1990年以來重慶秋季年代際干旱及其可能成因

曾剛,武英嬌,張顧煒,3,倪東鴻,董新寧

(1.南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044;

2.氣象災害教育部重點實驗室(南京信息工程大學),江蘇 南京 210044;

3.大連市氣象局,遼寧 大連 116000;4.重慶市氣候中心,重慶 401147)

1990年以來重慶秋季年代際干旱及其可能成因

曾剛1,2,武英嬌1,張顧煒1,3,倪東鴻1,董新寧4

(1.南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044;

2.氣象災害教育部重點實驗室(南京信息工程大學),江蘇 南京 210044;

3.大連市氣象局,遼寧 大連 116000;4.重慶市氣候中心,重慶 401147)

摘要：采用1961—2012年重慶地區30站降水和氣溫資料、NCEP/NCAR全球大氣再分析資料、NOAA海表溫度資料等,基于由降水和氣溫計算得到的標準化降水蒸散指數(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI),對重慶地區秋季干旱的年代際變化特征及其可能原因進行了研究。觀測結果表明,重慶秋季SPEI的變化特征主要表現為全區一致變化型,且在1989年發生了年代際突變,突變后(前)為偏旱(澇)期。熱帶東印度洋—西太平洋和北大西洋的海表溫度年代際升高對重慶秋季年代際干旱具有重要作用,熱帶東印度洋—西太平洋為關鍵海區,北大西洋為次關鍵海區。熱帶東印度洋—西太平洋關鍵海區的海表溫度異常影響重慶秋季年代際干旱的可能機制為:當該區海表溫度秋季年代際增暖時,西北太平洋副熱帶高壓位置西伸北抬、面積偏大、強度增強,重慶地區位勢高度升高,孟加拉灣南支槽減弱,不利于水汽從孟加拉灣向重慶地區輸送,同時赤道地區存在異常上升運動,使得區域Hadley環流增強,重慶地區為異常下沉區,由此導致重慶地區年代際干旱。北大西洋次關鍵海區的海表溫度異常影響重慶秋季年代際干旱的可能機制為:當該區海表溫度秋季年代際增暖時,西北太平洋副熱帶高壓偏北,重慶地區位勢高度升高且有異常下沉運動,從而導致重慶地區年代際干旱。上述觀測結果由應用NCAR CAM5.1全球大氣環流模式進行的關鍵海區海表溫度年代際變化敏感性試驗得到驗證。

關鍵詞：標準化降水蒸散指數;重慶;秋季干旱;年代際變化;機制

中圖分類號：

文章編號：1674-7097(2015)05-0620-13P462.3

文獻標志碼：碼：A

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150130003

Abstract:Based on the precipitation and temperature data of 30 observation stations in Chongqing,NCEP/NCAR reanalysis data and NOAA ERSST v3b during 1961—2012,this study uses the standardized precipitation evapotranspiration index(SPEI) computed by temperature and precipitation data to discuss the interdecadal variability feature of autumn drought in Chongqing and its possible causes.Observational results show that main distribution of Chongqing autumn SPEI is in the same phase and its interdecadal shift happens in 1989.After(before) this shift,Chongqing gets drier(wetter) than normal.It is also found that the tropical eastern Indian Ocean and western Pacific(EIWP) and the North Atlantic (NA) are both key areas,where the interdecadal increases of sea surface temperature anomaly(SSTA) play important roles in interdecadal autumn drought in Chongqing,and EIWP is more important than NA.Their possible mechanisms of effect of SSTA in the two key areas on the interdecadal autumn drought in Chongqing are investigated.When autumn SST in EIWP is warmer than normal on interdecadal time-scale,the northwestern Pacific subtropical high(NWPSH) will get larger and stronger than usual,and extend westward and northward,resulting in higher geopotential heights over Chongqing and weaker south branch trough(SBT) over the Bay of Bengal.These circulation anomalies will be not favorable to water vapor transport from the Bay of Bengal to Chongqing.There exists an anomalous upward motion around the key area,inducing an enhanced regional Hadley cell across Chongqing,and then an anomalous downward motion controls Chongqing,resulting in the interdecadal drought.When autumn SSTA in NA is warmer than normal on interdecadal time-scale,the NWPSH will extend northward,resulting in higher geopotential heights and an anomalous downward motion over Chongqing,which causes the interdecadal drought.The above observational results are verified by the sensitive experiments on effect of SSTA in the two key areas on the interdecadal drought,which are conducted by NCAR CAM5.1(Community Atmosphere Model 5.1).

收稿日期：2013-06-20；改回日期：2013-12-10

基金項目:公益性行業(氣象)科研專項(GYHY200906009);江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)

通信作者：智協飛，博士，博士生導師,研究方向為數值預報、季風動力學及短期氣候預測,zhi@nuist.edu.cn.

