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1961~2013年华北地区气象干旱时空变化及其成因分析

周丹  
【摘要】:干旱灾害是地球上空间范围较广、持续时间较长、对社会经济和环境影响最严重的自然灾害。中国干旱灾害造成的经济损失占所有自然灾害的50%,是中国居于首位的气象灾害。华北地区不仅是中国的政治、经济和文化中心,又是中国重要的商品粮生产基地,而该地区属于暖温带半干旱半湿润季风气候区,降水量时空分布不均,年际变化大,气象干旱发生频率位居全国之首。从20世纪80年代开始至今,华北地区干旱不断加剧,20世纪90年代后期以来更是连年出现旱灾,干旱已成为该地区粮食产量稳定上升的重要限制因素。为缓解气象干旱对农作物的影响,抽取地下水灌溉成为了华北地区抗旱保产的主要措施。大面积的抽取地下水,导致地下水水位迅速下降引发了严重的水文干旱。基于此,本研究通过分析气象干旱综合指数(CI)、标准化降水蒸散指数(SPEI)、标准化降水指数(SPI)、降水Z指数在华北地区的区域适用性,选择适宜的干旱指数,采用1961~2013年69个地面观测站气象资料,分析了华北地区不同时间尺度、不同季节、不同年代际、不同等级的气象干旱时空变化及其强度特征。从地理环境特征、大气环流变化、全球变化三个方面分析了华北地区气象干旱的主要成因。在充分认识华北地区气象干旱时空变化特征和成因的基础上,掌握气象干旱的发生、发展规律,对华北地区干旱评估及水资源管理提供科学支撑,从而提高农业用水(地下水)效率,保证华北地区粮食稳定高产,为国家粮食安全提供保障。通过研究主要得出以下结论:(1)通过EOF分析显示,华北地区选取降水量代表气象站点分别为张家口、青龙、南阳、莒县和泰山,气温代表气象站点分别为西峡、遵化、蔚县和五台山。通过对比CI、SPEI、SPI和Z指数对华北地区不同区域年、春、夏、秋、冬及月尺度干旱的表征状况表明,CI、SPI和Z指数不能较好的表征整个华北地区各时间尺度气象干旱发生状况,计算结果存在较大误差。根据华北地区9个代表气象站点计算出的四种干旱指数比照《中国气象灾害大典》统计数据显示,在四个研究分区中,SPEI指数表征的干旱发生状况与实际吻合率最高,分别为57.41%、60.78%、57.06%和66.99%。综合研究结果表明,SPEI指数表征华北地区不同区域各种时间尺度气象干旱发生效果最好,Z指数效果最差。(2)近53年来华北地区不同区域SPEI值均呈下降趋势,西北部山地、京津冀、河南和山东半岛地区年平均SPEI指数分别以0.17/(10a)、0.14/(10a)、0.07/(10a)和0.10/(10a)的速率减小。在0.05置信度水平下,西北部山地和京津冀地区年平均SPEI分别在1986和1991年发生突变,但突变具有不确定性,山东半岛地区在1975年发生十分显著的突变,而河南地区年平均SPEI未发生突变。华北地区年、春、夏、秋、冬及月尺度上均有干旱发生。夏季干旱最为严重,冬季和秋季次之。在年代际变化方面,以20世纪90年代干旱最为严重,2000年以来的干旱次之。在空间分布方面,年尺度干旱发生频率呈现北高南低的分布规律。就四季而言,干旱主要发生在河南西北部及东南部、山东半岛西北部、山西、河北中南部及京津地区。华北地区干旱发生强度的整体特征是西北和东南部干旱发生强度较强,东北和中西部干旱发生强度较弱。华北地区年极端、中度和轻度干旱发生频率分别在0%~5.64%、11.32%~22.64%和5.66%~28.30%之间,干旱主要发生在河南西部、山西、河北中北部及京津地区。整个区域三种不同等级年尺度干旱的平均发生周期分别为70.6、6.1和7.0年。就四季而言,春季的极端干旱、夏季的中度干旱、秋季的轻度干旱分别是三种等级干旱中发生频率最高的,整个区域季尺度干旱平均发生周期分别为65.4、6.5和6.4年。月尺度极端干旱主要发生在山东半岛、河南东部、山西北部和西南部地区,中度干旱主要发生在京津冀和西北部山地地区,轻度干旱主要发生在河南、山东半岛、山西南部及河北南部地区。整个区域月尺度干旱的平均发生周期分别为90.9、6.1和5.9年。(3)从地理环境特征方面来讲,造成华北地区气象干旱形成的主要原因是:属于暖温带半干旱半湿润季风气候区、大部分地区处于背风坡和水资源奇缺;从大气环流变化方面来看,影响华北地区气象干旱发生的主要原因是:夏季风变化与ENSO事件的发生。华北地区部分区域夏季风强度增大时干旱指数值呈显著上升趋势,减弱时干旱指数值呈显著下降趋势。此外,华北地区部分区域ENSO事件强度与降水量呈显著的负相关性,强度增大时降水量下降,减弱时降水量上升。在整个华北地区ENSO事件强度与气温呈显著的正相关性,强度增大时温度有上升趋势,减小时温度有下降趋势。其中El Ni?o对气温有抬升的趋势,La Ni?a对气温有降低的趋势;全球变化对华北地区气象干旱发生的影响主要表现在城市化和全球变暖两方面。城市化明显的导致气温的概率密度分布向高温方向偏移,导致城市及周边地区的降水量减少。全球变暖导致ENSO事件周期缩短5%,北太平洋年代际变化减弱,POD频率向高频移动,致使ENSO事件发生频率明显增加,东亚夏季风强度减弱,造成华北地区降水量减少而导致干旱。


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