贵州旱涝变化特征及其与西太平洋副高和海温的联系

陈　军，李小兰，喻义军，滕　林

(1.贵州省铜仁市气象局，贵州　铜仁　554300；2.贵州省玉屏县气象局，贵州　玉屏　554000；3.贵州省印江县气象局，贵州　印江　555200；4.贵州省剑河县气象局，贵州　剑河　556400)



贵州旱涝变化特征及其与西太平洋副高和海温的联系

陈军1，李小兰2，喻义军3，滕林4

(1.贵州省铜仁市气象局，贵州铜仁554300；2.贵州省玉屏县气象局，贵州玉屏554000；3.贵州省印江县气象局，贵州印江555200；4.贵州省剑河县气象局，贵州剑河556400)

摘要：利用国家气象信息中心整编的全国753站中贵州省16站逐日观测资料、NCEP/NCAR再分析资料以及NOAA的月平均海表温度资料，采用经验正交函数(EOF)展开、Morlet小波分析等方法对基于标准化降水指数(SPI)的贵州省旱涝时空分布特征进行研究，并分析贵州旱涝异常时的环流特征及与全球海表温度的关系。结果表明：(1)贵州SPI的各季节主模态空间分布均为全区一致型，春秋两季还表现出一定的干旱化趋势；春季和秋季的旱涝分布存在2 a、10 a左右的振荡周期，而夏季和冬季的振荡周期则以2 a、3 a及5 a左右为主；(2)春秋两季，当西太平洋副热带高压主体强度偏强(弱)、位置偏西(东)时，贵州地区降水偏少(多)，易发生干旱(洪涝)；而冬夏两季，当西太平洋副热带高压主体偏北(南)、位置偏东(西)时，贵州地区降水偏少(多)，易发生干旱(洪涝)；(3)贵州秋季SPI与前期、同期东印度洋—西太平洋区域的海温存在显著的负相关。

关键词：贵州省；旱涝分布；西太平洋副高；海表温度；相关性

引言

随着经济和社会的快速发展，全球气候正经历着以变暖为主的变化。IPCC第五次评估报告[1]认为，全球的气候变化比原来更为严重，而且有95%以上的把握认为气候变化是人类的行为造成的。在全球气候日益变暖的背景下，各地的旱涝灾害频繁发生。位于中国西南地区的贵州省属亚热带湿润季风气候，气候错综复杂，近年来气象灾害发生频繁，特别是干旱灾害，2009—2010年发生的秋冬春连旱尤以贵州中部以西以南地区最为严重，这次干旱持续时间之长、涉及范围之广、影响程度之深，均为历史罕见，给贵州省造成了巨大的经济损失。

目前关于西南地区的旱涝特征已有不少研究。如董亮等[2]运用Mann-Kendall非参数检验方法对西南地区不同时间尺度(年、季、月)干旱趋势进行分析，结果表明西南地区秋冬两季干旱呈上升趋势，其中10月上升趋势最为显著，春夏两季干旱总体趋势略呈下降；贺晋云等[3]研究指出，四川盆地西南部、横断山区南端、广西南部沿海和贵州北部是近50 a来极端干旱发生频率明显增加的地区；尹晗等[4]分析表明西南地区近53 a降水的空间分布呈“东南—西北”型，从东南到西北递减，且绝大部分区域降水有减少的趋势。此外，在干旱成因方面，针对大气环流特别是西太平洋副热带高压异常也有不少研究[5-6]。池再香等[7]对2009年9月—2010年5月贵州持续干旱事件的研究指出，此次干旱发生在西太平洋副热带高压强度偏强、位置偏西，南支系统偏弱及冷空气活动路径偏北偏东的环流条件下；李永华等[8]分析指出2006年夏季西南地区特大干旱事件的发生与大气环流异常有很大的关系，西太平洋副热带高压异常偏北、偏西与异常偏弱且偏东时，西南地区东部均有可能出现严重干旱。除此之外，旱涝变化与海温的联系同样密切，王嘉媛等[9]研究指出，2009年和2012年秋冬季西南地区均受较强的下沉运动控制，热带印度洋海表异常增温，导致来自孟加拉湾的水汽输送偏弱；黄荣生等[10]指出2009年秋至2010年春季，热带西太平洋和热带印度洋处于升温状态，使得热带西太平洋上空产生反气旋异常环流，造成西南地区降水的长期偏少。基于上述各种干旱事件的频发与危害，不少学者对旱涝监测做了不少研究[11-14]，为抗御旱涝灾害提供了对策[15]。

