福州市夏季干旱变化及典型旱涝年水汽特征研究*

柯 杭 郑秀丽 李欢欢 付泽宇

(福建省福州市气象局，福建 福州 350007)

0 引言

干旱灾害影响面广、经济损失大，是世界上最严重的自然灾害类型之一[1]。马鹏里等[2]基于1960—2014年逐日气温和降水数据对中国干旱变化特征展开研究，发现中国各区域干旱呈加重趋势。在干旱研究方面，干旱指数因能较好地反映干旱特征，常被用于干旱的定量化分析。王跃峰等[3]利用1960—2006年闽江流域25个气象站逐月降水资料，基于标准化降水指数(SPI)研究了多时间尺度闽江流域的干湿变化，发现短时间尺度的SPI对闽江流域洪涝灾害事件的识别更精准。彭窈等[4]基于SPEI分析了华南地区春季的旱涝变化，发现华南春季旱涝存在3～6年的周期变化。干旱的发生与区域水汽变化存在密切联系，水汽输送表示水汽在大气中传输的过程，区域水汽收支则由研究区上空的水汽收支和蒸发、降水构成，因此研究二者在干旱发生时的特征具有重要意义[5-6]。张庆云等[7]利用NCEP/NCAR再分析资料对中国华北地区干旱的年际变化进行了分析，发现华北地区干旱增强的原因之一在于东部地区偏南风的减弱。沙天阳等[8]利用1961—2010年NCEP/NCAR再分析资料研究了中国西南地区秋季干旱的换流特征，发现南海和孟加拉湾附近异常的气旋性环流造成了西南地区东部的秋季干旱。

福州市位于福建东部、闽江下游，是中国东南沿海重要都市、首批对外开放的沿海开放城市、海洋经济发展示范区，还是海上丝绸之路门户及中国(福建)自由贸易试验区组成部分。近年来，全球气候变化导致该区域极端事件频发，干旱灾害也呈现一些新的特征[9]。对此，需深入研究福州市干旱的发生机理，探讨其与水汽输送特征之间的关系。本文选择福州市为研究对象，首先分析研究区夏季SPEI的时空变化特征，进一步筛选典型旱涝年分析其环流和水汽特征，最后从水分收支平衡的角度，定量分析典型旱涝年水汽收支差异，其结论有助于加深对福州市干旱形成和演变特征方面的认识，为防灾减灾提供参考。

1 数据和方法

1.1 数据

本文采用福州市8个国家气象站点(见图1)1961—2021年逐日平均气温和降水数据，再分析资料采用第五代ECMWF大气再分析全球气候数据(ERA5)，水平分辨率为0.25°×0.25°。

图1 福州市气象站点分布示意图

1.2 方法

1.2.1 标准化降水蒸散指数(SPEI)

SPEI综合了帕默尔干旱指数(PDSI)、标准化降水指数(SPI)等干旱指数的优点，既考虑了蒸散发的影响，又拥有多时间尺度和空间一致性的优点，对干旱的变化特征有较好的检测作用。SPEI计算公式如下：

Di=Pi-PETi

(1)

式(1)中，Di表示降水量Pi与潜在蒸散发量PETi的差值，i表示月份。其中，PETi由Thornthwaite方法计算而得。

假定Di服从3参数Log-logistic分布，将其分布函数进行标准化处理，得到SPEI值：

(2)

式(2)中，当P≤0.5时，P=1-F(x)；当P>0.5时，P=1-P，且SPEI正负值反转。c0=2.515517，c1=0.802853，c2=0.010328，d1=1.432788，d2=0.189269，d3=0.001308。

取SPEI对应月份为当前月，对于n个月的时间尺度来说，自当前月向前延续n-1个月计算干旱程度，同时三个月时间尺度的SPEI可以较好反映季节性的旱涝变化[10-11]，因此本文选取三个月时间尺度的SPEI中8月份的值(可以反映6月、7月和8月三个月的干旱程度)作为夏季干旱指数。SPEI干旱等级划分见表1。

表1 SPEI干旱等级划分

1.2.2 合成分析

本文采用的合成分析方法是将特征年(典型干旱年)对应的平均要素场减去长序列平均态要素场，得到要素距平场，并进行分析。这种方法不仅可以分析特征年要素场的差异，还可以进一步剖析要素场差异的成因。

1.2.3 水汽含量和降水效率

水汽含量指某一地区地面至大气层顶(本文取300hPa)的水汽总量，计算公式略。通常区域内水汽含量常大于地面降水量，所以本文引入降水效率J，其公式如下[12]：

(3)

式(3)中，P为降水量；W为水汽含量；(年、季)天数，本文取夏季(6—8月)样本数天数92。

英伦，本名谯英伦，山东齐河人，山东省作协会员，1991年山东文艺出版社为其出版第一本诗集《哭过之后》，后因故搁笔20余年，2014年下半年重返诗歌现场。诗作主要发表选载于《诗刊》《诗选刊》《星星》《扬子江》《诗潮》等刊。