Interdecadal autumn drought in Chongqing and

its possible cause since 1990

ZENG Gang1,2,WU Ying-jiao1,ZHANG Gu-wei1,3,NI Dong-hong1,DONG Xin-ning4

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;

2.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;

3.Dalian Meteorological Bureau,Dalian 116000,China;4.Chongqing Climate Center,Chongqing 401147,China)

Key words:standardized precipitation evapotranspiration index;Chongqing;autumn drought;interdecadal variability;mechanism

0引言

IPCC第五次氣候變化評估報告(IPCC,2013)指出,從1880年至2012年全球地表溫度上升了0.85 ℃(0.65～1.06 ℃),這種全球性的氣候變暖導致極端天氣氣候事件頻繁發生,給許多國家的水資源、能源和環境等帶來了重要影響。干旱也是重慶地區的主要氣象災害之一,2006、2009、2011年重慶地區均發生了嚴重干旱,造成了較大的經濟損失和社會影響(劉銀峰等,2009;李澤明等,2014)。而且,重慶地區的干旱事件自21世紀以來進入了近50 a來最顯著的高發期(李永華等,2006,2008;胡豪然和李躍清,2010)。因此,加強對重慶地區干旱特征及其成因研究,有利于提高重慶地區干旱的預測水平,為政府防災減災決策提供科學依據,具有重要的現實意義。

許多研究表明,造成重慶地區干旱的原因很多,其中影響該地區夏季干旱的大氣環流系統主要有西北太平洋副熱帶高壓、南支槽、Hadley環流等(李躍清,2000;馬振鋒,2002,2003;劉德等,2005;李永華等,2009,2010,2012,2013;劉銀峰等,2009;尹晗和李耀輝,2013;陳歡等,2014;李澤明等,2014;張天宇等,2014)。赤道東太平洋海溫以及青藏高原積雪等外強迫因子對重慶夏季干旱也有重要影響(彭加毅等,1999;鄒旭愷和高輝,2007)。最近的研究表明,20世紀90年代以后,重慶地區秋季干旱頻繁發生(Yu et al.,2014)。王斌和李躍清(2010)指出,南支槽偏弱及整層水汽輸送偏弱是導致我國西南地區2009—2010年秋冬季干旱發生的主因。沙天陽等(2013)認為,當蘇門答臘—西太平洋和東太平洋海溫呈現“+-”異常分布時,引起大氣熱源異常從而加強Hadley環流,重慶地區秋季會出現干旱的情況。黃榮輝等(2012)認為,熱帶西太平洋和熱帶印度洋的升溫對西南地區2009年秋季到2010年春季的干旱有重要作用。Zhang et al.(2013)指出,暖池型厄爾尼諾對西南地區2009年秋季特大干旱有直接影響。綜上所述,西北太平洋副熱帶高壓、南支槽和Hadley環流等是影響重慶地區干旱的主要大氣環流系統,而熱帶洋面的海表溫度異常也是導致重慶干旱的重要因素。

衡量干旱程度通常采用干旱指標,目前應用較為廣泛的干旱指標有Palmer干旱指數(PDSI;Palmer,1965)、相對濕潤度指數(M;Richard and Heim,2002)、標準化降水指數(SPI;McKee et al.,1993)、Z指數(鞠笑生等,1997)以及區域旱澇指數(譚桂容等,2002)等。上述指數除PDSI外只包含降水一個因素,因而在全球變暖大背景下很難全面地表征干旱程度。PDSI雖兼顧降水、蒸發等多種因素(王越等,2007),但存在適用區域有限等問題(Palmer,1968)。Vicente-Serrano et al.(2010)在SPI的基礎上引入潛在蒸散項,構建了標準化降水蒸散指數(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI);SPEI融合了SPI和PDSI的優點,很好地考慮了溫度因素,能更敏感地反映氣候變暖對干旱化的影響。而且,SPEI在中國西南地區具有較好的適用性(王林和陳文,2012)。因此,SPEI是目前能夠在西南地區適用的一個較為先進和全面的干旱指標。

綜上所述,前人研究重慶地區干旱多集中在夏季,對秋季干旱的研究還較少。而且,年代際氣候變化是月、季、年氣候變化的背景,也影響著更長時間尺度的氣候變化(江志紅和屠其璞,2001)。因此,研究重慶地區秋季干旱的年代際變化特征及其可能成因,對監測、預測該地區秋季干旱具有十分重要的意義。