以前大部分的研究都是针对西南大区域范围的，对贵州地区的旱涝研究较少。本文基于标准化降水指数(SPI)，分析贵州四季旱涝变化特征以及贵州降水与西太平洋副热高压异常和全球海表温度异常的联系，试图找出一些旱涝影响因素和预测信号，以期为贵州省的防灾减灾工作提供一定的科学依据。

1资料与方法

1.1资料

采用的资料包括：(1)国家气象信息中心整编的1961—2012年753站中贵州省16站(图1)的逐日降水资料；(2)风场、高度场等资料为NCEP/NCAR月平均再分析资料，其水平分辨率为 2.5°×2.5°；(3)海温资料是由NOAA提供的全球月平均海表面温度(ERSST V3)数据，其水平分辨率为2.0°×2.0°；(4)西太平洋副热带高压特征指数为国家气候中心(NCC)提供的1961—2012年74项环流指数。

图1　贵州省16个气象站点分布

1.2研究方法

目前划分旱涝的标准较多，如降水距平百分率、湿度指标、Z指数、标准化降水指数(SPI)等，其中降水距平百分率的优点是计算方法简单且意义明确，缺点是响应慢，反映出的旱涝程度比较弱[16]；Z指数比降水距平百分率更切合实际，湿度指标虽然对降水更为敏感，但是过分夸大了旱涝程度。袁文平等[17]通过对比分析标准化降水指数(SPI)和Z指数在我国的应用后指出，SPI计算公式简单，资料容易获取，而且计算结果与Z指数有极好的一致性，同时，由于SPI是通过概率密度函数求解累积概率，再将累积概率标准化而得，具有稳定的计算特性，消除了降水的时空分布差异，在各个区域和各个时段均能有效地反映旱涝状况，优于在我国广泛应用的Z指数。另外，杨娟[18]分析指出SPI指数对贵州旱涝灾害监测较其它旱涝指数更具优越性。

因此，本文采用标准化降水指数(SPI)分析贵州省近52 a来的旱涝变化特征。SPI的旱涝等级划分[19]见表1。

表1　SPI的旱涝等级划分

2贵州旱涝变化特征

2.1降水的季节变化

贵州省属亚热带湿润季风气候，近几十年来在全球变暖的气候背景下，降水季节变化显著，图2给出贵州省春、夏、秋、冬季降水在1961—2012年间的变化趋势。可以看出，贵州春季和秋季降水趋于减少，1960年代初到1980年代初春季偏涝，而1980年代中期到1990年代初偏旱；1960年代初到1980年代末贵州秋季偏涝，而21世纪初至2012年偏旱。夏季和冬季的降水无明显变化趋势，1990年代夏季偏涝；1970年代中期至末期、1980年代中期冬季偏旱，而1990年代初期冬季偏涝。另外也可以看出，2009年秋季SPI指数为-1.78，冬季为-1.83，2010年春季SPI指数为-1.07，均为干旱，表明2009—2010年贵州跨年秋、冬、春连旱的事实。

