1470年以来长江流域降水重建及其特征分析

许文锋, 张乐满, 范依捷, 陈详乐, 段晨辉, 敦静怡, 刘正学, 兰波

地理科学 ›› 2024, Vol. 44 ›› Issue (11) : 2029-2038.

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地理科学 ›› 2024, Vol. 44 ›› Issue (11) : 2029-2038. DOI: 10.13249/j.cnki.sgs.20221177 CSTR: 32176.14.geoscien.20221177
中国式高质量与区域现代化

1470年以来长江流域降水重建及其特征分析

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Precipitation reconstruction and its characteristics in the Yangtze River Basin since 1470

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摘要

根据文献旱涝图集、树轮帕默尔干旱指数(PDSI)图集及GPCC降水数据集，本文重建中国长江流域1470—2000年的降水序列并探讨降水特征变化。长江流域现代器测降水通过旋转经验正交分解可分为5个降水区：长江源区(Ⅰ区)、川汉盆地区(Ⅱ区)、西南山地区(Ⅲ区)、鄂渝山地区(Ⅳ区)、东部平原区(Ⅴ区)。重建降水多元回归模型经检验评估效果较好(P<0.01)，验证期(1951—2000年)内各区重建降水和实测降水具可比性(0.70<r<0.83，P<0.01)，相对偏差介于±30%，重建无明显偏好。各区重建降水在1470—1540年、1660—1705年湿润事件偏多。西、北部的Ⅰ、Ⅱ区降水趋同变化(r=0.27，P<0.01)，Ⅰ区、Ⅱ区降水分别在1935—1985年、1845—1950年出现更多洪涝事件。Ⅲ区降水在1620—1655年、1933—1945年、1986—1994年出现显著干旱。Ⅵ区和Ⅴ区降水显著正相关(r=0.47，P<0.01)。长江流域各区降水存在多个2~7 a的显著短周期。此外，Ⅰ区降水出现9 a、31~51 a的中长周期；Ⅱ区出现22 a、约36 a和256 a的中长周期；Ⅳ区存在约21 a周期；Ⅴ区存在256 a的长周期。

Abstract

According to Drought and Flood Atlas (DFA) based on bibliography, tree-ring reconstructed Palmer drought severity index (PDSI) and GPCC precipitation dataset, 5 precipitation sequences in the Yangtze River Basin (YRB) of China have been reconstructed from 1470 to 2020, and the precipitation characteristics was discussed further. Spatially, the YRB can be divided into 5 precipitation sub-regions based on modern meteorological precipitation, namely: the source region of the Yangtze River (Region Ⅰ), the Sichuan-Han basin region (Region Ⅱ), the southwest mountainous region (Region Ⅲ), the Hubei-Chongqing mountainous region (Region Ⅳ) and the eastern plain region (Region Ⅴ). Significant negative correlations between DFA and the adjacent tree ring reconstructed PDSI in each sub-region have been detected (P<0.01), establishing the basis for the extraction of precipitation information. The R2 of reconstructed precipitation by multiple regression model ranged from 0.16 to 0.68 (P<0.01), and has been further evaluated by effective coefficient, relative deviation (RD), showing that the model was acceptable. The reconstructed precipitation was well comparable to the measured precipitation during the verification period (1951—2000) (0.70<r<0.83, P<0.01). The RD varied between ±30% without obvious bias. More wet events occurred during 1470—1540 and 1660—1705. The precipitation in Region Ⅰ and Ⅱ changed synchronously (r=0.27, P<0.01), with more flood events during 1935—1985 for Region Ⅰ and during 1845—1950 for Region Ⅱ, respectively. The precipitation in region Ⅲ was significant drought at the intervals of 1620—1655, 1933—1945 and 1986—1994. The precipitation in Region Ⅳ and Ⅴ highly correlated (r=0.47, P<0.01). Several short periodicities of precipitation (2-7 a) revealed by multi-taper method of periodicity analysis in the YRB have been obtained. In addition, there were additional periodicities for precipitation in each region, that is, 9 a, 31-51 a in Region Ⅰ; 22 a, 36 a and 256 a in Region Ⅱ; about 21 a in Region Ⅳ ; about 256 a in Region Ⅴ.

