瀾滄江流域極端天氣災害特征及波動趨勢

于文金， 黃亦露， 邵明陽

南京信息工程大學海洋學院，南京 210044

瀾滄江流域極端天氣災害特征及波動趨勢

于文金*， 黃亦露， 邵明陽

南京信息工程大學海洋學院，南京 210044

基于中國氣象局國家氣象信息中心提供的瀾滄江1961—2010年氣象資料，采用 小波分析、EMD 分解、CI指數、均生函數逐步回歸模型、相關分析等方法，探討 19 世紀末至 21 世紀初瀾滄江流域極端天氣災害的變化特征，及其區域極端災害變化和全球氣候變化之間的聯系。結果表明：(1)1961—2010年50a期間，年降水量趨于穩定，略有上升，但上升率較小，只有3.1848。年降水量距平分布圖反映了降水量南多北少的區域差異，正負距平之間在-2到2之間，北部干旱出現的幾率較大。(2)近20年來，瀾滄江區域干旱次數明顯上升，而瀾滄江流域年暴雨頻次在過去50a和未來的20a內沒有明顯的增加趨勢，干旱頻次未來20年內呈斜率0.2635的上升態勢，未來該區域極端天氣災害主要是干旱災害。(3) 該區域降水和暴雨頻次存在多尺度特征，兩種研究方法都得到瀾滄江流域降水量存在2、7、15a的變化周期，只是兩種方法得出的主周期不同，EMD 方法比小波方法更適合處理非平穩、非線性信號，可以認為瀾滄江流域降水量存在2、7、15a的變化周期，且主周期為準2a。(4) 降水量和暴雨頻度序列的 IMF1 和 IMF2 周期在2 —7 a之間，與 ENSO 在年際變化上的信號相吻合，推斷瀾滄江流域暴雨和干旱災害與ENSO有重要聯系，且隨著氣溫升高干旱災害頻次明顯增加，顯示區域極端氣溫災害的變化與全球氣候變暖有某種關聯，是全球氣候變化的區域響應表現形式之一。

瀾滄江; 干旱; 脆弱性; 干旱指數; 閥值

進入新世紀以來，全球變暖趨勢日益引起人們的關注，全球變化條件下，極端事件頻繁發生，是氣候變化的重要表現特征，許多情況下，它既是氣候系統對自然生態改變最敏感的響應，也是造成氣候系統改變的驅動力[1- 3]。過去幾十年的研究發現在全球大部分陸地表面出現了顯著的強降雨增加而小雨及中雨減弱的趨勢，這種廣泛增加的強降水事件被許多學者歸因于氣候變暖[4- 5]，而區域極端氣候事件對全球氣候變化的響應機理尚不清晰，極端氣候災害的歸因問題也存在諸多疑點[6]。干旱和洪澇災害作為最重要的極端氣候事件表現形式成為反映全球變化背景下區域響應的重要方面，成為研究全球變化特征和相關機理的重要領域。瀾滄江-湄公河流域縱貫13個緯度，最大相對高差近5000 m，跨 6 種氣候帶，是一個特殊的環境變化敏感區，它在氣候、水文、地理、生態學等多方面都具有重要的科學研究價值。探討瀾滄江-湄公河流域降水特征和干旱機理對于認識瀾滄江流域實時灌溉預報調度、水資源合理配置及其對氣候變化下的區域氣候災害響應機理等重大問題具有重要的意義。

圖1 瀾滄江流域站點分布圖Fig.1 The Map of Lancang River Site

1 資料和方法

1.1 資料來源和處理

資料來源于中國氣象局國家氣象信息中心，為選擇足夠數量的典型站，使采用的降水資料能夠代表研究區降水情況并滿足后續分析計算的基本要求，根據多步迭代估計方法對站點最優個數進行估計，從而得出最佳樣本數量(選取置信水平為95%的Student t檢驗得到置信區間)，共選取了瀾滄江流域及其周邊35站，數據經嚴格訂正，研究時段為1961—2010 年，各站點位置如圖1。

研究中根據國家氣象局制定的氣象行業規范標準，并參考國內外同類研究[7- 9]，簡化為日降水量0.1—5 mm，5—10 mm，10—50 mm，50 mm 以上 4 個量級，其中第1個和第2個常俗稱“毛毛雨”，對土壤水分涵養具有重要意義，第四個則屬暴雨或大暴雨，往往會誘發洪澇、滑坡、泥石流等嚴重自然災害，它們都屬于極端降水的范疇。10—50 mm量級在本研究中則主要用于對比參照。對于網站個別年份資料缺失問題均經過等距離插值法處理。

