基于SPI的陽(yáng)泉市近40年4—9月旱澇特征及成因分析

岳凱杰 李 燕 張 娜 賈立亭

（陽(yáng)泉市氣象局，山西陽(yáng)泉 045000）

陽(yáng)泉市屬于典型的東亞季風(fēng)氣候區(qū)，4—9月平均降水量占全年降水量的88%，但年際波動(dòng)相對(duì)值大，干旱、洪澇時(shí)有發(fā)生[1]，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源和防汛安全影響很大。因此，掌握其時(shí)空變化特征、做好氣象服務(wù)對(duì)指揮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和防災(zāi)減災(zāi)至關(guān)重要。

標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）因具有多時(shí)間尺度且計(jì)算要素單一等特點(diǎn)而被廣泛使用[2-3]。本文通過(guò)分析陽(yáng)泉市1980—2019年4—9月SPI值，研究陽(yáng)泉市旱澇變化的時(shí)空特征，以期為提升當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)能力提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

本研究所用資料為陽(yáng)泉市3個(gè)國(guó)家氣象站1980—2019年逐日氣象資料（由山西省氣象信息中心提供），數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制。

1.2 研究方法

不同時(shí)間、不同地區(qū)的降水量變化幅度大且呈現(xiàn)偏態(tài)分布，難以在不同時(shí)空尺度上直接相互比較[4-5]。標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）是表征某時(shí)段降水量出現(xiàn)概率的指標(biāo)：在計(jì)算出某時(shí)段內(nèi)降水量的Γ分布概率后，再進(jìn)行正態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化處理，最終用標(biāo)準(zhǔn)化降水累計(jì)頻率分布劃分旱澇等級(jí)。計(jì)算公式如下：

式中：β＞0、γ＞0分別為 Γ 分布函數(shù)的尺度和形狀參數(shù)；x為降水量樣本值。SPI等級(jí)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 不同旱澇等級(jí)SPI值范圍

2 結(jié)果與分析

2.1 陽(yáng)泉市4—9月旱澇分布特征

2.1.1 旱澇時(shí)空特征分析和年際變化。利用1980—2019年4—9月6個(gè)月時(shí)間尺度的SPI對(duì)陽(yáng)泉市3個(gè)縣（區(qū)）旱澇特征進(jìn)行分析，見(jiàn)圖1（a）。由于陽(yáng)泉市地域面積小，3個(gè)縣（區(qū)）旱澇特征變化具有一致性，近 40年間，平定偏旱15年、偏澇 13年、正常12年；陽(yáng)泉城區(qū)偏旱14年、偏澇11年、正常14年；盂縣偏旱11年、偏澇8年、正常21年。表明陽(yáng)泉市南部較北部更易出現(xiàn)旱澇現(xiàn)象。40年間4—9月SPI最小值為1997年，3個(gè)站 SPI值為-2.68～-2.24，屬極旱；降水量?jī)H為182.7～250.9 mm，相當(dāng)于歷年均值的40%，是陽(yáng)泉市建站以來(lái)降水最少的年份。40年間，陽(yáng)泉市4—9月出現(xiàn)1次重旱，為1986年；3次中旱，分別為1991年、2001年和2019年，其他偏干年份均為輕旱。40年間，陽(yáng)泉市4—9月SPI最大值出現(xiàn)在1988年，3個(gè)站SPI值為-2.15～1.82，屬重澇；全市4—9月降水量為706.7～742.0 mm，較常年偏多60%，1995年、2016年也出現(xiàn)重澇，1983年、1996年和2006年為中澇，其他偏濕年均為輕澇。從3個(gè)站的5年滑動(dòng)平均SPI指數(shù)看，20世紀(jì)80年代陽(yáng)泉市4—9月降水年際變化大；20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初以偏少為主，出現(xiàn)了多年連續(xù)干旱；2005年以后降水以偏多為主，見(jiàn)圖1（b）。

2.1.2 旱澇月尺度變化特征。對(duì)陽(yáng)泉市各年代4—9月逐月SPI進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。40年間，陽(yáng)泉市4月降水偏少13年、偏多15年、正常12年，且近10年以偏多為主，表明陽(yáng)泉市4月降水有增多趨勢(shì)；5月降水偏少15年、偏多13年、正常12年，且近10年偏少年份占1/2，表明陽(yáng)泉市5月降水有減少趨勢(shì)；6月降水偏少11年、偏多13年、正常16年；7月降水偏少10年、偏多12年、正常18年；8月降水偏少12年、偏多14年、正常14年；9月降水偏少11年、偏多12年、正常17年，且近10年偏多年份占近1/2，說(shuō)明陽(yáng)泉市9月降水有增多趨勢(shì)。