关键词

长江流域 / REOF分区 / 降水重建 / 降水周期分析

Key words

the Yangtze River Basin / REOF division / precipitation reconstruction / precipitation periodicity analysis

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许文锋, 张乐满, 范依捷, 陈详乐, 段晨辉, 敦静怡, 刘正学, 兰波. 1470年以来长江流域降水重建及其特征分析[J]. 地理科学, 2024, 44(11): 2029-2038 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.20221177
Xu Wenfeng, Zhang Leman, Fan Yijie, Chen Xiangle, Duan Chenhui, Dun Jingyi, Liu Zhengxue, Lan Bo. Precipitation reconstruction and its characteristics in the Yangtze River Basin since 1470[J]. SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA, 2024, 44(11): 2029-2038 https://doi.org/10.13249/j.cnki.sgs.20221177
中图分类号： P467   

近百年来，全球气候变化显著并进一步深刻影响地球气候系统，极端灾害性天气频发，影响千百年来人类与地球生态系统间的相互适应关系[1-2]。因此，气候重建及特征研究得到科学界的极大关注，尤其是增温背景下多时间尺度降水的时空特征及未来发展趋势[3-4]。旱涝灾害在中国长江流域频发广布，年均成灾面积约占全国总成灾面积的40%[5]，但流域器测降水记录普遍不超过60 a，不利于理解降水的长期规律。
针对现代气象记录的不足，可通过长尺度、高分辨的降水重建弥补[6]，常用方法有树轮法[7-8]和历史文献法[9-10]。1970年以来，中国树轮气候学研究取得长足进步，在树轮资料丰富的西北干旱区和青藏高原地区重建了温度、降水、径流等水文气候变化[11]。Cook等更是基于树轮资料编制了亚洲季风干旱图集（下文简称树轮图集）[12]。近年来，长江流域树轮降水重建得到关注，如在长江源区、青藏高原东南的横断山脉、长江下游等地重建过去几百年的降水序列[13-15]。树轮资料具有定年准、分辨率高、连续性强、与水文要素相关性高等优点而成为降水重建的重要代理指标[16]，但目前长江流域树轮研究主要集中在长江上游，长江中下游的数据稀缺，而中下游地区洪涝灾害史料丰富，是研究过去气候的独特材料。因此，现代中央气象局科学研究院根据2100多本地方志等旱涝记载，编绘了《中国近五百年旱涝分布图集》[17] （简称史料图集），建立了1470—1979年120个站点旱涝等级的逐年序列，随后张德二等又进行了2次续补加以完善[18-19]。多位学者以此为基础，深入探讨了长江局部流域的旱涝时空特征及其调控因素等[20-21]。史料图集在长江上游的数据点稀缺，且基于史料图集的降水分析多以行政区域划界而缺乏降水的地理区域性。因此，整个长江流域的降水重建需统筹规划降水区域、嵌合树轮−史料资料才能更全面的了解降水的时空异质性特征。
树轮资料和史料资料融合后定量重建的降水扩展了降水序列的时间长度，但树轮资料是连续数列而等级制的史料资料是离散数列，二者如何有效嵌合具有挑战性。此外，前人对长江流域局部区域的降水定量重建选择1950年至今为校准期，以实测降水量为因变量，树轮和史料作自变量进行回归计算[6,22-23]。史料图集1470—1950年的等级是基于历史描述的统计评估编制而成，但1951年以后的等级值是基于夏季实测降水量转换而来的[24]。这意味着将1950年后的降水和史料资料用于构建回归函数存有共线性问题[25]。
本文利用旋转经验正交分解（REOF）法对长江流域降水分区，采用1901—1950年的降水与树轮图集、史料图集的主成分得分构建降水回归函数，更具地理区域特征并避免共线性问题。基于重建的各分区自1470年以来的降水序列，进一步对其进行评估并分析降水时空变化特征。

1 研究概况

1.1 研究区概况

长江（90°33′~122°25′E，24°30′~35°45′N）发源于青藏高原的唐古拉山脉，横跨中国东、中和西部经济地带，最终注入东海，全长6387 km，是世界上第三长的河流（图1）[26]。长江流域的气候区包括高原高寒区、热带季风区和亚热带季风区，其中亚热带季风区面积约占全流域的2/3。流域降水较丰沛，但受水汽输送途径及地形地貌等因素的综合影响，降水分布不均，整体呈现从东南向西北递减趋势。流域多年平均降雨量在1100 mm左右，有70%~90%降水集中在5—10月，暴雨多集中在7—8月[27]。因此，长江流域水灾频发广布，如1931年、1935年、1998年和2020年的洪灾造成巨大经济损失[28]。
图1 研究区域及降水器测站点、树轮格点分布

