貴州省旱澇急轉時空特征與大氣環(huán)流異常的聯(lián)系

王玥彤，張嬌艷，何東坡，陳早陽，王 爍，曹 蔚

(1.貴州省氣候中心，貴陽 550002；2.貴州省氣象臺，貴陽 550002)

引言

夏季干旱和洪澇是影響貴州省的最嚴重的兩種自然災害，因此對夏季旱澇的預測是一年中最重要的短期氣候預測服務之一，為各級政府做出行之有效的決策部署提供科學的依據(jù)。近年來，受到全球氣候變暖影響，各地氣候事件極端性不斷增加。胡順起等[1]發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)極端干旱事件頻次呈波動遞增趨勢。范蘇丹等[2]發(fā)現(xiàn)山東省極端降水頻次在增加，而貴州省2009年夏季至2010年春季出現(xiàn)了持續(xù)連旱，全省9個市(州)均不同程度遭受旱災；2020年6～7月貴州省降水異常偏多，出現(xiàn)不同程度的洪澇災害，對脫貧攻堅最后的沖刺造成了不小的影響。不少學者針對我國南方地區(qū)夏季旱澇急轉事件展開了研究，目前針對西南地區(qū)、長江流域、華南地區(qū)等地的旱澇急轉研究已取得一定進展。孫小婷等[3]研究發(fā)現(xiàn)西南地區(qū)旱澇急轉事件有明顯的年代際變化，并且旱轉澇年的旱期中緯度地區(qū)西風帶偏強，澇期中高緯環(huán)流的經(jīng)向度偏強，澇轉旱年則相反。張?zhí)煊畹萚4]針對重慶市的歷史旱澇急轉事件展開研究，發(fā)現(xiàn)西太平洋副高的季節(jié)內振蕩的異常是重慶旱澇急轉的主要原因。沈柏竹等[5]、封國林等[6]以及李明等[7]分別針對2011年長江中下游地區(qū)旱澇急轉的特征和成因展開研究。吳志偉等[8-9]對長江中下游地區(qū)的旱澇急轉指數(shù)進行了定義。何慧等[10]及張玉琴等[11]分別對華南地區(qū)旱澇急轉特征及大氣環(huán)流特征進行了分析，同樣發(fā)現(xiàn)旱澇急轉事件在不同的年代際有明顯的變化特征。

貴州省位于云貴高原東側，夏季降水量為394.2～838.7mm，平均降水量為560.5mm，占全年總降水量47.5%。貴州省夏季降水受到副高位置的影響較大，特別是盛夏之后，副高異常偏北和偏西時，貴州省降水偏少，易出現(xiàn)干旱天氣；反之，當副高偏南偏東時，夏季降水偏多，易出現(xiàn)洪澇災害[12]。李忠燕等[13]指出貴州省盛夏時期(7～8月)旱澇急轉有明顯年代際變化特征，發(fā)生頻次空間分布不均。自21世紀以來貴州省夏季降水格局“旱澇并存、旱澇急轉”表現(xiàn)得更加突出[14]。本研究從貴州省夏季降水變化的異常出發(fā)，研究貴州省夏季長周期旱澇急轉時空分布特征及其與同期大氣環(huán)流異常的聯(lián)系，期望能得出一些規(guī)律為貴州省夏季降水預測做出一定的參考依據(jù)。

1 資料和方法

為定量研究貴州省夏季旱澇急轉事件的特征，本文參考吳志偉等[9]定義的長周期旱澇急轉指數(shù)LDFAI(Long-cycle Drought-Flood Abrupt Alternation Index)：

LDFAI=(R78-R56)·(|R56|+|R78|)×1.8-|R56+R78|

(1)

其中：R78為7～8月標準化降水量，R56為5～6月標準化降水量。(R78-R56)為旱澇急轉強度項，|R56|+|R78|為旱澇強度項；1.8-|R56+R78|是權重系數(shù)，作用是增加長周期旱澇急轉事件所占權重，降低全旱或全澇事件權重。定義長周期尺度為旱和澇事件尺度均在2個月左右，以5～8月累計降水量來表征夏季降水。研究中將降水距平<0.5個標準差(<-0.5δ)定義為偏旱，將降水距平>0.5個標準差(>0.5δ)定義為偏澇。

貴州省地理位置特殊，降水空間分布差異較大，本研究采用經(jīng)驗正交函數(shù)(empirical orthogonal function，EOF)分解方法，對貴州省5～8月降水量進行分析，進而獲得全省降水的空間分布特征。

所用資料：

(1)NCEP/NCAR提供的逐月再分析資料，包括500hPa高度場、700hPa垂直速度場、850hPa風場和濕度場。

(2)貴州省1961～2019年5～8月(下稱：夏季)逐月降水資料。

(3)單層水汽通量計算公式[15]為：

(2)