1.2.4 水汽收支

水汽收支(N)的计算公式为：

(4)

式(4)中，A为研究区面积；lki为区域内第k边界中第i段的长度；Fki为第k边界中第i段的水汽通量。

2 夏季SPEI时空变化特征

各站点和区域夏季平均SPEI时间变化如图2所示(分别选取上升、下降趋势最明显的长乐站和永泰站及市区福州站，其余站点略)。从站点上看，永泰站和闽清站夏季SPEI呈下降趋势，其中永泰站下降幅度大于闽清站，为-0.049/10a；其余6个站点呈上升趋势，其中长乐站上升趋势最明显，为0.106/10a；福州站上升趋势为0.092/10a，1988年其值最低，为-1.7，达到重旱级别。从区域平均上看，上升趋势为0.067/10a，最低值出现在2003年，为-1.7。各站点夏季SPEI从年代变化上看，如图3所示。20世纪60年代、70年代，大多数站点夏季SPEI处于±0.2范围内；80年代各站点均小于-0.2，其中最低值为-0.6，出现在福州站；20世纪90年代后，大多数站点夏季SPEI大于0；区域平均上，总体呈“正常—旱—涝”的分布，20世纪80年代干旱程度最深，其值为-0.6。综上，福州市干旱时间上呈“正常—旱—涝”的分布，近30年来趋势偏涝。

(a)永泰

(b)长乐

(c)福州

(d)区域平均图2 永泰、长乐、福州和区域平均的夏季SPEI时间变化

图3 各站点夏季SPEI年代变化

将发生干旱的年数(即夏季SPEI<-0.5的年数)占总年数的百分比作为干旱发生频率。8个站点干旱发生频率和各级别干旱占比如图4所示。从干旱发生频率上看，除福州站(29.5%)外，其余站点干旱发生频率均在30%以上，其中最大值为39.3%，出现在连江站，长乐和闽清次之。统计出现干旱年份中各级别干旱的占比，轻旱占比最高的站点为闽侯、连江、长乐和闽清，其中连江占比达到58.3%；中旱占比最高的站点为福州、永泰、福清和罗源，其中福州占比达到55.6%；就重旱而言，除闽清占比低于10%外，其余站点均在16%以上；就特旱而言，仅闽清站发生过特旱，占9.5%。综上，福州市中部沿海干旱发生频率较高；干旱程度多以中旱和轻旱为主。

(a)干旱频率 (b)各级别干旱占比图4 各站点干旱发生频率和各级别干旱占比

3 典型旱涝年的水汽特征

3.1 典型旱涝年划分

将夏季SPEI按从小到大排序，选取前5名为典型夏季旱年；按从大到小排序，选取前5名为典型夏季涝年。选取结果：典型旱年为1967年、1987年、1988年、2003年和2004年；典型涝年为1965年、1968年、1972年、2000年和2006年。

3.2 典型旱涝年的环流和水汽输送

对旱涝年的850hPa风场、水汽通量和水汽通量散度场进行合成分析，结果见图5和图6。从距平风场上看，夏旱年华南地区上空为顺时针环流，福州市位于反气旋中心附近，受下沉运动影响，不利于降水发生；夏涝年华南地区为逆时针环流，有利于上升运动，产生降水。从水汽通量和水汽通量散度距平场上看，夏旱年水汽通量小于夏涝年，水汽通量散度大于30×10-6kg/(m2·s)，水汽辐散强；夏涝年，福州市内陆地区水汽通量散度位于-10×10-6～-20×10-6kg/(m2·s)，沿海地区小于-30×10-6kg/(m2·s)，水汽辐合强，利于降水。综上，典型旱年主要受反气旋控制，水汽通量小且水汽辐散，利于干旱发生。

(a)典型旱年 (b)典型涝年图5 典型夏季旱涝年的850hPa距平风场(阴影区域达到0.05显著性水平，方框为福州市所在区域)

(a)典型旱年 (b)典型涝年图6 典型旱涝年的水汽通量和散度距平场(箭头为水汽通量；填色为水汽通量散度；方框为福州市所在区域)

3.3 典型旱涝年的水汽含量和降水效率

典型旱年的降水总量、平均气温、夏季SPEI、水汽含量和降水效率如表2所示。年份按干旱程度排序，其中2003年干旱程度最深，该年夏季平均气温和水汽含量为典型旱年之最，分别为28.9℃和46.3mm。降水效率最低的年份为1987年，其值为6.2%。就平均而言，典型旱年水汽含量为47.7mm，降水效率为7.5%。

