我國干旱形成的主要氣候特征及其預報時效性分析第十組組員：王娟胡迪張署光王天義

陶然母靈馬永杰October24,2011第十組我國干旱形成的主要氣候特征及其預報時效性分析主要內容我國干旱的預測及其時效性我國干旱形成的主要氣候特征我國干旱的時空分布與變化特征引言：與干旱有關的定義與概念干旱的定義目前國內外對干旱的定義還未達成一致：國際氣象界一般將干旱定義為“長時期缺乏降水或降水明顯短缺”或“降水短缺導致某方面的活動缺水”；我國國家氣象局認為干旱是指因水分的收與支或供與求不平衡而形成的持續的水分短缺現象；《中華人民共和國抗旱條例》將干旱災害定義為由于降水減少、水工程供水不足引起的用水短缺，并對生活、生產和生態造成危害的事件。在自然界，氣象干旱一般有兩種類型：一類是由氣候、海陸分布、地形等相對穩定的因素在某一相對固定的地區常年形成的水分短缺現象，稱為干燥或氣候干旱；另一類是由各種氣象因子（如降水、氣溫等）的年際或季節變化形成的隨機性異常水分短缺現象，稱為大氣干旱，通常所說的干旱常指這類干旱，也稱之氣象干旱。一、引言一、引言干旱的分類干旱的分類有很強的學科性質，根據不同學科對干旱的理解，干旱分為四類：氣象干旱、農業干旱、水文干旱和社會經濟干旱。另外有人根據干旱發生的頻次，干旱可分為因氣候引起的常年性干旱以及由氣象因子（降水少、氣溫高）引起的季節性干旱。干旱類型關系示意圖干旱指數根據干旱的不同分類，將干旱指數分為氣象干旱指數、農業干旱指數、水文干旱指數。另外，目前利用遙感（ＲＳ）技術建立干旱指數，進行大范圍的干旱監測已成趨勢，這類指數無論數據源還是指數建立的過程都不同于傳統意義上的干旱指數，統稱基于遙感的干旱指數。一、引言一、引言圖1中國各區域示意圖圖2全國年干旱頻率空間分布圖二、我國干旱時空分布與變化特征（一）干旱時空分布從圖2中可以看到：中國干旱最為頻繁的地區位于華北中、南部和西南南部，年干旱頻率達60％以上；其次是東北西部和華南沿海地區，干旱頻率達50％-60％；西北東部干旱頻率大都在30％-45％；長江中下游地區的干旱頻率為10％-20％，是干旱發生較少的地區之一。地處干旱區的西北西部屬于常年干旱區，干燥度（年可能蒸散量與年降水量之比）大于10。二、我國干旱時空分布與變化特征（一）干旱時空分布春季，春季北方少雨雪，干旱為常見，華北大部、東北西部干旱發生頻率最高，達50％-70％。海南、云南、四川南部也是春旱多發區，發生頻率有50％-80％。長江中下游及其以南的大部分發區了生頻率不到20％，為春旱少發區。夏季，干旱的多發區主要分布在東北西部、華北大部、西北東部及黃淮北部，發生頻率達50％-60％。長江中下游地區、黃淮南部、東北中部和北部及四川東部等地發生頻率也較高，有30%-50%。華南、西南及東北地區東南部為夏旱少發區，發生頻率在30%以下。秋季，干旱多發區主要分布在東北西南部、華北、黃淮、長江中下游地區和華南等地，發生頻率為40%-60%，全國其余大部地區不足40%。冬季是全年降水最少的季節，干旱主要出現在南方。華南、西南為冬旱主要發生區，華南南部及云南大部發生頻率達50%-70%。圖3全國四季干旱頻率空間分布圖（一）干旱時空分布東北地區干旱類型主要是春、夏旱。華北是中國干旱最嚴重的地區之一，干旱主要發生在4-10月，年干旱頻率最大的月份是4-6月，其次是10月。華北干旱主要是春夏旱和夏秋旱。西北地區東部干旱主要分布在黃土高原中、西部和甘肅南段。4-10月都有可能發生干旱，最易發生的是夏季。西北地區西部是干旱氣候，該區年內各月的干旱頻率均低于5%。長江中下游5-12月均可能出現干旱，但主要集中在夏季和秋季，以8-10月出現機會最多，處于“伏旱”。華南干旱主要出現在秋末和冬季及前春。西南干旱季節性差別大：冬春頻率高、夏秋頻率低。青藏高原的干旱主要發生在5-7月和10月。圖4

