2.1 年降水集中度的年际变化趋势
图1为甘肃省1961—2017年PCI值的年际变化情况。可以看出:近57 a来,甘肃省PCI的多年平均值为20.3,最大值为26.3(1980年)、最小值为16.6(2016年)。统计分析表明:该地区PCI值呈现出减小趋势,其递减率为-0.54/10 a,这表明降水集中程度有降低趋势,但依旧处于中度集中度到高度集中度的范围内,即就是研究区降水的年内月份分配仍然是不均匀的。甘肃省PCI值年代际变化也较为明显,1980s之前呈现增大趋势,从1960s的19.85增加到1970s的21.0,高于多年平均值20.3,也就是年降水不规则分布的趋势有所增加; 1980s的PCI值略微降低,但仍然高于多年平均值; 之后到1990s,PCI值又增加到20.96,几乎接近1970s的水平; 但到了2000s,PCI值减小到19.27,远小于平均值,这说明该地区2000—2010年内降水的不规则分布有所缓减。整个研究时段内,甘肃省年年代际PCI值呈现出增大—减小—增大—减小—再增大的趋势,即年代波动趋势明显。由此可以得出:自1961—2017年来甘肃省年内降水分布不均匀,降水主要集中在某几个月内,其他月份降水较少或者无降水事件发生。
图1 1961-2017年甘肃省年PCI值(A)和年代际(B)PCI值的变化趋势
2.2 年降水集中度的空间变化
为了探究甘肃省年PCI值的空间变化特征,本文采用研究区内各站点PCI值的变化趋势及其变异系数作为参数,绘制甘肃省年PCI值变化趋势与变异系数空间分布图(图2)。甘肃省各站点PCI值空间变化趋势差异明显,介于-1.13~0.41/10 a,瓜州县多年PCI值变化趋势减小幅度最大,而鼎新多年PCI值增幅最大。可以看出,研究区PCI值的变化趋势从东南部到西北部逐渐降低,这说明该地区西北部年降水分配有逐渐趋于均匀的趋势,而东南部年降水却呈现出逐渐趋于分散的态势。这与王红桃等[24]发现甘肃省在1967—2008年的降水量呈减少趋势,但西北部有略微的增加,东南部减少的研究结果相吻合。但从1961—2017年PCI值的变异系数空间分布图却发现,东南部年PCI值的CV值呈现出弱变异,而西北部PCI值的CV值却呈现出与东南部相反的趋势,呈现出中度变异。造成甘肃省东南与西北部PCI值空间差异的原因有:西北部受西风带环流影响,且西北部深居内陆,水汽不易到达; 而东南部受东南季风影响,带来了丰富的降水,所以东南部降水较西北部多且年内分配较为均匀[27]。
图2 甘肃省平均降水集中度的变化趋势及其变异系数的空间分布
2.3 月降水集中度的空间变化
从季节SPCI值的空间分布图(图3)可以看出,近57 a来,甘肃省春、夏、秋季的SPCI值空间分布格局基本一致,各季节 SPCI值呈现出东南部低而西北部相对较高的空间分布特征,但各个季节SPCI最大、最小值所在位置略有不同。春、秋季SPCI值变化范围比较接近,为11.4~19.2,12.7~19.3,据Oliver[15]定义,说明这两个季节的降水具有中高度集中性。夏季SPCI值在9.0~13.7,但SPCI值均小于15,说明夏季降水具有中度集中性。冬季SPCI值虽然处于12.0~17.8,但在整个研究区域内空间变化差异最显著,其最小值出现在山丹,最大值出现在瓜州; 说明甘肃东南部和中部地区的降水在冬季分布相对均匀,而西北部冬季降水具有高度集中性,也就是降水可能发生在某一个月内。
图3 研究区1961-2017年各季节SPCI平均值
2.4 降水集中度与若干大气环流指数的相互关系
