氣候變化背景下桂東地區旱澇變化特征分析

高憲權，莫麗霞

（賀州市氣象局，廣西 賀州 542899）

在全球變暖的背景下，極端氣候事件增多［1-3］，我國的氣候變化和氣象災害研究也受到越來越多的重視［4-12］。 黃榮輝、杜振彩［13］通過統計分析表明：氣象災害每年造成的經濟損失約占中國自然災害總損失的71%，在20世紀90年代氣象災害每年造成的損失可占到國民經濟生產總值（GDP）的3%～6%，其中約80%是旱澇氣候災害所造成，中國的旱澇氣候災害具有發生頻率高，發生面積廣，災害損失嚴重等特點。黃梅麗等［14］對廣西近45a的氣溫資料進行了分析，結果表明：近45a廣西氣溫呈上升趨勢，冬季增溫明顯，增溫幅度具有區域差異，廣西氣候變暖使得農業生產的不穩定性增加，農業氣象災害加劇，旱澇災害發生頻繁。桂東地區位于110.32°E～112.10°E，22.62°N～25.20°N 之間， 屬于亞熱帶季風氣候區，包括賀州、梧州兩市，同屬西江流域，區域內山谷眾多，地形復雜，同時北回歸線貫穿其中，使得桂東氣候具有明顯的地區差異，在廣西壯族自治區氣候中心以熱量條件和降水等值線作為區劃指標的廣西氣候區劃研究及前人研究中，也體現了桂東地區的氣候差異，干旱和洪澇災害仍是未來桂東地區最嚴重的自然災害［15-18］。因此在氣候變化的背景下研究桂東地區的氣候變化響應及旱澇變化特征在該區域農業生產和科學防災減災等方面工作，具有一定的指導意義和實際應用價值。

1 資料和方法

本文采用桂東地區9個站點1965-2013年近49a的年平均氣溫和降水資料，計算沙道夫干濕指數Si和 Z指數［19-20］，將計算結果進行趨勢分析、小波分析等［21-24］，根據兩個指數的結果進行綜合比較分析，分析兩種結果的異同，再根據研究結果挑選出典型的洪澇和干旱事件，使用NCEP/NCAR再分析資料逐月資料子集中位勢高度、風速和風矢量等資料，輔助分析其環流背景特征，以此研究在全球氣候變化的背景下，桂東地區的旱澇變化特征分析。

1.1 Z指數研究方法

假設某時間段降水量服從皮爾遜Ⅲ型曲線中的Γ分布， 通過對變量進行標準化處理后，可將概率密度函數轉變為以Z指數為新變量的標準化正態分布，即：

其中，CS為偏態系數，φi為標準變量，通過降水量序列計算可得：

計算降水Z指數，Z＞0的年份代表降水多的洪澇年份，Z值越大表示降水越多，洪澇越重；Z＜0的年份代表降水少的干旱年份，Z值越小表示降水越少，干旱越重。

1.2 沙道夫干濕指數Si

Si是將旱澇與氣溫、降水聯系起來。一般降水量偏多的年份則對應的氣溫偏低，而降水偏少的年份對應氣溫偏高。同時氣溫偏高，加速蒸發，對應的干旱就會加重。以此為出發點，把氣溫和降水數值進行標準化后相減得到的值定為干濕指數Si，用于進行旱澇等級劃分。表達式為：

其中，T′＝Ti-T 表示氣溫距平，R′＝Ri-R 表示降水距平，σt、σr分別為氣溫和降水的均方差：

計算沙道夫干濕指數Si，Si＜0的年份代表氣溫低降水多的洪澇年份，Si越小表示氣溫越低，降水越多，洪澇越重；Si＞0的年份代表氣溫高降水少的干旱年份，Si值越大表示氣溫越高，降水越少，干旱越重。

2 桂東地區Z指數、Si指數分析及旱澇變化特征

2.1 Z 指數分析

采用桂東地區9個地面氣象站的逐年降水資料，根據Z指數研究方法計算桂東地區單站和總體Z指數，根據計算結果，選定Z值≥1的年份為大澇年，選定Z值≤-1的年份為大旱年，對各站點逐年Z值≥1的大澇年份進行統計，結果表明，區域Z指數明顯偏高的大澇年份有 1970、1973、1981、1994、1997、2002、2006、2013 年， 其中同年 9 個地面氣象站5個或以上出現大澇的年份占5/8，Z指數明顯偏 低 的 大 旱 年 份 有 1984、1986、1989、1991、2000、2003、2007、2009、2011 年， 其中同年 9 個地面氣象站5個或以上出現大旱的年份占8/9，說明大旱出現的影響范圍較大澇出現的影響范圍更廣。逐年區域Z指數略有下降的趨勢，但不明顯，1983年之前，Z指數偏高，澇年偏多，1984～1991年，Z指數明顯偏低偏旱，1992～1999年，Z指數明顯偏高偏澇，2000年之后，Z指數高低交替變化，旱澇交替明顯（圖1（a））。單站Z指數中有4個站逐年Z指數有上升的趨勢，有5個站逐年Z指數有下降的趨勢，但是上升和下降的趨勢都不明顯。

