Kendall突变检验、滑动平均和相关分析等统计方法。由于干旱在不同地区具有不同特征，表征干旱的指标也必然存在区域适应性问题[17-18]，李红梅等[19]研究发现，SPI对青海省不同等级干旱的监测能力最强，并且对春、夏季干旱监测效果最优，因此本文采用SPI来表征青海省春季气象干旱。

1.3.1 标准化降水指数(SPI)

SPI是基于降水的气象干旱指数，可以反映实测降水量相对于降水概率分布函数的标准偏差。SPI根据Gamma分布概率来描述降水量的变化，将偏态概率分布的降水量进行正态标准化处理，这样有利于消除降水量的时空分布差异[4]，最终用标准化降水累积频率分布来划分干旱等级，具体计算方法详见文献[20]，表1列出基于SPI的干旱等级划分[21]。

表1 基于标准化降水指数(SPI)的干旱等级划分Tab.1 Classification of drought grade based on standardized precipitation index (SPI)

1.3.2 干旱评估指标

(1)干旱频率

干旱频率(P)是用来评价某站有资料年份内发生干旱的频繁程度，计算公式如下：

(1)

式中：N为某站有气象资料的总年数；n为该站发生干旱的年数。按不同程度的干旱发生年数计算不同程度干旱频率。

(2)干旱站次比

干旱站次比(R)为区域内干旱发生站数占全部站数的比例，用来评价干旱影响范围的大小，划分规则如表2。具体公式如下：

(2)

式中：M为研究区域内总的气象站数；m为发生干旱的站数[22]。

表2 干旱影响范围划分标准Tab.2 The classification standard of drought area

2 结果分析

2.1 空间分布

图2为青海省1981—2017年春季不同等级干旱频率空间分布。可以看出，青海省轻度以上干旱频率为18.9%～40.5%，其中低值区位于海南州南部、黄南州及海北州北部，干旱频率低于25.0%；高值区位于东部农业区大部、果洛州西部、玉树州南部以及沱沱河，干旱频率高于32.0%。中度以上干旱频率为8.1%～24.3%，高值区位于东部农业区大部和唐古拉地区，干旱频率超过16.0%；低值区位于黄南州、海北州大部、海南州东部、果洛州东部和玉树州大部，干旱频率小于13.0%。重旱以上发生频率为2.7%～13.5%，高值区位于东部农业区和玉树州曲麻莱县，干旱频率超过10.0%。特旱发生频率低于8.1%，高值区位于海南州、黄南州大部，而青南中部特旱发生频率较低。

2.2 时间演变

图3为1981—2017年春季青海省干旱站次比年际变化。可以看出，青海省春季干旱站次比总体呈下降趋势，平均每10 a下降4.9%。1981—2017年，发生全域性干旱(干旱站次比超过50%)的年份有7 a，其中有5 a发生在1990年代，1991—2000年干旱站次比平均值为42.3%，而1981—1990年和2001—2017年干旱站次比平均值分别为28.2%、21.6%。由此可见，1990年代发生全域性干旱的风险明显高于1980年代和2000年以后。

通过青海省全区及东部农业区、环青海湖地区、青南牧区春季SPI的年际变化(图略)可以看出，不论是全省平均，还是各功能区，SPI总体呈上升趋势，即青海省总体呈现增湿特征，这与姚瑶等[12]、戴升等[13]的研究结论基本一致。但各地区的增湿幅度存在明显差异，其中增湿幅度最明显的区域为青南牧区，SPI线性倾向率为0.23·(10 a)-1。

图2 1981—2017年春季青海省不同等级干旱发生频率空间分布(单位：%)Fig.2 The frequency distribution of drought with different grades in spring from 1981 to 2017 in Qinghai Province (Unit: %)

图3 1981—2017年春季青海省干旱站次比年际变化Fig.3 The annual variation of drought stations proportion in spring from 1981 to 2017 in Qinghai Province

