嚴(yán)小冬,李 揚(yáng),夏 陽(yáng),胡躍文,楊春艷

(1.貴州省氣象局，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.貴陽(yáng)市氣象局，貴州 貴陽(yáng) 550001；3.貴州省六盤水市氣象局， 貴州 六盤水 553001；4.貴州省黔西南自治州氣象局，貴州 興義 562400)

1 引言

干旱是一種影響大、范圍廣、危害大且頻發(fā)的慢性自然災(zāi)害[1-2]。近年來，隨著全球氣候變暖，我國(guó)西南地區(qū)干旱事件增多、干旱強(qiáng)度增大，嚴(yán)重威脅著人類社會(huì)生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。李韻婕等[3]利用區(qū)域性極端事件客觀識(shí)別法(OITREE)和綜合氣象干旱指數(shù)(CI)對(duì)西南地區(qū)開展了區(qū)域性氣象干旱時(shí)間識(shí)別研究，并對(duì)西南地區(qū)的區(qū)域性干旱事件的特征進(jìn)行了分析；韓蘭英等[4]利用西南地區(qū)60多年干旱災(zāi)情資料，通過計(jì)算干旱受災(zāi)率、成災(zāi)率、絕收率和綜合損失率等，分析了中國(guó)西南地區(qū)干旱災(zāi)害規(guī)律特點(diǎn)并對(duì)成因進(jìn)行了探討。以上研究均表明，西南地區(qū)區(qū)域性干旱事件頻次、范圍、強(qiáng)度均呈增加趨勢(shì)。榮艷淑等[5]基于戴-帕爾默干旱強(qiáng)度指數(shù)(Dai-PDSI)和徑流干旱指數(shù)(SDI)分析了云南地區(qū)2009—2014年持續(xù)性氣象干旱與水文干旱時(shí)空演變的特征，并從西太平洋副熱帶高壓、青藏高壓、南支槽等視角，分析了云南持續(xù)干旱的原因。黃榮輝等[6]則從熱帶西太平洋和熱帶印度洋熱力異常對(duì)熱帶西太平洋和南亞上空大氣環(huán)流的影響方面分析了西南地區(qū)2009年秋季到2010年春季干旱發(fā)生的原因。胡學(xué)平等[7]利用多種資料從大尺度大氣環(huán)流、水汽輸送、太平洋及印度洋海溫、平流層極渦等方面分析了2009年以來西南地區(qū)連續(xù)4 a秋、冬、春季出現(xiàn)嚴(yán)重干旱的原因，發(fā)現(xiàn)南支槽強(qiáng)度偏弱、孟加拉灣水汽輸送偏少以及弱極渦背景下，異常波活動(dòng)造成的AO負(fù)異常引起的冷空氣路徑偏東是西南地區(qū)持續(xù)干旱的共同特點(diǎn)，這與池再香等[8]關(guān)于2009—2010年西南地區(qū)秋冬春三季連旱成因的研究結(jié)論較為一致。

貴州省地處中國(guó)西南腹地，屬高原山地地貌，呈西高東低之勢(shì)，全省地貌以山地和丘陵為主，境內(nèi)山脈眾多，綿延縱橫。貴州省氣候溫暖濕潤(rùn)，屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，由于受地理位置和地形的影響，氣候垂直差異十分明顯。貴州省作為干旱發(fā)生頻率較高的地區(qū)之一，頻繁發(fā)生的干旱事件給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活帶來了嚴(yán)重影響，制約了地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。總結(jié)前人研究發(fā)現(xiàn)[9-12]，對(duì)于貴州省的干旱研究多著眼于某個(gè)干旱事件或某個(gè)區(qū)域，缺乏對(duì)全省持續(xù)性干旱事件特征及成因的研究和討論。因此，本研究利用合成分析方法從水汽輸送、水平環(huán)流、垂直環(huán)流、海溫等方面深入研究該地區(qū)持續(xù)性干旱的特征以及成因，有利于加強(qiáng)對(duì)貴州干旱的認(rèn)識(shí)，提高貴州持續(xù)性干旱事件的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)水平，為防御干旱災(zāi)害提供科學(xué)決策依據(jù)。

2 資料與方法

2.1 資料

本研究所用資料包括：①貴州省氣象局提供的1961—2016年貴州省地面氣象觀測(cè)降水資料；②ERSST全球月平均海溫資料，水平分辨率為2°×2°，來源于美國(guó)NOAA網(wǎng)站；③NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)集，包括風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、高度場(chǎng)、地面氣壓、比濕等要素，水平分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向分為17層；④國(guó)家氣候中心提供的環(huán)流特征量資料。

