近40 a铜仁夏季旱涝时空分布及典型旱涝年环流特征分析

张李娟,严小冬,夏 阳,杨 群,胡 萍,徐大红

(1.贵州省铜仁市气象局，贵州 铜仁 554300；2.贵州省气候中心，贵州 贵阳 550002；3.贵州省六盘水市气象局，贵州 六盘水 553000)

0 引言

在全球气候变暖背景下，随着社会经济发展和人口增长，水资源短缺现象越来越严重，干旱地区范围扩大、干旱程度加剧。铜仁市处于云贵高原向湘西丘陵过渡的斜坡地带，西北高、东南低，属中亚热带季风湿润气候区，气候的垂直差异显著，年平均降雨量1249.5 mm。受地理位置和地形影响，铜仁市夏季(6—8月)常出现持续时间较长的高温少雨天气，导致夏伏旱时有发生。但铜仁夏旱发生时间、地点和程度各年均不同，重旱年常造成粮食、经济作物大量减产，严重影响当地工业生产和群众生产生活。本文研究铜仁市夏季旱涝特征，总结其发生规律，为当地党委政府当好决策参谋。

目前，许多专家学者对干旱做了大量研究[1-10]。慎东方等[1]分析得出21世纪以来贵州省偏旱年份明显增多，干旱发生次数逐渐增多，连续偏旱年频繁出现；贵州省各地市的干旱历时大致呈东北向西南递减的分布规律，各地市的平均干旱程度大致呈东高西低的规律分布。严小冬等[2]利用合成分析方法对1961—2016年贵州省持续干旱事件的变化特征进行分析，并从多种角度讨论了贵州省持续性干旱事件的成因。马有绚等[3]探讨青海省不同功能区春季干旱频率、干旱站次比的时空演变特征，并着重分析影响青海省不同功能区春季旱涝分布的环流异常特征。刘仲藜等[4]对洞庭湖流域近58 a来季节性干旱时空变化和不同干旱范围等级的大气环流形势进行分析，表明干旱事件在春、冬季主要受制于北方冷空气的强弱，夏(秋)季在副热带高压偏弱(强)偏北时易发生较大面积干旱。

本文主要利用铜仁市1981—2020年近40 a地面气象观测资料，基于标准化降水指数(SPI)等方法，对铜仁市夏季旱涝时空分布情况进行分析，揭示铜仁市夏季旱涝时空分布特征，并筛选典型旱、涝年进行环流特征分析，对铜仁市夏季旱涝预测具有一定指示意义，为工农业生产、政府部门决策做好气象服务保障。

1 资料与方法

1.1 资料

选取铜仁市10个国家自动站1981—2020年逐日降水资料，分别计算出10个站不同时间尺度的SPI值，根据SPI值确定旱涝程度，计算不同程度干旱发生的频率。40 a的资料时间跨度较大，能在一定程度上反映铜仁市的降水变化情况，有较好的代表性。季节划分按6—8月为夏季。

1.2 方法

标准化降水指数(SPI)由McKee等[5]提出，是一种干旱监测模型，一般适用于月以上时间尺度的干旱监测与评估。由于降水分布是偏态分布，在进行降水分析时需先求出降水量Γ分布概率，再进行正态标准化计算，具体算法如下[6-7]：

假设某一时段的降水量为随机变量x,则计算其Γ分布的概率密度函数的公式为：

(1)

其中：β>0为尺度参数；γ>0为形状参数；参数β和γ的计算公式如下：

(2)

(3)

式中：

(4)

确定上述各式参数后，对某一年的降水量x0，可求出随机变量x小于x0的事件的概率为:

(5)

利用数值积分可以计算事件概率的近似估计值。

计算降水量为0时的事件概率可用下式计算：

F(x=0)=m/n

(6)

式中：m为降水量为0的样本数；n为样本总数。

对Γ分布概率进行正态标准化处理，即将式(5)和(6)求得的值代入标准化正态分布函数，即：

(7)

对上式进行近似求解得：

(8)

