云南2009—2014年持续性气象水文干旱特征及成因分析

荣艳淑，巩 琳，，卢寿德

(1.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098；2.黄河水利委员会中游水资源保护局，山西 晋中 030600)

干旱是一种影响大、范围广、危害深的频发性和慢性的自然灾害，严重威胁着人类社会生活和经济发展[1-4]。近年来，随着全球气候变暖，我国西南地区干旱事件增多、旱灾明显加重[5-7]。特别是2009年以来，云南地区持续遭受干旱影响，连年干旱的叠加效应使农作物大面积减产甚至绝收，云南多处水库塘坝干涸，山区群众饮水和农业灌溉困难，生态环境受到影响，经济损失严重[8-9]。

云南气候独特，干湿季节分明，雨季(5—10月)降水占全年降水总量的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发生干旱的季节[10]，干旱成因也有差异。2003年夏季和2006年夏季，云南都出现了严重干旱，高温伴随降水减少，使干旱影响日趋严重[11]。2009秋季到2010年春季，云南又出现了严重的秋、冬、春连续严重干旱[8]。云南楚雄地区更是连续5年干旱[7]，引起人们对云南地区持续性干旱成因的关注。

研究表明，云南冬季干旱主要与南支槽、孟加拉湾水汽输送以及极涡、北极涛动(Arctic oscillation，AO)、北大西洋涛动(North Atlantic oscillation，NAO)异常有关[12-13]；云南夏季干旱主要与西太平洋副热带高压、南亚高压及亚洲夏季风有关[14-15]；云南春季、秋季干旱多与西风带环流系统异常有关[16-18]。

目前研究多着眼于某个干旱事件，特别是针对2009—2010年秋冬季节云南干旱问题[8, 19]。实际上，始于2009年秋季的干旱并未终止，曾有人在2014年讨论云南地区持续4年的干旱问题下[8]。这样长的持续性干旱在云南历史上有记载以来从未出现过，其形成原因值得深入探讨。笔者拟对2009年开始的云南气象和水文干旱进行详细讨论，并就干旱成因进行初步分析。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

云南省位于中国西南部，地形复杂多变，由西北部横断山区向东南部云贵高原过渡，海拔高度由5 000 m逐渐降低为1 000 m，气候也由西北部的山地立体气候，逐渐变为东北部亚热带季风气候和南部热带季风气候。云南省大部地区年降水量在1 100 mm左右，南部可达1 600 mm以上。但是，降水在时空分布上极不均匀，特别是干季降水量只占全年15%左右[10]，容易发生干旱。

1.2 数据来源

①逐月戴一帕尔默干旱强度指数(Dai Palmer Drought Severity Index，Dai-PDSI)数据。取自美国国家海洋和大气管理局网站(http://www.esrl.noaa.gov/psd/)，水平分辨率为2.5°×2.5°，时间长度为1960—2014年。选取与云南省区域范围最接近的16个格点数据(图1)，以该区域的算术平均值作为云南地区的平均Dai-PDSI。②逐月流量数据。取流域内溪洛渡、天一和糯扎渡3个水文站(图1中的红色五星)的月平均流量数据，均经过还原计算，资料长度为1960—2014年。③美国环境预测中心(NCEP),美国国家大气研究中心(NCAR)逐月再分析资料。选取了位势高度、风场、垂直速度、比湿、水汽通量等，高度从1 000 hPa到100 hPa，水平分辨率为2.5°×2.5°，时间长度与前两类数据相同。④逐月降水数据。从中国气象数据共享服务网获得云南省28个气象站点(图1中的空心圆)的逐月平均降水量数据，资料长度为1961—2014年。所有数据的气候平均态时用1971—2000年平均值表示，距平用月值与气候平均态的偏差表示。

图1 云南区域格点、水文站点及气象站点空间分布

2 研究指标与研究方法

2.1 研究指标

Dai-PDSI是Dai等[20]在帕尔默干旱指数(Palmer drought severity index,PDSI)基础上改进而来的，是考虑了全球气候变暖情况后的修正指数。径流干旱指数(streamflow drought index，SDI)是依据Nalbantis等[21]的定义而计算的， SDI值有月、季、半年和年尺度的序列，分别用SDI1、SDI3、SDI6和SDI12表示。两类干旱指标的等级划分见表1。

