張順謙 王春學(xué) 甘薇薇

（1 中國氣象局成都高原氣象研究所/高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610071； 2 四川省氣候中心，成都 610071）

0 引言

春旱是四川常發(fā)的一種氣象災(zāi)害，嘉陵江以西龍泉山以東的地區(qū)有70%以上的年份都會發(fā)生春旱[1]。嚴(yán)重的春旱常給四川社會經(jīng)濟(jì)造成重大損失，如1999年四川盆地發(fā)生的嚴(yán)重春旱，造成糧食減產(chǎn)3.5×108kg，6.563×106人飲水困難[2]。再如2009年秋至2010年春，攀西地區(qū)發(fā)生了50年不遇的秋冬春連旱，造成1.4×108m2農(nóng)作物絕收，6.3×105人飲水困難。因此，加強(qiáng)四川春旱形成機(jī)理研究，提高春旱預(yù)測能力，對于減輕干旱造成的損失有重要意義。

青藏高原通過熱力作用對周圍及鄰近地區(qū)的大氣環(huán)流、天氣氣候產(chǎn)生影響[3]。夏季青藏高原近地面層為熱低壓，冬季為冷高壓，與此氣壓系統(tǒng)相適應(yīng)，在高原周圍存在一冬夏盛行風(fēng)向相反的季風(fēng)層，這就是青藏高原季風(fēng)[4]（以下簡稱高原季風(fēng)）。高原季風(fēng)指數(shù)是反映高原季風(fēng)強(qiáng)弱的指標(biāo)，湯懋蒼等[5]從高度場出發(fā)首次定義了高原季風(fēng)指數(shù)TPMI（Traditional Plateau Monsoon Index），Xun等[6]通過引入高原近地層氣壓系統(tǒng)中心位置參數(shù)對TPMI進(jìn)行修正，以此定義了一個(gè)動態(tài)高原季風(fēng)指數(shù)DPMI（Dynamic Plateau Monsoon Index），齊冬梅等[7]、田俊等[8]從風(fēng)場出發(fā)，根據(jù)高原南北兩側(cè)緯向風(fēng)差異定義了一個(gè)高原夏季風(fēng)指數(shù)ZPMI（Zonal Wind Plateau Monsoon Index），周懿等[9]根據(jù)600 hPa散度場高原主體區(qū)冬夏季輻散輻合相反的特性，從散度場出發(fā)定義了一個(gè)高原季風(fēng)指數(shù)Div_PMI（Divergence Plateau Monsoon Index），王穎等[10]和龐軼舒等[11]從高原季風(fēng)環(huán)流角度出發(fā)定義高原季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)。這些指數(shù)從不同側(cè)面反映了高原季風(fēng)的特征，對高原季風(fēng)都具有一定的表征能力，但由于定義角度和應(yīng)用目的不同，所反映出的高原冬夏季風(fēng)相對強(qiáng)弱、轉(zhuǎn)換時(shí)間等不盡相同，與四川春旱的相關(guān)程度也有較大差異。

高原季風(fēng)異常引起大氣環(huán)流發(fā)生改變，對我國及高原地區(qū)天氣氣候產(chǎn)生影響。白虎志等[12-13]研究發(fā)現(xiàn)，夏季青藏高原高度場指數(shù)與同期我國降水相關(guān)分布從華北到華南呈“-+-”東西向帶狀分布，冬季高原高壓強(qiáng)度指數(shù)與同期我國氣溫均為正相關(guān)。馬振峰等[14-16]研究指出，當(dāng)高原夏季風(fēng)偏強(qiáng)（弱）時(shí)，熱帶海溫表現(xiàn)為拉尼娜（厄爾尼諾）特征，南亞高壓也偏強(qiáng)（弱），位置偏北偏東（偏南偏西）。周娟等[17]分析發(fā)現(xiàn)，在高原夏季風(fēng)強(qiáng)年，高原中、東（西）部降水多（少），氣溫高（低），而弱季風(fēng)年，則與之相反。齊玉磊等[18]分析發(fā)現(xiàn)高原夏季風(fēng)異常與中東亞干旱半干旱區(qū)夏季降水異常有關(guān)。王穎等[19]、齊冬梅等[20]發(fā)現(xiàn)高原冬季風(fēng)對西南地區(qū)冬季氣溫有著一致影響，當(dāng)高原冬季風(fēng)偏強(qiáng)（弱）時(shí)，西南地區(qū)冬季氣溫一致偏高（低）。羅雯等[21]分析了高原冬季風(fēng)強(qiáng)弱年我國的氣候差異，發(fā)現(xiàn)高原冬季風(fēng)的影響具有滯后效應(yīng)，高原冬季風(fēng)強(qiáng)弱年的夏季，大氣環(huán)流和我國氣候明顯不同。

四川地處青藏高原東側(cè)，其天氣氣候與高原季風(fēng)之間有密切的聯(lián)系。馬振峰等[22]發(fā)現(xiàn)，四川盆地初夏干旱通常表現(xiàn)為高原夏季風(fēng)偏弱，高原低壓偏西，而多雨年則表現(xiàn)為高原夏季風(fēng)偏強(qiáng)，高原低壓偏東。高原夏季風(fēng)的強(qiáng)弱變化對四川盆地東、西部區(qū)和川西高原區(qū)的降水有著不同的影響，當(dāng)高原夏季風(fēng)偏強(qiáng)（弱）時(shí)，四川盆地東部區(qū)及川西高原區(qū)容易發(fā)生洪澇（干旱），四川盆地西部區(qū)容易發(fā)生干旱（洪澇）[8,23]。

