近54 年贵州省洪涝灾害时空特征及成因分析

张艳梅，谷晓平，顾天红，彭兴德，吴古会，吴 静

（1.贵州省气象台，贵阳 550002；2.贵州省山地气候与资源重点实验室，贵阳 550002；3.贵州省生态气象和卫星遥感中心，贵阳 550002；4.贵州省黔西南州气象局，贵州 兴义 562400）

洪涝灾害是气象灾害中较为严重的自然灾害之一，灾害的形成及其严重程度往往是由于各地降水过程在时空尺度上非均匀分布造成的，如果强降水出现频繁且集中在某一地区，经常会造成洪涝灾害，IPCC 第五次评估报告指出，由于气候变暖而导致极端气候事件的发生频率增多、强度加大是一个全球性的趋势［1］。贵州省靠近孟加拉湾和中国南海，具有明显的季风气候特点；季风出现的迟早及强弱常使降雨量时间和地域上分布不均，贵州省属于喀斯特地形地貌，地表径流量大，土壤蓄水能力差，所以洪涝灾害发生频率较高。洪涝灾害对贵州省的经济和工农业生产带来极大的危害。目前已有学者在旱涝方面进行了大量的研究。曹永强等［2］运用标准化降水蒸散发指数（SPEI）对辽宁省多时间尺度旱涝特征分析，发现辽宁省春、夏季持续性洪涝事件呈增加趋势，降水量是影响旱涝变化的主要因素。杨金虎等［3］利用 1953—2012 年中国西南地区 44 个气象台站的逐日降水等资料，对近60 年来西南地区旱涝变化及极端和持续性特征进行研究，发现冬春两季持续性干旱事件频率增多，强度增强，而持续性洪涝事件的强度无明显变化趋势，发生频率有减少趋势。李永华等［4］利用重庆市城区百余年降水量资料，用Z指数作为旱涝等级标准，研究了重庆市城区年及四季旱涝的变化特征，研究表明重庆市城区年及四季干旱和洪涝发生频率均在25%以上，年及夏季旱涝的年代际变化特征较明显。严小冬等［5］分析发现贵州省持续性干旱事件以冬旱、春旱发生次数最多，秋旱次之，夏旱最少。以往的研究主要基于SPEI、Z 等指数来研究分析旱涝变化特征［6-10］，且关于贵州省洪涝变化特征的研究尚不多见。因此，本研究通过对贵州省84 个站的日雨量资料，通过定义单站洪涝指标和年度洪涝指标，并运用小波分析、合成分析等方法分析贵州省洪涝灾害的时空变化规律及环流异常成因，以期为贵州省洪涝预测和抗旱减灾提供一些科学的参考依据。

1 资料与方法

1.1 资料

贵州省84 个国家气象站1961—2014 年逐日降水资料，NCAR/NCEP 提供 1961—2014 年逐月经向风和纬向风再分析资料，水平分辨率为2.5°×2.5°。

1.2 方法

采用 Morlet 小波分析近 54 年（1961—2014 年）贵州省洪涝灾害的周期变化特征。洪涝指标的定义［11］分为单站洪涝指标和年度洪涝指标，单站洪涝指标按照持续时间分为单日、二日和三日或以上3种类型，具体指标如表1 所示。

表1 单站洪涝指标

为了反映全省年度洪涝的总体发生情况，特定义年度洪涝指标如下。

式中，NH为单站年洪涝指数；M1、M2、M3分别为单站轻度、中度和重度洪涝的发生次数；QS为全省年均洪涝指数；∑NH为一年中全省发生洪涝台站的单站年洪涝指数之和；M为全省当年台站总数。单站的轻度洪涝、中度洪涝和重度洪涝对应的指数分别为0.7、0.8、0.9。全省洪涝分级指标如下。

