張凌云，簡(jiǎn)茂球

(1.中山大學(xué)大氣科學(xué)系/季風(fēng)與環(huán)境研究中心，廣東廣州510275;2.廣西柳州市氣象局，廣西柳州545001)

0 引言

廣西地處我國(guó)南部，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，主要特征是夏長(zhǎng)冬短、雨熱同季。春季是廣西農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最關(guān)鍵的季節(jié)，是水稻、玉米等糧食作物以及甘蔗、水果等經(jīng)濟(jì)作物播種發(fā)育的關(guān)鍵季節(jié)，其氣候條件對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響直接關(guān)系到廣西的糧食生產(chǎn)安全，而降水則是其中最重要的氣象因子。因此，研究春季的降水，尤其是研究春旱，意義重大。由于受全球氣候變化［1－4］的影響，廣西干旱的時(shí)空變化也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，對(duì)此，前人曾做了一些研究，但多集中于一些個(gè)例分析研究［5－10］，且多研究秋冬季干旱［11－18］，李耀先等［19］曾對(duì)廣西干旱進(jìn)行系統(tǒng)性分析，而有針對(duì)性的廣西春旱研究迄今尚少。干旱的劃分標(biāo)準(zhǔn)，也主要以季節(jié)降水量為主［20－21］，與實(shí)際上發(fā)生旱情的多少有些出入。本文將引入“季節(jié)無雨日”作為劃分干旱的標(biāo)準(zhǔn)，從廣西春旱年的大氣環(huán)流背景入手，分析春旱的成因。

1 資料和分析方法

本文使用的主要資料如下:

(1)廣西氣候中心整理的1961－2007年32個(gè)氣候代表站的逐日降水量資料;

(2)1961－2007年共47年NCAR/NCEP再分析資料逐日資料子集中的高空12層緯向風(fēng)u、經(jīng)向風(fēng)v、p坐標(biāo)垂直速度ω、位勢(shì)高度Hgt和比濕q、全球海平面氣壓以及計(jì)算出的垂直積分(地面－300 hPa)水汽通量等資料，分辨率為2.5°×2.5°;

(3)1961－2007共47年NOAA(Extended Reconstructed Sea Surface Temperature，V2)擴(kuò)展重構(gòu)全球海表溫度資料，分辨率為2.0°×2.0°;

(4)國(guó)家氣候中心氣候系統(tǒng)診斷預(yù)測(cè)室再處理的74項(xiàng)環(huán)流特征量資料。

本文所采用的主要計(jì)算及分析方法有EOF分析，以及一些常用的統(tǒng)計(jì)分析方法［22－23］。

2 廣西春旱的時(shí)空分布特征

從廣西89個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)中選取具有氣候代表性的32個(gè)站點(diǎn)，根據(jù)1961－2007年逐日降水量資料，統(tǒng)計(jì)逐年春季(3－5月)各站點(diǎn)的無雨日。其中無雨日的標(biāo)準(zhǔn)是:日降水量≤0.0 mm。本文將季節(jié)無雨日定義為:在某個(gè)季節(jié)里面，日降水量≤0.0 mm的總天數(shù)，它既能直接反映降水過程的多少(春季無雨日與降水量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到－0.66)，又可以體現(xiàn)干旱的累積效應(yīng)，用它來衡量干旱的程度較為科學(xué)、合理。因此，本文將以季節(jié)無雨日作為干旱的劃分標(biāo)準(zhǔn)，分析廣西春旱的時(shí)空分布特征。

2.1 廣西春季無雨日的氣候平均特征

圖1和圖2中給出的是廣西春季無雨日的空間分布特征和時(shí)間變化曲線。由圖1可知，在春季，廣西的無雨日呈西南－東北型分布，桂西、桂南為高值區(qū)，桂中至桂東北為低值區(qū)，無降水日的高值中心位于桂西、桂西南及桂南，說明在春季，桂西及桂南最易發(fā)生干旱事件。從時(shí)間變化來年(圖2)，在春季，全區(qū)平均無雨日總體略呈上升趨勢(shì)，但增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯，主要以年際、年代際變化為主，年代際變化趨勢(shì)大致是:1960年代無雨日較多，1970年代較少，1980年代較多，1990年代較少，進(jìn)入21世紀(jì)后無雨日又趨于增多。

