基于SPI的阳泉市近40年4—9月旱涝特征及成因分析

岳凯杰 李 燕 张 娜 贾立亭

（阳泉市气象局，山西阳泉 045000）

阳泉市属于典型的东亚季风气候区，4—9月平均降水量占全年降水量的88%，但年际波动相对值大，干旱、洪涝时有发生[1]，对当地农业生产、水资源和防汛安全影响很大。因此，掌握其时空变化特征、做好气象服务对指挥农业生产和防灾减灾至关重要。

标准化降水指数（SPI）因具有多时间尺度且计算要素单一等特点而被广泛使用[2-3]。本文通过分析阳泉市1980—2019年4—9月SPI值，研究阳泉市旱涝变化的时空特征，以期为提升当地防灾减灾能力提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本研究所用资料为阳泉市3个国家气象站1980—2019年逐日气象资料（由山西省气象信息中心提供），数据均经过质量控制。

1.2 研究方法

不同时间、不同地区的降水量变化幅度大且呈现偏态分布，难以在不同时空尺度上直接相互比较[4-5]。标准化降水指数（SPI）是表征某时段降水量出现概率的指标：在计算出某时段内降水量的Γ分布概率后，再进行正态标准化处理，最终用标准化降水累计频率分布划分旱涝等级。计算公式如下：

式中：β＞0、γ＞0分别为 Γ 分布函数的尺度和形状参数；x为降水量样本值。SPI等级指标见表1。

表1 不同旱涝等级SPI值范围

2 结果与分析

2.1 阳泉市4—9月旱涝分布特征

2.1.1 旱涝时空特征分析和年际变化。利用1980—2019年4—9月6个月时间尺度的SPI对阳泉市3个县（区）旱涝特征进行分析，见图1（a）。由于阳泉市地域面积小，3个县（区）旱涝特征变化具有一致性，近 40年间，平定偏旱15年、偏涝 13年、正常12年；阳泉城区偏旱14年、偏涝11年、正常14年；盂县偏旱11年、偏涝8年、正常21年。表明阳泉市南部较北部更易出现旱涝现象。40年间4—9月SPI最小值为1997年，3个站 SPI值为-2.68～-2.24，属极旱；降水量仅为182.7～250.9 mm，相当于历年均值的40%，是阳泉市建站以来降水最少的年份。40年间，阳泉市4—9月出现1次重旱，为1986年；3次中旱，分别为1991年、2001年和2019年，其他偏干年份均为轻旱。40年间，阳泉市4—9月SPI最大值出现在1988年，3个站SPI值为-2.15～1.82，属重涝；全市4—9月降水量为706.7～742.0 mm，较常年偏多60%，1995年、2016年也出现重涝，1983年、1996年和2006年为中涝，其他偏湿年均为轻涝。从3个站的5年滑动平均SPI指数看，20世纪80年代阳泉市4—9月降水年际变化大；20世纪90年代到21世纪初以偏少为主，出现了多年连续干旱；2005年以后降水以偏多为主，见图1（b）。

2.1.2 旱涝月尺度变化特征。对阳泉市各年代4—9月逐月SPI进行统计，结果见表2。40年间，阳泉市4月降水偏少13年、偏多15年、正常12年，且近10年以偏多为主，表明阳泉市4月降水有增多趋势；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，表明阳泉市5月降水有减少趋势；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，说明阳泉市9月降水有增多趋势。

表2 1980—2019年阳泉市各年代4—9月逐月旱涝次数 单位：次

对4—6月、7—9月3个月时间尺度和5—6月、7—8月2个月时间尺度降水SPI值进行统计分析，结果表明，4—6月SPI值年际变化大，最小出现在1997年（-2.83），且1996年以前以偏多为主，之后呈现偏少趋势，主要是由于6月降水减少造成的。7—9月SPI值在1997年以前年际变化大，在2005年以后以偏多为主，说明阳泉市主汛期降水有增加趋势，且4—9月SPI值变化趋势与7—9月SPI值变化趋势相似。这是由于7—9月是全市主要降水时段，对SPI贡献更大造成的。从年代际变化特征看，20世纪80年代降水年际变化大，且表现为4—6月较湿润，7—9月偏干旱；20世纪90年代降水整体偏少，且4—9月均偏少；21世纪前10年降水呈逐年增多趋势，其中4—6月降水正常、7—9月降水增多；2010年以来阳泉市降水整体以偏多为主，其中4—6月偏少、7—9月偏多。表明近20年来，7—9月阳泉市降水呈增多趋势。

2.2 旱涝对农业生产和防汛工作的影响

阳泉市平均入春时间为3月30日，北部略偏晚，为4月6日。阳泉市春播期为4—5月，春播期第一场“好雨”（4—5月降水量≥10 mm的降水）平均出现在4月20日。对1980—2019年阳泉市4—5月SPI值进行分析，见图2（a），降水偏少 9年、偏多11年、正常20年，其中：1992—2005年出现了多年连续春季干旱，造成了春季农业播种困难；近年来阳泉市4—5月播种期降水接近常年且略偏多，整体有利于春季农业生产。

