黄土高原热浪型和缺水型骤旱时空变化特征及其影响因素_任涛涛.pdf

第46卷第3期2023年3月ARIDLANDGEOGRAPHYVol.46No.3Mar.2023doi：10.12118/j.issn.10006060.2022.307黄土高原热浪型和缺水型骤旱时空变化特征及其影响因素任涛涛，李双双，段克勤，何锦屏（陕西师范大学地理科学与旅游学院，陕西 西安710119）摘要：骤旱是一种以快速发展为主要特征的干旱。全球变暖背景下，近年来骤旱频发且不断加剧，严重影响我国农业生态系统和人类健康。了解骤旱事件的时空特征及其影响因素，对骤旱的监测、预警和防治至关重要。基于19812020年ERA5-LAND数据，辅以趋势分析和相关分析等气候诊断方法，对黄土高原生长季（49月）热浪型和缺水型骤旱的时空特征进行分析。结果表明：（1）近40 a黄土高原2类骤旱呈波动增加趋势。其中，缺水型骤旱增加速率0.54候 (10a)-1高于热浪型骤旱0.46候 (10a)-1；年代变化上，黄土高原2类骤旱变化具有相似性。1998年之前，2类骤旱以低位波动为主；19982010年，骤旱迅速增加；2010年后，骤旱增速停滞且呈下降趋势。（2）空间上，热浪型、缺水型骤旱分别有36.5%、37.5%的区域呈显著增加趋势（P00S=0S+1Var()S1 2S00(xj-xi)=0-1(xj-xi)0，序列有上升趋势；ZMK0，序列有下降趋势；统计量ZMK绝对值大于2.42和2.70，表明变化趋势分别通过0.05和0.01显著性检验。2.2.3相关分析采用基于区域的空间分析法，分析黄土高原全区及其7个子区生长季骤旱事件与海气指数的遥相关性，得出其与海气指数的遥相关系数，识别黄土高原骤旱响应的关键区域28。计算公式如下:Rxy=i=1n()xi-x()yi-y i=1n()xi-x 2i=1n()yi-y 2（5）式中：Rxy为骤旱与海气指数的相关系数；xi和yi分别为第i年生长季骤旱事件与海气指数；x 和y 分别为生长季骤旱候数与海气指数均值；n为研究时段长度。海气指数主要指标有：9 个厄尔尼诺（OceanicNio Index，NINO）指数、2个大西洋海温与2个青藏高原气压指数（表1）。3结果与分析3.1 黄土高原骤旱的时间变化特征3.1.1 黄土高原2类骤旱变化过程 19812020年，黄土高原2类骤旱候数变化具有同步性，共同呈波动增加趋势（图 3）。其中，缺水型骤旱增加速率0.54候 (10a)-1高于热浪型骤旱0.46候 (10a)-1。从11 a滑动平均曲线分析，黄土高原2类骤旱候数变化过程可分为 3个阶段：（1）19811998年为骤旱发生相对低值期。以1987年为转折点，前期表1 海气环流指数Tab.1 Indices of ocean-atmosphere circulation序号12345678910111213海气环流NINO 1+2区NINO 3区NINO 4区NINO 3.4区NINO W区NINO C区NINO A区NINO B区NINO Z区大西洋多年代际振荡指数大西洋海温三极子指数青藏高原南部气压指数青藏高原北部气压指数定义10S0、9080W区域，海表温度距平的平均值5S5N、15090W 区域，海表温度距平的平均值5S5N、160E150W 区域，海表温度距平的平均值5S5N、170120W区域，海表温度距平的平均值010N、140180E区域，海表温度距平的平均值10S0、18090W 区域，海表温度距平的平均值2535N、130150E区域，海表温度距平的平均值010N、5090E区域，海表温度距平的平均值NINO 1 2、NINO 3和NINO 4区海表温度距平的面积加权平均070N、80W0区域，海表温度距平的平均值060N、80W0区域，海表温度距平经验正交函数分解第1模态作为投影模态，月海温距平场去除全球海温增暖影响后，对该模态投影系数的标准化序列500 hPa高度场，2535N、80100E区域，格点位势高度与5000 gpm之差乘以格点面积的累积值500 hPa高度场，3040N、75105E区域，格点位势高度与5000 gpm之差乘以格点面积的累积值36346卷热浪型骤旱以平稳波动为主，缺水型骤旱有下降趋势，后期 2 类骤旱均呈小幅波动上升。（2）19992009年为2类骤旱快速增加期。缺水型骤旱增加速率快于热浪型骤旱。20世纪90年代中后期黄土高原高温天数明显增加27，与本文黄土高原1998年后骤旱候数迅速增加时期相对应，说明区域高温可能是骤旱发生的重要气候背景。（3）20102020年为骤旱转折下降期。骤旱候数虽维持高位波动，多年候数均值高于 20世纪 8090年代，但增速停滞且呈下降趋势。3.1.2 7个子区2类骤旱变化过程 对于黄土高原不同分区而言，19812020年，7个子区热浪型骤旱候数年代变化呈现出“非线性、非平稳、阶段性”的特征（图4a）。从年代尺度看，7个子区热浪型骤旱候数变化与黄土高原全区变化特征类似，仅在年代转折点略有差异，变化过程也可分为 3 个阶段：（1）19811995年，河套平原、黄土丘陵沟壑区、黄土高原沟壑区、土石山区和汾渭河谷平原热浪型骤旱候数维持低位波动；宁夏平原、毛乌素沙地骤旱候数在距平值附近波动，呈“偏少-偏多-偏少”交替变化过程。（2）19962006年，7个子区热浪型骤旱均呈上升趋势。