福州市夏季干旱變化及典型旱澇年水汽特征研究*

柯 杭 鄭秀麗 李歡歡 付澤宇

(福建省福州市氣象局，福建 福州 350007)

0 引言

干旱災(zāi)害影響面廣、經(jīng)濟損失大，是世界上最嚴重的自然災(zāi)害類型之一[1]。馬鵬里等[2]基于1960—2014年逐日氣溫和降水數(shù)據(jù)對中國干旱變化特征展開研究，發(fā)現(xiàn)中國各區(qū)域干旱呈加重趨勢。在干旱研究方面，干旱指數(shù)因能較好地反映干旱特征，常被用于干旱的定量化分析。王躍峰等[3]利用1960—2006年閩江流域25個氣象站逐月降水資料，基于標準化降水指數(shù)(SPI)研究了多時間尺度閩江流域的干濕變化，發(fā)現(xiàn)短時間尺度的SPI對閩江流域洪澇災(zāi)害事件的識別更精準。彭窈等[4]基于SPEI分析了華南地區(qū)春季的旱澇變化，發(fā)現(xiàn)華南春季旱澇存在3～6年的周期變化。干旱的發(fā)生與區(qū)域水汽變化存在密切聯(lián)系，水汽輸送表示水汽在大氣中傳輸?shù)倪^程，區(qū)域水汽收支則由研究區(qū)上空的水汽收支和蒸發(fā)、降水構(gòu)成，因此研究二者在干旱發(fā)生時的特征具有重要意義[5-6]。張慶云等[7]利用NCEP/NCAR再分析資料對中國華北地區(qū)干旱的年際變化進行了分析，發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)干旱增強的原因之一在于東部地區(qū)偏南風的減弱。沙天陽等[8]利用1961—2010年NCEP/NCAR再分析資料研究了中國西南地區(qū)秋季干旱的換流特征，發(fā)現(xiàn)南海和孟加拉灣附近異常的氣旋性環(huán)流造成了西南地區(qū)東部的秋季干旱。

福州市位于福建東部、閩江下游，是中國東南沿海重要都市、首批對外開放的沿海開放城市、海洋經(jīng)濟發(fā)展示范區(qū)，還是海上絲綢之路門戶及中國(福建)自由貿(mào)易試驗區(qū)組成部分。近年來，全球氣候變化導(dǎo)致該區(qū)域極端事件頻發(fā)，干旱災(zāi)害也呈現(xiàn)一些新的特征[9]。對此，需深入研究福州市干旱的發(fā)生機理，探討其與水汽輸送特征之間的關(guān)系。本文選擇福州市為研究對象，首先分析研究區(qū)夏季SPEI的時空變化特征，進一步篩選典型旱澇年分析其環(huán)流和水汽特征，最后從水分收支平衡的角度，定量分析典型旱澇年水汽收支差異，其結(jié)論有助于加深對福州市干旱形成和演變特征方面的認識，為防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文采用福州市8個國家氣象站點(見圖1)1961—2021年逐日平均氣溫和降水數(shù)據(jù)，再分析資料采用第五代ECMWF大氣再分析全球氣候數(shù)據(jù)(ERA5)，水平分辨率為0.25°×0.25°。

圖1 福州市氣象站點分布示意圖

1.2 方法

1.2.1 標準化降水蒸散指數(shù)(SPEI)

SPEI綜合了帕默爾干旱指數(shù)(PDSI)、標準化降水指數(shù)(SPI)等干旱指數(shù)的優(yōu)點，既考慮了蒸散發(fā)的影響，又擁有多時間尺度和空間一致性的優(yōu)點，對干旱的變化特征有較好的檢測作用。SPEI計算公式如下：

Di=Pi-PETi

(1)

式(1)中，Di表示降水量Pi與潛在蒸散發(fā)量PETi的差值，i表示月份。其中，PETi由Thornthwaite方法計算而得。

假定Di服從3參數(shù)Log-logistic分布，將其分布函數(shù)進行標準化處理，得到SPEI值：

(2)

式(2)中，當P≤0.5時，P=1-F(x)；當P>0.5時，P=1-P，且SPEI正負值反轉(zhuǎn)。c0=2.515517，c1=0.802853，c2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

