貴州近49 a冬半年降水變化及少雨年成因淺析

徐智慧，嚴(yán)小冬，吳戰(zhàn)平，黃天福

(1.貴州省貴陽(yáng)市氣象局，貴州 貴陽(yáng) 550004;2.貴州省氣候中心，貴州 貴陽(yáng) 550002);3.貴州省六盤(pán)水市氣象局，貴州 六盤(pán)水 553001)

1 引言

貴州地處云貴高原東部山區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)潤(rùn)濕型氣候，境內(nèi)低緯度高海拔的獨(dú)特地理環(huán)境，地形地貌復(fù)雜，全省有61.9%的面積為喀斯特巖溶地貌所覆蓋。受大氣環(huán)流及地形等諸多因素影響，導(dǎo)致貴州氣候呈多樣性特性，尤其是降水分布的季節(jié)性差異，常常導(dǎo)致干旱洪澇頻發(fā)。

一般年份，4月上中旬開(kāi)始，貴州自東向西先后進(jìn)入雨季，暴雨天氣也隨之發(fā)生，5—7月是西南季風(fēng)活躍和盛行的季節(jié)，暴雨發(fā)生頻率最高，也是暴雨發(fā)生的高峰期。隨著東南季風(fēng)的建立和盛行，7月下旬以后暴雨發(fā)生頻率顯著下降，8—9月的暴雨天氣仍然時(shí)有發(fā)生，直到10月上旬雨季結(jié)束。因此，許多學(xué)者更多的是關(guān)注主汛期(4—9月)降水的變化［1-4］，而忽視了非汛期(即本文所述冬半年)降水變化特征［5-7］。2009—2010年西南三省的秋冬春連旱使人們的生活用水、工農(nóng)業(yè)用水以及畜牧用水等出現(xiàn)了嚴(yán)重危機(jī)，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。本文著眼于貴州冬半年降水變化，分析其空間分布及時(shí)間演變特征;同時(shí)，針對(duì)少雨年，尤其是2009—2010異常少雨年進(jìn)行簡(jiǎn)要成因分析，讓政府決策部門(mén)和公眾對(duì)我省冬半年降水時(shí)空演變特征有較為清晰的認(rèn)識(shí)，為更好地預(yù)測(cè)冬半年降水奠定基礎(chǔ)。

2 資料與方法

本文所用資料有:①1961年1月—2010年3月共49 a貴州各站逐月降水資料;NCEP/NCAR逐月再分析格點(diǎn)資料，選用風(fēng)場(chǎng)、高度場(chǎng)、濕度場(chǎng)(1 000 hPa、925 hPa、850 hPa、700 hPa、600 hPa、500 hPa、400 hPa、300 hPa)，水平分辨率為 2.5°×2.5°;1974年6月—2010年3月的逐月平均大氣層頂向外長(zhǎng)波輻射資料，水平分辨率為 2.5°×2.5°。冬半年定義為當(dāng)年10月—次年3月，例如2009年的冬半年表示2009年10月—2010年3月。

對(duì)1961年—2009年冬半年的貴州32個(gè)代表站降水距平進(jìn)行EOF展開(kāi)，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，對(duì)第一模態(tài)的降水異常空間場(chǎng)和時(shí)間序列綜合分析，得到貴州降水異常變化的主模態(tài)空間分布特征以及隨時(shí)間的變化趨勢(shì);取EOF第一模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列作為貴州冬半年降水的時(shí)間序列，采用Morlet小波方法對(duì)其進(jìn)行周期分析［8］，得到貴州冬半年降水的顯著周期以及變化趨勢(shì);利用相關(guān)方法分析貴州雨季結(jié)束期與貴州冬半年降水的關(guān)系;利用環(huán)流合成的方法對(duì)貴州及鄰近區(qū)域上空的相對(duì)濕度、水汽通量散度、向外長(zhǎng)波輻射［9］及大氣環(huán)流進(jìn)行合成分析及距平分析，探尋貴州冬半年少雨年，尤其是異常少雨年的成因。