数字为流域内的帕默尔干旱强度指数格点序号

Fig. 1 Study area and distribution of instrumental precipitation stations and tree-ring sampling sites

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1.2 数据来源

长江流域旱涝序列数据资料来自《中国近五百年旱涝分布图集》及其续补和再续补资料[17-19]、《中国西北地区近500 年旱涝分布图集：1470—2008》[29]，由此得到长江流域34个站（图1）的逐年旱涝等级指数，指数分为1~5级，分别对应涝、偏涝、正常、偏旱、旱。史料图集中1470—1950年的旱涝等级是基于历史描述编制，1951—2002年的等级值由实测夏季降水按照旱涝等级划分转换，张德二等学者的研究验证了其可靠性[17-19]。
树轮图集的数据可弥补长江上游地区史料图集站点稀少的不足。树轮图集包括基于534个树轮重建的6—8月帕默尔干旱指数（Palmer Drought Severity Index，PDSI）空间网格数据，研究时段为1300—2005年，分辨率为2.5°×2.5°，覆盖61.25°E~143.75°E，8.75S°~56.25°N的广袤地区[12]。本研究区涵盖16个PDSI数据格点，数据靠近原始树轮采样点，可信度较高。
本文从1901—2013年全球降水气候中心（Global Precipitation Climatology Centre，GPCC）数据集中的precip.mon.total.v7选择长江流域676个格点降水资料①。GPCC降水资料是基于全球陆地67200个超过10 a记录期的站点经严格质控得出，降水资料空间分辨率0.5°×0.5°，时间跨度从1901年1月至2013年12月[30]。王丹[31]等基于国内外广泛运用的2套降水资料GPCC和CRU，利用1901—2013年气象台站实测降水资料分别从季节、年际和年代际尺度上评估其在中国的适用性，结果表明GPCC数据不论是降水量还是降水趋势与实测降水的吻合度更好。多项研究基于GPCC降水资料进行了深入和应用，如验证不同格点降水资料的可靠性、探讨中国东北地区的降水时空变化、计算全球河流的径流系数、研究云贵高原降水/干旱的影响因素以及分析中国长时间序列的干旱特征等[32-36]。这些研究结果印证了GPCC的可靠性和广泛运用性。

2 研究方法

2.1 降水系列重建及检验

2.1.1 降水分区

通过旋转经验正交分解（REOF）对长江流域1961—2020年的GPCC降水进行区域划分以体现降水的空间异质性。REOF是基于经验正交函数（EOF），作方差最大正交旋转，取累计贡献方差符合North检验的前几个主成分作为载荷向量。REOF旋转后的主成分简化了载荷向量的结构又最大限度地表征气候变量场变率，由此得出的空间模态克服了传统EOF分析的载荷变量方差集中、空间结构模糊的缺陷而更具气候特征代表性[37]。REOF载荷模态数目确定采用North检验，将载荷模态特征根λ排序并计算误差范围，如相邻模态的λ无误差重叠，则通过显著性检验而隶属不同模态，如λ误差重叠则停止模态提取[38]。