取SPEI對應(yīng)月份為當前月，對于n個月的時間尺度來說，自當前月向前延續(xù)n-1個月計算干旱程度，同時三個月時間尺度的SPEI可以較好反映季節(jié)性的旱澇變化[10-11]，因此本文選取三個月時間尺度的SPEI中8月份的值(可以反映6月、7月和8月三個月的干旱程度)作為夏季干旱指數(shù)。SPEI干旱等級劃分見表1。

表1 SPEI干旱等級劃分

1.2.2 合成分析

本文采用的合成分析方法是將特征年(典型干旱年)對應(yīng)的平均要素場減去長序列平均態(tài)要素場，得到要素距平場，并進行分析。這種方法不僅可以分析特征年要素場的差異，還可以進一步剖析要素場差異的成因。

1.2.3 水汽含量和降水效率

水汽含量指某一地區(qū)地面至大氣層頂(本文取300hPa)的水汽總量，計算公式略。通常區(qū)域內(nèi)水汽含量常大于地面降水量，所以本文引入降水效率J，其公式如下[12]：

(3)

式(3)中，P為降水量；W為水汽含量；(年、季)天數(shù)，本文取夏季(6—8月)樣本數(shù)天數(shù)92。

英倫，本名譙英倫，山東齊河人，山東省作協(xié)會員，1991年山東文藝出版社為其出版第一本詩集《哭過之后》，后因故擱筆20余年，2014年下半年重返詩歌現(xiàn)場。詩作主要發(fā)表選載于《詩刊》《詩選刊》《星星》《揚子江》《詩潮》等刊。

1.2.4 水汽收支

水汽收支(N)的計算公式為：

(4)

式(4)中，A為研究區(qū)面積；lki為區(qū)域內(nèi)第k邊界中第i段的長度；Fki為第k邊界中第i段的水汽通量。

2 夏季SPEI時空變化特征

各站點和區(qū)域夏季平均SPEI時間變化如圖2所示(分別選取上升、下降趨勢最明顯的長樂站和永泰站及市區(qū)福州站，其余站點略)。從站點上看，永泰站和閩清站夏季SPEI呈下降趨勢，其中永泰站下降幅度大于閩清站，為-0.049/10a；其余6個站點呈上升趨勢，其中長樂站上升趨勢最明顯，為0.106/10a；福州站上升趨勢為0.092/10a，1988年其值最低，為-1.7，達到重旱級別。從區(qū)域平均上看，上升趨勢為0.067/10a，最低值出現(xiàn)在2003年，為-1.7。各站點夏季SPEI從年代變化上看，如圖3所示。20世紀60年代、70年代，大多數(shù)站點夏季SPEI處于±0.2范圍內(nèi)；80年代各站點均小于-0.2，其中最低值為-0.6，出現(xiàn)在福州站；20世紀90年代后，大多數(shù)站點夏季SPEI大于0；區(qū)域平均上，總體呈“正?！怠獫场钡姆植?，20世紀80年代干旱程度最深，其值為-0.6。綜上，福州市干旱時間上呈“正?！怠獫场钡姆植迹?0年來趨勢偏澇。

(a)永泰

(b)長樂

(c)福州

(d)區(qū)域平均圖2 永泰、長樂、福州和區(qū)域平均的夏季SPEI時間變化

圖3 各站點夏季SPEI年代變化

將發(fā)生干旱的年數(shù)(即夏季SPEI<-0.5的年數(shù))占總年數(shù)的百分比作為干旱發(fā)生頻率。8個站點干旱發(fā)生頻率和各級別干旱占比如圖4所示。從干旱發(fā)生頻率上看，除福州站(29.5%)外，其余站點干旱發(fā)生頻率均在30%以上，其中最大值為39.3%，出現(xiàn)在連江站，長樂和閩清次之。統(tǒng)計出現(xiàn)干旱年份中各級別干旱的占比，輕旱占比最高的站點為閩侯、連江、長樂和閩清，其中連江占比達到58.3%；中旱占比最高的站點為福州、永泰、福清和羅源，其中福州占比達到55.6%；就重旱而言，除閩清占比低于10%外，其余站點均在16%以上；就特旱而言，僅閩清站發(fā)生過特旱，占9.5%。綜上，福州市中部沿海干旱發(fā)生頻率較高；干旱程度多以中旱和輕旱為主。