本文利用交叉小波变换(XWT)和小波相干变换(WTC)对甘肃省年PCI值与大气环流指数的年际变化的相关性问题(共振周期、显著时段及相位关系等遥相关特征)进行探讨。交叉小波变换重点突出年PCI值变化与大气环流指数两组信号序列在时频域中高能量区的相互关系,如果两组信号序列是物理相关的,则它们的相位相差很小或者一致,其相位关系可以用相位角的圆域平滑值来量化; 而相干小波变换则重点揭示年PCI值变化与气候因子在时频域中低能量区的相互关系,特别适用于两种过程具有很强的相互作用时的时频分析。交叉小波变换表明甘肃省年降水集中度(PCI)与PDO,AO,ENSO和SS存在共振周期(图4A,C,E,G),只是在不同时域中的相关性存在明显差异,这表明PDO,AO,ENSO和SS是影响该区域降水集中度变化的重要因素之一。从图4A中可以看出,甘肃省年PCI值与PDO分别在1981—1987年、1990—2002年存在 2~4 a,4~6 a的共振周期(小波交叉功率谱相关性通过了红色噪音标准谱检验(显著性水平α= 0.05 ),下文中通简称为“通过红标检验”)。2~4 a的周期平均位相角接近垂直向下90°,则位相谱PCI变化位相比PDO落后; 而4~6 a的周期平均相位角水平向右,则表示两者同位相变化。从图4C中看出,PCI值与AO交叉小波功率谱高能量区分别在1962—1969年、1980—1988年、1983—2005年,2008—2012年存在 1~3 a,3.5~4 a,12~16 a和0~2 a的共振周期(其中3.5~4 a和0~2 a通过红标检验),在时频域中两者显示负位相关系,位相方向向左,表明两者在此域内有相对滞后性。研究区PCI值与ENSO指数(图4E)在1968—1972年表现出1~2 a的共振周期,在1972—1978年表现出4~5 a的共振周期,在1980—1990年存在3~5 a的共振周期(通过红标检验)。PCI值与太阳黑子数(SS)在1975—2010年存在7~12 a反相位的共振周期(未通过红标检验)(图4G),表明两者存在滞后性。
总之,本文交叉小波变换揭示的是甘肃省年PCI值与大气环流指数在其波动强烈时段上的共振关系,更多反映的是极值年份的遥相关特征; 而对于年PCI值,在其波动不强烈的时段具有同等重要意义,因此,进一步通过小波相干谱分析甘肃省年PCI值与大气环流指数的遥相关特征(图4B,D,F,H)。年PCI值与PDO的小波相干功率谱在低能量区(图4B),1978—1990年存在7~9 a的同相位共振周期(通过红标检验),2000—2014年存在0~4 a的共振周期。在图4D中看出年PCI值与AO相干小波功率谱低能量区在1980—1994年、1984—2008年、2008—2012年分别表现出2~8 a,13~15 a及0~2 a呈负位相的共振周期(其中2~8 a的共振周期通过红标检验)。而年PCI与ENSO和SS的小波相干功率谱在低能量区均只有一个共振周期,前者仅在1984—1990年存在2~3 a的反相位共振周期(图4F)(通过红标检验); 后者在1983—1997年存在8~11 a的反相位共振周期(图4H)(通过红标检验)。
注:图A,C,E,G是交叉小波功率谱,B,D,F,H为相干小波功率谱; 粗黑线包围的范围表示通过α= 0.05显著性水平下的红噪声标准谱的检验; 细黑线为影响锥曲线,在该曲线以外的功率谱由于受到边界效应的影响而不予考虑。箭头表示相对位相差,←表示两者反位相变化; →表示两者同位相变化; ↓表示年PCI变化位相比PDO,AO,ENSO和SS变化位相落后90°,↑表示月降水量变化位相比PDO,AO,ENSO和SS变化位相提前90°[28]。
图4 甘肃省降水集中度(PCI)与PDO,AO,ENSO和SS的交叉小波功率谱、相干小波功率谱。