Characteristics of Quasi-2-Year Cycle of the Number of Spring Drought Days in Sichuan Basin and Its Response to East Asian Winter Monsoon

Chun-xue WANG; Shun-qian ZHANG; Bin ZHOU; Wen-xiu CHEN; Rui SUN

doi:10.13718/j.cnki.xdzk.2020.03.018

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Periodic characteristics of spring drought in Sichuan Basin and its response to East Asian Winter Monsoon on a quasi-2-year cycle are examined with the Multi-Taper Method-Singular Value Decomposition (MTM-SVD) method, using the MCI data in 1961-2016 from 104 meteorological stations in Sichuan Basin and the NCEP/NCAR reanalysis data in the same period The results show that the number of spring drought days in the Sichuan Basin has a quasi-2-year and a quasi-3-year cycle on the inter-annual scale, of which the quasi-2-year cycle is more significant. The typical cycle of the quasi-2-year cycle presents a pattern of alternating light and heavy spring drought, and the quasi-2-year period signal is most obvious after 1990s, 1960s takes the second place, and it almost disappeared from 1970s to the middle of 1990s. Through the analysis of coordinate change of the number of spring drought days and atmospheric pressure at sea level with the method of MTM-SVD, it is found that the East Asian Winter Monsoon has response to the number of spring drought days in a quasi-2-year cycle. In years of light spring drought, the East Asian Winter Monsoon is strong in January and February, but weakens abruptly in March and remains weak in April. In years of heavy spring drought, the East Asian Winter Monsoon is weak in January and February, and it slightly weakens in March, yet being still stronger than usual and continuing to be strong in April. Circulation analysis shows that in the seasonal transition process when the East Asian Winter Monsoon presents an abrupt (slow) change from strong (weak) to weak (strong), the spring 500 hPa height field excites a Eurasian teleconnection negative (positive) phase, leading to the weak (strong) East Asian Trough, appearing anomalous south (north) wind component in East Asia, resulting in a light (heavy) spring drought.

Corresponding author: Bin ZHOU ;

Received Date: 26/11/2018

Available Online: 20/03/2020

Key words:

Abstract: Periodic characteristics of spring drought in Sichuan Basin and its response to East Asian Winter Monsoon on a quasi-2-year cycle are examined with the Multi-Taper Method-Singular Value Decomposition (MTM-SVD) method, using the MCI data in 1961-2016 from 104 meteorological stations in Sichuan Basin and the NCEP/NCAR reanalysis data in the same period The results show that the number of spring drought days in the Sichuan Basin has a quasi-2-year and a quasi-3-year cycle on the inter-annual scale, of which the quasi-2-year cycle is more significant. The typical cycle of the quasi-2-year cycle presents a pattern of alternating light and heavy spring drought, and the quasi-2-year period signal is most obvious after 1990s, 1960s takes the second place, and it almost disappeared from 1970s to the middle of 1990s. Through the analysis of coordinate change of the number of spring drought days and atmospheric pressure at sea level with the method of MTM-SVD, it is found that the East Asian Winter Monsoon has response to the number of spring drought days in a quasi-2-year cycle. In years of light spring drought, the East Asian Winter Monsoon is strong in January and February, but weakens abruptly in March and remains weak in April. In years of heavy spring drought, the East Asian Winter Monsoon is weak in January and February, and it slightly weakens in March, yet being still stronger than usual and continuing to be strong in April. Circulation analysis shows that in the seasonal transition process when the East Asian Winter Monsoon presents an abrupt (slow) change from strong (weak) to weak (strong), the spring 500 hPa height field excites a Eurasian teleconnection negative (positive) phase, leading to the weak (strong) East Asian Trough, appearing anomalous south (north) wind component in East Asia, resulting in a light (heavy) spring drought.

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四川盆地是我国五大粮食生产区之一，几乎每年遭受的各种自然灾害中超过50%是旱灾^[1]，习惯上把四川盆地干旱分为春旱(3-4月)、夏旱(5-6月)和伏旱(7-8月)，其中春旱发生最频繁，范围最广泛^[2-5].春季是四川盆地农业生产的关键季节，春旱不利于小春作物的生长和大春作物的播栽；在季节性连旱事件中，春旱也往往处在事件开端或结束的重要阶段^[6]，所以对四川盆地春旱变化规律和形成机理的研究至关重要.田宏等^[7]发现，1960-1970年四川盆地春旱的轻、重旱年转换频繁，年际波动大；1980-1990年轻、重旱年转换明显变慢，年际波动变小.张顺谦等^[8]的研究指出，四川盆地春旱大约每2.5年出现一次.陈少勇等^[9]的研究也表明，1961-2010年我国西南地区春旱强度有减轻趋势，并且轻旱有显著的2.2年周期.进入21世纪以来，四川多次出现季节性连旱，如2006年的春—夏—伏连旱^[10]，2009至2010年的秋—冬—春连旱^[11]，以及2012至2013年的秋—冬—春连旱^[12]，给社会生产和人民生活带来了严重威胁.