(a)干旱頻率 (b)各級別干旱占比圖4 各站點干旱發(fā)生頻率和各級別干旱占比

3 典型旱澇年的水汽特征

3.1 典型旱澇年劃分

將夏季SPEI按從小到大排序，選取前5名為典型夏季旱年；按從大到小排序，選取前5名為典型夏季澇年。選取結(jié)果：典型旱年為1967年、1987年、1988年、2003年和2004年；典型澇年為1965年、1968年、1972年、2000年和2006年。

3.2 典型旱澇年的環(huán)流和水汽輸送

對旱澇年的850hPa風場、水汽通量和水汽通量散度場進行合成分析，結(jié)果見圖5和圖6。從距平風場上看，夏旱年華南地區(qū)上空為順時針環(huán)流，福州市位于反氣旋中心附近，受下沉運動影響，不利于降水發(fā)生；夏澇年華南地區(qū)為逆時針環(huán)流，有利于上升運動，產(chǎn)生降水。從水汽通量和水汽通量散度距平場上看，夏旱年水汽通量小于夏澇年，水汽通量散度大于30×10-6kg/(m2·s)，水汽輻散強；夏澇年，福州市內(nèi)陸地區(qū)水汽通量散度位于-10×10-6～-20×10-6kg/(m2·s)，沿海地區(qū)小于-30×10-6kg/(m2·s)，水汽輻合強，利于降水。綜上，典型旱年主要受反氣旋控制，水汽通量小且水汽輻散，利于干旱發(fā)生。

(a)典型旱年 (b)典型澇年圖5 典型夏季旱澇年的850hPa距平風場(陰影區(qū)域達到0.05顯著性水平，方框為福州市所在區(qū)域)

(a)典型旱年 (b)典型澇年圖6 典型旱澇年的水汽通量和散度距平場(箭頭為水汽通量；填色為水汽通量散度；方框為福州市所在區(qū)域)

3.3 典型旱澇年的水汽含量和降水效率

典型旱年的降水總量、平均氣溫、夏季SPEI、水汽含量和降水效率如表2所示。年份按干旱程度排序，其中2003年干旱程度最深，該年夏季平均氣溫和水汽含量為典型旱年之最，分別為28.9℃和46.3mm。降水效率最低的年份為1987年，其值為6.2%。就平均而言，典型旱年水汽含量為47.7mm，降水效率為7.5%。

表2 夏季典型旱年降水總量、平均氣溫、夏季SPEI、水汽含量和降水效率

典型澇年的各參數(shù)如表3所示，其中2000年洪澇程度最深，該年夏季降水總量和降水效率為典型澇年之最，分別為1098.6mm和24.3%。水汽含量最高的年份為1972年，其值為50.8mm。就平均而言，典型澇年水汽含量為49.4mm，降水效率為19.8%。對比典型旱澇年，發(fā)現(xiàn)典型旱年平均氣溫較典型澇年偏高1.7℃，降水總量、水汽含量和降水效率，典型旱年均較澇年偏低，差值分別為559.7mm、1.8mm和12.3%。

表3 夏季典型澇年降水總量、平均氣溫、夏季SPEI、水汽含量和降水效率

典型旱澇年的夏季水汽含量空間分布如圖7所示。對于典型旱年，存在兩個低值區(qū)，分別位于永泰西部和閩侯北部，其值低于40mm。從內(nèi)陸向沿海，水汽含量逐漸增加，水汽大值區(qū)位于長樂東部和福清東南部。對于典型澇年，夏季水汽含量分布與旱年類似，但是數(shù)值大于典型旱年。超過50mm的大值區(qū)位于羅源東部、連江東部、馬尾、長樂和福清中東部，同時在閩清中部有水汽向內(nèi)陸滲透。典型旱澇年各站點的降水量和降水效率如圖8所示。就典型旱年而言，各站點降水量在234.6～384.9mm之間，最小值出現(xiàn)在福州站，降水效率在5.4%～8.9%之間，最低值出現(xiàn)在福州站；就典型澇年而言，各站點降水量在779.3～1052.6mm之間，最大值出現(xiàn)在福清站，降水效率在17.4%～22.0%之間，最高值出現(xiàn)在羅源站。對比典型旱澇年，可以發(fā)現(xiàn)，二者在福州北部和南部站點的降水效率要大于中部地區(qū)，這可能與福州市復(fù)雜地形有關(guān)。綜上，福州市典型旱澇年的水汽含量空間分布呈“西北少、東南多”的特征，澇年數(shù)值大于旱年；北部和南部站點的降水效率大于中部地區(qū)。