图2　1961—2012年贵州省四季降水量距平、

2.2基于SPI的贵州四季旱涝的EOF分析

基于贵州省16个台站的标准化降水指数(SPI)，通过经验正交函数(EOF)展开得到贵州省旱涝的时空分布特征。图3给出贵州省春、夏、秋、冬季标准化降水指数(SPI) EOF展开的第一模态及第二模态的空间分布。春季SPI第一模态解释方差为43.11%，该型是反映研究区域降水关系最主要的典型场，表现为全区一致型，高值中心分布在贵州中部的毕节、贵阳、黔东南州一带；第二模态解释方差为13.81%，表现为南北反向型，正值中心位于贵州西南部黔西南州，负值中心位于贵州北部遵义地区，该型反映春季贵州降水存在南北反向的特点，即贵州北部偏旱(涝)时，南部则偏涝(旱)。夏季SPI第一模态解释方差为46.58%，为全区一致型，高值中心在贵州中部一线的安顺、贵阳、黔东南州地区；第二模态解释方差12.80%，为南北反向分布型，即贵州北部旱(涝)时，南部涝(旱)。秋季SPI第一模态解释方差达51.74%，为全区一致型，高值中心与春、夏季相比略偏东，分布在贵州东南部的黔南州和黔东南州，并逐渐向西部、北部递减；第二模态解释方差为13.82%，为西北—东南反向型，即秋季贵州西北部偏旱(涝)时，东南部偏涝(旱)，反映贵州秋季西北、东南部降水反相位变化的特点。冬季SPI第一模态解释方差达61.92%，为全区一致型，高值中心分布在贵州西南部的黔西南州和黔南州，并逐渐向东、向北递减；第二模态解释方差为10.18%，为东南—西北反向型。

图4为贵州四季SPI EOF展开第一模态对应的时间系数，可以看出各季的SPI均有一定的年际变化。春、秋季SPI的第一模态时间系数具有年代际变化特征，1960—1970年代基本为正值，代表该研究区域基本偏涝，而从1980年代末到2012年，时间系数基本为负值，说明研究区域趋于干旱。冬、夏季年际变化特征明显，涝年与旱年交替出现频繁，因此干旱趋势不明显。

为了进一步分析贵州各季节降水的年际和年代际变化特征，对贵州四季SPI EOF展开第一模态时间系数做Morlet小波分析，图5给出贵州春、夏、秋、冬季SPI EOF展开第一模态时间系数的连续小波变换功率谱。可以看出，春季与秋季SPI存在2 a、10 a左右的周期振荡；夏季与冬季SPI存在2 a、3 a、5 a左右的振荡周期。

3贵州旱涝年西太平洋副热带高压异常分析

3.1西太平洋副热带高压特征指数

西太平洋副热带高压对我国天气的影响具有至关重要的作用，黄露等[20]总结了副热带高压与周围天气系统的相互作用以及海洋热状况对其活动影响等2个方面所取得的研究成果；彭京备等[21]指出西太平洋副热带高压和大陆副热带高压异常与2006年夏季西南地区严重干旱紧密相关。为了探讨贵州四季旱涝与西太平洋副热带高压的联系，用副热带高压各项特征指数与贵州四季标准化降水指数(SPI)做相关性分析。从表2可知，贵州春季SPI与副热带高压5项指数都有很好的相关性，其中与面积指数、强度指数、脊线位置和北界位置呈显著负相关，和西伸脊点呈显著正相关；夏、秋季SPI与副热带高压脊线位置呈显著负相关；冬季SPI和副高北界位置呈显著负相关。当春季副高面积偏大(小)、强度偏强(弱)、位置偏西(东)偏北(南)，春季SPI偏低(高)，会发生干旱(洪涝)事件；夏、秋季当副高脊线位置偏北(南)，则SPI偏低(高)，会发生干旱(洪涝)事件；冬季当副高位置偏北(南)，冬季SPI偏低(高)，会发生干旱(洪涝)事件。

图3　贵州春、夏、秋、冬季标准化降水指数(SPI) EOF展开第一模态(左)及第二模态(右)空间分布型

图4　贵州春、夏、秋、冬季SPI EOF展开第一模态时间系数序列

图5　贵州春、夏、秋、冬季SPI EOF展开第一模态时间系数的小波变换功率谱

图6　贵州春(a)、夏(b)、秋(c)和冬(d)季偏旱、偏涝年对应的副高主体位置

特征指数春季夏季秋季冬季面积指数-0.277**-0.019-0.0170.001强度指数-0.304**0.01-0.0350.111脊线位置-0.276**-0.256*-0.255*0.181北界位置-0.240*-0.1340.0280.260*西伸脊点0.224*-0.0620.0010.006