表1 Dai-PDSI和SDI对应的干旱等级

2.2 研究方法

a. 应用皮尔逊相关分析反映两个随机变量之间的线性相关关系。设有两个变量x1，x2，…，xn和y1，y2，…，yn，两个变量之间相关系数r的计算公式为

(1)

当r的数值越接近±1，表示两个序列的线性关系越好；越接近零，表示两个序列的线性关系越不好。

b. 使用距平Pa和距平百分率Pf反映数据与平均值的差异，其中,Pa反映序列中某个数值与平均值的偏差，Pf反映序列中某个数值与平均值的偏离程度。其表达式为

Pa=Pi-Pm

(2)

Pf=(Pi-Pm)/Pm×100%

(3)

式中：Pi表示某序列中i时刻的数值；Pm为1971—2000年气候基准期的平均值。

c. 应用合成分析方法对多个特定时段的气象要素平均值进行综合分析。

3 结果与讨论

3.1 气象干旱特征

3.1.1 时间演变特征

云南省区域平均Dai-PDSI随时间变化情况见图2。在1961—2014年(图2(a))，云南干旱指标显示了3个阶段性特征：①1960—1980年，干旱次数较少、间隔时间较长；②1990—2000年，干旱次数明显增多、间隔明显缩短；③2000年以后，干旱次数增多、强度增大、持续时间也明显延长，特别是2009年以来，云南出现持续干旱。

从图2(b)可以看到，2009年以来干旱迅速增强，在该年秋季达到极端干旱，在2011年春季干旱强度减弱为轻到中旱，之后干旱强度再次增大，达到重度和极端干旱。众多文献讨论过2009年秋冬到2010年春季西南地区重大干旱过程[8-9，12-13，19-23]。但是，西南其他地区在2010年秋季以后干旱明显缓解，然而，云南干旱仅仅程度略有减弱，干旱并未结束。以季节为时间尺度时，云南干旱存在几个严重的干旱季节(图2(c))，其中，2009年秋季和冬季、2010年春季和夏季、2012年夏季和秋季均达到特旱(Dai-PDSI值不大于-4)程度。因此，云南自2009年以来的干旱已达到最近60多年来罕见的程度。

(a) 1961—2014年

(b) 2009—2014年

(c) 2009—2014年季节变化

图3 云南省逐月平均降水距平百分率的时间变化

图3是云南省2009—2014年逐月降水量距平百分率的时间变化情况。图3中仅有短暂几个月出现接近和超过50%的降水距平百分率，与图2(b)对比，可见这几个月份恰恰是干旱程度略有减轻的时段。此外，其余各月降水基本为负距平百分率或很小的正距平百分率，表明降水减少是云南干旱持续和加重的主要原因。

3.1.2 空间演变特征

为了全面分析2009—2014年云南持续干旱的空间演变规律，从经度-时间剖面图和纬度-时间剖面图(图4)两个角度分析云南干旱的空间演变规律。从东西方向上看(图4(a))，2009年夏季云南东、西两侧旱情严重、中部稍弱。2009年秋季开始，干旱从云南东西两侧向中间扩展，并逐渐在全省漫延。从2010年秋季开始，云南西部旱情略有缓解，但是，东部仍存在极端干旱。2011年冬季开始，重旱到极端干旱在全省漫延，东部在2014年干旱略有缓解。从南北方向上看(图4(b))，2009年春季到夏季，北部有轻到中旱，2009年冬季到2010年夏季，极端干旱从北部贯穿到南部。2010年冬季到2011年春季，干旱程度减轻。但是，从2011年夏季开始，极端干旱区集中在中北部(23°N～29°N)，云南南部稍有减轻。

(a) 经度-时间剖面(21°N～29°N平均)

(b) 纬度-时间剖面(98°E～106°E平均)

