贵州省旱涝急转时空特征与大气环流异常的联系

王玥彤，张娇艳，何东坡，陈早阳，王 烁，曹 蔚

(1.贵州省气候中心，贵阳 550002；2.贵州省气象台，贵阳 550002)

引言

夏季干旱和洪涝是影响贵州省的最严重的两种自然灾害，因此对夏季旱涝的预测是一年中最重要的短期气候预测服务之一，为各级政府做出行之有效的决策部署提供科学的依据。近年来，受到全球气候变暖影响，各地气候事件极端性不断增加。胡顺起等[1]发现华北地区极端干旱事件频次呈波动递增趋势。范苏丹等[2]发现山东省极端降水频次在增加，而贵州省2009年夏季至2010年春季出现了持续连旱，全省9个市(州)均不同程度遭受旱灾；2020年6～7月贵州省降水异常偏多，出现不同程度的洪涝灾害，对脱贫攻坚最后的冲刺造成了不小的影响。不少学者针对我国南方地区夏季旱涝急转事件展开了研究，目前针对西南地区、长江流域、华南地区等地的旱涝急转研究已取得一定进展。孙小婷等[3]研究发现西南地区旱涝急转事件有明显的年代际变化，并且旱转涝年的旱期中纬度地区西风带偏强，涝期中高纬环流的经向度偏强，涝转旱年则相反。张天宇等[4]针对重庆市的历史旱涝急转事件展开研究，发现西太平洋副高的季节内振荡的异常是重庆旱涝急转的主要原因。沈柏竹等[5]、封国林等[6]以及李明等[7]分别针对2011年长江中下游地区旱涝急转的特征和成因展开研究。吴志伟等[8-9]对长江中下游地区的旱涝急转指数进行了定义。何慧等[10]及张玉琴等[11]分别对华南地区旱涝急转特征及大气环流特征进行了分析，同样发现旱涝急转事件在不同的年代际有明显的变化特征。

贵州省位于云贵高原东侧，夏季降水量为394.2～838.7mm，平均降水量为560.5mm，占全年总降水量47.5%。贵州省夏季降水受到副高位置的影响较大，特别是盛夏之后，副高异常偏北和偏西时，贵州省降水偏少，易出现干旱天气；反之，当副高偏南偏东时，夏季降水偏多，易出现洪涝灾害[12]。李忠燕等[13]指出贵州省盛夏时期(7～8月)旱涝急转有明显年代际变化特征，发生频次空间分布不均。自21世纪以来贵州省夏季降水格局“旱涝并存、旱涝急转”表现得更加突出[14]。本研究从贵州省夏季降水变化的异常出发，研究贵州省夏季长周期旱涝急转时空分布特征及其与同期大气环流异常的联系，期望能得出一些规律为贵州省夏季降水预测做出一定的参考依据。

1 资料和方法

为定量研究贵州省夏季旱涝急转事件的特征，本文参考吴志伟等[9]定义的长周期旱涝急转指数LDFAI(Long-cycle Drought-Flood Abrupt Alternation Index)：

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

(1)

其中：R78为7～8月标准化降水量，R56为5～6月标准化降水量。(R78-R56)为旱涝急转强度项，|R56|+|R78|为旱涝强度项；1.8-|R56+R78|是权重系数，作用是增加长周期旱涝急转事件所占权重，降低全旱或全涝事件权重。定义长周期尺度为旱和涝事件尺度均在2个月左右，以5～8月累计降水量来表征夏季降水。研究中将降水距平<0.5个标准差(<-0.5δ)定义为偏旱，将降水距平>0.5个标准差(>0.5δ)定义为偏涝。

贵州省地理位置特殊，降水空间分布差异较大，本研究采用经验正交函数(empirical orthogonal function，EOF)分解方法，对贵州省5～8月降水量进行分析，进而获得全省降水的空间分布特征。

