湖南邵阳干旱特征及成因分析

Characteristics and Causes of Drought in Shaoyang, Hunan Province

摘要: 利用邵阳市10个站点的月降水资料、NCEP/NCAR的再分析资料，分析了干旱特征、大气环流特征。1960~2020年平均每年共出现干旱31.4站次。重旱主要出现在秋季，其次为冬季。重旱整体呈下降的趋势，倾向率为−0.35次/10a。特旱主要出现在秋季特旱的趋势与重旱相反，呈上升的趋势，倾向率为0.16次/10a。500 hPa高度场上欧亚中高纬呈“两脊一槽”的环流形势分布，邵阳处于高度场正距平控制，中低层为北风异常，冷空气太强，缺少水汽输送，不利于邵阳地区的降水。较强的水汽输送通量路径未经过湖南，湖南整体的水汽条件不充沛，且水汽以辐散为主，不利于降水的发生。

Abstract: Using monthly precipitation data from 10 stations in Shaoyang City and NCEP/NCAR reanalysis data, the drought characteristics and atmospheric circulation characteristics are analyzed. From 1960 to 2020, there was an average of 31.4 drought stations per year. Severe droughts mainly occurred in autumn, followed by winter. The overall severe drought showed a downward trend, with a tendency rate of −0.35 times/10a. The extreme drought mainly occurs in autumn. The trend of extreme drought is opposite to that of severe drought, showing an upward trend, with a tendency rate of 0.16 times/10a. In the 500 hPa altitude field, the Eurasian mid-high latitudes present a circulation pattern of “two ridges and one trough”. Shaoyang is under the control of the positive anomaly of the altitude field. The north wind is abnormal in the middle and low layers. The cold air is too strong and lacks water vapor transmission, which is not conducive to the Shaoyang area. The strong water vapor transport flux path does not pass through Hunan, the overall water vapor conditions in Hunan are not sufficient, and the water vapor is mainly divergent, which is not conducive to the occurrence of precipitation.

1. 引言

干旱由于其持续时间长、发生频率高、影响范围大，已成为世界上最重要的自然灾害之一 [1] - [9]。随着经济社会的发展，社会财富的增加，干旱已成为影响我国最最广、经济损失最大的自然灾害之一。近年来，随着全球变暖、降水分布不均，极端天气发生频率增加，干旱出现的频次和程度都有所增加。因此通过有效的方法监测评估干旱，对于减少干旱损失、保障人类生命财产安全显得尤为重要。王大勇等 [10] 通过分析环流形式和水汽输送，发现2019年5~8月山西中南部严重干旱是由于环流和海温异常，引起低层水汽输送异常，因此产生了持久的干旱。范嘉智等 [11] 比较了SPEI等4种干旱指数在湖南干旱检测中的适用性，发现scPDSI指数的准确率最高。黎祖贤等 [12] 统计分析湖南特大干旱时空分布特征，发现湖南特旱呈上升的趋势。邵阳市地区湖南西南部，西靠雪峰山，南临南岭，东临衡阳，素有“衡邵干旱走廊”之称，三面环山，中部为盆地、丘陵和浅山区，干旱时常发生，旱灾是邵阳气象灾害中除暴雨之外第二多的气象灾害。研究邵阳干旱特征，为充分利用水资源提供依据。

2. 资料和方法

2.1. 资料来源

选取邵阳地区10个区县国家气象观测站点1960~2020年日降水量观测资料，逐年分别统计各季节(春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)、冬季(12~次年2月))降水数据和年降水数据，得到降水季节序列和年序列数据。资料来源于cimiss中国地面日值资料。

2.2. 计算方法

2.2.1. 降水量距平百分率(PA)

降水量距平百分率(PA)反映某一时段降水量对于同期平均状态的偏离程度，从而反映出降水量异常引起的干旱，在我国气象业务中经常用于评估干旱事件。

PA计算公式为 $PA=\frac{P-\bar{P}}{\bar{P}}\times 100\%$，其中，PA为某时段降水距平百分率，P某时段降水量， $\bar{p}$ 为计算时段同期气候平均降水量，单位分别为%，mm。

根据《气象干旱等级标准》(表1)，将干旱划分为无旱、轻旱、中旱、重旱和特旱五个等级。利用公式分别计算1960~2020年的逐季和逐年的降水距平百分率，再依据《气象干旱等级标准》分别划分干旱等级。