(a)典型旱年 (b)典型澇年圖7 典型旱澇年的夏季水汽含量空間分布

(a)典型旱年 (b)典型澇年圖8 典型旱澇年各站點的降水量和降水效率

3.4 典型旱澇年的水汽收支

基于ERA5再分析資料，對福州市典型旱澇年東、南、西、北四個邊界的水汽輸入和輸出量進行統(tǒng)計，如圖9所示。就典型旱年而言，6月、7月，西邊界和南邊界為水汽輸入，東邊界和北邊界為水汽輸出。8月略有不同，東邊界和南邊界為水汽輸入，北邊界和西邊界為水汽輸出。就典型澇年而言， 6月、7月和8月的水汽輸入和輸出邊界與夏旱年類似， 6月水汽輸送量明顯大于其他月份，7月東西向的水汽輸送量減少，主要靠南風的水汽輸送。對比典型旱澇年可以發(fā)現(xiàn)，6月和7月的水汽輸入和輸入量均明顯大于8月，這可能與6月、7月西南季風盛行，而8月副熱帶高壓控制華南地區(qū)有關(guān)。

圖9 典型旱澇年夏季各月份的水汽收支

典型旱澇年夏季總水汽收支如圖10所示。典型旱年，以南邊界為主要的水汽輸入邊界，輸入數(shù)值為8.2×107kg/s，北邊界為主要的輸出邊界，輸出數(shù)值為6.8×107kg/s，總體來看水汽收支為虧損0.2×107kg/s；典型澇年，同樣以南邊界為主要的水汽輸入邊界，輸入數(shù)值為9.1×107kg/s，北邊界為主要的輸出邊界，輸出數(shù)值為6.7×107kg/s，總體來看，水汽收支為盈余0.9×107kg/s，比典型旱年多1.1×107kg/s。綜上，水汽收支方面，西、南為水汽輸入邊界，東、北為水汽輸出邊界；經(jīng)向上的水汽輸送量大于緯向；典型旱年水汽虧損0.2×107kg/s，比澇年少1.1×107kg/s。

(a)典型旱年 (b)典型澇年圖10 典型旱澇年夏季總水汽收支

4 結(jié)論和討論

本文以福州市為研究對象，首先分析研究區(qū)夏季SPEI時空變化特征，進一步篩選旱澇典型年份分析其環(huán)流背景和水汽特征，最后分析典型旱澇年的水汽收支差異，得到以下結(jié)論：

①從夏季SPEI變化特征上看，福州市干旱時間呈“正常—旱—澇”分布，近30年趨勢偏澇；中部沿海連江和長樂地區(qū)干旱發(fā)生頻率較高；干旱程度多以中旱和輕旱為主。

②從典型旱澇年的環(huán)流背景和水汽特征上看，典型旱年主要受反氣旋控制，水汽通量小且水汽輻散，利于干旱發(fā)生；典型旱年的水汽含量和降水效率均較澇年偏低，差值分別為1.8mm和12.3%；水汽含量空間分布呈“西北少、東南多”特征；福州市北部和南部站點的降水效率大于中部地區(qū)。

③從水汽收支上看，西、南為水汽輸入邊界，東、北為水汽輸出邊界；經(jīng)向上的水汽輸送量大于緯向；典型旱年水汽虧損0.2×107kg/s，比澇年少1.1×107kg/s。

因福州市區(qū)域站時間序列較短，無法滿足SPEI計算需求，所以本文選用長序列的國家站點進行分析，站點個數(shù)具有局限性；本文發(fā)現(xiàn)福州市北部和南部站點的降水效率大于中部地區(qū)，這可能與福州市特殊地形有關(guān)，具體成因還有待進一步研究。