黔東南州近40 a夏季降水時空分布及異常年環流特征分析

潘 影，鄧世有，王 玨

(1.貴州省三穗縣氣象局，貴州 三穗 556500；2.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000)

0 引言

貴州省黔東南地處云貴高原與湘西丘陵過渡的斜坡地帶，地勢西高東低，地形起伏較大，山高坡陡，地質環境脆弱，年平均氣溫在14.7～18.5 ℃，年降水量在1 003.8～1 166.7 mm[1]。由于自然因素的影響，強降水極易誘發和加劇地質災害的發生，給人民生命財產帶來嚴重威脅，而夏季降水的多少對黔東南州地質災害的影響巨大，作好夏季降水量預報就顯得尤為重要。

目前，對于中國夏季降水時空分布特征的研究取得很大的進展[2-4]。黨皓飛等[5]研究指出，中國夏季降水的時間變化尺度主周期為16 a，在1990年左右發生了明顯的年代際突變。有研究指出[6-14]：中國區域降水異常與大氣環流異常密切相關 ,西太平洋副熱帶高壓和西南季風等是影響長江流域的主要環流系統。這些系統的位置和強度也是造成黔東南夏季降水異常的主要原因。伍紅雨等[15]研究發現貴州夏季降水多雨年較少雨年的西太平洋副熱帶高壓偏弱,脊線明顯偏南偏西。田菊萍等[16]研究表明黔東南州年降水日數分布是西多東少、北多南少。

針對目前小尺度空間的降水時空分布特征的研究不多。本文利用1981—2020年黔東南州16個站點夏季(6—8月)的月降水資料，采用小波分析、M-K和滑動T檢驗法，分析黔東南州夏季降水的氣候特征，使用EOF對黔東南州夏季降水的空間分布進行初步研究，找出黔東南州夏季降水時空分布及其異常年環流特征，以期為黔東南州夏季降水預報提供參考思路。

1 資料和方法

黔東南州16個氣象觀測站夏季各月降水量資料來源于貴州省氣象局CIMISS數據庫，西太平洋副熱帶高壓的脊線、西伸點和強度指數等資料來源于國家氣候中心新130項監測指數。定義黔東南州16個站每年夏季降水量之和為當年夏季總降水量，用Ri表示，總降水量距平百分率表達式為：

(1)

式中Mi為總降水量距平百分率，單位為%。Mi在±20%之間為正常，Mi>20%為偏多，Mi<-20%為偏少。

2 夏季降水分布特征

2.1 夏季降水時間分布特征

2.1.1 夏季降水年代際特征 由圖1看到，黔東南州夏季降水距平百分率正負年數相當，且曲線的波形變化十分明顯，清晰地顯示了黔東南州夏季降水近40 a來經歷了2次明顯的波動。1981—1990年，黔東南州夏季降水量距平百分率多為負值，且有5 a的降水距平百分率低于-20%，故定為相對枯水期。1991—2001年夏季降水呈顯著上升趨勢，降水距平百分率10 a的平均值超過了20%，此期間可定為相對豐水期。2002—2013年夏季降水呈現下降趨勢，出現6 a的降水距平百分率低于-20%，此期間可定為相對枯水期。2014—2020年夏季降水呈現上升趨勢，說明2013年枯水期結束，黔東南州夏季降水進入相對豐水期。

圖1 黔東南州1981—2020年夏季逐年降水量距平變化Fig.1 Change of annual summer precipitation anomaly in Qiandongnan prefecture from 1981 to 2020

2.1.2 夏季降水周期特征 小波分析能發現隱藏在時間序列中的各種變化周期，比較全面的反映出系統在不同時間尺度中的變化。小波系數實部等值線圖能反映某要素值的周期變化，進而能判斷在不同時間尺度上，某要素值的未來變化趨勢。

