海温震荡对区域旱涝灾害的敏感性研究——以中国浙江省为例

张晓玲，李栋梁，于文金，黄亦露

(南京信息工程大学，江苏 南京 210044)

海温震荡对区域旱涝灾害的敏感性研究
——以中国浙江省为例

张晓玲，李栋梁，于文金，黄亦露

(南京信息工程大学，江苏 南京 210044)

采用ECHAM5气候模式、Z指数、SVD分析等方法，探讨海温震荡与浙江省春季旱涝特征之间的关联性，并对其敏感性进行了研究。结果显示：①浙江省春季旱涝在1990年代初到21世纪初存在一个显著的3～4年周期的特征;②全区域气候分东、西两个主要的分布型，且与其余地区反向分布。分为三个旱涝异常显著区：平湖-慈溪带，洪家-玉环带，衢州带；③浙江省春季旱涝与前期冬季北大西洋、中东太平洋、孟加拉湾、南海海域、北印度洋海温存在着显著负相关关系，其中，孟加拉湾负相关表现最显著；浙江旱涝事件与太平洋西南-东北走向狭长海域(120°E～120°W，0°～30°N)前期冬季海温呈显著正相关关系，与该海域同期海温存在显著的负相关；④将前冬季的NINO3、NINO4、NINO3.4、IOD指数分别作对浙江省春季旱涝的相关分析，NINO3指数对浙江西北部影响更大，表明当前期冬季EP型ENSO发生时浙江省北部会产生较为严重的旱涝天气。可以断定，太平洋西南-东北走向狭长海域[120°E～120°W,0°～30°N]前期冬季海温的异常震荡是浙江旱涝的重要控制因子。

ENSO；海温震荡区；海温异常；旱涝灾害；敏感性；浙江

在全球变暖的背景下，极端气候事件频繁发生，旱涝灾害作为主要自然灾害，成为国内外学者研究的热点问题[1-4]。我国幅员辽阔，常年受到各种自然灾害的侵扰，在众多自然灾害类型中，旱涝灾害属于发生频率最高危害最大的两种自然灾害[5]。浙江省季风气候显著，四季分明，雨热季节变化同步，丰富的气候资源优势交织着频繁的气象灾害，目前的研究主要集中在区域夏季、秋季旱涝的规律特征，区域旱涝灾害对全球变暖响应的趋势性研究等方面[6-10]，关于区域旱涝控制因子以及旱涝内在触发机制等研究较少，气候变化与区域极端天气灾害之间的响应关系尚不清晰。本文探讨了浙江省旱涝特征与海温动荡之间的关联性，并利对结果敏感性进行验证，探寻区域气候灾害的控制性因子，以便为区域气候异常灾害预测提供有益的物理依据，为浙江省的防灾减灾提供科技支持。

1 资料和方法

1.1 资料来源和处理

本文资料来源于中国气象局国家气象信息中心，共选取了浙江省14站，研究时段为1981-2010年，各站点分布图如图1所示；英国Hadley中心1980-2009年时间段1°×1°的月平均海温资料；美国国家环境预报中心/大气研究中心(NCEP/NCAR)的逐月再分析资料，主要是2.5°×2.5°的全球范围网格点的风场；气候模式采用德国马普气象研究所提供的ECHAM5模式，输出同期降水量月数据(1981年1月-2010年12月)，该模式同时耦合海冰和陆面过程模式，其中大气模式采用T63的网格，水平网格分辨率为1.875°×1.875°，垂直分31层，并且更新了可预报的气溶胶模块，对云层覆盖重新进行了参数化过程，提高了对降水过程的模拟能力[11]，研究表明[12]，ECHAM5可以更好地把握降水量的年际变率和降水量的季节内分配模拟。

图1 浙江省站点分布图

1.2 研究方法

1.2.1 Z指数

旱涝Z指数的前提是要假设降水量服从PersonⅢ型分布[13-16]，其概率密度函数为：

(1)