1.2 研究方法

1.2.1 干旱指數

本文所用干旱指標是由國家氣候中心創建的以標準化降水指數、濕潤度指數及近期降水量為基礎的綜合干旱指數Ci，該指標適合實時氣象干旱監測和歷史同期氣象干旱評估。綜合氣象干旱指數(Ci)的計算如下：

Ci=aZ30+bZ90+cM30

(1)

式中,Z30、Z90分別為近30天和近90天標準化降水指數SPI值，M30為近30天相對濕潤度指數，該指數是表征某時段降水量與蒸發量之間平衡的指標之一。a為近30天標準化降水系數，b為近90天標準化降水系數，c近30天相對濕潤度系數。干旱等級劃分見表1，研究中，設定降水量致災閥值，20d無降水為輕旱，30d無降水為中旱，60d無有效降水為重旱。

表1 綜合氣象干旱等級的劃分表Table 1 Comprehensive meteorological drought level division table

1.2.2 降水周期變化研究方法

(1)Morlet小波分析

小波方差分析是小波分析的重要內容，小波方差圖反映了能量隨時間尺度的分布,可以確定一個時間序列中各種尺度擾動的相對強度[10]，對應峰值處的尺度稱為主要時間尺度，用以反映時間序列的主要周期。其計算式為:

(2)

Morlet小波系數的實部表示不同特征時間尺度信號在不同時間上的分布和位相兩方面的信息，正的小波系數反映出分析對象在該時間段為偏多期，負值時反映為偏少期，零值對應著突變點。

(2)EMD法

為深入分析極端降水變化的典型地區的演變特征，本文借鑒Huang 等[11]提出的經驗模態分解方法(Empirical Mode Decomposition, EMD)，選擇的站點降水量序列進行分解。EMD可對一個時間信號將其不同尺度(頻率) 的波動或趨勢逐級分解開來，產生一系列具有不同特征尺度的數據序列，稱為本征模函數(Intrinsic Mode Function，IMF)，它是目前處理非平穩、非線性信號，特別是分析時間序列趨勢的最好方法，相比傳統的傅立葉譜分析、小波分析等具有明顯的優勢[12- 13]。游程理論是指持續出現的同類事件，在其前或其后為另外事件。年降水資料可視為一個離散序列，若以多年平均降雨量Q0為閾值,凡Qi>Q0者具有正變差,屬多水集團;Qi≤Q0者具有負變差,屬少水集團。當連續出現Qi>Q0(或Qi≤Q0)時,則出現連豐年(或連枯年)，連豐年稱為正游程,連枯年稱為負游程，以此分析降水的豐枯變化[11- 12]。游程概率可用下式計算：

P=ρ(k-1)×(1-ρ)

ρ=(s-s1)/s

(3)

式中,P為連續K年豐水或枯水發生概率；K為連續豐水(枯水)的年數；ρ為模型分布參數；s為統計資料中豐水(枯水)年累計頻次；s1為連豐(枯)年發生的累計年頻次。

2 結果與分析

2.1 降水特征

圖2 瀾滄江區域年降水量距平分布圖Fig.2 The map of precipitation anomaly distribution in Lancang River region

圖3 瀾滄江流域年降水量趨勢圖Fig.3 The graph of trend of Precipitation on Lancang River Basin

通過對瀾滄江流域降水資料分析發現，1960—2011年50a期間，年降水量趨于穩定，略有上升，但上升率較小，只有3.1848，中間雖有波動，總體反應了穩定的濕潤氣候特征。年降水量距平分布圖(圖2)反映了降水量南多北少的區域差異，距平差距不大，正負距平之間在-2到2之間。從區域空間分布來看，北部干旱出現的幾率較大。采用均生函數逐步回歸模型對未來20a內該流域降水量進行預測，擬合結果預測(圖2)2011—2016年年降水量處于上升趨勢，此后緩慢下降，2021年后重新步入上升趨勢，但總量變化不大。

2.2 極端災害天氣特征

采用綜合氣象干旱指數Ci和其確定的指標，對瀾滄江流域1956—2010年年度和春季時間段不同程度干旱頻率進行計算，研究結果顯示，全年發生輕旱情況比較廣，中南部均出現輕旱分布；中旱分部區域和輕旱區域基本吻合，但趨于萎縮，呈三團狀分布；重特旱分布面積較小，只有在中部一小部分和南部山區。春季干旱情況來看，也體現出出現干旱的區域主要在南部地區，但春季干旱呈現出與全年干旱不同的特征，輕旱分布面積小，中大干旱分布面積較大(圖4)，因此，瀾滄江流域春季防旱任務嚴重，應特別重視春季干旱的預防預報。