如前所述，目前高原季風(fēng)指數(shù)定義尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，幾種代表性指數(shù)反映出的高原季風(fēng)特征并不完全一致，在高原季風(fēng)對我國天氣氣候的影響研究上，更多的是關(guān)注高原夏季風(fēng)對夏季氣候和旱澇的影響，關(guān)于高原冬季風(fēng)及其對四川春季干旱的影響研究還很欠缺。本文選取計(jì)算簡便且物理意義明確的高原季風(fēng)指數(shù)Div_PMI，對其加以改進(jìn)，使其能更好反映高原冬夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換時(shí)間和年際變化特征，且與四川春季干旱有更好相關(guān)關(guān)系，然后分析高原冬季風(fēng)異常對四川春季干旱的影響，并從大氣環(huán)流異常角度探討其可能的原因，以便為四川春季干旱的氣候預(yù)測提供新的線索和依據(jù)。

1 資料與指數(shù)

1.1 資料來源及預(yù)處理

1）地面觀測資料：本文所用地面資料為完整性較好的四川150個(gè)臺站的逐日氣溫、降水資料，來自四川省氣象探測數(shù)據(jù)中心日值資料集，資料時(shí)段為1961—2016年。

2）再分析資料：使用NCEP/NCAR再分析中心1961—2016年的逐月再分析資料，包括u、v風(fēng)場、位勢高度場、垂直速度場、地面氣壓場、比濕場等，資料分辨率為2.5°×2.5°，各物理量春季值由3、4月再分析資料平均得到。

3）春旱日數(shù)資料：目前中國氣象局推行的綜合氣象干旱指數(shù)MCI（Meteorological drought Composite Index）在四川的適用性還有待提高，其監(jiān)測結(jié)果總體來說旱情偏重、范圍偏大，因此作者對其作了修訂[24]，本文所用春旱日數(shù)資料為根據(jù)作者改進(jìn)后的MCI指數(shù)計(jì)算得到，即按照國標(biāo)GB/T 20481—2006的標(biāo)準(zhǔn)（改進(jìn)后的MCI連續(xù)10 d≤-0.5）先計(jì)算得到各站1961年以來的歷次干旱過程，然后以各次干旱過程跨某年3—4月的干旱日數(shù)之和作為當(dāng)年的春旱日數(shù)。

1.2 高原季風(fēng)指數(shù)

為檢驗(yàn)改進(jìn)后的高原季風(fēng)指數(shù)的性能，本文選取3個(gè)有代表性的季風(fēng)指數(shù)與其作對比分析，它們是：

1）TPMI：即湯懋蒼等[5]提出的傳統(tǒng)高原季風(fēng)指數(shù)，定義為高原四周東（80°E，32.5°N）、南（90°E，25°N）、西（100°E，32.5°N）、北（90°E，40°N）四個(gè)點(diǎn)與高原主體中心點(diǎn)（90°E，32.5°N）600 hPa高度距平差值之和。夏季高原近地面為熱低壓，因此TPMI夏季為正。

2）ZPMI：它是田俊等[8]根據(jù)高原南北側(cè)600 hPa緯向風(fēng)差異定義的高原季風(fēng)指數(shù)。定義為高原主體正南側(cè)（85°—95°E，27.5°—30°N）和正北側(cè)（85°—95°E，35°—37.5°N）的平均緯向風(fēng)分量U1、U2的差值與它們的氣候平均值的差值之比。夏季高原為氣旋性環(huán)流，高原南側(cè)為偏西風(fēng)北側(cè)為偏東風(fēng)，因此夏季ZPMI為正。

3）Div_PMI：它是周懿等[9]根據(jù)高原主體夏冬季600 hPa散度場存在相反特征定義的高原季風(fēng)指數(shù)。定義為（30°—35°N，80°—100°E）范圍內(nèi)的平均散度。夏季高原近地面為熱低壓，氣流從四周向中心輻合，因此夏季Div_PMI為負(fù)值。

為了比較幾種高原季風(fēng)指數(shù)的周期性振蕩特征與四川春旱周期性振蕩特征的異同，采用Morlet小波進(jìn)行季風(fēng)指數(shù)和平均春旱日數(shù)的多尺度時(shí)間特征分析[25]。根據(jù)小波系數(shù)實(shí)部等值線圖分析不同時(shí)段的周期性特征，利用小波方差曲線圖分析時(shí)間序列存在的主周期，振蕩周期的顯著與否采用Torrence等[26]提出的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜方法進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 改進(jìn)的高原季風(fēng)指數(shù)