在Mann-Kendall突变检验中，当UF或UB值大于(小于)0时，表明序列呈上升(下降)趋势，且当UF或UB曲线超过信度线时，则表明序列有显著上升(下降)趋势；若UF和UB曲线相交于信度线之间，则该点为突变点[23]。图4为1981—2017年春季青海省不同功能区SPI指数的Mann-Kendall突变检验。可以看出，青海省春季SPI指数在1990年和2010年左右发生突变。SPI在1980年代呈上升趋势，1990年代至2000年代初期，UF值变化趋势为“正-负-正”，其间仅有个别时段UF曲线超过信度线，结合SPI序列分析，说明青海省春季SPI指数在该时段呈波动趋势，处于不稳定状态，而2010年以后，SPI指数序列又呈上升趋势。东部农业区春季SPI指数在1983—1994年呈上升趋势；UF和UB曲线1989年以来反复交叉，表明1989—2017年东部农业区春季SPI指数呈现不稳定变化。环青海湖地区UF和UB曲线相交于1989年，1989年以前，UF值大于0，表明该地区春季SPI指数在1981—1989年呈上升趋势，1994—2015年UF值呈波动变化，且基本为负值，表明该指数在1994—2015年有下降趋势。青南牧区春季SPI序列在1981—2011年存在下降趋势，2011年以后呈明显上升趋势，突变年份为2011年。

3 环流背景异常特征

干旱的发展具有一定的积累过程，属于一种中长期的气候行为。前期及同期环流形势的维持与演变对干旱有重要影响。通过分析青海省春季旱涝异常对应的环流背景场特征，将有利于更加清楚地认识青海省春季干旱发生的环流成因，能够为干旱预测预警提供新思路[24-28]。

图4 1981—2017年春季青海省不同功能区SPI指数的Mann-Kendall突变检验Fig.4 The Mann-Kendall test of SPI over different climatic functional zones in spring from 1981 to 2017 in Qinghai Province

3.1 同期大气环流异常

图5为1981—2017年春季500 hPa高度场分别与全省、东部农业区、环青海湖地区和青南牧区平均SPI的相关系数分布。可以看到，春季全省SPI与500 hPa高度场的相关分布与东部农业区、环青海湖地区十分相似，在欧洲西部、东亚及低纬度阿拉伯海附近为显著正相关，而乌拉尔山地区为负相关。即当东部农业区和环青海湖地区SPI指数偏大时(偏涝)，欧亚中高纬地区自西向东呈“正、负、正”分布，极涡偏强、东亚大槽偏浅，这种分布说明欧亚中高纬地区容易出现乌拉尔山和鄂霍茨克槽(或低压)以及贝加尔湖东部脊(或高压)；低纬度地区，阿拉伯海附近高度场容易偏高，青藏高原位势高度场相对偏低，中国东部高度场明显高于高原地区，形成“西低东高”的配置。这种配置容易使北方冷空气沿偏西北路径进入高原地区，并与南方暖湿空气配合，产生大量降水，形成全省春季偏涝的局面，偏旱时则相反。

青南牧区春季SPI与500 hPa高度场的相关分布与其他两个功能区存在一定差异，中高纬地区，乌拉尔山附近负相关区域较东部农业区和环青海湖地区偏小，西欧及东亚的正相关区位置也有所偏移；低纬度阿拉伯海附近的正相关区不明显，其北部地区为弱负相关区。当青南牧区SPI指数偏大时(偏涝)，欧亚中高纬地区自西向东同样呈“正、负、正”分布，但极涡偏弱，欧亚中高纬地区容易出现乌拉尔山和贝加尔湖东部槽(或低压)、巴尔喀什湖至贝加尔湖地区和鄂霍茨克脊(或高压)；低纬度地区，阿拉伯海附近高度场容易偏低，青藏高原及其以南地区位势高度场相对偏低，中国东部高度场明显高于高原地区，同样形成“西低东高”的配置。

综上所述，影响青海北部地区(东部农业区和环青海湖地区)和南部地区春季旱涝分布的500 hPa环流系统和配置总体一致，偏涝(旱)年欧亚中高纬总体呈“正、负、正”(“负、正、负”)分布，中国大部形成西低东高(西高东低)的配置；区别在于，中高纬度极涡强弱对青海北部旱涝分布的影响较为明显，而中低纬度西亚槽对青海南部旱涝形势的影响较大。

