近54 年貴州省洪澇災(zāi)害時空特征及成因分析

張艷梅，谷曉平，顧天紅，彭興德，吳古會，吳 靜

（1.貴州省氣象臺，貴陽 550002；2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴陽 550002；3.貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，貴陽 550002；4.貴州省黔西南州氣象局，貴州 興義 562400）

洪澇災(zāi)害是氣象災(zāi)害中較為嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，災(zāi)害的形成及其嚴(yán)重程度往往是由于各地降水過程在時空尺度上非均勻分布造成的，如果強降水出現(xiàn)頻繁且集中在某一地區(qū)，經(jīng)常會造成洪澇災(zāi)害，IPCC 第五次評估報告指出，由于氣候變暖而導(dǎo)致極端氣候事件的發(fā)生頻率增多、強度加大是一個全球性的趨勢［1］。貴州省靠近孟加拉灣和中國南海，具有明顯的季風(fēng)氣候特點；季風(fēng)出現(xiàn)的遲早及強弱常使降雨量時間和地域上分布不均，貴州省屬于喀斯特地形地貌，地表徑流量大，土壤蓄水能力差，所以洪澇災(zāi)害發(fā)生頻率較高。洪澇災(zāi)害對貴州省的經(jīng)濟和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來極大的危害。目前已有學(xué)者在旱澇方面進行了大量的研究。曹永強等［2］運用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)（SPEI）對遼寧省多時間尺度旱澇特征分析，發(fā)現(xiàn)遼寧省春、夏季持續(xù)性洪澇事件呈增加趨勢，降水量是影響旱澇變化的主要因素。楊金虎等［3］利用 1953—2012 年中國西南地區(qū) 44 個氣象臺站的逐日降水等資料，對近60 年來西南地區(qū)旱澇變化及極端和持續(xù)性特征進行研究，發(fā)現(xiàn)冬春兩季持續(xù)性干旱事件頻率增多，強度增強，而持續(xù)性洪澇事件的強度無明顯變化趨勢，發(fā)生頻率有減少趨勢。李永華等［4］利用重慶市城區(qū)百余年降水量資料，用Z指數(shù)作為旱澇等級標(biāo)準(zhǔn)，研究了重慶市城區(qū)年及四季旱澇的變化特征，研究表明重慶市城區(qū)年及四季干旱和洪澇發(fā)生頻率均在25%以上，年及夏季旱澇的年代際變化特征較明顯。嚴(yán)小冬等［5］分析發(fā)現(xiàn)貴州省持續(xù)性干旱事件以冬旱、春旱發(fā)生次數(shù)最多，秋旱次之，夏旱最少。以往的研究主要基于SPEI、Z 等指數(shù)來研究分析旱澇變化特征［6-10］，且關(guān)于貴州省洪澇變化特征的研究尚不多見。因此，本研究通過對貴州省84 個站的日雨量資料，通過定義單站洪澇指標(biāo)和年度洪澇指標(biāo)，并運用小波分析、合成分析等方法分析貴州省洪澇災(zāi)害的時空變化規(guī)律及環(huán)流異常成因，以期為貴州省洪澇預(yù)測和抗旱減災(zāi)提供一些科學(xué)的參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

貴州省84 個國家氣象站1961—2014 年逐日降水資料，NCAR/NCEP 提供 1961—2014 年逐月經(jīng)向風(fēng)和緯向風(fēng)再分析資料，水平分辨率為2.5°×2.5°。

1.2 方法

采用 Morlet 小波分析近 54 年（1961—2014 年）貴州省洪澇災(zāi)害的周期變化特征。洪澇指標(biāo)的定義［11］分為單站洪澇指標(biāo)和年度洪澇指標(biāo)，單站洪澇指標(biāo)按照持續(xù)時間分為單日、二日和三日或以上3種類型，具體指標(biāo)如表1 所示。

表1 單站洪澇指標(biāo)

為了反映全省年度洪澇的總體發(fā)生情況，特定義年度洪澇指標(biāo)如下。

式中，NH為單站年洪澇指數(shù)；M1、M2、M3分別為單站輕度、中度和重度洪澇的發(fā)生次數(shù)；QS為全省年均洪澇指數(shù)；∑NH為一年中全省發(fā)生洪澇臺站的單站年洪澇指數(shù)之和；M為全省當(dāng)年臺站總數(shù)。單站的輕度洪澇、中度洪澇和重度洪澇對應(yīng)的指數(shù)分別為0.7、0.8、0.9。全省洪澇分級指標(biāo)如下。