中國各區域干旱頻率年內變化圖全國及各區域干旱的長期變化特征（二）我國干旱氣候變化CI指數數值越小，干旱越重。中國干旱較重的時期主要在20世紀60年代、70年代后期至80年代前期、80年代中后期以及90年代后期至21世紀初。其中最為嚴重的干旱出現在1999年，2001年位居第二。圖5全國年干旱指數歷年變化特別值得注意的是，20世紀90年代后期至21世紀初，中國進入了一個相對干旱時期，干旱持續時間長、程度重。利用《氣象干旱等級國家標準》（張強等，2006）推薦使用的綜合干旱指標CI分析了1951-2006年全國及各地區干旱變化特征。根據Kendall’stau的趨勢計算結果分析，就整體而言，全國干旱在近56年中有加重的趨勢，趨勢值為-0.03/10a，通過了95％置信限的顯著性水平檢驗。表1

1951-2006年不同地區干旱指數CI變化趨勢（二）我國干旱氣候變化（二）我國干旱氣候變化以全國CI指數1951-2006年的歷年標準化時間序列做功率譜周期分析，取最大落后步長m=14，得到序列落后自相關系數r(1)=-0.17，則假設總體譜是白色噪音譜，經檢驗周期為2.3a,2.5a,和2.8a的周期通過了95%置信限的檢驗，因此近半個世紀以來，全國干旱有2-3a的周期震蕩。干旱持續時間和發生頻率根據《氣象干旱等級國家標準》中的規定，統計了全國600多個站點1951-2006年歷年發生的干旱過程，以此來分析干旱的持續時間和發生頻次的變化特征。二、我國干旱時空分布與變化特征干旱持續時間長的幾個中心分別為東北地區西部、華北中部和云南，最長持續時間一般有4個月以上。另外，東北中東部、華北大部、黃淮、華南中南部和西南東部部分地區干旱最長持續時間一般也有3個月左右。圖6

1951-2006年間干旱過程最長持續時間（單位：天）二、我國干旱時空分布與變化特征統計表明，對于東北、華北、黃淮、西北地區東部、華南及四川盆地等地的大部分地區，在近半個多世紀里，最長的干旱事件大多了生在1980年以后，如圖示。圖7

1951-2006年間最長干旱出現年代二、我國干旱時空分布與變化特征1951-1978年、1979-2006年兩段時間的年平均干旱日數之差，表明，東北西部和南部、華北、黃淮、西北地區東部、華南及云南南部等地的后28年的干旱發生頻次比前28年頻繁。長江中下游地區和西南地區中南部干旱頻次有所減少。全國其余大部分地區干旱頻次沒有出現明顯的增多或減少的變化。圖8

兩段時間的年平均干旱日數之差綜上所述，在1951-2006年中，中國的干旱總體上有加重的趨勢，特別是20世紀90年代后期至21世紀初的干旱持續時間長、程度重。干旱變化在中國不同地區存在著顯著的區域差異。在東北、華北和西北地區東部的大部分地區地區近50年中持續時間最長的干旱事件多發生在1980年以后的20多年中，而且上述在區在近20多年來干旱發生得更加頻繁了。