2.1.2 降水序列重建及检验

树轮和旱涝等级嵌合重建降水序列时，需满足如下要求[25]：① 时间分辨率相似且存在公共信息；② 不能过度简化计算年轮年表和旱涝等级；③ 检验重建函数的可靠性。
本文遵循上述要求并按如下技术路线重建（http://geoscien.neigae.ac.cn/CN/home）：首先，分析树轮数据和旱涝等级的皮尔森相关性，以确保存在共同信息。其次，采用1901—1950年各分区区域平均的GPCC降水为因变量（各区降水序列长度不同）、树轮PDSI及旱涝等级的主成分得分（PCA）为自变量作多元回归，构建最优重建函数。重建函数因变量是通过PCA降维处理树轮PDSI、旱涝等级资料而得到Z-score标准化序列，最大程度保留数据特征并消除二者的量级差异。重建时间选择1901—1950年，是为了消除旱涝等级与实测降水的共线性，因1951年后的旱涝等级基于器测降水转换得出。对于部分区域因数据缺乏而不能提取PCA得分的则直接采用原序列。最后，采用校准样本（1901—1950年）和验证样本（1950—2000年）单独或交叉验证重建函数的可靠性，包括有效系数（CE）、乘积平均数、皮尔逊相关系数r和相对偏差（RD），具体计算方法参见文献[24, 39]。CE是基于重建值与实测值差值的平方和相对于验证期实测值距平平方计算得出的参数，用于检验传递函数的可靠性和稳定性，若CE>0则表明重建可靠。乘积平均数考虑重建值与实测值的距平符号和数值大小，通过t检验比较二者的距平乘积平均数差异，若其大于t分布表99%的概率临界值，则表明重建值包含重建的气候要素信息[39]。相对偏差RD用于评估重建值和实测值的相对差异，其值越接近0表明重建效果越好，计算公式如下：
CE=1.0−∑i(xi−x^i)2∑i(xi−x¯o)2
(1)
RD=x^i−xixi
(2)
式中，x^i为重建降水，xi为实测降水，x¯o为验证期实测降水均值，i为年份。

2.2 降水序列特征分析

降水周期特征分析采用低方差、高分辨的谱分析方法——多窗谱分析法（Multi-Taper Method，简称MTM）。MTM由Thomson于1982年创立，后经不断完善，适用于模拟准周期信号的振幅和位相随时间的演变状况。MTM权衡了谱分辨力与方差，尤其适合高噪声背景下准周期信号的诊断，在非线性气候系统的弱信号、时空依赖信号的低信噪比序列分析中表现突出[40]。

3 结果与讨论

3.1 长江流域降水的空间分区

由North显著性检验可知（表1），模态Ⅰ~模态Ⅴ特征根误差上下限无重叠，而模态Ⅴ与模态Ⅵ部分重叠，因此选取前5模态方差旋转得到5个REOF主分量，将长江流域分为5个降水区域（图2），分别为：
表1 长江流域年均降水的经验正交函数（EOF）、旋转经验正交函数（REOF）前6个模态的特征根误差上下限和方差贡献率

Table 1 Upper and lower limits of characteristic root error and variance contribution rate of the first 6 modes of EOF and REOF based on the average annual precipitation in the Yangtze River Basin

模态 模态Ⅰ 模态Ⅱ 模态Ⅲ 模态Ⅳ 模态Ⅴ 模态Ⅵ
特征根λ误差上限 7606789 3800266 1962971 1224226 1012949 969429
特征根λ误差下限 6821968 3408179 1760444 1097918 908439 869410
EOF方差贡献率 32.89 16.43 8.49 5.29 4.38 未计算
EOF累计方差贡献率 32.89 49.33 57.82 63.11 67.49 未计算
REOF方差贡献率 15.37 14.05 12.78 10.87 8.25 未计算
REOF累计方差贡献率 15.37 29.42 42.20 53.07 61.32 未计算
图2 1900—2000年基于REOF的长江流域年降水变化的空间分区

Ⅰ.长江源区；Ⅱ.川汉盆地区；Ⅲ.西南山地区；Ⅳ.鄂渝山地区；Ⅴ.东部平原区

Fig. 2 Divisions of annual precipitation variations based on REOF in the Yangtze River Basin from 1900 to 2000

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1） 长江源区（Ⅰ区）位于青藏高原，属于高原温带和亚寒带气候区，平均降水量为450 mm，具有明显的高原大陆性气候特征，水汽输送主要受西南季风和西风环流的影响。
2） 川汉盆地区（Ⅱ区）位于四川东北部和陕西南部，年降水量为650~1000 mm，气候主要受东亚季风和西南季风的影响。
3） 西南山地区（Ⅲ区）位于长江流域西南部，地形多样，地势高差大，山地多，下垫面复杂，年均降水量在800~1200 mm之间。由于受西南季风控制，加之地理位置和地形的作用，大部分地区呈现四季不分明、干湿季明显的气候特征。
4） 鄂渝山地区（Ⅳ区）位于长江流域中北部，平均降水量1049 mm，受东南季风和西南季风以及冬季风的交替影响。
5） 东部平原区（Ⅴ区）位于长江流域东部，年均降水在1500 mm之上，主要受东亚季风影响。

