山西省忻州市2015—07—08特大干旱成因分析

張潤英++鄭秀文++羅俊偉++馬子平++李春華

摘 要：運用氣候診斷法，利用全國氣候業務網提供的2015年氣象資料和歷年氣候資料，簡要分析了2015-07—08山西省忻州市出現的特大氣象干旱極端事件。分析結果顯示，導致2015-07—08尤其是伏天降水特少的原因主要有2點：①2015年發生了強厄爾尼諾事件，導致大氣環流異常。具體表現為7月份和8月份極渦強度比往年同期偏弱，冷空氣活動偏弱，偏東，西太平洋副熱帶高壓強度總體偏弱，位置偏東偏南，使得副熱帶高壓長時間控制華南地區，副高外圍的水汽不能輸送到山西中北部；②山西省忻州市地形復雜，山地和丘陵占全市總面積的89.5%，山地和坡地蓄水能力差。經過綜合分析，結果表明，2015-07—08，山西省忻州市發生的特大干旱是多種自然因素共同作用的結果。

關鍵詞：干旱；厄爾尼諾；大氣環流；降水

中圖分類號：P426.616 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.06.023

1 災情分析

2015-07—08，山西省忻州市干旱少雨，人們的日常生活、工業、農業等各方面用水都受到了極大的影響，尤其是對農業生產的影響。據各縣民政局統計，截至2015-08，忻州全市14個縣，已經有11個縣137個鄉（鎮）受到了不同程度的旱災，受災人數94.73萬，農作物受災面積237 790 km2，成災面積205 220 km2，絕收面積44 730 km2，分別占播種面積的58%，50%，11%，而因災害導致飲水困難的牲畜有17 300頭。

2 旱情狀況分析

2.1 實況降水分析

2.1.1 2015-07—08降水分析

2015-07—08，全市平均降水量為101.2 mm，比往年同期（206.0 mm）少50.9%. 其中，神池縣、原平市、河曲縣降水量比往年少了70%以上，偏關縣、五寨縣、保德縣、岢嵐縣、代縣比往年少了50%～60%，忻府區、定襄縣、寧武縣和靜樂縣比往年少了40%左右，五臺縣接近往年同期值，具體情況如表1所示。2015-07，全市平均降水比歷史同期少53.7%；2015-08，全市平均降水比歷史同期少48.3%.由此可知，原平市、代縣、神池縣2015-07的降水量創同期新低，偏關縣接近同期最小值。2015-08，全市降水量少了3～8成，未突破歷史最小值；2015-07—08，五寨縣、神池縣、偏關縣的總降水量創歷史新低，河曲縣、原平市的降水量接近歷史同期最小值。各觀測站降水詳情見表1.

2.1.2 伏天降水分析

2015年伏天（2015-07-13—2015-08-21），全市平均降水量為80.8 mm，與2014年同期相比少22.2%，與歷年同期相比少43.4%.除了五臺縣外，其余縣（市）均低于歷年同期值，原平市、代縣、五寨縣、河曲縣、保德縣和偏關縣比歷年同期少5成以上，神池縣偏少7成以上。

伏天降水最少時段是7月下旬和8月中旬，7月下旬全市平均降水量為13.2 mm，比歷年同期少67.2%；8月中旬降水特別少，全市平均降水量只有6.4 mm，與歷年同期相比少81.4%.

7月上旬到中旬，全市降水偏少3～6成，旱象波及全市；7月下旬降水持續偏少6成以上，旱象日趨嚴重，大面積作物出現葉枯苗萎的情況。雖然8月上旬全市平均降水偏少一成，但是，由于前期旱象明顯，旱象呈加劇態勢，8月中旬降水極少，農作物受旱嚴重，干枯死亡，秋糧作物大幅度減產已成定局。

2.2 土壤墑情分析

由全市各縣2015-08-31的土壤測墑情況可知，除了五臺縣及其周邊地區外，其余各縣10 cm土壤的相對濕度在40%以下，處于嚴重干旱狀態，如圖1所示。繁峙縣、靜樂縣、忻府區部分、定襄縣局部10～30 cm、10～50 cm的土壤相對濕度在40%～50%之間，處于中度干旱狀態，具體如圖2、圖3所示。

表1 山西省忻州市14個臺站2015-07和2015-08的降水量、距平

圖1 205-08-31，10 cm土壤平均相對濕度 圖2 2015-08-31，10～30 cm土壤平均相對濕度

綜合分析降水和土壤墑情可知，除了五臺縣和繁峙縣東南部的氣象條件適宜農作物生長外，忻州市其余各縣均出現了不同程度的旱情。其中，五寨縣、神池縣、偏關縣、河曲縣、保德縣、原平市、岢嵐縣為特旱等級和重旱，繁峙西北部、代縣、寧武縣為重度到中度干旱，靜樂縣為中旱，忻府區、定襄縣為中度到輕度干旱，具體情況如圖4所示。