中國的干旱具有頻率高、季節性強、地域特征明顯的特點。近50多年來，東北西部、華北、西北東部干旱化趨勢明顯。在這些地區，20世紀90年代后期至21世紀初的嚴重干旱在近半個多世紀中是十分罕見的。干旱化趨勢明顯的華北、西北東部和東北地區在近半個多世紀區域增暖也十分顯著。這些結論與Dai等的研究結果一致，并支持了他們的論點，即20世紀70年代后期以來，全球變暖的氣候變化不僅帶來了地表氣溫的升高，還使得一些地區干旱化趨勢加劇，干旱威脅加重。二、我國干旱時空分布與變化特征中國干旱化形成與氣候變化背景的關系作為最嚴重的自然災害之一，干旱早在20世紀30年代就受到關注（竺可禎，1934）。然而在我國，對干旱問題的系統研究卻始于上個世紀80年代中期以后。近年來，增暖對干旱及干旱化趨勢發生和發展的影響已引起重視，事實證明，在增暖背景下，單從降水量變化已不足經說明干旱化的范圍和強度，特別是在降水量減少而溫度升高的氣候背景下，增暖已經成為加劇干旱過程的重要因子之一。所以，對干旱化的客觀表征需要綜合降水和氣溫變化的共同影響。利用月平均氣溫和月降水資料，計算兩個變量1951-2006年的線性變化趨勢。如下圖。三、我國干旱形成的主要氣候特征我國干旱化形成與氣候變化背景的關系圖1951-2006年中國區域（a）氣溫（單位：℃/10a）（b）降水（單位：mm/10a）的線性變化趨勢由圖知：我國增暖的總體趨勢是北方大南方小，而東北西部及內蒙古東部增溫幅度最大，增溫率達到0.5，其次是華北西部及新疆西北部整個北方增溫率變化的分布為東部大西部小，最小區位于內蒙古西部和甘肅西部地區，增溫率在0.1以下。長江以南大部分地區也為增溫趨勢，但增溫率在0.2以下。陳隆勛等，1991指出近50年我國西南地區是一個與全球增暖趨勢相反的地區，但最近研究表明這個地區在20世紀90年代以后轉為增溫趨勢。在降水量變化趨勢圖上，總的趨勢為東部減少而西部增加。在100度以東地區，除長江中下游及江南中部外，大部分地區降水呈減少趨勢，減少變率最大的區域在西南、西北東部、華北南部和東北南部，這些地區連在一起形成一個西南——東北向的降水減少大變率帶。在北方降水減少的大變率區域對應東亞夏季風的北部邊緣，這些地區降水的多少主要決定于夏季降水量的變化，因此，夏季風的異常是導致這些地區降水異常變化的主要原因。對比還發現，我國東部大部分降水減少的地區對應著增暖，而西南部分地區降水減少對應著低溫時段。在西南，這種降溫趨勢對因降水造成干旱的強度變化起到一定遏制作用，原因是低的溫度不利于蒸散的產生，而蒸散的減小有利于地表水分的保持。我國干旱化形成與氣候變化背景的關系地表濕潤指數是用于分析全球和區域干濕變化的一種干濕指標，它定義為降水與潛在蒸發之比，既考慮了降水變化又考慮溫度影響且計算方便。利用中國區域160站降水和氣溫資料計算了1951-2006年中國區域年地表濕潤指數變化空間分布。可以看出，提到的四個降水減少變率大的地區是明顯的干旱化趨勢。另外，內蒙古中部、華北北部也表現為顯著的干旱化趨勢，與氣溫的變化趨勢對比發現，該地區正是中國北方增溫幅度最大的地區，這說明氣溫的升高加劇了這個地區由于降水減少所造成干旱化的范圍和強度，盡管該地區降水減少的變率不是很大，但氣溫升高加劇了該地區的干旱化形成，這種現象同樣發生在陜北及山西大部分地區，這些地區恰好位于我國的半干旱地區，也就是說在我國北方，氣溫的升高加劇了半干旱地區的干旱化程度，這是增暖影響干旱一個重要證據。我國干旱化形成與氣候變化背景的關系圖1951-2006年地表濕潤指數的變化趨勢（MK法）北方干濕變化與太平洋年代際振動（PDO）的關系中國北方典型區域干濕變化既存在周期變化，也存在著長期和變化趨勢。