黔东南州近40 a夏季降水时空分布及异常年环流特征分析

潘 影，邓世有，王 珏

(1.贵州省三穗县气象局，贵州 三穗 556500；2.贵州省安顺市气象局，贵州 安顺 561000)

0 引言

贵州省黔东南地处云贵高原与湘西丘陵过渡的斜坡地带，地势西高东低，地形起伏较大，山高坡陡，地质环境脆弱，年平均气温在14.7～18.5 ℃，年降水量在1 003.8～1 166.7 mm[1]。由于自然因素的影响，强降水极易诱发和加剧地质灾害的发生，给人民生命财产带来严重威胁，而夏季降水的多少对黔东南州地质灾害的影响巨大，作好夏季降水量预报就显得尤为重要。

目前，对于中国夏季降水时空分布特征的研究取得很大的进展[2-4]。党皓飞等[5]研究指出，中国夏季降水的时间变化尺度主周期为16 a，在1990年左右发生了明显的年代际突变。有研究指出[6-14]：中国区域降水异常与大气环流异常密切相关 ,西太平洋副热带高压和西南季风等是影响长江流域的主要环流系统。这些系统的位置和强度也是造成黔东南夏季降水异常的主要原因。伍红雨等[15]研究发现贵州夏季降水多雨年较少雨年的西太平洋副热带高压偏弱,脊线明显偏南偏西。田菊萍等[16]研究表明黔东南州年降水日数分布是西多东少、北多南少。

针对目前小尺度空间的降水时空分布特征的研究不多。本文利用1981—2020年黔东南州16个站点夏季(6—8月)的月降水资料，采用小波分析、M-K和滑动T检验法，分析黔东南州夏季降水的气候特征，使用EOF对黔东南州夏季降水的空间分布进行初步研究，找出黔东南州夏季降水时空分布及其异常年环流特征，以期为黔东南州夏季降水预报提供参考思路。

1 资料和方法

黔东南州16个气象观测站夏季各月降水量资料来源于贵州省气象局CIMISS数据库，西太平洋副热带高压的脊线、西伸点和强度指数等资料来源于国家气候中心新130项监测指数。定义黔东南州16个站每年夏季降水量之和为当年夏季总降水量，用Ri表示，总降水量距平百分率表达式为：

(1)

式中Mi为总降水量距平百分率，单位为%。Mi在±20%之间为正常，Mi>20%为偏多，Mi<-20%为偏少。

2 夏季降水分布特征

2.1 夏季降水时间分布特征

2.1.1 夏季降水年代际特征 由图1看到，黔东南州夏季降水距平百分率正负年数相当，且曲线的波形变化十分明显，清晰地显示了黔东南州夏季降水近40 a来经历了2次明显的波动。1981—1990年，黔东南州夏季降水量距平百分率多为负值，且有5 a的降水距平百分率低于-20%，故定为相对枯水期。1991—2001年夏季降水呈显著上升趋势，降水距平百分率10 a的平均值超过了20%，此期间可定为相对丰水期。2002—2013年夏季降水呈现下降趋势，出现6 a的降水距平百分率低于-20%，此期间可定为相对枯水期。2014—2020年夏季降水呈现上升趋势，说明2013年枯水期结束，黔东南州夏季降水进入相对丰水期。

图1 黔东南州1981—2020年夏季逐年降水量距平变化Fig.1 Change of annual summer precipitation anomaly in Qiandongnan prefecture from 1981 to 2020

2.1.2 夏季降水周期特征 小波分析能发现隐藏在时间序列中的各种变化周期，比较全面的反映出系统在不同时间尺度中的变化。小波系数实部等值线图能反映某要素值的周期变化，进而能判断在不同时间尺度上，某要素值的未来变化趋势。

本文利用小波分析方法对黔东南州1981—2020年16个站夏季降水进行分析。图2为使用Matlab软件计算出的小波系数实部绘制的色斑图。图中暖色调区域表示降水偏多;冷色调区域表示降水偏少。

从图2看出，黔东南州夏季降水周期变化显著，旱涝交替明显。在11～25 a尺度上出现了枯丰交替的准2次振荡；在4～10 a时间尺度上存在准5次振荡。同时，还可以看出11～25 a尺度的周期变化在整个分析时段表现的非常稳定，具有全域性；而4～10 a尺度的周期变化在2000年以后表现的较为稳定。总之，在降水量的时间演变过程中主要存在着11～25 a、4～10 a左右的两类尺度周期变化规律。

图2 黔东南州夏季降水时序小波系数实部时频分布图(纵坐标为周期尺度，横坐标为年份，图内标值为小波系数的实部值)Fig.2 Real-part time-frequency distribution of time-series wavelet coefficients of summer precipitation in Qiandongnan Prefecture (y-coordinate is periodic scale,abscissa is year,and the internal scale value is the real part value of the wavelet coefficients)

2.1.3 夏季降水突变性特征 从图3看出，黔东南州1981—2002年总体呈上升趋势，2003—2013年呈下降趋势，2014年开始又呈现上升趋势；从图3中可以看出，UF和UB两条检验曲线在临界值之内有多个交点，黔东南州夏季降水量的突变年份为1993、1996年和1999年。突变点都出现在20世纪90年代，结合图1，发现1996年是近40 a降水最多的一年，而且20世纪90年代也是近40 a降水偏多的10 a。由此可见，20世纪90年代是黔东南州夏季降水的突变时段。

图3 黔东南州1981—2020年夏季逐年降水量距平Mann-Kendall突变检验Fig.3 Mann-Kendall mutation test of annual summer precipitation anomaly in Qiandongnan Prefecture from 1981 to 2020