一般洪澇年，0.2≤QS＜0.4；較多洪澇年，0.4≤QS＜0.6；多洪澇年，QS≥0.6。

2 結(jié)果與分析

2.1 輕度洪澇的時空變化特征

2.1.1 空間分布特征 1961—2014 年貴州省84 站輕度洪澇總次數(shù)的空間分布如圖1a 所示，可以看出，貴州省輕度洪澇次數(shù)的空間分布差異顯著，在全省范圍內(nèi)存在3 個輕度洪澇次數(shù)發(fā)生頻率較高的地區(qū)，發(fā)生次數(shù)最高的區(qū)域在貴州省西部，主要位于六盤水市東部和南部、安順市西部及黔西南州北部和南部，近54 年輕度洪澇總次數(shù)達60 次以上，其中六枝特區(qū)輕度洪澇次數(shù)出現(xiàn)最多，達93 次；另一個高值中心位于貴州省東南部的丹寨縣、三都縣、雷山縣、獨山縣一帶，為輕度洪澇發(fā)生的次多中心區(qū)域，近54 年輕度洪澇總次數(shù)都在54 次以上，其中丹寨縣輕度洪澇次數(shù)最多，達71 次；貴州省東北部也存在一個輕度洪澇次數(shù)的高值中心，主要位于德江縣、松桃縣、鳳岡縣一線，近54 年輕度洪澇總次數(shù)達35 次以上，其中德江縣輕度洪澇次數(shù)最多，共有63 次。

輕度洪澇發(fā)生的低值區(qū)域主要分布在3 個區(qū)域，一是貴州省西北部的威寧縣、赫章縣、畢節(jié)市一線，輕度洪澇發(fā)生次數(shù)低于10 次，出現(xiàn)次數(shù)最少的為赫章縣，近54 年僅出現(xiàn)2 次；此外，2 個低值區(qū)域主要分布在貴州省東南部的施秉縣、黎平縣、三穗縣一帶及中部的開陽縣、龍里縣、烏當(dāng)區(qū)，輕度洪澇發(fā)生次數(shù)在15 次以下，出現(xiàn)次數(shù)最少的為施秉縣，近54 年共出現(xiàn) 7 次。

2.1.2 輕度洪澇的變化趨勢及周期特征 貴州省84 站輕度洪澇總次數(shù)的年際變化如圖1b 所示，可以看出，近54 年貴州省輕度洪澇次數(shù)呈增加趨勢，其氣候傾向率為0.51 次/10 年。輕度洪澇偏多的年份有 1991、1996、2007 年，輕度洪澇偏少的年份是1973、1975、1981 年。統(tǒng)計各年代輕度洪澇次數(shù)分布發(fā)現(xiàn)，近54 年貴州省共出現(xiàn)3 008 次輕度洪澇。20 世紀(jì)60—80 年代輕度洪澇發(fā)生的頻率相對偏少，最少的為20 世紀(jì)70 年代，僅有439 次，占總次數(shù)的14.6%；其次為20 世紀(jì)80 年代，輕度洪澇發(fā)生次數(shù)為 448 次，占總數(shù)的 14.9%；20 世紀(jì) 90 年代輕度洪澇發(fā)生的次數(shù)明顯增多，共有828 次，占總次數(shù)的27.5%；21 世紀(jì)初輕度洪澇發(fā)生的次數(shù)較多，占總次數(shù)的26.6%。

從貴州省近54 年輕度洪澇總次數(shù)的小波變換系數(shù)（實部）分布（圖1c）可以看出，輕度洪澇指數(shù)具有明顯的年際及年代際尺度變化（正值用實線表示，負(fù)值用虛線表示）。近54 年輕度洪澇指數(shù)在20 世紀(jì)90 年代以前一直存在顯著的準(zhǔn)12 年周期振蕩，強度較強，由2 個明顯的偏強時段和3 個明顯的偏弱時段組成；20 世紀(jì)90 年代以后，在年際尺度上，準(zhǔn)8 年的周期振蕩也一直存在，2014 年以后貴州省輕度洪澇向偏強的趨勢轉(zhuǎn)變。

