Page 168 - 《高原气象》2023年第1期
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高     原      气     象                                 42 卷
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             时间进行管理规划， 从而尽可能地减小灾害受损情                            慢化原理的突变早期预警信号的研究能够为我国
             况。因此， 研究我国干湿转换的早期预测预警方法                            干湿转换的早期预警信号的研究提供有效的途径
             非常重要。                                              和方法。
                  然而干湿转换涉及复杂的非线性过程， 现有的                             鉴于此， 本文拟基于临界慢化理论对我国不同
             气候模式对可能发生的干湿转换的预测能力非常                              区域干湿转换的早期预警信号进行研究。首先利
             有限（卞建春和杨培才， 2003； 李建平和丁瑞强，                         用滑动 t检验（MTT）突变检测方法对我国不同区域
             2009； 万仕全等， 2014）。准确预测干湿转换所引                       干湿转换进行检测， 进而通过表征现临界慢化现象
             发的区域性旱涝事件是气象部门面临的长期挑战，                             的方差和自相关系数的分析， 探究干湿转换的早期
             因此， 基于现有预测理论和技术水平， 想要准确预                           预警信号， 从而为我国旱涝事件的预测提供重要参
             测干湿转换仍是一项异常艰巨的任务。已有研究                              考， 为防灾减灾工作提供科技支撑。
             表明， 许多复杂非线性系统具有临界阈值， 即在系                           2  资料来源与方法介绍
             统行为或结构发生急剧变化的地方（又可称之为临
             界点）， 系统将在此迅速地从一种状态转换到另一                            2. 1 资料来源
             种 状 态（Scheffer  et  al，  2009；  Fisher  and  Scheffer，   所用资料为中国气象信息中心提供的我国 753
             2011）。这种临界转换现象广泛存在于自然界和人                           个台站 1961 -2020 年逐日降水和蒸发资料。经过
             类社会的各个领域（Venegas et al， 2005； Lenton et            质量控制和剔除存在缺测 5 年及以上的站点， 剩余
             al， 2012； Gopalakrishnan et al， 2016； Spielmann et   589 个站点（图 1）， 根据研究的需要， 利用 589 个站
             al， 2016）， 并且这种转换往往都是灾难性的， 如气                      的降水和蒸发资料计算了各站 K 干旱指数， 并采用
             候系统的突变可能造成文明的衰落或朝代的兴亡                              低通滤波方法提取了 K 干旱指数的年代际趋势
             （Alley et al， 2003； He et al， 2016b）。因此， 亟需开       信息。
             展非线性系统的临界转换的机理及早期预警信号                                  K干旱指数是降水的相对变率与蒸发的相对变
             的研究。                                               率之比（王劲松等， 2007）， 从该指数的定义上可以
                  幸运的是， 21 世纪初， 科学家们发现临界慢化                      看出它不仅考虑了降水在干旱形成中的重要作用，
             理论在研究复杂动力系统的早期预警信号方面展                              也考虑到了温度、 风速和太阳辐射等对干旱的影
             示了重要潜力（Carpenter and Brook， 2006； Guttal           响， 有明确的物理意义。从监测干旱的程度、 范围
             and Jayaprakash， 2008； Scheffer et al， 2009）。临界    和持续时间的角度， 来对比分析 K 干旱指数与其他
             慢化理论最早被应用于统计物理学， 它是由一种动                            常用干旱指数的区域适应性， 结果表明， K 干旱指
             力系统相态转换形成的分散涨落现象， 这种分散涨                            数在我国干旱监测应用中有良好的效果， 可以很好
             落往往表现为扰动的恢复速率变慢、 要素变化幅度                            地 表 征 干 湿 变 化（王 劲 松 等 ， 2013； 吴 哲 红 等 ，
             增大、 恢复到旧相位的能力变小、 涨落的持续时间                           2013； 王素萍等， 2015， 2020）。K 干旱指数也是干
             拉长等现象（于渌和郝柏林， 1984）。Scheffer et al                 旱灾害风险评估中表征致灾因子的一个良好指标
             （2009）通过气候系统、 生态系统、 医学等多个真实                       （郭晓梅， 2018）。为细化干旱监测的时间尺度，
             系统的研究指出系统向临界点趋近时， 会出现系统                            Wang et al（2018）又进一步建立了多时间尺度的 K
             扰动后的恢复速率变慢、 方差增大、 自相关系数增                           干旱指数， 使得 K 干旱指数在干旱监测和干湿变化
             大等临界慢化现象， 这为复杂动力系统突变的早期                            的表征方面有了更好的效果（Uttaruk and Laosu‐
             预警信号研究指明了新方向。晏锐等（2011）基于                           wan， 2019）。因此， 选取 K 干旱指数作为表征干湿
             临界慢化理论对水氡浓度进行研究， 结果表明在                             变化的指标。
             2008 年汶川地震发生前夕出现了方差和自相关系                           2. 2 方法介绍
             数增大的早期预警信号。近年来， 吴浩等（2012，                          2. 2. 1 方差和自相关系数
             2013， 2014）、 Wu et al （2015）、 Tong et al（2014）以        方差是描述样本中数据相对于均值x 1 ，x 2 ，⋯，x N
             及颜鹏程等（2012）将临界慢化理论用于分析我国                           偏离程度的特征量， 自相关系数是描述同一变量不
             各区域气温、 太平洋年代际振荡指数以及阿留申低                            同时刻相互之间相关性的特征量（魏凤英， 1999）。
             压强度等气候资料， 研究气候突变的早期预警信                             本文通过滑动计算序列的方差和自相关系数， 从而
             号。鉴于干湿转换涉及复杂的非线性过程， 可以将                            寻找 K 干旱指数序列状态转换的早期预警信号。
             这类状态转换看作一种系统的突变， 前人基于临界                            具体做法概述如下（图2）：
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