周懿等[9]定義的Div_PMI具有明確的物理意義，能合理的解釋高原季風(fēng)的形成機(jī)理，且計(jì)算方法簡單。但根據(jù)該指數(shù)計(jì)算得到的冬季風(fēng)強(qiáng)度比夏季風(fēng)明顯偏弱，Div_PMI最大值為2.2×10-6s-1（12月），最小值為-5.1×10-6s-1（6月），冬季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)不及夏季風(fēng)的一半。而白虎志等[13]計(jì)算的各月TPMI結(jié)果顯示，其值介于-7.5～6.9 dagpm，Xun等[6]計(jì)算的DPMI和TPMI均介于正負(fù)2倍標(biāo)準(zhǔn)差之間，表明DPMI和TPMI計(jì)算的高原冬、夏季風(fēng)強(qiáng)度基本相當(dāng)。由此可見，雖然Div_PMI具有計(jì)算簡單等優(yōu)勢，但不能很好地反映高原冬、夏季風(fēng)的相對強(qiáng)弱。

從7月和1月600 hPa平均流場與平均散度場（圖1）可以看出，7月（圖1a），在高原南側(cè)印度半島有一氣旋式流場，高原北部塔克拉瑪干沙漠有一反氣旋式流場，氣旋式流場東部的偏南氣流與反氣旋式流場東部的偏北氣流，從南北兩側(cè)流向高原主體中心，從而在高原上形成一個(gè)寬廣的輻合區(qū)，Div_PMI定義區(qū)域內(nèi)散度值全部為負(fù)。而1月（圖1b），從平均流場看，高原主體以平直西風(fēng)為主，僅在高原南北兩側(cè)各有一弱氣旋和弱反氣旋擾動，從平均散度場看，高原主體北部為負(fù)值區(qū)（輻合區(qū)），南部為正值區(qū)（輻散區(qū)），Div_PMI定義區(qū)跨南北兩個(gè)區(qū)域，其上半部存在大片的負(fù)值區(qū)，整個(gè)冬季（12—次年2月）的情況與1月基本一致，由于上述原因，造成冬季Div_PMI比夏季偏小。如果只取矩形框下半部，則夏季整個(gè)區(qū)域?yàn)樯⒍蓉?fù)值區(qū)，而冬季整個(gè)區(qū)域?yàn)樯⒍日祬^(qū)，以此得到的冬、夏季風(fēng)指數(shù)值將大體相當(dāng)。因此對Div_PMI加以改進(jìn)，定義為（30°—32.5°N，80°—100°E）范圍內(nèi)600 hPa平均散度值，記為 Div_PMI2（Divergence Plateau Monsoon Index 2）。

圖1 1961—2016年平均（a）7月和（b）1月600 hPa流場和散度場（等值線，單位：10-5s-1，實(shí)線矩形框?yàn)镈iv_PMI定義區(qū)，被虛線分隔的下部矩形框?yàn)镈iv_PMI2定義區(qū)） Fig. 1 The average field of flow and divergence over 600 hPa at July (a) and January (b) during 1961-2016 (units：10-5s-1, the solid line rectangle is the scope of the Div_PMI, and the lower part separated by the dotted line is the scope of the Div_PMI2)

2.1 季風(fēng)強(qiáng)度與轉(zhuǎn)換時(shí)間的比較

圖2 為TPMI、ZPMI、Div_PMI和Div_PMI24種指數(shù)逐月變化對比圖，從圖2a可以看出，ZPMI指數(shù)只在11月為冬季風(fēng)，其余月份均為夏季風(fēng)，這顯然與事實(shí)不符；Div_PMI 3—10月為負(fù)，11月至次年2月為正，最小值出現(xiàn)在6月，為-5.1×10-6s-1，最大值出現(xiàn)在12月，為2.2×10-6s-1，說明Div_PMI 3—10月為夏季風(fēng)，以6月夏季風(fēng)最強(qiáng)，11月至次年2月為冬季風(fēng)，以12月冬季風(fēng)最強(qiáng)，且冬季風(fēng)強(qiáng)度明顯弱于夏季風(fēng)； Div_PMI24—9月為負(fù)，10月至次年3月為正，最小值出現(xiàn)在7月，為-3.8×10-6s-1，最大值出現(xiàn)在12月，為4.2×10-6s-1，說明Div_PMI24—9月為夏季風(fēng)，以7月夏季風(fēng)最強(qiáng)，10月至次年3月為冬季風(fēng)，以12月冬季風(fēng)最強(qiáng)，且冬、夏季風(fēng)強(qiáng)度基本相當(dāng)；TPMI與Div_PMI2具有相似的年內(nèi)變化特征，即同樣表現(xiàn)為4—9月為夏季風(fēng)，以6月夏季風(fēng)最強(qiáng)（6.7 dagpm），10月至次年3月為冬季風(fēng)，以12月冬季風(fēng)最強(qiáng)（-6.4 dagpm），且冬、夏季風(fēng)強(qiáng)度基本相當(dāng)。

圖2 1961—2016年4種高原季風(fēng)指數(shù)逐月氣候平均值（a）及與平均值符號相反年份數(shù)（b） Fig. 2 The monthly average of the four Plateau Monsoon Indices (a) and number of years with different signs relative to the mean value (b) from 1961-2016