Table 1. Percentage of precipitation anomaly and drought grade division table

表1. 降水距平百分率干旱等级划分表

3. 结果分析

3.1. 干旱时间变化特征

3.1.1. 季尺度干旱变化特征

1960~2020年平均每年共出现干旱31.4站次，其中轻旱平均每年16.5站次，中旱9.5站次，重旱4.9站次；邵阳县站出现轻旱次数最多，平均每年1.7次，邵东、新宁、绥宁出现中旱次数最多，平均每年1.1次，新邵站出现重旱次数最多，平均每年0.7次，从图1(a)可以看到，重旱整体呈下降的趋势，倾向

(a) (b)

Figure 1. Inter-annual changes of severe drought and extreme drought

图1. 重旱和特旱的年际变化

率为−0.35次/10 a。邵阳市各县(区)重旱的年际变化，共有17年未出现1站次重旱。出现重旱最多的是2003年，全年共出现重旱19站次。重旱主要出现在1963~1974年、1978~1992年、2003~2013年几个时间段。分站点来看，城步共出现26次重旱，1987~1995年间未出现重旱，2003年以后重旱次数明显增加，但整体呈下降的趋势，倾向率为−0.002次/10a。洞口站共出现27次重旱，1982~1990年、1994~2007年两段时间出现重旱少，各只出现一次，2008年以后重旱次数有增加的趋势，但整体呈下降的趋势，倾向率为−0.06次/10a。隆回站共出现31次重旱，出现的主要时段为1960~1975年、1993~2011年，2012年以后重旱次数明显减少，整体呈下降的趋势，倾向率为−0.04次/10a。邵东站共出现34次重旱，出现的主要时段为1960~1974年、1999~2011年，2012年以后未出现重旱，重旱呈下降的趋势，倾向率为−0.04次/10a。邵阳市站共出现33次重旱，分布比较均匀，呈准两年周期震荡，邵阳市重旱有略微上升的趋势，倾向率为0.004次/10a。邵阳县站共出现29次重旱，出现的主要时段为1963~1980年、2000~2010年，2011年以后未出现重旱，重旱呈下降的趋势，倾向率为−0.02次/10a。绥宁站共出现24次重旱，分布比较均匀，呈准3年周期震荡。武冈站共出现27次重旱，出现的主要时段为1963~1969年、1996~2010年，2011年以后未出现重旱，重旱呈下降的趋势，倾向率为−0.05次/10a。新宁站共出现25次重旱，出现的主要时段为1962~1973年、1988~2000年，2007~2020年，重旱呈下降的趋势，倾向率为−0.05次/10a。新邵站共出现40次重旱，呈准2年周期震荡，下降的趋势，倾向率为−0.02次/10a。

从图1(b)可以看出1960~2020年平均每年共出现特旱1.6站次，隆回站出现特旱次数最多，平均每年0.2次；出现特旱站次最多的是2007年，共出现13站次。1960~1963年、1968~1971年、1974~1978年、1982~1986年、1992~1995年、2014~2018年未出现特旱。特旱主要集中出现在1979~1988年、2001~2013年，其中超过6次的有1966年、1973年、1979年、1987年、1988年、2004年、2007年、2013年。特旱的趋势与重旱相反，呈上升的趋势，倾向率为0.16次/10a。

(a) (b)

Figure 2. Monthly changes of severe drought and extreme drought

图2. 重旱和特旱月变化

图2为1960~2020年邵阳市重旱和特旱的月变化。可以看到3~6月重旱出现站次最少，均出现4次；重旱主要出现在2月、7~12月，各月都超过30站次，其中9月出现最多，为63站次，主要出现在邵东、隆回、洞口。1月、3~6月未出现特旱，2月和8月只出现1~2次，特旱集中出现在7月、9~12月，各月均超过10站次，其中11月出现特旱次数最多，为11站次，主要出现在城步、隆回、邵阳市、邵东。