本文將基于標準化降水蒸散指數(SPEI),首先利用觀測資料分析重慶秋季干旱的年代際變化特征及其對應的大氣環流特征,然后研究海表溫度異常對重慶秋季干旱年代際變化的影響,最后應用NCAR CAM5.1全球大氣環流模式進行敏感性數值試驗,并與觀測分析結果作對比,確定關鍵海區及其海表溫度年代際異常對重慶秋季年代際干旱的影響機制。本文研究結果可為重慶秋季干旱監測預測提供一定的參考依據。

1資料、方法及模式

所用資料有:1)重慶地區30個氣象站的逐月降水和氣溫資料(由重慶市氣象局提供),站點分布如圖1a所示;2)NCEP/NCAR逐月再分析資料集,包括位勢高度場、風場、垂直速度場和比濕場等,水平分辨率為2.5°×2.5°(Kalnay et al.,1996);3)NOAA提供的ERSST v3b資料,水平分辨率為2.0°×2.0°(Smith et al.,2008);4)中國國家氣候中心提供的74項環流指數。所有資料時間范圍均取1961—2012年,并采用1971—2000年30 a平均值作為氣候平均態,且秋季指當年9—11月。

所用方法有:經驗正交函數分解(EOF)、Mann-kendall非參數統計檢驗、T檢驗、相關分析和合成差值分析等方法(魏鳳英,2007)。SPEI的等級劃分見表1。臺站資料主要用于計算SPEI,計算過程詳見Vicente-Serrano et al.(2010)。

圖1　重慶30個氣象站(圓點)秋季SPEI的EOF第一模態的空間分布(a)及其時間系數(b)Fig.1　(a)Eigenvectors and (b)time coefficients of the first EOF mode of autumn SPEI from 30 stations (dots) in Chongqing

表1　基于標準化降水蒸散指數(SPEI)的干旱等級(Vicente-Serrano et al.,2010)

本文數值試驗使用美國國家大氣研究中心(NCAR)2011年研制發布的CAM5.1全球大氣環流模式,該模式是NCAR通用地球系統模式(Community Earth System Model 1.0.4,CESM1.0.4)的大氣模塊。CAM5.1的物理參數化方案相對于之前的版本有了實質性修改,如:更新了濕邊界層和淺積云對流方案,改進了對低云的模擬等(Neale et al.,2012)。本文試驗均采用模式的T42水平分辨率,即緯向均勻分布128個格點,經向分布64個格點,垂直方向共30層,采用σ-p混合坐標;使用模式自帶的真實地形、海陸分布等邊界條件。為與NCEP/NCAR再分析資料作比較,所有試驗結果均采用雙線性插值方法處理成2.5°×2.5°水平網格資料。

2重慶秋季干旱的年代際變化特征

采用重慶地區30個氣象站的1961—2012年月平均氣溫和降水資料,計算得到這些站的秋季SPEI場,并依此進行經驗正交函數分解(EOF)分析。重慶地區SPEI的EOF第一模態的方差貢獻率為52.47%,其空間分布(圖1a)顯示重慶地區全區特征值符號一致,表明該模態為全區一致變化型。圖1b為EOF第一模態的時間系數序列(柱狀條),可以看出序列在1990年之前多為正值,而在1990年以后多為負值;其11 a滑動平均曲線(代表年代際變化)顯示該序列在1989年前后發生了年代際變化,由正轉負。因此,綜合重慶秋季SPEI的EOF第一模態特征值分布及其時間系數變化,可知其變化特征主要表現為全區一致型,且在1990年以后為年代際偏旱情況。

因為重慶秋季SPEI的EOF第一模態主要表現為全區一致型,且其方差貢獻率超50%,所以可將該區域內30站秋季SPEI的平均值作為重慶秋季SPEI值。圖2a為重慶秋季SPEI隨時間的變化,可以看出:重慶SPEI呈顯著下降趨勢,20世紀90年代之后該地區秋季多為干旱;其中,2009年SPEI指數最小(-1.51),為近50 a中最干旱的年份,這與采用其他干旱指標研究的結論(王斌和李躍清,2010;黃榮輝等,2012;王曉敏等,2012)一致。對重慶秋季SPEI做Mann-Kendall突變檢驗(圖2b),結果表明重慶秋季SPEI在1989年發生了年代際突變,由正值轉為負值,即由偏澇期轉為偏旱期,與前文EOF第一模態時間系數的時間轉變點及其變化特征較一致。

圖2　1961—2012年重慶秋季SPEI的時間序列(a;實線為11 a滑動平均)及其Mann-Kendall檢驗結果(b;虛線表示0.05的顯著性水平線)Fig.2　(a)Time series of Chongqing autumn SPEI during 1961—2012(solid line is 11-yr moving average) and (b)its Mann-Kendall test result(dashed lines indicate 0.05 significance level)

