榮艷淑，鞏 琳，，盧壽德

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.黃河水利委員會中游水資源保護(hù)局，山西 晉中 030600)

干旱是一種影響大、范圍廣、危害深的頻發(fā)性和慢性的自然災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著人類社會生活和經(jīng)濟發(fā)展[1-4]。近年來，隨著全球氣候變暖，我國西南地區(qū)干旱事件增多、旱災(zāi)明顯加重[5-7]。特別是2009年以來，云南地區(qū)持續(xù)遭受干旱影響，連年干旱的疊加效應(yīng)使農(nóng)作物大面積減產(chǎn)甚至絕收，云南多處水庫塘壩干涸，山區(qū)群眾飲水和農(nóng)業(yè)灌溉困難，生態(tài)環(huán)境受到影響，經(jīng)濟損失嚴(yán)重[8-9]。

云南氣候獨特，干濕季節(jié)分明，雨季(5—10月)降水占全年降水總量的85%左右，而干季(11月—次年4月)降水只占15%左右，因此，云南冬春和初夏是最易發(fā)生干旱的季節(jié)[10]，干旱成因也有差異。2003年夏季和2006年夏季，云南都出現(xiàn)了嚴(yán)重干旱，高溫伴隨降水減少，使干旱影響日趨嚴(yán)重[11]。2009秋季到2010年春季，云南又出現(xiàn)了嚴(yán)重的秋、冬、春連續(xù)嚴(yán)重干旱[8]。云南楚雄地區(qū)更是連續(xù)5年干旱[7]，引起人們對云南地區(qū)持續(xù)性干旱成因的關(guān)注。

研究表明，云南冬季干旱主要與南支槽、孟加拉灣水汽輸送以及極渦、北極濤動(Arctic oscillation，AO)、北大西洋濤動(North Atlantic oscillation，NAO)異常有關(guān)[12-13]；云南夏季干旱主要與西太平洋副熱帶高壓、南亞高壓及亞洲夏季風(fēng)有關(guān)[14-15]；云南春季、秋季干旱多與西風(fēng)帶環(huán)流系統(tǒng)異常有關(guān)[16-18]。

目前研究多著眼于某個干旱事件，特別是針對2009—2010年秋冬季節(jié)云南干旱問題[8, 19]。實際上，始于2009年秋季的干旱并未終止，曾有人在2014年討論云南地區(qū)持續(xù)4年的干旱問題下[8]。這樣長的持續(xù)性干旱在云南歷史上有記載以來從未出現(xiàn)過，其形成原因值得深入探討。筆者擬對2009年開始的云南氣象和水文干旱進(jìn)行詳細(xì)討論，并就干旱成因進(jìn)行初步分析。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

云南省位于中國西南部，地形復(fù)雜多變，由西北部橫斷山區(qū)向東南部云貴高原過渡，海拔高度由5 000 m逐漸降低為1 000 m，氣候也由西北部的山地立體氣候，逐漸變?yōu)闁|北部亞熱帶季風(fēng)氣候和南部熱帶季風(fēng)氣候。云南省大部地區(qū)年降水量在1 100 mm左右，南部可達(dá)1 600 mm以上。但是，降水在時空分布上極不均勻，特別是干季降水量只占全年15%左右[10]，容易發(fā)生干旱。

1.2 數(shù)據(jù)來源

①逐月戴一帕爾默干旱強度指數(shù)(Dai Palmer Drought Severity Index，Dai-PDSI)數(shù)據(jù)。取自美國國家海洋和大氣管理局網(wǎng)站(http://www.esrl.noaa.gov/psd/)，水平分辨率為2.5°×2.5°，時間長度為1960—2014年。選取與云南省區(qū)域范圍最接近的16個格點數(shù)據(jù)(圖1)，以該區(qū)域的算術(shù)平均值作為云南地區(qū)的平均Dai-PDSI。②逐月流量數(shù)據(jù)。取流域內(nèi)溪洛渡、天一和糯扎渡3個水文站(圖1中的紅色五星)的月平均流量數(shù)據(jù)，均經(jīng)過還原計算，資料長度為1960—2014年。③美國環(huán)境預(yù)測中心(NCEP),美國國家大氣研究中心(NCAR)逐月再分析資料。選取了位勢高度、風(fēng)場、垂直速度、比濕、水汽通量等，高度從1 000 hPa到100 hPa，水平分辨率為2.5°×2.5°，時間長度與前兩類數(shù)據(jù)相同。④逐月降水?dāng)?shù)據(jù)。從中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)獲得云南省28個氣象站點(圖1中的空心圓)的逐月平均降水量數(shù)據(jù)，資料長度為1961—2014年。所有數(shù)據(jù)的氣候平均態(tài)時用1971—2000年平均值表示，距平用月值與氣候平均態(tài)的偏差表示。