3.1.2. 季尺度干旱变化特征

图3为1960~2020年邵阳市重旱和特旱的各季节变化。可以看到春季除隆回出现1次重旱外，其他各站点均未出现。各站点秋季重旱的占比都是最重，特别是邵东、邵阳市区、新邵等北部地区，达到了40%，出现秋旱最多的邵东、新邵为19次，最少的新宁站9次。其次占比较重的为冬季，各站点冬季均出现了重旱，最少的洞口出现6次，最多的新邵为11次。夏季各站点也都出现了重旱，但都未超过10次，最少的武冈共出现3次。春季没有1站出现特旱；特旱都主要出现在秋季，邵阳市、隆回、新邵均出现了10次秋旱，各站点秋旱占比均超过了60%；冬季次之，其中城步和绥宁两站未出现特旱，主要出现在东部的邵东和西北部的洞口。夏季特旱出现频率较低，城步站夏季没有特旱，特旱主要出现在隆回、邵东、新宁。

(a) (b)

Figure 3. Seasonal changes of severe drought and extreme drought

图3. 重旱和特旱四季变化

3.2. 大气环流及水汽输送异常

3.2.1. 大气环流异常

大气环流异常是干旱气候灾害产生的直接原因，图4给出了特旱年2月7~12月500 hPa月平均高度和距平场。从500 hPa高度场可以看出，2月以纬向环流为主，为“一槽一脊”的环流形式，欧洲东部为

(a) (b) (c) (d) (e) (f)

Figure 4. The characteristic of 500 hPa average circulation from July to December during the extreme drought year (unit: m). The contour is the height field, and the color is the height anomaly field

图4. 特旱年7~12月500 hPa 平均环流特征(单位：m)等值线为高度场，填色为高度异常场

异常的高压脊控制，蒙古到我国北部为异常的低压控制，邵阳受高度场负距平控制，冷空气异常活跃，影响低纬水汽向北输送，不利于邵阳冬季降水。7月，欧亚中高纬呈“两脊一槽”的环流形势分布，邵阳处于高度场正距平控制，不利于邵阳出现降雨。8月，欧亚中高纬呈“两槽一脊”的环流形势分布，贝加尔湖地区为强大的阻塞形势控制，乌拉尔山附近为低压槽、负距平控制，西太平洋副热带高压面积偏大、强度偏强，邵阳处于高度正距平区，这种形势不利于冷空南下，对流缺少触发条件，易形成晴热高温天气。9月中高纬环流平直，乌山附近仍为负距平控制、贝加尔湖为正距平控制，冷空气仍然不活跃，加之华南为负距平，水汽在华南地区已形成降雨，到达邵阳的水汽已经减弱，不利于邵阳形成降雨。10月环流呈北高南低形势，邵阳虽为高度负距平高，但结合850 hPa风场可以看到，中低层为北风异常，冷空气太强，中低层缺少水汽输送，不利于邵阳地区的降水。11月贝加尔湖为高度正距平，高压异常强大，邵阳也处于高度正距平控制，中低层仍为北风异常，缺少水汽输送，不利于邵阳地区降水。12月高压强大、位置西移，邵阳处于高度正距平控制，低层仍为北风异常，缺少水汽输送，不利于邵阳地区降水。

(a) (b) (c) (d) (e) (f)

Figure 5. The average wind field of 850 hPa from July to December in the extreme drought year (unit: m/s)

图5. 特旱年7~12月850 hPa 平均风场(单位：m/s)

图5给出了特旱年7~12月850 hPa风场特征。从图5(a)中可以看出，特旱年7月华东、朝鲜半岛到日本一带为反气旋式环流异常。南海到中南半岛为东风异常，导致孟加拉湾和南海的水汽无法输送至邵阳地区。湖南地区也受异常反气旋控制，邵阳处于异常反气旋中心，不利于降水发生。8月朝鲜半岛–日本–西太平洋地区仍为反气旋式环流异常，湖南地区的异常反气旋范围更大，邵阳仍处于异常反气旋中心。9~12月华东、华南至西太平洋地区受气旋式异常环流控制，邵阳地区为异常的东北气流控制，而长江流域的水汽主要来源于南海、西太副高西侧和西南侧转向的西南气流及来自印度洋、孟加拉湾的西南季风输送，异常的东北气流不利于南海、印度洋、孟湾的水汽输送，加之东北地区为大范围的西南风异常不利于冷空气南下，造成邵阳地区特旱。