西北東部、華北和東北地區都存在著不同程度的干旱化趨勢，這些現象的發生是降水和溫度變化綜合效應的表現。近50年的資料分析說明發現，不同位相的太平洋年代際振蕩對中國區域氣溫和降水的影響不同，暖位相對應中國北方大部分地區高溫和少雨，冷位相結果相反。從過去的研究可知，溫度升高引起并加劇北方許多地區的干旱化趨勢，由于干濕變化是溫度與降水變化等因素共同作用的結果，因此干旱化趨勢的分布既不同于溫度的變化又不與降水變化有差異。盡管過去的工作已經分析了中國區域氣候變化與海溫（SST）的年際、年代際變化，但中國北方干濕變化與這些因素的關系尚不清楚。由于PDO是年代際變化的強信號．所以。為了探尋兩者之間的聯系，我們對年濕潤指數和年PDO指數的關系進行了分析。由圖可以看出．降水和PDO周期相關的顯著地區主要分布在35?N和45?N之間，幾個強的相關個心分布在華北、西北東部和天山的南部地區．另外一個顯著的地區在西南地區。在華北和西北東部．年降水和PDO指數呈顯著的反相關關系；而在青藏高原的西部卻呈現正相關關系，年降水和PDO指數相關的另一個顯著特點是東西部(以100?E為界)相關系數反號，其形成原因特有待于進一步研究。B圖上年平均溫度與年PDO指數在中國大部分地區均為正的相關，只有青藏高原的西南部和橫斷山脈及其周圍為負相關，相關顯著的地區分布在東部地區．北方主要在華北和中原地區，南方主要分布在湖南、貴州和廣西的部分地區。概括起來．PDO暖的位相對應我國東部高溫少雨，特別是華北和西北東部．這與澳大利亞情情況類似；而青藏高原卻相反，PDO的暖位相對應低溫多雨。可以看出．中國氣候變化與PDO有密切的關系，那么內此引起的于濕變化與咖的關系是什么?圖3．8c給出了PDO指數與中國區域年濕潤指數的同期相關系數分布。由圖可以看山．年濕潤指數與年PDO相關空間分布特征大致相似，只是顯著相關的范圍明顯增大，特別是在天山以南和西南地區，西南地區的反相關和天山以南的正相關范圍均較A的顯著性相關范圍大，對比圖A.B還發現，PDO對中國區域干濕變化的影響遠大于對某個單一的氣候要素的作用，同時也說明了溫度變化對干濕變化的影響。這些結果啟發人們可以利用兩者的密切相關關系進行我國北方地區干旱變化的預測。PDO可以作為一個預報干濕變化的指標。北方干濕變化與太平洋年代際振動（PDO）的關系我國西北干旱半干旱區干旱形成的主要氣候特征極端干旱區年蒸發能力為1800mm以上，干旱區為1400-1800mm，半干旱區也達1100-1400mm。取年降水量與最大可能蒸散量之比為干燥度指數。其中，干旱與半干旱區的干燥指數均為0.5以下，極端干旱區不足0.03。干旱和半干旱區自內蒙古向西伸展約占全國總面積的42%，主要位于西北地區。地形對西北干旱區氣候的影響新疆、甘肅河西地區、青海柴達木盆地、內蒙古和寧夏兩區中、西部地區習慣稱為西北干旱區。西北地區深居內陸，距離海洋遠是干旱氣候形成的主要原因。青藏高原隆起是西北干旱氣候形成的另一主要原因，對干旱區形成的地理位置及干旱的強度有重要作用：直接阻擋了西南暖濕季風氣流的北進，切斷了主要的水汽來源；高原為強大的熱源和有組織的上升運動，作為補償的高原四周下沉氣流的一部分，在西北地區上空，始終存在著有組織的下沉氣流，這是西北干旱氣候形成的大尺度環流背景；西風氣流在高原北側繞流時形成的高壓脊和反氣旋輻散環流，加強了西北地區的下沉氣流。