福建省2018年3—6月干旱环流的变化特征

何 芬,赖绍钧,池艳珍,潘 航,曹 蓉,鲍瑞娟

(1.福建省灾害天气重点实验室，福建 福州 350008；2.福建省气候中心，福建 福州 350008；3.福建省福州市气象局，福建 福州 350008；4.福建省厦门市气象局，福建 厦门 361001)

引 言

干旱是全球危害最严重的自然灾害之一，长期以来受到广泛关注[1-6]。干旱的主导因素是一段时期内的降水偏少，一般需要一个积累的过程，在全球变暖的大背景下，中国发生干旱的范围由北方干旱和半干旱区[7-9]向南方及东部湿润和半湿润区扩展[10-12]。

近年来，华南的干旱受到越来越多关注，但引起华南干旱的原因较为复杂，许多研究得出的结论也并不完全相同。如林爱兰等[13]指出，在全球气候变暖背景下，广东干旱的频繁发生与赤道中太平洋海温正异常型出现概率增加有关；La Nia型、赤道中太平洋海温正异常型与广东干旱之间都存在物理上的联系，所有物理过程最终都是通过改变和削弱降水所需的动力条件或水汽条件，从而造成局地干旱的发生。乔云亭等[14]将华南春季降水分为两个区域，研究不同分区的降水变化与水汽输送的关系，发现华南春季水汽主要来源于南海和西太平洋，并经中南半岛转向输送到华南，指出造成两个区域旱涝的不同水汽输送特征。周明森等[15]分析华南春季各月降水量逐年变化的相互关系以及华南4—5月持续性干旱对应的大气环流异常特征，指出在华南4—5月持续干旱年，华南附近高低空都存在一个异常的反气旋，有利于华南上空异常下沉运动的产生和维持；高度场上东亚大槽南支偏弱，不利于中高纬度冷空气南下，导致华南春季降水偏少。然而，现有研究大多侧重于引起华南干旱的海-气相互作用和大尺度环流背景，对于引起干旱的环流季节内变化研究较少，而环流的季节内变化对干旱的发生、发展、解除和旱期的蓄水有重要意义。

福建气候属典型的亚热带季风气候，3—6月的总降水量占全年降水量的52%，其气候特点是阴雨寡照，冷暖无常，强对流天气活跃，暴雨洪涝比较频繁。福建虽然降水量多，但有年际间的不均性、季节间的差异性和季内降水分布的波动性，所以容易产生气象干旱[16]。目前，针对华南干旱特征及其可能原因的研究主要关注两广地区，对福建干旱的研究也主要侧重在旱涝变化的时空特征上[17-18]，而对造成极端干旱事件的大尺度环流成因尚不清楚，其变化特征也不明确。福建省2018年3—6月降水异常偏少，是1961年以来历史同期第三少，发生了严重气象干旱，本文对造成此次干旱事件的大尺度环流及其变化特征进行分析，以提高对福建干旱成因的认识，以期为今后进行干旱预测提供有益的帮助。

1 资料和方法

所用资料为：(1)1961—2018年3—6月福建省66个台站逐日降水资料；(2)NCEP/NCAR提供的1981—2018年3—6月全球逐日再分析资料[19]，水平分辨率 为2.5°×2.5°，要素场包括500 hPa高度场，1000～100 hPa风场和比湿场；(3)NOAA提供的2002—2018年3—6月逐日向外长波辐射资料(outgoing long wave radiation，OLR)[20]，水平分辨率为2.5°×2.5°。

气候平均场为1981—2010年平均。

降水距平百分率(Pa)是表征某时段降水量较常年偏多或偏少的指标之一，反映某一时段降水与同期平均状态的偏离程度，计算公式为：

(1)

气象干旱监测指标采用改进的气象干旱综合指数MCI(meteorological drought composite index)[21-23]计算，公式如下：

MCI=Ka×(a×SPIW60+b×MI30+

c×SPI90+d×SPI150)

(2)

式中：SPIW60为近60 d标准化权重降水指数，MI30为近30 d相对湿润度指数，SPI90和SPI150分别为近90 d和近150 d标准化降水指数，a、b、c、d分别为SPIW60、MI30、SPI90、SPI150的权重系数，Ka为季节调节系数，具体取值见表1。依据公式(2)计算得到福建省2018年3—6月各站点逐日MCI指数，按照《气象干旱等级》[21]中的标准划分气象干旱等级，如表2所示。