3重慶秋季年代際干旱對應的大氣環流特征

由于大氣環流異常是天氣氣候異常的直接原因,所以有必要對重慶秋季年代際干旱對應的大氣環流特征進行分析。根據重慶秋季SPEI的年代際突變年1989年,取1961—1989年為偏澇期,1990—2012年為偏旱期;重點分析西北太平洋副熱帶高壓、孟加拉灣南支槽、水汽輸送、垂直運動和區域Hadley環流等在重慶秋季偏旱期和偏澇期的大氣環流特征。下面討論偏旱期和偏澇期環流場差值分布時,均指偏旱期減偏澇期。

利用國家氣候中心提供的西北太平洋副熱帶高壓各項特征指數以及由王斌和李躍清(2010)定義的南支槽強度指數,即500 hPa上85～95°E、20～27.5°N范圍內高度值之和為南支槽強度指數(指數越大,槽越弱),與重慶秋季SPEI做相關分析,得到表2。由表2可見,重慶秋季SPEI與西北太平洋副熱帶高壓的面積、強度和西伸脊點(西伸脊點值為經度,值越小,越偏西)等指數都有很好的相關關系(相關系數均通過0.05信度的顯著性檢驗,其中與面積指數、強度指數的相關系數通過0.01信度的顯著性檢驗)。重慶秋季SPEI與南支槽強度指數呈顯著的負相關關系(相關系數通過0.01信度的顯著性檢驗)。因此,當西北太平洋副熱帶高壓位置偏西、面積偏大、強度偏強以及南支槽偏弱時,重慶秋季SPEI偏低,易發生干旱。

圖3a給出了秋季500 hPa高度場在偏旱期和偏澇期的差值分布以及西北太平洋副熱帶高壓體(取586 dagpm等值線所包圍的反氣旋范圍來代表)的變化。相對于偏澇期,偏旱期在孟加拉灣南支槽區為顯著正高度差值區域(通過0.05信度的顯著性檢驗),南支槽強度偏弱,表明從孟加拉灣向重慶地區的水汽輸送強度減弱,易使重慶地區的水汽匱乏。同時,西北太平洋副熱帶高壓面積偏大、西伸北抬明顯,重慶地區位于顯著正高度差值區域(通

表2　1961—2012年秋季重慶SPEI與西北太平洋副熱帶高壓、南支槽、區域Hadley強度等指數的相關系數

注：1)表示通過0.01信度的顯著性檢驗;2)表示通過0.05信度的顯著性檢驗.

圖3　500 hPa上586 dagpm等值線在秋季偏旱期(實線)、偏澇期(虛線)的合成分布以及這兩個時期的500 hPa高度差值場(陰影區,單位:dagpm)(a)、秋季1 000 hPa至100 hPa整層水汽輸送差值場(b;箭矢,單位:kg·m-1·s-1)以及500 hPa垂直速度差值場(c;等值線,單位:10-2 Pa·s-1;實線為正值、表示下沉,虛線為負值、表示上升)(差值場為偏旱期減偏澇期;陰影區表示通過0.05信度的顯著性檢驗;深色表示顯著正差值,淺色表示顯著負差值)Fig.3　(a)Composite isolines of 586 dagpm at 500 hPa in the drought years(solid line) and the flood years(dashed line),with 500 hPa geopotential height differences(shadings;units:dagpm),(b)water vapor transport differences from 1 000 hPa to 100 hPa(arrows;units:kg·m-1·s-1),and (c)500 hPa vertical velocity differences(contours;units:10-2 Pa·s-1;solid(dashed) line is positive(negative) value,denoting downward(upward) motion)(the differences are drought minus flood;dark(light) shaded areas indicate significant positive(negative) anomalies exceeding 0.05 significance level)

過0.05信度的顯著性檢驗),其上空易為反氣旋性環流異常,使得該地區降水偏少、氣溫偏高。

圖3b為偏旱期與偏澇期的1 000 hPa至100 hPa整層水汽輸送差值場分布。可見,相對于偏澇期,偏旱期在西北太平洋存在一個氣旋性水汽輸送差值環流,重慶地區存在偏北水汽輸送差值,而在氣候平均以及偏澇期、偏旱期的整層水汽圖(圖略)上,西北太平洋—中國南部都是反氣旋性水汽輸送環流,因此,偏旱期從孟加拉灣向重慶地區的水汽輸送,比氣候平均及偏澇期的水汽輸送都明顯偏弱。