3 貴州冬半年降水的變化特征

3.1 貴州冬半年降水概況

將貴州各站1961—2009年冬半年降水量進(jìn)行合成分析。從空間分布(圖1)，可以看出貴州冬半年降水量分布特點(diǎn)為省之西北部最少，少于180 mm，省的東南部邊緣最多，多于340 mm，其余區(qū)域雨量介于180～340 mm，其中相對(duì)多雨區(qū)主要分布在省的中東部和西南局部。同時(shí)，通過(guò)貴州冬半年逐年雨量的統(tǒng)計(jì)，貴州冬半年平均降雨量為258.4 mm，僅占全年雨量的21.4%，對(duì)應(yīng)各月(10—次年3月)所占全年雨量百分比分別為 7.8%、4.0%、1.6%、2.3%、2.3%和 3.4%。

圖1 貴州1961—2009年冬半年平均降水量分布(單位:mm)

從貴州各站冬半年降水量占全年降水量的百分比分布，可以更清楚的看到全省范圍的降水異常分布情況。如圖2，全省冬半年降水量占全年降水量的百分比分布特征為“東多西少”型。特別指出，省的西南部盡管冬半年雨量不少(圖1)，但所占全年雨量比卻相對(duì)較小，表明省的西南部年降水多，且主要集中在主汛期時(shí)段(4—9月)。

3.2 貴州冬半年降水空間分布特征

利用貴州冬半年的降水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)距平觀測(cè)值進(jìn)行EOF分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 貴州冬半年降水量的EOF分析結(jié)果

圖2 貴州1961—2009年冬半年降水量占全年降水量的百分比分布圖(單位:%)

根據(jù)顯著性檢驗(yàn)原則，第一個(gè)模態(tài)的解釋方差已達(dá)61.19%，并通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明EOF分解的收斂速度快，可以作為貴州冬半年降水異常的主要模態(tài)。如圖3，第一模態(tài)的空間分布為全省的降水量異常偏多(偏少)，說(shuō)明貴州冬半年降水量的異常變化在空間分布上具有全省一致的特征，高值中心主要集中在貴州省的中東部，尤其是東南部，其荷載值達(dá)0.23以上。同時(shí)，從圖中等值線疏密程度還可以看出貴州冬半年降水量在省的西北部、東南部和南部邊緣年變化劇烈，而中東部地區(qū)降水量相對(duì)穩(wěn)定少變。

圖3 貴州1961—2009年冬半年降水量EOF第一模態(tài)的空間分布

3.3 貴州冬半年降水的周期變化

從EOF第一模態(tài)對(duì)應(yīng)時(shí)間序列可以看到，貴州冬半年降水在過(guò)去49 a里存在劇烈的年變化和年際變化，其中相對(duì)多雨時(shí)段為20世紀(jì)60年代初、70年代中后期至80年代初和90年代，相對(duì)少雨時(shí)段為上世紀(jì)60年代中后期至70年代初、80年代中后期和最近10 a。將序列取絕對(duì)值，計(jì)算其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，用大于平均值的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差作為多雨年的臨界值，則貴州冬半年相對(duì)多雨年為1961、1963、1965、1972、1976、1978、1982、1994、1997 和 2008 年共10 a;用小于平均值的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差作為少雨年的臨界值，則相對(duì)少雨年為 1973、1974、1979、1986、1988、2007和2009 年共7 a。

圖4 貴州1961—2009年冬半年降水量EOF第一模態(tài)的時(shí)間序列

將貴州冬半年降水距平第一特征向量場(chǎng)對(duì)應(yīng)時(shí)間系數(shù)運(yùn)用Morlet小波進(jìn)行展開(kāi)，得其實(shí)部(圖5)，進(jìn)行貴州冬半年降水年際/年代際尺度分析。圖中正值反映多雨趨勢(shì)，負(fù)值反映少雨趨勢(shì)，等值線的疏密反映了降水變化的劇烈程度，正(負(fù))值中心為變化最劇烈處，零線對(duì)應(yīng)降水多少的突變點(diǎn)。圖5清楚地反映出貴州冬半年降水具有明顯的多時(shí)間尺度特征，其中5～7 a和16～21 a的時(shí)間尺度上正負(fù)閉合中心最明顯。