本研究季節(jié)采用氣象學(xué)上的季節(jié)劃分，3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—翌年2月為冬季。

2.2 方法

本研究將持續(xù)性干旱事件定義為月降水距平百分率小于-15%且持續(xù)3～4個(gè)月或持續(xù)5個(gè)月及以上(其中可以有1個(gè)月大于-15%而且小于20%)，累積降水距平百分率小于-120%且月平均降水距平百分率小于-30%。持續(xù)干旱事件的強(qiáng)度用累積降水距平百分率表示。為便于年代際變化分析，本研究采用各年代所用持續(xù)性干旱事件累積距平百分率之和，量化表征各年代的持續(xù)性干旱的強(qiáng)度。除此以外，研究采用了合成分析方法對(duì)貴州省連續(xù)性干旱時(shí)期的氣象要素進(jìn)行了分析，多角度揭示貴州省連續(xù)干旱的成因。

3 持續(xù)干旱事件的時(shí)間演變特征

1961—2016年貴州省共發(fā)生19次持續(xù)性干旱事件，如表1所示。其中，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的為2009年5月開始的一次事件，持續(xù)長(zhǎng)達(dá)13個(gè)月。從年代際統(tǒng)計(jì)特征來看(圖1)，20世紀(jì)90年代是持續(xù)性干旱事件發(fā)生最少的時(shí)段，20世紀(jì)60年代和本世紀(jì)初是最多的時(shí)段。四個(gè)季節(jié)中，冬旱、春旱發(fā)生次數(shù)最多，秋旱其次，夏旱最少，但本世紀(jì)以來秋旱有增加的趨勢(shì)。

表1 全省19次干旱事件的出現(xiàn)時(shí)間、持續(xù)月數(shù)、累積距平 百分率及月平均降水距平百分率Tab.1 Time of occurrence, duration of months, percentage of cumulative anomaly and percentage of monthly average precipitation anomaly of 19 drought events in Guizhou province

圖1 1961—2016年貴州省19次持續(xù)性 干旱事件年代際統(tǒng)計(jì)特征Fig.1 Inter-decadal statistical characteristics of 19 persistent drought events from 1961 to 2016 in Guizhou Province

4 持續(xù)性干旱成因分析

為探究貴州省1961—2016年持續(xù)性干旱的成因，本研究對(duì)貴州省歷年共19次干旱事件的同期有關(guān)氣象要素距平進(jìn)行合成分析，包括水汽輸送、水平環(huán)流、垂直環(huán)流、前期海溫等。

4.1 水汽輸送異常

為分析在貴州發(fā)生持續(xù)性干旱事件時(shí)的水汽輸送差異，下文分別給出了貴州持續(xù)性干旱時(shí)期中國(guó)南方地區(qū)700 hPa及整層大氣積分的水汽通量、水汽通量散度的合成(圖2)。

圖2 東亞地區(qū)700 hPa(a)與整層大氣積分(b)的水汽通量(箭頭)、水汽通量散度(陰影)異常分布Fig.2 Anomalous distribution of water vapor flux (arrow) and water vapor flux divergence (shadow) of 700 hPa (a) and atmospheric integral (b) over East Asia

由圖2可見，無(wú)論是700 hPa還是整層大氣，在孟加拉灣北部存在較弱異常反氣旋式環(huán)流，南海地區(qū)存在異常氣旋式環(huán)流。眾所周知，貴州的水汽主要來源于孟加拉灣氣旋式環(huán)流所帶來的偏西或西南氣流，以及南海地區(qū)沿副熱帶高壓西側(cè)輸送的偏南氣流，但孟加拉灣反氣旋東側(cè)的偏北氣流和南海氣旋北部的東北氣流阻斷了常年向貴州輸送的水汽通道，使得當(dāng)?shù)厝鄙俳邓匦璧乃麠l件。而在水汽通量散度的分布中可見，除整層大氣積分的水汽通量散度圖上的貴州南部邊緣地區(qū)外，貴州大部地區(qū)存在較弱的水汽通量輻散。因此，水汽來源的減少加上水汽通量輻散，使得貴州地區(qū)的降水異常偏少，從而發(fā)生持續(xù)性干旱事件。