春季是过渡季节，四川盆地与长江中下游同纬度地区相比春雨少于秋雨，这是四川盆地春季的气候特点，也是四川盆地春旱发生的直接原因，而春季四川盆地冬季风活跃，尤其在初春冬季环流特征仍然非常明显^[13]，所以东亚冬季风异常很可能是四川盆地春旱的重要影响因子. Curry^[14]认为西伯利亚高压的发展直接影响北方冷空气的爆发，所以用高压强度可以表征东亚冬季风的强弱.曾剑等^[15]的研究表明，四川东北部对东亚冬季风有明显的响应，强冬季风对应降水偏少，而弱冬季风对应降水偏多.徐建军等^[16]发现东亚冬季风也存在准2年周期振荡.

以往四川盆地春旱的研究更多关注的是监测评估方法和时空变化规律^[17-18]，有关四川盆地春旱成因的研究相对较少，并且集中在西南区域或季节连旱事件^[19-21].本研究利用MTM-SVD方法，在分析四川盆地春旱准2年周期特征的基础上，探讨其对东亚冬季风的响应情况，以期为春旱的气候预测提供技术支撑，为抗旱减灾的决策服务提供科学参考.

1. 资料和方法

1.1. 资料

1) 四川盆地104个气象台站1961-2016年3-4月逐日的气象干旱综合监测指数(MCI)，当MCI≤-0.5时，记为一个干旱日，统计3-4月累计干旱日数为当年春旱日数.

2) NCEP/NCAR月平均海平面气压场、500 hPa高度场和经向风场等再分析资料，分辨率为2.5°×2.5°.

1.2. 方法

1) 2017年国家气候中心在CI指标基础上修订了《气象干旱等级》国家标准^[22]，建立了MCI干旱指数，计算公式如下：

式中：SPIW₆₀为近60天标准化权重降水指数；P_n为距离当天前第n天降水量；MI₃₀为近30天湿润度指数；SPI₉₀和SPI₁₅₀分别为90天和150天标准化降水指数. a，b，c，d为经验权重系数，四川盆地属于西部地区，分别取0.3，0.5，0.3，0.2.

2) 东亚冬季风的强度主要取决于西伯利亚高压发展的程度，用西伯利亚高压中心3个点(60°N，100°E；60°N，90°E；50°N，100°E)的海平面气压平均值代表东亚冬季风的强度^[23].

3) MTM-SVD方法是由Mann等^[24]提出的一种多变量频域分解技术.这是一种将谱分析的多锥度方法(Multi-Taper Method，MTM)和变量场的奇异值分解(Singular Value Decomposition，SVD)方法结合在一起的气候信号检测技术.近年来MTM-SVD被广泛应用在气象科研领域^[25-27].

MTM-SVD方法的主要特点是：①分析对象不仅可以是一维时间序列，也可以是多维或多站点的气候变量场，它可以非常便利地分析气候变量场整体所具有的谱特征. ②包含了MTM方法，通过变量场时间序列与多个锥度相乘，使得在谱解析度和谱的变异之间达到了一个最佳的平衡，有效防止谱泄漏现象. ③通过MTM-SVD方法得到的LFV(Local Fractional Variance)谱在频域中为信号检测提供了一个有效的参数，它以频率函数的形式表明了由“每个频率波段”中的主要振动解释的方差百分比. LFV谱中，在一个给定频率处的波峰预示着数据在此频率处振荡的一个潜在重要的时空信号.这样更加直观、简便地显示出变量场不同时间尺度的变化特征. ④可以为所有时间和区域重建时空信号.这种信号的重建可以更直观地分析和描述不同时间尺度振动的时间—空间演变特征和过程. ⑤ MTM-SVD技术在其应用上可扩展到耦合的区域，即在同一时刻多于一个的区域的耦合.

5. 结论

1) 1961-2016年四川盆地春旱日数在年代际尺度上没有显著的周期信号，在年际尺度上的准2年周期最明显.准2年周期的典型循环重建表明，第1年四川盆地整体春旱异常偏轻，第2年盆地春旱异常偏重.四川盆地春旱准2年周期信号在1990年代后期至今最显著，1960年代次之，1970-1990年代中期几乎消失.

2) 在准2年周期典型循环中，第1年冬季(1-2月)东亚冬季风显著偏强，3月突然减弱，4月仍然维持在偏弱状态；第2年冬季(1-2月)东亚冬季风显著偏弱，而3月减弱不明显，但较常年偏强，4月份仍然偏强.即在准2年典型循环下，当冬季风出现先强后弱的突然转换时，四川盆地春旱日数偏少，相反当冬季风出现先弱后强的缓慢转换时，四川盆地春旱日数偏多.

3) 环流分析表明，在准2年周期典型循环中，第1年500 hPa高度场上乌拉尔山地区为负异常，东亚沿海为正异常，呈欧亚遥相关负位相，东亚大槽偏弱，东亚中东部出现异常南风分量，导致四川盆地春旱偏弱；第2年出现欧亚遥相关正位相，东亚大槽偏强，东亚中东部出现异常北风分量，造成四川盆地春旱偏强.

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

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