鲁西南地区气象干旱特征及与环流的相关性分析

摘要：本文选取国家气候中心提供的水平分辨率为 的月平均降水格点数据集及美国国家环境预报中心与美国国家大气研究中心NCEP/NCAR 再分析的全球逐月高度场和风场数据集，采用Mann-kendall非参数检验法和降水距平百分率来分析36年的春季平均降水量的空间分布特征、变化特征、春季干旱特征、干旱发生频率以及春季降水的环流特征。研究表明：鲁西南春季平均降水量由东南方向向西北方向逐步减少，1980-2015年的春季平均降水量总体呈现出上升趋势，年际变化比较明显。春季干旱发生的规律不是很明显，整体有非常微弱的上升趋势。春季平均降水与朝鲜半岛、日本海及日本岛上空850hPa位势高度场有着密切的相关性，朝鲜半岛、日本海、日本岛上空高度场升高，东亚大槽减弱，鲁西南地区春季降水增多，反之，这些区域上空高度场升高，东亚大槽增强，鲁西南地区春季降水减少，易发生干旱。在850hPa风场方面，日本海上空的反气旋，将大量来自太平洋的水汽输送到陆地，从而影响鲁西南地区春季降水。

关键字：气象干旱；干旱特征；变化趋势；鲁西南地区

引言

近几十年来，全球变暖导致极端气候事件频发，中国华北地区因降水减少和温度升高面临严峻干旱形势。黄河流域作为重要农业产区，其下游的鲁西南地区（地理坐标114°82′E-117°35′E，34°45′-36°12′N）因特殊地理气候条件成为山东省旱灾高发区。该区域属黄河冲积平原，温带季风气候下春旱频发，气象灾害损失占自然灾害总损失的70%，其中干旱占比过半。春季干旱直接影响农作物生长周期，导致产量锐减，对粮食安全和社会经济构成重大威胁[1-2]。

干旱定义存在多元性，国际普遍将气象干旱界定为降水异常短缺引发的持续性水分失衡。区别于农业干旱和水文干旱，气象干旱具有突发性强、结束迅速的特点。本文聚焦气象干旱，采用降水距平百分率（Pa）作为核心指标，因其计算简便、资料易获取且对干旱响应灵敏，适用于多时间尺度分析。该指标曾由中央气象局1972年制定推广，与SPI、PDSI等指标共同构成我国干旱监测体系，国家气候中心现综合运用CI指数、SPI和GIS技术进行全国干旱评估[3-6]。

现有研究多关注大区域干旱特征[7-11]，对鲁西南的系统性研究仍存空白。本文通过分析该地区春季干旱时空特征，旨在揭示其演变规律和驱动机制，为抗旱决策提供科学依据。研究成果对保障粮食安全、促进生态建设具有现实意义，尤其在气候变化加剧的背景下，可为相似气候区提供防灾减灾参考范式。

1 资料和研究方法

2.1资料

选取国家气候中心提供的水平分辨率为 0.5*0.5 的月平均降水格点数据集及美国国家环境预报中心与美国国家大气研究中心NCEP/NCAR 再分析的全球逐月高度场和风场数据集，采用Mann-kendall非参数检验法和降水距平百分率来分析36年的春季平均降水量的空间分布特征、变化特征、春季干旱特征、干旱发生频率以及春季降水的环流特征。本文分别以年、季、月作为研究尺度, 其中对季节的定义为春季：3—5月，夏季：6—8月，秋季：9—11月，冬季：12月和次年1—2月。

2.2研究方法

2.2.1 Mann-kendall非参数检验方法

Mann-kendall非参数检验方法（简称M-K检验方法）是一种常用的突变检验方法。这一方法不仅计算简单还可以明确突变发生时间，受到了世界气象组织的极力推荐。在分析气温、降水、水质和径流等因素的时间序列时，有着极强的适用性。M-K检验不需要样本遵循一定的分布规律，而且也不会受到极少数异常值的干扰。

2.2.2降水距平百分率

   降水距平百分率（Pa）是指某一时段的降水量与降水气候平均值相比的百分率，是表征一定的时间段内降水量异常的方法之一[12]，能够比较直观地反映出由于降水异常引起的干旱，所用到的资料更是比较容易获取，在我国气象服务行业中得到广泛的使用。其计算公式为：

式中P为某一时段降水量，为降水气候平均值。

利用《气象干旱等级》中降水量距平百分率来划分干旱等级[13]的分析方法可以分析1980-2015年鲁西南地区气象干旱特征和变化趋势。

2.2.3干旱频率

计算干旱发生频率P的公式：

式中：n为时间序列中发生干旱的次数，N为时间序列数。

2  研究分析

3.1春季降水空间分布特征分析

选取鲁西南区1980-2015年共36年的格点降水资料，利用NCL软件分析春季平均降水分布显示：降水呈东南-西北带状递减，总量介于27-46mm。最大降水中心位于微山湖及枣庄西部（46mm），最小值为聊城南部（27mm），中部菏泽黄淮冲积平原则为中等值区。空间分异主要受地形与季风协同作用影响：春季西南暖湿气流沿鲁中南山地东南侧抬升，配合北方冷空气减弱、南方暖湿气流增强的环流背景，使东南部迎风坡降水显著增多。西北部因地处背风区且水汽输送减弱，形成降水低值带。这种地形-环流耦合机制导致区域春季降水梯度特征显著。其春季平均降水标准差集中在12-24之间的。标准差最大的区域为鲁西南的东南区域，以此说明该区域的春季平均降水的年变化率也是最为显著的，标准差最小的区域为西北区域，由此可知，整个鲁西南的地区的春季平均降水的年际变率整体呈现出一个由东南向西北递减的趋势。