桂東地區區域逐年Z指數小波方差圖上明顯存在 4 個峰值（圖 1（b）），分別對應 18a、6a、4a、2a 左右尺度的震蕩周期，其中以18a尺度的周期最為明顯，其次是 2a、4a 和 6a。

圖1 區域逐年Z指數變化趨勢圖（a）；區域逐年Z指數小波方差圖（b）

2.2 沙道夫干濕指數Si分析

采用桂東地區9個地面氣象站49a間的逐年氣溫、降水資料，根據沙道夫干濕指數Si研究方法計算桂東地區單站和總體Si指數，根據計算結果，選定Si值≤-1.5的年份為大澇年，Si值≥1.5的年份為大旱年，再進行統計分析，結果表明，區域Si指數明 顯 偏 低 的 大 澇 年 份 有 1970、1973、1976、1981、1994、1997年，同年9個地面氣象站5個或以上出現大澇的年份為：1970年、1976年，1981年，1996年，1997年；Si指數明顯偏高的大旱年份有1989、1991、2000、2003、2007、2009 年，同年 9 個地面氣象站5個或以上出現大旱年份有：1987年，1991年，2003年，2004年，2007年，2009年。所有站點的Si指數均呈現出明顯的上升趨勢，并且發現南部4個站點（藤縣、梧州、蒼梧、岑溪）均比北部5個站點（蒙山、昭平、富川、鐘山、賀州）的大旱年數偏多約4a左右。逐年區域Si指數上升趨勢明顯。1985年之前，Si指數基本處于偏低水平，澇年多，1986～1991年，Si指數明顯偏高偏旱，1992～1998年，Si指數明顯偏低偏澇，1999之后Si指數處于偏高水平，旱年多（圖 2（a））。

桂東地區區域逐年Si指數小波方差圖上明顯存在 4 個峰值（圖 2（b）），分別對應 13a、6a、4a、2a 左右尺度的震蕩周期，其中以13a尺度的周期最為明顯，其次是 2a、4a 和 6a。

圖2 區域逐年Si指數變化趨勢圖（a）；區域逐年Si指數小波方差圖（b）

2.3 桂東地區Z指數和沙道夫干濕指數Si對比

通過表1可以看出，使用Z指數和Si指數劃分的旱澇年份比較統一，說明在桂東地區使用兩種方法研究旱澇變化特征都是可行的。由于氣溫和降水存在必然的聯系，所以使用Si指數方法劃分的大澇、大旱年份基本都包含在使用Z指數方法劃分的大澇、大旱年份內，對比第三章研究結果發現兩種方法劃分的大澇年一半以上屬于氣溫偏低且降水偏少的年份，兩種方法劃分的大旱年基本全部屬于氣溫偏高且降水偏少的年份，說明使用Si指數劃分的大澇、大旱年份更具有典型性，另外，從變化趨勢上看，Z指數變化趨勢不明顯，Si指數呈現出明顯的上升趨勢，也吻合桂東地區降水變化趨勢不明顯、增溫趨勢明顯的氣候變化響應特征。同時使用Si指數分析發現桂東地區南部比北部的大旱年數多。

表1 Z指數方法和Si指數方法劃分的旱、澇年份統計表

通過小波分析方法對兩種指數進行研究發現：兩種指數都存在4個不同尺度的振蕩周期，都分析出2012年開始，桂東地區進入了一個新的洪澇期。但Si指數小波分析結果在4a和6a左右尺度的震蕩周期上，旱澇演變的周期特征更為清晰和細致。

綜上所述，在桂東地區Z指數和沙道夫干濕指數Si均可以用于旱澇特征研究，但Si指數考慮到了氣溫、降水之間的聯系，相比Z指數方法更具有優越性。

3 桂東地區典型洪澇、干旱事件環流背景分析

為了進一步研究桂東地區旱澇變化特征，結合桂東地區氣候變化響應特征以及Z指數、沙道夫干濕指數Si兩種方法分析的旱澇變化特征，選取1994年作為典型洪澇事件，選取2007年作為典型干旱事件，分別分析其環流背景特征［20-24］。

3.1 典型洪澇事件環流背景特征分析

1994年的Z值為1.9，Si值為-1.8屬于明顯偏澇年份，年降水量偏多3成，降水主要集中在6、7、8月，且明顯偏多，分別偏多5成 （122mm）、1.4倍（253mm）、8 成（150mm）（圖 3），致使桂東地區洪澇災害頻發，災害影響巨大，是桂東地區歷史上洪澇災害最嚴重的年份。對1994年環流背景分析得出，500hPa、850hPa孟加拉灣低槽的加強和維持，并且在槽前形成了強烈的西南暖濕氣流，而其東側500hPa副熱帶高壓壩的阻擋，使得降水天氣系統和西南暖濕氣流在桂東區域維持和堆積，海南島近地面的氣旋倒槽和地面弱冷空氣給強降雨天氣提供了有利條件，200hPa高空的氣旋性輻散和低層輻合在桂東地區形成了“低層輻合，高層輻散”的動力機制，并長時間維持。穩定的環流形勢、良好的動力機制和充足的水汽條件以及ENSO事件在當年的結束和再次開始等重要因素，促成了桂東地區1994年特大洪澇災害的發生。