本文利用小波分析方法對黔東南州1981—2020年16個站夏季降水進行分析。圖2為使用Matlab軟件計算出的小波系數實部繪制的色斑圖。圖中暖色調區域表示降水偏多;冷色調區域表示降水偏少。

從圖2看出，黔東南州夏季降水周期變化顯著，旱澇交替明顯。在11～25 a尺度上出現了枯豐交替的準2次振蕩；在4～10 a時間尺度上存在準5次振蕩。同時，還可以看出11～25 a尺度的周期變化在整個分析時段表現的非常穩定，具有全域性；而4～10 a尺度的周期變化在2000年以后表現的較為穩定。總之，在降水量的時間演變過程中主要存在著11～25 a、4～10 a左右的兩類尺度周期變化規律。

圖2 黔東南州夏季降水時序小波系數實部時頻分布圖(縱坐標為周期尺度，橫坐標為年份，圖內標值為小波系數的實部值)Fig.2 Real-part time-frequency distribution of time-series wavelet coefficients of summer precipitation in Qiandongnan Prefecture (y-coordinate is periodic scale,abscissa is year,and the internal scale value is the real part value of the wavelet coefficients)

2.1.3 夏季降水突變性特征 從圖3看出，黔東南州1981—2002年總體呈上升趨勢，2003—2013年呈下降趨勢，2014年開始又呈現上升趨勢；從圖3中可以看出，UF和UB兩條檢驗曲線在臨界值之內有多個交點，黔東南州夏季降水量的突變年份為1993、1996年和1999年。突變點都出現在20世紀90年代，結合圖1，發現1996年是近40 a降水最多的一年，而且20世紀90年代也是近40 a降水偏多的10 a。由此可見，20世紀90年代是黔東南州夏季降水的突變時段。

圖3 黔東南州1981—2020年夏季逐年降水量距平Mann-Kendall突變檢驗Fig.3 Mann-Kendall mutation test of annual summer precipitation anomaly in Qiandongnan Prefecture from 1981 to 2020

2.2 夏季降水空間分布特征

為了進一步了解黔東南州夏季降水的空間分布及其周期變化，將黔東南州近40 a來16個國家氣象觀測站的月降水量資料進行EOF分析，通過分析結果計算出前10個主分量的方差，前2個分別為23.89%、17.19%，其分量所占的方差貢獻率為41%，表明前2個分量包括了降水量分布的大部分信息，能代表黔東南州夏季降水主要的空間分布特點。

第1模態占23.89%，是研究黔東南州夏季降水空間分布最主要的模態。由圖4a可以看出，黔東南州夏季降水主要表現為南北反位相的空間分布特征，在州北部地區為負值，州南部(錦屏、黎平、從江、榕江和丹寨)為正值，特征值零線沿州中部一線。表明黔東南州夏季降水量呈南北反位相，即北部降水較常年偏少(多)的時候，南部降水較常年偏多(少)，稱為南北型。結合南北型所對應的時間序列(圖4b)可知，時間系數的絕對值越大，則此型在該年的分布型越明顯。由圖4b可以看出，絕對值大于10 的年份(1988、1993、1994、1997、2005、2006、2008、2010、2016、2017、2020 年)正位相較強，結合圖5，發現正值年份南部降水較常年偏多，而北部降水較常年偏少；1984、1985、1986、1987、1991、1992、1995、1998、2002、2007、2011、2012、2014 年為負位相較強，結合圖5，發現負值年份北部降水較常年偏多，而南部降水較常年偏少。

圖4 黔東南州夏季降水EOF第1特征向量的空間型(a)和時間序列(b)Fig.4 Spatial type (a)and time series (b)of the first eigenvector of summer precipitation in Qiandongnan Prefecture

圖5 黔東南州1981—2020年夏季南北逐年降水量距平Fig.5 Annual precipitation anomaly in summer from north to south of Qiandongnan Prefecture during 1981—2020