4.2 水平環(huán)流異常

從對(duì)流層高層200 hPa的水平風(fēng)場(chǎng)的異常分布(圖3a)上可見，東亞地區(qū)的中低緯高層大氣中存在異常反氣旋式環(huán)流，此異常反氣旋覆蓋了包含孟加拉灣北部、南海和貴州在內(nèi)的我國(guó)大部地區(qū)，而在貝加爾湖以北的中西伯利亞地區(qū)的高層大氣則表現(xiàn)出異常氣旋式環(huán)流，兩個(gè)異常環(huán)流系統(tǒng)之間存在一條異常西風(fēng)帶，此異常西風(fēng)帶加強(qiáng)了常年在東亞中緯度地區(qū)盛行的西風(fēng)急流，與此同時(shí)減弱了該地區(qū)的經(jīng)向環(huán)流，使冷空氣活動(dòng)更多地集中在高緯地區(qū)。從散度的分布上亦可發(fā)現(xiàn)，異常西風(fēng)的南側(cè)，我國(guó)南方地區(qū)基本無(wú)明顯輻合。

圖3 東亞地區(qū)200 hPa風(fēng)場(chǎng)與散度(a)、500 hPa風(fēng)場(chǎng) 與700 hPa垂直速度(b)以及700 hPa風(fēng)場(chǎng)與散度(c) 的異常分布，箭頭為風(fēng)場(chǎng)，陰影為散度和垂直速度Fig.3 Anomalous distribution of 200 hPa wind field and divergence (a), 500 hPa wind field and 700 hPa vertical velocity (b) and 700 hPa wind field and divergence (c) in East Asia. The arrow is wind, and the shadow is divergence and vertical velocity

對(duì)流層中層500 hPa(圖3b)和低層700 hPa(圖3c)的風(fēng)場(chǎng)異常分布與高層相似，呈現(xiàn)出當(dāng)?shù)厣峡沾髿獾臏?zhǔn)正壓結(jié)構(gòu)特征，只是對(duì)流層中層500 hPa上環(huán)流較弱。中層貝加爾湖地區(qū)均受中心較弱的異常氣旋式環(huán)流控制，整個(gè)孟加拉灣處于較弱的異常反氣旋的控制之下，常年活躍在孟灣地區(qū)南支槽明顯減弱，阻斷了貴州地區(qū)的西路水汽通道；南海處于較弱的異常氣旋式環(huán)流控制下，副熱帶高壓明顯減弱，阻斷了貴州地區(qū)的南路水汽通道，這與水汽通量的異常分布形成較好的對(duì)應(yīng)。在700 hPa垂直速度(圖3b)的異常分布中，貴州地區(qū)為下沉運(yùn)動(dòng)控制區(qū)，配合當(dāng)?shù)厣峡盏蛯哟髿馊醯妮椛?，不利于降水的形成，促進(jìn)貴州持續(xù)性干旱事件的形成。

圖4給出了歐亞地區(qū)200 hPa緯向風(fēng)(圖4a)及500 hPa位勢(shì)高度的異常分布(圖4b)。由圖可見，對(duì)于高層(200 hPa)，歐亞地區(qū)中高緯呈現(xiàn)出經(jīng)向的“低高低”的位勢(shì)高度異常分布特征，正異常中心位于高緯上空和伊朗高原—青藏高原西部上空，負(fù)值中心則位于三海(黑海、里海和咸海)北側(cè)—蒙古地區(qū)，與其對(duì)應(yīng)的氣候態(tài)分布相比可知，歐亞中高緯地區(qū)高層的經(jīng)向環(huán)流有所減弱，冷空氣強(qiáng)度偏強(qiáng)但偏北，南下影響南方地區(qū)頻次減少。在中層(500 hPa)，歐亞地區(qū)中高緯呈現(xiàn)出“西高東低”的位勢(shì)高度異常分布特征，正異常中心位于烏拉爾山西部，負(fù)值中心則位于貝加爾湖地區(qū)，且二者的中心值均超過了±15 gpm，與500 hPa位勢(shì)高度的氣候態(tài)分布相比可知，歐亞中高緯地區(qū)的經(jīng)向環(huán)流有所加強(qiáng)，冷空氣頻率異常偏多。與此形成鮮明對(duì)比的是，中低緯度地區(qū)副熱帶高壓的強(qiáng)度卻有所減小，表明副高位置異常偏東偏南，強(qiáng)度異常偏弱，且由于冷空氣更多地集中在中高緯地區(qū)活動(dòng)，使得貴州當(dāng)?shù)氐慕邓畻l件較差，極易導(dǎo)致干旱的發(fā)生。