纵观2009—2014年云南干旱在空间上的演变可以发现，云南极端干旱呈现中心不固定、中部和东北部干旱最重、东南部干旱稍轻的特点。

3.2 水文干旱特征

云南境内分布着众多水域及河流，气象干旱出现的同时，很多池塘、小河干涸，流域水位下降，这是水文干旱的表现。为了解云南水文干旱的程度，以金沙江、南盘江及澜沧江的控制流域为界，将云南省大致分成北部、东部和西部3个区域，北部归为金沙江流域，代表站取溪洛渡；东部归为南盘江流域，代表站取天一；西部归为澜沧江流域，代表站取糯扎渡。利用以这3个代表站的SDI值，分析水文干旱的演变过程。

图5是3个水电站SDI值和3个区域Dai-PDSI值在2009—2014年期间的演变过程。云南北部(图5(a))、云南东部(图5(b))和云南西部(图5(c))稳定地形成气象干旱的时间分别是2009年2月、2009年7月和2008年4月，溪洛渡、天一和糯扎渡SDI达到水文干旱标准的时间分别是2009年5月、2009年7月和2008年12月。在时间响应上，云南北部金沙江和西部澜沧江的水文干旱滞后于气象干旱，云南东部的南盘江水文干旱几乎与气象干旱同时出现。在强度上，云南北部金沙江和东部南盘江超过53%的月份水文干旱达到了重旱和特旱的强度，云南西部澜沧江的水文干旱只有中等强度。

(a) 北部，溪洛渡

(b) 东部，天一

(c) 西部，糯扎渡

因此，云南气象干旱出现时，水文干旱相伴而生。3个水电站的水文干旱过程与气象干旱均有一致的演变规律，但是，水文干旱强度略低于气象干旱，这可能与水电站用水库水量调节河道水量损失、使流域水文响应强度下降有一定关系。

3.3 干旱成因分析

干旱形成的表面原因是降水减少，根本原因是大气环流异常。云南自2009年进入干旱状态，到2014年仍未显示终止的迹象。

3.3.1 夏季环流异常

由图2(c)可知，2009—2014年持续干旱过程中，夏季干旱很严重。图6给出了2009—2014年逐月500 hPa和100 hPa平均位势高度和距平的时间-经度剖面图，在这两个高度层可以清楚地看到西太平洋副热带高压和青藏高压的演变过程。

在图6(a)中，2010年、2013和2014年夏季西太平洋副高(5 880 gpm等值线)的西边界均显著超过平均位置(130°E)，西太平洋副高面积也明显大于平均值，这是对流层中层西太平洋副高显著增强的标志。2009年夏季和2012年夏季，西太平洋副高西伸较少，但是，90°E—110°E区域内仍有位势高度升高现象，表明那里可能受较强的大陆高压控制。只有2011年夏季西太平洋副高没有向西扩张，但是，该年春季和秋季太平洋副高面积和强度显著增强、西伸较大，表明西太平洋副高只在夏季有短暂减弱，其他季节仍然很强。对流层顶层的青藏高压(16 800 gpm等值线)中心基本在90°E以西(图6(b))，因此，它是西部型青藏高压。钱永甫等[20]的研究表明，西部型青藏高压可控制中国105°E以西的广大地区，使那里盛行下沉气流，降水显著减少。

(a)500 hPa(取15°N～30°N平均)

(b) 100 hPa(取25°N～35°N平均)

因此，对流层中层持续被增强的西太平洋副高控制，对流层高层受青藏高压影响，对流层中层和上层持续在下沉气流控制下，均不利于形成降水，这可能是云南这几年夏季干旱严重的原因之一。

3.3.2 冬季环流异常

2009—2014年多个冬季干旱也非常严重。在云南，冬季天气形势中南支槽占有重要地位。图7给出了2009—2014年冬季700 hPa位势高度、相对涡度和水汽通量距平的空间分布图，图7中黑色粗线代表高空槽，其中，孟加拉湾北部的槽就是南支槽，云南北部的槽是西风带气流从青藏高原北侧绕流后在高原东南侧形成的槽，称为高原东侧槽。为了解南支槽的强度，可使用文献[23]的方法，计算南支槽的强度指数。

