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21世纪全球变暖背景下江淮流域夏季旱涝急转特征分析

2020-07-30陆苗陈翔唐鹏王明珠

现代农业科技 2020年14期

陆苗 陈翔 唐鹏 王明珠

摘要    江淮流域旱涝异常经常发生,一直是国内外关注和研究的热点。本文利用国际耦合模式比较计划(CMIP5)21世纪最强变暖背景(rcp85)下5个模式的模拟数据资料,对2006—2100年江淮流域夏季降水的时空分布特征、典型旱涝年降水特征及旱涝急转特征进行了分析。结果表明,江淮流域降水量空间分布整体表现一致,但南北区域和东西区域略有差异。时间分布上表现为夏初降水多于夏末且有明显的年际变化特征,尤其是在2060年之后,全球变暖会对降水量造成很大的影响,旱涝急转事件频发。2060年之前,江淮流域LDFAI指数较小且基本处于旱转涝的阶段,2060年之后,LDFAI指数变率增大,可能会出现几次较严重的旱涝急转事件。

关键词    旱涝急转;时空分布特征;气候变暖;江淮流域

中图分类号    S161.6;S166        文献标识码    A

文章编号   1007-5739(2020)14-0184-03

江淮流域不仅是我国的工业和农业生产基地,也是科学技术、交通运输的中心,在全国占据重要的地位,其特殊的气候和地理要素使得该区域旱涝灾害频繁。叶笃正等[1]的研究表明,全国旱涝灾害主要集中在江淮流域。因此,江淮地区的旱涝现象是值得密切关注的问题,江淮流域大范围的旱涝现象,一直是我国大气科学研究的重点。然而,前人对季节性严重旱(或涝)事件关注较多,对旱涝的季节内变化关注比较少。王  胜等[2-4]认为旱涝急转是指前期持续偏旱,接着因一场暴雨以上的强降水或雨量较大的连阴雨致使迅速转旱转涝的天气过程。吴志伟等[5-9]认为“旱涝并存、旱涝急转”现象正是降水季节内变化的典型代表。系统全面地認识夏季旱涝急转的特征及其变化规律,具有重要的科学意义和应用价值。为此,本文利用国际耦合模式比较计划21世纪模拟数据(CMIP5),对江淮流域夏季旱涝急转发生次数的变化特征进行分析,探讨未来近100年江淮流域夏季旱涝急转的发生演变规律。

1    资料与方法

1.1    资料选取

本文使用的资料主要是国际耦合模式比较计划(CMIP5)下21世纪最强变暖背景下(rcp85)模拟的月平均降水量资料,时间为2006—2100年,均插值到水平分辨率为1°×1°,全球共有360×181个网格点。计算了这5个模式合成的资料,简写为MME。

1.2    地理范围与时间范围的划定

1.2.1    地理范围。一般来说,江淮流域是指我国北纬28°~34°之间,湖北宜昌以东的陆地区域。本文规定北纬28°~34°、东经109°~122°范围内的陆地为江淮流域。

1.2.2    时间范围。规定江淮流域夏季为5—8月。

1.3    研究方法

首先利用国际耦合模式比较计划(CMIP5)21世纪最强变暖背景下模拟数据(CMIP5)资料,分别计算6种模式资料下95年来每一个格点5—8月累积降水量,并计算其方差,找出方差最大值所在的格点,记下其经纬度。

将最大值所在点的5—8月累积降水量与整个江淮流域5—8月累积降水量作相关,得到空间相关图,阴影所覆盖的区域为显著相关的区域(通过95%水平的置信度检验)。

根据空间相关图及EOF分析,划分新的研究范围,得到MME合成资料下分区域降水平均值、11年降水滑动平均值,初步认识初夏与盛夏降水分布的情况。

最后,参考吴志伟等[5]对长周期“旱涝急转”的定义以及旱涝急转指数LDFAI,计算不同模拟资料下的5—8月的标准化降水量以及每个模式模拟出的旱涝急转指数,挑出高指数年和低指数年,统计各年代旱涝急转指数,统计分析研究江淮流域夏季旱涝急转的发生演变规律。

2    江淮流域夏季降水时空分布特征

2.1    空间分布特征

为了弄清楚21世纪江淮流域夏季降水量异常分布特征,计算了6种不同模式资料下得到的5—8月累积降水量方差图以及方差最大值所在区域夏季累积降水量与整个江淮流域夏季累积降水空间相关图。

BNU-ESM模式下,降水方差最大值在东经116°、北纬31°处,大致在湖北黄冈市,说明在该点处降水量不稳定,存在很大的变率。整个江淮流域以北纬31°为界,相关系数呈南北对称分布的趋势,相关系数均为正值。