由公式(8)算出的SPI值即为标准化的降水指数SPI的数值。

旱涝等级划分参照气候干旱等级国家标准[8]，划分为无旱(SPI>-0.5)、轻旱(-1.0

2 结果与分析

不同时间尺度的SPI可用于监测不同类型的旱涝，每个时间尺度的累计降水量亏损是干旱期间每个月降水量与平均值之差的总和，多种时间尺度的综合分析可实现对旱涝的综合监测评估[9]。SPI1代表该月降水量的标准差，SPI3代表该月降水量的标准差和前2个月降水量的标准差的总和，SPI12则代表该月降水量的标准差和前11个月降水量标准差的总和。由图1可知，时间尺度越小的SPI值正负变换频繁，即SPI1值波动最为频繁，表明短时间降水会导致旱涝转换比较频繁；SPI3考虑了前3个月的水文盈亏情况，能较好地反映出季节旱涝情况；SPI12受短期降水影响程度减小，旱涝转换趋于平稳，表现出周期变化特征，能较好地反映长期旱涝变化特征和持续时间。基于此特征，本文利用SPI12分析铜仁市旱涝年际变化特征，用SPI3分析各个季节的旱涝变化特征。1个月时间尺度的SPI值虽然频繁变化，也可以把连续几个月旱或涝的特征表现出来，导致相应的3个月时间尺度的SPI数值更大，即旱、涝程度更为显著。如：SPI1显示1981年6—8月分别达中、重、重旱等级、1982年9、11月为重涝等级；SPI3显示1981年6—8月达特旱等级，1982年9—11月达特涝等级。

图1 铜仁市SPI指数的1、3、12个月尺度时间变化

2.1 旱涝时间变化

由图SPI12变化曲线可知旱涝的年际变化特征。SPI12的最大值出现在2014年(2.19)，达到特涝等级；2020年达重涝等级；5 a(1982、1996、1999、2002、2016年)达中涝等级；6 a达轻涝等级。最小值出现在2011年(-2.38)，达特旱等级；1981、2005年达重旱等级；1986、1988年达中旱等级；7 a达轻旱等级。2014年的平均降水量为1575 mm，为1981—2020年年均降水量的最大值，高于多年平均年降水量；2011年的平均降水量为879.91 mm，为1981—2020年年均降水量的最小值，远低于多年平均年降水量。由此说明SPI12分析结果与实际旱涝情况基本一致，即SPI指数的数值能反映研究区的旱涝情况。

旱涝年代变化上，铜仁市20世纪80年代后期总体偏旱，SPI12的值几乎在0线以下，普遍达轻到中旱，仅有1987年末期—1988年初期SPI12的值在0线以上，但属于正常时段；20世纪90年代中后期普遍偏涝，SPI12的值几乎在0线以上，1997年前期出现特涝；21世纪初期—21世纪20年代末期旱涝交替出现，其中2005—2007年属偏旱阶段，2014—2016年属于偏涝阶段。可知1981—2020年，铜仁有7 a轻旱、2 a中旱、2 a重旱、1 a特旱、15 a旱情不明显、6 a轻涝、5 a中涝、1 a重涝、1 a特涝，年际干旱发生频率为30%，年际雨涝发生频率为32.5%。

以各个站点每年8月的SPI3作为该站点夏季的干旱特征值[10]。由夏季的SPI3值(图略)随时间变化情况可知，夏季旱涝表现出交替变化的特征，仅有1995—1996年、1998—1999年、2016—2017年为连续雨涝，1989—1990年、2005—2006年为连续干旱，夏季SPI3趋势线倾向率较小为0.084/10a，表明1981—2021年铜仁市夏季旱、涝趋势不明显，相关系数绝对值为0.097，小于0.05显著性水平值，表明夏季干、湿倾向也不显著。16 a为正常年，12 a表现为干旱(1981、2013年出现特旱，6 a出现中旱，4 a出现轻旱)，12 a表现为雨涝(2014年SPI3值为2.00，达特涝，1996年为重涝，4 a出现中涝，6 a出现轻涝)。

