1961—2018年西南地区夏季干旱变化特征及其与 环流异常的联系

吕纯月 管兆勇 黄垭飞

摘要 利用1961—2018年中国西南地区312站降水观测资料、NCEP/NCAR再分析资料及海表温度资料，采用夏季SPI（Standardized Precipitation Index）指数作为干旱指数，研究了西南地区夏季干旱变化特征及其与环流异常的联系。结果表明：西南地区夏季总体呈现变干趋势，尤其在云南、四川东南部干旱化趋势显著。当西南地区夏季显著干旱时，该地区对流层低层辐散、上层辐合，且向该地区的水汽输送偏少。造成西南地区干旱维持的原因可归结为大气波动活动异常和海温异常强迫。前者通过西风带扰动向下游的能量频散，为西南地区低层辐散、上层辐合的环流异常的形成和维持提供了必要的扰动能量积聚;后者通过热带西北太平洋异常热源对大气的强迫，使得该地区对流层低层（上层）形成异常辐合（辐散），在西南地区和热带西北太平洋形成了斜向垂直环流，使西南地区受下沉气流控制，从而形成了利于降水显著偏少和干旱发生并维持的条件。

关键词 SPI指数; 夏季干旱; 环流异常; 西南地区

随着全球气候增暖，极端天气气候事件频发，且呈现增多增强的趋势（Trenberth et al.，2003），严重影响了人类的生存环境和社会经济的可持续发展。其中，干旱作为极端气候事件中持续时间最长、影响范围最广、致灾最严重的气象灾害，受到了国内外学者的广泛关注（Wang et al.，2015;Han et al.，2016）。

我国受季风气候和复杂地形条件影响，干旱灾害发生频率、受灾程度远高于其他国家（王莺等，2015;Zhang and Zhou，2015）。针对我国传统干旱区、半干旱区的干旱特征及成因，已有许多研究（孟鑫和智协飞，2016;朱伟军等，2016;焦敏等，2019）。事实上，在传统北方地区干旱加重的同时，南方气候湿润带干旱也在扩展和加重（劉晓云等，2012;Wang et al.，2015），但相关研究仍然较少。

我国西南地区包括云南、贵州、四川、重庆四省市（全国一级气象地理区划），该地区地形地貌复杂，气候复杂多变，尽管位于气候湿润带，但受特殊地形地貌及季风气候的影响，干旱灾害频发。尤其在过去十多年里，破纪录的持续性干旱频繁发生（李永华等，2009;孙冷等，2012;杨辉等，2012）。这些干旱事件对人类的生存环境和社会可持续发展构成了严重的威胁。

对于西南地区的干旱特征，已有研究多侧重于年干旱尺度或旱季（熊光洁等，2013;Wang et al.，2018）。而对于西南地区的干旱成因，已有研究多集中于特定的干旱个例分析。如针对2006年川渝伏旱事件，李永华等（2009）从大气环流异常角度，认为西太副高偏北、偏西、偏强，使得西南地区盛行下沉气流，加之亚热带和中纬度环流的大尺度格局不利于南方暖湿空气和北方冷干空气的辐合，从而导致严重干旱的发生;刘银峰等（2009）则从热力异常角度，认为青藏高原热源偏弱、热带西太平洋暖池区热源偏强，是西太副高偏北偏强的重要原因。针对2009—2010特大秋、冬、春连旱事件，宋洁等（2011）研究发现此次干旱事件主要由西风带环流系统异常所致。从海温异常强迫角度，Zhang et al.（2013）认为前期厄尔尼诺的异常海温强迫是造成这次特大干旱的重要因子，但蒋兴文和李跃清（2010）、杨辉等（2012）则认为2009/2010年冬季的干旱不是由于厄尔尼诺的影响造成的，因为极端降水少年所合成的海温异常模态更类似于拉尼娜。