圖1 云南區(qū)域格點、水文站點及氣象站點空間分布

2 研究指標(biāo)與研究方法

2.1 研究指標(biāo)

Dai-PDSI是Dai等[20]在帕爾默干旱指數(shù)(Palmer drought severity index,PDSI)基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的，是考慮了全球氣候變暖情況后的修正指數(shù)。徑流干旱指數(shù)(streamflow drought index，SDI)是依據(jù)Nalbantis等[21]的定義而計算的， SDI值有月、季、半年和年尺度的序列，分別用SDI1、SDI3、SDI6和SDI12表示。兩類干旱指標(biāo)的等級劃分見表1。

表1 Dai-PDSI和SDI對應(yīng)的干旱等級

2.2 研究方法

a. 應(yīng)用皮爾遜相關(guān)分析反映兩個隨機變量之間的線性相關(guān)關(guān)系。設(shè)有兩個變量x1，x2，…，xn和y1，y2，…，yn，兩個變量之間相關(guān)系數(shù)r的計算公式為

(1)

當(dāng)r的數(shù)值越接近±1，表示兩個序列的線性關(guān)系越好；越接近零，表示兩個序列的線性關(guān)系越不好。

b. 使用距平Pa和距平百分率Pf反映數(shù)據(jù)與平均值的差異，其中,Pa反映序列中某個數(shù)值與平均值的偏差，Pf反映序列中某個數(shù)值與平均值的偏離程度。其表達(dá)式為

Pa=Pi-Pm

(2)

Pf=(Pi-Pm)/Pm×100%

(3)

式中：Pi表示某序列中i時刻的數(shù)值；Pm為1971—2000年氣候基準(zhǔn)期的平均值。

c. 應(yīng)用合成分析方法對多個特定時段的氣象要素平均值進(jìn)行綜合分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 氣象干旱特征

3.1.1 時間演變特征

云南省區(qū)域平均Dai-PDSI隨時間變化情況見圖2。在1961—2014年(圖2(a))，云南干旱指標(biāo)顯示了3個階段性特征：①1960—1980年，干旱次數(shù)較少、間隔時間較長；②1990—2000年，干旱次數(shù)明顯增多、間隔明顯縮短；③2000年以后，干旱次數(shù)增多、強度增大、持續(xù)時間也明顯延長，特別是2009年以來，云南出現(xiàn)持續(xù)干旱。

從圖2(b)可以看到，2009年以來干旱迅速增強，在該年秋季達(dá)到極端干旱，在2011年春季干旱強度減弱為輕到中旱，之后干旱強度再次增大，達(dá)到重度和極端干旱。眾多文獻(xiàn)討論過2009年秋冬到2010年春季西南地區(qū)重大干旱過程[8-9，12-13，19-23]。但是，西南其他地區(qū)在2010年秋季以后干旱明顯緩解，然而，云南干旱僅僅程度略有減弱，干旱并未結(jié)束。以季節(jié)為時間尺度時，云南干旱存在幾個嚴(yán)重的干旱季節(jié)(圖2(c))，其中，2009年秋季和冬季、2010年春季和夏季、2012年夏季和秋季均達(dá)到特旱(Dai-PDSI值不大于-4)程度。因此，云南自2009年以來的干旱已達(dá)到最近60多年來罕見的程度。

(a) 1961—2014年

(b) 2009—2014年

(c) 2009—2014年季節(jié)變化

圖3 云南省逐月平均降水距平百分率的時間變化

圖3是云南省2009—2014年逐月降水量距平百分率的時間變化情況。圖3中僅有短暫幾個月出現(xiàn)接近和超過50%的降水距平百分率，與圖2(b)對比，可見這幾個月份恰恰是干旱程度略有減輕的時段。此外，其余各月降水基本為負(fù)距平百分率或很小的正距平百分率，表明降水減少是云南干旱持續(xù)和加重的主要原因。

3.1.2 空間演變特征

為了全面分析2009—2014年云南持續(xù)干旱的空間演變規(guī)律，從經(jīng)度-時間剖面圖和緯度-時間剖面圖(圖4)兩個角度分析云南干旱的空間演變規(guī)律。從東西方向上看(圖4(a))，2009年夏季云南東、西兩側(cè)旱情嚴(yán)重、中部稍弱。2009年秋季開始，干旱從云南東西兩側(cè)向中間擴展，并逐漸在全省漫延。從2010年秋季開始，云南西部旱情略有緩解，但是，東部仍存在極端干旱。2011年冬季開始，重旱到極端干旱在全省漫延，東部在2014年干旱略有緩解。從南北方向上看(圖4(b))，2009年春季到夏季，北部有輕到中旱，2009年冬季到2010年夏季，極端干旱從北部貫穿到南部。2010年冬季到2011年春季，干旱程度減輕。但是，從2011年夏季開始，極端干旱區(qū)集中在中北部(23°N～29°N)，云南南部稍有減輕。