所用资料：

(1)NCEP/NCAR提供的逐月再分析资料，包括500hPa高度场、700hPa垂直速度场、850hPa风场和湿度场。

(2)贵州省1961～2019年5～8月(下称：夏季)逐月降水资料。

(3)单层水汽通量计算公式[15]为：

(2)

2 贵州省旱涝急转事件时空分布特征

2.1 全省范围内旱涝急转事件的时间演变特征

表1给出了1961～2019年中5个最高(低)LDFAI年份及其5～6月、7～8月标准化降水量表。从表中可知，在LDFAI高值年份中，5～6月与7～8月降水均满足异常(即标准化绝对值超过0.5δ)，说明5个高LDAFI年5～6月都显著偏旱，7～8月全部明显偏涝，5～6月降水至7～8月降水存在明显增加的变化特征。在LDFAI低值年份中，5～6月降水都满足异常显著偏涝，7～8月降水有3年满足异常明显偏旱，表现出5～6月降水至7～8月降水明显减少的变化。因此该指数基本能够表征贵州省夏季长周期旱涝急转的变化趋势，高LDFAI年对应着“旱转涝”，低LDFAI对应“涝转旱”。从高低值指数年的差异来看,旱转涝年绝对值的数值较大,说明贵州省夏季旱转涝异常程度大于涝转旱的程度。

表1 1961～2019年贵州省高、低LDFAI年及其对应的夏季5～6月和7～8月的标准化降水量

分析1961～2019年贵州省旱涝急转指数(图1)的逐年演变特征曲线可知， LDFAI指数存在较大的年际差异，其中1991年为历年最高，结合表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年为历史最低，5～6月降水偏多1.65δ，而7～8月降水偏少1.09δ。贵州省夏季旱涝急转事件有连续与阶段性并存的特点，20世纪60年代以涝转旱事件为主，70年代以旱转涝事件为主，20世纪80年代中期到90年代中期,旱转涝事件与涝转旱事件交替出现，且强度较强，21世纪开始多以旱转涝事件为主要表现形式，振幅在2010年后表现偏小，说明近20年贵州省没有极端异常的旱涝急转事件出现，旱涝急转程度偏轻。同时，21世纪以来涝转旱事件虽有发生，但强度弱。总体而言，贵州省旱转涝年指数数值比涝转旱年偏大，说明一旦夏季贵州省出现旱涝急转异常,旱转涝的强度要强于涝转旱年。

2.2 贵州省旱涝急转空间分布特征

在空间上，贵州省的降水有较明显的空间分布特征，经分析，贵州省夏季降水EOF分解的第一模态为全区一致型，方差贡献率为42.1%，第二模态为东西型，方差贡献率为10.16%，第三模态为南北型，方差贡献率为7.86%。本研究利用降水EOF第二模态和第三模态分区后分别讨论不同区域的旱涝急转事件强度，经过分区分别讨论东部(53站)及西部(30站)，南部(46站)及北部(37站)的分布特征。图2为具体划分区域。

1961～2019年中东-西分布型，南-北分布型的旱涝急转分布情况如表2所示。分析发现旱转涝(+LDFAI)事件在省之东部及南部发生次数最多为11次，西部其次发生了10次，北部最少为8次，说明在省内的不同区域中，东部及南部相对于西部和北部更容易发生旱涝急转事件，但从强度上说，北部强度最强平均值为4.16，最大值为12.4，最小也有1.37，南部的强度最弱，平均值仅为2.59，最大值为4.69，说明旱涝急转事件更容易出现在南部及东部，但是强度较弱，发生在北部的频次较低，但发生后旱涝急转强度较大，可能造成的危害更大。

涝转旱(-LDFAI)事件的频次上与旱转涝年相似，东部发生频次最高有11次，南部次之有10次，西部和北部有8次。但从强度上看依旧是北部最强，平均值为-2.62，最强为-6.71，东部的强度平均值最小为-2.07。从整体上看，涝转旱事件发生的强度不论是从全省范围内考虑还是分区域都弱于旱转涝事件的强度。

