中国西南地区东部秋季干旱的环流特征及其成因分析

沙天阳，徐海明，邹松佐

(1.南京信息工程大学 大气科学学院，江苏 南京210044;2.广州中心气象台，广东 广州510080;3.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学)，江苏南京210044)

0 引言

大范围干旱和洪涝，一直以来都是我国最主要的气象灾害。国内外大量学者对旱涝规律及成因进行了研究(郭锐和智协飞，2009;Wu and Kinter，2009;Findell and Delworth，2010)，主要涉及到旱涝与海温的关系(王蕾和张人禾，2006;张俊等，2006;王苏瑶等，2012)，旱涝与季风的关系(王宝鉴等，2004;刘芸芸和丁一汇，2009;任珂等，2010)等。Mendoza et al.(2006)将ENSO划分为不同的强度，并指出不同强度的El Nino与墨西哥东南部干旱的相关性有所不同。陈际龙和黄荣辉(2008)指出当南亚夏季风纬向水汽输送偏强时，东亚—西北太平洋地区水汽输送的偶极型异常有利于长江中下游地区和江淮流域的水汽辐合负异常与华南和华北地区的水汽辐合正异常，从而导致长江中下游地区和江淮流域的偏旱与华南和华北地区的偏涝。另外，从单个物理量或特定天气系统出发，分析其与旱涝关系的研究也不在少数(刘舸等，2008;杜银等，2009;刘颖等，2009)。

就我国而言，对旱涝的研究主要集中在江淮和华南地区(苗春生等，2006;巩远发等，2007;梁平德等，2008)。近年来，我国西南地区旱灾频发，对当地农业及人民生活造成了严重影响，对该区域的旱涝研究也引起了人们的关注。李永华等(2009)选取西南地区东部某特定范围为研究对象，发现该区域典型旱涝年夏季OLR分布有明显的差异，洪涝(干旱)年，从青藏高原东部一直到江淮地区OLR值偏低(高)，同时孟加拉湾南部及赤道东印度洋地区OLR值也偏低(高)，而菲律宾及其附近地区OLR值偏高(低)。李耀先等(2009)通过研究广西区域的干旱时空分布特征和成因总结出了该省各季节干旱最严重的区域。另外，针对特定旱涝个例，王斌和李跃清(2010)指出，2009/2010年冬季西南地区严重干旱的开始、发展和减弱与同期500 hPa南支槽活动及整层水汽输送有着密切的关系。刘银峰等(2009)发现由南向北的水汽输送较常年偏弱，西太洋副热带高压较常年异常偏强，脊线位置明显偏北，川渝地区受高压系统影响盛行下沉气流等原因造成了2006年川渝地区的夏季干旱。就研究区域而言，大量对西南地区旱涝的研究以行政边界为准，研究某特定省市的旱涝规律，本文将从降水一致性角度出发，选取特定区域进行旱涝研究。

就季节而言，秋季连接夏季和冬季，是降水由多转少的过渡季节，虽然降水量次于夏季和春季，但若出现干旱，连接本来就降水稀少的冬季，很容易产生秋冬季连旱，如2009/2010年西南大旱就是从2009年秋季开始的(兰州干旱气象研究所干旱监测预测研究室，2009;晏红明等，2012)。故秋季降水对西南地区冬半年的旱涝状况有着很重要的作用。本文将通过分析秋季西南地区东部的旱涝年环流特征，进而尝试找出该区域的旱涝成因，为此区域的旱涝预报提供参考。

1 资料、方法及模式介绍

1.1 资料

1)中国气象局国家气象信息中心提供的1961—2010年全国753站月平均降水资料。

2)1961—2010年NCEP/NCAR月平均再分析资料(Kalnay et al.，1996)，水平分辨率为 2.5°×2.5°。

3)1961—2010年 NOAA扩展重建海温资料(Smith et al.，2008)，水平分辨率为2°×2°。

1.2 方法

选用合成分析、低通滤波、相关分析、线性回归等方法。另外，整层大气总热源(汇)的计算采用“倒算法”(Yanai et al.，1992;巩远发等，2007)。

大气热源的计算公式为:

其中:T为温度;ω为p坐标的垂直速度;k=R/cp，R和cp分别是干空气气体常数和比定压热容;V为水平风矢量;ps为地面气压;pt指的是大气顶气压(设pt=100 hPa);Q1是各等压面层的热源;＜Q1＞是整层总热源。

1.3 模式介绍

本文数值试验中采用的NCAR CAM3.0(Community Atmosphere Model 3.0)是美国国家大气研究中心研制的公共气候系统模式。该模式是一个全球谱模式，采用三角形谱截断，水平分辨率为T42。垂直方向采用η坐标，共26层，坐标层顶在2.917 hPa。模式包括了辐射(长、短波辐射传输)、云、对流、陆面(植被、冰雪、土壤水分)及边界层(垂直扩散、重力波拖曳)等物理过程，考虑了大气水汽、二氧化碳含量对辐射的影响。它包含了大气模式和一个完整的陆面模式以及可供选择的海洋模式。时间积分采用半隐式方案，步长为20 min。模式的详细情况可参考文献(Collins et al.，2004)。

2 区域的选取

由于我国西南地区地形复杂，降水一致性差，故选取西南地区东部(103 ～111°E，24 ～28°N)为研究对象，所涉及到的省市有广西、云南、贵州、四川、湖南和重庆。为验证所选区域的合理性，对此区域的秋季(9—11月平均)降水量进行了EOF分析(图1)。结果显示，第一特征向量方差贡献率高达50.02%，表现为全区一致的正位相分布，表明所选区域的降水具有很好的空间一致性(图1a)。此外，该特征向量的时间系数序列(图1b)与标准化的区域平均降水量序列(图2a)趋势非常一致，进一步说明该区域的降水主要表现为全区一致的分布型，故所选区域合理。

3 降水的年际及年代际变化

图1 西南地区东部秋季降水的EOF分析第一模态的空间分布(a)及其时间系数(b)Fig.1 (a)Eigenvectors and(b)time coefficient of the first EOF mode of autumn precipitation in the eastern region of Southwest China

图2 1961—2010年西南地区东部秋季区域平均的标准化降水量序列(a;柱状表示区域平均的标准化降水量序列;实线为高斯低通滤波周期11 a以上的成分;虚线为其线性趋势)及其M-K检验(b;虚直线表示0.05信度的显著性水平线及零线)Fig.2 (a)The normalized autumn precipitation(normalized autumn precipitation averaged in the eastern region of Southwest China from 1961—2010(bar)，its filtered results over the time scale of 11 years(solid curve)and linear trend(dotted line));(b)The forward(solid curve)and backward statistic rank series(dashed curve)in the Mann-Kendall test of the normalized precipitation(The dashed beeline indicates the significance at 95%confidence level in the Mann-Kendall test and line zero)

由图2a可见，西南地区东部秋季降水存在减少趋势，线性趋势系数达到－5.2 mm/(10 a)，变旱趋势显著;另外，该地区的秋季降水同时存在明显的年际和年代际变化。年代际变化主要表现为，在20世纪80年代中后期，降水由偏多转为偏少。由M-K检验(图2b)的UF曲线可见，自20世纪80年代以来，西南地区东部秋季降水有一明显的减少趋势，21世纪初开始，这种减少趋势通过了0.05信度的显著性检验，说明该地区存在显著变旱的趋势。此外，根据UF和UB曲线的交点位置，确定降水由多转少的突变发生在1987年左右，这与降水年代际变化曲线(图2a，实线)的转折点时间基本一致。本文主要分析该区域降水的年际变化特征及成因，故在其后做年际变化分析时，已将涉及到的所有物理量去除了年代际变化。

图3a给出了去除年代际变化后的标准化降水序列。将标准化降水量值大于1的定义为涝年，小于1的定义为旱年，由此选取旱年7个(1962、1974、1979、1992、1996、1998、2009 年)，涝年 6 个(1965、1972、1982、1994、1997、2008 年)。利用 GPCC 降水资料(图3b)对旱涝年降水量进行合成分析发现，显著差值区恰好位于西南地区东部，进一步说明了所选年份的合理性。

4 大气环流特征

大气环流的异常是造成天气气候异常的直接原因，而区域性的气候异常往往是在大尺度环流异常背景下发生的。为分析西南地区东部秋季旱涝年的环流特征，对所选出的旱涝年进行了环流场的合成分析。