综上所述，对于西南地区干旱变得愈加频繁、严重这一趋势，已达成普遍共识。然而，西南地区干旱研究仍然非常不足，例如，针对西南地区危害严重的夏季干旱变化规律及其与环流异常的联系，尚未有更系统且深入的研究。因此，客观认识该地区夏季干旱的变化特征，从大气波动、海温异常强迫两方面探究西南夏旱背后的环流异常维持的原因，对于提高干旱预测水平，并进而为防御干旱灾害决策提供科学依据具有十分重要的意义。

1 资料与方法

1.1 资料

采用的资料包括：1）中国西南地区三省一市312个气象站的无缺测逐日降水资料，来自中国气象局整编的国家级地面气象站基本气象要素日值数据集（V3.0）（http：//data.cma.cn/data/detail/dataCode/SURF_CLI_CHN_MUL_DAY_V3.0.html）;2）网格点资料来自美国国家环境预报中心/国家大气研究中心（NCEP/NCAR）逐月再分析数据集（Kistler et al.，2001），具体有位势高度、纬向风、经向风、垂直速度、比湿、地面气压、降水，水平分辨率为2.5°×2.5°，地面土壤温度，水平分辨率为1°×1°，以及地面感热通量，水平分辨率约为2°×2°;3）英国哈德莱中心（Hadley Center）海表温度（HadISST）资料（Rayner et a1.，2003），水平分辨率为1°×1°。论文选取的时间为1961—2018年夏季（6—8月）。文中所有变量值均为夏季平均值或为基于夏季平均值导出。

1.2 方法

在降水量相对丰沛的西南地区，降水减少仍是干旱形成的主要因素（章大全，2010）。McKee et al.（1993）提出的标准化降水指数（Standardized Precipitation Index，SPI）能够抓住降水这一干旱最重要的决定因素，客观地表征某时段降水量出现的概率多少，适用于不同地区、不同时间尺度的干旱研究，尤其对于春夏季节，效果较好（Bordi et al.，2005）。故本文采用季节尺度的标准化降水指数（SPI-3，以下简称SPI）作为研究西南地区夏季干旱的主要指标。计算方法参照McKee et al.（1993）。干旱分级标准参考《GBT20481—2017气象干旱等级》国家规范中的划分标准（张强等，2006）。

针对大气Rossby波动，采用Takaya and Nakamura（2001）推导的波作用通量矢量（Wave-activity fluxes，WAF），用于诊断波扰动能量的传播。其水平分量在气压坐标中的计算公式为：

W=Wr+CUM，（1）

Wr=12|U|U（ψx-ψψxx）+V（ψ′xψ′y-ψ′ψ′xy）

U（ψ′xψ′y-ψ′ψ′xy）+V（ψ′2y-ψ′ψ′yy）。（2）

式中：ψ′是扰动地转流函数;U=（U，V）表示基本流场;Wr是波扰能量通量;CU是沿基流的相速度;M是描写小振幅准地转涡动的广义假动量。

另外，本文计算了视热源（Q1）异常（Luo and Yanai，1984;汪婉婷和管兆勇，2018），其计算公式为：

Q1=cpTt+V·SymbolQC@T+pp0kωp。（3）

Q1的垂直积分值为：

〈Q1〉=1g∫PSPTQ1dp=（LPr+LC-LE）+Qs+〈QR〉。（4）

式中：L为凝结潜热;Pr为降水量;C为气柱中去除已形成降水的水汽凝结所致的液态水生成量;E为气柱中云滴的蒸发量;Qs为地面感热输送;〈QR〉为辐射加热（冷却）的垂直积分;PS为积分下界面气压，PT为顶层气压，此处取300 hPa。

本文还采用了Mann（1945）最早提出Mann-Kendall趋势检验法（简称M-K法），Morlet小波变换方法（Torrence and Compo，1998），线性倾向估计（魏凤英，2007），合成分析和t检验等统计方法，研究了西南地区夏季干旱变化特征及其与环流异常的联系。