其中，黄土高原东南地区4个子区（黄土丘陵沟壑区、黄土高原沟壑区、土石山区和汾渭河谷平原）骤旱候数在20世纪90年代转为正距平，转折时间早于黄土高原西北地区3个子区（宁夏平原、河套平原、毛乌素沙地）的 21 世纪初。（3）20072020年，7个子区以2011年为转折点，前期波动下降，后期波动上升。其中，近期汾渭河谷平原、黄土高原沟壑区、宁夏平原热浪型骤旱呈下降趋势；土石山区、毛乌素沙地、河套平原以平稳波动为主；黄土丘陵沟壑区有上升趋势。与热浪型骤旱相比，缺水型骤旱候数年代变化特征更加复杂（图 4b）。具体划分为 3个阶段：（1）19811995年，河套平原、黄土丘陵沟壑区、黄土高原沟壑区、土石山区和汾渭河谷平原缺水型骤旱与热浪型骤旱变化特征一致，宁夏平原、毛乌素沙地缺水型骤旱候数下降趋势更明显，在20世纪90年代中期形成候数异常偏少期。（2）19962009年，黄土高原北部4个子区（宁夏平原、河套平原、毛乌素沙地、黄土丘陵沟壑区）缺水型骤旱稳步增加；其他分区则呈“增加-减少-增加”的波动增加过程。（3）20102020年，汾渭河谷平原、毛乌素沙地缺水型骤旱以高位平稳波动为主，土石山区、黄土丘陵沟壑区、河套平原以2014年为转折点，前期下降且后期呈增加趋势，黄土高原沟壑区、宁夏平原则呈下降趋势。3.2黄土高原热浪型和缺水型骤旱的空间变化特征由于气温、降水、植被类型与人类活动的差异性，黄土高原不同分区骤旱发生频次和变化趋势呈现明显的空间分异（图5）。主要变化特征为：（1）黄土高原热浪型骤旱候数整体呈现出：“西北少、东南多”的空间格局，其中，黄土高原西北部注：slope为19812020年骤旱候数距平线性拟合趋势；R2为线性拟合决定系数。图3 19812020年黄土高原热浪型和缺水型骤旱年代变化Fig.3 Decadal changes of heat wave and precipitation deficit flash drought in the Loess Plateau during 198120203643期任涛涛等：黄土高原热浪型和缺水型骤旱时空变化特征及其影响因素（宁夏平原、河套平原、毛乌素沙地）有71%的区域，热浪型骤旱40 a累积候数在20.0候以下（图5a）；而东南部山地湿润区域 40 a累积候数多在 60.0候以上，这与前人研究结论一致，即热浪型骤旱多发生在较湿润地区22。与热浪型骤旱空间格局相比，缺水型骤旱则呈现“相反”的空间格局，即热浪型骤旱多发区，往往对应缺水型骤旱偏少区。在空间上，宁夏平原、河套平原、汾渭河谷平原、无定河流域是缺水型骤旱最为频发区；中等强度频次多发区为黄土丘陵沟壑区西部、毛乌素沙地、黄土高原沟壑区东部（图5b）。（2）19812020年，黄土高原 2类骤旱候数整体以增加趋势为主，其中热浪型和缺水型骤旱增加趋势通过 0.05 显著性检验的栅格占比分别为：36.5%与37.5%。空间格局上，黄土丘陵沟壑区、河套平原东部、汾渭河谷平原、黄土高原沟壑区东部，为2类骤旱共同显著增加区；河套平原西部、汾渭河谷平原的豫西地区为缺水型骤旱显著增加区；黄土高原沟壑区的陇东地区、大通河流域为热浪型骤旱显著增加区。毛乌素沙地、宁夏平原和黄土高原沟壑区黄河段 2 类骤旱则无明显的趋势变化（图5cd）。3.3 黄土高原骤旱与海气指数的相关关系图6为19812020年黄土高原全区及7个子区2类骤旱与同期NINO、大西洋海温和青藏高原气压指数的相关性分析。对于热浪型骤旱，黄土高原沟图4 黄土高原7个子区热浪型和缺水型骤旱的年代变化Fig.4 Decadal changes of heat wave and precipitation deficit flash drought in the seven subregions of Loess Plateau36546卷壑区、汾渭河谷平原有 7 个海气指数相关性通过0.10显著性水平检验，高于河套平原（6个）、黄土丘陵沟壑区（5个）、土石山区（5个），毛乌素沙地、宁夏平原则没有海气指数通过0.10显著性水平检验；缺水型骤旱与海气指数相关结果与热浪型骤旱特征一致，仅是与大西洋海温三极子指数和NINO A区海温指数的相关性有所降低。细化指标类型，NINO、大西洋海温异常、青藏高原气压异常与黄土高原骤旱变化响应关系存在明显差异性，主要特征表现如下：（1）对于热浪型骤旱，9个海区NINO指数与黄土高原7个子区骤旱指标组合形成63个相关关系，有60个为正相关，3个为负相关，说明两者多为正相关。对于不同海区NINO指数而言，河套平原、汾渭河谷平原和黄土高原全区与NINO W区海温呈强正相关，说明NINO W区海温越高，上述3个区域发生热浪型骤旱风险越高。9个海区NINO指数与缺水型骤旱亦呈正相关。除宁夏平原外，NINO B区海温异常与其他6个子区骤旱年际变化呈显著正相关。说明赤道印度洋中部海温异常偏高时，黄土高原发生缺水型骤旱风险较大。（2）对于大西洋海温而言，除宁夏平原与毛乌素沙地外，黄土高原其他5个子区2类骤旱与大西洋多年代际振荡指数呈强正相关，也就是说，070N、80W0区域内海表温度距平值越高，黄土高原骤旱风险越高；而与大西洋海温三极子指数呈负相关且相关性明显减弱。（3）青藏高原气压指数与黄土高原全区2类骤旱均呈正相关，且青藏高原北部气压指数相关性高于南部。说明当3040N、75105E区域气压异常偏高时，黄土高原骤旱风险较高。