4.1 850 hPa风场

图3 去除年代际变化后的标准化降水量序列(a)和GPCC资料合成的旱涝年降水量差值场(b;差值场为旱年减去涝年;单位:mm;阴影区表示通过0.01信度的显著性差值t检验)Fig.3 (a)The normalized precipitation with the effect of the interdecadal change eliminated;(b)The difference of precipitation between drought and flood years using GPCC precipitation data(drought－flood;units:mm;shaded area represents the region where the significance is over 99%confidence level)

图4 西南地区东部秋季旱涝年850 hPa风场差值(差值场为旱年减去涝年;单位m·s －1;阴影区表示通过0.01信度的显著性差值t检验)Fig.4 The difference of wind at 850 hPa between drought and flood years in autumn in the eastern region of Southwest China(drought－flood;units:m·s－1;shaded area indicates the region beyond 99%confidence level in t test)

从旱涝年的850 hPa合成的差值风场(图4)来看，差值西风与差值东风在苏门答腊—西太平洋附近辐合，孟加拉湾及其南侧有关于赤道对称的气旋性差值环流对，南海存在气旋性差值环流。在这种情况下，一方面西南地区东部位于南海气旋性差值环流的西北部，受其外围偏北气流的控制，另一方面孟加拉湾的偏东差值气流使其水汽输送偏弱，从而形成利于所研究区域易产生干旱的环流形势。由显著差值区的分布可以发现，热带印度洋及西太平洋存在大片显著差值区，西南地区东部亦位于显著差值区(通过0.1信度的显著性差值t检验)，说明该地区旱涝年风场存在明显差异。

4.2 500 hPa垂直运动及水汽输送

区域性的气候异常与当地的大气状况有密切关系，其中垂直上升运动是产生降水的基本条件之一。图5a给出了旱涝年500 hPa垂直运动的差值场，西南地区东部处于显著的差值下沉区，苏门答腊岛—西太平洋附近处于显著的差值上升区，而经圈环流的差值场(图5b)与以上结果对应，说明较涝年而言，旱年存在偏强的哈德莱环流，偏强的下沉气流控制我国西南地区东部，利于该地区形成干旱。除垂直运动以外，局地的水汽条件也是形成降水的重要条件之一。从整层积分的水汽通量散度差值场(图5c)来看，西南地区东部位于显著的差值辐散区，不利于产生降水。

5 大气热源及海温分布特征

干旱和洪涝实际上是大气环流异常变化的反映，而大气环流的异常变化又常常是大气热源异常强迫的结果;大量研究表明，海温是影响大范围的环流异常的一个重要因素(杨修群和黄士松，1993;武炳义和张人和，2011)。本文将从热源和海温的角度，尝试找出西南地区东部秋季旱涝的成因。

5.1 热源场

图5 西南地区东部秋季旱涝年500 hPa垂直运动(a;单位10－2Pa·s－1)、经向环流(b;103～111°E平均)和整层积分的水汽通量散度(c;单位g·cm－2·s－1)的差值场(差值场为旱年减去涝年;阴影区表示通过0.05信度的显著性差值t检验)Fig.5 The difference of(a)vertical velocity between drought and flood years at 500 hPa(units:10 －2Pa·s－1)，(b)latitude-pressure circulation between drought and flood years(averaged from 103—111°E)，and(c)the divergence of vertically-integrated water-vapor transportation(units:g·cm －2·s－1)in autumn in the eastern region of Southwest China(drought－flood;shaded area indicates the region beyond 95%confidence level in t test)

大气热源是驱动大气环流的重要因子，其异常会显著影响大气环流，进而影响降水的异常(高斯等，2010)。为寻找旱涝年热源的分布特征，对旱涝年总热源场进行了合成分析(图6a)。可见，西南地区东部位于负值区，即旱年热源偏弱，这很可能是由于旱年水汽凝结潜热的释放偏少造成的。苏门答腊—西太平洋一带存在显著的正值区，说明西南地区东部旱年，该海区热源偏强;而西印度洋及赤道中东太平洋存在显著的负值区，表明西南地区东部旱年，这两个海区的热源偏弱。