2 西南地区夏季干旱时空变化特征

利用1961—2018年逐月降水数据，采用“面积加权”区域平均法，計算各站及区域平均SPI值，并基于该干旱指标，从干旱强度、频率分析西南地区夏季干旱变化特征。

2.1 干旱强度

利用夏季SPI指数值的大小评价干旱严重程度（值越小，表示干旱越严重），分析西南整体夏旱强度变化趋势及空间变化格局（图1）。由图1a可知，1961—2018年期间，西南地区共发生15次夏季干旱事件，包括8次轻旱，3次中旱，1次重旱，3次特旱（分别发生于1972、2006、2011年）。根据报道和相关文献记录，列出了干旱受灾情况表（表1）。发现SPI指数可较好地反映历史干旱发生状况，在不同等级干旱发生时，都出现了不同程度的灾害。由M-K检验结果（图1b）可知，自1970年以来，西南地区整体存在变干趋势，21世纪以来，干旱化趋势在增强。由图1c可知，西南地区大部分站点存在变干趋势，尤其以云南、四川东南部干旱化趋势最为显著。

2.2 干旱频率

根据不同程度夏季干旱发生的次数计算相应等级的干旱发生频率，分析其空间特征（图2）。西南夏旱主要以轻、中旱为主（图2a、b），且整体呈西部高、东部低的块状分布，存在较强的局地性特征;中旱及以上干旱发生频率在9%～22%（图2b）;重旱及以上干旱发生频率在3.4%～10.5%，主要高发区在四川西北部、云南中南部、贵州大部、重庆中部（图2c）;特旱发生频率在0.6%～5.4%，主要集中在四川西南少部、贵州北部及云贵交界地区（图2d）。

3 西南地区气象干旱与环流异常的联系

一个地区持续性少雨将直接导致干旱发生，而大气环流异常是决定干旱发生、发展的主要原因。选取西南地区夏季SPI指数小于或等于-1（中旱及以上）的年份作为典型干旱年（1972、1975、1989、1992、2004、2006、2011年）和SPI指数大于1的年份作为典型湿润年（1966、1968、1998、1999、2014年）进行合成分析并对比，以揭示典型干旱年和湿润年的大气环流异常特征。

3.1 水平环流

典型干旱年、湿润年的各层环流异常状况存在显著差异。图3给出了200、500、850 hPa上环流异常的合成分析结果。

从850 hPa（图3a、b）上来看，在典型干旱年，亚欧大陆大部、阿拉伯海、孟加拉湾、南海等大部分地区都为辐散异常区，其中心位于青藏高原南侧，配合有反气旋式环流异常，中国西南地区处于辐散异常区，为反气旋式环流异常。菲律宾以东的西北太平洋则存在一个辐合异常中心，配合有气旋式环流异常。用A表示西南地区中心（105°E，27.5°N），B表示西太平洋辐合中心（145°E，10°N），这两个地区之

间大气运动存在明显关联，即气流沿着AB连线从西南地区（A）向西北太平洋附近（B）辐合（图3a）。而在典型湿润年，亚欧大陆大部、阿拉伯海、孟加拉湾等地区为辐合异常区，其中心位于伊朗高原、青藏高原南侧，配合有气旋式环流异常;而西北太平洋为辐散异常区，配合有反气旋式环流异常。菲律宾群岛附近存在一个辐散异常中心（120°E，12.5°N），用C表示，气流沿着AC连线从菲律宾附近（C）向西南地区（A）辐合（图3b），这与干旱年情况相反，但B和C的位置明显不同。

从500 hPa（图3c、d）上来看，在典型干旱年，西太副高偏北、偏强，使得西南绝大部分地区处于高度正距平区域，不利于南来的暖湿气流输送，为干旱的形成和维持提供了有利的环流形势。这体现在垂直速度场上，西南地区以异常下沉运动为主，不利于降水形成。而在典型湿润年，西太副高偏南、偏弱，西南地区北部为高度负异常，整体以异常上升运动为主，导致降水偏多。

