广西前汛期典型旱涝急转及其大气环流特征

赵 琳，孙梦竹，何 咪

(1.百色学院 人文与公共管理学院，广西 百色 533000；2.云南师范大学 地理学部，云南 昆明 650500)

0 引言

近年来，大气增温趋势减缓甚至出现停滞的趋势，但海洋热含量大幅度增加且温度不断升高，全球气候变暖形势依然严峻[1]。在此背景下，中国极端天气事件频发，旱涝并存、旱涝急转的发生频率也逐渐增加。旱涝急转具有隐蔽性、转折性及突发性的特征，但其造成的损失和抢险救灾的难度往往大于单纯的干旱或洪涝灾害。

随着旱涝急转现象的频发，旱涝急转逐渐成为学者研究旱涝异常的热点问题。作为识别旱涝急转事件的工具，学者们提出了不同的旱涝急转指数。例如，吴志伟等首先定义了长周期旱涝急转指数(LDFAI)筛选长江中下游流域夏季旱涝急转事件[2]。此后，一些学者提出新的旱涝急转指数研究旱涝急转现象，闪丽洁等[3]在LDFAI指数基础之上，构建日尺度旱涝急转指数研究长江中下游流域旱涝急转事件；孙小婷等[4]参考区域降水指数定义西南地区夏季长周期旱涝急转指数；杨家伟等[5]借助标准化加权平均降水指数，提出一种识别旱涝急转事件的新方法。近年来，对于旱涝急转形成原因的研究也有许多成果，例如，李迅等[6]发现持续的La Nia事件为2011年长江中下游旱涝急转事件的发生提供有利条件；邢彩盈等[7]研究表明海南岛后汛期旱涝急转与海气异常有关；徐敏等[8]认为在少雨、多雨期欧亚中高纬度高度场和经向风场低频位呈相反纬向分布是淮河流域旱涝急转的环流成因。广西属亚热带季风气候区，年降水量呈双峰分布且时空分布不均匀，旱涝急转发生频率较高，有关学者对该地区旱涝急转的研究有一定的成果。何慧等[9，10]先分析广西2013年夏季旱涝急转特征，再进一步分析华南地区1961～2014年夏季旱涝急转特征；杨星星等[11]基于标准化前期降水指数(SAPI)，分析广西月尺度旱涝急转时空演变特征。

以往对广西旱涝急转的研究，侧重描述旱涝急转的强度特征，未提及旱(涝)转涝(旱)的急缓问题，容易造成旱涝急转事件的错选。鉴于此，文中对杨星星等[11]定义的短周期旱涝急转指数加以改进，建立一个考虑旱涝急转时间点以及“急”“转”程度的日尺度旱涝急转指数，在此基础上讨论广西前汛期典型旱涝急转及其大气环流特征，以期为广西地区水旱灾害防治及水资源可持续利用提供理论依据。

1 数据与方法

1.1 数据

降水数据来源于国家气象信息中心《中国地面降水日值0.5° × 0.5°格点数据集(V2.0)》，文中利用ArcGIS软件从该数据集中批量提取广西地区1969～2018年的逐日降水数据(共85个格点)(图1)。NCEP/NCAR逐日再分析资料来源于美国国家海洋和大气管理局物理科学实验室(NOAA)官方网站，资料包括位势高度场、经纬向风场、比湿场以及垂直速度场，分辨率均为0.5° × 0.5°。

图1 广西0.5°格点分布图

1.2 研究方法

1.2.1 标准化前期降水指数(SAPI)

首先，计算前期降水指数(API)，其计算公式为[12]：

(1)

式中：IAP(i)为第i日API；k为衰减系数；文中k取经验值为0.955[13]；kd反映当日降水与前期降水对当日旱涝影响呈指数递减的关系；Lu[14]指出前期第44天对当日旱涝作用减少至1‰，所以文中d取值范围是1～44；P(i-d)为第(i-d)日降水量(mm)。

其次，设API数据序列为x={x1，x2，L，xn}，仿照标准化降水指数SPI计算方法，对x数据序列进行标准化。

(2)

(3)

式中：常数c0、c1、c2、d1、d2、d3同SPI计算过程，c0=2.515 517，c1=0.802 853，c2=0.010 328，d1=1.432 788，d2=0.189 269，d3=0.001 308。

1.2.2 游程理论

首先，识别1969～2018年广西日尺度旱涝事件。根据各个栅格点的逐日降水数据计算相对应的日尺度SAPI值，随后参考气象旱涝强度等级划分[14](表1)，得到日尺度的旱涝状况。以干旱事件为例，采用游程理论识别干旱事件具体步骤如下[15]：