为进一步说明所研究区域的干旱与热源的关系，对西南地区东部秋季降水与同期热源场求相关(图6b)发现，从西印度洋到东太平洋的热带海区，相关系数呈现“+－+”的分布。从850 hPa差值风场(图4)与差值热源的配置来看，苏门答腊附近的差值热源西侧，存在关于赤道对称的气旋性差值环流对，而南海气旋性差值环流恰好位于西太平洋差值热源的西北侧，这样的热带水平风场结构类似于热带异常热源激发的热带波动(Gill，1980)。

5.2 海温场

热源场是综合了众多因素的强迫场，而已有研究证明，海温作为一种外强迫场，其异常对引起大范围环流异常有着最为重要的影响(杨修群和黄士松，1993)。故进一步从旱涝年海温场的分布特征分析西南地区东部秋季降水与同期海温的关系，进而寻找形成干旱的原因。

由旱涝年同期海温的差值场(图7a)发现，从西印度洋到东太平洋的热带海区，呈现“－+－”的差值分布，从秋季降水与同期海温的相关场(图7b)可以看出，相关系数的分布与5.1节中的热源与降水的相关分布基本一致，显著相关区集中在热带海洋，从西印度洋到东太平洋的热带海区，呈现“+－+”的相关系数分布，说明苏门答腊—西太平洋的热源异常可能与海温异常有关。

为方便进一步研究，将这些显著相关区域按照相关系数的分布划分为3个海区，分别为:Ⅰ区(苏门答腊—西太平洋)，Ⅱ区(西印度洋)，Ⅲ区(东太平洋)。为进一步弄清旱涝年与海温分布的关系，将所有旱涝年的海温异常分布进行统计(表1)可见，旱年中，除1962、1979以及2009年以外，大部分年份海温分布均与相关系数分布相对应，表现为为“－+－”的分布型;涝年中，除了1965年以外，其他年份海温分布均与相关系数的分布相对应，表现为“+－+”的分布型。值得注意的是，2009年海温异常的分布与多数干旱年份的异常分布完全相反。

图6 西南地区东部秋季旱涝年的热源差值场(a;差值场为旱年减去涝年;单位:W·m－2;阴影区表示通过0.05信度的差值t检验)和秋季降水与同期热源的相关场(b;阴影区表示通过0.01信度的显著性检验)Fig.6 (a)The difference of heat between drought and flood years in autumn(drought－ flood;units:W·m－2;shaded area indicates the region of over 95%confidence level in t test);(b)The correlation between autumn precipitation in the eastern region of Southwest China and heat during the same period with the shaded area of over 99%confidence level

图7 西南地区东部秋季旱涝年的海温差值场(a;差值场为旱年减去涝年;单位:℃;阴影区通过0.05信度的显著性差值t检验)和秋季降水与同期海温的相关场(b;阴影区表示通过0.01信度的显著性检验)Fig.7 (a)The difference of SST between drought and flood years in autumn(drought － flood，units:℃;shaded area indicates the region of over 95%confidence level in t test)，and(b)the correlation between autumn precipitation in the eastern region of Southwest China and SST during the same period(with the shaded area of over 99%confidence level)

表1 西南地区东部秋季旱涝年海温异常的分布Table 1 The distribution of SSTA in drought and flood years in autumn in the eastern region of Southwest China

6 数值模拟

以上观测分析表明，西印度洋至东太平洋的热带海区，存在3个与西南地区东部秋季降水显著相关的区域。那么，是否3个海区的海温对所研究区域的秋季降水都有影响?哪个海区的海温对所研究区域的降水多寡起着更重要的作用?为了找出关键海区，接下来，本文利用大气环流模式NCAR CAM 3.0进行模拟研究。

6.1 试验方案

为了研究3个不同海区的海温对西南地区东部秋季降水的影响，本文设计了如下数值试验:

1)控制试验

以气候月平均海温作为下边界条件，模式自第0年9月起，积分至第10年12月，取后5 a的平均值作为控制试验的结果。由于以往的文献对该模式的介绍较多(Plumb，1985;Kiehl et al.，1998)，这里不再给出控制试验的结果。