(a) 經(jīng)度-時間剖面(21°N～29°N平均)

(b) 緯度-時間剖面(98°E～106°E平均)

縱觀2009—2014年云南干旱在空間上的演變可以發(fā)現(xiàn)，云南極端干旱呈現(xiàn)中心不固定、中部和東北部干旱最重、東南部干旱稍輕的特點。

3.2 水文干旱特征

云南境內(nèi)分布著眾多水域及河流，氣象干旱出現(xiàn)的同時，很多池塘、小河干涸，流域水位下降，這是水文干旱的表現(xiàn)。為了解云南水文干旱的程度，以金沙江、南盤江及瀾滄江的控制流域為界，將云南省大致分成北部、東部和西部3個區(qū)域，北部歸為金沙江流域，代表站取溪洛渡；東部歸為南盤江流域，代表站取天一；西部歸為瀾滄江流域，代表站取糯扎渡。利用以這3個代表站的SDI值，分析水文干旱的演變過程。

圖5是3個水電站SDI值和3個區(qū)域Dai-PDSI值在2009—2014年期間的演變過程。云南北部(圖5(a))、云南東部(圖5(b))和云南西部(圖5(c))穩(wěn)定地形成氣象干旱的時間分別是2009年2月、2009年7月和2008年4月，溪洛渡、天一和糯扎渡SDI達(dá)到水文干旱標(biāo)準(zhǔn)的時間分別是2009年5月、2009年7月和2008年12月。在時間響應(yīng)上，云南北部金沙江和西部瀾滄江的水文干旱滯后于氣象干旱，云南東部的南盤江水文干旱幾乎與氣象干旱同時出現(xiàn)。在強度上，云南北部金沙江和東部南盤江超過53%的月份水文干旱達(dá)到了重旱和特旱的強度，云南西部瀾滄江的水文干旱只有中等強度。

(a) 北部，溪洛渡

(b) 東部，天一

(c) 西部，糯扎渡

因此，云南氣象干旱出現(xiàn)時，水文干旱相伴而生。3個水電站的水文干旱過程與氣象干旱均有一致的演變規(guī)律，但是，水文干旱強度略低于氣象干旱，這可能與水電站用水庫水量調(diào)節(jié)河道水量損失、使流域水文響應(yīng)強度下降有一定關(guān)系。

3.3 干旱成因分析

干旱形成的表面原因是降水減少，根本原因是大氣環(huán)流異常。云南自2009年進(jìn)入干旱狀態(tài)，到2014年仍未顯示終止的跡象。

3.3.1 夏季環(huán)流異常

由圖2(c)可知，2009—2014年持續(xù)干旱過程中，夏季干旱很嚴(yán)重。圖6給出了2009—2014年逐月500 hPa和100 hPa平均位勢高度和距平的時間-經(jīng)度剖面圖，在這兩個高度層可以清楚地看到西太平洋副熱帶高壓和青藏高壓的演變過程。

在圖6(a)中，2010年、2013和2014年夏季西太平洋副高(5 880 gpm等值線)的西邊界均顯著超過平均位置(130°E)，西太平洋副高面積也明顯大于平均值，這是對流層中層西太平洋副高顯著增強的標(biāo)志。2009年夏季和2012年夏季，西太平洋副高西伸較少，但是，90°E—110°E區(qū)域內(nèi)仍有位勢高度升高現(xiàn)象，表明那里可能受較強的大陸高壓控制。只有2011年夏季西太平洋副高沒有向西擴張，但是，該年春季和秋季太平洋副高面積和強度顯著增強、西伸較大，表明西太平洋副高只在夏季有短暫減弱，其他季節(jié)仍然很強。對流層頂層的青藏高壓(16 800 gpm等值線)中心基本在90°E以西(圖6(b))，因此，它是西部型青藏高壓。錢永甫等[20]的研究表明，西部型青藏高壓可控制中國105°E以西的廣大地區(qū)，使那里盛行下沉氣流，降水顯著減少。

(a)500 hPa(取15°N～30°N平均)

(b) 100 hPa(取25°N～35°N平均)

因此，對流層中層持續(xù)被增強的西太平洋副高控制，對流層高層受青藏高壓影響，對流層中層和上層持續(xù)在下沉氣流控制下，均不利于形成降水，這可能是云南這幾年夏季干旱嚴(yán)重的原因之一。