2.2 旱涝空间分布

2.2.1 年干旱频率空间分布 图2a、2b为铜仁市1981—2020年年干旱频率的空间分布。由图可知，轻旱发生大致呈东、西部多，中部少，轻旱发生频率在10%～23%之间，平均值为15.25%，德江、万山发生轻旱最多，沿河发生轻旱最少；中旱发生大致表现为东北多西南少(图略)，中旱发生频率在2%～15%之间，平均值为8.75%，发生中旱最多的区域是松桃，碧江次之，万山最少；重旱发生次数相对于中旱略有减少，其发生频率在2%～13%之间，平均值为4.5%，思南发生重旱最多，其次是沿河、松桃、江口、玉屏，其余地区相对较少；特旱发生次数较其他等级干旱明显减少，特旱发生频率在0%～5%之间，平均值为2.5%，印江、石阡、万山发生特旱相对较多，德江、思南、松桃几乎无特旱等级干旱发生。从总干旱发生频率看，铜仁市中西部、东北部相对频繁，并向四周逐渐减弱，总干旱频率在27%～35%之间，平均值为31%，其中德江、松桃发生干旱最为频繁，印江、碧江、万山次之，沿河、石阡、玉屏发生干旱次数相对最少。

2.2.2 年雨涝频率空间分布 图2c、2d为铜仁市1981—2020年年雨涝频率的空间分布。可知，轻涝发生频率大致呈中西部至东南部一带高、其余低的特征，轻涝发生频率在2%～28%之间，平均值为14%，思南发生次数最多，印江、玉屏、碧江、万山次之，德江发生轻涝最少；中涝发生大致呈四周高、中间低的特征(图略)，中涝发生频率在5%～18%之间，平均值为10.75%，德江发生次数最多，石阡次之，思南、碧江发生中涝次数最少；重涝发生频率表现为西北和东南高(图略)，其余区域发生重涝频率基本差不多，重涝发生频率在0%～10%之间，平均值为5%，沿河最容易发生，其次是德江、玉屏，石阡没有重涝发生；西北部(沿河、德江、印江)和东南部(玉屏)没有特涝发生，其余地区发生特涝频率基本一样；从总雨涝发生频率看，市中西部、东南部发生雨涝的频率相对较高，西北部最低，总雨涝频率在25%～40%之间，平均值为31.25%，其中思南发生雨涝频率最大，印江、玉屏、万山次之，沿河发生雨涝次数最少。

图2 铜仁市年旱涝频率空间分布(a.轻旱频率；b.年总干旱频率;c.轻涝频率；d.年总雨涝频率)

2.2.3 夏季干旱频率空间分布 图3a为1981—2020年夏季总干旱频率空间分布图。由图可知，夏季铜仁市发生干旱频率在25%～33%之间，干旱频率平均值为30%，有7个区县干旱频率超过平均值，总体呈西北、东南多，逐渐向中间递减的趋势，其中沿河、德江、印江、玉屏、万山夏季发生干旱频率最大，松桃、思南次之，石阡、碧江夏季发生干旱频率最小。铜仁市夏季干旱以轻旱、中旱为主，除思南、江口夏季发生轻旱和中旱频率一致且大于2县其他等级干旱频率外，其余8个区县发生轻旱频率均大于其他等级干旱频率，其中铜仁市夏季发生轻旱频率在10%～18%之间，其平均值为14.5%，有7个区县轻旱频率超过平均值，德江、印江夏季发生轻旱最多，江口夏季发生轻旱频率最小；夏季中旱发生频率在0%～13%之间，其平均值为7.75%，有5个区县中旱频率超过平均值，思南夏季发生轻旱最多，沿河、德江、江口、玉屏次之，石阡夏季几乎没有发生中旱；夏季重旱频率在0%～8%之间，其平均值为4.25%，有6个区县重旱频率超过平均值，沿河、万山发生重旱最多，松桃、印江、石阡、江口次之，思南夏季无重旱发生；夏季特旱频率在0%～5%之间，其平均值为3.5%，有5个区县特旱频率超过平均值，沿河夏季无特旱发生，其余地区发生特旱频率差不多。