查阅相关文献，尝试对青藏高原北部气压指数与黄土高原骤旱高相关性的大气动力学机理进行图5 19812020年黄土高原热浪型和缺水型骤旱空间分布及其趋势特征Fig.5 Spatial distribution and trend of heat wave and precipitation deficit flash drought in the Loess Plateau in 198120203663期任涛涛等：黄土高原热浪型和缺水型骤旱时空变化特征及其影响因素解释29-30。具体机制如下：由于青藏高原积雪分布存在南北空间差异，加之高原不对称性增温，冬春季北部积雪异常偏多时，提高地表反照率，减弱高原地表对大气的感热和潜热输送；后期积雪融化，不断吸收热量，融化后形成的“湿土壤”与大气长期相互反馈，进一步减弱高原春夏季热源，不利于东亚夏季风的发展，导致我国北方地区（黄土高原）降水异常偏少。此外，高原春季感热减弱，使高原近地面气旋式环流和西北太平洋副热带高压减弱，导致东亚夏季风爆发偏晚且弱，加剧我国北方（黄土高原）干旱30。4讨 论本文以黄土高原，亦是典型的生态脆弱区为研究区域，对骤旱事件的时空演变和影响因素进行分析。在前期骤旱研究中，时空演变是骤旱研究的基本内容，影响因素的研究为骤旱的监测及预警提供可能，近年来备受关注3-6。通过对骤旱发生前、发生时、结束后的气温、降水、土壤湿度、蒸散发、径流等水文气象数据进行对比，发现异常高温、土壤湿度快速下降往往是骤旱爆发的先决条件16,22。本研究依据骤旱事件与13个海气指数的遥相关性，识别影响骤旱发生的关键区域，从新的角度分析骤旱的影响因素，丰富骤旱监测与预警手段。目前，骤旱的研究主要基于站点监测、数值模拟、遥感反演及再分析数据3,9,16,22。相比于其他数据，再分析数据采用最先进的全球资料同化系统和数据库，是数值预报产品和观测资料融合处理得到的，具有时间序列长、分辨率高等优点，因此被广泛应用于骤旱研究。已有研究采用 ERA5-Land、ERA5、GLDAS、ERA-Interim等再分析数据构建骤旱指数，并能够准确识别骤旱事件3,8,12,18。本研究仅采用ERA5-Land再分析数据来识别黄土高原骤旱，单一数据源会对结果带来不确定性，这方面将在以后的研究中予以综合考虑。图6 黄土高原热浪型和缺水型骤旱与NINO、大西洋和青藏高原气压指数的相关性分析Fig.6 Correlation analysis of heat wave and precipitation deficit flash drought on the Loess Plateau withNINO,Atlantic Ocean and Tibetan Plateau indices36746卷5结 论基于 ERA5-LAND 再分析数据集，本文对 19812020年黄土高原热浪型和缺水型骤旱时空变化特征进行分析，探讨了黄土高原全区及7个子区 2类骤旱与 NINO、大西洋海温和青藏高原气压指数年际变化的响应关系，得到初步结论如下：（1）在时间变化上，19812020年，黄土高原2种类型骤旱呈现波动增加趋势，且缺水型骤旱增加速率高于热浪型骤旱。从年代变化看，黄土高原全区与7个子区骤旱变化过程具有相似性，均呈现出：低位波动期（19801998年）、迅速增加期（19992009年）和增加停滞期（20102020年）。（2）在空间变化上，热浪型骤旱频发区主要分布在黄土高原东部和南部山地，空间格局呈现“西北少、东南多”；而缺水型骤旱空间格局与热浪型相反，空间频发区主要集中在宁夏平原、河套平原、汾渭河谷平原等农业种植区。在空间趋势上，近40 a黄土高原2类骤旱候数以增加趋势为主，黄土丘陵沟壑区、河套平原东部、汾渭河谷平原、黄土高原沟壑区东部，为2类骤旱共同显著增加区。（3）在影响因素上，黄土高原 2类骤旱变化与NINO W区、NINO B区、大西洋多年代际振荡指数、青藏高原气压指数相关程度较高。相较于其他指数，青藏高原气压指数通过动力和热力作用对东亚季风的年代际、年际和季节内变化产生影响，与黄土高原骤旱异常密切相关。参考文献（References）1王文静,延军平,刘永林,等.基于综合气象干旱指数的海河流域干旱特征分析J.干旱区地理,2016,39(2):336-344.WangWenjing,Yan Junping,Liu Yonglin,et al.Characteristics ofdroughts in the Haihe Basin based on meteorological drought composite indexJ.Arid Land Geography,2016,39(2):336-344.2张世喆,朱秀芳,刘婷婷,等.基于多维Copula的中国干旱特征及危险性分析J.