圖1 廣西春季節(jié)無雨日的氣候平均圖

圖2 廣西平均春季節(jié)無雨日的逐年時(shí)間變化(實(shí)曲線)及趨勢(shì)變化(虛線)圖

2.2 廣西春季無雨日的EOF分析特征

對(duì)廣西32個(gè)代表站春季的無雨日作EOF分析，表1中給出了廣西春季無雨日EOF分析前5個(gè)模態(tài)的方差及累積方差貢獻(xiàn)，EOF分析的初始場(chǎng)為非標(biāo)準(zhǔn)化的距平場(chǎng)。由表1可以看出，前3個(gè)模態(tài)的累積方差貢獻(xiàn)超過70%，其中第1模態(tài)的方差貢獻(xiàn)占總方差的一半以上，是廣西春季無雨日非常重要的一種變異模態(tài)。

表1 廣西春季無雨日EOF分析前5個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)及累積方差貢獻(xiàn)%

圖3中給出的是廣西春季無雨日EOF分析的第一模態(tài)及其時(shí)間系數(shù)。從圖3(a)可以看出，第一模態(tài)代表的是春季全區(qū)一致偏旱或一致偏澇型，極值中心位于桂東南，桂北則為相對(duì)低值區(qū)，說明在春季，桂北地區(qū)的干旱較桂南偏輕，桂東南最易發(fā)生嚴(yán)重干旱。圖3(b)中的時(shí)間系數(shù)則反映了:對(duì)于偏旱年而言，這種春季全區(qū)一致偏旱比較典型的年份有1963、1977及1987年，而2002年以后的連續(xù)6年里，春季全區(qū)一致偏旱的的特征都比較明顯。對(duì)于偏澇年而言，這種春季全區(qū)一致偏澇比較典型的年份有1975年、1970年、1981年及1993年，其中1975年春季全區(qū)一致偏澇的特征最明顯。

圖3 廣西春季無雨日的EOF分析(其中特征向量場(chǎng)已乘以時(shí)間系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差)

2.3 廣西春旱年的劃分

根據(jù)春季無雨日EOF分析的結(jié)果，廣西春季EOF分析的第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)達(dá)到55.5%，說明第一模態(tài)所代表的旱澇分布型為主要的變異型，且春季第一模態(tài)旱澇分布型為全區(qū)一致偏旱或全區(qū)一致偏澇，因此，本文主要討論全區(qū)一致性春旱。表2中給出了春旱年份的劃分結(jié)果。從表2可以看出，1990年代以前，廣西發(fā)生春旱較多，1990年代廣西未發(fā)生春旱，21世紀(jì)以后，廣西的春旱又有增加趨勢(shì)。

表2 廣西春旱年份

3 廣西春旱的大氣環(huán)流背景分析

3.1 廣西春旱年水汽通量場(chǎng)特征

圖4中給出的是春季平均水汽通量場(chǎng)及廣西春旱年水汽通量距平合成場(chǎng)。從春季平均水汽通量場(chǎng)(圖4a)可以看出，春季主要有兩支水汽輸送帶向廣西輸送水汽，一支是源自西太平洋副熱帶高壓南側(cè)的偏東氣流水汽輸送帶，另一支是源自孟加拉灣的偏西氣流水汽輸送帶，兩支水汽輸送帶在中南半島－南海附近匯合北上輸送到廣西，廣西處于西南氣流水汽輸送帶的輻合區(qū)中。而在春旱年(圖4b)，菲律賓以東洋面上空為氣旋式水汽通量距平場(chǎng)，我國(guó)東部及其以東洋面上空存在一個(gè)反氣旋式水汽通量距平場(chǎng)，廣西處于該反氣旋式水汽通量場(chǎng)的西南側(cè)偏東距平氣流水汽輸送帶中，其上空有一個(gè)明顯的距平輻散場(chǎng)，說明偏旱年廣西上空的水汽通量輻合減弱，水汽條件比平均場(chǎng)更不利于降水，即使冷空氣影響廣西也不會(huì)造成明顯降雨，因而降水偏少。