采用均生函數逐步回歸模型對未來20a內該流域暴雨量進行預測(圖5)，可知由暴雨發生頻率來看，1986年前，呈現震蕩下降趨勢，其后，又呈現明顯的震蕩上升趨勢。2000年和2001年都達到了14次之多。從降水游程來看，30d以上間隔降水游程呈現明顯上升趨勢，年均60d無降水幾率在1988年顯著上升，是70年代的4倍。這說明，近20年來，瀾滄江區域干旱次數明顯上升。

研究發現，35個站點中，出現30d以上無降水頻次的最多達25個(2006年)，而且發現，連續高值和連續低值現象，連續高值出現在1966—1970,1983—1986,1993—2003,2006—2010時間段，其中間間隔為低值區，這也表明了區域降水具有持續性特征，連枯的模型參數值大于連豐的,則連枯較連豐更頻繁的出現。代表站的Hurst系數均大于0.5,介于0.523-—0.842之間，均值為0.658。表明該區降水具有持續性特征，現在的降水特性將會影響未來的降水趨勢。均生函數逐步回歸模型預測結果顯示(圖5,圖6)，瀾滄江流域年暴雨頻次在未來的20a內沒有明顯的增加趨勢，而30d以上無降水的中旱以上干旱頻次自2006年以來明顯上升，預測結果也顯示干旱頻次未來20a內呈斜率0.2635的上升態勢，說明未來瀾滄江流域干旱災害有加重趨勢，未來該區域極端天氣災害主要是干旱災害。

綜合觀察1961—2010年50a瀾滄江區域氣溫變化和極端天氣狀況發現，50a來，區域年均溫呈現震蕩上升趨勢，1981年前尚不明顯，1981年后呈現明顯增溫趨勢，這與東亞地區氣候變化趨勢和全球變暖的趨勢相吻合；本區域暴雨災害天氣出現頻度總體來看呈現相對穩定狀態，上升趨勢不明顯。而干旱災害特別是30d以上無降水事件出現頻率呈現震蕩上升趨勢，2005年以來呈現加速上升趨勢，與溫度上升相呼應，并且研究發現，暖年干旱頻次明顯高于同時間冷年的干旱頻次，例如，在暖年1968、1977、1985、1996、2008年份，均出現了明顯的干旱頻次峰值，暖年也有降水峰值，且1981年后干旱趨勢與氣溫增加趨勢也比較一致(圖7)，因此，在一定程度上可以推斷，瀾滄江流域干旱災害頻度趨于活躍是全球氣候變暖下的區域響應的一種表現形式。

圖4 瀾滄江流域干旱災害情況分布(a,b,c;表示全年輕旱、中旱、重旱；d,e,f分別表示春季輕旱、中旱、重旱分布)Fig.4 Lancang River Basin drought disaster distribution (b，c said light drought, drought, annual drought; d, e, f said spring light drought, drought, heavy drought distribution)

圖5 瀾滄江流域年暴雨頻次Fig.5 rainstorm frequency of Lancang River Basin

2.3 極端災害周期特征

2.3.1 小波結果分析

根據小波理論研究結果發現，瀾滄江流域50a的年降水量存在多個尺度的周期，比較復雜。存在4個明顯的特征時間尺度，分別為2、6—7、9a和15—17a。其中，2年的周期振蕩基本貫穿整個研究時域，表現穩定，在2000年后，周期振蕩逐漸消失；6—7a的周期存在于1979年之前，期間周期穩定，之后周期振蕩消失，以5a的周期為主，且周期有隨著時間的延長增長的趨勢；周期8—10a幾乎貫穿整個研究時域，從1962年開始，周期振蕩比較穩定，但是周期有減小的趨勢；15—17a的周期振蕩貫穿整個研究時域，在這個尺度上近55年來云南地區的降水大致經歷了少→多→少→多→少→多→少的過程，而在2010年處的等值線還未完全閉合，說明2010以后的幾年里在該周期上降水量正處于偏少期；看其它周期均說明在2010年后降水量偏少(圖8)。小波方差表現出4個峰值，降水量序列存在2、6—7、9、15—17a的振蕩周期，這些周期決定了降水量在整個時間域內的變化特性。其中9年的擾動能量很大，其次是6—7、2a，最后是15—17a的周期，可見9a的周期是主周期(圖8)。

圖6 30d連續無降水出現頻次Fig.6 frequency with 30 days of continuous non precipitation

圖7 瀾滄江流域溫度變化與極端天氣災害頻度Fig.7 Temperature change and extreme weather disaster frequency of Lancang River Basin