表1 MCI指数计算公式各系数取值

表2 基于MCI指数的干旱等级划分

阻塞高压数值化定义采用Tibaldi和Molteni的方法[24](简称“T&M方法”)计算，步骤如下：

对每个经度，南500 hPa高度梯度(GHGS)和北500 hPa高度梯度(GHGN)计算如下：

(3)

(4)

式中：Z代表位势高度；φn=80°N+δ，φ0=60°N+δ，φs=40°N+δ，δ=-5°，0°，5°。对某时某经度任意一个δ值，如果条件满足：(1)GHGS>0，(2)GHGN<-10 m·deglat-1，则诊断为该时该经度有阻塞，阻塞指数为GHGS。当有两个以上的δ值同时满足(1)和(2)两个条件时，取GHGS值大者为阻塞指数。

2 降水概况和干旱情况

福建省66个台站2018年3—6月降水量在300～885 mm之间，较常年同期偏少11%～63%，全省一半以上的测站偏少30%以上，偏少的中心在龙岩和漳州地区，其中南靖站偏少63%[图1(a)]。3—6月全省平均降水量为576 mm，较常年同期偏少32%，位居1961年以来同期第三少，且各月均偏少，其中3月偏少39%，4月偏少66%(历史同期第二少)，5月偏少28%，6月偏少10%。且只有13个暴雨日(全省3站及以上出现大于等于50 mm降水的天数)，较常年偏少6 d，其中3—4月仅有2 d，较常年偏少64%(常年5.5 d)，暴雨日集中在5月6候至6月5候。3—6月共出现8次暴雨过程，较常年偏少(常年10.3次)，仅在6月18—23日出现1次持续性暴雨过程(连续5 d以上出现暴雨日)[图1(b)]，但持续时间偏短、强度偏弱。

图1 福建省2018年3—6月降水距平百分率(a，单位：%)空间分布和逐日全省平均降水量序列(b)

3—6月降水持续偏少，暴雨日少，强降水过程少，造成严重气象干旱。从2018年3—6月逐日气象干旱综合监测图(图2)可以发现，3月上中旬，福建部分地区出现轻旱，3月15日和20日两场暴雨致使旱情解除；随后降水持续偏弱，4月没有暴雨日，气象干旱迅速发展，于4月下旬开始加重；5月上旬的暴雨过程使旱情稍有缓解，重旱到特旱缓解，5月中旬至下旬旱情再次发展，其中5月下旬有63站出现不同程度的气象干旱，占全省测站的95%，5月17—29日，超过30站持续出现重旱、特旱，干旱范围广、程度重，造成群众饮水困难、农田受旱；5月末，暴雨过程增多，旱情开始逐步缓解，6月18—23日的持续性暴雨过程使中旱到特旱基本缓解。

图2 福建省2018年3—6月逐日气象干旱综合监测图

3 环流背景

3.1 拉尼娜事件的滞后影响

2017年10月至2018年3月，赤道中东太平洋发生了一次弱的东部型拉尼娜事件，并于2018年1月达到峰值，峰值强度为-0.8 ℃。该事件持续时间短、强度较弱。王遵娅等[25]认为其对2018年3—5月中国降水异常的影响较小，而陈丽娟等[26]则指出2018年3月，大气环流仍显示了对拉尼娜事件的显著响应，通过印度洋对拉尼娜事件的“接力作用”，6—8月东亚地区环流和降水将会表现出对冬季拉尼娜事件较典型的滞后影响。由于福建自然季节的特殊性，有必要对这种弱海温外强迫信号下局地大气环流的滞后影响进行分析。从热带(5°S—5°N)纬向垂直风距平可见，2017/2018年冬季沃克环流表现出对拉尼娜事件的响应，在热带西太平洋100°E—160°E区域，上升气流较常年偏强，180°—120°W区域下沉气流也有所增强[图3(a)]；2018年3—6月，西太平洋主要上升气流西移至140°E，下沉气流相应西移，150°E出现下沉气流，而170°E—150°W以东仍以下沉气流为主[图3(b)]，可见尽管拉尼娜事件已经结束，但其滞后影响仍然存在，沃克环流虽然强度减弱但其仍然维持。从哈德莱环流(115°E—122.5°E)看，受3—6月热带地区异常上升运动强迫，南海至江南的广大区域为强异常下沉气流，福建正好处在该下沉气流的两个中心之一，降水明显偏少[图3(c)]。