王同美等[27]在研究高原區(qū)域月平均加熱率的垂直分布后發(fā)現(xiàn)，3月高原區(qū)域只在低層因地面感熱增強(qiáng)開始出現(xiàn)正的加熱，4月低層感熱的迅速增長使垂直積分的總加熱由冷源轉(zhuǎn)為熱源，并在7月達(dá)到最大，10月積分的總加熱由熱源轉(zhuǎn)為冷源，只有低層因感熱加熱為弱的正加熱，垂直積分的總加熱率在4—9月為正值，7月最大，10月至次年早春3月為負(fù)，12月最小?？梢?，Div_PMI所指示的夏季風(fēng)轉(zhuǎn)冬季風(fēng)時(shí)間比大氣熱源轉(zhuǎn)冷源時(shí)間晚了1個(gè)月，冬季風(fēng)轉(zhuǎn)夏季風(fēng)的時(shí)間比大氣冷源轉(zhuǎn)熱源的時(shí)間提前了1個(gè)月，而Div_PMI2和TPMI所指示的高原冬、夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換時(shí)間與高原大氣冷、熱源的轉(zhuǎn)換時(shí)間一致，且Div_PMI2所指示的最強(qiáng)高原冬、夏季風(fēng)出現(xiàn)時(shí)間與高原大氣冷、熱源極值出現(xiàn)時(shí)間一致，說明Div_PMI2能更好地揭示高原冬夏季風(fēng)的轉(zhuǎn)換期和強(qiáng)盛期。

2.2 季風(fēng)指數(shù)季節(jié)一致性的比較

圖2b給出了1961—2016年各月高原季風(fēng)指數(shù)與其氣候平均值反相（符號相反）的年份數(shù)，用nr表示，其值大小可反映季風(fēng)指數(shù)所指示的冬、夏季風(fēng)“相?！背潭取Ｓ捎赯PMI對高原季風(fēng)的季節(jié)變化表征能力較差，因此不再對它進(jìn)行討論，但可以看出其nr值在8—12月都很大。Div_PMI2的nr值在7—8月和12—2月均為0，表示56a每年夏季均為夏季風(fēng)，冬季均為冬季風(fēng)，沒有出現(xiàn)夏季為冬季風(fēng)、冬季為夏季風(fēng)這種“相?！钡那闆r，說明Div_PMI2能夠揭示出每一年高原冬夏季風(fēng)的存在，具有很強(qiáng)的高原季風(fēng)表征能力，而4月和10月的nr值較大，恰好體現(xiàn)了過渡季節(jié)的季風(fēng)特征，高原大氣熱源建立時(shí)間早的年份其4月表現(xiàn)為夏季風(fēng)，反之表現(xiàn)為冬季風(fēng)，高原大氣冷源建立時(shí)間早的年份其10月表現(xiàn)為冬季風(fēng)，反之表現(xiàn)為夏季風(fēng)。Div_PMI的nr值在夏季7—8月也為0，即沒有出現(xiàn)夏季為冬季風(fēng)的情況，但冬季12月至次年2月不為0，特別是隆冬2月有14a表現(xiàn)為夏季風(fēng)，說明Div_PMI對高原夏季風(fēng)有很強(qiáng)的表征能力，但對高原冬季風(fēng)的表征能力欠佳。TPMI的nr值在夏季7—8月為1，即有1a夏季表現(xiàn)為冬季風(fēng)，冬季1—2月也不為0，特別是隆冬2月有9a表現(xiàn)為夏季風(fēng)，說明TPMI對高原夏季風(fēng)的表征能力較強(qiáng)，但對高原冬季風(fēng)的表征能力不夠理想。

3 高原冬季風(fēng)與四川春旱的聯(lián)系

3.1 四川春旱氣候特征

表征春旱強(qiáng)度的物理量可以是春旱日數(shù)、春旱期平均MCI、春旱期最小MCI等，但一般來說春旱日數(shù)越長，旱期平均MCI和最小MCI就越小，三者之間具有很高的相關(guān)性。通過計(jì)算相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，四川平均春旱日數(shù)與平均MCI和最小MCI之間的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到-0.974和-0.966，而業(yè)務(wù)服務(wù)上更加關(guān)注干旱持續(xù)時(shí)間，因此本文以春旱日數(shù)作為研究對象。

從圖3a可以看出，四川盆地東部、川西高原北部春旱時(shí)間較短，平均春旱日數(shù)在10 d以下，四川盆地西北部、中部和西南部、甘孜州南部春旱時(shí)間較長，平均春旱日數(shù)在10～20d，川西南山地春旱時(shí)間最長，平均春旱日數(shù)在20 d以上。從圖3b可以看出，四川大部地區(qū)春旱日數(shù)呈弱減少趨勢，其中川西高原西北部和四川盆地中部的減少趨勢通過了水平0.05的顯著性檢驗(yàn)，四川盆地西部沿綿陽、德陽、成都一線，川南宜賓及川西南山地中西部，其春旱日數(shù)呈增加趨勢，且通過了水平0.05的顯著性檢驗(yàn)。

圖3 四川春旱日數(shù)氣候平均值（a，單位：d）及氣候變化傾向率（b，單位：d/10a，+為變化顯著臺站） Fig. 3 Climatological average of spring drought days (a, units: d) and the climate change propensity (b, units: d/10a, + stands for the significant stations) in Sichuan