由圖6a看出，黔東南州夏季降水主要表現為東西反位相的空間分布特征，在州東部地區為負值，州的西部(凱里、麻江、雷山和丹寨)為正值，特征值零線沿州中部偏西一線，表明黔東南州夏季降水量呈東西反位相，即東部降水較常年偏少(多)的時候，西部降水較常年偏多(少)，稱為東西型。結合東西型所對應的時間序列圖6b看出，時間系數的絕對值越大，則分布型越明顯。由6b還可以看出，絕對值大于10的年份(1982、1988、1993、1994、1997、2001、2005、2009、2016、2017 年)正位相較強，結合圖7，表明正值年份東部降水較常年偏多，西部降水較常年偏少；而1983、1987、1992、1998、2003、2007、2015 年為負位相較強，結合圖7，發現負值年份西部降水較常年偏多，東部降水較常年偏少。

圖6 黔東南州夏季降水EOF 第2特征向量的空間型(a)和時間序列(b)Fig.6 Spatial type (a)and time series (b)of the second eigenvector of summer precipitation in Qiandongnan Prefecture

圖7 黔東南州1981—2020年夏季東西逐年降水量距平Fig.7 Annual precipitation anomaly between east and west in summer of Qiandongnan Prefecture from 1981 to 2020

3 異常年環流指數分析

為了保證指數距平百分率在一個量級并且正負趨勢不變，采用以下公式處理：

(2)

其中Xi表示每年夏季(6—8月)對應的環流指數平均值，i表示總年數，Zi表示年指數距平百分率。根據式(2)處理西太平洋副高的脊線、西伸點和強度指數(見圖8)，西太平洋副高的脊線距平百分率正值表示脊線位置偏北，負值表示偏南。西伸點正值表示副高位置偏東，負值表示偏西。強度指數正值表示副高偏強，負值表示偏弱。

圖8 黔東南州夏季降水量距平和西太平洋副高的脊線、西伸點、強度指數距平(單位：%)Fig.8 Summer precipitation anomaly and ridge line,western extension point and intensity index anomaly of the Western Pacific Subtropical High in Qiandongnan Prefecture (unit:%)

降水距平百分率超過±20%為異常年，則1981、1985、1989、1992、2003、2005、2011和2013年為夏季降水量異常偏少年，1993、1996、1999、2007、2015和2017年為夏季降水量異常偏多年。由圖8看出，黔東南州夏季降水量距平百分率與脊線、西伸點的距平百分率總體上成反位相，即夏季降水量異常偏少的8 a，副高脊線、西伸點的距平百分率多為正值，表明副高較常年偏北偏東，副高強度正常到偏弱；夏季降水量異常偏多的6 a，副高脊線、西伸點的距平百分率多為負值，表明副高較常年偏南偏西，副高強度正常到偏強。由此可知，黔東南州夏季降水量的多少與副高脊線、西伸點、強度有密切的關系。

4 結論

通過上述分析，得出以下結論:

①近40 a黔東南州夏季降水量的時間尺度表現為2次波動，1991—2001年和2014—2020年為2個波峰，即為相對豐水期;1981—1990年和2002—2013年為2個波谷，即為相對枯水期。夏季降水存在明顯的11～25 a的主周期和4～10 a的次周期變化,并在20世紀90年代發生了顯著的變化，也是近40 a黔東南州夏季降水量最多的10 a。

②黔東南州夏季降水量空間分布主要呈現南北反位相和東西反位相2種類型。第1模態占23.89%，表明黔東南州夏季降水量呈南北反位相，即北部降水較常年偏少(多)的時候，南部降水較常年偏多(少)；第2模態占17.19%，表明黔東南州夏季降水量呈東西反位相，即東部降水較常年偏少(多)的時候，西部降水較常年偏多(少)。

③黔東南州夏季降水量的多少與副高脊線、西伸點、強度有密切的關系，即夏季降水量異常偏少年，副高較常年偏北偏東，副高強度正常到偏弱；夏季降水量異常偏多年，副高較常年偏南偏西，副高強度正常到偏強。