3.2 降水重建及评估

整体而言，基于1470—2000年的树轮和旱涝史料具可比性，有效反映当地的降水变化（表2，http://geoscien.neigae.ac.cn/CN/home)，能满足嵌合重建不同类型气候序列的要求。其中，各区的旱涝史料与临近的多个树轮PDSI数据存在极显著负相关性（P<0.01），Ⅲ区的昆明与树轮PDSI-13显著负相关（P<0.05），而贵阳、毕节、重庆与对应气候区的树轮PDSI则无显著相关性（P>0.05）。
表2 1470—2000年长江流域旱涝等级与树轮帕尔默干旱指数（PDSI）的相关矩阵

Table 2 Correlation matrix among drought and flood grade and tree ring PDSI in the Yangtze River Basin in 1470—2000年

玉树 广元 汉中 贵阳 毕节 重庆 昆明 邵县 安康 南阳 上海 苏州
　　注：*、**分别表示通过0.05、0.01的显著性检测，样本数为531。
PDSI-1 −0.42** −0.01 −0.05 −0.08 −0.10* −0.05 0.07 −0.06 −0.02 −0.03 −0.07 −0.04
PDSI-2 −0.60** −0.03 −0.09* −0.07 −0.08 −0.03 0.06 −0.09* −0.07 −0.06 −0.05 −0.03
PDSI-3 −0.50** −0.03 −0.08 0.01 0.00 0.03 0.07 −0.04 −0.09* −0.03 −0.01 −0.01
PDSI-8 −0.34** −0.01 −0.02 −0.12** −0.10* −0.06 −0.03 −0.05 −0.01 −0.04 −0.09* −0.08
PDSI-4 −0.44** −0.07 −0.11* 0.01 −0.02 0.01 0.05 −0.07 −0.08 −0.04 0.00 −0.02
PDSI-5 −0.30** −0.09* −0.12** 0.07 0.03 0.06 0.02 −0.09* −0.10* −0.05 0.08 0.05
PDSI-9 −0.18** −0.15** −0.22** 0.04 0.02 0.04 −0.03 −0.14** −0.19** −0.11** 0.07 0.05
PDSI-10 −0.36** −0.12** −0.15** 0.07 0.03 0.07 0.04 −0.09* −0.11** −0.05 0.06 0.02
PDSI-11 −0.27** −0.16** −0.23** 0.01 0.00 0.04 −0.02 −0.14** −0.20** −0.12** 0.02 0.02
PDSI-13 −0.03 0.01 0.07 −0.05 −0.04 −0.04 −0.10* 0.00 0.09* 0.03 0.06 0.03
PDSI-14 −0.17** −0.12** −0.09* −0.01 −0.04 −0.03 −0.02 −0.10* −0.04 −0.03 0.07 0.05
PDSI-15 −0.02 0.02 0.04 0.00 −0.04 −0.06 −0.08 −0.02 0.06 0.03 0.07 0.06
PDSI-16 0.033 0.01 0.04 0.02 −0.05 −0.06 −0.08 −0.02 0.06 0.03 0.08 0.07
PDSI-6 −0.10* −0.16** −0.23** 0.04 0.03 0.03 −0.05 −0.14** −0.19** −0.13** 0.04 0.04
PDSI-7 −0.05 −0.13** −0.20** 0.02 −0.01 −0.01 −0.07 −0.13** −0.17** −0.13** −0.05 0.00
PDSI-12 −0.06 −0.029 −0.01 −0.05 0.02 0.03 −0.03 0.02 0.02 0.02 −0.11* −0.13**
基于器测降水、旱涝等级和树轮PDSI构建重建函数（表3），表明各分区旱涝等级、树轮PDSI与降水重建具显著关系（P<0.05）。各分区重建函数的有效系数CE>0，表明重建降水可靠。Ⅰ区至Ⅳ区乘积平均数均大于t分布表95%的概率临界值（表3），Ⅴ区大于t分布表90%的概率临界值1.30，表明重建降水包含降水要素信息。1901—1950和1951—2000年的重建值与实测值均达到P<0.01的显著水平。降水的重建序列和实测序列对比显示二者具高可比性，达到极显著相关性（P<0.01），其中校准期（1901—1950年）的相关系数r介于0.41~0.82之间，验证期（1951—2000年）的相关系数r介于0.70~0.83之间（图3）。Ⅰ~Ⅴ区重建降水与实测降水的相对偏差RD介于±30%，表明重建值无明显偏好且重建结果较好。Ⅰ区降水RD相对较离散，可能与校准期样本数偏少有关。
表3 长江流域各降水分区的多元线性回归函数及其验证