表2 1980—2019年陽(yáng)泉市各年代4—9月逐月旱澇次數(shù) 單位：次

對(duì)4—6月、7—9月3個(gè)月時(shí)間尺度和5—6月、7—8月2個(gè)月時(shí)間尺度降水SPI值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，4—6月SPI值年際變化大，最小出現(xiàn)在1997年（-2.83），且1996年以前以偏多為主，之后呈現(xiàn)偏少趨勢(shì)，主要是由于6月降水減少造成的。7—9月SPI值在1997年以前年際變化大，在2005年以后以偏多為主，說(shuō)明陽(yáng)泉市主汛期降水有增加趨勢(shì)，且4—9月SPI值變化趨勢(shì)與7—9月SPI值變化趨勢(shì)相似。這是由于7—9月是全市主要降水時(shí)段，對(duì)SPI貢獻(xiàn)更大造成的。從年代際變化特征看，20世紀(jì)80年代降水年際變化大，且表現(xiàn)為4—6月較濕潤(rùn)，7—9月偏干旱；20世紀(jì)90年代降水整體偏少，且4—9月均偏少；21世紀(jì)前10年降水呈逐年增多趨勢(shì)，其中4—6月降水正常、7—9月降水增多；2010年以來(lái)陽(yáng)泉市降水整體以偏多為主，其中4—6月偏少、7—9月偏多。表明近20年來(lái)，7—9月陽(yáng)泉市降水呈增多趨勢(shì)。

2.2 旱澇對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和防汛工作的影響

陽(yáng)泉市平均入春時(shí)間為3月30日，北部略偏晚，為4月6日。陽(yáng)泉市春播期為4—5月，春播期第一場(chǎng)“好雨”（4—5月降水量≥10 mm的降水）平均出現(xiàn)在4月20日。對(duì)1980—2019年陽(yáng)泉市4—5月SPI值進(jìn)行分析，見(jiàn)圖2（a），降水偏少 9年、偏多11年、正常20年，其中：1992—2005年出現(xiàn)了多年連續(xù)春季干旱，造成了春季農(nóng)業(yè)播種困難；近年來(lái)陽(yáng)泉市4—5月播種期降水接近常年且略偏多，整體有利于春季農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

7月底至8月初西太平洋副熱帶高壓脊線越過(guò)北緯30°，山西雨季開(kāi)始[1]。7—8月是陽(yáng)泉市主汛期，也是陽(yáng)泉市農(nóng)作物生長(zhǎng)關(guān)鍵期。陽(yáng)泉市夏季第一次“汛雨”（日降水量≥30mm）平均出現(xiàn)在7月10日。對(duì)陽(yáng)泉市7—8月降水SPI值進(jìn)行分析，見(jiàn)圖2（b）。40年間，偏少12年、偏多12年、正常16年，近10年陽(yáng)泉市7—8月降水除2015年、2019年偏少外，以偏多為主。降水情況雖有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但對(duì)防汛提出了更高要求。

不同級(jí)別降水在不同季節(jié)中的作用是不一樣的，4—5月春季旱澇變化主要受中雨、小雨影響，7—8月夏季旱澇變化主要受暴雨、大雨影響。通過(guò)分析不同月份降水日數(shù)和量級(jí)出現(xiàn)次數(shù)發(fā)現(xiàn)，不同年份各月降水日數(shù)變化不明顯，月降水量主要與不同降水量級(jí)的出現(xiàn)次數(shù)有關(guān)。例如，2019年7—8月陽(yáng)泉市未出現(xiàn)暴雨天氣過(guò)程，日最大降水量?jī)H為35.5 mm，年降水明顯偏少；而2016年陽(yáng)泉出現(xiàn)4次暴雨天氣，最大日降水量達(dá)159.2 mm，年降水明顯偏多。分析陽(yáng)泉市最大日降水量等變化特征發(fā)現(xiàn)，全球氣候變暖影響使大氣水汽壓增加，近年來(lái)陽(yáng)泉市降水的極端性增強(qiáng)，局地暴雨、大暴雨明顯增多，地質(zhì)災(zāi)害防治和防汛壓力逐年加重。