圖1 1961—2014 年貴州省輕度洪澇總次數(shù)的空間分布（a）、年際變化（b）、小波變換系數(shù)（實部）分布（c）

2.2 中度洪澇的時空變化特征

2.2.1 空間分布特征 1961—2014 年貴州省中度洪澇總次數(shù)的空間分布如圖2a 所示，可以看出，中度洪澇次數(shù)比輕度洪澇次數(shù)明顯減少。中度洪澇與輕度洪澇發(fā)生次數(shù)的空間分布基本一致，中度洪澇發(fā)生次數(shù)也有3 個高值中心，其中一個位于貴州省西部的六枝特區(qū)、普定縣、鎮(zhèn)寧縣、晴隆縣附近，近54 年中度洪澇次數(shù)一般都超過10 次，普定縣為最多（16 次）；貴州省東南部的丹寨縣、麻江縣一帶為中度洪澇發(fā)生次多中心區(qū)域，在10 次左右；東北部的思南縣、江口縣附近也是中度洪澇出現(xiàn)相對較多的區(qū)域，在5～7 次。中度洪澇發(fā)生的低值區(qū)域主要分布在六盤水市北部、畢節(jié)市、黔西南州西部及遵義市大部，銅仁市南部及黔東南州東部和南部等地的中度洪澇次數(shù)也偏少，近54 年全省共有22 站沒有出現(xiàn)過中度洪澇。

2.2.2 中度洪澇的變化趨勢及周期特征 貴州省84 站的中度洪澇總次數(shù)的年際變化（圖2b）顯示，近54 年中度洪澇次數(shù)呈增加趨勢，其氣候傾向率為0.8次/10 年，增加趨勢不明顯。中度洪澇發(fā)生年份最多的為 1996 年，達 28 次；其次為 1970 年，中度洪澇發(fā)生 達 24 次 ；1965、1966、1973、1975、1981、1982、1989、1994、2008、2009 年共 10 年沒有中度洪澇發(fā)生。統(tǒng)計各年代中度洪澇次數(shù)發(fā)現(xiàn)，近54 年共出現(xiàn)331 次中度洪澇。20 世紀(jì)60—80 年代中度洪澇出現(xiàn)較少，占總數(shù)的 42.6%；20 世紀(jì) 90 年代到 2014 年中度洪澇明顯增多，出現(xiàn)中度洪澇最多的為20 世紀(jì)90年代，中度洪澇次數(shù)達106 次，占總中度洪澇次數(shù)的32%，其次是21 世紀(jì)以來，中度洪澇次數(shù)達84 次，占總中度洪澇次數(shù)的25.4%。

圖2 1961—2014 年貴州省中度洪澇總次數(shù)的空間分布（a）、年際變化（b）

從中度洪澇指數(shù)的小波變換系數(shù)分布（圖略）來看，中度洪澇指數(shù)具有明顯的年際及年代際變化特征，近54 年中度洪澇指數(shù)存在顯著的準(zhǔn)22 年周期振蕩。在年際尺度上，20 世紀(jì)80 年代以前存在準(zhǔn)8 年的周期振蕩，1990—2000 年周期振蕩不是很明顯，進入21 世紀(jì)以來，準(zhǔn)8 年的周期振蕩一直存在，2014年以后貴州省中度洪澇向偏強的趨勢轉(zhuǎn)變。

2.3 重度洪澇的特征分析

2.3.1 空間分布特征 1961—2014 年貴州省重度洪澇總次數(shù)的空間分布如圖3a 所示，將各級洪澇空間分布對比發(fā)現(xiàn)，重度洪澇次數(shù)比輕度洪澇次數(shù)、中洪澇發(fā)生次數(shù)明顯減少，其空間分布特征差異顯著，近54 年貴州省西部六枝特區(qū)、安順市、清鎮(zhèn)市一帶出現(xiàn)了重度洪澇，東南部的都勻市、凱里市、貴定縣及銅仁市東部等地也出現(xiàn)過重度洪澇，重度洪澇次數(shù)最多的為六枝特區(qū)、江口縣、雷山縣、羅甸縣、平壩區(qū)等地。