图5 1981—2017年春季青海省不同功能区SPI与500 hPa高度场相关系数分布(黑点区表示置信度水平超过95%，下同)(a)全省，(b)东部农业区，(c)环青海湖地区，(d)青南牧区Fig.5 The distribution of correlation coefficients between 500 hPa geopotential height and SPI over different areas in spring from 1981 to 2017 in Qinghai Province(The black dots indicate statistical significance exceeding the 95% confidence level, the same as below)(a) the whole province, (b) the eastern agricultural area,(c) the surrounding Qinghai Lake area, (d) the pastoral area in southern Qinghai

3.2 前期副热带高空急流的影响

西北地区春旱与前一年冬季副热带西风急流的位置存在显著相关[14]，图6为1981—2017年春季青海省不同功能区SPI与前冬200 hPa纬向风场的相关系数分布，用以分析前冬副热带西风急流位置对青海省春季旱涝分布的影响。可以看出，青海省春季SPI指数与副热带西风急流的两个中心(位于阿拉伯半岛附近的中东急流和日本岛附近的东亚急流)及其入口区和出口区存在显著的相关关系。全省来看，在中东急流出口区北侧和东亚急流中心北侧正相关显著；东部农业区在中东急流出口区北侧和东亚急流中心南侧正相关显著，而在东亚急流中心偏北处负相关显著；环青海湖地区在中东急流出口区北侧至东亚急流入口区北侧附近正相关显著；青南牧区在东亚急流中心北侧正相关显著，而在东亚急流中心及其南侧负相关显著。

图6 1981—2017年春季青海省不同功能区SPI与前冬200 hPa纬向风场相关系数分布(a)全省，(b)东部农业区，(c)环青海湖地区，(d)青南牧区Fig.6 The distribution of correlation coefficients between previous winter 200 hPa zonal wind field and SPI in spring over different areas from 1981 to 2017 in Qinghai Province(a) the whole province, (b) the eastern agricultural area,(c) the surrounding Qinghai Lake area, (d) the pastoral area in southern Qinghai

为进一步分析中东急流和东亚急流位置与青海省春季不同功能区旱涝分布的关系，利用LIANG等[29]和LIN等[30]定义东亚高空急流位置指数的方法，将前一年冬季区域20°N—30°N、110°E—130°E与区域40°N—50°N、110°E—130°E 200 hPa平均纬向风相减(南减北)，然后取其标准化值，即为东亚急流指数，以此来反映东亚高空急流的南北移动。东亚急流指数值为正(负)，表明东亚西风急流偏南(北)。采用YANG等[31]定义的中东急流指数，将前一年冬季区域20°N—30°N、40°E—70°E与区域30°N—40°N、15°E—45°E 200 hPa平均纬向风相减，取其标准化值，即为中东急流指数。当中东急流指数为正(负)值时，表示中东急流强度偏强(弱)、位置偏东南(西北)[32]。

滑动平均相当于低通滤波器，经过滑动平均后，序列中短于滑动长度的周期大大削弱，显现出变化趋势[23]。图7为1981—2017年青海省各功能区SPI指数和副热带西风急流指数5 a滑动平均的年际变化。可以看出，青海省春季SPI与前冬副热带西风急流(中东急流和东亚急流)总体呈现明显的负相关关系。从1988年开始，副热带西风急流位置整体呈现偏南趋势，中东急流指数和东亚急流指数为正，尤其是中东急流指数在1990—1992年达最大，其5 a滑动平均指数大于1.0，而与此同时，青海省总体处于相对干旱时段，各区域SPI均为负值；1999—2003年，负相关关系并不明显；2003年以后，副热带西风急流位置整体呈偏北趋势，中东急流和东亚急流均为负值，青海省整体处于非旱时段，SPI大于0。全省春季SPI与前期中东急流指数间的相关系数为-0.514，且通过α=0.05的显著性检验；与东亚急流之间的相关性相对较弱，相关系数为-0.332。