3.2 高原冬季風(fēng)對四川春旱的影響

分析冬季各月季風(fēng)指數(shù)與四川平均春旱日數(shù)的相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，12月和1月各指數(shù)與四川平均春旱日數(shù)均無相關(guān)性，但2月3種季風(fēng)指數(shù)與四川平均春旱日數(shù)均顯著相關(guān)，因此，下面以2月季風(fēng)指數(shù)代表高原冬季風(fēng)進(jìn)行相關(guān)分析。從2月3種季風(fēng)指數(shù)與四川平均春旱日數(shù)的相關(guān)系數(shù)看，TPMI為0.31，Div_PMI為0.33，只通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，而Div_PMI2的相關(guān)系數(shù)為0.38，通過了0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，說明Div_PMI2與四川平均春旱日數(shù)之間的相關(guān)性更好。

圖4 2月Div_PMI2指數(shù)與各站春旱日數(shù)相關(guān)系數(shù)分布圖 （注: +表示通過水平0.05顯著性檢驗(yàn)的臺站） Fig. 4 Distribution charts of correlation coefficients between Div_PMI2 in February and spring drought days in different stations (+ indicates a significant level of 0.05)

從2月Div_PMI2指數(shù)與各站春旱日數(shù)的相關(guān)系數(shù)分布圖（圖4）可以看出，2月Div_PMI2指數(shù)與各站春旱日數(shù)均為正相關(guān)，說明高原冬季風(fēng)偏強(qiáng)（弱），四川全境未來春旱日數(shù)將一致偏多（少），尤其是在盆地西北部、盆地西南部、攀西地區(qū)東部和川西高原更是如此，這些地方多數(shù)臺站春旱日數(shù)與高原冬季風(fēng)指數(shù)的正相關(guān)系數(shù)通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。TPMI和Div_PMI與春旱日數(shù)的關(guān)系也表現(xiàn)為四川一致正相關(guān)，且通過顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域位置與Div_PMI2基本一致，但以通過顯著性檢驗(yàn)的臺站數(shù)看，TPMI為32站，Div_PMI為36站，Div_PMI2為46站，說明 Div_PMI2與四川春旱的正相關(guān)關(guān)系更具普遍性。

圖5為2月各季風(fēng)指數(shù)及四川平均春旱日數(shù)的多尺度時(shí)間變化特征（左圖中細(xì)實(shí)（虛）線分別表示高原冬季風(fēng)或四川春旱偏強(qiáng)（弱），粗實(shí)線所圍區(qū)域?yàn)樾〔ǚ讲钔ㄟ^0.05顯著性水平檢驗(yàn)的區(qū)域，粗虛線表示邊界效應(yīng)影響錐，該曲線以外的區(qū)域受邊界效應(yīng)影響不予考慮；右圖中實(shí)線為時(shí)間平均小波方差，虛線為水平0.05的紅噪聲方差），可以看出，TPMI、Div_PMI、Div_PMI2、四川平均春旱日數(shù)都具有準(zhǔn)3a周期性振蕩特征，且都通過了0.05的紅噪聲水平檢驗(yàn)，說明3個(gè)高原冬季風(fēng)指數(shù)都可以反映出四川春旱的準(zhǔn)3 a周期變化規(guī)律。但從全局方差看，Div_PMI2和四川平均春旱日數(shù)的準(zhǔn)3 a周期的全局方差最大，為各自振蕩的第一主周期，而TPMI和Div_PMI的準(zhǔn)3a周期全局方差較小，只是其振蕩的第二主周期。從時(shí)域關(guān)系上看，Div_PMI2和四川平均春旱日數(shù)的準(zhǔn)3a振蕩從1960年代后期至2000年代中期均很顯著（通過了0.05的紅噪聲水平檢驗(yàn)），而TPMI和Div_PMI的準(zhǔn)3 a振蕩在1980年代中前期并不顯著，另外，Div_PMI2和四川平均春旱日數(shù)的準(zhǔn)3a周期在1960年代后期至1970年代初期及1990年代后期至2000年代初期都異常強(qiáng)烈（方差在0.6以上），而TPMI和Div_PMI只有1990年代后期至2000年代初期一個(gè)異常強(qiáng)烈時(shí)段。由此可知，與TPMI和Div_PMI相比，Div_PMI2具有與四川平均春旱日數(shù)更為相似的周期性振蕩特征。

圖5 TPMI（a）、Div_PMI（b）、Div_PMI2（c）及四川平均春旱日數(shù)（d）的小波分析圖 （其中左圖為小波系數(shù)實(shí)部等值線，右圖為全局小波方差） Fig. 5 Wavelet analysis of TPMI (a), Div_PMI (b), Div_PMI2 (c), and the average spring drought days of Sichuan (d) (The left is the real part of the wavelet coefficient contours, the right picture is the time average variance)