圖4 垂直積分春季平均水汽通量場(chǎng)(a)及廣西春旱年水汽通量距平合成場(chǎng)(b)

3.2 廣西春旱年850 hPa風(fēng)場(chǎng)特征

圖5中給出的是春季850 hPa平均風(fēng)場(chǎng)及廣西春旱年850 hPa風(fēng)場(chǎng)距平合成場(chǎng)。從春季平均風(fēng)場(chǎng)(圖5a)可以看出，與水汽通量場(chǎng)相似，春季主要有兩支氣流在中南半鳥－南海附近北上匯合影響廣西，一支是源自西太平洋副熱帶高壓南側(cè)的偏東氣流，另一支是源自孟加拉灣的偏西氣流，兩支氣流在中南半島－南海附近匯合北上影響廣西，廣西主要受西南氣流影響，因而水汽輸送較多。而在春旱年(圖5b)，四川至云貴一帶為一個(gè)氣旋式距平場(chǎng)控制，廣西處于該氣旋式距平場(chǎng)南側(cè)偏南－西南氣流距平強(qiáng)輻散區(qū)中，西南氣流輻散大大增強(qiáng)。

圖5 春季850 hPa平均風(fēng)場(chǎng)(a)及廣西春旱年850 hPa風(fēng)場(chǎng)距平合成場(chǎng)(b)

3.3 廣西春旱年500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)特征

圖6中給出的是春季500 hPa平均高度場(chǎng)及廣西春旱年500 hPa高度距平合成場(chǎng)。在春季500 hPa平均高度場(chǎng)上(圖6a)，中高緯度亞洲大陸－西太平洋地區(qū)呈一槽一脊型，中高緯度亞洲地區(qū)主要受廣闊的高壓脊控制，亞洲大陸東部－日本－西太平洋地區(qū)主要受東亞大槽控制，低緯地區(qū)氣流比較平直，印緬槽較淺，廣西主要受印緬槽前西南－偏西氣流影響。而在廣西春旱年500 hPa高度距平合成場(chǎng)上(圖6b)，中高緯度亞洲地區(qū)為負(fù)距平，亞洲大陸東部－日本－西太平洋地區(qū)為正距平，同時(shí)阿拉伯海灣地區(qū)也為正距平，印緬－孟加拉灣一帶為負(fù)距平，說明在廣西春旱年，東亞大槽槽底部分偏弱，中高緯地區(qū)氣流趨于平直，緯向環(huán)流盛行，經(jīng)向環(huán)流相對(duì)偏弱，由此帶來的冷空氣南下影響廣西的就少。雖然低緯地區(qū)槽脊略有加深，廣西處于印緬槽前，偏南氣流強(qiáng)盛，因此盡管水汽條件較好，但由于中高緯環(huán)流平直，不利于冷空氣南下影響，沒有冷空氣與之交綏，對(duì)降水的形成不利。

圖6 春季500 hPa平均高度場(chǎng)(a)及廣西春旱年500 hPa高度距平合成場(chǎng)(b)