表1 基于SAPI指数的旱涝强度等级

(1)干旱事件开始：轻旱等级以上(包括轻旱等级)连续10 d作为干旱事件的发生标准，因此文中干旱事件发生的截取水平R0为-0.5(轻旱等级下界)，当SAPI值连续10 d小于R0，表明一次干旱事件开始，干旱事件起始时间是这10 d的第一天。(2)干旱事件结束：自然降水持续10 d较多，使土壤水分达到适宜状态，作为干旱事件的结束标准，因此文中选取干旱事件结束的截取水平R1为0.5(正常等级上界)，当SAPI值连续10 d大于R1，表明一次干旱事件结束，干旱结束时间是这10 d的最后一天。(3)干旱持续时间为干旱开始日期至结束日期之间的天数。类似地，雨涝事件识别过程与干旱事件类似，不再赘述。

其次，识别1969～2018年广西的旱涝急转事件。若某段时期先后发生一次干旱事件和一次雨涝事件，且时间间隔小于5 d，则定义为一次旱涝急转事件，其中，旱涝急转事件的起讫时间分别是干旱事件的起始时间与雨涝事件的结束时间，表明是干旱转雨涝事件，相反则是雨涝转干旱事件[16]。

通过游程理论识别出旱涝急转事件后，定义以下统计指标刻画广西前汛期旱涝急转事件的特征：

(1)急转点：一次旱涝急转事件中先发生干旱或雨涝事件的结束日期。

(2)“急”的程度K：K值越大，表明由旱(涝)转涝(旱)越急，其公式定义为：

(4)

式中：SAPI前、SAPI后分别为急转点前期、后期的标准化前期降水指数；SAPIi、SAPI0分别为急转点后期第i天和急转点前期最后一天的标准化前期降水指数；n为急转点后期天数。

(3)“转”的程度T：T值越大，表明前后期旱涝程度差异越大，其公式为：

T=(SAPI后-SAPI前)×(|SAPI前|+|SAPI后|)×1.3-|SAPI前+SAPI后|

(5)

式中：1.3-|SAPI前+SAPI后|为权重系数，降低全旱或全涝事件的权重。

(4)急转强度Q，表示旱涝急转事件的强度大小，旱涝急转的强度等级划分如表2所示，其公式为：

表2 旱涝急转强度等级划分

Q=K+T

(6)

2 结果与分析

2.1 广西前汛期典型旱涝急转特征

对1969～2018年广西前汛期旱涝急转事件进行识别，挑选出8个典型的旱涝急转事件(表3)。根据广西近50 a来前汛期降水数据，计算4～6月总降水量的降水距平百分率，作为反映该地区前汛期降水变化的情况。8个典型旱涝急转事件4～6月总降水量均在正常水平，但4～6月内均发生不同强度的旱涝急转事件，反映了旱涝急转具有隐蔽性的特点；典型旱涝急转点的日期基本在5、6月，这与杨星星等[11]发现广西5、6月份较容易发生旱涝急转事件的研究结果基本一致。在“急”的程度中，K值均大于2，其中有6年大于4，最大值为1971年的7.87，说明旱转涝越急，急转点后期发生高强度降水的时间越靠前，最小值为1996年的-6.21，说明涝转旱越急，急转点后期发生连续无降水的时间越长。急转强度D值均大于6，即均达到中度以上的急转强度，其中涝转旱事件中1996年的急转强度最强，旱转涝事件中2015年的急转强度最强。由此可知，广西前汛期典型旱涝急转事件具有隐蔽性、旱涝转换急且强度大的特点，这极大地增加了广西旱涝急转灾害的抢险救灾工作难度。

表3 广西前汛期典型旱涝急转事件

根据以上分析得到的广西前汛期典型旱涝急转事件，通过ArcGIS软件的反距离加权法绘制旱涝急转空间分布图(封二图版Ⅰ图2)。典型旱转涝事件，1971年旱转涝事件主要分布在桂中、桂南地区，其中重度旱转涝事件发生在桂南的玉林市、钦州市以及北海市(封二图版Ⅰ图2a)；1986年旱转涝事件以桂中及桂西南地区为中心，强度逐渐向四周递减(封二图版Ⅰ图2b)；2002年、2015年旱转涝事件主要集中在桂中、桂西地区(封二图版Ⅰ图2c、图2d)。典型涝转旱事件，1970年、1981年涝转旱事件主要分布于桂北、桂西地区(封二图版Ⅰ图2e、图2f)；1996年除桂东南地区外，其余地区均发生不同强度的涝转旱事件，而1997年涝转旱事件则呈片状分布在桂东北、桂东南及桂西南地区(封二图版Ⅰ图2g、图2h)。结合图1可知，旱转涝事件易发生在地势相对低的桂中和桂西南地区，涝转旱事件集中于地势相对高的桂西和桂东北地区，这与唐明等[17]发现地势相对低易发生旱转涝事件而地势相对高易发生涝转旱事件的旱涝急转空间特性相一致。