2009—2010年冬季是云南干旱最严重的冬季，南支槽和高原东侧槽均存在，但是，南支槽强度指数显著偏弱，槽区只有向西的水汽通量距平，水汽只集中在南支槽区附近，并没有向云南输送。在这种形势下，云南冬季降水显著偏少。在2011/2012、2012/2013、2013/2014和2014年秋冬季，云南干旱均为重旱程度。这几个冬季中，南支槽或者很弱，或者不存在，水汽不能在云南地区汇集。2010/2011冬季云南干旱为中等程度，在图7中，该冬季南支槽有一定的强度，但是，槽区只有来自西风带的水汽通量距平，并未出现来自孟加拉湾或南海的水汽通量，因此，这个冬季降水仍然显著偏少。

因此，云南地区连续多个冬季南支槽偏弱，无法在槽前形成稳定的西南水汽输送气流，不利于降水形成，这可能是导致冬季降水偏少的原因之一。

3.3.3 垂直运动与水汽条件异常

图8和图9分别是云南气候基准期的垂直速度和比湿速度-时间剖面图，图10和图11分别是2009—2014年垂直速度距平和比湿距平的高度—时间剖面图。云南平均海拔在2 000 m左右，因此，图8- 11给出了700 hPa以上的高度-时间剖面图。

云南4—11月垂直运动以上升运动(垂直速度为负值)为主(图8)；12月—至次年3月600 hPa以上的高空基本为下沉运动(垂直速度为正值)，只在600 hPa以下的薄层中有较小的上升运动。在2009—2014年期间(图10)，云南的垂直速度基本以正距平为主，鲜有负距平，只在2009年春季、2012年夏季、2013年春季和2014年春季到夏季出现较小的负距平，表明这一时期云南地区的上升运动变得很弱，或者下沉运动增强，对降水非常不利。

(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

图7 2009—2014年冬季700 hPa位势高度、相对涡度和水汽通量距平空间分布(单位：g·m·kg-1·s-1)

在气候基准期中云南地区夏季比湿最大(图9)，比湿可伸展到对流层上层，其余季节比湿较小，而且更多集中在对流层中下层。在2009—2014年(图11)，从对流层低层到高层，多数时间内比湿为负距平，只有短暂时间出现比湿正距平。因此，在2009—2014年，云南上空的大气湿度显著减少，也不利于形成降水。

4 结 论

a. 云南省自1961年以来，干旱过程越来越多，干旱间隔越来越短，2009—2014年成为云南历史上有记载以来干旱持续时间最长、极端干旱月数最多、干旱强度最大的一个干旱期。从年尺度上看2010年是最干旱的一年；从季节尺度上看，2010年夏季干旱最重，2009/2010年冬季干旱次之；从月尺度上看，2010年8月是最旱的月份。从空间分布上看，干旱从云南东西两侧向中部发展，2011年以后，干旱稳定在中东部，因此，云南中东部旱情最重，东南部干旱稍轻。

b. 云南境内的金沙江、南盘江及澜沧江所控制的流域在2009—2014年期间均发生水文干旱，金沙江和南盘江出现重度水文干旱，澜沧江出现中度水文干旱，水文干旱强度弱于气象干旱。

c. 2009—2014年期间夏季干旱是西太平洋副高和青藏高压共同影响的结果。在它们的双重控制下，多个夏季云南地区盛行下沉气流，不利于降水形成，垂直运动也证实了这一结论。

d. 在2009—2014年期间多个冬季南支槽显著减弱或消失，无法引导孟加拉湾水汽向云南输送，也无明显水汽在云南汇集。大气比湿的垂直分布也证实了云南地区大气干燥，水汽含量很少。