3.4 廣西春旱年500 hPa垂直速度場(chǎng)特征

圖7中給出的是春季500 hPa平均垂直速度場(chǎng)及廣西春旱年500 hPa垂直速度距平合成場(chǎng)。在春季500 hPa平均垂直速度場(chǎng)上(圖7a)，中南半島－華南一帶、青藏高原一帶ω＜0，說明上述地區(qū)(包括廣西)春季500 hPa上空主要以上升運(yùn)動(dòng)為主。而在廣西春旱年500 hPa垂直速度距平合成場(chǎng)上(圖7b)，華南地區(qū)上空為正距平，說明春旱年廣西上空上升運(yùn)動(dòng)減弱。同時(shí)還可以看到，在中高緯地區(qū)，貝加爾湖以東往東南方向至我國(guó)東北地區(qū)為正距平區(qū)，說明春旱年該區(qū)域下沉運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，華北－華東－朝鮮半島－日本島南部上空為明顯的負(fù)距平區(qū)，說明春旱年該區(qū)域下沉運(yùn)動(dòng)減弱，與東亞大槽的位置有關(guān)，意即春旱年東亞大槽的緯向性較明顯，且位置偏西。

圖7 春季500 hPa平均垂直速度場(chǎng)(a)及廣西春旱年500 hPa垂直速度距平合成場(chǎng)(b)

3.5 廣西春旱年海平面氣壓場(chǎng)特征

圖8中給出的是春季平均海平面氣壓場(chǎng)及廣西春旱年海平面氣壓距平合成場(chǎng)。在春季平均海平面氣壓場(chǎng)上(圖8a)，阿留申低壓位于40°～60°N之間的北太平洋地區(qū)，其低壓中心位于阿留申群島附近，中低緯度太平洋地區(qū)則為廣闊的太平洋副熱帶高壓控制，高壓脊線位于30°N附近，低緯－印度洋北部為低壓環(huán)流控制，廣西處于大陸高壓東南側(cè)和低緯－印度洋低壓環(huán)流東北側(cè)的西南氣流輻合帶中，低層盛行西南風(fēng)。而從廣西春旱年海平面氣壓合成距平場(chǎng)(圖8b)可以看出，在廣西春旱年，阿留申低壓明顯減弱，副高略有增強(qiáng)，大陸高壓減弱，說明冷空氣活動(dòng)少或勢(shì)力弱，偏南氣流比正常年要強(qiáng)盛，整個(gè)輻合區(qū)偏北，對(duì)廣西降雨不利。

3.6 廣西春旱年海溫場(chǎng)特征

圖9中給出的是廣西春旱年平均海溫距平合成場(chǎng)?？梢钥闯觯趶V西春旱年，阿拉伯海灣為顯著的正溫度距平區(qū)，孟加拉灣為正溫度距平區(qū)，南海海域?yàn)轱@著的負(fù)溫度距平區(qū)，印度洋澳大利亞西部和南部鄰海域?yàn)轱@著的負(fù)溫度距平區(qū)，南太平洋50°～70°S新西蘭島南部和東部海域?yàn)轱@著的正溫度距平區(qū)，赤道至15°N中太平洋海域?yàn)檎郎囟染嗥絽^(qū)，15°～30°N為負(fù)溫度距平區(qū)，與副高偏強(qiáng)一致，40°～60°N為正溫度距平區(qū)，與阿留申低壓偏弱一致，可見廣西春旱年海溫場(chǎng)與氣壓場(chǎng)具有較好地對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖8 春季平均海平面氣壓場(chǎng)(a)及廣西春旱年海平面氣壓距平合成場(chǎng)(b)

圖9 廣西春旱年海溫距平合成場(chǎng)(圖中陰影區(qū)為通過α=0.1顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域;單位:℃)