通过对降水量序列进行正态处理之后，可将上述概率密度函数PersonⅢ型分布转换为以Z为变量的标准正态分布，其转换公式：

(2)

式中：Cs为偏态系数，Φi为标准变量。

根据Z变量的正态分布曲线，划分为7个等级，并确定其相应的Z界限值，作为各级旱涝指标(表1)。

表1 旱涝Z指数分类

1.2.2EOF和REOF

EOF分析也叫做经验正交函数分解，最早是由英国的生物学家Person在1902年提出[17]，Lorena于1950年代中期将这种研究方法引入到大气科学的研究中，由于计算条件的限制，直至1970年代初才开始在我国气候研究中运用。EOF基本原理是：将某气候变量场的观测资料以矩阵形式给出，则其可看成为空间函数和时间函数两部分的线性组合：与空间有关的部分由正交函数组成，称为特征向量；与时间有关的部分表示各正交函数随时间的变化，称为时间系数。过程可以写成：

Fm×n=Tm×nXm×n。

(3)

式中：Fm×n是原气象场，m为时间序列的长度，n为测站数。Tm×n是时间系数矩阵；Xm×n矩阵由特征向量组成。

EOF方法的局限性在于它往往不能清晰地表达不同地理区域的特征，得到的前几个空间模型一般是相同的分布，而旋转主成分分析(REOF)主要用于表现空间的相关性分布结构，是在EOF分析结果的基础上再做旋转，REOF方法用来做气候区划，可以反映不同地域的气象要素分布差异。

1.2.3SVD分析

奇异值分解(SVD)是用于分析两个气象要素场序列之间的重要诊断工具，以两个场之间的最大协方差为基础的展开，在研究两个要素场序列之间时空关系时是一个有力的工具。具体方法为：设有两个变量场，分别为左场和右场，其中记左场为X(t)，由p个空间点构成，样本量为n，记右场为Y(t)，由p1个空间点构成，样本容量也为n，左右场中元素均经过标准化处理：

X(t)=(x1(t),x2(t),…xp1(t))T；

(4)

Y(t)=(y1(t),y2(t),…yp2(t))T。

(5)

两气象场之间的交叉协方差阵为：

Cxy=。

(6)

式中：符号<>表示平均，YT(t)表示矩阵的转置。

寻找两个变量场的线性组合，即分别由左、右气象场构造两组新矩阵：

(7)

(8)

SVD相当于将左，右气象场分解成左，右奇异向量的线性和，每一对奇异向量和相应的时间系数确定了一对SVD模态。

前k个模态的累计平方协方差贡献百分率为：

(9)

奇异值按降序排列，即=max，第1模态对交叉协方差的贡献率最大，其余第2，第3，…，依次递减。

定义每对奇异向量的时间系数之间的相关系数如下：

(10)

第k个模态异类相关系数分布性表示第k个左(右)场的展开系数所反映的右(左)气象场时间变化程度大小的分布，显著相关区则代表了两变量场相互作用的关键区域，同类相关系数的分布则反映了展开系数序列自身气象场时间变化程度大小的地理分布，在一定程度上代表了两变量场的遥相关性。

2 结论与分析

2.1 浙江省春季旱涝时空分布特征

通过对浙江省区域内14个代表站1981-2010年逐月降水资料计算Z指数，得出各站每年的旱涝Z指数序列，将序列进行站点平均可得到每年的旱涝Z指数序列，将此序列进行小波分析，浙江省多年来春季旱涝Z指数时间序列的小波功率如图1所示，浙江春季旱涝情况在整个时间段上存在多个尺度的周期，其中在1990年代初到21世纪初存在一个显著的3～4年周期的特征。

图2 春季旱涝Z指数的Morlet小波功率谱分析结果(阴影部分表示在90%置信度统计下显著，点阴影区是小波变换受边界影响的区域)