CanESM2模式下,降水量从北向南呈现不稳定的变化趋势。在东经117°区域,2006—2100年降水量比较稳定,变率不大。

CCSM4模式下,大致以北纬32°为界,北纬32°以南的区域均通过了检验,说明该点与此区域降水情况一致。而北纬32°以南的区域相关性并不明显,可能与淮河流域和长江流域的降水差异有关。

MRI-CGCM3模式下,在两湖平原处降水量不稳定,变率较大。江苏南部、安徽南部和两湖平原以南部分的区域均通过了置信度检验,说明该点的降水情况与上述区域保持一致。而河南北部、淮河北部一直到江苏北部都没有通过95%的置信度检验,说明此区域降水情况与方差最大值点的降水情况存在差异。

NorESM1-M模式下,有一个明显的高值区,因而选择方差最大点为北纬30°30′、东经115°,以东经115°为界,方差值向左右两边呈递减趋势,左边区域递减趋势大于右边区域。

MME合成资料下,将方差最大值选在北纬29°30′、东经115°处,即鄱阳湖的北部。结合其他5种模式下得到的空间相关图,可以看出整个江淮流域的降水情况一致,除去河南北部极少区域外,大约有90%的区域均通过了置信度检验。相关性最高的区域处于鄱阳湖、洞庭湖一带,以北纬31°为界,以南区域相关性较高,以北区域相关性较小。由此表明,整个江淮流域降水情况大致相同,但淮河流域与长江流域还是存在着差异。

2.2    基于EOF分析江淮流域降水的时空分布

通过对2006—2100年MME合成资料下逐月江淮降水量资料采取标准化处理后,再进行EOF分析,得到各个主成分,第一主成分的方差贡献最大,第二主成分的方差贡献迅速减小,后面几个主成分方差贡献很小,解释方差也有同样的变化趋势。前3个主成分的方差贡献大约占80%,分析前3个主成分所对应的特征场,反映出江淮流域夏季降水量异常的几种主要大范围空间分布特征。根据江淮流域夏季降水量第一特征场,总的来说呈现南北向纬度地带性分布,大值区是江淮流域夏季降水量变率最大的地区,亦是旱涝异常的敏感区。第二特征场与第一特征场有着很大的差异,其分布呈现南北反向变化的结构特点,长江流域区域基本为正值区,淮河流域基本为负值区,说明江淮流域夏季降水呈现南多北少或北多南少的结构特点,即南北差异是江淮流域夏季降水量的第二空间异常类型。从第三特征场可以看出,其分布有着东西反向变化的结构特点,负值中心位于长江三角洲附近,正值中心位于两湖平原的北部,可能是正负区域的河流、丘陵等地理因素的不同造成的差异。

分析EOF前3个时间系数所对应的曲线。从第一时间系数可以看出时间系数有着明显的年代际变化特征,21世纪江淮流域会由偏旱转为偏涝。第二、第三时间系数都有明显的逐年变化的现象,有年际变化特征。

2.3    时间分布特征

将研究区域重新分成北纬28°~31°,东经109°~122°和北纬31°~34°,东经109°~122° 2个小区域。通过MME合成资料,选取该区域平均降水量来表征整个区域夏季降水的强弱,进一步分析江淮流域夏季降水随时间的变化趋势。

可以得出,2006—2040年整个江淮流域区域5月降水量整体偏少。2060—2100年,区域降水量整体增加。南北分区域变化情况大体相同,南部降水量大于北部降水量。

整个江淮流域未来5月的降水呈明显上升的趋势,2010—2030年上升幅度较大,在2055年左右出现了明显的下降趋势但之后又是缓慢上升的趋势。在2070年之前,这2个区域降水趋势也保持一致,但2070年之后南部降水明显减少,北部降水明显增多。

5月降水量小于6月降水量,南北分区域降水仍存在明显的差异,南部降水普遍高于北部降水。2070年之后,降水量出现了大范围的浮动,呈现先下降后上升的趋势。南部降水也有明显的年代际变化,2050年之前降水量浮动范围小,且在均值线处上下浮动,2050年之后呈明显上升的趋势。

2006—2030年江淮流域北部降水量大部分在均值以下,2030—2050年降水量基本在均值以上,2051年之后降水逐渐上升,21世纪后期降水量基本在均值以上。7月江淮南北部降水整体差异不大,但南部降水比北部稳定。7月江淮北部降水在2031—2054年出现了较大的浮动,先增后减,之后又稳定上升,而2031—2054年南部的降水则保持一个稳定缓慢上升的趋势。北部区域8月降水量明显减小,2006—2050年变化幅度不大,2051年之后,降水量变化幅度增大,且降水量逐渐减小。南部区域降水量在2050年之前变化不大,但在2051年之后降水量大部分超过平均值,说明降水量有上升的趋势。