从200 hPa上来看，环流异常分布基本与850 hPa相反。在典型干旱年，亚欧大陆大部、阿拉伯海、孟加拉湾、南海等大部分地区都为辐合异常区;而西北太平洋则存在一个辐散异常中心。气流沿着AB连线从西北太平洋附近（B）向西南地区（A）辐合（图3e），与低层反向。而在典型湿润年，气流沿着AC连线从西南地区（A）向菲律宾附近（C）辐合（图3f）。

值得注意的是，在典型干旱年和湿润年之间，西北太平洋附近异常辐合辐散中心的位置明显不同。典型湿润年期间，其位置相比于干旱年期间明显偏西，位于菲律宾及沿岸附近（故用B、C加以区分），而该位置差异可能与下垫面的热力强迫位置不同有关。

3.2 垂直环流

为进一步分析典型干旱年、湿润年夏季的垂直运动异常状况，图4给出了典型干旱年夏季沿着AB连线、典型湿润年夏季沿着AC连线的斜向垂直环流异常。典型干旱年夏季（图4a），在西南地区（A）与西北太平洋（B）之间形成了完整的斜向垂直环流圈，异常上升支位于西北太平洋，异常下沉支位于西南地区。而在典型湿润年夏季（图4b），沿着AC连线地区的上空则表现为相反的垂直环流结构，即上升支位于西南地区，异常下沉支位于菲律宾群岛附近。

3.3 水汽输送

水汽是形成降水不可或缺的必要条件。图5从降水形成的水汽条件的角度进行分析，发现水汽输送不足进一步导致了干旱的发展和维持。在气候态（图5a）上，我国西南地区夏季降水的水汽通道主要有两条：第1条自孟加拉湾北部经缅甸从青藏高原南侧进入我国西南地区;第2条自孟加拉湾南部，经由中南半岛和南海，与南海越赤道气流所携水汽汇合后转向输送至西南地区。从整层水汽通量距平场可以看出，在典型干旱年（图5b），青藏高原东南侧-缅甸-孟加拉湾北部均为东北向的水汽通量距平，西南地区南部为自东向西的水汽通量距平，这说明来自孟加拉湾的西南向水汽输送较常年明显偏弱，西南地区为水汽异常辐散区，有利于干旱发展。在湿润年，则情况相反（图5c）。

概括以上分析可知，在典型干旱年，西南地区总体上呈低层辐散，上层辐合的环流异常配置，同时处于AB沿线斜向垂直环流的下沉支，其垂直运动条件不利于降水的形成。来自孟加拉湾的西南向水汽输送较常年明显偏弱，水汽辐散，从而利于干旱的发生和维持。那么，这种环流异常维持的原因是什么？本文将从大气波动和海温异常强迫两方面进行探讨。

4 环流异常维持的原因

4.1 大气波动

对流层中上层西风带上Rossby波活动可通过能量频散影响地面气旋、反气旋活动，并进而影响降水异常的形成和维持（谭本馗和潘旭辉，2002;柯丹和管兆勇，2014）。为揭示西南地区干旱事件相应的环流异常与大气波动的联系，这里计算了Takaya and Nakamura（2001）提出的波作用通量（图6）。

典型干旱年，在850 hPa（图6a）上，波扰能量自斯堪的纳维亚半岛出发，沿中高纬向东传播，并在青藏高原附近有明显的能量辐合。由流函数异常分布可知，斯堪的纳维亚半岛、东欧平原以及青藏高原附件均存在反气旋性涡度异常，而波扰能量在青藏高原附近的堆积造成反气旋性扰幅增大，进而有利于该地区辐散异常的发展与维持，这解释了图3a中以青藏高原為中心的辐散异常区的形成与维持。在200 hPa（图6c）上，波扰能量自中北大西洋附近出发，沿着亚洲急流向下游向东传播，相应地在地中海-东欧平原-伊朗高原东部-塔里木盆地附近区域上空存在“气旋-反气旋-气旋-反气旋”涡度异常。在高原东北侧形成波能辐散，有扰动能量向我国西南地区上空辐合，有利于该区域气旋性涡度异常（图3e）的维持，进而有利于水平气流的辐合异常维持。