3 陽(yáng)泉市4—9月旱澇成因分析

東亞夏季風(fēng)是影響陽(yáng)泉市及周邊降水最重要的因素。研究表明，東亞夏季風(fēng)可通過(guò)副熱帶高壓的變化來(lái)影響華北夏季降水：東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng)年，西太平洋副熱帶高壓位置偏北，華北夏季降水可能偏多；東亞夏季風(fēng)偏弱年，西太平洋副熱帶高壓位置偏南，華北夏季降水可能偏少[6-7]。水汽輸送異常也是影響華北夏季降水的重要因素。研究表明，與華北地區(qū)夏季旱澇密切相關(guān)的異常水汽輸送主要是南海和西太平洋以及西風(fēng)帶水汽輸送異常，東亞夏季風(fēng)南風(fēng)北界的南撤導(dǎo)致向華北地區(qū)水汽輸送通量減少，從而造成華北夏季降水量減少。陽(yáng)泉市位于華北地區(qū)，地處黃土高原東緣，其降水量主要受到副熱帶高壓和東亞夏季風(fēng)變化的影響。從圖3可看出，陽(yáng)泉?dú)庀笳?0年間7月和8月年際降水量均有明顯變化：7月降水量最小值出現(xiàn)在2010年，為21.8 mm，最大值出現(xiàn)在2016年，為378.9 mm；8月降水量最小值出現(xiàn)在2019年，為23.6 mm，最大值出現(xiàn)在1996年，為271.7 mm。

為進(jìn)一步研究陽(yáng)泉市4—9月降水量與大氣環(huán)流的關(guān)系，分別對(duì)西太平洋副高強(qiáng)度指數(shù)（東經(jīng)110°～180°）、西太平洋副高脊線（東經(jīng) 110°～150°）、西太平洋副高北界（東經(jīng)110°～150°）與陽(yáng)泉市降水進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果表明，陽(yáng)泉市降水量與西太平洋副熱帶高壓脊線指數(shù)、印緬槽指數(shù)、西太平洋副高北界（東經(jīng) 110°～150°）、西太平洋暖池強(qiáng)度指數(shù)相關(guān)性較明顯，與副高脊線、北界指數(shù)之間以正相關(guān)為主：當(dāng)西太平洋副高明顯西伸北抬時(shí)，降水偏多易澇；相反環(huán)流背景下，降水將偏少，易出現(xiàn)干旱。與印緬槽強(qiáng)度也主要以正相關(guān)為主，當(dāng)印緬槽強(qiáng)度偏強(qiáng)時(shí)，西南風(fēng)水汽輸送加強(qiáng)，當(dāng)遇到冷空氣后，易造成降水。與西太平洋暖池強(qiáng)度指數(shù)成負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.4，西太平暖池會(huì)影響東亞夏季風(fēng)的強(qiáng)度；西太平洋暖池偏冷時(shí)，海洋與大陸之間的熱力差異加強(qiáng)，使東亞季風(fēng)加強(qiáng)；西太平洋暖池偏暖時(shí)，海洋與大陸之間的熱力差異減弱，使東亞季風(fēng)減弱，華北降水易偏少。對(duì)陽(yáng)泉市夏季降水偏多時(shí)的200 hPa高度場(chǎng)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行合成分析（圖4），結(jié)果顯示：當(dāng)200 hPa高空西風(fēng)急流加強(qiáng)并穩(wěn)定維持在華北上空時(shí)，200 hPa高度場(chǎng)上華北位于低壓區(qū)，高空急流的抽吸作用使華北上空上升氣流加強(qiáng)，配合副熱帶高壓進(jìn)退和西南風(fēng)水汽通道的打通，容易發(fā)生降水偏多時(shí)間，反之亦然。

近年來(lái)，陽(yáng)泉市及周邊降水的極端性增強(qiáng)。造成降水量年際變化的直接原因主要是東亞夏季風(fēng)推進(jìn)的早晚、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的差異，一次大的降水過(guò)程往往影響整個(gè)月份降水量的盈虧，而是否有明顯的水汽通道是影響降水量多少的重要因素。

4 結(jié)語(yǔ)

陽(yáng)泉市地域面積小，不同區(qū)域旱澇變化具有一致性特征，但南部較北部更易出現(xiàn)旱澇現(xiàn)象。近年來(lái)，陽(yáng)泉市4—9月降水呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，特別是7—9月降水的極端性增強(qiáng)，雖整體有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但給防汛造成了一定壓力。西太平洋副熱帶高壓的進(jìn)退和強(qiáng)弱變化是影響陽(yáng)泉市降水的主要因素，因而有必要進(jìn)一步研究，了解其對(duì)陽(yáng)泉市旱澇變化的影響，以期為陽(yáng)泉市防汛抗旱提供更加精準(zhǔn)的氣象服務(wù)。