圖6 為1961—2016年2月Div_PMI2與四川平均春旱日數(shù)年變化曲線，可以看出，冬季風(fēng)指數(shù)和四川春旱日數(shù)均未發(fā)生趨勢性變化，且階段性變化特征相似。根據(jù)對1961—2016年2月Div_PMI2和四川平均春旱日數(shù)距平及異常情況的統(tǒng)計(jì)（表1），56 a中，有35 a的Div_PMI2處于正位相（正距平），其中有23 a四川平均春旱日數(shù)也同時(shí)處于正位相，正位相一致率為65.7%，而另外21 a的Div_PMI2處于負(fù)位相（負(fù)距平），其中有16 a四川平均春旱日數(shù)同時(shí)處于負(fù)位相，負(fù)位相一致率為76.2%，總的位相（符號）一致率（符號一致年數(shù)/總年數(shù)）達(dá)到69.6%。以0.5倍標(biāo)準(zhǔn)差作為異常標(biāo)準(zhǔn)，以此得到56 a中有25a Div_PMI2處于正異常，其中有15 a四川平均春旱日數(shù)也同時(shí)處于正異常，正異常一致率為60%，Div_PMI2處于負(fù)異常的年份為13 a，四川平均春旱日數(shù)同時(shí)處于負(fù)異常的年份為10 a，負(fù)異常一致率為76.9%，總的異常一致率（異常一致年數(shù)/Div_PMI2異?？偰陻?shù)）為65.8%。由此可見，2月Div_PMI2的大小對未來四川春旱的強(qiáng)弱具有較好的指示意義。

圖6 1961—2016年2月Div_PMI2指數(shù)與四川平均春旱日數(shù)逐年變化曲線圖 Fig. 6 Annual variation of Div_PMI2 in February and the average spring drought days of Sichuan from 1961-2016

4 高原冬季風(fēng)影響四川春旱的大氣環(huán)流分析

從表1可知，高原冬季風(fēng)異常與四川春旱異常之間有大約三分之一的年份不一致，說明四川春旱不僅與高原冬季風(fēng)異常有關(guān)，而且還受其他因子的影響，比如高原積雪、海溫的異常等（我們將另文分析這些影響）。因此，為了使環(huán)流分析能更好地反映高原冬季風(fēng)對四川春旱的影響，我們從異常一致年中選取極端干旱年進(jìn)行環(huán)流合成分析。根據(jù)平均春旱日數(shù)，以1倍標(biāo)準(zhǔn)差作為選取標(biāo)準(zhǔn)，從15個(gè)正異常一致年中挑選出9個(gè)春旱極端強(qiáng)年：1966、1969、1978、1984、1987、1991、1999、2003、2013年，從10個(gè)負(fù)異常一致年中挑選出7個(gè)春旱極端弱年：1961、1970、1977、1992、2000、2008、2016年，以此對高原冬季風(fēng)異常引起的四川極端春旱進(jìn)行大氣環(huán)流的合成分析。

表1 1961—2016年2月Div_PMI2與四川平均春旱日數(shù)一致性統(tǒng)計(jì)結(jié)果 Table 1 Statistical results of the consistency between Div_PMI2 in February and the average spring drought days of Sichuan from 1961-2016

4.1 500 hPa 高度場合成分析

從對流層中層500 hPa高度場（圖7）上可以清楚看到，高原冬季風(fēng)強(qiáng)年（圖7a）歐亞中高緯總體表現(xiàn)為北低南高的緯向型環(huán)流分布，在40°N以北地區(qū)，西西伯利亞—蒙古高原—中國東北—日本海一線均為位勢高度負(fù)距平，且距平中心在貝加爾湖以西地區(qū)，表明烏拉爾山地區(qū)沒有形成阻塞形勢，西伯利亞高壓脊顯著減弱，北方冷空氣不易南下。而在40°N以南的伊朗高原經(jīng)青藏高原并東延至東海洋面為正距平，距平中心位于青藏高原主體，表明高原冬季風(fēng)強(qiáng)年高原高度場偏高，不利于高原低值系統(tǒng)的形成和東移，川西高原和四川盆地受高值系統(tǒng)控制以晴好天氣為主。同時(shí)孟加拉灣高度場也為正距平，南支槽活動受到抑制，不利于孟加拉灣水汽向西南地區(qū)輸送，副高位于菲律賓以東的西太平洋上，位置比常年偏東。高原冬季風(fēng)弱年（圖7b）情況正好相反，位勢高度距平場呈北高南低分布，西伯利亞高壓脊加強(qiáng)形成阻塞有利于冷空氣的爆發(fā)南下，青藏高原—華東沿海—西太平洋為一寬廣的負(fù)距平區(qū)，有利于高原低值系統(tǒng)的發(fā)展東移，給四川和我國東部地區(qū)帶來降水，副高西伸到菲律賓以西的南海上，位置比常年偏西，更有利于熱帶暖濕氣流的向西輸送。從高原冬季風(fēng)強(qiáng)弱年位勢高度差值場（圖7c）可以看出，高緯地區(qū)強(qiáng)年比弱年的位勢高度顯著偏低，而青藏高原、四川盆地和我國南方地區(qū)強(qiáng)年位勢高度比弱年偏高，副高位置強(qiáng)年比弱年偏東約9個(gè)經(jīng)度。