圖3 2015-08-31，10～50 cm土壤平均相對濕度 圖4 2015-08忻州全市干旱分布情況

3 干旱成因分析

3.1 大氣環流異常

大范圍的干旱必然與大氣環流異常有關。下面簡要分析了2015-07和2015-08北半球500 hPa環流特征。

3.1.1 極渦和冷空氣活動

2015年夏季，極渦比往年偏弱，位置偏西半球，位于中高緯度上的烏拉爾山地區的高壓脊很不穩定，導致我國北方冷空氣強度偏弱、路徑偏東。將這種情況反映到500 hPa位勢高度場上，2015-07和2015-08的情況很相近。2015-07，在500 hPa位勢高度場上，如圖5所示，極渦有2個中心，中高緯度環流呈4波型分布，長波槽分別位于西伯利亞、北太平洋中部、北美東部和大西洋東部。從距平場上可以看出，北極中心附近對應正距平中心，中心超過12 dagpm。這表明，2015-07，極渦強度比往年同期偏弱，新地島以東為負距平。由此可知，該極渦強度偏強。2015-08，在500 hPa位勢高度場上，如圖6所示，沒有明顯的極渦中心，中高緯度環流也呈4波型分布，長波槽位置與2015-07長波槽的位置接近，而2015-08冷空氣活動更偏弱、偏東。

3.1.2 西太平洋副熱帶高壓異常

如圖5、圖6所示，由2015-07和2015-08的500 hPa月平均環流場情況可知，這兩個月平均環流場的特征很相近，西太平洋副熱帶高壓強度都偏弱，位置偏東偏南，平均副高脊線都在25°N附近，比歷年同期明顯偏南，導致副熱帶高壓長時間控制華南地區，副高外圍的水汽不能輸送到山西中北部。2015-07—08，500 hPa月平均場也存在一定的差異，8月份西太平洋副熱帶高壓強度比7月份更弱，更偏東。從2015-08的500 hPa高度距平場上可以看出，環流形勢呈“+-+”，西太平洋副熱帶高壓偏西、偏強、偏南，與歷年同期相比顯著偏南，584線一直位于長江流域，使得山西乃至整個華北地區發生空汛。

3.2 平均環流特征

3.2.1 100 hPa月平均環流特征

如圖7、圖8所示，由2015-07，2015-08的100 hPa月平均高度場可知，2015-07南壓高壓脊線在北緯35°N附近，0～150°E在中緯度地區為顯著的高壓帶，高壓中心位于70°E附近；2015-08南壓高壓脊線在北緯30°N附近，位于中緯度地區的高壓帶在30°～150°E之間，比2015-07偏東30個經度，高壓中心位于80°E附近，比2015-07的高壓中心偏東10個經度，都屬于西部型南壓高壓。當南壓高壓為西部型時，500 hPa588線偏東偏南，雨帶多在長江流域，全國呈現南澇北旱的降水格局。

3.2.2 300 hPa和700 hPa上月平均流場特征

從圖9、圖10中可以看出，2015-07，300 hPa在10°～50°N，0°～180°E有一個強盛的反氣旋環流，環流中心位于北緯30°N，70°E附近，與100 hPa上空的南壓高壓中心一致。8月份300 hPa環流特征與7月份300 hPa 環流特征相近。7月份700 hPa環流特征與8月份700 hPa環流特征相近，都表現為偏南氣流偏南偏東，在20°N以南為偏東氣流，在20°N以北、120°E附近轉為偏南氣流。研究表明，東亞夏季風和南亞夏季風同時偏弱會導致西北、華北等地的水汽輸送條件變差。

3.2.3 850 hPa水汽輸送情況

2015-07，在850 hPa上，30°E～130°E之間的水汽輸送帶一直在28°N左右擺動，水汽帶的北部邊緣始終沒有越過30°N。7月中旬水汽輸送帶北抬到30°N附近，忻州市平均降水比往年少一成，7月下旬南撤到28°N以南，忻州市平均降水比往年同期少67%以上。2015-08，上旬的水汽輸送帶位置與7月中旬的相近，忻州市平均降水比往年少一成，中旬水汽輸送帶的位置與7月下旬相近，下旬全市平均降水比往年同期少82%以上。