一般洪涝年，0.2≤QS＜0.4；较多洪涝年，0.4≤QS＜0.6；多洪涝年，QS≥0.6。

2 结果与分析

2.1 轻度洪涝的时空变化特征

2.1.1 空间分布特征 1961—2014 年贵州省84 站轻度洪涝总次数的空间分布如图1a 所示，可以看出，贵州省轻度洪涝次数的空间分布差异显著，在全省范围内存在3 个轻度洪涝次数发生频率较高的地区，发生次数最高的区域在贵州省西部，主要位于六盘水市东部和南部、安顺市西部及黔西南州北部和南部，近54 年轻度洪涝总次数达60 次以上，其中六枝特区轻度洪涝次数出现最多，达93 次；另一个高值中心位于贵州省东南部的丹寨县、三都县、雷山县、独山县一带，为轻度洪涝发生的次多中心区域，近54 年轻度洪涝总次数都在54 次以上，其中丹寨县轻度洪涝次数最多，达71 次；贵州省东北部也存在一个轻度洪涝次数的高值中心，主要位于德江县、松桃县、凤冈县一线，近54 年轻度洪涝总次数达35 次以上，其中德江县轻度洪涝次数最多，共有63 次。

轻度洪涝发生的低值区域主要分布在3 个区域，一是贵州省西北部的威宁县、赫章县、毕节市一线，轻度洪涝发生次数低于10 次，出现次数最少的为赫章县，近54 年仅出现2 次；此外，2 个低值区域主要分布在贵州省东南部的施秉县、黎平县、三穗县一带及中部的开阳县、龙里县、乌当区，轻度洪涝发生次数在15 次以下，出现次数最少的为施秉县，近54 年共出现 7 次。

2.1.2 轻度洪涝的变化趋势及周期特征 贵州省84 站轻度洪涝总次数的年际变化如图1b 所示，可以看出，近54 年贵州省轻度洪涝次数呈增加趋势，其气候倾向率为0.51 次/10 年。轻度洪涝偏多的年份有 1991、1996、2007 年，轻度洪涝偏少的年份是1973、1975、1981 年。统计各年代轻度洪涝次数分布发现，近54 年贵州省共出现3 008 次轻度洪涝。20 世纪60—80 年代轻度洪涝发生的频率相对偏少，最少的为20 世纪70 年代，仅有439 次，占总次数的14.6%；其次为20 世纪80 年代，轻度洪涝发生次数为 448 次，占总数的 14.9%；20 世纪 90 年代轻度洪涝发生的次数明显增多，共有828 次，占总次数的27.5%；21 世纪初轻度洪涝发生的次数较多，占总次数的26.6%。

从贵州省近54 年轻度洪涝总次数的小波变换系数（实部）分布（图1c）可以看出，轻度洪涝指数具有明显的年际及年代际尺度变化（正值用实线表示，负值用虚线表示）。近54 年轻度洪涝指数在20 世纪90 年代以前一直存在显著的准12 年周期振荡，强度较强，由2 个明显的偏强时段和3 个明显的偏弱时段组成；20 世纪90 年代以后，在年际尺度上，准8 年的周期振荡也一直存在，2014 年以后贵州省轻度洪涝向偏强的趋势转变。

图1 1961—2014 年贵州省轻度洪涝总次数的空间分布（a）、年际变化（b）、小波变换系数（实部）分布（c）

2.2 中度洪涝的时空变化特征

2.2.1 空间分布特征 1961—2014 年贵州省中度洪涝总次数的空间分布如图2a 所示，可以看出，中度洪涝次数比轻度洪涝次数明显减少。中度洪涝与轻度洪涝发生次数的空间分布基本一致，中度洪涝发生次数也有3 个高值中心，其中一个位于贵州省西部的六枝特区、普定县、镇宁县、晴隆县附近，近54 年中度洪涝次数一般都超过10 次，普定县为最多（16 次）；贵州省东南部的丹寨县、麻江县一带为中度洪涝发生次多中心区域，在10 次左右；东北部的思南县、江口县附近也是中度洪涝出现相对较多的区域，在5～7 次。中度洪涝发生的低值区域主要分布在六盘水市北部、毕节市、黔西南州西部及遵义市大部，铜仁市南部及黔东南州东部和南部等地的中度洪涝次数也偏少，近54 年全省共有22 站没有出现过中度洪涝。