通过对各站每年的旱涝Z指数序列采取标准化处理之后，进行EOF分析，得到各个主成分如表2所示，第一模态方差贡献最大，达到77%，第二模态方差贡献迅速减小，其中前两个主成分的累积方差贡献达到88.1%，最能代表浙江省30年以来旱涝变化特征的分布场，因而给出前两个模态所对应的特征场(图3)。

表2 春季旱涝EOF和REOF的前5个模态的方差贡献

图3 春季旱涝Z指数EOF分析的前两个模态

第一模态分布呈西部和东部与其余地区反向分布的特点，大值中心出现在浙江的北部和南部地区，等值线由南北向中间减小，总体呈南北向纬向地带性分布，高值中心位置位于丽水一带，说明此区域是旱涝变率最大的地区，较易发生旱涝。第二模态春季旱涝分布整体全区一致，表明全省旱涝变化是一致的，普遍偏旱或者普遍偏涝，即全区一致的旱涝分布型是浙江省旱涝分布的第二空间异常类型。高值中心位置位于洪家一带，较易发生旱涝等灾害性天气。

通过EOF展开方法的讨论可以看出,浙江省的旱涝空间分布格局主要是西部与其余地区反向分布的特征,但是不能更为精细地描述不同地理区域的特征,因此在EOF分析的基础上,再进一步做最大正交方差旋转,进行REOF展开,可以得出非常细微的地理分区。

旱涝前3个主成分的累积方差就达到了91.6%,由此可见，春季浙江省旱涝复杂性表现突出，可以用此来代表原始的向量场， 由前3个旋转载荷向量对浙江旱涝情况进行分区。如图4，具体表现为，RLV1模态明显突出了浙江东北部区域的正值区，第1旋转载荷向量场的高载荷区主要位于平湖、慈溪一带，划分为Ⅰ区，是旱涝异常的第一显著区，高值中心达0.8。考虑到春季受冬季北方弱高压的影响，RLV2模态明显突出了浙江东南部，高载荷区主要在洪家、玉环一带，划分为Ⅱ区，是旱涝异常的第二显著区，高值中心达0.85，这与南海夏季风向北推进，进而影响到该区域有关。RLV3模态明显突出了浙江西部，高载荷区主要在衢州一带，划分为Ⅲ区，是干旱异常的第三显著区。

图4 春季旱涝Z指数REOF分析的前三个模态

图5 全球前冬海温的标准化距平场与浙江省春季旱涝Z指数的SVD异质相关

2.2 春季旱涝灾害与前期冬季全球海温场之间的关联性研究 为了进一步了解海温异常与浙江省旱涝的关系，使用SVD分析可以揭示海温与浙江省旱涝之间的关系[18-21]。研究中采用1980-2009年30年冬季(12月-次年1、2月)的全球SSTA作为左场，浙江省14个台站的1981-2010年春季(3-5月)旱涝Z指数作为右场(时间长度均为30年)，作前期冬季海温对浙江省旱涝Z指数的SVD分析。可以发现，SST对浙江省降水的影响具有空间稳定性和时间一致性，即前冬全球海温的关键区稳定而持续地影响浙江省的旱涝。由春季浙江省旱涝Z指数与前冬全球海温距平的SVD分析异质关系图可以看出，左场前两个模态协方差贡献分别为28.68%和16.49%，右场前两个模态协方差贡献分别为81.57%和12.71%，前两模态均通过North检验，可知第一模态左右场的方差百分比最大，能够反映出浙江省春季旱涝与全球前冬海温之间相关关系的主要特征。从第一模态左右场相关系数的空间分布(图4a)可以看到，全球海温中显著的关键区是中东太平洋、孟加拉湾、南海海域、北大西洋和赤道西太平洋到东北太平洋的一个西南-东北走向的狭长海域[120°E～120°W,0°～30°N]。从第一模态旱涝z指数异质相关分布图中可以看到北大西洋、中东太平洋、包括孟加拉湾、南海海域和整个浙江地区旱涝趋势呈显著负相关关系，其中孟加拉湾海域的相关系数能高达0.5以上，是最显著的正相关区域，而西南-东北走向狭长海域海温为最显著的负相关区域。从图5中可看出当前期冬季此狭长海域海温偏高，北大西洋、中东太平洋、孟加拉湾、南海海域、北印度洋海温偏低，整个浙江地区偏涝，尤其东南部会出现较明显的涝情，反之则偏旱。 第二模态全球海温距平场的空间相关系数与第一模态有明显的区别(如图5b)。可以看到，第一模态主要呈现在太平洋南北反向的态势，北太平洋和南太平洋相关系数基本相反，类似于PDO分布型。第二模态的旱涝Z指数相关系数分布显示，浙江东南部与北大西洋和南北太平洋海温是显著的正相关区域，而与中东太平洋和北美沿岸地区海温呈现负相关，浙江其余地区与中东太平洋和北美沿岸地区海温呈正相关，而与北大西洋和南北太平洋海温呈现负相关关系。表明，当北大西洋和南北太平洋海温偏高，中东太平洋和北美沿岸地区海温偏低时，浙江省的东南部偏涝，而在浙江省中东部地区则偏旱，反之亦然。