圖8 瀾滄江流域降水小波震蕩周期 Fig.8 Precipitation wavelet vibration period about Lancang River Basin

2.3.2 EMD分解結果分析

前人研究發現[14- 16]，EMD 分解有可能產生虛假分量，相關系數較大、圖像相似性較好的分量才是最主要的分量。計算了各序列 EMD 分解得出的 IMF 分量和原序列的相關系數，對各個分解出的IMF項與原序列進行相關系數統計，可以看出一般前兩個分量與原序列相符程度比較高，此外對相關系數進行了t檢驗，給定顯著性水平α=0.05，查相關系數表，表格中帶**部分為未通過顯著性檢驗，同時設置相關系數1/10為門限值，未通過顯著性檢驗和未達到門限值的均看做虛假分量。分析結果顯示， 除春季IMF7、秋冬IMF8外，各IMF1與原序列相關系數均大于門限值，且絕大部分達到 0. 05顯著性水平(表2)，顯示 EMD 分解的結果比較理想。需要說明的是，本文分析采用的是消除趨勢后標準化的分解序列，缺失數據采取了等距插值法處理。

瀾滄江流域降水量序列 EMD 分解的結果顯示，瀾滄江流域降水量總體來說振幅逐漸變小，而平均周期由短變長。暴雨頻次序列 IMF1—IMF5 的平均周期分別為2.8、4.2、6.2、9.4、16.7、25a，而降水序列的平均周期分別為 2. 9 、7. 1 、15. 4 、30. 8 a，因此二者周期對應關系較好，暴雨頻次序列的變化周期小于降水序列周期(圖9)。計算各模態和趨勢項的方差貢獻率，得出 IMF1 的貢獻率最大，2.8a和4.2a是暴雨頻次的主周期，2.9a和7.1a為暴雨降雨量的主周期，即準 2 a 周期是瀾滄江流域洪災的主要周期，同時也是中國洪災變化的最主要周期(表3) 。進一步將暴雨變化劃分為年際信號(IMF1、IMF2) 、年代際信號(IMF3) 和幾十年際信號(IMF4、IMF5)，則各信號的方差貢獻率基本上是遞減的，且年際信號(前兩個分量) 包括了最主要的方差貢獻率，洪災和降水序列年際信號的累計方差貢獻率分別達 51.3%和 84.1%(表4)。

表2 EDM分解各分量和原序列相關系數Table 2 The correlation coefficient about EDM decomposition components and raw sequence

**為未通過顯著性檢驗

綜合對比兩種方法得出的結果發現，根據小波理論研究瀾滄江流域降水量序列存在2、6—7、9、15—17a的振蕩周期，其中9a的擾動能量很大，其次是6—7、2a，最后是15—17a的周期，可見9年的周期是主周期。瀾滄江流域降水量序列 EMD 分解的結果顯示，瀾滄江流域降水量總體來說振幅逐漸變小，降水序列的平均周期分別為 2.9 、7.1 、15.4 、30.8 a，準2、7a為其主周期，對比兩者可以看到，兩種研究方法都得到瀾滄江流域降水量存在周期性變化，而且均存在2、7、15a的變化周期，只是兩種方法得出的主周期不同，由于采用 EMD 方法比小波方法具有更強的局部表現能力，所以適合處理非平穩、非線性信號，所以，推斷滄江流域降水量存在2、7、15a的短期變化周期，而且主周期為EMD方法所得到的主周期，即準2a。

一些學者在分析中國近500a 旱澇時發現，中國東部夏季降水有世紀周期存在，認為 1873—2000 年東亞夏季風有顯著的 80a 周期，其次尚有 40a 周期、8—10a 周期及準2a周期等[17- 19]。這些結論與本文的分析結果得出的結論不一致主要原因在于前兩位研究者是從中長期時間序列得出的長期波動規律，而本文研究結果更多的是對中短期震蕩規律的研究。

圖9 夏季降水量EMD分解與暴雨頻次EMD分解量示意圖Fig.9 EMD about precipitation in summer and EMD about rainstorm frequency decomposition of decomposition volume diagram

表3 各個IMF分量對所有分量的方差貢獻率Table 3 The IMF component on all subscales of the variance contribution rate

同時，降水量和暴雨頻度序列的 IMF1 和 IMF2 周期在2 —7a之間，與 ENSO 在年際變化上的信號相吻合。ENSO 是海氣耦合系統中最強的年際變化信號，它對東亞夏季風的強弱變化和中國夏季降水的分布有重要影響，可以推斷瀾滄江流域暴雨和干旱災害與ENSO有重要聯系，這一點也得到其他學者研究結果的驗證[20- 23]。