图3 2017/2018年冬季(a)、2018年3—6月(b)5°S—5°N纬向垂直风距平(箭矢，单位：m·s-1)和平均垂直速度距平(填色，单位：10-2 Pa·s-1)及115°E—122.5°E经向垂直风距平(流线，单位：m·s-1)和平均垂直速度距平(填色，单位：10-2 Pa·s-1)(c，红色虚线之间为福建所跨纬度)

3.2 大尺度环流特征

2018年3—6月的500 hPa位势高度场[图4(a)]上，欧亚中高纬为“两脊两槽”型，槽区分别位于乌拉尔山和鄂霍次克海，它们在距平场上表现为明显的负距平，乌拉尔山的距平中心低于100 gpm，表明2018年3—6月乌拉尔山和鄂霍次克海阻塞高压均偏弱；东亚地区为正距平，其中心高于60 gpm，表明东亚大槽偏弱，影响中国的冷空气偏弱。同时，西北太平洋为负高度距平场，西太平洋副热带高压较常年偏弱、偏南、偏东，不利于引导水汽输送到福建。孟加拉湾为正距平，表明孟加拉湾低槽偏弱。从1000～300 hPa整层积分的水汽通量和水汽通量散度距平场[图4(b)]上可以看到，菲律宾以东为强大的异常气旋性环流，其北侧强盛的异常东风气流沿25°N西传至中国东南沿海后分成两支，一支经海南—中南半岛传至孟加拉湾，另一只向北传到中国西南，福建处于异常东风气流中。同时沿25°N为宽广的水汽通量辐散带，中国华东水汽通量散度距平场呈北负南正分布，福建处于水汽通量辐散中心区，水汽通量散度距平大于2×10-5kg·m-2·s-1，表明福建水汽辐合汇集较常年明显偏弱，不利于强降水发生，造成福建3—6月干旱。

图4 2018年3—6月平均500 hPa位势高度场(等值线)及其距平(阴影)(a, 单位：gpm, 红色等值线表示气候平均5880 gpm)，1000～300 hPa整层积分的水汽通量(矢量，单位：kg·m-1·s-1)和水汽通量散度距平场(阴影，单位：10-5 kg·m-2·s-1)(b，红色矩形框为福建地区)

4 环流变化特征

4.1 阻塞高压

阻塞高压可制约北方冷空气活动的频率、路径与强度。有阻塞高压存在，天气形势相对稳定少变，中纬度地区多为短波流型，冷空气活动比较频繁，容易与南方暖气团不断交绥于华南一带，形成稳定的锋区。图5为2018年3—6月500 hPa阻塞高压和福建省日平均气温的逐日演变，可以看出，3—4月，乌拉尔山、贝加尔湖和鄂霍次克海均没有阻塞高压活动，高压活动主要在欧洲，影响福建的冷空气路径偏西，冷空气强度强，降温幅度大，但影响次数少，两个月内只有5次降温过程。5月，中高纬环流开始发生调整，乌拉尔山和鄂霍次克海地区高压活动次数增加，乌拉尔山地区在5月1—16日和19—25日发生2次阻塞高压活动，但主要位置偏西；鄂霍次克海地区的2次高压活动发生在5月1—11日和18—28日，福建冷空气活动较3—4月频繁，共有4次降温过程，但降温幅度弱于3—4月。6月，欧洲高压和乌拉尔山高压的活动都减弱，乌拉尔山只有一次高压活动，发生在6月24—29日；鄂霍次克海地区发生2次高压活动，分别出现在6月2—9日和20—25日，影响福建的冷空气路径较前期偏东，强度偏弱，但冷空气活动发生频繁，6月4—6日、8—10日、12—14日、19—22日不断有弱冷空气影响，配合来自低纬度充足的暖湿气流，使得这一时段的暴雨明显多于前期。

图5 2018年3—6月500 hPa阻塞高压(阴影，单位：m·deglat-1)的逐日演变(a,绿色虚线间为乌拉尔山地区，红色虚线间为贝加尔湖地区，蓝色虚线间为鄂霍次克海地区)和逐日全省平均日气温距平(b)