Table 3 Multiple linear regression functions of precipitation zones and its verification in the Yangtze River Basin

地区

 多元线性回归方程

 Sig. R2 F CE 乘积平均数 t分布表95%临界值
　　注：X为旱涝等级，X玉树为玉树的旱涝等级Z-score序列，P为树轮帕尔默干旱严重指数PDSI；P12为PDSI-12的Z-score序列；pc1、pc2、pc3分别代表各区树轮或史料的第一、第二和第三主成分轴得分。
Ⅰ区 y=−37.47×X玉树+29.06×Ppc1+560.388 0.01 0.47 6.29 0.48 3.86 1.74
Ⅱ区 y=−44.09×Xpc1+30.33×Xpc2−13.26×Ppc1+867.48 0.04 0.16 3.00 0.52 4.20 1.68
Ⅲ区 y=−57.84×Xpc1+9.44×Ppc1+1026.58 0.01 0.28 8.77 0.80 3.74 1.68
Ⅳ区 y=−97.10×Xpc1+4.92×Xpc2+14.27×Xpc3+27.00×Ppc1+1095.32 0.00 0.68 23.20 0.48 2.94 1.68
Ⅴ区 y=−88.37×Xpc1+14.80×Xpc2+4.35×P12+1558.74 0.03 0.35 6.17 0.12 1.61 1.68
图3 1901—2000年长江流域各分区重建降水与实测降水序列对比及相对偏差

**表示通过0.01的显著性检测，Ⅰ区校准期为1934—1950年（n=17），验证期为1951—2000年（n=50），其余各区校准期均为1901—1950年（n=50），验证期均为1951—2000年（n=50）

Fig. 3 Comparison between reconstructed precipitation and instrumental precipitation and relative deviation in precipitation regions of the Yangtze River Basin from 1901 to 2000

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3.3 降水特征分析

1470—2000年长江流域各分区的重建降水结果具同步性及区域特异性特征（图4，表4），总体而言，各区在1470—1540年、1660—1705年湿润事件更多。西、北部的Ⅰ、Ⅱ区降水具有趋同的变化趋势（r=0.27，P<0.01），表明影响西部地区降水的驱动力更为相似。其中，Ⅰ区、Ⅱ区降水分别在1935—1985年、1845—1950年具更多洪涝事件。Ⅱ区与相邻的Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ区均具有显著正相关（P<0.01），而与东部Ⅴ区无显著相关，说明Ⅱ区可能更多的受到西南季风以及地形、纬度的影响。Ⅲ区降水在1620—1655年、1933—1945年、1986—1994年出现显著干旱。Ⅵ区和Ⅴ区降水显著正相关（r=0.47，P<0.01），可能主要受到东亚季风的影响。
图4 1470—2000年长江流域各降水分区重建降水序列

灰线为重建降水量，黑线为11 a滑动平均值，点线从上至下分别代表偏涝、涝、旱、偏旱的阈值，蓝、红色条带分别对应于湿润和干旱气候

Fig. 4 Precipitation reconstruction in precipitation region of the Yangtze River Basin from 1470 to 2000

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表4 1470—2000年长江流域各降水分区重建降水序列相关系数 （n = 531）

Table 4 Correlation coefficients among precipitation reconstruction in each zone of the Yangtze River Basin in 1470—2000 (n = 531)