干旱区地理,2022,45(2):333-345.ZhangShizhe,Zhu Xiufang,Liu Tingting,et al.Drought characteristicsand risk hazard in China based on multidimensional Copula 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Tourism,Shaanxi Normal University,Xi an 710119,Shaanxi,China)Abstract:Flash drought is a type of drought characterized by rapid intensification.In the context of global warming,flash droughts are increasingly frequent,which has had a devastating impact on the agricultural ecosystemand public health of China.Understanding the spatiotemporal variation characteristics and influencing factors offlash drought events is of critical importance for monitoring,early warning,and loss prevention.On the basis ofERA5-Land data from 1981 to 2020,this study examined the spatiotemporal variation of two types of flashdrought(heat wave and precipitation deficit flash drought)in the Loess Plateau using trend and correlation analyses.The relationship between the different atmosphere-ocean oscillation indices and the number of flash droughtis also examined.The following results are presented.(1)The frequency of the two types of flash drought increased significantly from 1981 to 2020,with a higher increasing precipitation deficit rate 0.54 penta(10a)1than that of heat wave 0.46 penta(10a)1 flash drought.Particularly,the two types of flash drought had a similarpattern in decadal variation.Before 1998,the two types of flash drought primarily displayed low fluctuation.From 1998 to 2010,the number of flash droughts rapidly increased.The growth rate of flash droughts stalled andbegan to decline after 2010.(2)A spatially significant(P0.05)upward trend for heat wave(precipitation deficit)flash drought was observed in 36.5%(37.5%)of the Loess Plateau.The parts of the Loess Plateau with gulliesand hills,as well as the eastern Hetao Plain and the Fenwei River Valley Plain,had a marked increase in the incidence of heat waves and precipitation deficit flash droughts.(3)Considering the influencing factors,the trend andinterannual oscillations of flash drought in the Loess Plateau can be explained by the sea surface temperature(SST)anomaly in the NINO B region and the atmospheric pressure anomaly in the northern Qinghai-Tibet Plateau.The Loess Plateau had an increase in the probability of flash drought due to positive air pressure anomaliesin the northern Qinghai-Tibet Plateau and large SST anomalies in the central equatorial India Ocean.Key words:climate change;flash drought;spatiotemporal variation;ERA5-LAND;Loess Plateau370