参考文献：

[1]秦建国,张泉荣,洪国喜,等.太湖地区2011年春季严重干旱成因与预测[J].水资源保护,2012,28(6):29-32.(QIN Jianguo,ZHANG Quanrong,HONG Guoxi,et al.Causes of a severe drought in spring of 2011 in Taihu Lake area and drought prediction[J].Water Resources Protection,2012,28(6):29-32.(in Chinese))

[2]张弘,王文卓,李琼芳,等.不同干旱指数在唐山地区旱情评价中的应用[J].水资源保护,2013,29(6):64-69.(ZHANG Hong,WANG Wenzhuo,LI Qiongfang,et al.Drought evaluation of Tangshan region using multiple drought indices[J].Water Resources Protection,2013(6):64-69.(in Chinese))

[3]慈晖,张强，白云岗，等.标准化降水指数与有效干旱指数在新疆干旱监测中的应用[J].水资源保护,2015,31(2):7-14.(CI Hui，ZHANG Qiang，BAI Yungang，et al.Application of standardized precipitation index and effective drought index in drought monitoring in Xinjiang[J].Water Resources Protection,2015,31(2):7-14.(in Chinese))

[4]吴志勇,林青霞.西江流域水文干旱时空特征分析[J].水资源保护,2016,32(1):51-56.( WU Zhiyong,LIN Qingxia.Analysis on spatial and temporal characteristics of hydrological drought in Xijiang River[J].Water Resources Protection,2016,32(1):51-56.(in Chinese))

[5]李韵婕,任福民,李忆平,等.1960-2010年中国西南地区区域性气象干旱事件的特征分析[J]．气象学报,2014,72(2):266-276.(LI Yunjie,REN Fuming,LI Yiping,et al.A study of the characteristics of the southwestern China regional meteorological drought events during 1960-2010[J]．Acta Meteorologica Sinica,2014,72(2):266-276.(in Chinese))

[6]韩兰英,张强,姚玉璧,等.近60年中国西南地区干旱灾害规律与成因[J]．地理学报,2014,69(5):632-639.(HAN Lanying,ZHANG Qiang,YAO Yubi,et al.Characteristics and origins of drought disasters in Southwest China in nearly 60 years[J].Acta Geographica Sinica,2014,69(5):632-639.(in Chinese))

[7]贾春强,董延军,彭俊台,等.南盘江流域旱涝时空分布规律研究[J]．干旱区资源与环境,2014,28(1):104-108.(JIA Chunqiang,DONG Yanjun,PENG Juntai,et al.Spatial-temporal laws of droughts and floods cross Nanpan River Basin[J].Journal of Arid Land Resources and Environment,2014,28(1):104-108.(in Chinese))

[8]黄荣辉,刘永,王林,等.2009年秋至2010年春我国西南地区严重干旱的成因分析[J].大气科学,2012,36(3):443-457.(HUANG Ronghui,LIU Yong,WANG Lin,et al.Analyses of the causes of severe drought occurring in Southwest China from the fall of 2009 to the spring of 2010[J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences,2012,36(3):443-457.(in Chinese))

[9]胡学平,王式功,许平平,等.2009—2013年中国西南地区连续干旱的成因分析[J].气象,2014,40(10):1216-1229.(HU Xueping,WANG Shigong,XU Pingping,et al.Analysis on causes of continuous drought in Southwest China during 2009—2013[J].Meteorological Monthly,2014,40(10):1216-1229.(in Chinese))

[10]段旭,尤卫红,郑建萌.云南旱涝特征[J],高原气象，2000，19(1):84-90.(Duan Xu,YOU Weihong,ZHENG Jianmeng.The drought and flood feature in Yunnan[J].Plateau Meteorology,2000,19(1):84-90.(in Chinese))

[11]李永华,徐海明,刘德.2006年夏季西南地区东部特大干旱及其大气环流异常[J].气象学报,2009,67(1):122-132.(LI Yonghua,XU Haiming,LIU De.Features of the extremely severe drought in the east of Southwest China and anomalies of atmospheric circulation in summer 2006[J].Acta Meteorologica Sinica,2009,67(1):122-132.(in Chinese))

[12]王斌,李跃清.2010年秋冬季西南地区严重干旱与南支槽关系分析[J].高原山地气象研究,2010,30(4):26-35.(WANG Bin,LI Yueqing.Relationship analysis between south branch trough and severe drought of Southwest China during autumn and winter 2009/2010[J].Plateau and Mountain Meteorology Research,2010,30(4):26-35.(in Chinese))

[13]胡学平.近50年中国西南地区干旱变化特征及冬半年持续干旱成因研究[D].兰州：兰州大学,2015.