在典型湿润年，情况则显著不同。850 hPa（图6b）上，沿着低层20°N附近的西风气流上存在能量向我国西南地区输送和辐合，有利于西南地区850 hPa上气旋性环流异常（图3b）的维持。在200 hPa（图6d），亚洲急流上扰动能量的东传并不明显，然而有来自黄海附近的扰动能量向我国西南地区输送。但由于西南地区200 hPa上位于孟加拉湾上空异常反气旋和东北亚地区上空异常气旋（图3f）的过渡区，是否有利于该地区200 hPa上反气旋环流的维持并不明显。

通过上述对比分析可见，在典型干旱年，大气波动对西南地区异常环流的维持具有重要作用。西风带扰动通过向下游的能量频散，为西南地区低层辐散、上层辐合的环流异常提供了必要的扰动能量积聚。而在典型湿润年，大气波动的作用不显著。

4.2 海温与热源强迫异常影响

西南地区干旱的形成与来自西太平洋上空的辐散气流有关（图3e），而这种辐散气流的形成常被认为与其下海表海温异常相关的热力强迫有关。为了揭示热力强迫异常对干旱年异常环流维持的影响，图7给出了同期夏季海温异常分布、陆地表面土壤温度异常、降水异常、地表感热通量异常以及大气柱非绝热加热率（〈Q1〉）异常。

在典型干旱年，菲律宾以东海温暖异常（图7a），这种暖异常海洋表面大气感热正异常，大气受到异常加热，且整层积分的视热源（〈Q1〉）异常也显示为显著的异常加热（图7c）。因此，海洋上出现了正的降水异常（图7a）。注意到，我国西南地区降水负异常，陆表土壤温度弱的正异常，说明西南气温偏高且少雨，干旱的形成同时还受到地面蒸发的影响：因地表温度增高导致蒸发增强从而有利于干旱发展（图7a）。事实上，B点附近的视热源正异常和感热正异常支持了干旱年环流异常的形成和维持。因该地区低层大气受下垫面热力强迫的影响，受到明显的加热。而这种加热通过Gill响应（Gill，1980），使得热带西北太平洋附近对流层低层异常气旋环流加强，从而形成图3a中的异常辐合中心（B）。由于异常气旋（图3a）由西太平洋延伸至中国西南地区，导致这一地区出现异常北风。考虑到地形影响，在位涡守恒时，有利于西南地区出现异常负涡度（ξ′850=0.6×10-6 s-1），引起西南地区产生辐散，造成降水负异常（图7a）。

要说明的是，由于菲律宾以东地区对流层低层的辐合和我国西南地区对流层低层的辐散均与Gill响应形成的异常气旋性环流有关，这两处的辐合辐散气流与对流层上层方向相反的气流可形成明显的斜向垂直环流（图4a），致使西南地区正处在这一垂直环流的下沉支控制之下。

在典型湿润年（图7b、d），则情况基本相反，热带西北太平洋存在明显冷却，但主要冷却中心的位置相较于干旱年夏季加热中心的位置有所偏西，位于菲律宾群岛西南侧（C）。这个冷却中心导致了菲律宾群岛附近的对流层低层存在异常辐散中心（图3b）。

5 结论和讨论

针对日益严峻的干旱问题，以往我国大部分研究多关注于旱季和干旱区、半干旱区。而本文重点针对气候湿润带干旱频发的西南地区，并着眼于研究危害严重的夏季干旱。通过分析西南地区夏季干旱变化特征及其与环流异常的联系，得到：

