贵州近49 a冬半年降水变化及少雨年成因浅析

2013-07-07徐智慧严小冬吴战平黄天福

中低纬山地气象 2013年2期

徐智慧，严小冬，吴战平，黄天福

(1.贵州省贵阳市气象局，贵州贵阳 550004;2.贵州省气候中心，贵州贵阳 550002);3.贵州省六盘水市气象局，贵州六盘水 553001)

1 引言

贵州地处云贵高原东部山区，属亚热带季风润湿型气候，境内低纬度高海拔的独特地理环境，地形地貌复杂，全省有61.9%的面积为喀斯特岩溶地貌所覆盖。受大气环流及地形等诸多因素影响，导致贵州气候呈多样性特性，尤其是降水分布的季节性差异，常常导致干旱洪涝频发。

一般年份，4月上中旬开始，贵州自东向西先后进入雨季，暴雨天气也随之发生，5—7月是西南季风活跃和盛行的季节，暴雨发生频率最高，也是暴雨发生的高峰期。随着东南季风的建立和盛行，7月下旬以后暴雨发生频率显著下降，8—9月的暴雨天气仍然时有发生，直到10月上旬雨季结束。因此，许多学者更多的是关注主汛期(4—9月)降水的变化［1-4］，而忽视了非汛期(即本文所述冬半年)降水变化特征［5-7］。2009—2010年西南三省的秋冬春连旱使人们的生活用水、工农业用水以及畜牧用水等出现了严重危机，造成了极大的经济损失。本文着眼于贵州冬半年降水变化，分析其空间分布及时间演变特征;同时，针对少雨年，尤其是2009—2010异常少雨年进行简要成因分析，让政府决策部门和公众对我省冬半年降水时空演变特征有较为清晰的认识，为更好地预测冬半年降水奠定基础。

2 资料与方法

本文所用资料有:①1961年1月—2010年3月共49 a贵州各站逐月降水资料;NCEP/NCAR逐月再分析格点资料，选用风场、高度场、湿度场(1 000 hPa、925 hPa、850 hPa、700 hPa、600 hPa、500 hPa、400 hPa、300 hPa)，水平分辨率为 2.5°×2.5°;1974年6月—2010年3月的逐月平均大气层顶向外长波辐射资料，水平分辨率为 2.5°×2.5°。冬半年定义为当年10月—次年3月，例如2009年的冬半年表示2009年10月—2010年3月。

对1961年—2009年冬半年的贵州32个代表站降水距平进行EOF展开，并进行显著性检验，对第一模态的降水异常空间场和时间序列综合分析，得到贵州降水异常变化的主模态空间分布特征以及随时间的变化趋势;取EOF第一模态对应的时间序列作为贵州冬半年降水的时间序列，采用Morlet小波方法对其进行周期分析［8］，得到贵州冬半年降水的显著周期以及变化趋势;利用相关方法分析贵州雨季结束期与贵州冬半年降水的关系;利用环流合成的方法对贵州及邻近区域上空的相对湿度、水汽通量散度、向外长波辐射［9］及大气环流进行合成分析及距平分析，探寻贵州冬半年少雨年，尤其是异常少雨年的成因。

3 贵州冬半年降水的变化特征

3.1 贵州冬半年降水概况

将贵州各站1961—2009年冬半年降水量进行合成分析。从空间分布(图1)，可以看出贵州冬半年降水量分布特点为省之西北部最少，少于180 mm，省的东南部边缘最多，多于340 mm，其余区域雨量介于180～340 mm，其中相对多雨区主要分布在省的中东部和西南局部。同时，通过贵州冬半年逐年雨量的统计，贵州冬半年平均降雨量为258.4 mm，仅占全年雨量的21.4%，对应各月(10—次年3月)所占全年雨量百分比分别为 7.8%、4.0%、1.6%、2.3%、2.3%和 3.4%。

图1 贵州1961—2009年冬半年平均降水量分布(单位:mm)

从贵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围的降水异常分布情况。如图2，全省冬半年降水量占全年降水量的百分比分布特征为“东多西少”型。特别指出，省的西南部尽管冬半年雨量不少(图1)，但所占全年雨量比却相对较小，表明省的西南部年降水多，且主要集中在主汛期时段(4—9月)。

3.2 贵州冬半年降水空间分布特征

利用贵州冬半年的降水数据，对距平观测值进行EOF分析，结果见表1。

表1 贵州冬半年降水量的EOF分析结果

图2 贵州1961—2009年冬半年降水量占全年降水量的百分比分布图(单位:%)

根据显著性检验原则，第一个模态的解释方差已达61.19%，并通过显著性检验，说明EOF分解的收敛速度快，可以作为贵州冬半年降水异常的主要模态。如图3，第一模态的空间分布为全省的降水量异常偏多(偏少)，说明贵州冬半年降水量的异常变化在空间分布上具有全省一致的特征，高值中心主要集中在贵州省的中东部，尤其是东南部，其荷载值达0.23以上。同时，从图中等值线疏密程度还可以看出贵州冬半年降水量在省的西北部、东南部和南部边缘年变化剧烈，而中东部地区降水量相对稳定少变。

图3 贵州1961—2009年冬半年降水量EOF第一模态的空间分布

3.3 贵州冬半年降水的周期变化

从EOF第一模态对应时间序列可以看到，贵州冬半年降水在过去49 a里存在剧烈的年变化和年际变化，其中相对多雨时段为20世纪60年代初、70年代中后期至80年代初和90年代，相对少雨时段为上世纪60年代中后期至70年代初、80年代中后期和最近10 a。将序列取绝对值，计算其平均值和标准差，用大于平均值的一个标准差作为多雨年的临界值，则贵州冬半年相对多雨年为1961、1963、1965、1972、1976、1978、1982、1994、1997 和 2008 年共10 a;用小于平均值的一个标准差作为少雨年的临界值，则相对少雨年为 1973、1974、1979、1986、1988、2007和2009 年共7 a。