7月底至8月初西太平洋副热带高压脊线越过北纬30°，山西雨季开始[1]。7—8月是阳泉市主汛期，也是阳泉市农作物生长关键期。阳泉市夏季第一次“汛雨”（日降水量≥30mm）平均出现在7月10日。对阳泉市7—8月降水SPI值进行分析，见图2（b）。40年间，偏少12年、偏多12年、正常16年，近10年阳泉市7—8月降水除2015年、2019年偏少外，以偏多为主。降水情况虽有利于农业生产，但对防汛提出了更高要求。

不同级别降水在不同季节中的作用是不一样的，4—5月春季旱涝变化主要受中雨、小雨影响，7—8月夏季旱涝变化主要受暴雨、大雨影响。通过分析不同月份降水日数和量级出现次数发现，不同年份各月降水日数变化不明显，月降水量主要与不同降水量级的出现次数有关。例如，2019年7—8月阳泉市未出现暴雨天气过程，日最大降水量仅为35.5 mm，年降水明显偏少；而2016年阳泉出现4次暴雨天气，最大日降水量达159.2 mm，年降水明显偏多。分析阳泉市最大日降水量等变化特征发现，全球气候变暖影响使大气水汽压增加，近年来阳泉市降水的极端性增强，局地暴雨、大暴雨明显增多，地质灾害防治和防汛压力逐年加重。

3 阳泉市4—9月旱涝成因分析

东亚夏季风是影响阳泉市及周边降水最重要的因素。研究表明，东亚夏季风可通过副热带高压的变化来影响华北夏季降水：东亚夏季风偏强年，西太平洋副热带高压位置偏北，华北夏季降水可能偏多；东亚夏季风偏弱年，西太平洋副热带高压位置偏南，华北夏季降水可能偏少[6-7]。水汽输送异常也是影响华北夏季降水的重要因素。研究表明，与华北地区夏季旱涝密切相关的异常水汽输送主要是南海和西太平洋以及西风带水汽输送异常，东亚夏季风南风北界的南撤导致向华北地区水汽输送通量减少，从而造成华北夏季降水量减少。阳泉市位于华北地区，地处黄土高原东缘，其降水量主要受到副热带高压和东亚夏季风变化的影响。从图3可看出，阳泉气象站40年间7月和8月年际降水量均有明显变化：7月降水量最小值出现在2010年，为21.8 mm，最大值出现在2016年，为378.9 mm；8月降水量最小值出现在2019年，为23.6 mm，最大值出现在1996年，为271.7 mm。

为进一步研究阳泉市4—9月降水量与大气环流的关系，分别对西太平洋副高强度指数（东经110°～180°）、西太平洋副高脊线（东经 110°～150°）、西太平洋副高北界（东经110°～150°）与阳泉市降水进行相关分析。结果表明，阳泉市降水量与西太平洋副热带高压脊线指数、印缅槽指数、西太平洋副高北界（东经 110°～150°）、西太平洋暖池强度指数相关性较明显，与副高脊线、北界指数之间以正相关为主：当西太平洋副高明显西伸北抬时，降水偏多易涝；相反环流背景下，降水将偏少，易出现干旱。与印缅槽强度也主要以正相关为主，当印缅槽强度偏强时，西南风水汽输送加强，当遇到冷空气后，易造成降水。与西太平洋暖池强度指数成负相关，相关系数为0.4，西太平暖池会影响东亚夏季风的强度；西太平洋暖池偏冷时，海洋与大陆之间的热力差异加强，使东亚季风加强；西太平洋暖池偏暖时，海洋与大陆之间的热力差异减弱，使东亚季风减弱，华北降水易偏少。对阳泉市夏季降水偏多时的200 hPa高度场风场进行合成分析（图4），结果显示：当200 hPa高空西风急流加强并稳定维持在华北上空时，200 hPa高度场上华北位于低压区，高空急流的抽吸作用使华北上空上升气流加强，配合副热带高压进退和西南风水汽通道的打通，容易发生降水偏多时间，反之亦然。

近年来，阳泉市及周边降水的极端性增强。造成降水量年际变化的直接原因主要是东亚夏季风推进的早晚、强度和持续时间的差异，一次大的降水过程往往影响整个月份降水量的盈亏，而是否有明显的水汽通道是影响降水量多少的重要因素。

4 结语

阳泉市地域面积小，不同区域旱涝变化具有一致性特征，但南部较北部更易出现旱涝现象。近年来，阳泉市4—9月降水呈现增多趋势，特别是7—9月降水的极端性增强，虽整体有利于农业生产，但给防汛造成了一定压力。西太平洋副热带高压的进退和强弱变化是影响阳泉市降水的主要因素，因而有必要进一步研究，了解其对阳泉市旱涝变化的影响，以期为阳泉市防汛抗旱提供更加精准的气象服务。