對流上升運動是產生降水的基本條件之一,下面分析偏旱期和偏澇期的500 hPa垂直速度分布。重慶秋季偏旱(偏澇)期垂直速度合成顯示,重慶地區為下沉(上升)運動(圖略)。圖3c給出了偏旱期與偏澇期的500 hPa垂直速度的差值分布。可見,重慶地區處在顯著的差值下沉區附近,下沉運動不利于水汽輻合上升,從而導致該地區降水減少。

圖4為沿105～112.5°E平均的經圈環流差值場。相對于偏澇期,偏旱期在赤道附近存在差值上升運動,而在重慶地區(30°N附近)則存在差值下沉運動,表明從赤道附近到重慶地區存在一個增強的區域Hadley環流。將該區域Hadley環流的下沉支(25～35°N)500 hPa垂直速度減去上升支(0°～5°N)500 hPa垂直速度,并用其差值表示區域Hadley強度指數,正(負)值表示區域Hadley環流增強(減弱)。計算表明,1961—2012年區域Hadley強度指數與重慶秋季SPEI的相關系數為-0.360(表2),通過0.01信度的顯著性檢驗,表明它們之間存在顯著的負相關關系,即區域Hadley環流增強,重慶地區受下沉運動控制,秋季易發生干旱。

圖4　經向垂直環流差值場沿105～112.5°E平均的緯度—高度剖面(偏旱期減偏澇期;陰影區表示通過0.05信度的顯著性檢驗;垂直風速單位:10-2 Pa·s-1,經向風速單位:m·s-1)Fig.4　Latitude-pressure section of vertical circulation differences averaged from 105 to 112.5°E(drought minus flood;shaded areas denote the anomalies passing 0.05 significance level;units of vertical and meridional wind velocities are 10-2 Pa·s-1 and m·s-1,respectively)

因此,相對于偏澇期,偏旱期西北太平洋副熱帶高壓強度偏強、面積偏大、位置西伸北抬明顯,重慶地區上空為顯著正高度差值區域,孟加拉灣南支槽偏弱,向重慶地區的水汽輸送強度減弱,且重慶地區處在顯著的差值下沉區附近,從而使該區降水偏少、氣溫偏高,易發生干旱。

4海表溫度異常對重慶秋季年代際干旱的影響

研究表明,熱帶西太平洋、熱帶印度洋、北大西洋的升溫以及暖池型厄爾尼諾對西南地區干旱具有重要作用(黃榮輝等,2012;Tian and Fan,2013;Zhang et al.,2013)。海表溫度作為重要的外強迫因子,對大氣環流異常具有重要影響(楊修群和黃士松,1993),因此有必要探尋影響重慶秋季干旱年代際變化的關鍵海區。

將重慶秋季SPEI與同期全球海表溫度(Sea Surface Temperature,SST)做相關分析,發現在熱帶東印度洋—西太平洋(圖5a)和北大西洋(圖5b)都存在通過0.05信度顯著性檢驗的負相關區。將熱帶東印度洋—西太平洋上(75～150°E,10°S～10°N)區域標為Ⅰ區,北大西洋上(10～65°W,10～40°N)區域標為Ⅱ區。圖6a—c分別給出了秋季Ⅰ區和Ⅱ區區域平均的海表溫度異常(SST Anomaly,SSTA)及重慶SPEI隨時間的變化。Ⅰ區和Ⅱ區的SSTA均與重慶SPEI有顯著的負相關關系(相關系數分別為-0.379和-0.278,且分別通過0.01和0.05信度的顯著性檢驗),表明當同期秋季這兩個海區海表溫度偏高時,重慶秋季SPEI偏低,易出現干旱。同時可發現,兩區的海表溫度都在20世紀80年代后期出現增暖,1985年以后海表溫度距平多為正值,與重慶秋季年代際干旱有較好的對應關系,說明Ⅰ區和Ⅱ區海表溫度年代際升高(降低)與重慶秋季年代際干旱(洪澇)存在密切聯系。

圖5　1961—2012年重慶秋季SPEI與同期秋季熱帶東印度洋—西太平洋(a)及北大西洋(b)海表溫度的相關系數分布(陰影區表示通過0.05信度的顯著性檢驗)Fig.5　Distributions of correlation coefficients between autumn SPEI in Chongqing and SSTs in (a)tropical eastern Indian Ocean—western Pacific and (b)North Atlantic during 1961—2012(Only regions with correlation coefficient exceeding 0.05 significance level are shaded)

前述分析指出,西北太平洋副熱帶高壓、南支槽以及區域Hadley環流等變化對重慶干旱的年代際變化具有重要影響,而Ⅰ、Ⅱ區海表溫度異常與重慶干旱指數也存在密切聯系。那么,該兩區海表溫度異常與這些環流系統是否也存在著密切聯系?探討它們之間的關系,對理解該兩區海表溫度異常影響重慶干旱的可能物理機制非常必要。

