珠江流域干旱时空变化的经验诊断分析*

陈子燊

（1. 中山大学新华学院，广东广州510520；2. 中山大学地理科学与规划学院，广东广州510275）

干旱是全球影响最大的自然灾害之一，在中国科学技术蓝皮书中，干旱已列为我国气候灾害之首［1］。干旱属于渐进性灾害，通常灾前无明显征兆，但是当灾害已形成时已构成危害。四类干旱中，气象干旱的直接表现是降水量减少，通常成为农业干旱的前兆。而被认为是气象干旱和农业干旱的延续和发展的水文干旱通常是通过河道径流量、水库蓄水量和地下水位值加以确定，降水量持续减少将影响地区生产生活用水，将形成水资源供需不平衡的社会经济干旱。

目前国内外对干旱监测主要使用标准化降水指数（SPI）、降水距平百分率（R）、Z 指数、湿润度指数（MI）、综合气候干旱指数（CI）、土壤水分（SM）指标和帕默尔干旱指数（PDSI）等［2-10］。其中，被普遍接受的SPI 由于假定不同地点旱涝发生概率相同，无法标识频发地区，没有考虑水分的支出，而且由于降水变异性大大高于气温和潜在蒸散发等变量，是否适用于干旱识别还需进一步观测检验。Vicente-Serrano 等［11］提出了标准化降水蒸散量指数（SPEI，Standardized Precipitation Evapotranspiration Index），类似于标准化降水指标（SPI），但SPEI 融合了包括气温蒸散作用与降水之间的水量平衡关系。Sergio 等［12］的研究表明，SPEI 可与基于水分平衡原理、计算可能蒸散发量、物理意义较清晰的自校准帕尔默干旱严重程度指数（sc-PDSI，Wells 等［13］）相比较。相对于PD⁃SI，SPEI 计算相对简便，不仅可消除降水和气温的时空分布差异，还能有效地反映不同区域和时段的旱涝状况，同时具有概率分布和多时间尺度的优势。李伟光等［14］应用SPEI 对中国59 年来干旱化的空间分布、四季干旱趋势变化和全国极端干旱事件发生频次进行了分析， 并定性分析了干旱发生的原因。陈子燊等［15］利用SPEI分析了广东1962～2007 年来的干湿时空变化特征，研究结果显示，西江流域和北江中下游流域、雷州半岛为主的粤西沿海流域存在着显著的干旱趋势，广东干湿变化普遍具有2～8 a 的振荡周期，其与ENSO 事件的关联性还有待进一步探索。目前，SPEI 已成为分析干旱演变趋势新的理想指标，并应用于干旱与农作物生产评估和水资源管理等领域［16-18］。进入21 世纪以来，珠江流域旱灾强度和频度愈益加大，深入探索其干旱时空变化特征，可为应对区内社会经济干旱问题和水资源风险管理提供科学依据［16］。

1 研究区域概况

珠江流域是西江、北江、东江三江水系和珠江三角洲水系的总称。流域跨云南、贵州、广西、广东、湖南、江西6 省区，面积约45 万km2（包括流经越南的1万多km2）。珠江流域下垫面类型复杂多样，地形北接南岭山地，西连云贵高原，从西向东总体上可分为3大块：云贵高原、两广丘陵及其山间盆地、珠江三角洲。由于地处对气候变化敏感的南海季风和西南季风交叉影响区，海-陆-气交换强烈，珠江流域雨量充沛，但时空分布不均匀。多年平均降雨1 200～2 200 mm ，全流域多年平均降雨为1 470 mm。然而，珠江流域水面平均蒸发量高达1 400 mm，中西部往中北部降水依次递减，属于典型的干旱、半干旱少雨区域［17］。

2 资料与研究方法

采用国家气象信息中心基础资料专项整编的中国地面水平分辨率0.5°×0.5°的中国气温、降水月值格点数据。数据经交叉验证、误差分析，质量状况良好。经提取获得珠江流域169 个格点在1961 年1 月至2011 年12 月期间的逐月气温、降水数据。珠江流域河流与行政区位置参见图1。