图4 贵州1961—2009年冬半年降水量EOF第一模态的时间序列

将贵州冬半年降水距平第一特征向量场对应时间系数运用Morlet小波进行展开，得其实部(图5)，进行贵州冬半年降水年际/年代际尺度分析。图中正值反映多雨趋势，负值反映少雨趋势，等值线的疏密反映了降水变化的剧烈程度，正(负)值中心为变化最剧烈处，零线对应降水多少的突变点。图5清楚地反映出贵州冬半年降水具有明显的多时间尺度特征，其中5～7 a和16～21 a的时间尺度上正负闭合中心最明显。

图5 贵州1961—2009年冬半年降水量EOF第一模态的时间序列的小波系数实部

进一步对小波进行方差分析(图6)，得到在1961—2009年整个时间域内，贵州冬半年降水变化以6 a、18 a和32 a周期振荡最强。说明贵州冬半年降水变化的年际和年代际特征比较明显。同时，通过对小波能量(图略)分析发现，18 a周期是贵州冬半年降水振荡的主周期，而6 a周期是次周期。表明贵州冬半年降水年代际振荡特征非常明显，且目前贵州冬半年降水正处于相对少雨时段。

图6 贵州1961—2009年冬半年降水量EOF第一模态的时间序列的小波系数方差

4 少雨年成因分析

4.1 贵州冬半年降水与雨季结束期关系

通过对贵州各站历年雨季结束期的统计得出，常年雨季结束在10月25日左右，且发现冬半年少雨年雨季结束都较常年偏早，各少雨年(1973、1974、1979、1986、1988、2007 和 2009 年)对应雨季结束期依次为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。将雨季结束期序列和冬半年降水量EOF第一模态的时间序列都进行标准化处理(图7)，计算二者相关性，相关系数为0.67，通过99.9%的信度检验。上述分析表明雨季结束早，是贵州冬半年少雨干旱的一个前兆信号。

图7 贵州1961—2009年雨季结束期的标准化时间序列(虚线)和冬半年降水量EOF第一模态的标准化时间序列(实线)

4.2 水汽及其输送异常

某地区的降水量状况和局地的水汽含量与是否有源源不断的水汽输送到该地区，并在该地区辐合上升、成云致雨有着重要联系。当某地区有充裕的水汽并长时间有充足的水汽输送且该地有强烈的辐合上升时，会造成该地区降水偏多，甚至发生洪涝灾害;反之，会造成该地区降水偏少，严重时会造成干旱。同时，由于空气中的水汽大部分是集中在大气中低层，并鉴于贵州省所属云贵高原，大部分地区的海拔较高，因此我们主要对贵州区域上空700 hPa的水汽及其输送作简要分析。

首先分析贵州及邻近区域上空的水汽分布，图8给出2009年(图8左)和7年少雨年合成的冬半年的700 hPa平均相对湿度及距平图(图8右)。从图中可以看到贵州境内的相对湿度都低于60%，距平图上，其相对湿度要比常年偏少12%以上。对比少雨年的水汽分布还可以清楚的发现，2009年贵州上空的水汽分布比少雨年还要少10%左右，可见在2009年冬半年贵州区域上空的水汽匮乏，是造成少雨干旱的原因之一。

图8 2009年(左)和少雨年(右)冬半年的700 hPa相对湿度合成及距平图

为了进一步分析这些水汽是否能在贵州辐合上升、成云致雨。图9给出2009年冬半年的700 hPa水汽通量及其散度分布。从图中可以看出，贵州区域上空的水汽主要来自印度西南季风的输送，然而这些水汽并没有在贵州地区产生辐合，其主要辐合区在贵州以北的四川和重庆，贵州西南大部和云南为强的水汽通量散度辐散区所控制，贵州西南部最强的辐散达到20×10-6(g·cm-2·hPa-1·s-1)，可见，在局地水汽匮乏的条件下(图8左)，再配合低空的辐散风场，导致该地区的水汽通量散度为负，即不利于水汽在该区域辐合上升、形成降水，使得贵州大部在2009年冬半年降水异常偏少，造成全省性的干旱，尤其是我省西南部的特重旱。

图9 2009年冬半年的700 hPa水汽通量散度图

4.3 大气层顶向外长波辐射异常

图10给出了贵州及邻近区域上空2009年(图10左)和7年少雨年合成(图10右)的冬半年的大气层顶OLR合成及距平图。从图10(左)可以看出，2009年冬半年贵州区域上空大气层顶向外长波辐射的较常年偏多6 W/m2，最多在贵州西部相差达10 W/m2以上，与少雨年相比，也要多3 W/m2;同时可以发现，2009年贵州区域上空平均的大气层顶OLR为240 W/m2左右，比少雨年的230 W/m2多10 W/m2。表明贵州冬半年少雨年对应本区域上空对流活动偏弱，不利于暖湿空气自热带地区输入到贵州，导致冬半年少雨干旱。

4.4 大气环流异常

对比2009年冬半年和少雨年冬半年的500hPa高度场合成及距平图(图略)，分析得出，2009年冬半年贝加尔湖低压较常年(甚至较少雨年)异常偏强，北方地区冷空气较强，但南方大部地区环流较为平直，西太平洋副高588线位于中南半岛附近，较常年偏西偏强。同时，印缅槽偏弱，副高西北侧的西南气流给我省输送的水汽偏弱，环流异常演变导致暖湿气流的输送缺乏，造成贵州大部地区干旱少雨。