2.3.2 重度洪澇的變化趨勢及周期特征 1961—2014 年貴州省84 站的重度洪澇總次數(shù)的年際變化如圖3b 所示，可以看出，近54 年重度洪澇發(fā)生年份較少，發(fā)生次數(shù)最多的是2014 年，共出現(xiàn)8 次，其次是出現(xiàn)在 1970、1976、1991、1995 年，每年均有 4～6次重度洪澇出現(xiàn)，1963、1985、1997、1999、2006 年均出現(xiàn)了1 次重度洪澇，近54 年中共有42 年沒有重度洪澇發(fā)生。統(tǒng)計各年代重度洪澇次數(shù)發(fā)現(xiàn)，近54 年出現(xiàn)39 次重度洪澇。20 世紀(jì)90 年代和21 世紀(jì)以來重度洪澇偏多，其中20 世紀(jì)90 年代有18 次重度洪澇出現(xiàn)，21 世紀(jì)以來出現(xiàn)9 次，占總次數(shù)的69.2%；20 世紀(jì)60—80 年代重度洪澇均偏少，共出現(xiàn)12 次重度洪澇，占重度洪澇總次數(shù)的30.8%。

圖3 1961—2014 年貴州省重度洪澇總次數(shù)的空間分布（a）、年際變化（b）

從貴州省近54 年重度洪澇總次數(shù)的小波變換系數(shù)（實部）分布（圖略）可見，重度洪澇指數(shù)也具有明顯的年際及年代際尺度變化。近54 年重度洪澇指數(shù)存在準(zhǔn)22 年的周期振蕩，且一直穩(wěn)定存在，在年際尺度上，1990—2014 年存在 8～10 年的周期振蕩。2014 年以后貴州省重度洪澇向偏強的趨勢轉(zhuǎn)變。

2.4 貴州省年度洪澇指數(shù)的特征分析

統(tǒng)計1961—2014 年的年度洪澇指數(shù)，由圖4a 可以看出，近54 年一般洪澇年有15 年，占總數(shù)的28%；較多洪澇年為15 年，占總數(shù)的28%；出現(xiàn)多洪澇年有16 年，占總數(shù)的30%；未發(fā)生洪澇年有8 年，占總數(shù)的14%。

從貴州省近54 年年度洪澇指數(shù)的小波變換系數(shù)（實部）分布（圖4b）可見，年度洪澇指數(shù)周期特征存在明顯的準(zhǔn)22 年周期振蕩，在年際尺度上，20 世紀(jì)80 年代以前存在準(zhǔn)8 年的周期振蕩，1990—2000年存在準(zhǔn)4 年的周期振蕩，進入21 世紀(jì)以來，存在準(zhǔn)8 年的周期振蕩，2014 年以后貴州省年度洪澇指數(shù)向偏強的趨勢轉(zhuǎn)變。

圖4 1961—2014 年貴州省年度洪澇指數(shù)（a）、小波變換系數(shù)（實部）（b）分布

2.5 貴州省洪澇災(zāi)害的氣候成因分析

大氣環(huán)流異常是造成洪澇災(zāi)害發(fā)生的主要原因［12，13］，因此，利用合成分析對貴州省洪澇災(zāi)害異常年份的環(huán)流特征進行分析，由于日雨量超過100 mm主要集中在夏季，選取重度洪澇年（1972、1981、2006、2010 年）和輕度洪澇年（1991、1996、2007、2014 年）分析影響洪澇災(zāi)害天氣發(fā)生的大氣環(huán)流主要環(huán)流因子的特征。

2.5.1 500 hPa 高度場特征 1961—2014 年貴州省輕度洪澇500 hPa 高度場特征如圖5a 所示，可以看出，在中高緯度地區(qū)，烏拉爾山以西高壓脊控制，西伯利亞到巴爾喀什湖為淺槽影響，中國主要受西風(fēng)氣流影響，位于中國東北部的東亞大槽較弱。不利于冷空氣南下，副熱帶高壓588 線西伸到140°E。從重度洪澇500 hPa 高度場特征年（圖5b）來看，中高緯度為兩槽一脊形勢，在烏拉爾山以西到巴爾喀什湖及中國東北-華北一帶為低槽控制，貝加爾湖到蒙古一帶有高壓脊，副熱帶高壓588 線西伸到130°E以西，孟加拉灣有一閉合低壓，表明在重洪澇年東亞大槽偏強，利于冷空氣南下影響，副熱帶高壓比輕洪澇年偏西偏強，有利于西南暖濕氣流輸送，大氣經(jīng)向交換增強，降水偏多，造成洪澇災(zāi)害的發(fā)生。