圖5 貴州1961—2009年冬半年降水量EOF第一模態(tài)的時(shí)間序列的小波系數(shù)實(shí)部

進(jìn)一步對(duì)小波進(jìn)行方差分析(圖6)，得到在1961—2009年整個(gè)時(shí)間域內(nèi)，貴州冬半年降水變化以6 a、18 a和32 a周期振蕩最強(qiáng)。說(shuō)明貴州冬半年降水變化的年際和年代際特征比較明顯。同時(shí)，通過(guò)對(duì)小波能量(圖略)分析發(fā)現(xiàn)，18 a周期是貴州冬半年降水振蕩的主周期，而6 a周期是次周期。表明貴州冬半年降水年代際振蕩特征非常明顯，且目前貴州冬半年降水正處于相對(duì)少雨時(shí)段。

圖6 貴州1961—2009年冬半年降水量EOF第一模態(tài)的時(shí)間序列的小波系數(shù)方差

4 少雨年成因分析

4.1 貴州冬半年降水與雨季結(jié)束期關(guān)系

通過(guò)對(duì)貴州各站歷年雨季結(jié)束期的統(tǒng)計(jì)得出，常年雨季結(jié)束在10月25日左右，且發(fā)現(xiàn)冬半年少雨年雨季結(jié)束都較常年偏早，各少雨年(1973、1974、1979、1986、1988、2007 和 2009 年)對(duì)應(yīng)雨季結(jié)束期依次為10月11日、9月28日、10月5日、10月15日、10月13日、9月25日和9月13日。將雨季結(jié)束期序列和冬半年降水量EOF第一模態(tài)的時(shí)間序列都進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(圖7)，計(jì)算二者相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.67，通過(guò)99.9%的信度檢驗(yàn)。上述分析表明雨季結(jié)束早，是貴州冬半年少雨干旱的一個(gè)前兆信號(hào)。

圖7 貴州1961—2009年雨季結(jié)束期的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列(虛線)和冬半年降水量EOF第一模態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列(實(shí)線)

4.2 水汽及其輸送異常

某地區(qū)的降水量狀況和局地的水汽含量與是否有源源不斷的水汽輸送到該地區(qū)，并在該地區(qū)輻合上升、成云致雨有著重要聯(lián)系。當(dāng)某地區(qū)有充裕的水汽并長(zhǎng)時(shí)間有充足的水汽輸送且該地有強(qiáng)烈的輻合上升時(shí)，會(huì)造成該地區(qū)降水偏多，甚至發(fā)生洪澇災(zāi)害;反之，會(huì)造成該地區(qū)降水偏少，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成干旱。同時(shí)，由于空氣中的水汽大部分是集中在大氣中低層，并鑒于貴州省所屬云貴高原，大部分地區(qū)的海拔較高，因此我們主要對(duì)貴州區(qū)域上空700 hPa的水汽及其輸送作簡(jiǎn)要分析。

首先分析貴州及鄰近區(qū)域上空的水汽分布，圖8給出2009年(圖8左)和7年少雨年合成的冬半年的700 hPa平均相對(duì)濕度及距平圖(圖8右)。從圖中可以看到貴州境內(nèi)的相對(duì)濕度都低于60%，距平圖上，其相對(duì)濕度要比常年偏少12%以上。對(duì)比少雨年的水汽分布還可以清楚的發(fā)現(xiàn)，2009年貴州上空的水汽分布比少雨年還要少10%左右，可見(jiàn)在2009年冬半年貴州區(qū)域上空的水汽匱乏，是造成少雨干旱的原因之一。

圖8 2009年(左)和少雨年(右)冬半年的700 hPa相對(duì)濕度合成及距平圖

為了進(jìn)一步分析這些水汽是否能在貴州輻合上升、成云致雨。圖9給出2009年冬半年的700 hPa水汽通量及其散度分布。從圖中可以看出，貴州區(qū)域上空的水汽主要來(lái)自印度西南季風(fēng)的輸送，然而這些水汽并沒(méi)有在貴州地區(qū)產(chǎn)生輻合，其主要輻合區(qū)在貴州以北的四川和重慶，貴州西南大部和云南為強(qiáng)的水汽通量散度輻散區(qū)所控制，貴州西南部最強(qiáng)的輻散達(dá)到20×10-6(g·cm-2·hPa-1·s-1)，可見(jiàn)，在局地水汽匱乏的條件下(圖8左)，再配合低空的輻散風(fēng)場(chǎng)，導(dǎo)致該地區(qū)的水汽通量散度為負(fù)，即不利于水汽在該區(qū)域輻合上升、形成降水，使得貴州大部在2009年冬半年降水異常偏少，造成全省性的干旱，尤其是我省西南部的特重旱。