注：*为显著性水平超过0.10，**为显著性水平超过0.05

3.2西太平洋副高环流异常分析

根据表1中SPI旱涝等级划分标准和贵州四季的SPI值，选取1961—2012年贵州省四季偏旱、偏涝年各6 a进行副热带高压合成分析，其中春季偏旱年为1979、1986、1988、1991、2010和2011年，偏涝年为1961、1965、1967、1972、1984和2002年；夏季偏旱年为1972、1975、1981、1989、1990和2011年，偏涝年为1969、1979、1991、1993、1999和2007年；秋季偏旱年为1992、2002、2003、2005、2007和2009年，偏涝年为1961、1965、1972、1982、1994和1997年；冬季偏旱年为1962、1968、1977、1978、1995和2009年，偏涝年为1970、1982、1991、1992、1994和2003年。合成分析(图6)显示，春季贵州偏旱年西太平洋副热带高压主体偏西、强度偏强、面积偏大，贵州上空为偏西气流(586 dagpm线已北抬至20°N附近)，来自孟加拉湾和南海的暖湿水汽输送减弱；偏涝年副高主体偏东、面积偏小、强度偏弱，来自孟加拉湾和南海的水汽输送充沛。夏季贵州偏旱年副高主体偏北偏东，贵州受副高下沉气流控制，且水汽输送偏东，因此易旱；偏涝年副高主体偏南偏西。秋季贵州偏旱年副高主体偏西、强度偏强、面积偏大；偏涝年副高主体偏东、强度偏弱、面积偏小。与春季一样，由于水汽输送受阻以及沿途消耗，使得降水较少。冬季贵州偏旱年副高主体偏东偏北，偏涝年主体偏西偏南。冬季南支波动较活跃，当副高偏北时，阻挡南支槽东移使其与北方气流辐合位置偏北，对贵州影响偏弱，降水减少。

综上所述，春、秋季当副高主体强度偏强(弱)、位置偏西(东)时，贵州地区降水偏少(多)，易发生干旱(洪涝)；而冬、夏季当西太平洋副热带高压主体偏北(南)、位置偏东(西)时，贵州地区降水偏少(多)，易发生干旱(洪涝)。

4贵州旱涝与海表温度的联系

地球的2/3都是海洋，海洋对大气运动的强迫主要通过海表温度(SST)变化及产生的热通量变化来实现[22]，海温异常可维持或加强大气环流的异常，而大气环流异常反过来又可以改变海洋环境和海温分布，从而改变海气之间的能量交换。大尺度海气耦合相互作用对气候的形成及变化有重要影响，海温异常变化，使大气环流和水汽输送发生异常，从而造成一些地区发生旱涝灾害。严华生等[23]认为影响我国汛期降水的最佳预报因子主要集中于高度场和海温场具有重要天气气候意义的关键区域。因此，找出贵州旱涝与前期和同期海温的联系，对预报贵州旱涝具有重要意义。

基于贵州四季的SPI值，利用NOAA中心SST月平均再分析资料与之做相关分析，得出贵州四季SPI与前期和同期海表温度的相关分布。研究表明，前期冬季(12月—翌年2月)及同期春季(3—5月)全球的SST与贵州春季SPI基本都呈现负相关(图略)，相关区域主要位于南北印度洋和赤道大西洋海域，说明当这些区域海温升高(降低)时，贵州春季降水量会减少(增多)，这可以作为贵州春季旱涝的一个预测信号。贵州夏季SPI和前期春季(3—5月)及同期夏季(6—8月)海温的相关性不好(图略)；而贵州秋季SPI(图7)与前期夏季(6—8月)和同期秋季(9—11月)海温相关性非常显著(图7)，最大负相关系数达-0.5，相关性大的区域位于赤道地区印度洋与太平洋的交接处，说明此区域的海温较常年升高(降低)时，贵州秋季降水量会比常年减少(增多)，这对贵州秋季降水偏多或偏少具有一定的指示意义。与贵州冬季SPI相关很好的前期秋季(9—11月)及同期冬季(12月—翌年2月)海温负相关区域主要在30°N附近的我国东海以及太平洋西部(图略)，当这些区域海温升高(降低)时，贵州的降水量会减少(增多)；正相关区域则位于60°S附近的南太平洋，当该区域海温升高(降低)时，贵州的降水量会增多(减少)。