图3 1981—2020年铜仁市夏季干旱(a)、雨涝(b)频率空间分布(单位：%)

2.2.4 夏季雨涝频率空间分布 图3b为铜仁市1981—2020年夏季总雨涝频率空间分布图。由图可知，夏季铜仁市发生雨涝频率在22%～40%之间，雨涝频率平均值为31.5%，有4个区县雨涝频率超过平均值，主要是东南部、西北部雨涝频率相对大，其余地区少，其中玉屏夏季发生雨涝频率最大，印江次之，碧江最小。铜仁市夏季雨涝以轻涝、中涝为主，除松桃的中涝发生频率比轻涝大，碧江重涝发生频率较其他等级大外，其余区县轻涝发生频率均比其他等级大。夏季轻涝发生频率在2%～28%之间，平均值为16.5%，有6个区县轻涝频率超过平均值，玉屏夏季发生轻涝最频繁，印江次之，松桃、碧江相对最少；夏季中涝发生频率在2%～15%之间，平均值为7.75%，有3个区县中涝频率超过平均值，沿河、松桃夏季发生中涝最频繁，德江次之，石阡相对最少；夏季重涝发生频率在2%～10%之间，平均值为5.75%，只有4个区县夏季重涝频率超过平均值，碧江夏季发生重涝最频繁，松桃、玉屏、万山次之，沿河、石阡相对最少，其余区县发生重涝频率差不多；夏季特涝发生频率在0%～5%之间，平均值为1.5%，特涝基本发生在铜仁市中部，市北部、东南部几乎无特涝发生，石阡夏季发生特涝最多。

2.3 典型夏季旱涝年特征分析

2.3.1 典型夏季旱涝年筛选 夏季SPI值为相对最小(大)值，即选定为典型夏季旱(涝)年。最终确定铜仁市典型干旱年为1981、1994、2005、2011、2013年；典型雨涝年为1993、1995、1996、1999、2014年。

为探究铜仁市1981—2020年典型夏季旱涝年大气环流特征，本文对选取的夏季旱、涝各5 a的气象要素进行合成分析，包括500 hPa高度场、水汽输送、垂直环流、前期海温等。

2.3.2 典型夏季旱涝年500 hPa高度场 由铜仁夏季偏涝年500 hPa位势高度合成分析及其距平(图4a)可知，北极涡旋盘踞在极地上空，中心强度为5500 gpm。低纬度带上，副高西伸脊点位于135°E左右，孟加拉湾西北部存在南支低压中心，贵州受二者之间的暖湿气流控制。此外，整个欧亚中高纬均为位势高度的负异常分布，其中在乌拉尔山北部和中国东北—日本存在显著的负距平中心，表明在亚洲高纬—中国东北地区多低压系统活动，有利于引导北方冷空气南下，与低纬暖湿气流在中国南方交汇，有利于降水的形成，使得铜仁夏季降水异常偏多。

相比之下，在铜仁夏季偏旱年(图4b)，孟湾西北部的低压中心范围较偏涝年有所扩大且西移，与之相对应的水汽输送条件亦有所减弱。此时，欧亚中高纬的乌拉尔山和中国东北的位势高度异常中心转为正异常分布，说明副高强度偏强，使得北方冷空气的活动被限制在高纬地区，中国南方地区的冷暖空气交汇作用减弱，不利于降水的产生，导致夏季降水异常偏少。

图4 500 hPa位势高度合成平均(等值线)及距平(阴影)分布(a，涝年；b，旱年)(单位：gpm，交叉斜线区域表明位势高度距平通过95%显著性t检验)

以上分析结果与吕纯月等[11]研究的结论一致，即在西南地区典型湿润年，西太副高偏南、偏弱，西南地区北部为高度负异常；典型干旱年，西太副高偏北、偏强，西南绝大部分地区处于高度正距平区域。