圖3 1994年桂東地區逐月降水量距平和距平百分比（a.距平b.距平百分比）

3.2 典型干旱事環流背景特征分析

2007年的Z值為-1.5，Si值為3.2，屬于明顯偏旱的年份，年降水量偏少2成多，年平均氣溫偏高0.8℃，全年有9個月的降水量明顯偏少，其中10月份降水量僅有1.5mm，11月份降水量僅有12.4mm，但全年氣溫有10個月明顯偏高，其中2月份更是偏高4.4℃，持續的高溫少雨天氣使得桂東地區遭受了嚴重干旱災害的影響。對2007年1～5月的環流背景分析表明，在500hPa高空，亞洲大陸中緯度地區受寬廣的高壓脊控制，孟加拉灣低槽很淺，高緯度地區盛行緯向環流，經向環流很弱，無法引導地面冷空氣南下；在850hPa高空，中緯度地區位于青藏高原的大陸高壓強盛，西太平洋副高控制桂東地區，西南暖濕氣流偏弱；在1000hPa近地面，亞洲大陸高緯度地區環流平直，冷空氣活動弱，在中緯度地區，北太平洋阿留申低壓位置偏東，大陸高壓強盛，桂東地區位于高壓脊區內。7～11月，在500hPa高空，高緯度地區環流平直，冷空氣活動很弱，副熱帶高壓強盛，華南大部區域都在其控制之下，副高南側的輻合帶偏南，導致2007年沒有臺風影響到桂東地區，南支槽偏北偏弱，西南暖濕氣流無法影響桂東地區；在850hPa高空，桂東地區處于副熱帶高壓下沉輻散區，低緯度偏南氣流對桂東地區影響基本沒有影響。在1000hPa近地面，大陸高壓與西太平洋副熱帶高壓連通形成寬廣的高壓帶，桂東地區位于這條高壓帶內。以上環流形式和La Nina事件造成了2007年嚴重的干旱災害。

圖4 2007年桂東地區逐月降水量和氣溫（a.降水量距平百分比b.氣溫距平）

4 結論

本文采用桂東地區1965～2013年共49年的氣溫和降水資料，引入降水Z指數和沙道夫干濕指數Si，采用線性趨勢法、小波分析法、M-K檢驗等方法分析了氣溫和降水的氣候變化響應特征以及Z指數和Si指數的變化特征，并對兩種指數進行了分析比較，選取了典型的洪澇和干旱事件，使用NCEP/NCAR再分析資料分析了兩個典型事件的環流背景特征，主要得出以下結論：

（1）綜合分析桂東地區49a間Z指數顯示有8年大澇、9年大旱，逐年Z指數略有下降的趨勢，變化趨勢不明顯，但具有明顯的年代際和年際變化。1983年之前澇年偏多，1984～1991年旱年多，1992～1999年澇年多，2000年之后，Z指數高低交替變化，旱澇交替明顯。主要存在18a、7a、4a、2a的振蕩周期，18a的周期尺度最顯著，存在于1992～2011年。從2012開始，桂東地區進入了一個新的洪澇期。

（2）綜合分析桂東地區49a間Si指數顯示有6年大澇、6年大旱，逐年Si指數上升趨勢明顯，并且發現南部站點比北部站點的大旱年數明顯多4a左右。1985年之前澇年多，1986～1991旱年多，1992～1998年澇年多，1999之后旱年多。主要存在13a、6a、4a、2a左右尺度的震蕩周期，13a的周期尺度最顯著，存在于 1967～1992 年，另外 6a、4a、2a 的周期變化特征也很清晰。從2012年開始，桂東地區進入了一個新的洪澇期。通過對比分析沙道夫干濕指數Si比Z指數兩種方法發現：在桂東地區旱澇特征研究上，沙道夫干濕指數Si比Z指數方法更具有優越性。

（3）選取的典型旱、澇事件環流背景具有以下特征：1994年洪澇的事件中，孟加拉灣低槽前有強烈的西南暖濕氣流，副熱帶高壓壩的位置和阻擋作用至關重要，海南島近地面的氣旋倒槽和地面弱冷空氣給強降雨天氣提供了有利條件，形成了 “低層輻合，高層輻散”的動力機制，并長期維持。ENSO事件在當年的結束和再次開始也是重要影響因素。2007年的干旱事件中：亞洲大陸高緯度地區冷空氣弱，大陸高壓和西太平洋副高控制先后控制桂東地區，西南暖濕氣流和臺風都無法影響桂東地區，8月份開始的La Nina事件加劇了干旱災害。

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