3.3.2 冬季環(huán)流異常

2009—2014年多個冬季干旱也非常嚴(yán)重。在云南，冬季天氣形勢中南支槽占有重要地位。圖7給出了2009—2014年冬季700 hPa位勢高度、相對渦度和水汽通量距平的空間分布圖，圖7中黑色粗線代表高空槽，其中，孟加拉灣北部的槽就是南支槽，云南北部的槽是西風(fēng)帶氣流從青藏高原北側(cè)繞流后在高原東南側(cè)形成的槽，稱為高原東側(cè)槽。為了解南支槽的強度，可使用文獻(xiàn)[23]的方法，計算南支槽的強度指數(shù)。

2009—2010年冬季是云南干旱最嚴(yán)重的冬季，南支槽和高原東側(cè)槽均存在，但是，南支槽強度指數(shù)顯著偏弱，槽區(qū)只有向西的水汽通量距平，水汽只集中在南支槽區(qū)附近，并沒有向云南輸送。在這種形勢下，云南冬季降水顯著偏少。在2011/2012、2012/2013、2013/2014和2014年秋冬季，云南干旱均為重旱程度。這幾個冬季中，南支槽或者很弱，或者不存在，水汽不能在云南地區(qū)匯集。2010/2011冬季云南干旱為中等程度，在圖7中，該冬季南支槽有一定的強度，但是，槽區(qū)只有來自西風(fēng)帶的水汽通量距平，并未出現(xiàn)來自孟加拉灣或南海的水汽通量，因此，這個冬季降水仍然顯著偏少。

因此，云南地區(qū)連續(xù)多個冬季南支槽偏弱，無法在槽前形成穩(wěn)定的西南水汽輸送氣流，不利于降水形成，這可能是導(dǎo)致冬季降水偏少的原因之一。

3.3.3 垂直運動與水汽條件異常

圖8和圖9分別是云南氣候基準(zhǔn)期的垂直速度和比濕速度-時間剖面圖，圖10和圖11分別是2009—2014年垂直速度距平和比濕距平的高度—時間剖面圖。云南平均海拔在2 000 m左右，因此，圖8- 11給出了700 hPa以上的高度-時間剖面圖。

云南4—11月垂直運動以上升運動(垂直速度為負(fù)值)為主(圖8)；12月—至次年3月600 hPa以上的高空基本為下沉運動(垂直速度為正值)，只在600 hPa以下的薄層中有較小的上升運動。在2009—2014年期間(圖10)，云南的垂直速度基本以正距平為主，鮮有負(fù)距平，只在2009年春季、2012年夏季、2013年春季和2014年春季到夏季出現(xiàn)較小的負(fù)距平，表明這一時期云南地區(qū)的上升運動變得很弱，或者下沉運動增強，對降水非常不利。

(a) 2009/2010冬季

(b) 2010/2011冬季

(c) 2011/2012冬季

(d) 2012/2013冬季

(e) 2013/2014冬季

(f) 2014冬季

圖7 2009—2014年冬季700 hPa位勢高度、相對渦度和水汽通量距平空間分布(單位：g·m·kg-1·s-1)

在氣候基準(zhǔn)期中云南地區(qū)夏季比濕最大(圖9)，比濕可伸展到對流層上層，其余季節(jié)比濕較小，而且更多集中在對流層中下層。在2009—2014年(圖11)，從對流層低層到高層，多數(shù)時間內(nèi)比濕為負(fù)距平，只有短暫時間出現(xiàn)比濕正距平。因此，在2009—2014年，云南上空的大氣濕度顯著減少，也不利于形成降水。

4 結(jié) 論

a. 云南省自1961年以來，干旱過程越來越多，干旱間隔越來越短，2009—2014年成為云南歷史上有記載以來干旱持續(xù)時間最長、極端干旱月數(shù)最多、干旱強度最大的一個干旱期。從年尺度上看2010年是最干旱的一年；從季節(jié)尺度上看，2010年夏季干旱最重，2009/2010年冬季干旱次之；從月尺度上看，2010年8月是最旱的月份。從空間分布上看，干旱從云南東西兩側(cè)向中部發(fā)展，2011年以后，干旱穩(wěn)定在中東部，因此，云南中東部旱情最重，東南部干旱稍輕。

b. 云南境內(nèi)的金沙江、南盤江及瀾滄江所控制的流域在2009—2014年期間均發(fā)生水文干旱，金沙江和南盤江出現(xiàn)重度水文干旱，瀾滄江出現(xiàn)中度水文干旱，水文干旱強度弱于氣象干旱。

c. 2009—2014年期間夏季干旱是西太平洋副高和青藏高壓共同影響的結(jié)果。在它們的雙重控制下，多個夏季云南地區(qū)盛行下沉氣流，不利于降水形成，垂直運動也證實了這一結(jié)論。

d. 在2009—2014年期間多個冬季南支槽顯著減弱或消失，無法引導(dǎo)孟加拉灣水汽向云南輸送，也無明顯水汽在云南匯集。大氣比濕的垂直分布也證實了云南地區(qū)大氣干燥，水汽含量很少。

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