图5 NINO3、NINO4、NINO3.4以及DOI指数与浙江春季旱涝Z指数的相关分析图

3.2 ENSO、IOD对浙江省旱涝的影响

经前述研究发现，前冬太平洋和印度洋海温与浙江省春季旱涝有着密切的关系，考虑到ENSO和IOD是太平洋和印度洋最强信号，故本文从这个角度来分析与浙江省旱涝的影响。近年来研究发现热带太平洋存在着两种不同类型且相对独立的ENSO事件，即以热带东太平洋最大海表面温度异常为主的东部型ENSO(EP型ENSO)和以热带中太平洋SST异常变化为主的中部型ENSO(CP型ENSO)。研究指出[22]，NINO3指数可以有效识别EP型ENSO事件，NINO4指数则对CP型事件具有较强的监测能力，NINO3.4的优势在于对CP型ENSO有一定监测能力。赤道印度洋地区存在海温的偶极型变化，并且将热带西印度洋和赤道东南印度洋的平均海表温度异常(TSSA)之差定义为偶极子(IOD)指数。IOD指数为正(负)时热带东印度洋降水减少(增加)，西印度洋降水增加(减少)[23-25]。

将前冬季的NINO3、NINO4、NINO3.4、IOD指数分别作对浙江省春季旱涝的相关分析，如图5，NINO3指数对浙江西北部影响更大，表明当前期冬季EP型ENSO发生时浙江省北部会产生较为严重的旱涝天气。相较于NINO3的情况，前期冬季NINO4所代表的CP型ENSO对浙江省影响相对于NINO3来说较轻，主要体现对于浙江省西部的影响较大。前冬NINO3.4结果与NINO3的结果较为一致，表明对浙江省影响大的是EP型ENSO。前冬IOD与ENSO的影响有显著的差异，它主要体现在对浙江省东部的影响，但强度并没有ENSO的信号强度强。

3 小结

(1)浙江省春季旱涝在1990年代初到21世纪初存在一个显著的3～4年周期的特征，旱涝特征有两个主要的分布型：一个是西部和东部与其余地区反向分布的特点，大值中心出现在浙江的北部和南部地区，较易发生旱涝。另一个为旱涝分布整体全区一致的特征，全省旱涝变化普遍偏旱或者普遍偏涝，其中可以分为三个旱涝异常显著区：RLV1模态明显突出了浙江东北部区域的正值区，高载荷区主要在平湖、慈溪一带，划分为Ⅰ区，是旱涝异常的第一显著区。RLV2模态明显突出了浙江东南部，高载荷区主要在洪家、玉环一带，划分为Ⅱ区，是旱涝异常的第二显著区。RLV3模态明显突出了浙江西部，高载荷区主要在衢州一带，划分为Ⅲ区，是旱涝异常的第三显著区。