3.2.2. 水汽输送异常

水汽条件在降水形成中起着决定性作用，降水是水汽和环流配合的结果，许多研究都用水汽通量和水汽通量散度作为表征水汽的物理量。水汽输送直接影响旱涝的发生。图6为特旱年整层水汽输送通量和整层水汽输送通量散度(图略)场。从整层水汽输送通量场中可以看出，孟加拉湾水汽通过中南半岛后迅速减弱，西太平洋的水汽输送通道偏东，南海水汽输送也偏弱，较强的水汽输送通量路径未经过湖南，湖南整体的水汽条件不充沛，到达邵阳的水汽输送只有100~150 kg∙m⁻¹∙s⁻¹，且水汽以辐散为主，不利于降水的发生。8月孟加拉湾的水汽通过中南半岛后汇合南海的水汽经东海到达东北，只有南海少量水汽

(a) (b) (c) (d) (e) (f)

Figure 6. The water vapor flux of the whole layer and water vapor flux divergence (10⁻⁴ kg∙m⁻²∙s⁻¹) from July to December during the extreme drought year (unit: kg∙m∙s⁻¹)

图6. 特旱年7~12月整层水汽通量(单位：kg∙m∙s⁻¹) 和水汽通量散度(10⁻⁴ kg∙m⁻²∙s⁻¹)

输送至邵阳地区，邵阳地区的水汽在100 kg∙m⁻¹∙s⁻¹以下，水汽通量散度也以辐散为主。9月华中地区受异常反气旋控制，孟加拉湾和南海的水汽无法输送至邵阳地区，邵阳为干冷的偏北气流控制。10~12月孟加拉湾为异常的偏东水汽输送，孟加拉湾从水汽源变成了水汽汇，邵阳地区的水汽来源于干燥的西北地区，因此干旱特别严重。

4. 结论与讨论

利用邵阳市10个站点的月降水资料、NCEP/NCAR的再分析资料，分析了干旱特征、大气环流特征，得到以下主要结论：

1) 1960~2020年平均每年共出现干旱31.4站次，其中轻旱平均每年16.5站次，中旱9.5站次，重旱4.9站次；邵阳县站出现轻旱次数最多，平均每年1.7次，邵东、新宁、绥宁出现中旱次数最多，平均每年1.1次，新邵站出现重旱次数最多，平均每年0.7次。重旱主要出现在1963~1974年、1978~1992年、2003~2013年几个时间段。重旱整体呈下降的趋势，倾向率为−0.35次/10a。特旱主要出现在秋季，特旱的趋势与重旱相反，呈上升的趋势，倾向率为0.16次/10a。

2) 各站点秋季重旱的占比都是最重，特别是邵东、邵阳市区、新邵等北部地区，达到了40%，出现秋旱最多的邵东、新邵为19次，最少的新宁站9次。其次占比较重的为冬季，各站点冬季均出现了重旱，最少的洞口出现6次，最多的新邵为11次。夏季各站点也都出现了重旱。春季没有1站出现特旱；特旱都主要出现在秋季，邵阳市、隆回、新邵均出现了10次秋旱；冬季次之，其中城步和绥宁两站未出现特旱。

3) 从500 hPa高度场可以看出，特旱年2月以纬向环流为主，为“一槽一脊”的环流形式，冷空气异常活跃，影响低纬水汽向北输送，不利于邵阳冬季降水。7~8月，欧亚中高纬呈“两脊一槽”的环流形势分布，邵阳处于高度场正距平控制，不利于邵阳出现降雨。9~12月中高纬环流平直，中低层为北风异常，冷空气太强，中低层缺少水汽输送，不利于邵阳地区的降水。

4) 从整层水汽输送通量场中可以看出，孟加拉湾水汽通过中南半岛后迅速减弱，西太平洋的水汽输送通道偏东，南海水汽输送也偏弱，较强的水汽输送通量路径未经过湖南，湖南整体的水汽条件不充沛，且水汽以辐散为主，不利于降水的发生。9~12月华中地区受异常反气旋控制，孟加拉湾和南海的水汽无法输送至邵阳地区，邵阳为干冷的偏北气流控制。邵阳地区的水汽来源于干燥的西北地区，因此干旱特别严重。

5) 本文主要分析了特旱期间邵阳地区的大气环流及水汽输送的特征及其对干旱的影响，但是关于中度、重度干旱的特征及发生原因未深入探讨，对干旱发生的物理机制的研究还不够透彻，还需要进一步的深入分析及讨论。

基金项目

湖南省气象局短平快课题XQKJ17B039、XQKJ17B042、XQKJ16B050、湖南省人影办重点课题：衡邵地区生态保护人工增雨预案研究与应用。