圖6d—h分別給出了西北太平洋副熱帶高壓面積、強度、西伸脊點,南支槽強度以及區域Hadley強度等指數隨時間的變化,它們與Ⅰ、Ⅱ區海表溫度異常的相關系數多數通過0.05信度的顯著性檢驗(除Ⅱ區海表溫度與區域Hadley強度指數的相關系數外),表明這兩個海區海表溫度異常與西北太平洋副熱帶高壓、南支槽以及區域Hadley環流關系密切(除了Ⅱ區海表溫度與區域Hadley強度指數的關系)。前述結果表明,重慶干旱指數SPEI與這些環流系統關系密切(表2),可知該兩區海表溫度異常是通過引起西北太平洋副熱帶高壓、南支槽以及區域Hadley環流異常,來進一步影響重慶干旱的。圖6中11a滑動平均曲線(年代際變化)顯示,重慶干旱指數SPEI、Ⅰ區和Ⅱ區海表溫度異常、西北太平洋副熱帶高壓指數、南支槽指數及區域Hadley環流強度指數均具有明顯的年代際變化特征;盡管它們的年代際轉折點存在某些差異,但是1990年后重慶處于年代際干旱期時,Ⅰ、Ⅱ兩區的海表溫度偏暖,西北太平洋副熱帶高壓面積偏大、強度偏強,南支槽強度偏弱,區域Hadley環流增強等這些特征,與前述年代際環流差異結果是一致的。

圖6　標準化的1961—2012年秋季Ⅰ區SSTA(a)、Ⅱ區SSTA(b)、重慶SPEI(c),西北太平洋副熱帶高壓面積指數(d)、強度指數(e)和西伸脊點指數(f),以及南支槽強度指數(g)和區域Hadley強度指數(h)的時間序列(曲線為11 a滑動平均,R1、RS2分別表示Ⅰ區、Ⅱ區SSTA與各指數的相關系數)Fig.6　Time series of standardized (a)SSTA in region Ⅰ,(b)SSTA in region Ⅱ,(c)Chongqing SPEI,(d)WPSH area index,(e)WPSH intensity index,(f)WPSH west point index,(g)STB intensity index,and (h)Hadley intensity index in autumn of 1961—2012(curves denote 11-yr moving average.R1(R2) denotes correlation coefficients between SSTA in region Ⅰ(Ⅱ) and other indices)

上述相關分析結果表明,Ⅰ、Ⅱ區海表溫度年代際升高與重慶秋季年代際干旱存在密切聯系,它們可通過影響西北太平洋副熱帶高壓、南支槽以及區域Hadley環流等的變化,進而導致重慶年代際干旱。然而,這些僅僅是觀測分析結果,尚需通過全球大氣環流模式進行數值試驗來作進一步驗證,由此才能確定影響重慶干旱年代際變化的海溫關鍵區。

5數值試驗

前述觀測分析結果表明,熱帶東印度洋—西太平洋(Ⅰ區)和北大西洋(Ⅱ區)的海表溫度異常與重慶秋季SPEI存在顯著的負相關關系,且它們可通過影響西北太平洋副熱帶高壓、南支槽和區域Hadley環流等變化從而導致重慶地區秋季年代際干旱。那么,是否Ⅰ、Ⅱ區的海表溫度異常對重慶秋季干旱的年代際變化都有影響?哪個海區的影響更大?為了找出關鍵海區,本文利用NCAR全球大氣環流模式CAM5.1進行數值模擬研究,數值試驗方案詳見表3。各試驗均采用10個不同的初值場驅動模式,從1月1日起模擬積分10 a,得到10組集合試驗結果。取這10組集合試驗平均結果的10 a秋季平均結果用于分析。

表3　數值試驗方案

因為前述觀測分析結果指出,與重慶年代際干旱關系密切的有Ⅰ、Ⅱ區兩個海區,所以首先分析在這兩個海區海表溫度異常共同影響下的模擬結果,即試驗Ⅲ模擬結果。從它們的暖、冷試驗的降水差值場(暖試驗減冷試驗,即EXP_Ⅲ_warm減EXP_Ⅲ_cold,下同;圖7c)可以看出,重慶地區為降水正差值,這與觀測結果中得到兩區暖海溫對應降水偏少的結論不一致;進一步計算表明,暖試驗模擬的重慶秋季SPEI為-0.14,冷試驗模擬的重慶秋季SPEI為0.22,所以從干旱指數結果來看,模擬結果與觀測結果還是較一致的。差值環流主要表現為:相對于冷試驗,暖試驗模擬的西北太平洋副熱帶高壓(取590 dagpm等值線包圍的反氣旋范圍作為西北太平洋副熱帶高壓體)位置偏西、面積偏大、強度偏強,孟加拉灣南支槽區為正高度差值(圖8c),南支槽減弱,自孟加拉灣到重慶地區為差值偏東氣流(圖7c),赤道地區為差值上升區(圖8f)。這些環流形勢與觀測結果較一致,與觀測結果不一致的環流形勢在于,模擬的Hadley環流下沉支偏南,重慶地區為上升運動(圖9c)。因此,試驗Ⅲ模擬結果與觀測結果多數較一致,但也存在不一致之處。這表明,Ⅰ、Ⅱ區海表溫度異常的聯合作用對重慶年代際干旱有重要影響,但需進一步分析該兩區海表溫度異常的獨立影響,以便找到真正影響重慶年代際干旱的關鍵海區。