表2 夏季典型旱年降水总量、平均气温、夏季SPEI、水汽含量和降水效率

典型涝年的各参数如表3所示，其中2000年洪涝程度最深，该年夏季降水总量和降水效率为典型涝年之最，分别为1098.6mm和24.3%。水汽含量最高的年份为1972年，其值为50.8mm。就平均而言，典型涝年水汽含量为49.4mm，降水效率为19.8%。对比典型旱涝年，发现典型旱年平均气温较典型涝年偏高1.7℃，降水总量、水汽含量和降水效率，典型旱年均较涝年偏低，差值分别为559.7mm、1.8mm和12.3%。

表3 夏季典型涝年降水总量、平均气温、夏季SPEI、水汽含量和降水效率

典型旱涝年的夏季水汽含量空间分布如图7所示。对于典型旱年，存在两个低值区，分别位于永泰西部和闽侯北部，其值低于40mm。从内陆向沿海，水汽含量逐渐增加，水汽大值区位于长乐东部和福清东南部。对于典型涝年，夏季水汽含量分布与旱年类似，但是数值大于典型旱年。超过50mm的大值区位于罗源东部、连江东部、马尾、长乐和福清中东部，同时在闽清中部有水汽向内陆渗透。典型旱涝年各站点的降水量和降水效率如图8所示。就典型旱年而言，各站点降水量在234.6～384.9mm之间，最小值出现在福州站，降水效率在5.4%～8.9%之间，最低值出现在福州站；就典型涝年而言，各站点降水量在779.3～1052.6mm之间，最大值出现在福清站，降水效率在17.4%～22.0%之间，最高值出现在罗源站。对比典型旱涝年，可以发现，二者在福州北部和南部站点的降水效率要大于中部地区，这可能与福州市复杂地形有关。综上，福州市典型旱涝年的水汽含量空间分布呈“西北少、东南多”的特征，涝年数值大于旱年；北部和南部站点的降水效率大于中部地区。

(a)典型旱年 (b)典型涝年图7 典型旱涝年的夏季水汽含量空间分布

(a)典型旱年 (b)典型涝年图8 典型旱涝年各站点的降水量和降水效率

3.4 典型旱涝年的水汽收支

基于ERA5再分析资料，对福州市典型旱涝年东、南、西、北四个边界的水汽输入和输出量进行统计，如图9所示。就典型旱年而言，6月、7月，西边界和南边界为水汽输入，东边界和北边界为水汽输出。8月略有不同，东边界和南边界为水汽输入，北边界和西边界为水汽输出。就典型涝年而言， 6月、7月和8月的水汽输入和输出边界与夏旱年类似， 6月水汽输送量明显大于其他月份，7月东西向的水汽输送量减少，主要靠南风的水汽输送。对比典型旱涝年可以发现，6月和7月的水汽输入和输入量均明显大于8月，这可能与6月、7月西南季风盛行，而8月副热带高压控制华南地区有关。

图9 典型旱涝年夏季各月份的水汽收支

典型旱涝年夏季总水汽收支如图10所示。典型旱年，以南边界为主要的水汽输入边界，输入数值为8.2×107kg/s，北边界为主要的输出边界，输出数值为6.8×107kg/s，总体来看水汽收支为亏损0.2×107kg/s；典型涝年，同样以南边界为主要的水汽输入边界，输入数值为9.1×107kg/s，北边界为主要的输出边界，输出数值为6.7×107kg/s，总体来看，水汽收支为盈余0.9×107kg/s，比典型旱年多1.1×107kg/s。综上，水汽收支方面，西、南为水汽输入边界，东、北为水汽输出边界；经向上的水汽输送量大于纬向；典型旱年水汽亏损0.2×107kg/s，比涝年少1.1×107kg/s。

(a)典型旱年 (b)典型涝年图10 典型旱涝年夏季总水汽收支

4 结论和讨论

本文以福州市为研究对象，首先分析研究区夏季SPEI时空变化特征，进一步筛选旱涝典型年份分析其环流背景和水汽特征，最后分析典型旱涝年的水汽收支差异，得到以下结论：

①从夏季SPEI变化特征上看，福州市干旱时间呈“正常—旱—涝”分布，近30年趋势偏涝；中部沿海连江和长乐地区干旱发生频率较高；干旱程度多以中旱和轻旱为主。

②从典型旱涝年的环流背景和水汽特征上看，典型旱年主要受反气旋控制，水汽通量小且水汽辐散，利于干旱发生；典型旱年的水汽含量和降水效率均较涝年偏低，差值分别为1.8mm和12.3%；水汽含量空间分布呈“西北少、东南多”特征；福州市北部和南部站点的降水效率大于中部地区。

③从水汽收支上看，西、南为水汽输入边界，东、北为水汽输出边界；经向上的水汽输送量大于纬向；典型旱年水汽亏损0.2×107kg/s，比涝年少1.1×107kg/s。

因福州市区域站时间序列较短，无法满足SPEI计算需求，所以本文选用长序列的国家站点进行分析，站点个数具有局限性；本文发现福州市北部和南部站点的降水效率大于中部地区，这可能与福州市特殊地形有关，具体成因还有待进一步研究。