(2)前冬全球海温与浙江省春季旱涝的关系为：北大西洋、中东太平洋、孟加拉湾、南海海域、北印度洋海温和整个浙江地区旱涝趋势呈显著负相关关系，其中以孟加拉湾海域为最显著负相关海域，太平洋西南-东北走向狭长海域[120°E～120°W,0°～30°N]海温和浙江地区旱涝趋势呈显著正相关关系。因此当狭长海域海温偏高，北大西洋、中东太平洋、孟加拉湾、南海海域、北印度洋海温偏低，整个浙江地区偏涝，东南部涝情尤其明显，反之偏旱。EP型ENSO对浙江省降水强弱影响较大，IOD与ENSO的影响有显著的差异，它主要体现在对浙江省东部的影响。

以上研究从浙江省省域区域内春季旱涝气候灾害对前冬海温动荡的响应关系得出海温的异常动荡是控制区域气候灾害变化的重要控制因子，其触发机制和因子的定量贡献则需要作为下一步研究的方向。

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SST Shocks on Flood Disaster Area Sensitivity Study in Zhejiang Province as an Example in China

ZHANG Xiaoling, LI Dongliang, YU Wenjin and HUANG Yilu

(NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China)

ByusingECHAM5climatemodel,Zindex,SVDAnalysismethod,theassociationbetweenfeaturesofspringdroughtandfloodinSSTTurbulenceandZhejiangProvinceisinvestigated,andthesensitivityarestudied.Resultsshowthat: (1)InZhejiangProvince,thespringdroughtintheearly90softhe20thcenturytothebeginningofthe21stcenturyhadthecharacteristicsofasignificant3-4Acycle. (2)Thetotalregionalclimateisdividedintotwomaindistributionpatternsoftheeastandwest,andhasareversedistributionintheotherregions.TherearethreesignificantlyabnormalareasofdroughtandfloodasinPinghu-Cix,Hongjia-YuhuanandQuzhou. (3)ThereisasignificantnegativecorrelationbetweendroughtandfloodinspringandseasurfacetemperatureinearlywinterinNorthAtlantic,easternPacific,theBayofBengal,SouthChinaSeaandNorthIndiaOcean.Amongthem,themostobviousnegativecorrelationwithdroughtandfloodeventsisintheBayofBengal;ZhejiangPacificSouthwest-Northeasttowardsthenarrowwaters(120degreesE～120degreesW, 0degrees～30degreesN)hasasignificantpositivecorrelationbetweentheprewinterSST,therewasasignificantnegativecorrelationwiththeseaSSToverthesameperiod; (4)willspringdroughtfloodinZhejiangProvincewereagainstthewinterofNino,nino4,nino3.4,IODindexanalysis,theinfluenceofNINO3indexinNorthwestZhejianggreater,indicatingthatthewinterEPENSOwhenZhejiangProvincenorthwillproducemoreseriousdroughtweather.Itcanbeconcludedthat,thePacificSouthwest-Northeasttowardsthenarrowwaters[120degreesE-120DEGW, 0degrees-30degreesN]prophasewinterSSTAabnormalvolatilityisZhejiangdroughtandfloodtheimportantcontrolfactor.

ENSO;SSTturbulencezone;SSTanomalypattern;droughtandflood;sensibility;Zhejiangprovince

2016-09-06

2016-11-01

国家重大科学研究计划项目(2013CB430202)；国家自然科学基金(41276187)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD )

张晓玲(1973-)，女，汉族，山东无棣人，硕士，主要从事气候灾害的预防和应用工作. E-mail:18553107658@163.com

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.022.]

X43；P642

A

1000-811X(2017)02-0139-07

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.022

张晓玲， 李栋梁 ，于文金，等. 海温震荡对区域旱涝灾害的敏感性研究—以中国浙江省为例[J]. 灾害学，2017，32(2)：129-135. [ZHANG Xiaoling,LI Dongliang, YU Wenjin,et al. SST Shocks on Flood Disaster Area Sensitivity Study in Zhejiang Province as an Example in China[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(2)：129-135.