图7　贵州秋季SPI与前期夏季(6—8月)(a)及同期秋季(9—11月)(b)SST的相关分布

5结论

(1)贵州1961—2012年春季和秋季降水具有明显的下降趋势，而夏季和冬季降水变化趋势不明显。

(2)贵州四季标准化降水指数(SPI)的EOF分析结果表明：第一模态表现为全省一致型；第二模态春、夏季均为南北反位相分布型，而秋冬季为西北—东南反向型。贵州春季和秋季SPI存在2 a、10 a左右振荡周期，而夏季和冬季SPI存在2 a、3 a、5 a左右振荡周期。

(3)春秋季当西太平洋副热带高压主体强度偏强(偏弱)、位置偏西(偏东)，贵州地区降水偏少(多)，易发生干旱(洪涝)；而冬夏季当西太平洋副热带高压主体偏北(南)，贵州地区降水偏少(多)，易发生干旱(洪涝)。

(4)贵州秋季的SPI和全球海温的相关性相对较高，呈现显著负相关，关键海区为东印度洋—西太平洋区域，当该区域前期和同期海温异常偏高(低)时，贵州秋季SPI偏低(高)，贵州易发生干旱(洪涝)事件，这对贵州秋季降水偏多或偏少具有很好的指示意义。

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Variation Features of Drought and Flood in Guizhou Province and Their Relationships with WPSH and SST

CHEN Jun1, LI Xiaolan2, YU Yijun3, TENG Lin4

(1.TongrenMeteorologicalBureauofGuizhouProvince,Tongren554300,China;2.YupingMeteorologicalStationofGuizhouProvince,Yuping554000,China;3.YinjiangMeteorologicalStationofGuizhouProvince,Yinjiang555200,China;4.JianheMeteorologicalStationofGuizhouProvince,Jianhe556400,China)

Abstract:Based on the daily observation data of 16 stations of Guizhou Province from the National Meteorological Information Center, the reanalysis data from NCEP/NCAR and the global SST (Sea Surface Temperature) data from NOAA, the spatial and temporal distribution of drought and flood based on SPI in Guizhou Province was analyzed by using EOF and Morlet wavelet analysis methods, firstly. And the atmospheric circulation in abnormal drought/flood years in Guizhou Province and relationship between SPI and global SST were also researched. The results are as follows: (1) The consistent anomaly distribution was the main spatial model of drought/flood variation feature in Guizhou Province in each season, and in spring and summer it presented drought trend in some extent. The drought/flood in spring and autumn had a two-year and ten-year periodic fluctuation, while in summer and winter there was two-year, three-year and five-year periodic fluctuation. (2) If the Western Pacific subtropical high (WPSH) became stronger (weaker) and westward (eastward), there was less (more) rainfall, and drought (flood) would happen in spring and autumn. If the WPSH was southward (northward) and its position was eastward (westward), then there was less (more) rainfall, and drought (flood) would appear in winter and summer. (3)The autumn SPI had a significant negative correlation with global SST during the previous period and the corresponding period. The key area was the eastern Indian ocean and the western Pacific.Key words: Guizhou Province; distribution of drought and flood; the Western Pacific subtropical high;sea surface temperature; correlation

收稿日期：2015-08-24；改回日期：2016-03-11

作者简介：陈军(1990-)，男，主要从事短期天气预报以及中长期气候的研究. E-mail：djcj123@163.com

文章编号：1006-7639(2016)-03-08-0440

DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-03-0440

中图分类号：P426.61+4

文献标识码：A

陈军，李小兰，喻义军，等.贵州旱涝变化特征及其与西太平洋副高和海温的联系[J].干旱气象，2016，34(3)：440-447, [CHEN Jun, LI Xiaolan, YU Yijun, et al. Variation Features of Drought and Flood in Guizhou Province and Their Relationships with WPSH and SST[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(3):440-447], DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-03-0440