4.3 冷空氣活動(dòng)的異常分布

從海平面氣壓的異常分布(圖5a)中可見，與500 hPa位勢(shì)高度所反映的結(jié)果相一致，烏拉爾山以西地區(qū)受到異常位勢(shì)高度正異常的影響，地面為明顯異常冷高壓所控制，正異常中心值超過了2.5 hPa，表明冷空氣強(qiáng)度大且活動(dòng)頻繁。而在包括貴州在內(nèi)的中國(guó)西部廣大地區(qū)則為海平面氣壓的負(fù)異常控制區(qū)，溫度高，降水少。從500 hPa的異常氣溫分布(圖5b)亦可證實(shí)上述結(jié)論，中國(guó)以北的東北亞地區(qū)存在范圍較大的氣溫負(fù)異常中心，負(fù)值中心超過了-0.6 ℃，而包含貴州在內(nèi)的中國(guó)南方則為氣溫的正異常區(qū)域。

4.4 垂直環(huán)流異常

為進(jìn)一步明確貴州地區(qū)發(fā)生持續(xù)性干旱事件時(shí)降水異常偏少的成因，對(duì)經(jīng)過貴州的經(jīng)向環(huán)流和緯向環(huán)流的異常分布特征(圖6)進(jìn)行了合成分析，以了解貴州地區(qū)上空在發(fā)生干旱事件時(shí)的垂直環(huán)流特征。

圖4 歐亞地區(qū)200 hPa緯向風(fēng)(a)及500 hPa位勢(shì)高度(b)的異常分布，等值線為氣候態(tài)，陰影為距平Fig.4 Anomalous distributions of 200 hPa zonal wind (a) and 500 hPa geopotential height (b) in Eurasia. The isoline is climatic and the shadow is anomalous

圖5 歐亞地區(qū)海平面氣壓(a)及500 hPa氣溫(b)的異常分布，等值線為氣候態(tài)，陰影為距平Fig.5 anomalous distribution of SLP (a) and temperature (b) at 500 hPa in Eurasia. The isoline is climatic and the shadow is anomalous

圖6 貴州省上空的緯向環(huán)流(a)和經(jīng)向環(huán)流(b)異常分布，流線表示垂直環(huán)流， 陰影為垂直速度，圖中垂直速度的量級(jí)已人為放大100倍Fig.6 anomalous distribution of zonal circulation (a) and meridional circulation (b) over Guizhou Province.The streamline represents the vertical circulation, and the shadow is the vertical velocity.The magnitude of the vertical velocity in theFigure is enlarged 100 times

從25°～29°N平均的緯向環(huán)流異常分布(圖6a)可見，孟加拉灣地區(qū)的中低空存在一個(gè)垂直環(huán)流中心，除了在其北部地區(qū)存在明顯的上升運(yùn)動(dòng)，整個(gè)中國(guó)的南方地區(qū)整層大氣均受到明顯的異常下沉氣流的控制，其中在華中地區(qū)上空700～300 hPa高度存在下沉運(yùn)動(dòng)的極值中心，中心強(qiáng)度達(dá)到1.2×10-2Pa/s。而在104°～109°E平均的徑向環(huán)流異常分布(圖6b)中，我國(guó)南方地區(qū)整層大氣均受下沉運(yùn)動(dòng)控制，在貴州南部地區(qū)上空550～400 hPa的高度存在中心強(qiáng)度超過1.2×10-2Pa/s的下沉運(yùn)動(dòng)極值中心。這樣的垂直運(yùn)動(dòng)配置使得貴州地區(qū)高溫少雨，形成持續(xù)性干旱事件。

4.5 前期海溫

過去的研究表明，海溫通過海氣相互作用影響大氣環(huán)流的異常變化從而對(duì)區(qū)域氣候特征產(chǎn)生影響，但海溫對(duì)大氣環(huán)流的影響有一定的滯后作用。因此，這里對(duì)過去貴州省19次持續(xù)性干旱事件發(fā)生前期1～8個(gè)月的海溫距平進(jìn)行了合成分析(圖7)，以期尋找與貴州干旱事件可能存在聯(lián)系的海溫關(guān)鍵區(qū)和影響時(shí)段。

圖7 貴州省干旱發(fā)生前期1—8個(gè)月的全球中低緯度地區(qū)海溫異常分布特征(陰影，單位：℃)Fig.7 Characteristics of distribution of SST anomalies in the middle and low latitude of the globe (shadows, unit: C) during the first 1—8 months of drought in Guizhou Province