2 貴州省旱澇急轉事件時空分布特征

2.1 全省范圍內旱澇急轉事件的時間演變特征

表1給出了1961～2019年中5個最高(低)LDFAI年份及其5～6月、7～8月標準化降水量表。從表中可知，在LDFAI高值年份中，5～6月與7～8月降水均滿足異常(即標準化絕對值超過0.5δ)，說明5個高LDAFI年5～6月都顯著偏旱，7～8月全部明顯偏澇，5～6月降水至7～8月降水存在明顯增加的變化特征。在LDFAI低值年份中，5～6月降水都滿足異常顯著偏澇，7～8月降水有3年滿足異常明顯偏旱，表現(xiàn)出5～6月降水至7～8月降水明顯減少的變化。因此該指數(shù)基本能夠表征貴州省夏季長周期旱澇急轉的變化趨勢，高LDFAI年對應著“旱轉澇”，低LDFAI對應“澇轉旱”。從高低值指數(shù)年的差異來看,旱轉澇年絕對值的數(shù)值較大,說明貴州省夏季旱轉澇異常程度大于澇轉旱的程度。

表1 1961～2019年貴州省高、低LDFAI年及其對應的夏季5～6月和7～8月的標準化降水量

分析1961～2019年貴州省旱澇急轉指數(shù)(圖1)的逐年演變特征曲線可知， LDFAI指數(shù)存在較大的年際差異，其中1991年為歷年最高，結合表1分析可知5～6月份降水偏少1.33δ而7～8月降水又偏多1.91δ；1978年為歷史最低，5～6月降水偏多1.65δ，而7～8月降水偏少1.09δ。貴州省夏季旱澇急轉事件有連續(xù)與階段性并存的特點，20世紀60年代以澇轉旱事件為主，70年代以旱轉澇事件為主，20世紀80年代中期到90年代中期,旱轉澇事件與澇轉旱事件交替出現(xiàn)，且強度較強，21世紀開始多以旱轉澇事件為主要表現(xiàn)形式，振幅在2010年后表現(xiàn)偏小，說明近20年貴州省沒有極端異常的旱澇急轉事件出現(xiàn)，旱澇急轉程度偏輕。同時，21世紀以來澇轉旱事件雖有發(fā)生，但強度弱?？傮w而言，貴州省旱轉澇年指數(shù)數(shù)值比澇轉旱年偏大，說明一旦夏季貴州省出現(xiàn)旱澇急轉異常,旱轉澇的強度要強于澇轉旱年。

2.2 貴州省旱澇急轉空間分布特征

在空間上，貴州省的降水有較明顯的空間分布特征，經(jīng)分析，貴州省夏季降水EOF分解的第一模態(tài)為全區(qū)一致型，方差貢獻率為42.1%，第二模態(tài)為東西型，方差貢獻率為10.16%，第三模態(tài)為南北型，方差貢獻率為7.86%。本研究利用降水EOF第二模態(tài)和第三模態(tài)分區(qū)后分別討論不同區(qū)域的旱澇急轉事件強度，經(jīng)過分區(qū)分別討論東部(53站)及西部(30站)，南部(46站)及北部(37站)的分布特征。圖2為具體劃分區(qū)域。

1961～2019年中東-西分布型，南-北分布型的旱澇急轉分布情況如表2所示。分析發(fā)現(xiàn)旱轉澇(+LDFAI)事件在省之東部及南部發(fā)生次數(shù)最多為11次，西部其次發(fā)生了10次，北部最少為8次，說明在省內的不同區(qū)域中，東部及南部相對于西部和北部更容易發(fā)生旱澇急轉事件，但從強度上說，北部強度最強平均值為4.16，最大值為12.4，最小也有1.37，南部的強度最弱，平均值僅為2.59，最大值為4.69，說明旱澇急轉事件更容易出現(xiàn)在南部及東部，但是強度較弱，發(fā)生在北部的頻次較低，但發(fā)生后旱澇急轉強度較大，可能造成的危害更大。

澇轉旱(-LDFAI)事件的頻次上與旱轉澇年相似，東部發(fā)生頻次最高有11次，南部次之有10次，西部和北部有8次。但從強度上看依舊是北部最強，平均值為-2.62，最強為-6.71，東部的強度平均值最小為-2.07。從整體上看，澇轉旱事件發(fā)生的強度不論是從全省范圍內考慮還是分區(qū)域都弱于旱轉澇事件的強度。