表4 暴雨頻次各IMF分量的方差貢獻率Table 4 The IMF components of variance contribution rate of rainstorm frequency

帶*為未通過顯著性檢驗

3 小結

(1) 1961—2010年50a期間，年降水量趨于穩定，略有上升，但上升率較小，只有3.1848。年降水量距平分布圖反映了降水量南多北少的區域差異，正負距平之間在-2到2之間，北部干旱出現的幾率較大。

(2)近20年來，瀾滄江區域干旱次數明顯上升，而瀾滄江流域年暴雨頻次在過去50a和未來的20a內沒有明顯的增加趨勢，預測結果顯示干旱頻次未來20a內呈斜率0.2635的上升態勢，說明未來瀾滄江流域干旱災害有加重趨勢，未來該區域極端天氣災害主要是干旱災害。

(3) 兩種研究方法都得到瀾滄江流域降水量存在周期性變化，而且均存在2、7、15a的變化周期，只是兩種方法得出的主周期不同，由于采用 EMD 方法比小波方法具有更強的局部表現能力，所以適合處理非平穩、非線性信號，所以，斷定瀾滄江流域降水量存在2、7、15a的短期變化周期，而且主周期為準2a。

(4)降水量和暴雨頻度序列的 IMF1 和 IMF2 周期在2 —7a之間，與 ENSO 在年際變化上的信號相吻合，推斷瀾滄江流域暴雨和干旱災害與ENSO有重要聯系。

通過以上研究發現，瀾滄江區域氣候變化和災害天氣的波動規律與全球氣候變化具有一定程度的關聯性，近年來的極端干旱天氣可能是氣候變暖的區域響應事件，其兩者之間的定量關聯和相關作用機理是下一步研究的方向。

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Research on characteristics of extreme weather disasters and fluctuations trend on Lancang river basin

YU Wenjin*, HUANG Yilu, SHAO Mingyang

NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,CollegeofMarineSciences,Nanjing210044,China

The meteorological data from1961 to 2010 about the Lancang region which was provided by National Meteorological Information Center were used to to explore the link between the variation of the Lancang River Basin extreme weather disasters in the late 19th century to the early 21st century, and its regional extreme disasters change and global climate change the method whose using wavelet analysis, EMD decomposition, CI index, mean generating function stepwise regression model, mutation testing and correlation analysis etc were been used. It is showed that by the results: (1) Annual precipitation is stabilized, rose slightly, but the rate of rise is small, only 3.1848 in the 50-year period of which from 1951 to 2010. Annual precipitation anomaly maps to reflect regional differences in precipitation in the south than in the north, between positive and negative anomalies between -2 to 2, the probability of occurrence of the northern arid. (2) In the past 20 years, the Lancang area arid the number was significantly increased by the Lancang River Basin annual rainstorm frequency times in the past 50 years and the next 20 years there is no obvious increase trend, drought frequency times the next 20 years showed a slope of 0.2635 the rising trend, the future of the region of extreme weather disasters, mainly drought disaster. (3) There have multi-scale features about regional precipitation and storm frequency, whose 2a, 7a, 15a change cycle in Lancang River Basin precipitation has been proved by two research methods, but whose main cycle by two method is different. It is showed that EMD method is more suitable than wavelet method to deal with non-stationary, non-linear signal, concluded that the precipitation of the Lancang River Basin 2a, 7a, 15a change cycle, and primary cycle prevail 2a. (4) The cycle of IMF1 and IMF2 about precipitation and frequent rainstorms the degree sequence is between 2—7 a, which is coincided similar to that of ENSO. It was inferred by it that there is important connection between the storms and drought disasters of Lancang River Basin and ENSO. As the temperature increased significantly increased frequency of drought disasters, all of those showed that extreme temperature disasters, climate change and global warming have some connection to one of the manifestations of global climate change, regional response.

Lancang river; drought; vulnerability; drought index; threshold

國家重點基礎研究發展計劃資助[2013CB430200(2013CB430206)]; 國家重大科學研究計劃項目(2012CB955900);江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)

2013- 05- 08;

日期:2014- 04- 17

10.5846/stxb201305080984

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yuwj@nuist.edu.cn

于文金， 黃亦露， 邵明陽 .瀾滄江流域極端天氣災害特征及波動趨勢.生態學報,2015,35(5):1378- 1387.

Yu W J, Huang Y L, Shao M Y.Research on characteristics of extreme weather disasters and fluctuations trend on Lancang river basin.Acta Ecologica Sinica,2015,35(5):1378- 1387.