在貴州省持續(xù)性干旱事件發(fā)生前第8個(gè)月，除了在北半球太平洋中部、千島群島和美國(guó)東南部洋面存在明顯的海溫正距平之外，其余地區(qū)基本呈現(xiàn)海溫負(fù)距平，其中在美國(guó)西海岸陽(yáng)面、南太平洋中部以及印度洋西南部的海溫負(fù)距平值超過了0.5 ℃，形成東太平洋的拉尼娜現(xiàn)象。隨著時(shí)間推移，在貴州干旱事件發(fā)生前7—1個(gè)月，北半球太平洋中部海溫正距平逐步向西向北發(fā)展，強(qiáng)度增強(qiáng)，后期中心強(qiáng)度值超過了0.4 ℃。由于西北太平洋海溫正距平的發(fā)展，我國(guó)東部海域海溫負(fù)距平在前期逐漸減弱，后期迅速發(fā)展加強(qiáng)，在干旱事件發(fā)生前第1個(gè)月時(shí)，我國(guó)東部海域海溫的負(fù)距平中心值超過了0.5 ℃。此外，大西洋海域的海溫由前期的正距平逐漸向負(fù)距平發(fā)展，東太平洋的海溫負(fù)距平逐漸減弱東退，東太平洋的拉尼娜現(xiàn)象減弱。

總體來說，東太平洋的拉尼娜現(xiàn)象、北太平洋以及北大西洋地區(qū)的海溫異常分布對(duì)貴州持續(xù)性干旱事件的發(fā)生有密切聯(lián)系。上述地區(qū)的海溫異常亦可為貴州持續(xù)性干旱事件的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)提供線索。

5 結(jié)論

本研究利用合成分析方法對(duì)1961—2016年貴州省持續(xù)干旱事件的變化特征進(jìn)行分析，并從多種角度(包括水汽輸送、大氣環(huán)流、水平環(huán)流、垂直環(huán)流、前期海溫等)討論了貴州省持續(xù)性干旱事件的成因，得到以下結(jié)論：

①1961—2016年貴州省共發(fā)生19次持續(xù)性干旱事件。從年代際統(tǒng)計(jì)特征來看，20世紀(jì)90年代是持續(xù)性干旱事件發(fā)生最少的時(shí)段，20世紀(jì)60年代和本世紀(jì)初是最多的時(shí)段。四個(gè)季節(jié)中，冬旱、春旱發(fā)生次數(shù)最多，秋旱其次，夏旱最少，但本世紀(jì)以來秋旱有增加的趨勢(shì)。

②孟加拉灣北部存在較弱異常反氣旋式環(huán)流，南海地區(qū)存在異常氣旋式環(huán)流。孟加拉灣反氣旋東側(cè)的偏北氣流和南海氣旋北部的東北氣流阻斷了常年向貴州輸送的水汽通道，且除貴州南部邊緣地區(qū)外，大部分地區(qū)存在較弱的水汽通量輻散，使得貴州地區(qū)降水異常偏少。

③東亞地區(qū)中低緯高層大氣中存在異常反氣旋式環(huán)流，貝加爾湖以北的中西伯利亞地區(qū)的高層大氣存在異常氣旋式環(huán)流，兩個(gè)異常環(huán)流系統(tǒng)之間存在一條異常西風(fēng)帶，此異常西風(fēng)帶加強(qiáng)常年在東亞中緯度地區(qū)盛行的西風(fēng)急流，減弱了該地區(qū)的經(jīng)向環(huán)流，使冷空氣集中在高緯地區(qū)。此外，常年活躍在孟加拉灣地區(qū)的南支槽明顯減弱，副熱帶高壓明顯減弱，加上異常垂直環(huán)流中貴州地區(qū)受到顯著的下沉運(yùn)動(dòng)控制，不利于當(dāng)?shù)亟邓男纬伞?/p>

④貴州持續(xù)性干旱事件與東太平洋拉尼娜現(xiàn)象、北太平洋以及北大西洋地區(qū)的海溫異常分布存在密切關(guān)系。在干旱事件發(fā)生前第8個(gè)月，除了在北半球太平洋中部、千島群島和美國(guó)東南部洋面存在明顯的海溫正距平之外，其余地區(qū)基本呈現(xiàn)海溫負(fù)距平；在前7—1個(gè)月，北半球太平洋中部海溫正距平逐步向西向北發(fā)展，強(qiáng)度增強(qiáng)，我國(guó)東部海域海溫負(fù)距平在前期逐漸減弱，后期迅速發(fā)展加強(qiáng)，在前第1個(gè)月時(shí)，我國(guó)東部海域海溫的負(fù)距平中心值超過了0.5 ℃。此外，大西洋海域的海溫由前期的正距平逐漸向負(fù)距平發(fā)展，東太平洋的海溫負(fù)距平逐漸減弱東退。