2)西太平洋(Ⅰ区)海温异常试验

正异常试验:取控制试验的第5年12月的结果作为初始条件，选取Ⅰ区即苏门答腊—西太平洋附近为异常区域，在该区域秋季(9—11月)的气候海温场中加入海温正异常作为模式的下边界，再积分5 a，将这5 a秋季的平均值作为正异常试验的结果。试验中加入的正海温异常分布如图8所示。

负异常试验:方法与正异常试验一致，仅加入的海温异常取相反数。

3)西印度洋(Ⅱ区)海温异常试验

此试验中同样包含一个正异常试验及一个负异常试验，方法同前一组试验，仅海温异常区域不同，为Ⅱ区即西印度洋地区，试验中加入的海温异常分布如图8所示。

4)东太平洋(Ⅲ区)海温异常试验

此试验中同样包含一个正异常试验及一个负异常试验，方法同前一组试验，但海温异常区域及异常值不同，区域为Ⅲ区即东太平洋地区，试验中加入的海温异常分布如图8所示。

5)综合海温试验

此试验中同样包含一个正异常试验及一个负异常试验，方法同前一组试验，但在所有3个海区同时加上海温异常，正异常试验在Ⅰ区加入海温正异常并在Ⅱ、Ⅲ区加入负异常，负异常试验在相应区域加上相反的海温异常。加入的异常值同前几组海温异常试验。

6.2 试验结果分析

由Ⅰ区海温正负异常试验的降水差值(图9)可知，苏门答腊—西太平洋一带海温偏高时，该海区降水偏多，同时，西南地区东部降水偏少(图9a)。环流场上表现为哈德莱环流偏强(图9c)，进而导致该地区处于偏强的下沉运动控制(图9b)。另外，热带印度洋的差值西风与中东太平洋的差值东风在西太平洋附近辐合，热带西太平洋至孟加拉湾一带存在一气旋性差值环流(图9a)，其外围偏北差值气流控制西南地区东部，同时，其南侧存在一个与其关于赤道对称的气旋性差值环流。孟加拉湾受偏东气流控制，导致向西南地区东部输送的水汽偏少，进而使所研究区域发生干旱。模拟结果与观测结果较一致，这也与热带异常热源激发的热带水平环流结构相吻合(Gill，1980)。表明苏门答腊—西太平洋的海温异常对西南地区东部秋季旱涝存在显著影响。

从Ⅱ区敏感性试验(图10)的结果来看，该海区的海温偏冷时，并没有使西南地区东部降水减少，也没有形成利于西南地区东部产生干旱的环流形势。因此，该海区并不是影响西南地区东部秋季旱涝的关键区域。

Ⅲ区的敏感性试验结果(图11)与Ⅰ区的试验结果(图10)较为相似，中东太平洋海温偏低时，该海区降水偏少，同时，西南地区东部降水偏少。从环流场上看，热带差值西风及差值东风在西太平洋附近辐合，西太平洋上存在一气旋性差值环流，其外围偏东北气流控制西南地区东部。孟加拉湾同样受偏东气流控制，不利于水汽输送，从而形成有利于西南地区东部发生干旱的环流形势。模拟结果说明东太平洋海温对西南地区东部秋季降水亦存在重要影响。

由综合海温异常试验的结果(图12)可以发现，“－+－”的海温异常分布确实会使西南地区东部处于偏北气流控制，同时孟加拉湾处于偏东气流控制不利水汽输送，并且此海温分布利于加强哈德莱环流，进而使所研究区域产生干旱。这与诊断分析的结果基本一致。另外，这与刘宣飞和袁慧珍(2006)提出的当印度洋偶极子正位相与El Nino伴随出现时，中国西南地区秋季降水大范围正异常的结论也是一致的。

图8 敏感性试验中加入的海温异常示意(单位:℃)Fig.8 The regions where abnormalities are introduced(units:℃)

图9 Ⅰ区正负异常试验的差值场(差值场为正异常试验减去负异常试验) a.降水及850 hPa风场差值场(阴影区表示降水负差值区，单位:mm·d－1;流线为风场差值);b.500 hPa垂直运动差值场(阴影区表示差值下沉区，单位:10－2Pa·s－1);c.经向环流差值场(103 ～111°E 平均)Fig.9 The difference between the two tests in region Ⅰ(positive test－ negative test) a.the difference of precipitation and wind at 850 hPa(shaded area is the region where difference of precipitation is negative，units:mm·d－1;the streamlines indicate difference of wind field);b.the difference of vertical velocity at 500 hPa(with the positive value shaded，units:10 －2Pa·s－1);c.the difference of latitude-pressure circulation averaged from 103°E to 111°E