2.3.3 典型夏季旱涝年水汽输送 为分析铜仁市夏季发生旱、涝时的水汽输送差异，分别对铜仁市典型旱、涝年整层大气积分的水汽通量及水汽通量散度进行合成分析(图5)。由图5a可知，由孟加拉湾带来的西南气流以及南海地区反气旋式环流输送的偏南气流，给铜仁带来大量水汽，且铜仁范围内整层大气积分的水汽通量散度表现为水汽通量辐合。充足的水汽加上水汽通量辐合，使得铜仁地区的降水异常偏多，导致铜仁市雨涝发生。由图5b可知，孟加拉湾东侧由西北转西南气流，但南海地区存在异常气旋式环流，南海北部为偏东气流，阻碍了向铜仁输送的水汽通道，使得铜仁降水所需的水汽不足，且铜仁范围内整层大气积分的水汽通量散度表现为较弱的水汽通量辐散。水汽来源的不足加上水汽通量辐散，使得铜仁地区降水异常偏少，导致铜仁市干旱发生。

图5 整层大气(地面至300 hPa)积分的水汽通量(箭头，单位：g·s-1·cm-1·Pa-1)及水汽通量散度(阴影，单位：g·s-1·cm-2·Pa-1)(a，涝年；b，旱年)

2.3.4 典型夏季旱涝年垂直环流 为了解铜仁发生旱、涝时的垂直环流特征，并对典型旱、涝年经过铜仁的经向环流的异常分布特征进行合成分析。图6为典型旱、涝年105～110°E平均的经向垂直环流剖面图。由图6a可以看出，雨涝典型年中在贵州范围内整层为上升运动区，低层850～700 hPa有1个较强的辐合中心，对应的上升气流较强，带来较强的暖湿气流，这样的垂直运动配置使得铜仁地区出现多雨，导致雨涝事件发生。由图6b可以看出，贵州整层大气均受下沉气流控制，下沉运动较强，这样的配置使得铜仁地区高温少雨，导致干旱事件发生。

图6 105～110°E平均异常垂直环流剖面(a，涝年；b，旱年)(流线为风场，阴影为垂直速度，红框为贵州所在区域)

2.3.5 典型夏季旱涝年前期海温演变特征 大量研究表明，海温能通过海气相互作用影响全球大气环流的异常变化，进而对区域气候特征产生影响，但海温对大气环流的影响存在一定的滞后作用。因此，分别对铜仁夏季偏涝年和偏旱年的前1 a秋季(9—11月)、冬季(12—翌年2月)及同年春季(3—5月)、夏季(6—8月)和同期夏季的海温距平和850 hPa风场异常分布进行合成分析(图7)，以期寻找与铜仁夏季旱涝异常可能存在联系的海温关键区和重要影响时段。

图7 全球前期海温(阴影，单位：℃)及850 hPa风场(箭头，单位：m·s-1)演变(a、b为秋季；c、d为冬季；e、f为春季；g、h为夏季)

从铜仁夏季偏涝年(图7a,c,e,g)前期海温的合成分析可知，赤道中东太平洋存在厄尔尼诺事件的发生发展，正海温距平区从秋季到冬季逐渐发展增强，从冬季到夏季又逐渐减弱，冬季范围最大、强度最强，海温正距平中心值超过了0.5℃；在海温正距平中心的南北两侧的南、北太平洋分别有对称的负距平中心对发展，在径向上形成“负—正—负”的三极型分布。其中北太平洋的海温负距平稳定维持，负距平值同样超过-0.5℃，而南太平洋的海温负距平从春季到冬季逐渐向东向南扩展，秋、冬季南太平洋的海温负距平达-0.5℃。相比之下，印度洋没有明显的海温异常。与海温异常变化相对应，赤道中东太平洋为异常偏西风，夏季从南海北上的偏南气流与北方偏北气流在中国南方地区交汇，造成铜仁夏季降水异常偏多。