高原地形的動力作用除了造成高原西、北側的平均下沉帶外，還阻隔了南來的水汽，強迫西風氣流分支繞流，形成高原北側全年盛行的反氣旋性輻散帶，既進一步加強了高原北側的下沉運動，也使氣柱中本來就稀少的水汽易輻散掉，難以在當形成降雨。我國西北干旱半干旱區干旱形成的主要氣候特征遠離海洋和高原地形造成了西北干旱氣候的背景，而特定的大氣環型控制是西北干旱氣候維持的直接原因。大氣環的平均狀況及其變率影響制約著西北地區的天氣氣候，尤其是旱澇氣候。在各季的干旱中，以冬春旱和夏旱發生的機會最多。西北地區的干旱季比較長，10月至次年5月基本上都受冬季型環流影響，氣候特點是寒冷、干燥、降水少。西北地區冬季環流特征：東亞高空大氣環流盛行大槽大脊活動，其最常見的環流形勢是新疆西北部維持一高壓脊，沿海維持一大低壓槽，西北地區處在這兩大系統之間，受西北氣流控制。地面上常為從西伯利亞東南下的冷高壓所控制．天氣晴朗寒冷、干旱少雨。西北地區春季環流特征：大氣低層增溫迅速．環流型表現為大陸高壓與低壓兩大活動中心，而高空環流基本上仍是冬季環流形勢．多移動性槽脊，相應的地面冷空氣活動頻繁．強度大。西北地區上空仍受西風帶影響和西北氣流控制，或處在高壓脊之內，上述高空環流形勢與地面形勢的配合，形成了西北地區春季降水少、地面回暖快、風速大、蒸發力強的春季干旱氣候。我國西北干旱半干旱區干旱發生的大氣環流背景西北地區夏季環流特征：初夏高空大陸副熱帶高壓活動頻繁．南支波動因之不活躍，此時為相對少雨的干旱時期。在500hPa高空，貝加爾湖西部的槽區常年維持一個高壓脊，脊前的冷平流不斷輸送到西北地區，西北地區上空為單一的西北氣流控制．冷空氣活動比較頻繁，西南氣流相應較弱，影響中緯度上空西風槽的建立和穩定。另外．常年鄂霍次克海的高壓脊有時也被低壓槽所代替，對西太平洋副熱帶高壓的北抬和加強有一定的抑制作用，造成干早少雨的天氣。當副高加強到相當強時，西北地區東部因副高控制出現少雨干旱天氣。麗且在副高較弱的年份，又因南交波動主要影響偏南地區．西北地區東部因此缺少水汽來源，造成少雨干旱。由此可見．即使在多雨的夏季．西北地區也可能經常出現干旱。西北地區秋季環流特征：盛夏過后，西太平洋副熱帶高壓開始減弱，北支西風帶鋒區又開始南移影響西北地區，地面冷空氣的強度也逐漸加強，秋季西北地區東部往往處于西太平洋副熱帶高壓的北緣平直西風環流中，此時高空鋒區常可在西北地區東部上空維持一段時間、造成初秋連陰雨天氣。在10月后往往有一次強的極地冷空氣向南爆發．導致大氣環流形勢的劇變，西太平洋副熱帶高壓，從此南退出海、西風帶環流經向度顯著加大．從此將轉入盛行的冬季環流形勢，大槽大脊活動，降水顯著減少，出現少雨干旱天氣。青藏高原地形的熱力、動力作用、遠離海洋和大氣環流是形成西北干旱氣候的多個因子，它們通過影響垂直運動和水汽狀況而影響西北降水氣候。我國西北干旱半干旱區干旱發生的大氣環流背景國外最先進預報技術和準確性——美國國家航空航天局（NASA）NASA戈達德空間飛行研究中心的氣象科學家開發了一種利用土壤濕度變化提前數月預測干旱的新方法。首先利用安置在陸地上的“熱點”傳感器來探測土壤濕度，然后通過分析土壤濕度的變化可以預測是否將有干旱或洪水的來臨。工作原理：從土壤中蒸發的水是生成云與雨的重要來源，土壤越干燥，干旱的可能性就越大，反之發生洪水的可能性就越大。這一現象在撒哈拉沙漠南端、印度北部以及北美大平原最敏感，是預測干旱與洪水的最好的試驗區。與目前使用的干旱和洪水預測方法相比，NASA的新方法可將預測工作提前幾個月的時間，而且不受大氣預測的影響。到目前為止，提前10天的時間來預測干旱和洪水均是不可能的事。新方法將有助于人類有效防御干旱和洪水等的災害。四、干旱預測及其時效性