圖5 1961—2014 年貴州省輕度洪澇（a）、重度洪澇（b）500 hPa 高度場特征

2.5.2 高低層流場特征 從貴州省近54 年輕度洪澇年700 hPa 平均流場（圖6a）來看，蒙古到中國中東部一帶均為偏北氣流影響，從散度場來看，貴州省到華南一帶為正散度區(qū)。從輕度洪澇100 hPa（圖略）平均流場來看，中國秦嶺以南為氣旋式流場，散度場顯示中國大部均為負(fù)輻散度區(qū)，高層輻合低層輻散使得在垂直場上表現(xiàn)為下沉運動，降水偏少。重度洪澇年700 hPa 平均流場（圖6b）顯示，孟加拉灣和青藏高原各有一個氣旋式流場中心，中高緯度在貝加爾湖到蒙古及低緯度的華南到中國東部沿海一帶為反氣旋流場，由高緯度的反氣旋流場前部的偏北氣流和來自低緯度的反氣旋后部的偏南氣流在江南到華南一帶形成切變，從散度場來看該地區(qū)為負(fù)散度區(qū)，有利于水汽輻合。從100 hPa（圖略）平均流場來看，中國受反氣旋流場控制，反氣旋中心位于西北地區(qū)到川西高原一帶，從散度場（圖略）來看，中國西南地區(qū)到長江流域一線為負(fù)散度區(qū)，低層輻合高層輻散有利于輻合上升運動加強，降水偏多。

圖6 1961—2014 年貴州省輕度洪澇（a）、重度洪澇（b）700 hPa 流場特征

3 小結(jié)

1）貴州省洪澇空間分布差異顯著，中度洪澇與輕度洪澇發(fā)生次數(shù)的空間分布基本一致，輕度洪澇次數(shù)發(fā)生頻率最高；中度洪澇出現(xiàn)頻率次之，重度洪澇次數(shù)出現(xiàn)最少。輕度洪澇主要位于六盤水市東部和南部、安順市西部及黔西南州北部和南部，中度洪澇在六枝特區(qū)、普定縣、鎮(zhèn)寧縣、晴隆縣附近；六枝、安順、清鎮(zhèn)一帶也發(fā)生了重度洪澇。

2）近54 年來各級洪澇次數(shù)均呈增加趨勢，20 世紀(jì)60—80 年代各級洪澇發(fā)生的頻率均偏少，20 世紀(jì)90 年代和21 世紀(jì)以來洪澇發(fā)生的次數(shù)明顯增多。

3）貴州省輕度洪澇指數(shù)存在顯著的準(zhǔn)12 年、準(zhǔn)8 年的周期振蕩；中度洪澇明顯的準(zhǔn)22 年、準(zhǔn)8 年的周期振蕩；重度洪澇存在準(zhǔn)22 年、8～10 年的周期振蕩。2014 年以后貴州省重度洪澇向偏強的趨勢轉(zhuǎn)變。

4）貴州省輕度洪澇年受烏拉爾山以西高壓脊控制，東亞大槽較弱，不利于冷空氣南下，西太平洋副熱帶高壓偏東偏弱。重度洪澇年中高緯度為兩槽一脊形勢，孟加拉灣有閉合低壓，副熱帶高壓偏西偏強，有利于西南暖濕氣流輸送，東亞大槽偏強，有利于冷空氣南下影響，大氣經(jīng)向交換增強，降水偏多，造成洪澇災(zāi)害的發(fā)生。輕度洪澇年高層輻合低層輻散使得在垂直場上表現(xiàn)為下沉運動，降水偏少；重度洪澇年由在江南到華南一帶形成切變，低層輻合高層輻散有利于輻合上升運動加強，降水偏多。