[14]杨开斌,克来木汗·买买提,葛朝霞,等.西南地区夏季干旱影响因素分析及干旱预测[J].水电能源科学,2016,34(3):11-14.(YANG Kaibin,KELAIMUHAN Maimaiti,GE Zhaoxia,et al.Influencing factors analysis and prediction of summer drought in Southwest China[J].International Journal Hydroelectric Energy,2016,34(3):11-14.(in Chinese))

[15]王遵娅,任福民,孙冷,等.2011年夏季气候异常及主要异常事件成因分析[J].气象,2012,38(4):448-455.(WANG Zhunya,REN Fumin,SUN Leng,et al.Analysis of climate anomaly causation in summer 2011[J].Meteorological Monthly,2012,38(4):448-455.(in Chinese))

[16]晏红明,段旭,程建刚.2005年春季云南异常干旱的成因分析[J].热带气象学报,2007,23(3):300-306.(YAN Hongming,DUAN Xu,CHENG Jiangang.Study on a sever drought event over Yunnan in spring 2005[J].Journal of Tropical Meteorology,2007,23(3):300-306.(in Chinese))

[17]晏红明,程建刚,郑建萌,等.2009年云南秋季特大干旱的气候成因分析[J].南京气象学院学报,2012,35(2):229-239.(YAN Hongming,CHENG Jiangang,ZHENG Jianmeng,et al.The climate cause of heavy drought in Yunnan in autumn 2009[J].Journal of Nanjing Institute of Meteorology,2012,35(2):229-239.(in Chinese))

[18]黄慧君,李庆红,高月忠,等.云南省2009/2010年秋冬季罕见干旱诊断分析[J].热带地理,2011,31(1):28-33.(HUANG Huijun,LI Qinghong,GAO Yuezhong,et al.Diagnosis of the severe drought in autumn/winter 2009—2010 in Yunnan Province[J].Tropical Geography,2011,31(1):28-33.(in Chinese))

[19]严华生,李艳,晏红明,等.热带海温变化对云南初夏干湿转换季节雨量的影响[J].热带气象学报,2002,18(2):165-172.(YAN Huasheng,LI Yan,YAN Hongming,et al.Influence of SST variations of the tropical ocean on rainfall during the season when dryness turns to wetness in early summer in Yunnan[J].Journal of Tropical Meteorology,2002,18(2):165-172.(in Chinese))

[20]DAI A,TRENBERTH K E,QIAN T.A global data set of palmer drought severity index for 1870—2002:relationship with soil moisture and effects of surface warming[J].Journal of Hydrometeorology,2009,5(6):1117-1130.

[21]NALBANTIS I,TSAKIRIS G.Assessment of hydrological drought revisited.[J].Water Resources Management,2009,23(5):881-897.

[22]钱永甫,张琼,张学洪.南亚高压与我国盛夏气候异常[J].南京大学学报(自然科学版),2002,38(3) :295-307.(QIAN Yongfu,ZHANG Qiong,ZHANG Xuehong.The South Asian high and its effects on China’s mid-summer climate abnormality[J].Journal of Nanjing University(Natural Sciences),2002,38(3) :295-307.(in Chinese))

[23]张亮,荣艳淑,魏佳.冬半年南支槽与乌江流域汛期径流的关系探讨[J].气象科学,2018,37(6):766-775.(ZHANG Liang,RONG Yanshu,WEI Jia.Relationship between wintertime southern branch trough and runoff of Wujiang basin in flood period[J].Journal of the Meteorological Sciences,2018,37(6):766-775.(in Chinese))