地区Ⅰ区Ⅱ区Ⅲ区Ⅳ区Ⅴ区
　　注：**表示通过0.01的显著性检测。
Ⅰ区1.00
Ⅱ区0.27**1.00
Ⅲ区0.060.13**1.00
Ⅳ区0.020.27**0.24**1.00
Ⅴ区0.010.020.17**0.47**1.00
对1470—2000年长江流域重建降水序列的MTM多窗谱周期分析（图5）表明：各区均存在多个2~7 a的显著短周期。Ⅰ区降水存在多个2~6 a、9 a的短周期及31~51 a的中长周期。Ⅱ区出现2 a、3~4 a的短周期及22 a、36 a和256 a的中长周期。Ⅲ区则主要以2~6 a的短周期为主。Ⅳ区存在2~3 a、5 a、21 a的周期。Ⅴ区降水2~7 a的短周期显著，还存在256 a的长周期。综上，MTM多窗谱分析表明，长江流域不同分区降水的周期以2~7 a的短周期为主，此外Ⅱ区、Ⅳ区存在准21 a周期，Ⅰ区存在31~51 a周期，Ⅱ区、Ⅴ区的256 a周期显著。
图5 1470—2000年长江流域各区重建降水MTM多窗谱周期分析

数值为MTM多窗谱的周期，单位a

Fig. 5 Multi-window spectral analysis of precipitation in each region of the Yangtze River Basin during 1470—2000

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4 结论

本文以实测降水、树轮图集和史料图集为基础，采用REOF法对长江流域进行降水分区， 重建各分区自1470年以来的降水序列，分析降水时空变化规律及周期特征，得出以下结论:
1）基于1961—2020年GPCC降水格点数据，长江流域分为5个降水区，即：长江源区（Ⅰ区）、川汉盆地区（Ⅱ区）、西南山地区（Ⅲ区）、鄂渝山地区（Ⅳ区）、东部平原区（Ⅴ区）。
2）重建降水多元回归模型R2介于0.16~0.68之间（P<0.05），经CE、乘积平均数检验评估，整体效果较好。验证期（1951—2000年），各区降水的重建序列和实测序列具良好可比性（0.70<r<0.83, P<0.01），相对偏差处于±30%的波动范围，重建无明显偏向且重建结果较好。
3）长江流域过去500多年各区重建降水在1470—1540年、1660—1705年湿润事件偏多。西、北部Ⅰ、Ⅱ区的重建降水趋同变化（r=0.27, P<0.01），Ⅰ区、Ⅱ区降水分别在1935—1985年、1845—1950年偏湿润。Ⅲ区降水在1620—1655年、1933—1945年、1986—1994年出现显著干旱。Ⅵ区和Ⅴ区降水显著正相关（r=0.47, P<0.01），可能与东亚季风的主控作用有关。
4）整体上，长江流域各区降水均存在多个2~7 a的显著短周期。此外，Ⅰ区降水还出现9 a、31~51 a的周期；Ⅱ区出现22 a、36 a和256 a的中长周期；Ⅳ区存在约21 a周期；Ⅴ区存在256 a的长周期。

图S1 技术路线示意图

Fig. S1 Working route diagram

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图S2 长江源区（Ⅰ区）树轮PDSI指数与旱涝等级的比较图

Fig. S2 Comparison of PDSI of tree rings and drought and flood grades in Region I of Yangtze River Basin

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图S3 川汉盆地区（Ⅱ区）树轮PDSI指数与旱涝等级的比较

Fig. S3 Comparison of PDSI of tree rings and drought and flood grades in Region Ⅱ of Yangtze River Basin

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图S4 西南山地区（Ⅲ区）树轮PDSI指数与旱涝等级的比较

Fig. S4 Comparison of PDSI of tree rings and drought and flood grades in Region Ⅲ of Yangtze River Basin

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图S5 鄂渝山地区（Ⅳ区）树轮PDSI指数与旱涝等级与旱涝等级的比较

Fig. S5 Comparison of PDSI of tree rings and drought and flood grades in Region Ⅳ of Yangtze River Basin

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图S6 东部平原区（Ⅴ区）树轮PDSI指数与旱涝等级与旱涝等级的比较

Fig. S6 Comparison of PDSI of tree rings and drought and flood grades in Region Ⅴ of Yangtze River Basin

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基金

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重庆市科委面上项目(cstc2019jcyj-msxmX0656)
重庆市教委青年项目(KJQN201801221)
重庆三峡学院校人才引进项目(17RC08)
重庆“三峡库区水环境演变与污染防治”重点实验室开放基金项目(WEPKL2019ZD-02)
三峡库区可持续发展研究中心开放基金(18sxxyjd12)

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