3.2春季降水变化特征分析

鲁西南地区1980-2015年春季平均降水为37mm，1980-2015年鲁西南春季降水呈微弱上升趋势，但年际波动显著。极端值出现在1998年为82.1 mm，2001年为5 mm。年代际趋势呈现四阶段交替：1980-1988年上升，1989-1997年下降，1998-2006年，包含1998年峰值与2001年谷值仍整体下降，2007-2015年再次上升，形成"升-降-降-升"周期性震荡特征。   

采用Mann-Kendall非参数统计检验方法对1980-2015年的春季平均降水序列进行突变检验，给定显著性水平，即。UF统计量和UB统计量两条曲线交点均位于置信区间内，代表1980-2015年期间的突变点全部通过检验。1980-2015年鲁西南春季降水存在9个突变点，密集分布于1982、1986-1989、1993、1997-1999、2009及2015年。20世纪80-90年代突变期降水持续减少，90年代中后期转为上升趋势，2010-2015年再次下降。研究时段内降水趋势反复转变，揭示区域春季降水具有显著不稳定性。 

3.3春季干旱分析

根据春季降水距平降水百分率，并以划分降水距平百分率Pa干旱等级划分表为干旱标准[13]，得出在1980-2015年期间，年际变化较为明显，整体有非常微弱的上升趋势。在36年间，春季干旱时间发生的规律不是很明显。在轻度干旱方面，一共发生7次轻旱。分别为1986年、1987年、1989年、1995年、2005年、2011年和2012年；在中度干旱方面，1981年和2000年春季干旱为中度干旱级别；在重度干旱方面，没有年份发生春季干旱；在特旱方面，只有2001年春季干旱为特旱，降水距平百分率更是高达-86.47%。 

在1980-2015年近36年间，有10年发生了春季干旱，干旱发生频率为33%。其中春季干旱等级为轻度级别的发生次数最多，频率为23%；中度干旱的发生频率为6%；特旱的发生频率最小，在36年期间仅发生一次，频率为3%。

3  鲁西南地区的干旱与环流的相关性分析

影响鲁西南地区的降水分布的原因有很多，一般大气环流变化是导致降水分布的直接原因，下面将分析1980-2015年的春季平均降水序列与同期（春季）大气环流的相关性。根据春季气候平均高度场（图1）可以看出，鲁西南春季降水与大气环流密切相关。如春季平均高度场所示，新疆至贝加尔湖以东存在高压脊，日本海浅槽叠加作用下，鲁西南处于槽后脊前位置，稳定层结抑制降水。其中由850hPa位势高度场的相关分布图（图2）可知，降水与850hPa位势高度场的正相关核心区位于亚洲东岸，涵盖朝鲜半岛至日本区域，相关系数超过0.6，该区高度场上升会削弱东亚大槽强度，驱动异常反气旋将水汽向鲁西南辐合输送，从而增加降水；反之当高度场下降时，大槽加深易引发干旱。垂直方向上，相关区域随高度增加呈现系统性西倾，且各层空间配置一致。新疆至河套以南区域为显著负相关区，相关系数达0.4以上，其高度场降低与鲁西南降水增多存在明确对应关系。

图1 850hPa春季气候平均位势高度场

图2春季平均降水时间序列与春季850hPa高度场相关分布

为了将低层风场对海洋水汽的输送进行进一步的研究，将鲁西南地区春季平均降水与相同时期的850hPa风场进行相关分析（图3），分析结果与前面讨论的位势高度场相关分析较为相似。在春季，日本海上空生成了反气旋，这个反气旋将会携带来自太平洋上的大量水汽并将其输送到陆地，从而影响鲁西南地区的春季的天气系统，使其形成降水。自春季起，鲁西南地区逐渐开始盛行偏南风，这样的风向有利南方的暖湿气流运输到该地区，从而致使春季降水增多。

图3春季降水时间序列与850hPa风场的相关

4 结论

本文是基于鲁西南区1980-2015年共35年的格点降水资料，用NCL绘制出春季平均降水等值线分布图，分析鲁西南地区春季平均降水分布特征；建立春季降水时间序列，并对降水时间序列做Mann-kendall非参数检验，以此分析35年的降水的突变时间和春季降水量变化和变化趋势。采用降水距平百分率，分析春季干旱特征和干旱发生频率。并用鲁西南地区的春季降水时间序列与同期（春季）850hPa位势高度场做相关分析，以此分析大气环流因子对鲁西南地区春季气象干旱的影响。有以下主要结论：

（1）鲁西南春季降水呈东南-西北带状递减，年际变率空间分布同步递减。1980-2015年降水量总体呈不显著上升趋势，经历升-降-降-升波动周期。

（2）基于降水距平分析，春季干旱年际变化显著但无明确规律，整体呈现微弱增强趋势。

（3）850hPa位势高度场相关分析表明：朝鲜半岛-日本区域高度场上升（东亚大槽减弱）时，反气旋环流输送暖湿水汽至鲁西南，降水增多；反之则易发干旱。新疆-河套地区高度场降低对应鲁西南降水增加。

（4）日本海反气旋系统与春季偏南风协同作用，促进太平洋水汽向鲁西南辐合输送，是区域降水形成的重要机制。地形抬升进一步强化东南部迎风坡降水效应。

参考文献

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