2.2.2 中度洪涝的变化趋势及周期特征 贵州省84 站的中度洪涝总次数的年际变化（图2b）显示，近54 年中度洪涝次数呈增加趋势，其气候倾向率为0.8次/10 年，增加趋势不明显。中度洪涝发生年份最多的为 1996 年，达 28 次；其次为 1970 年，中度洪涝发生 达 24 次 ；1965、1966、1973、1975、1981、1982、1989、1994、2008、2009 年共 10 年没有中度洪涝发生。统计各年代中度洪涝次数发现，近54 年共出现331 次中度洪涝。20 世纪60—80 年代中度洪涝出现较少，占总数的 42.6%；20 世纪 90 年代到 2014 年中度洪涝明显增多，出现中度洪涝最多的为20 世纪90年代，中度洪涝次数达106 次，占总中度洪涝次数的32%，其次是21 世纪以来，中度洪涝次数达84 次，占总中度洪涝次数的25.4%。

图2 1961—2014 年贵州省中度洪涝总次数的空间分布（a）、年际变化（b）

从中度洪涝指数的小波变换系数分布（图略）来看，中度洪涝指数具有明显的年际及年代际变化特征，近54 年中度洪涝指数存在显著的准22 年周期振荡。在年际尺度上，20 世纪80 年代以前存在准8 年的周期振荡，1990—2000 年周期振荡不是很明显，进入21 世纪以来，准8 年的周期振荡一直存在，2014年以后贵州省中度洪涝向偏强的趋势转变。

2.3 重度洪涝的特征分析

2.3.1 空间分布特征 1961—2014 年贵州省重度洪涝总次数的空间分布如图3a 所示，将各级洪涝空间分布对比发现，重度洪涝次数比轻度洪涝次数、中洪涝发生次数明显减少，其空间分布特征差异显著，近54 年贵州省西部六枝特区、安顺市、清镇市一带出现了重度洪涝，东南部的都匀市、凯里市、贵定县及铜仁市东部等地也出现过重度洪涝，重度洪涝次数最多的为六枝特区、江口县、雷山县、罗甸县、平坝区等地。

2.3.2 重度洪涝的变化趋势及周期特征 1961—2014 年贵州省84 站的重度洪涝总次数的年际变化如图3b 所示，可以看出，近54 年重度洪涝发生年份较少，发生次数最多的是2014 年，共出现8 次，其次是出现在 1970、1976、1991、1995 年，每年均有 4～6次重度洪涝出现，1963、1985、1997、1999、2006 年均出现了1 次重度洪涝，近54 年中共有42 年没有重度洪涝发生。统计各年代重度洪涝次数发现，近54 年出现39 次重度洪涝。20 世纪90 年代和21 世纪以来重度洪涝偏多，其中20 世纪90 年代有18 次重度洪涝出现，21 世纪以来出现9 次，占总次数的69.2%；20 世纪60—80 年代重度洪涝均偏少，共出现12 次重度洪涝，占重度洪涝总次数的30.8%。

图3 1961—2014 年贵州省重度洪涝总次数的空间分布（a）、年际变化（b）

从贵州省近54 年重度洪涝总次数的小波变换系数（实部）分布（图略）可见，重度洪涝指数也具有明显的年际及年代际尺度变化。近54 年重度洪涝指数存在准22 年的周期振荡，且一直稳定存在，在年际尺度上，1990—2014 年存在 8～10 年的周期振荡。2014 年以后贵州省重度洪涝向偏强的趋势转变。

2.4 贵州省年度洪涝指数的特征分析

统计1961—2014 年的年度洪涝指数，由图4a 可以看出，近54 年一般洪涝年有15 年，占总数的28%；较多洪涝年为15 年，占总数的28%；出现多洪涝年有16 年，占总数的30%；未发生洪涝年有8 年，占总数的14%。

从贵州省近54 年年度洪涝指数的小波变换系数（实部）分布（图4b）可见，年度洪涝指数周期特征存在明显的准22 年周期振荡，在年际尺度上，20 世纪80 年代以前存在准8 年的周期振荡，1990—2000年存在准4 年的周期振荡，进入21 世纪以来，存在准8 年的周期振荡，2014 年以后贵州省年度洪涝指数向偏强的趋势转变。

图4 1961—2014 年贵州省年度洪涝指数（a）、小波变换系数（实部）（b）分布

2.5 贵州省洪涝灾害的气候成因分析

大气环流异常是造成洪涝灾害发生的主要原因［12，13］，因此，利用合成分析对贵州省洪涝灾害异常年份的环流特征进行分析，由于日雨量超过100 mm主要集中在夏季，选取重度洪涝年（1972、1981、2006、2010 年）和轻度洪涝年（1991、1996、2007、2014 年）分析影响洪涝灾害天气发生的大气环流主要环流因子的特征。