从铜仁夏季偏旱年(图7b,d,f,h)前期海温的合成分析可知，与偏涝年的厄尔尼诺现象的发生发展不同，偏旱年的赤道中东太平洋存在拉尼娜现象的减弱和消亡。在前期秋季，中东太平洋的海温负距平值超过了-0.5℃，形成东太平洋拉尼娜现象；到了冬季赤道中东太平洋负距平区域面积减小，强度减小；到了春、夏季负距平区域完全消失并转变为弱的海温正距平。同时从秋季到春季北太平洋中部海温正距平逐渐向西向北发展增强，春季正距平中心强度值超过0.5℃；秋季西太平洋附近为海温正距平，到夏季逐渐变为海温负距平；与偏涝年明显不同，印度洋存在海温负距平，从秋季到冬季发展增强，再从冬季到夏季逐渐减弱，冬季印度洋的海温负距平值超过了-0.5℃。与海温异常相对应，夏季中国南方存在显著的南风气流幅散，冷空气活动不足，不利于铜仁夏季降水，导致干旱事件发生。

综上所述，赤道中东太平洋的厄尔尼诺现象与南、北太平洋海温异常分布对铜仁夏季偏涝现象的发生发展有着密切关系；赤道中东太平洋拉尼娜现象、印度洋及西太平洋的海温异常分布对铜仁夏季偏旱的发生发展有密切关系，与严小冬等[2]研究得出的贵州持续性干旱事件与东太平洋拉尼娜现象、北太平洋以及北大西洋地区的海温异常分布存在密切关系的结论基本吻合。因此，上述地区的海温异常可为铜仁市夏季旱、涝事件的长期预测提供线索和依据。

3 结论

通过对铜仁市夏季旱涝时空分布情况进行分析，揭示铜仁市夏季旱涝时空分布特征；对夏季典型旱、涝年的环流特征进行研究，揭示铜仁市夏季典型旱、涝年环流特征，为铜仁市夏季旱涝预测提供参考。

①SPI得出的旱涝结果与实际旱涝情况一致，SPI值能较好地反映铜仁市旱涝情况。铜仁市20世纪80年代后期总体偏旱，90世纪后期总体偏涝，2005—2007年属偏旱阶段，2014—2016年属偏涝阶段。

②铜仁市四季均呈现出旱涝频繁交替变化特征。其中，春季略有向雨涝发展的趋势，但雨涝倾向不显著，其余季节没有明显旱涝发展的趋势。

③铜仁市中西部、东北部发生干旱相对频繁，并向四周逐渐减弱，其中德江、松桃发生干旱最频繁。市中西部、东南部发生雨涝的频率相对较高，西北部最低。

④夏季的干旱、雨涝均以轻、中旱为主。夏季干旱呈西北、东南多，逐渐向四周递减的趋势；夏季雨涝频率东南部、西北部雨涝相对多，其余少。

⑤铜仁夏季偏涝年整个欧亚中高纬均为位势高度的负异常分布；孟加拉湾输入西南气流及南海输送偏南的气流带来大量水汽，且铜仁范围内整层大气辐合；整层为上升运动区，低层850～700 hPa有1个较强的辐合中心，对应的上升气流较强，带来较强的暖湿气流，这样的垂直运动配置使得铜仁地区出现多雨；赤道中东太平洋的厄尔尼诺现象与南、北太平洋海温异常分布对铜仁夏季偏涝现象的发生发展有着密切关系。

⑥铜仁夏季偏旱年欧亚中高纬的乌拉尔山和中国东北的位势高度异常中心转为正异常分布；孟加拉湾东侧由西北转西南气流，但南海地区存在异常气旋式环流，南海北部为偏东气流，阻碍水汽输送，且铜仁范围内整层大气积分表现为较弱的水汽通量辐散；整层大气受下沉气流控制，下层运动较强，使得铜仁地区高温少雨；赤道中东太平洋拉尼娜现象、印度洋及西太平洋的海温异常分布对铜仁夏季偏旱的发生发展有密切关系。