圖7　秋季降水場(單位:mm·d-1;陰影區表示降水差值為負)和850 hPa風場(箭矢;單位:m·s-1)的差值分布(暖試驗減冷試驗)　　a.試驗Ⅰ;b.試驗Ⅱ;c.試驗ⅢFig.7　Differences of precipitation(units:mm·d-1;shaded areas denote the negative precipitation differences) and 850 hPa winds(arrows;units:m·s-1) in autumn(warm experiment minus cold experiment)a.EXP_Ⅰ;b.EXP_Ⅱ;c.EXP_Ⅲ

圖8　暖試驗(實線)、冷試驗(虛線)秋季500 hPa上590 dagpm等值線的合成分布及這兩個試驗的500 hPa高度差值場(陰影區,單位:dagpm)(a,b,c),以及500 hPa垂直速度的差值分布(陰影區,單位:10-2 Pa·s-1;正值表示下沉,負值表示上升)(d,e,f)(差值場均為暖試驗減冷試驗)a,d.試驗Ⅰ;b,e.試驗Ⅱ;c,f.試驗ⅢFig.8　(a,b,c)Composite isolines of 590 dagpm at 500 hPa in the warm experiment(solid line) and the cold experiment(dashed line),with 500 hPa geopotential height differences(shadings;units:dagpm),and (d,e,f)differences of 500 hPa vertical velocity(shadings;units:10-2 Pa·s-1;positive(negative) value denotes downward(upward) motion) in autumn(the differences are warm experiment minus cold experiment)　　a,d.EXP_Ⅰ;b,e.EXP_Ⅱ;c,f.EXP_Ⅲ

由秋季Ⅰ區海表溫度冷、暖試驗的降水差值場(圖7a)可以看出,相對于冷試驗,暖試驗模擬的重慶地區降水偏少;計算表明,暖試驗模擬的重慶秋季SPEI為-0.54(偏旱),冷試驗模擬的重慶秋季SPEI為0.01。差值環流場主要表現為:相對于冷試驗,暖試驗的模擬結果在西北太平洋地區存在一個氣旋性差值環流,從孟加拉灣到重慶地區為差值偏北氣流(圖7a),西北太平洋副熱帶高壓位置偏西偏北、面積偏大,孟加拉灣南支槽區為正高度差值區(圖8a),南支槽減弱,不利于水汽從孟加拉灣向重慶地區輸送(圖7a);同時,赤道地區為差值上升區(圖8d),區域Hadley環流增強,重慶地區為差值下沉區(圖9a),進而導致重慶地區發生干旱。模擬結果與觀測結果較一致,表明熱帶東印度洋—西太平洋的海表溫度偏暖對重慶地區秋季干旱具有重要影響。

從秋季Ⅱ區海表溫度冷、暖試驗的降水差值場(圖7b)可以看出,相對于冷試驗,暖試驗模擬的重慶地區降水為弱正值;但計算表明,暖試驗模擬的重慶秋季SPEI為-0.03,冷試驗模擬的重慶秋季SPEI為0.12,兩者之差為-0.15(略偏旱),所以從干旱指數來看,模擬結果與觀測結果較一致,表明該區海表溫度年代際偏高時,重慶秋季年代際略偏旱。并且,模擬結果中存在有利于重慶年代際干旱的環流形勢,例如:重慶地區為高度正差值,西北太平洋副熱帶高壓位置偏北(圖8b),重慶地區上空600 hPa至1 000 hPa為差值下沉運動(圖9b)。上述分析表明,Ⅱ區海表溫度冷、暖試驗的模擬結果與觀測結果在重慶地區500 hPa位勢高度差值場、西北太平洋副高的位置變化及垂直環流上較接近,所以該海區也是影響重慶秋季干旱的關鍵區之一,但相對I區而言,其作用是次要的。