从年代际变化方面分析全省不同区域旱涝急转事件发生频次如图3(a)所示：旱转涝(+LDFAI)事件在1990s全省累计发生频次最多，达12次；1980s其次，累计发生频次为9次；2000s累计发生频次为8次；1960s累计发生频次为6次；1970s累计发生频次为3次；2010年以后次数最少，累计发生频次仅为2次。从年代际变化情况来看，1980s～2000s发生旱涝急转事件频次最多，2010年后发生的频次最低。从空间分布来看，西部在1990s发生的频次最高，达5次，其余年代仅发生1次；东部地区在2010s之前每个年代际都有2～3次发生，但2010年后没有发生过旱涝急转事件。总体而言，全省每个年代都有旱转涝事件发生，特别是西部和北部地区，发生频次在1980s～2000s最高。

图3(b)为涝转旱年(-LDFAI)分布情况：1970s全省发生频次最多，达15次，其中东部和北部发生了5次，东部和北部涝转旱事件较重；其次是1990s，累计发生频次为9次；2010s累计发生频次为7次；1960s和1980s发生频次最少，仅有1次，分别发生在北部和西部。总的来说，涝转旱事件在东部地区发生频次较高。相比较旱转涝年代际分布特征，涝转旱事件发生频次在不同的年代发生差异较大，但总体次数是少于旱转涝事件的。但2010年以后，涝转旱事件发生频次高于旱转涝事件发生频次。

3 贵州省旱涝急转异常年同期大气环流和水汽输送特征

本研究选择LDFAI指数从大到小的排序方式，选取高值年前5年(1991、1986、2008、1993、1970)作为“旱转涝”异常年的代表；低值年前5年(1978、1992、1990、1971、1976)作为典型“涝转旱”异常年进行讨论和分析(表1)。

表2 1961～2019年贵州省旱涝急转指数分区域统计表

3.1 500hPa高度场分布特征

从贵州省夏季长周期旱涝急转异常年500hPa高度场分布可以看出以下特征：

旱转涝年(图4(a))，旱期5～6月东亚地区主要受正距平控制，欧亚中高纬地区高度距平场由西至东呈“+ - +”的带状分布，纬向运动较强。中低纬度地区副高5860线位于孟加拉湾-南海-太平洋一线，与气候平均态接近，略偏东，面积略偏小，5880线位于西太平洋，与气候平均态相比，面积偏小，西伸脊点偏东，强度偏弱。贵州省位于5860线北侧，不利于南海及西太平洋的水汽输送，贵州省易出现干旱少雨天气。而到了涝期的7～8月(图4(b))，位势高度场我国江淮、华北、东北南部地区显著负距平；欧亚中高纬地区高度距平场为由西至东为“- +”分布，东亚地区从北到南为“+ -”型分布，槽脊分布明显，环流经向运动偏强，利于引导北极地区冷空气南下；中低纬度地区副高主体较旱期明显北跳，5860脊线位置位于江南地区，与气候平均态相比位置偏南，面积偏小，贵州省位于副高西北侧边缘，水汽输送充沛，配合南下冷空气，有利于降水增多。

涝转旱年(图4(c))，涝期5～6月东亚低纬度地区位势高度场为负距平控制，印缅槽偏强，欧亚中高纬地区由西到东距平场呈“+ - +”分布，乌拉尔山地区槽偏强，贝加尔湖地区脊偏强，环流经向度大，冷空气活跃。副高5860线位于南海-西太平洋相比，气候平均态明显面积偏小，位置偏南偏东；冷暖空气交汇于长江中下游地区，利于贵州省降水偏多。旱期7～8月(图4(d))欧亚中高纬地区由西到东距平场呈“- + -”分布，贝加尔湖以北地区为明显正距平，高压脊偏强，我国东北地区至鄂霍次克海为负距平区，中高纬度地区由北至南为“+ -”型距平场分布，但我国南方地区位势高度场为正距平，高纬地区的冷空气仅能南下至华北地区。副高位置相对涝期明显北跳，但相对旱转涝年的7～8月位置偏北，与气候平均态略偏东，副高北界没有明显差异。冷暖空气交汇区北推至淮河以北，华北地区降水增多，贵州省受高压脊控制，干旱少雨。