2.2 典型旱涝急转大气环流特征

2.2.1 中低层环流特征

西太平洋副热带高压强度及空间分布的差异对广西前汛期降水量变化有着举足轻重的影响[18]。典型涝转旱的涝期(封三图版Ⅱ图3a)，从500 hPa高度合成场可看出，广西位于西太平洋副热带高压西侧，有利于副高边缘偏南水汽的输送；在700 hPa上，广西处于垂直速度距平场的负距平区，低层辐合上升运动较旺盛；值得注意的是，低层850 hPa距平风场上，南海上空存在异常气旋式环流，其外围东南风不断使洋面暖湿水汽输送至广西地区，导致降水增多。旱期(封三图版Ⅱ图3b)，西太平洋副高主体较涝期偏西、偏南、偏强，脊点西伸至100°E附近，广西地区受副高控制，同时，长江中下游流域存在反气旋式异常环流，阻挡冷空气南下，冷空气和暖湿水汽难以在广西地区上空交汇，导致干旱少雨。典型旱转涝的旱期(封三图版Ⅱ图3c)，广西地区在西太平洋副高的主体控制下，暖湿水汽不易到达该地区；此时，广西正好处于垂直速度场的正距平中心，伴随着辐散和下沉运动的加强，不利于降水产生。涝期(封三图版Ⅱ图3d)，西太平洋上空无588 dagpm等高线，利于热带低值系统活动；广西处于垂直速度场的负距平区，配合发展加强的南海气旋式异常环流，形成强大的动力抬升条件，这种环流形势有利于降水增多。

2.2.2 水汽输送特征

持续且充沛的水汽输送是产生大量降水的重要条件，南海及孟加拉湾的水汽来源影响广西前汛期的旱涝分布[19，20]。图4(封三图版Ⅱ)为广西前汛期典型旱涝急转整层的水汽输送情况。典型涝转旱的涝期(封三图版Ⅱ图4a)，广西地区为水汽通量辐合异常区域所覆盖，同时水汽通量距平矢量为偏南方向，以南海水汽输送为主，并处在水汽辐合的大值区，有利于降水增多；而旱期(封三图版Ⅱ图4b)，广西地区为水汽通量辐散异常区域所覆盖，同时水汽通量距平矢量为偏北方向，低层水汽输送较弱，水汽条件较差，不利于降水。典型旱转涝的旱期(封三图版Ⅱ图4c)，孟加拉湾季风槽偏弱使水汽输送异常，即推动广西前汛期强降水的关键因子(来自孟加拉湾的水汽)未存在[21]，加之，广西地区位于水汽通量散度正距平中心，不利于水汽聚集，导致降水减少；而涝期(封三图版Ⅱ图4d)，广西地区水汽通量散度为负距平，低层水汽辐合程度加强，以孟加拉湾、南海水汽输送为主，水汽输送加强，水汽条件较好，符合广西前汛期强降水的典型配置[22]。

3 结论与讨论

本文基于1969～2018年广西前汛期85个逐日降水气象格点数据，分析典型旱涝急转事件时空特征，并讨论旱涝急转与大气环流的关系，得到以下主要结论：

(1)广西前汛期典型旱涝急转具有隐蔽性、旱涝转换急且强度大的特点，急转点时间基本出现在5、6月；旱转涝事件易发生在地势相对低的桂中和桂西南地区，涝转旱事件集中于地势相对高的桂西和桂东北地区。

(2)典型涝转旱的涝期，广西位于西太平洋副高西侧，低层辐合上升运动较旺盛，南海上空气旋式异常环流使洋面暖湿水汽持续输送至该地区，降水增多；而旱期，西太平洋副高较涝期偏西、偏强，广西受其主体控制，下沉辐散运动加强，且水汽输送距平矢量为偏北方向，水汽输送减弱，降水减少。

(3)典型旱转涝的旱期，广西正好处于垂直速度场的正距平中心，伴随着辐散和下沉运动增强，同时孟加拉湾季风槽偏弱使水汽输送异常，导致干旱少雨；而涝期，西太平洋副高明显东退，利于热带低值系统活动，并有强大的动力抬升条件，低层水汽辐合程度加强，水汽条件较好，导致降水增多。

需要指出的是，文中在旱涝急转指数的应用上仅考虑降水因素，今后研究可综合考虑土壤水、作物用水及蒸发量等因素，进一步提高旱涝急转判别方法的精确度。