基于SPI的陽泉市近40年4—9月旱澇特征及成因分析

岳凱杰 李 燕 張 娜 賈立亭

（陽泉市氣象局，山西陽泉 045000）

陽泉市屬于典型的東亞季風氣候區，4—9月平均降水量占全年降水量的88%，但年際波動相對值大，干旱、洪澇時有發生[1]，對當地農業生產、水資源和防汛安全影響很大。因此，掌握其時空變化特征、做好氣象服務對指揮農業生產和防災減災至關重要。

標準化降水指數（SPI）因具有多時間尺度且計算要素單一等特點而被廣泛使用[2-3]。本文通過分析陽泉市1980—2019年4—9月SPI值，研究陽泉市旱澇變化的時空特征，以期為提升當地防災減災能力提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本研究所用資料為陽泉市3個國家氣象站1980—2019年逐日氣象資料（由山西省氣象信息中心提供），數據均經過質量控制。

1.2 研究方法

不同時間、不同地區的降水量變化幅度大且呈現偏態分布，難以在不同時空尺度上直接相互比較[4-5]。標準化降水指數（SPI）是表征某時段降水量出現概率的指標：在計算出某時段內降水量的Γ分布概率后，再進行正態標準化處理，最終用標準化降水累計頻率分布劃分旱澇等級。計算公式如下：

式中：β＞0、γ＞0分別為 Γ 分布函數的尺度和形狀參數；x為降水量樣本值。SPI等級指標見表1。

表1 不同旱澇等級SPI值范圍

2 結果與分析

2.1 陽泉市4—9月旱澇分布特征

2.1.1 旱澇時空特征分析和年際變化。利用1980—2019年4—9月6個月時間尺度的SPI對陽泉市3個縣（區）旱澇特征進行分析，見圖1（a）。由于陽泉市地域面積小，3個縣（區）旱澇特征變化具有一致性，近 40年間，平定偏旱15年、偏澇 13年、正常12年；陽泉城區偏旱14年、偏澇11年、正常14年；盂縣偏旱11年、偏澇8年、正常21年。表明陽泉市南部較北部更易出現旱澇現象。40年間4—9月SPI最小值為1997年，3個站 SPI值為-2.68～-2.24，屬極旱；降水量僅為182.7～250.9 mm，相當于歷年均值的40%，是陽泉市建站以來降水最少的年份。40年間，陽泉市4—9月出現1次重旱，為1986年；3次中旱，分別為1991年、2001年和2019年，其他偏干年份均為輕旱。40年間，陽泉市4—9月SPI最大值出現在1988年，3個站SPI值為-2.15～1.82，屬重澇；全市4—9月降水量為706.7～742.0 mm，較常年偏多60%，1995年、2016年也出現重澇，1983年、1996年和2006年為中澇，其他偏濕年均為輕澇。從3個站的5年滑動平均SPI指數看，20世紀80年代陽泉市4—9月降水年際變化大；20世紀90年代到21世紀初以偏少為主，出現了多年連續干旱；2005年以后降水以偏多為主，見圖1（b）。

2.1.2 旱澇月尺度變化特征。對陽泉市各年代4—9月逐月SPI進行統計，結果見表2。40年間，陽泉市4月降水偏少13年、偏多15年、正常12年，且近10年以偏多為主，表明陽泉市4月降水有增多趨勢；5月降水偏少15年、偏多13年、正常12年，且近10年偏少年份占1/2，表明陽泉市5月降水有減少趨勢；6月降水偏少11年、偏多13年、正常16年；7月降水偏少10年、偏多12年、正常18年；8月降水偏少12年、偏多14年、正常14年；9月降水偏少11年、偏多12年、正常17年，且近10年偏多年份占近1/2，說明陽泉市9月降水有增多趨勢。

表2 1980—2019年陽泉市各年代4—9月逐月旱澇次數 單位：次

對4—6月、7—9月3個月時間尺度和5—6月、7—8月2個月時間尺度降水SPI值進行統計分析，結果表明，4—6月SPI值年際變化大，最小出現在1997年（-2.83），且1996年以前以偏多為主，之后呈現偏少趨勢，主要是由于6月降水減少造成的。7—9月SPI值在1997年以前年際變化大，在2005年以后以偏多為主，說明陽泉市主汛期降水有增加趨勢，且4—9月SPI值變化趨勢與7—9月SPI值變化趨勢相似。這是由于7—9月是全市主要降水時段，對SPI貢獻更大造成的。從年代際變化特征看，20世紀80年代降水年際變化大，且表現為4—6月較濕潤，7—9月偏干旱；20世紀90年代降水整體偏少，且4—9月均偏少；21世紀前10年降水呈逐年增多趨勢，其中4—6月降水正常、7—9月降水增多；2010年以來陽泉市降水整體以偏多為主，其中4—6月偏少、7—9月偏多。表明近20年來，7—9月陽泉市降水呈增多趨勢。

2.2 旱澇對農業生產和防汛工作的影響

陽泉市平均入春時間為3月30日，北部略偏晚，為4月6日。陽泉市春播期為4—5月，春播期第一場“好雨”（4—5月降水量≥10 mm的降水）平均出現在4月20日。對1980—2019年陽泉市4—5月SPI值進行分析，見圖2（a），降水偏少 9年、偏多11年、正常20年，其中：1992—2005年出現了多年連續春季干旱，造成了春季農業播種困難；近年來陽泉市4—5月播種期降水接近常年且略偏多，整體有利于春季農業生產。