四、干旱預測及其時效性1、均生函數預測模型對西北地區東部夏季降水量場進行EOF展開，取前10個特征向量場，用相應的時間系數建立均生函數預報模型，在1961—1990年的各時間系數擬合的基礎上，預測1991年至1996年的時間系數，最后用計算出的前10個時間系數與前10個特征向量場合成，得到擬合和預報的降水量場(張存杰等，1999)均生函數EOF模型擬合和預報的西北東部夏季降水量場，用均方根誤差、距平相關系數和趨勢一致率等檢驗預測準確率表明，均生函數EOP模型對196l-1990年夏季降水量場的模擬效果較好，距平相關系數達到0.76，正負趨勢準確率也接近80％。獨立預測效果除1991年較好外。其余年份相關系數較差，正負趨勢預測效果也一般。這說明，單獨依靠西北地區東部夏季降水量場自身演變的周期性不能很好地預測干旱趨勢，需要考慮影響西北降水量變化的因子。（一）統計方法2、多元回歸EOF預測模型由于影響降水量變化的因素很多，氣候系統的五大圈層(大氣圈、水圈、冰雪因、巖石圈、生物圈)甚至人類活動都可能影響降水量的變化。因此，必須考慮到影響因子的多元性。多元回歸EOF模型就是取前幾個降水的EOF展開場的時間系數，篩選與各個時間系數高相關的影響因子，建立逐步回歸項報方程，預報時間系數，最后將幾個特征向量場合成，得到降水場的預報。影確因子所處時段為前一年1月至當年2月(張存杰等，1999)。第一時間系數與大氣環流和海溫、第二時間系數與極渦、第三時間系數與降水場本身相關性較好．用逐步回歸法對前10個時間系數都建立了預報方程．對1961—1990年進行回報擬合，對1991—1996年進行預報試驗。將回報和預報的時間系數與特征向量場進行合成．得到回報和預報的降水量場。多元回歸EOF模型預報的西北地區東部夏季降水，用均方差、距平相關系數和趨勢一致率等檢驗預測準確串表明，多元回歸EOF模型回報準確率和須報準確率比均生函數模型均有所提高，特別是預報的距平相關系數平均達0.47，正負趨勢一致卒達70％。這說明多元回歸EOF模型對西北地區東部夏季降水量變化趨勢有一定的預報能力,項報效果也較好。（一）統計方法

（一）統計方法（一）統計方法從近4年預測試驗結果來看，空間平均相關系數(ACC)反映出．整體上冬春季預測效果好于春夏季，9月最好，平均相關系數達到0.37，而7月最差，平均相關系數接近0。而表4．8的逐年預測檢驗情況顯示出，2001—2002年預測效果略好于2003—2004年，6—7月總體效果較差，12月次之。1、典型相關(CCA)模型

利用典型相關模型來建立動力氣候模式7月份500hPa環流預報場與西北地區東部7月份降水量場之間的預報模型。步驟如下(張存杰等，1999)：(a)對1961——I990年7月的東亞區域(50。一14012，20。一650N)的500hPa位勢高度場和西北地區東部30個代表站的降水場分別進行聊分析．取前幾個時間系數進行ccA分歷(高度場和降水場的累計方差超過80％)。(b)利用CCA方法建立1961一1990年期間高度場時間系數和降水場的時間系數之間的回歸方程。(c)利用19N年至1Z996年7月份500hPa高度場資料，問系數。(d)用已建立的回歸方程．計算相應的降水場時間系數。(e)合成防水場，得到最終降水量預報場。（二）動力產品解釋應用方