4.2 500 hPa 垂直速度場合成分析

為了揭示高原冬季風(fēng)與春季對流層中層垂直速度場的關(guān)系，選取高原冬季風(fēng)強(qiáng)、弱年500 hPa垂直速度場進(jìn)行合成分析。從500 hPa垂直速度距平場可以看出，高原冬季風(fēng)強(qiáng)年（圖8a），青藏高原、川渝地區(qū)為正距平，該地區(qū)為下沉氣流，高原冬季風(fēng)弱年（圖8b），四川地區(qū)為負(fù)距平，被上升氣流所控制，而500 hPa垂直速度差值場（圖8c）上，青藏高原東部、川渝地區(qū)為正差值，說明四川地區(qū)被下沉氣流所控制。由此可見，在高原冬季風(fēng)強(qiáng)年，春季川西高原和四川盆地對流層中層被下沉氣流所控制，沒有有利的動力條件配合形成降水，致使春旱較重發(fā)生。

4.3 水汽輸送合成分析

圖7 高原冬季風(fēng)不同強(qiáng)度年份春季500 hPa高度距平場及差值場（單位：gpm ） （a）強(qiáng)年；（b）弱年；（c）強(qiáng)年減弱年，（其中，粗實(shí)線、粗虛線、點(diǎn)劃線分別為春季副高5875 gpm線多年平均位置及高原冬季風(fēng)強(qiáng)、弱年位置。由淺到深陰影區(qū)分別為通過0.10、0.05、0.02和0.01顯著性水平檢驗(yàn)的區(qū)域，灰色區(qū)域?yàn)榍嗖馗咴?，圖8、圖9同此） Fig. 7 The anomaly of strong (a) , weak (b) plateau winter monsoon years and the composited difference (c) of 500 hPa height (units: gpm, the rough line, rough dotted line and dot line are the position of 5875 gpm for the climate mean, strong years, and weak years. The shaded from shallow to deep indicate the confidence level of 0.10, 0.05, 0.02, and0.01. The gray area is the Qinghai Tibet Plateau. The meaning is the same in Figure 8 and 9)

為了揭示高原冬季風(fēng)對春季水汽來源和輸送途徑的影響，這里我們給出了高原冬季風(fēng)強(qiáng)、弱年垂直積分的水汽通量和水汽通量散度的合成差值場。由圖9a可以看出，高原冬季風(fēng)強(qiáng)年，孟加拉灣出現(xiàn)氣旋式水汽輸送異常，西太平洋出現(xiàn)反氣旋式水汽輸送異常，從蘇門答臘島經(jīng)菲律賓到日本島南部出現(xiàn)一條異常水汽輸送帶，四川位于這條異常水汽輸送帶西北側(cè)，南方暖濕水汽難以到達(dá)，同時(shí)西北方向也沒有冷空氣的輸送。從水汽通量散度場看，四川地區(qū)為水汽輻散區(qū)，水汽向外凈流出。缺乏冷暖空氣的交匯加之水汽的流失，導(dǎo)致四川干旱的發(fā)生。高原冬季風(fēng)弱年（圖9b），印度半島出現(xiàn)氣旋式水汽輸送異常，暖濕空氣可以通過孟加拉灣直接輸送到我國西南部，同時(shí)南支繞流偏強(qiáng)，青藏高原南側(cè)偏西冷空氣輸送增強(qiáng)，與暖濕水汽在青藏高原東側(cè)匯合；從水汽通量散度場看，四川地區(qū)為負(fù)距平，即水汽在該地區(qū)輻合，有利于降水的形成，因而不易發(fā)生干旱。距平差值場（圖9c）的水汽輸送特征更為明顯，可以看出，孟加拉灣地區(qū)出現(xiàn)氣旋式水汽輸送異常，但其右側(cè)北上的暖濕空氣路徑偏東，無法到達(dá)我國西南部，同時(shí)青藏高原南側(cè)出現(xiàn)異常偏東水汽輸送，即南支繞流偏弱，四川以偏東、偏北的水汽輸送為主，水汽呈流出狀態(tài)，水汽通量散度也表現(xiàn)為異常輻散區(qū)，即來自孟加拉灣北部的暖濕氣流和南支繞流帶來的西北冷空氣無法在高原東部匯合，四川地區(qū)水汽來源嚴(yán)重不足，從而導(dǎo)致干旱的發(fā)生。

5 結(jié)論與討論

本文利用地面觀測資料和NCEP再分析資料，對Div_PMI加以改進(jìn)，以（30°—32.5°N，80°—100°E）范圍內(nèi)600 hPa平均散度定義了一個(gè)新的高原季風(fēng)指數(shù)Div_PMI2，分析了四川春旱的氣候特征，從高原冬夏季風(fēng)的表征能力、與四川春旱日數(shù)的關(guān)系等方面對Div_PMI2和幾種代表性高原季風(fēng)指數(shù)作了對比分析，最后探討了高原冬季風(fēng)強(qiáng)弱與春季大氣環(huán)流異常的關(guān)系及對四川春季干旱的影響，得到如下主要結(jié)論：

1）Div_PMI2具有更強(qiáng)的高原季風(fēng)表征能力。由該指數(shù)得到的高原冬夏季風(fēng)強(qiáng)度基本相當(dāng)，一年之中4—9月為夏季風(fēng)，10月至次年3月為冬季風(fēng)，夏季風(fēng)7月最盛，冬季風(fēng)12月最盛，這與高原大氣冷熱源轉(zhuǎn)換時(shí)間及極值出現(xiàn)時(shí)間完全吻合。在1961—2016年的56a中，該指數(shù)夏季（7—8月）均為夏季風(fēng)，冬季（1—2月）均為冬季風(fēng)，沒有出現(xiàn)夏季為冬季風(fēng)、冬季為夏季風(fēng)這種“相?！钡那闆r。