從年代際變化方面分析全省不同區(qū)域旱澇急轉事件發(fā)生頻次如圖3(a)所示：旱轉澇(+LDFAI)事件在1990s全省累計發(fā)生頻次最多，達12次；1980s其次，累計發(fā)生頻次為9次；2000s累計發(fā)生頻次為8次；1960s累計發(fā)生頻次為6次；1970s累計發(fā)生頻次為3次；2010年以后次數(shù)最少，累計發(fā)生頻次僅為2次。從年代際變化情況來看，1980s～2000s發(fā)生旱澇急轉事件頻次最多，2010年后發(fā)生的頻次最低。從空間分布來看，西部在1990s發(fā)生的頻次最高，達5次，其余年代僅發(fā)生1次；東部地區(qū)在2010s之前每個年代際都有2～3次發(fā)生，但2010年后沒有發(fā)生過旱澇急轉事件。總體而言，全省每個年代都有旱轉澇事件發(fā)生，特別是西部和北部地區(qū)，發(fā)生頻次在1980s～2000s最高。

圖3(b)為澇轉旱年(-LDFAI)分布情況：1970s全省發(fā)生頻次最多，達15次，其中東部和北部發(fā)生了5次，東部和北部澇轉旱事件較重；其次是1990s，累計發(fā)生頻次為9次；2010s累計發(fā)生頻次為7次；1960s和1980s發(fā)生頻次最少，僅有1次，分別發(fā)生在北部和西部?？偟膩碚f，澇轉旱事件在東部地區(qū)發(fā)生頻次較高。相比較旱轉澇年代際分布特征，澇轉旱事件發(fā)生頻次在不同的年代發(fā)生差異較大，但總體次數(shù)是少于旱轉澇事件的。但2010年以后，澇轉旱事件發(fā)生頻次高于旱轉澇事件發(fā)生頻次。

3 貴州省旱澇急轉異常年同期大氣環(huán)流和水汽輸送特征

本研究選擇LDFAI指數(shù)從大到小的排序方式，選取高值年前5年(1991、1986、2008、1993、1970)作為“旱轉澇”異常年的代表；低值年前5年(1978、1992、1990、1971、1976)作為典型“澇轉旱”異常年進行討論和分析(表1)。

表2 1961～2019年貴州省旱澇急轉指數(shù)分區(qū)域統(tǒng)計表

3.1 500hPa高度場分布特征

從貴州省夏季長周期旱澇急轉異常年500hPa高度場分布可以看出以下特征：

旱轉澇年(圖4(a))，旱期5～6月東亞地區(qū)主要受正距平控制，歐亞中高緯地區(qū)高度距平場由西至東呈“+ - +”的帶狀分布，緯向運動較強。中低緯度地區(qū)副高5860線位于孟加拉灣-南海-太平洋一線，與氣候平均態(tài)接近，略偏東，面積略偏小，5880線位于西太平洋，與氣候平均態(tài)相比，面積偏小，西伸脊點偏東，強度偏弱。貴州省位于5860線北側，不利于南海及西太平洋的水汽輸送，貴州省易出現(xiàn)干旱少雨天氣。而到了澇期的7～8月(圖4(b))，位勢高度場我國江淮、華北、東北南部地區(qū)顯著負距平；歐亞中高緯地區(qū)高度距平場為由西至東為“- +”分布，東亞地區(qū)從北到南為“+ -”型分布，槽脊分布明顯，環(huán)流經(jīng)向運動偏強，利于引導北極地區(qū)冷空氣南下；中低緯度地區(qū)副高主體較旱期明顯北跳，5860脊線位置位于江南地區(qū)，與氣候平均態(tài)相比位置偏南，面積偏小，貴州省位于副高西北側邊緣，水汽輸送充沛，配合南下冷空氣，有利于降水增多。

澇轉旱年(圖4(c))，澇期5～6月東亞低緯度地區(qū)位勢高度場為負距平控制，印緬槽偏強，歐亞中高緯地區(qū)由西到東距平場呈“+ - +”分布，烏拉爾山地區(qū)槽偏強，貝加爾湖地區(qū)脊偏強，環(huán)流經(jīng)向度大，冷空氣活躍。副高5860線位于南海-西太平洋相比，氣候平均態(tài)明顯面積偏小，位置偏南偏東；冷暖空氣交匯于長江中下游地區(qū)，利于貴州省降水偏多。旱期7～8月(圖4(d))歐亞中高緯地區(qū)由西到東距平場呈“- + -”分布，貝加爾湖以北地區(qū)為明顯正距平，高壓脊偏強，我國東北地區(qū)至鄂霍次克海為負距平區(qū)，中高緯度地區(qū)由北至南為“+ -”型距平場分布，但我國南方地區(qū)位勢高度場為正距平，高緯地區(qū)的冷空氣僅能南下至華北地區(qū)。副高位置相對澇期明顯北跳，但相對旱轉澇年的7～8月位置偏北，與氣候平均態(tài)略偏東，副高北界沒有明顯差異。冷暖空氣交匯區(qū)北推至淮河以北，華北地區(qū)降水增多，貴州省受高壓脊控制，干旱少雨。