图10 Ⅱ区正负异常试验的差值场(差值场为负异常试验减去正异常试验) a.降水及850 hPa风场差值场(阴影区表示降水负差值区，单位:mm·d－1;流线为风场差值);b.500 hPa垂直运动差值场(阴影区表示差值下沉区，单位:10 －2Pa·s－1)Fig.10 The difference between the two tests in region Ⅱ(negative test－ positive test) a.the difference of precipitation and wind at 850 hPa(shaded area is the region where difference of precipitation is negative，units:mm·d－1;the streamlines indicate difference of wind field);b.the difference of vertical velocity at 500 hPa(with the positive value shaded，units:10 －2Pa·s－1)

图11 Ⅲ区正负异常试验降水和850 hPa风场的差值场(差值场为负异常试验减去正异常试验;阴影区表示降水负差值区，单位:mm·d－1;流线为风场差值)Fig.11 The difference of precipitation and wind at 850 hPa between the two tests in region Ⅲ(negative test－ positive test;shaded area is the region where difference of precipitation is negative，units:mm·d－1;the streamlines indicate difference of wind field)

图12 3个海区同时叠加异常海温的正负异常试验差值场(差值场为正异常试验减去负异常试验) a.降水及850 hPa风场差值场(阴影区表示降水负差值，单位:mm·d－1;流线为风场差值);b.500 hPa垂直运动差值场(阴影区表示差值下沉，单位:10－2Pa·s－1);c.经向环流差值场(103 ～111°E 平均)Fig.12 The difference between the two tests in all three regions(positive test－ negative test) a.the difference of precipitation and wind at 850 hPa(shaded area is the region where difference of precipitation is negative，units:mm·d－1;the streamlines indicate difference of wind field);b.the difference of vertical velocity at 500 hPa(with the positive value shaded，units:10－2Pa·s－1);c.the difference of latitude-pressure circulation averaged from 103°E to 111°E

结合以上数值试验结果可以发现，西印度洋、苏门答腊—西太平洋及东太平洋这3个海区“－+－”的海温异常分布确实会影响到西南地区东部秋季干旱的形成。其中，Ⅰ区及Ⅲ区海温均对所研究区域的降水有显著影响，而Ⅱ区的海温对所研究区域的降水并不存在影响。Ⅰ区及Ⅲ区“+－”的海温异常分布一方面通过在南海及孟加拉湾附近激发异常气旋性环流，使西南地区东部位于其西北侧偏北气流控制，另一方面加强哈德莱环流，使西南地区东部位于加强的下沉气流控制，从而形成干旱。

7 结论

1)西南地区东部秋季降水存在显著减少趋势，并存在明显的年代际变化，在20世纪80年代中后期，降水存在由偏多转偏少的突变。

2)苏门答腊—西太平洋及热带东太平洋的“+－”海温异常分布，通过影响苏门答腊—西太平洋的大气热源分布，从而对我国西南地区干旱产生影响。大气热源异常一方面在南海及孟加拉湾附近激发异常气旋性环流，使偏北气流控制西南地区东部，削弱了孟加拉湾向我国西南地区的水汽输送，另一方面通过加强哈德莱环流，使西南地区东部处于异常下沉区，从而有利于该地区干旱的形成。

3)数值试验表明，苏门答腊—西太平洋海温异常偏暖(冷)，热带东太平洋海温异常偏冷(暖)，可导致西南地区东部秋季降水的减少(增多)，这进一步验证了观测分析的结果。而数值试验的结果也表明，西印度洋的海温异常对西南地区东部的秋季降水不起作用。

统计旱涝年的海温异常分布可以发现，虽然大部分年份的海温分布与降水和海温的相关系数分布形势相匹配，但也有例外的年份，2009年甚至出现与其他年份完全相反的海温异常分布型。该年份导致干旱的原因是值得进一步探讨的。另外，本文主要讨论了年际旱涝的环流特征及成因，而年代际尺度上，所研究区域的显著变旱是由什么因素造成的，也有待进一步研究。

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