分区域来看，东部农业区春季SPI与前期中东急流指数间的相关系数为-0.363，且通过α=0.05的显著性检验，而与东亚急流指数间的负相关性不明显，相关系数为-0.080；环青海湖地区春季SPI与前期副热带高空急流的关系与东部农业区类似，与中东急流指数的负相关性显著(相关系数为-0.403)，而与东亚急流指数的相关性不明显；青南牧区春季SPI与前期副热带高空急流的关系在几个区域中最显著，与中东急流和东亚急流的相关系数分别为-0.443和-0.434，且相关系数均通过α=0.01显著性检验。综上所述，冬季副热带西风急流位置偏南，预示青海省次年春季将会遭遇干旱，尤其是青南牧区，这种可能性更大。

图8为1981—2017年春季500 hPa高度场与前冬东亚急流、中东急流指数的相关系数分布。可以看出，东亚急流指数对欧亚500 hPa环流场影响较高的地区位于欧洲东北部(正相关，相关系数大于0.3)和土耳其至伊朗地区(负相关，相关系数小于-0.3)，低纬地区总体呈显著的正相关关系；中东急流指数对欧亚500 hPa环流场影响较高的地区与东亚急流相比，位于欧洲东北部及其周边地区的正相关性更加显著，且位置偏东，位于土耳其至伊朗地区的负相关区面积更大，而低纬地区的正相关区面积更小，相关性更低。总体上，副热带高空急流指数偏南的年份，欧亚中高纬自西向东易呈现“正、负、正”的分布形势(但正负距平中心位置与青海春季偏涝年明显存在较大偏差)，东欧地区自北向南易呈“正、负、正”分布。此种配置不利于北方冷空气南下，同时也不利于南部水汽输送(印缅槽偏弱)，青海尤其是青南地区降水容易偏少，出现干旱形势。

图7 1981—2017年春季青海省不同功能区SPI与前冬副热带西风急流指数5 a滑动平均年际变化Fig.7 The annual variation of 5-year moving average of SPI index in spring and upper-level jet stream index in previous winter from 1981 to 2017 in different areas in Qinghai Province

图8 1981—2017年春季500 hPa高度场与前冬东亚急流(a)、中东急流(b)指数的相关系数分布Fig.8 The distribution of correlation coefficient between 500 hPa geopotential height in spring and East Asia jet stream index (a), Middle East jet stream index (b) in previous winter from 1981 to 2017

4 结 论

(1)春季青海省轻度以上干旱发生频率在18.9%～40.5%之间，高值区位于东部农业区大部、果洛州西部、玉树州南部以及沱沱河(发生频率>32.0%)；中度以上干旱发生频率在8.1%～24.3%之间，高值区位于东部农业区大部和唐古拉地区(>16.0%)；重旱以上发生频率为2.7%～13.5%；特旱发生频率低于8.1%。

(2)青海省春季干旱站次比以4.9%·(10 a)-1的速率下降，1990年代发生全域性干旱的风险明显高于1980年代和2000年以后。各功能区总体呈现增湿特征，其中增湿幅度最明显的地区为青南牧区，SPI线性倾向率为0.23·(10 a)-1。

(3)影响春季青海北部地区(东部农业区和环青海湖地区)和南部地区旱涝分布的500 hPa环流系统和配置总体一致，偏涝年欧亚中高纬总体呈“正、负、正”分布形势，中国大部形成西低东高的配置(偏涝年相反)；中高纬度极涡强弱对青海北部的影响较为明显，而中低纬度西亚槽对青海南部的影响较大。

(4)青海省春季干旱指数与前期冬季的副热带西风急流位置存在显著负相关，中东急流指数与青海省各功能区的相关性较东亚急流更明显；分区域来看，前冬副热带西风急流指数对青南牧区春旱指数的影响较大。说明前冬副热带西风急流位置若较常年偏南，则次年青海省发生春旱的可能性很大。前冬副热带急流位置偏南，使得春季500 hPa高空，东欧地区自北向南呈“正、负、正”分布，乌拉尔山附近高压脊偏强，低纬地区印缅槽偏弱，脊前干冷西北气流加之南部水汽输送较弱，使得青海容易发生干旱。