綜上所述,試驗Ⅲ能模擬出與觀測結果基本一致的偏旱、偏澇期西北太平洋副熱帶高壓位置、面積以及南支槽強度等環流的變化;試驗I的模擬結果與觀測結果較一致,它不僅能模擬出重慶干旱的變化,而且能較好地模擬出環流的變化;試驗Ⅱ模擬的西北太平洋副熱帶高壓位置變化、重慶地區500 hPa位勢高度差值場及局地垂直環流與觀測結果較一致。

圖9　秋季經向垂直環流差值場沿105～112.5°E平均的緯度—高度剖面(暖試驗減冷試驗;垂直速度單位:10-2 Pa·s-1,經向風速單位:m·s-1)　　a.試驗⒈;b.試驗Ⅱ;c.試驗ⅢFig.9　Latitude-pressure sections of vertical circulation differences averaged from 105 to 112.5°E in autumn(warm experiment minus cold experiment;units of vertical and meridional wind velocities are 10-2 Pa·s-1 and m·s-1,respectively)　　a.EXP_Ⅰ;b.EXP_Ⅱ;c.EXP_Ⅲ

因此,綜合觀測分析和數值試驗結果可知,秋季熱帶東印度洋—西太平洋(Ⅰ區)海表溫度的年代際增暖對重慶秋季年代際干旱具有重要作用,該區是影響重慶秋季干旱的關鍵海區,其影響重慶干旱的可能機制為:當熱帶東印度洋—西太平洋的秋季海表溫度年代際增暖時,西北太平洋副熱帶高壓位置偏西、面積偏大、強度增強,重慶地區位勢高度升高,孟加拉灣南支槽減弱,不利于水汽從孟加拉灣向重慶地區輸送,同時赤道地區存在異常上升運動,使得區域Hadley環流增強,重慶地區為異常下沉區,從而導致重慶地區年代際干旱;當北大西洋(Ⅱ區)的秋季海表溫度年代際增暖時,西北太平洋副熱帶高壓位置偏北,重慶地區位勢高度升高,600 hPa以下有垂直下沉運動,形成了有利于重慶秋季干旱的環流形勢,但相對I區而言,該區對重慶年代際干旱的影響較弱,因此該區是影響重慶秋季年代際干旱的次關鍵海區。

Tian and Fan(2013)指出,北大西洋海表溫度偏暖可通過對流層高層西風急流上的波列引起東亞地區大氣環流異常,如西北太平洋副熱帶高壓位置偏北等,使得長江上游地區(含重慶地區)的夏季極端降水偏少。本文分析也證實,北大西洋海表溫度異常可引起西北太平洋副熱帶高壓的變化,進而影響重慶秋季干旱。同時,根據秋季Ⅱ區海表溫度異常與同期500 hPa高度場的相關系數分布(圖略)可知,通過0.05信度顯著性檢驗的區域位于熱帶,表明Ⅱ區海表溫度偏暖可使熱帶地區位勢高度偏高,引起西北太平洋副熱帶高壓增強、偏北,從而導致重慶地區年代際干旱。

6結論

1)重慶秋季干旱指數SPEI的變化特征主要表現為全區一致變化型,且在1989年發生了年代際突變,突變后(前)重慶處于偏旱(澇)期。

2)熱帶東印度洋—西太平洋、北大西洋海表溫度年代際升高對自1990年開始的重慶秋季年代際干旱具有重要作用;前者為關鍵海區,后者為次關鍵海區。當熱帶東印度洋—西太平洋海表溫度在秋季年代際增暖時,西北太平洋副熱帶高壓位置偏西、面積偏大、強度增強,重慶地區位勢高度升高,孟加拉灣南支槽減弱,不利于水汽從孟加拉灣向重慶地區輸送,同時赤道地區存在異常上升運動,使得區域Hadley環流增強,重慶地區為異常下沉區,從而導致重慶地區年代際干旱。當北大西洋海表溫度在秋季年代際增暖時,西北太平洋副熱帶高壓偏北,重慶地區位勢高度升高且存在異常下沉運動,從而導致重慶地區年代際干旱。

3)數值試驗結果表明,熱帶東印度洋—西太平洋海表溫度年代際偏暖(冷),可以通過影響西北太平洋副熱帶高壓、南支槽、區域Hadley環流等變化,進而導致重慶秋季年代際偏旱(偏澇)。這進一步驗證了觀測分析結果,并確定熱帶東印度洋—西太平洋是影響重慶干旱的關鍵海區。同時,數值試驗結果也表明,北大西洋海表溫度年代際異常可通過影響西北太平洋副熱帶高壓位置,使得重慶地區上空位勢高度場及垂直運動發生變化,從而對重慶年代際干旱產生影響。

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(責任編輯：張福穎)

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