2.1 标准化降水蒸散发指数和多变量ENSO指数

SPEI 计算方法如下：采用Thornthwaite 方法计算地表潜在月蒸散发量；计算特定时间尺度降水与蒸散的差值；采用3 参数对数逻辑斯特（log-lo⁃gistic）概率分布计算差值的累积概率；对累积概率密度加以标准正态化。详细的计算方法可参见Vicente-Serrano等［11］。SPEI干旱等级划分见表1。

表1 SPEI的干旱等级标准Table 1 SPEI denoted dry grades

图1 珠江流域河流与行政区位置Fig.1 Pearl river basin river and administrative location

使用的多变量ENSO 事件指数（MEI）可由网站https：//www.esrl.noaa.gov/psd/enso下载。

2.2 时空分解、变化趋势与突变检验

应用旋转经验正交函数（REOF）对要素场Aij进行时空分解。计算方法如下：设要素场A=f(t，x)，其中t 表示时间，x 表示空间点的标号，以Aij（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n）表示第j次时间第i 个空间点上的要素值。其中，m 为时间序列的长度，n为测点数。观测资料矩阵Am×n可分解为两部分：

L 为因子荷载阵，F 为因子阵。按照方差极大正交旋转原则将F，L 加以旋转，使得L 中各列元素平方的方差之和达最大。由此分解得到的前几个空间场（空间模态）和相应时间向量，使得空间结构更加清晰，有利于对研究要素的空间分区［19］。

采用世界气象组织（WMO）推荐的非参数Mann-Kendall 检验方法计算时序长期趋势与突变［20］。

2.3 小波时频分析与相干性检验

采用目前广泛应用的复小波函数Morlet小波作为母小波，时间序列f(t)的Morlet小波变换为［21］：

式中，a 为伸缩尺度参数；b 为平移参数。ψ∗为复共轭。

在整个时间域上平均的小波方差谱为子波能量在各尺度的分布为：

小波能谱中的峰值显著性通过红噪音的小波能量谱来检验：

式中，Pk为傅立叶谱，k为频率指数，k=0，…，N/2，α为时间序列滞后1的相关系数，N 为时间序列长度。两个时间序列X、Y的交叉小波变换为：

式中，WX(S，t)、WY(S，t)分别为时间序列X、Y 的小波变换。

以小波平方相干函数度量两个时间序列X、Y之间的全域相干性：

3 珠江流域干旱时空变化特征分析

3.1 珠江流域干旱事件及SPEI适用性

为分析1961～2011年期间珠江流域的干旱总体演变特征，首先对流域逐月温度和降水进行区域平均，再计算SPEI。以-1 为SPEI 游程的截断水平，干旱事件的历时为SPEI 连续小于等于-1 的时间跨度，干旱事件的强度为干旱事件期间SPEI 最小值。分析3、6、12 和24 个月4 种不同时间尺度的SPEI 随时间的振荡过程，从图2 可见3 个月和6个月时间尺度SPEI 表现出季节变化特征，显示珠江流域几乎历年都出现干旱，而12 个月和24 个月时间尺度的SPEI 具有明显的年际及年代际振荡特征。统计表明，期间珠江流域3个月时间尺度的干旱事件出现43 次，平均持续时间2.2 个月，干旱平均强度1.5。最大持续时间始于1998 年9 月，历时8 个月。干旱最大强度为2.5，出现在2009 年2月，达特旱级别；6 个月时间尺度的干旱事件共有29个，平均持续时间3.3个月，最大持续时间始于2009 年5 月，历时11 个月。干旱最大强度为2.3，出现在1998 年12 月；12 个月时间尺度的干旱事件共有18 个，平均持续时间5.1 个月，历时达13 个月的最大干旱持续时间分别始于1963 年5 月和2009 年8 月。其中，1963 年5 月干旱强度为2.1，达特旱级别；24个月时间尺度的干旱事件有10个，平均持续时间10.4 个月，最大持续时间始于2010年2 月，历时23 个月。华南出现干旱已属常态，并屡现特旱，如1963 年出现跨年的重旱和特旱事件；1998 年秋到1999 年春出现持续8 个月的秋、冬、春3 季特大干旱［24］；2009 年珠江流域西部也发生了秋、冬、春连旱，遭受百年一遇大旱的江河来水比特大干旱年1963 年的流量还少近30%。对1961～2011年来干旱事件的分析表明，SPEI对珠江流域出现的包括重旱和特旱在内的干旱事件、强度与历时等特性有良好的识别能力，适用于珠江流域干旱事件的监测与分析。