3.7 廣西春旱前期大氣環(huán)流信號(hào)分析

圖10中給出的是廣西春旱年前冬500 hPa高度(a)、海平面氣壓(b)及海溫(c)距平合成場(chǎng)。由圖10a可知，在廣西春旱年前冬，500 hPa西北太平洋上空為顯著的負(fù)距平區(qū)，阿拉伯半島－印度半島－孟加拉灣一帶為負(fù)距平區(qū)，貝加爾湖以西的中高緯歐亞大陸地區(qū)為顯著的正距平區(qū)，說明在廣西春旱年前冬，東亞大槽偏強(qiáng)，冷空氣南下活動(dòng)較頻繁。由圖10b可知，在廣西春旱年前冬，北太平洋地區(qū)為非常顯著的海平面氣壓負(fù)距平區(qū)，歐亞大陸中緯度地區(qū)、南海海域－華南一帶為海平面氣壓正距平區(qū)，說明在廣西春旱年前冬蒙古高壓偏強(qiáng)，阿留伸低壓也偏強(qiáng)，冷空氣活動(dòng)頻繁。由圖10c也可以看出，在廣西春旱年前冬，南海至東亞近海海域?yàn)轱@著的負(fù)溫度距平區(qū)，這與東亞冬季風(fēng)偏強(qiáng)有聯(lián)系，澳大利亞西部海域也是負(fù)溫度距平區(qū)。

圖10 廣西春旱年前冬距平合成場(chǎng)

此外，通過計(jì)算廣西春季無雨日序列與大氣環(huán)流指數(shù)的相關(guān)系數(shù)(表3)發(fā)現(xiàn)，春季無雨日與同春北半球極渦面積指數(shù)存在顯著的負(fù)相關(guān)，與3月亞洲極渦面積指數(shù)存在顯著的正相關(guān)，與3月亞洲緯向環(huán)流指數(shù)存在顯著的正相關(guān)，與前冬印緬槽指數(shù)存在顯著的正相關(guān)(圖11)。由此說明，當(dāng)前冬印緬槽偏弱時(shí)，廣西春季發(fā)生干旱的可能性較大。

表3 廣西春季無雨日與大氣環(huán)流指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

圖11 廣西春季無雨日(粗實(shí)線)與前冬印緬槽指數(shù)(細(xì)實(shí)線)年際變化曲線圖

4 結(jié)論與討論

通過分析廣西春旱的時(shí)空分布特征，以及廣西春旱年的大氣環(huán)流背景、前期大氣環(huán)流信號(hào)，主要得出以下結(jié)論:

(1)從時(shí)間分布來看，廣西春旱的趨勢(shì)變化不明顯，主要以年際、年代際變化為主，1990年代以前，廣西發(fā)生春旱較多，1990年代廣西未發(fā)生春旱，21世紀(jì)以后，廣西的春旱又有增加趨勢(shì);從空間分布來看，廣西春旱以全區(qū)一致性型為主要空間分布型。

(2)在春旱年，廣西上空有一個(gè)明顯的水汽通量距平輻散場(chǎng)，在850 hPa上空廣西處于偏南－西南氣流距平強(qiáng)輻散區(qū)中，在500 hPa上空廣西處于印緬槽前，同時(shí)東亞大槽偏弱，阿留申低壓明顯減弱，大陸高壓減弱，中高緯環(huán)流平直，不利于冷空氣南下華南。

(3)對(duì)廣西春旱大氣環(huán)流的一些前期信號(hào)分析表明:廣西春旱年前冬阿留申低壓明顯增強(qiáng)，大陸高壓也增強(qiáng)，冷空氣活動(dòng)頻繁，當(dāng)前冬印緬槽偏弱時(shí)，廣西春季發(fā)生干旱的可能性較大。

(4)關(guān)于廣西春旱的成因，本文僅從垂直積分水汽通量場(chǎng)、500 hPa高度場(chǎng)和垂直速度場(chǎng)、850 hPa u、v風(fēng)場(chǎng)和散度場(chǎng)、海平面氣壓場(chǎng)、海溫場(chǎng)及一些大氣環(huán)流指數(shù)等方面作了一些初步分析，對(duì)于海－氣和陸－氣相互作用對(duì)廣西干旱的影響及其機(jī)理，還有待在今后的工作中進(jìn)一步研究。

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