2.5.1 500 hPa 高度场特征 1961—2014 年贵州省轻度洪涝500 hPa 高度场特征如图5a 所示，可以看出，在中高纬度地区，乌拉尔山以西高压脊控制，西伯利亚到巴尔喀什湖为浅槽影响，中国主要受西风气流影响，位于中国东北部的东亚大槽较弱。不利于冷空气南下，副热带高压588 线西伸到140°E。从重度洪涝500 hPa 高度场特征年（图5b）来看，中高纬度为两槽一脊形势，在乌拉尔山以西到巴尔喀什湖及中国东北-华北一带为低槽控制，贝加尔湖到蒙古一带有高压脊，副热带高压588 线西伸到130°E以西，孟加拉湾有一闭合低压，表明在重洪涝年东亚大槽偏强，利于冷空气南下影响，副热带高压比轻洪涝年偏西偏强，有利于西南暖湿气流输送，大气经向交换增强，降水偏多，造成洪涝灾害的发生。

图5 1961—2014 年贵州省轻度洪涝（a）、重度洪涝（b）500 hPa 高度场特征

2.5.2 高低层流场特征 从贵州省近54 年轻度洪涝年700 hPa 平均流场（图6a）来看，蒙古到中国中东部一带均为偏北气流影响，从散度场来看，贵州省到华南一带为正散度区。从轻度洪涝100 hPa（图略）平均流场来看，中国秦岭以南为气旋式流场，散度场显示中国大部均为负辐散度区，高层辐合低层辐散使得在垂直场上表现为下沉运动，降水偏少。重度洪涝年700 hPa 平均流场（图6b）显示，孟加拉湾和青藏高原各有一个气旋式流场中心，中高纬度在贝加尔湖到蒙古及低纬度的华南到中国东部沿海一带为反气旋流场，由高纬度的反气旋流场前部的偏北气流和来自低纬度的反气旋后部的偏南气流在江南到华南一带形成切变，从散度场来看该地区为负散度区，有利于水汽辐合。从100 hPa（图略）平均流场来看，中国受反气旋流场控制，反气旋中心位于西北地区到川西高原一带，从散度场（图略）来看，中国西南地区到长江流域一线为负散度区，低层辐合高层辐散有利于辐合上升运动加强，降水偏多。

图6 1961—2014 年贵州省轻度洪涝（a）、重度洪涝（b）700 hPa 流场特征

3 小结

1）贵州省洪涝空间分布差异显著，中度洪涝与轻度洪涝发生次数的空间分布基本一致，轻度洪涝次数发生频率最高；中度洪涝出现频率次之，重度洪涝次数出现最少。轻度洪涝主要位于六盘水市东部和南部、安顺市西部及黔西南州北部和南部，中度洪涝在六枝特区、普定县、镇宁县、晴隆县附近；六枝、安顺、清镇一带也发生了重度洪涝。

2）近54 年来各级洪涝次数均呈增加趋势，20 世纪60—80 年代各级洪涝发生的频率均偏少，20 世纪90 年代和21 世纪以来洪涝发生的次数明显增多。

3）贵州省轻度洪涝指数存在显著的准12 年、准8 年的周期振荡；中度洪涝明显的准22 年、准8 年的周期振荡；重度洪涝存在准22 年、8～10 年的周期振荡。2014 年以后贵州省重度洪涝向偏强的趋势转变。

4）贵州省轻度洪涝年受乌拉尔山以西高压脊控制，东亚大槽较弱，不利于冷空气南下，西太平洋副热带高压偏东偏弱。重度洪涝年中高纬度为两槽一脊形势，孟加拉湾有闭合低压，副热带高压偏西偏强，有利于西南暖湿气流输送，东亚大槽偏强，有利于冷空气南下影响，大气经向交换增强，降水偏多，造成洪涝灾害的发生。轻度洪涝年高层辐合低层辐散使得在垂直场上表现为下沉运动，降水偏少；重度洪涝年由在江南到华南一带形成切变，低层辐合高层辐散有利于辐合上升运动加强，降水偏多。