图2 珠江流域SPEI指数的时间振荡Fig.2 The time oscillation of SPEI of the Pearl River basin

珠江流域不同时间尺度、不同年代与不同季节干旱事件发生频次的统计结果如表2、图3所示，具有以下特征：1）1961～2011 年来不同时间尺度不同年代干旱事件发生累计频次变化幅度十分明显，21 世纪前10 a 干旱出现频次已超过20%，反映干旱问题愈加突出；2）不同年代珠江流域干旱中心位置变化较大，20 世纪以来以流域西北区域为干旱中心；3）干旱事件具有长期增多的变化趋势，20 世纪70 年代以来不同时间尺度的干旱事件频次均出现较大幅度的增加，其中2001 年以来中旱和重旱级别的干旱事件出现频次增加明显；4）不同年代不同季节的干旱事件与干旱类型发生频次呈较强的随机性，四季普遍存在干旱现象，夏旱和冬旱发生频次则呈现波动特征。20 世纪80 年代以来春旱和秋旱有加重趋势，尤其是秋旱十分突出，和黄晚华等［10］研究得到的结果相近。

3.2 干旱空间分布和演变特征

图3 珠江流域不同年代干旱事件发生频次的空间分布Fig.3 Spatial variation of the frequencies of drought among different decade in the Pearl River basin.

表2 不同年代间不同时间尺度与季节干旱事件发生频次Table 2 The frequencies of drought occurrence among different time scales and seasons in different decades

为了进一步了解珠江流域内不同区域干旱的时空分布特征，对珠江流域169 个格点3 个月尺度的SPEI-3 作经验正交函数（EOF）分解，再对提取的前6 个特征向量做方差最大旋转。旋转前（EOFs）和旋转后（REOFs）的方差贡献见表3，前6 个模态累积解释方差贡献已占总方差的85.8%。图4 为6 个旋转特征向量等值线图，可以看出，旋转后的荷载相对集中。按方差大小排序的6 个空间模态为：第1 模态（图4a）位于东江流域（图中阴影区，下同），旋转后该模态的方差贡献占总方差的17%。第2 模态（图4b）的荷载中心位于桂北地区，旋转后该模态的方差贡献率为15.7%。第3 模态（图4c）的中心位于桂东南地区，方差贡献率15.7%。第4模态（图4d）的中心位于桂西南地区，方差贡献率15.5%。第5 模态和第6模态高荷载区分别位于珠江流域的黔南区域和滇东地区（图4e，f），方差贡献率分别为11.6%和10.3%。黔南和滇东两个区域历来受干旱影响，而且自20 世纪90 年代末以来干旱出现频率增大并愈趋严重。按照高载荷区标准划分的珠江流域6个区域基本没有重叠，分区结果显示出了珠江流域干旱空间分布特征。

图4 珠江流域SPEI前6个REOF空间模态Fig.4 The first six modes of SPEI from REOF in the Pearl River basin

表3 前6个模态的方差贡献Table 3 The contributions to total variance from the first six modes