3    江淮流域夏季长周期旱涝急转异常年的选取及其时间演变

为了更加深入认识21世纪江淮流域夏季季节内降水长周期变化情况,以及更好地为夏季防汛抗旱工作提供具有参考意义的结果,本文参考了吴志伟等[14]对长周期旱涝急转的定义以及长周期旱涝急转指数LDFAI:

LDFAI=(R78-R56)×(|R78|-|R56|)×1.8-|R56+R78|

式中,R78为7—8月标准化降水量;R56为5—6月标准化降水量;(R78-R56)为早涝急转强度项;(|R78|-|R56|)早涝强度项;1.8-|R56+R78|是权重系数,作用是增加长周期早涝急转事件所占权重,降低全早或全澇事件权重。本文将降水距平小于-0.5个标准差,定义为偏早,将降水距平大于0.5个标准差,定义为偏涝。

3.1    异常年的选取

2006—2100年10个最高(低)前10年及其标准化降水量分布如表1、2、3所示。可以看出,总体特征是高LDFAI年7—8月降水量均大于5—6月降水量,而低LDFAI年正好相反,即高LDFAI反映出了从5—6月到7—8月降水量递增的趋势,而低LDFAI反映出了从5—6月到7—8月降水量递减的趋势。

3.2    旱涝急转时间演变分析

图1a为2006—2100年LDFAI随时间的演变情况,可以看出,LDFAI指数存在着较大的年际变化差异,尤其是在2022—2070年表现最为显著,因而可以认为在这一时段内江淮流域夏季旱涝急转事件频发,而在2006—2021年和2070年之后,指数振荡稍有减弱的趋势。在2006年、2035年、2055年、2070年这4年整个江淮流域都出现了高强度的旱涝急转事件,可以将这几年选为旱涝急转异常年的代表。在2030年、2086年江淮南北两区域都出现了涝转旱的现象,但是江淮流域北部干旱情况强于南部地区,在2025年、2075年江淮南北两区域都出现了旱转涝的现象,但是江淮流域北部洪涝情况强于南部地区。

图1b是旱涝指数9年滑动平均值,可以看出,以2060年为界,2060年之前LDFAI基本为正,即旱转涝,2060年之后指数基本为负,即涝转旱。说明在2060年之前,江淮流域夏季7—8月降水量明显大于5—6月降水量,而2060年之后情况相反。江淮流域北部旱涝情况存在着明显的年代际变化,在2030—2040年、2060—2070年、2070—2080年会有3次比较强的旱涝急转事件的发生。分析江淮流域南部的指数曲线,南部的旱涝急转强度普遍低于北部的旱涝急转强度,与北部情况相似,在2060年之后LDFAI指数明显变强,但基本处于涝转旱的情况。

4    结论

(1)21世纪在全球变暖指数最强的背景下,由方差及空间相关分布图可以看出,江淮流域降水情况一分为二,南部降水变率大于北部,结合EOF分析江淮流域的空间分布及时间演变特征,可以看出,江淮流域降水量整体表现一致,在2006—2100年呈现上升的趋势,但是淮河及长江流域降水又存在着区别,可能与副热带高压北跳的位置有关,并且东西区域也有差异,可能是与两地的地形因素有关。由区域降水量平均值可以看出,主汛期降水呈南部多于北部的分布,并且5—8月降水呈现递减的趋势。未来江淮流域5月和6月降水量逐渐上升,上升幅度较大且南北部差异明显,7月上升幅度减缓南北差异变小,到了8月,南北两区域基本无差异,且研究区间8月降水量基本稳定,无明显的上升趋势,可能是梅雨和伏旱造成了夏初和夏末降水的差异。

(2)江淮流域夏季平均降水量年际变率大,尤其是2060年之后降水增加趋势明显。5—8月虽然各月份降水趋势不同,但大体是以2060年为界,2060年之前降水量浮动小且南北差异不大,2060年之后均出现了不同程度的上升情况,全球变暖对降水的影响在2060年之后表现的比较明显。

(3)江淮流域旱涝更多地取决于流域北部,旱或涝均强于流域南部。与降水量一样,江淮流域旱涝急转也存在明显的年际变化,2060年之前,整个江淮流域旱涝急转指数较小,基本处于旱转涝的阶段,2060年之后,LDFAI指数变率增大,在2065年和2075年出现了2次较严重的旱涝急转事件。

5    参考文献

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