7月底至8月初西太平洋副熱帶高壓脊線越過北緯30°，山西雨季開始[1]。7—8月是陽泉市主汛期，也是陽泉市農作物生長關鍵期。陽泉市夏季第一次“汛雨”（日降水量≥30mm）平均出現在7月10日。對陽泉市7—8月降水SPI值進行分析，見圖2（b）。40年間，偏少12年、偏多12年、正常16年，近10年陽泉市7—8月降水除2015年、2019年偏少外，以偏多為主。降水情況雖有利于農業生產，但對防汛提出了更高要求。

不同級別降水在不同季節中的作用是不一樣的，4—5月春季旱澇變化主要受中雨、小雨影響，7—8月夏季旱澇變化主要受暴雨、大雨影響。通過分析不同月份降水日數和量級出現次數發現，不同年份各月降水日數變化不明顯，月降水量主要與不同降水量級的出現次數有關。例如，2019年7—8月陽泉市未出現暴雨天氣過程，日最大降水量僅為35.5 mm，年降水明顯偏少；而2016年陽泉出現4次暴雨天氣，最大日降水量達159.2 mm，年降水明顯偏多。分析陽泉市最大日降水量等變化特征發現，全球氣候變暖影響使大氣水汽壓增加，近年來陽泉市降水的極端性增強，局地暴雨、大暴雨明顯增多，地質災害防治和防汛壓力逐年加重。

3 陽泉市4—9月旱澇成因分析

東亞夏季風是影響陽泉市及周邊降水最重要的因素。研究表明，東亞夏季風可通過副熱帶高壓的變化來影響華北夏季降水：東亞夏季風偏強年，西太平洋副熱帶高壓位置偏北，華北夏季降水可能偏多；東亞夏季風偏弱年，西太平洋副熱帶高壓位置偏南，華北夏季降水可能偏少[6-7]。水汽輸送異常也是影響華北夏季降水的重要因素。研究表明，與華北地區夏季旱澇密切相關的異常水汽輸送主要是南海和西太平洋以及西風帶水汽輸送異常，東亞夏季風南風北界的南撤導致向華北地區水汽輸送通量減少，從而造成華北夏季降水量減少。陽泉市位于華北地區，地處黃土高原東緣，其降水量主要受到副熱帶高壓和東亞夏季風變化的影響。從圖3可看出，陽泉氣象站40年間7月和8月年際降水量均有明顯變化：7月降水量最小值出現在2010年，為21.8 mm，最大值出現在2016年，為378.9 mm；8月降水量最小值出現在2019年，為23.6 mm，最大值出現在1996年，為271.7 mm。

為進一步研究陽泉市4—9月降水量與大氣環流的關系，分別對西太平洋副高強度指數（東經110°～180°）、西太平洋副高脊線（東經 110°～150°）、西太平洋副高北界（東經110°～150°）與陽泉市降水進行相關分析。結果表明，陽泉市降水量與西太平洋副熱帶高壓脊線指數、印緬槽指數、西太平洋副高北界（東經 110°～150°）、西太平洋暖池強度指數相關性較明顯，與副高脊線、北界指數之間以正相關為主：當西太平洋副高明顯西伸北抬時，降水偏多易澇；相反環流背景下，降水將偏少，易出現干旱。與印緬槽強度也主要以正相關為主，當印緬槽強度偏強時，西南風水汽輸送加強，當遇到冷空氣后，易造成降水。與西太平洋暖池強度指數成負相關，相關系數為0.4，西太平暖池會影響東亞夏季風的強度；西太平洋暖池偏冷時，海洋與大陸之間的熱力差異加強，使東亞季風加強；西太平洋暖池偏暖時，海洋與大陸之間的熱力差異減弱，使東亞季風減弱，華北降水易偏少。對陽泉市夏季降水偏多時的200 hPa高度場風場進行合成分析（圖4），結果顯示：當200 hPa高空西風急流加強并穩定維持在華北上空時，200 hPa高度場上華北位于低壓區，高空急流的抽吸作用使華北上空上升氣流加強，配合副熱帶高壓進退和西南風水汽通道的打通，容易發生降水偏多時間，反之亦然。

近年來，陽泉市及周邊降水的極端性增強。造成降水量年際變化的直接原因主要是東亞夏季風推進的早晚、強度和持續時間的差異，一次大的降水過程往往影響整個月份降水量的盈虧，而是否有明顯的水汽通道是影響降水量多少的重要因素。

4 結語

陽泉市地域面積小，不同區域旱澇變化具有一致性特征，但南部較北部更易出現旱澇現象。近年來，陽泉市4—9月降水呈現增多趨勢，特別是7—9月降水的極端性增強，雖整體有利于農業生產，但給防汛造成了一定壓力。西太平洋副熱帶高壓的進退和強弱變化是影響陽泉市降水的主要因素，因而有必要進一步研究，了解其對陽泉市旱澇變化的影響，以期為陽泉市防汛抗旱提供更加精準的氣象服務。