4.2 西太平洋副热带高压

西太平洋副热带高压(简称“西太副高”)对福建具有举足轻重的意义，它的南北进退是福建自然季节更替的标志，而其几天至几十天周期的位置和强度变化对福建天气，特别是晴雨、降水强度都有近似决定性作用。有利于福建产生持续性暴雨的西太副高形态呈带状，东西摆布，脊线位于18°N—20°N附近，西伸脊点伸至115°E以西，5880 gpm线的北界顶至华南中部，这使得锋区稳定于华南北部，它向该锋区不断输送来自太平洋和南海的暖湿气流，使暴雨落区稳定在副高脊线以北5～7个纬距的范围内。图6为2018年3—6月110°E—130°E平均的500 hPa高度场的时间-纬度剖面，可以看出西太副高的南北进退特征。3—4月，西太副高整体偏弱，脊线位置在18°N以南，两个月内有两次明显的北抬，但维持时间短且5880 gpm线的北界仅到达21°N附近，暖湿气流无法持续输送到福建上空形成持续性暴雨过程，造成这段时期暴雨显著偏少。5—6月，西太副高呈现阶段性南北振荡特点，4月26日至5月6日、5月8—14日、5月21日至6月6日和6月19—23日有4次明显的北抬，5880 gpm线的北界在福建维持多日，暖湿气流可以持续输送到福建上空，为持续性暴雨发生提供了有利的环流条件，特别是5月21日以后，随着对流北传的活跃，暴雨过程的间隔明显缩短。6月24日以后，西太副高主体控制福建，强降水结束，福建进入盛夏。

图6 2018年3—6月逐日110°E—130°E平均的500 hPa高度场的时间-纬度剖面(等值线，单位：gpm，阴影为大于5880 gpm区域,粗实线之间为福建所跨纬度，下同)

4.3 对流活动

OLR是地气系统向外长波辐射，能很好地反映对流活动的强弱和热带大气中的垂直运动信息。图7为2018年3—6月110°E—122.5°E平均的逐日OLR随纬度的变化，可以看出，整个时段对流北传明显偏弱，3—5月，对流活跃区维持在10°N以南，没有有效的对流北传, 5月初，10°N附近出现1个弱对流中心，但只是短暂维持，无法传到福建，导致这段时期强降水偏少，使得气象干旱持续发展。5月末开始，对流北传开始活跃，对流区位置北抬，15°N—20°N之间总是维持一个OLR小于210 W·m-2的强对流活跃区，对流中心强度明显增强；6月初，10°N附近小于150 W·m-2的强对流北传，于6月5—7日传至福建，产生了连续2 d的暴雨过程；6月14日，强对流中心进一步北抬至18°N附近并开始北传，6月19—23日，福建全省维持强对流活动，导致出现持续性暴雨过程，干旱得以缓解。

图7 2018年3—6月逐日110°E—122.5°E平均的OLR场时间-纬度剖面(实线，单位：W·m-2，阴影为OLR小于210 W·m-2)

5 结 论

(1)福建省2018年3—6月出现历史同期较严重的少雨事件，各月降水持续偏少，暴雨日少，持续性暴雨过程少且弱，导致该时段发生严重气象干旱，干旱范围广、程度重、影响深。

(2)受拉尼娜的滞后影响，2018年3—6月沃克环流虽然强度减弱但其形态仍然维持，福建处在下沉气流中心。500 hPa位势高度场上，乌拉尔山和鄂霍次克海阻塞高压偏弱，东亚大槽偏弱，影响中国的冷空气偏弱；西太副高较常年偏弱、偏南、偏东，不利于引导水汽输送到福建上空。水汽场上，福建处于水汽通量辐散异常中心区，水汽辐合汇集较常年明显偏弱。冷暖空气同时偏弱和其交绥条件的缺乏，是造成福建该时段干旱的环流背景。

(3)2018年3—6月，大气环流活动呈现前期不活跃、后期阶段性振荡的特征。3—4月，乌拉尔山、贝加尔湖和鄂霍次克海均没有阻塞高压活动，影响福建的冷空气次数少；西太副高北抬次数少，5880 gpm线的北界几乎无法维持在华南，对流活跃区维持在10°N以南，没有有效的对流北传至福建，导致这段时期暴雨日偏少，使得气象干旱持续发展。5—6月，乌拉尔山和鄂霍次克海地区高压活动次数增加，影响福建的冷空气活动频繁；西太副高表现为阶段性南北振荡特点，同时对流阶段性北传，暖湿气流可以持续输送到福建，南北系统的有效配合为持续性暴雨发生提供了有利的环流条件，干旱得以缓解。

本文仅对拉尼娜滞后影响下的3—6月环流的变化进行了分析，然而引起干旱的环流外强迫因子具有多样性，不同季节具有不同的变化特征，仍需对不同因子协同作用下不同季节内干旱环流的变化特点进行更深入的分析。