3.2 700hPa垂直速度差值場

對貴州省夏季長周期旱澇急轉異常年700hPa合成垂直速度差值場進行分析發(fā)現(xiàn)，5～6月(圖5(a))貴州地區(qū)為正差值區(qū)域，表示旱轉澇年旱期低層下沉運動為主，不利于降水，易形成干旱；反之，澇轉旱年的澇期低層上升運動較強，為貴州省降水提供了有利的動力條件。到了7～8月(圖5(b))差值場相反，貴州省及西南大部分地區(qū)位于垂直運動負值區(qū)，上升運動為主，利于水汽輻合，為貴州省降水偏多提供了有利條件；反之澇轉旱年的旱期，低層為下沉運動，不利于降水形成。

3.3 850hPa水汽通量散度差值場

圖6為貴州省夏季長周期旱澇急轉異常年東亞地區(qū)850hPa水汽通量散度合成差值場，5～6月(圖6(a))水汽通量散度負值區(qū)主要位于四川盆地至華北地區(qū)，以及東部沿海地區(qū)，上述區(qū)域水汽輻合，有利于降水形成，而貴州省及南方大部分地區(qū)位于水汽通量散度正值區(qū)，說明來自南海及西太平洋的水汽輸送較弱，貴州位于水汽輸送輻散區(qū)，不利于降水，易形成干旱。

7～8月(圖6(b))中國西南地區(qū)水汽輸送為西南風方向，來自南海及孟加拉灣的水汽條件充沛，水汽輸送偏強，貴州省及西南大部分地區(qū)位于水汽通量散度負值區(qū)，貴州位于水汽輸送輻合區(qū)，有利于降水偏多。

4 結論

本文利用了夏季5～6月和7～8月的降水計算了貴州省長周期旱澇急轉指數(shù)，并通過該指數(shù)分析得到了貴州省夏季旱澇急轉事件的基本特征和與大氣環(huán)流的聯(lián)系，主要結論如下：

(1)貴州省夏季旱澇急轉事件有連續(xù)與階段性并存的特點：20世紀60年代以澇轉旱事件為主，70年代以旱轉澇事件為主，20世紀80年代中期到90年代中期，旱轉澇事件與澇轉旱事件交替出現(xiàn)，且強度較強；近20年貴州省沒有極端異常的旱澇急轉事件出現(xiàn)，旱澇急轉程度偏輕。從LDFAI異常偏高和偏低指數(shù)的年份來看，貴州省旱轉澇年比澇轉旱年偏強，說明一旦夏季貴州出現(xiàn)旱澇急轉異常,旱轉澇的強度要強于澇轉旱年。

(2)從不同空間分布的旱澇急轉事件分析發(fā)現(xiàn)，旱澇急轉事件更容易出現(xiàn)在南部及東部，但是強度較弱，發(fā)生在北部的頻次較低，但發(fā)生后旱澇急轉強度較大，可能造成的危害更大。澇轉旱事件頻次與旱轉澇年相似，強度北部最強，但澇轉旱事件發(fā)生的強度不論是從全省范圍內考慮還是分區(qū)域都弱于旱轉澇事件的強度。在年代際分布特征來看，旱澇急轉事件在各個年代發(fā)生頻次差異都較大，相比較旱轉澇年代際分布特征，澇轉旱事件發(fā)生頻次在不同的年代發(fā)生差異較大，但次數(shù)少于旱轉澇事件。

(3)旱轉澇年，旱期副高面積偏小、西伸脊點偏東、副高偏弱、貴州省位于其北側，且為下沉運動，不利于水汽輸送，貴州省易出現(xiàn)干旱少雨天氣。澇期高度場為經(jīng)向型環(huán)流，引導冷空氣南下，副高脊線位置偏南，面積偏小，貴州省位于副高西側邊緣，低層為上升運動，且水汽輸送充沛。澇轉旱年，澇期環(huán)流經(jīng)向度大，冷空氣活躍，副高位置偏南偏東，冷暖空氣交匯于長江流域，利于貴州省降水偏多。旱期副高偏北偏東，貴州省受高壓脊控制，干旱少雨。

本研究分析了貴州省夏季長周期旱澇急轉事件的演變規(guī)律和空間分布特征，以及對同期環(huán)流異常特征進行了探究，在下一步的工作中，將重點研究前期大氣環(huán)流異常對旱澇急轉事件的影響，建立預測模型，并應用于預測業(yè)務工作中。