1）西南地区夏季干旱变化总体呈越来越干的趋势，尤其是云南、四川东南部干旱化趋势较为显著。具体地，在1961—2018年的58 a间，共有15次夏季干旱事件，不同地区发生不同等级干旱的频率及总频次存在较大差异，不同程度的气象干旱可造成不同程度的损失。

2）大气环流异常是干旱发生的主要原因。在典型干旱年，西南地区总体上呈低层辐散，上层辐合的环流异常配置，同时处于西南地区-热带西北太平洋斜向垂直环流的下沉支，其垂直运动条件不利于降水的形成。另外，来自孟加拉湾的西南向水汽输送较常年明显偏弱，西南地区为水汽异常辐散区，这些条件共同导致干旱发生。而在典型湿润年，环流异常情况基本相反。

3）源自地中海地区上空的大气波动能量的东传和热带西北太平洋海温异常强迫是异常环流维持的重要原因。一方面，沿亚洲急流传播的扰动通过向下游的能量频散，为西南地区低层辐散、上层辐合的环流异常提供了必要的扰动能量积聚。另一方面，大气对热带西北太平洋异常加热的Gill响应，导致热源区西北侧形成异常气旋，且使菲律宾以东地区对流层低层（上层）形成异常辐合（辐散）中心，并通过西南地区-热带西北太平洋斜向垂直环流使得西南地区受下沉气流的控制，从而有利于干旱维持。

要说明的是，西南地区夏季干旱是多个影响因素的综合作用结果。然而，干旱不完全等同于干旱灾害，以上研究仅讨论了造成干旱灾害的气象条件特征及其与环流异常的联系，尚未考虑承灾体的暴露度和脆弱性。从干旱灾害风险系统的各个环节出发，尚需全面分析气象条件引起灾害的过程。这些问题将在下一步工作计划中进行研究。

致谢：文中所用资料取自中国气象局国家气象信息中心网站、NCEP/NCAR、哈德莱中心;南京信息工程大学高性能计算中心提供了数值计算的支持。

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Variation characteristics of summer drought in Southwest China and its relationship with circulation anomalies from 1961 and 2018

L Chunyue1，2，GUAN Zhaoyong1，HUANG Yafei1

1Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education（KLME）/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change（ILCEC）/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters（CIC-FEMD），Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China;

2Sichuan Meteorological Sounding Data Center，Chengdu 610071，China

Based on the observed precipitation data from 312 stations in Southwest China，NCEP/NCAR reanalysis data and sea surface temperature data from 1961 to 2018，the summer SPI （Standardized Precipitation Index） index was used to study the variation characteristics of summer drought in Southwest China and its relationship with circulation anomalies.Results indicate that Southwest China has a drying trend in summer，especially in Yunnan and southeast Sichuan.In the typical dry summers，Southwest China is characterized by the lower troposphere divergence and upper troposphere convergence，and the water vapor transport to the area is less.The reason of drought maintenance in Southwest China can be attributed to the abnormal atmospheric wave activity and the abnormal sea surface temperature forcing.The former disperses energy downstream through the disturbance of the westerly zone，which provides the necessary disturbance energy accumulation for the formation and maintenance of the circulation anomalies of lower troposphere divergence and upper troposphere convergence in Southwest China.The latter forces the atmosphere through anomalous heat sources in the tropical Northwest Pacific，causing the lower （upper） troposphere in the region to form an abnormal convergence （divergence），and an oblique vertical circulation to be formed in Southwest China and the tropical Northwest Pacific，which makes Southwest China controlled by the sinking airflow，thus forming conditions conducive to the occurrence and maintenance of significantly less precipitation and drought.These results are helpful to understand the formation mechanism of drought in Southwest China and provide useful clues for prediction.

SPI index;summer drought;circulation anomaly;Southwest China

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20210114001

（責任编辑：张福颖）