2.2 夏季降水空间分布特征

为了进一步了解黔东南州夏季降水的空间分布及其周期变化，将黔东南州近40 a来16个国家气象观测站的月降水量资料进行EOF分析，通过分析结果计算出前10个主分量的方差，前2个分别为23.89%、17.19%，其分量所占的方差贡献率为41%，表明前2个分量包括了降水量分布的大部分信息，能代表黔东南州夏季降水主要的空间分布特点。

第1模态占23.89%，是研究黔东南州夏季降水空间分布最主要的模态。由图4a可以看出，黔东南州夏季降水主要表现为南北反位相的空间分布特征，在州北部地区为负值，州南部(锦屏、黎平、从江、榕江和丹寨)为正值，特征值零线沿州中部一线。表明黔东南州夏季降水量呈南北反位相，即北部降水较常年偏少(多)的时候，南部降水较常年偏多(少)，称为南北型。结合南北型所对应的时间序列(图4b)可知，时间系数的绝对值越大，则此型在该年的分布型越明显。由图4b可以看出，绝对值大于10 的年份(1988、1993、1994、1997、2005、2006、2008、2010、2016、2017、2020 年)正位相较强，结合图5，发现正值年份南部降水较常年偏多，而北部降水较常年偏少；1984、1985、1986、1987、1991、1992、1995、1998、2002、2007、2011、2012、2014 年为负位相较强，结合图5，发现负值年份北部降水较常年偏多，而南部降水较常年偏少。

图4 黔东南州夏季降水EOF第1特征向量的空间型(a)和时间序列(b)Fig.4 Spatial type (a)and time series (b)of the first eigenvector of summer precipitation in Qiandongnan Prefecture

图5 黔东南州1981—2020年夏季南北逐年降水量距平Fig.5 Annual precipitation anomaly in summer from north to south of Qiandongnan Prefecture during 1981—2020

由图6a看出，黔东南州夏季降水主要表现为东西反位相的空间分布特征，在州东部地区为负值，州的西部(凯里、麻江、雷山和丹寨)为正值，特征值零线沿州中部偏西一线，表明黔东南州夏季降水量呈东西反位相，即东部降水较常年偏少(多)的时候，西部降水较常年偏多(少)，称为东西型。结合东西型所对应的时间序列图6b看出，时间系数的绝对值越大，则分布型越明显。由6b还可以看出，绝对值大于10的年份(1982、1988、1993、1994、1997、2001、2005、2009、2016、2017 年)正位相较强，结合图7，表明正值年份东部降水较常年偏多，西部降水较常年偏少；而1983、1987、1992、1998、2003、2007、2015 年为负位相较强，结合图7，发现负值年份西部降水较常年偏多，东部降水较常年偏少。

图6 黔东南州夏季降水EOF 第2特征向量的空间型(a)和时间序列(b)Fig.6 Spatial type (a)and time series (b)of the second eigenvector of summer precipitation in Qiandongnan Prefecture

图7 黔东南州1981—2020年夏季东西逐年降水量距平Fig.7 Annual precipitation anomaly between east and west in summer of Qiandongnan Prefecture from 1981 to 2020

3 异常年环流指数分析

为了保证指数距平百分率在一个量级并且正负趋势不变，采用以下公式处理：

(2)

其中Xi表示每年夏季(6—8月)对应的环流指数平均值，i表示总年数，Zi表示年指数距平百分率。根据式(2)处理西太平洋副高的脊线、西伸点和强度指数(见图8)，西太平洋副高的脊线距平百分率正值表示脊线位置偏北，负值表示偏南。西伸点正值表示副高位置偏东，负值表示偏西。强度指数正值表示副高偏强，负值表示偏弱。

图8 黔东南州夏季降水量距平和西太平洋副高的脊线、西伸点、强度指数距平(单位：%)Fig.8 Summer precipitation anomaly and ridge line,western extension point and intensity index anomaly of the Western Pacific Subtropical High in Qiandongnan Prefecture (unit:%)

降水距平百分率超过±20%为异常年，则1981、1985、1989、1992、2003、2005、2011和2013年为夏季降水量异常偏少年，1993、1996、1999、2007、2015和2017年为夏季降水量异常偏多年。由图8看出，黔东南州夏季降水量距平百分率与脊线、西伸点的距平百分率总体上成反位相，即夏季降水量异常偏少的8 a，副高脊线、西伸点的距平百分率多为正值，表明副高较常年偏北偏东，副高强度正常到偏弱；夏季降水量异常偏多的6 a，副高脊线、西伸点的距平百分率多为负值，表明副高较常年偏南偏西，副高强度正常到偏强。由此可知，黔东南州夏季降水量的多少与副高脊线、西伸点、强度有密切的关系。

4 结论

通过上述分析，得出以下结论:

①近40 a黔东南州夏季降水量的时间尺度表现为2次波动，1991—2001年和2014—2020年为2个波峰，即为相对丰水期;1981—1990年和2002—2013年为2个波谷，即为相对枯水期。夏季降水存在明显的11～25 a的主周期和4～10 a的次周期变化,并在20世纪90年代发生了显著的变化，也是近40 a黔东南州夏季降水量最多的10 a。

②黔东南州夏季降水量空间分布主要呈现南北反位相和东西反位相2种类型。第1模态占23.89%，表明黔东南州夏季降水量呈南北反位相，即北部降水较常年偏少(多)的时候，南部降水较常年偏多(少)；第2模态占17.19%，表明黔东南州夏季降水量呈东西反位相，即东部降水较常年偏少(多)的时候，西部降水较常年偏多(少)。

③黔东南州夏季降水量的多少与副高脊线、西伸点、强度有密切的关系，即夏季降水量异常偏少年，副高较常年偏北偏东，副高强度正常到偏弱；夏季降水量异常偏多年，副高较常年偏南偏西，副高强度正常到偏强。