2）四川盆地東部春旱時(shí)間較短，四川盆地西北部、中部和甘孜州南部春旱時(shí)間較長，川西南山地春旱時(shí)間最長。四川大部地區(qū)春旱日數(shù)呈弱減少趨勢，但四川盆地西部、川南及川西南山等春旱常發(fā)區(qū)的春旱日數(shù)呈顯著增加趨勢。幾種高原季風(fēng)指數(shù)和四川平均春旱日數(shù)的小波分析表明，高原冬季風(fēng)和四川春季干旱均存在顯著的準(zhǔn)3a周期性振蕩，但與其他幾種指數(shù)相比，Div_PMI2的準(zhǔn)3a振蕩與四川平均春旱日數(shù)的準(zhǔn)3a振蕩同為第一主周期，且在時(shí)域上具有更好的強(qiáng)弱一致性。

圖8 高原冬季風(fēng)強(qiáng)弱年春季500 hPa垂直速度距平場及差值場（單位：Pa·s-1） （a）強(qiáng)年；（b）弱年；（c）強(qiáng)年減弱年 Fig. 8 The anomaly of strong (a), weak (b) plateau winter monsoon years and the composited difference (c) of 500 hPa vertical velocity (units: Pa·s-1)

3）高原冬季風(fēng)強(qiáng)年春季西伯利亞高壓脊減弱，高原和孟加拉灣高度場偏高，副高位置偏東，致使北方冷空氣不易南下，高原低值系統(tǒng)發(fā)展受阻不能東移影響四川，南支槽活動受到影響，來自孟加拉灣的西南暖濕氣流與南支繞流帶來的西北冷空氣無法在高原東部匯合，川西高原和四川盆地處于水汽輻散區(qū)，對流層中層被強(qiáng)烈的下沉氣流所控制，這樣的環(huán)流形勢導(dǎo)致該地區(qū)春季以晴朗天氣為主，有利于干旱的發(fā)生。

高原季風(fēng)是高原與周圍大氣的熱力差異所致，季風(fēng)強(qiáng)弱與高原熱力作用具有正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)高原主體熱源較四周大氣強(qiáng)（弱）時(shí)，高原夏季風(fēng)就越強(qiáng)（弱）[28]。不僅如此，高原熱力異常還對后期高原季風(fēng)、大氣環(huán)流和我國天氣氣候產(chǎn)生影響，白彬人等[29]指出，高原地面加熱場強(qiáng)度與DPMI指數(shù)之間存在超前1～3個(gè)月的相關(guān)關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)前期2月青藏高原熱力作用偏強(qiáng)將會導(dǎo)致高原夏季風(fēng)爆發(fā)偏早，爆發(fā)初期強(qiáng)度偏強(qiáng)。黃儀方等[30]研究發(fā)現(xiàn)，前期冬季青藏高原地面加熱場通過影響后期春季500 hPa高度場，導(dǎo)致高原東側(cè)川渝地區(qū)春季氣溫異常。由此可知，高原冬季風(fēng)對四川春旱的影響其本質(zhì)是冬季青藏高原的熱力異常，當(dāng)冬季青藏高原異常偏冷時(shí)，一方面使高原冷高壓偏強(qiáng)，導(dǎo)致高原冬季風(fēng)偏強(qiáng)，另一方面使春季高原加熱變緩，高原由冷源變熱源需要的時(shí)間更長，此時(shí)春季高原仍將偏冷，高原冷高壓繼續(xù)偏強(qiáng)，導(dǎo)致春季高原季風(fēng)也偏強(qiáng)，Div_PMI2計(jì)算結(jié)果證實(shí)，當(dāng)冬季（2月）Div_PMI2為正距平時(shí)，有三分之二以上年份其春季（3月）Div_PMI2也為正距平。由于春季高原冷高壓強(qiáng)大，致使高原低值系統(tǒng)的發(fā)展東移和西南暖濕氣流的向北輸送受阻，從而導(dǎo)致四川少雨干旱。

本文只是合成分析了高原冬季風(fēng)影響四川春旱的大氣環(huán)流異常原因，今后需要進(jìn)一步通過數(shù)值模擬的方法研究冬季高原熱力異常—高原冬季風(fēng)異?！髿猸h(huán)流異常之間的聯(lián)系，揭示高原冬季風(fēng)影響四川春季干旱的有關(guān)動力學(xué)機(jī)制與過程，以便加深高原冬季風(fēng)對四川春旱影響機(jī)理的認(rèn)識。

圖9 高原冬季風(fēng)強(qiáng)弱年春季垂直積分的水汽通量（矢量，單位：102kg·m-1·s-1）和水汽通量散度（等值線，單位：10-5kg·m-2·s-1）距平場及差值場 （a）強(qiáng)年；（b）弱年；（c）強(qiáng)年減弱年 Fig. 9 The anomaly of strong(a), weak(b) plateau winter monsoon years and the composited difference(c) of the vertically integrated vapor flux (Vector, unit: 102kg.m-1·s-1) and the divergence(contour, unit: 10-5kg·m-2·s-1)