圖9 2009年冬半年的700 hPa水汽通量散度圖

4.3 大氣層頂向外長(zhǎng)波輻射異常

圖10給出了貴州及鄰近區(qū)域上空2009年(圖10左)和7年少雨年合成(圖10右)的冬半年的大氣層頂OLR合成及距平圖。從圖10(左)可以看出，2009年冬半年貴州區(qū)域上空大氣層頂向外長(zhǎng)波輻射的較常年偏多6 W/m2，最多在貴州西部相差達(dá)10 W/m2以上，與少雨年相比，也要多3 W/m2;同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，2009年貴州區(qū)域上空平均的大氣層頂OLR為240 W/m2左右，比少雨年的230 W/m2多10 W/m2。表明貴州冬半年少雨年對(duì)應(yīng)本區(qū)域上空對(duì)流活動(dòng)偏弱，不利于暖濕空氣自熱帶地區(qū)輸入到貴州，導(dǎo)致冬半年少雨干旱。

4.4 大氣環(huán)流異常

對(duì)比2009年冬半年和少雨年冬半年的500hPa高度場(chǎng)合成及距平圖(圖略)，分析得出，2009年冬半年貝加爾湖低壓較常年(甚至較少雨年)異常偏強(qiáng)，北方地區(qū)冷空氣較強(qiáng)，但南方大部地區(qū)環(huán)流較為平直，西太平洋副高588線位于中南半島附近，較常年偏西偏強(qiáng)。同時(shí)，印緬槽偏弱，副高西北側(cè)的西南氣流給我省輸送的水汽偏弱，環(huán)流異常演變導(dǎo)致暖濕氣流的輸送缺乏，造成貴州大部地區(qū)干旱少雨。

圖10 2009年(左)和少雨年(右)冬半年的大氣層頂OLR合成及距平圖

5 小結(jié)與討論

本文通過(guò)對(duì)貴州1961—2009年49 a冬半年降水量的EOF統(tǒng)計(jì)分析、雨季結(jié)束時(shí)間與冬半年降水狀況的相關(guān)性分析和貴州及鄰近區(qū)域上空物理要素場(chǎng)(相對(duì)濕度、水汽通量散度、向外長(zhǎng)波輻射和500 hPa位勢(shì)高度)的特征分析，初步得出以下結(jié)論:

①貴州冬半年降水量平均分布特點(diǎn)為省之西北部最少，省的東南部邊緣最多;全省冬半年降水量所占全年降水量的百分比分布特征為“東多西少”型。

②貴州冬半年降水量在省的西北部、東南部和南部邊緣的空間分布變化劇烈，而中東部地區(qū)降水量的空間分布相對(duì)穩(wěn)定少變。

③貴州冬半年降水量振蕩的主周期是18 a，次周期是6 a。貴州冬半年降水年代際振蕩特征非常明顯，且目前貴州冬半年降水正處于相對(duì)少雨時(shí)段。

④貴州冬半年少雨干旱的一個(gè)有利前兆信號(hào)是雨季結(jié)束期早;另外，貴州冬半年區(qū)域上空的水汽匱乏、水汽通量散度為輻散區(qū)控制、對(duì)流活動(dòng)偏弱、北邊冷空氣偏東以及西太平洋副高偏強(qiáng)、偏西，阻礙南面暖濕氣流的向北輸送，都是導(dǎo)致貴州冬半年降水偏少的重要因子。

總之，本文不僅對(duì)貴州冬半年降水時(shí)間演變趨勢(shì)和空間分布變化進(jìn)行了仔細(xì)分析，而且還對(duì)影響其降水多寡的諸多因素展開(kāi)了一定分析，獲得了一些有意義的結(jié)果。但是，因其影響降水的因素太多，受其資料及分析手段限制，很多潛在影響因素還在不斷探索中。

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