利用6个空间模态所对应的时间函数作趋势检验，图5 中的SPEI 各个分区的时间函数经检验后达置信水平95%的趋势采用粗直线表示，表示为95%置信水平，否则表示不存在显著的趋势变化。一致的负倾向率检验结果反映6个分区均向干旱发展，但其中只有分区5（黔南区域）和分区6（滇东地区）呈现显著变干趋势，反映珠江流域旱涝演变具有全流域一致性特点。突变检验结果则表明，6个分区大约在2002年前后都出现旱涝的转变（为省篇幅图略）。

3.3 各分区旱涝变化周期及其对ENSO的响应

图5 珠江流域SPEI 6个REOF时间向量趋势检验Fig.5 The trend tests of first six time functions of SPEI from REOF in the Pearl River basin

分别代表6个空间模态的时间向量小波功率谱及其小波方差谱见图6。图中黑粗等值线表示存在置信水平达95%的时频域。由图6可见，不同分区水旱变化的时间-尺度均无长时段连续性，显示旱涝演变具有显著的时频局部化的振荡特征。经红躁音谱（小波方差谱中的短划线）检验提取的置信水平为95%的小波方差谱的显著周期表明受“厄尔尼诺”或“拉尼娜”影响，各个分区旱涝普遍具有2～7a 的振荡周期。对此，已有研究人员发现［25-26］广东省干旱和厄尔尼诺或赤道太平洋海温异常关系密切。由于珠江流域覆盖面积巨大，各分区所处的地理位置、陆面地形结构与水文气候的差异而影响降水、蒸发及产流过程，旱涝振荡周期和出现时间不尽相同。不同分区还普遍存在约11 a和22 a的年代际振荡周期表明珠江流域旱涝变化与太阳黑子活动和太阳活动磁周期存在关联性［17］。

图6 各空间模态对应的时间向量的小波谱Fig.6 Wavelet power and variance spectra of the time functions of six regions

表4 各分区显著振荡周期Table 4 Significant oscillation periods of each partition

Schulte 等［22］曾利用小波交叉谱对美国中大西洋区3 条主要河流水文气候的年代际变异性与EN⁃SO 和太平洋10 年涛动（PDO）指数关联的相干诊断，发现二者之间存在18 a 和26 a 的显著相干性。进一步探索珠江流域旱涝时空演变与具有全球指标性的多变量厄尔尼诺事件指标（MEI）之间的遥相关结构结果（见表5），检测到各分区都存在着厄尔尼诺变化周期信号表明，珠江流域旱涝演变和厄尔尼诺事件关系密切，变化周期的差异则显示，流域空间上对ENSO 事件的响应存在差异。此外，广西（桂北、桂东南和桂西南）的旱涝与厄尔尼诺事件之间还检测到存在更长周期的遥相关结构。

图7 六个特征时间函数与MEI的全域相干谱Fig.7 Global coherent spectra of six characteristic time functions and MEI

表5 各分区时间特征函数与MEI的遥相关结构Table 5 The telecorrelation between the temporal characteristic functions of each partition and MEI

4 结 论

1） 1961～2011 年来珠江流域四季干旱现象属于常态，但空间分布与时间变化明显，旱涝的变异点出现在2002年前后。

2） 21世纪以来珠江流域中旱、重旱事件、干旱历时和强度都显著加大，秋旱尤为突出。

3） 根据标准化降水蒸散量指数的REOF 时空分解珠江流域可划分成6 个区域，分别为东江流域、桂北、桂东南、桂西南、黔南和滇东，各分区都存在向干旱发展趋势，其中黔南和滇东干旱趋势显著，已成为珠江流域的干旱中心。

4） 6 个分区的干湿变化普遍具有2～8 a、11 a和22 a 的振荡周期，各个分区对ENSO 事件的响应存在差异。此为构建与赤道太平洋海温异常和太阳黑子活动等指标关联的珠江流域中长期干旱预报模式提供了有益的参考依据。