3.2 700hPa垂直速度差值场

对贵州省夏季长周期旱涝急转异常年700hPa合成垂直速度差值场进行分析发现，5～6月(图5(a))贵州地区为正差值区域，表示旱转涝年旱期低层下沉运动为主，不利于降水，易形成干旱；反之，涝转旱年的涝期低层上升运动较强，为贵州省降水提供了有利的动力条件。到了7～8月(图5(b))差值场相反，贵州省及西南大部分地区位于垂直运动负值区，上升运动为主，利于水汽辐合，为贵州省降水偏多提供了有利条件；反之涝转旱年的旱期，低层为下沉运动，不利于降水形成。

3.3 850hPa水汽通量散度差值场

图6为贵州省夏季长周期旱涝急转异常年东亚地区850hPa水汽通量散度合成差值场，5～6月(图6(a))水汽通量散度负值区主要位于四川盆地至华北地区，以及东部沿海地区，上述区域水汽辐合，有利于降水形成，而贵州省及南方大部分地区位于水汽通量散度正值区，说明来自南海及西太平洋的水汽输送较弱，贵州位于水汽输送辐散区，不利于降水，易形成干旱。

7～8月(图6(b))中国西南地区水汽输送为西南风方向，来自南海及孟加拉湾的水汽条件充沛，水汽输送偏强，贵州省及西南大部分地区位于水汽通量散度负值区，贵州位于水汽输送辐合区，有利于降水偏多。

4 结论

本文利用了夏季5～6月和7～8月的降水计算了贵州省长周期旱涝急转指数，并通过该指数分析得到了贵州省夏季旱涝急转事件的基本特征和与大气环流的联系，主要结论如下：

(1)贵州省夏季旱涝急转事件有连续与阶段性并存的特点：20世纪60年代以涝转旱事件为主，70年代以旱转涝事件为主，20世纪80年代中期到90年代中期，旱转涝事件与涝转旱事件交替出现，且强度较强；近20年贵州省没有极端异常的旱涝急转事件出现，旱涝急转程度偏轻。从LDFAI异常偏高和偏低指数的年份来看，贵州省旱转涝年比涝转旱年偏强，说明一旦夏季贵州出现旱涝急转异常,旱转涝的强度要强于涝转旱年。

(2)从不同空间分布的旱涝急转事件分析发现，旱涝急转事件更容易出现在南部及东部，但是强度较弱，发生在北部的频次较低，但发生后旱涝急转强度较大，可能造成的危害更大。涝转旱事件频次与旱转涝年相似，强度北部最强，但涝转旱事件发生的强度不论是从全省范围内考虑还是分区域都弱于旱转涝事件的强度。在年代际分布特征来看，旱涝急转事件在各个年代发生频次差异都较大，相比较旱转涝年代际分布特征，涝转旱事件发生频次在不同的年代发生差异较大，但次数少于旱转涝事件。

(3)旱转涝年，旱期副高面积偏小、西伸脊点偏东、副高偏弱、贵州省位于其北侧，且为下沉运动，不利于水汽输送，贵州省易出现干旱少雨天气。涝期高度场为经向型环流，引导冷空气南下，副高脊线位置偏南，面积偏小，贵州省位于副高西侧边缘，低层为上升运动，且水汽输送充沛。涝转旱年，涝期环流经向度大，冷空气活跃，副高位置偏南偏东，冷暖空气交汇于长江流域，利于贵州省降水偏多。旱期副高偏北偏东，贵州省受高压脊控制，干旱少雨。

本研究分析了贵州省夏季长周期旱涝急转事件的演变规律和空间分布特征，以及对同期环流异常特征进行了探究，在下一步的工作中，将重点研究前期大气环流异常对旱涝急转事件的影响，建立预测模型，并应用于预测业务工作中。