3.3 環流演變與天氣

2015-07上旬，副高外圍584線一直處于黃河以南，山西省出現了持續晴熱少雨的天氣。2015-07中旬，環流形勢調整，副高西伸北抬。2015-07-14—2015-07-16，忻州市大部分地區出現了7月以來較強的一次降水過程，全市降水量為0.1～44.3 mm，東部各縣的降水量大于10 mm，西部各縣的降水量不足5 mm。隨后副高快速南撤，直到7月末才再次北上。在副高和冷空氣的共同作用下，2015-08-02—2015-08-03，忻州市出現了一次小雨量級的降水，直到出伏，再無有效降水過程。

3.4 ENSO的影響

所謂“ENSO”，是厄爾尼諾（El Nino）和南方濤動（Southen Oscillation）的簡稱。厄爾尼諾是太平洋赤道海域水溫異常升高引起的一種異常氣候現象。雖然厄爾尼諾現象發生在海洋，南方濤動現象出現在大氣，但是，這兩種現象有非常緊密的內在聯系，是熱帶太平洋大尺度海氣相互作用的結果。因此，近年來，全世界把這兩種現象作為一件事情看待。參照相關文獻和國家氣候中心《ENSO監測簡報》（18～53期），1981年以來，厄爾尼諾事件的起始時間、結束時間和強度詳見表2.由表2可知，1981—2015年，共發生了11次厄爾尼諾事件，每隔2～5年就發生1次，發生概率為0.285.

1981年以來，共發生強厄爾尼諾事件6次，分別在1982—1983年間、1986—1987年間、1994年、1997年、2009年和2014年；強度較弱的厄爾尼諾事件共5次，分別在1991—1992年間、1993年間、2002年、2004—2005年間、2006—2007年間。在前10次厄爾尼諾事件中，1997—1998年的最嚴重，達到極強強度。據國家氣候中心氣候監測，2014-05開始的厄爾尼諾事件，截至2015-09-27，其海溫指數為1.9 ℃。目前，厄爾尼諾海溫距平指數累計達到了16.3 ℃，超過強厄爾尼諾事件監測標準，并且強度仍在增強。與有完整氣象記錄以來最強的厄爾尼諾事件（1997/1998年的厄爾尼諾事件）相比，此次厄爾尼諾事件的強度要弱，但是，持續時間已經超過了1997/1998年，為歷史第四強，峰值強度為歷史第三大值，僅次于1982/1983年和1997/1998年。

表2 1981年以來的厄爾尼諾事件

相關研究表明，山西省忻州市夏季大旱與厄爾尼諾事件有很大的關系，具體表現為以下2點：①厄爾尼諾事件對忻州市夏季降水有一定的影響，厄爾尼諾事件開始年忻州市夏季干旱，發生干旱的概率為72.7%，發生大旱的概率為45.4%.厄爾尼諾事件結束年，忻州市夏季降水正常或偏多，發生大澇的概率為30%，正常或偏澇的概率為80%.②忻州市夏季降水量極值都出現在強厄爾尼諾年。強厄爾尼諾年，夏季降水量偏少的概率為76.9%，偏多的概率為23.1%，夏季出現降水量距平百分率≤-20%的概率為66.7%，夏季降水量距平百分率≥20%的概率為14.3%.

自19世紀50年代以來，在已發生的14次厄爾尼諾事件中，忻州市有5年盛夏出現了大干旱，分別在1986年、1991年、1997、1999年和2002年。相關統計顯示，2015年夏季，我國雨水“南多北少”，華北地區繼2014年夏季連續出現空汛。

3.5 地形影響

2015年山西夏旱，忻州市旱情最嚴重，這與其地形有很大的關系。忻州市山地和丘陵的面積占全市總面積的89.5%.由于山地和坡地的蓄水能力較差，又不能人工灌溉，所以，只能靠天吃飯。2015年，忻州全市7月和8月平均降水量比往年同期少50.9%，最多時少72.3%，出現了嚴重伏旱的情況。

3.6 收支情況

由2015-07和2015-08自然降水量和每日蒸發量可知，土壤水分收支不平衡，支出遠遠大于吸入。從2014-01-01開始，由于國家一般的氣象觀測站停止了每日蒸發量觀測，所以，只有河曲縣、五寨縣、原平市、代縣4個國家基本氣象觀測站有2015-07—08的蒸發量資料。據統計，2015-07，每日蒸發量為4.7 mm，而四站平均降水量為33.4 mm，每天有1.1 mm的降水；2015-08，每日蒸發量為4.9 mm，而四站平均降水為36.4 mm，每天有1.2 mm的降水。經過統計分析，2015-07和2015-08每天的降水量不僅不能滿足自然蒸發量，還要透支地表和地下水源，因此，土壤水分嚴重匱乏，干旱情況十分嚴重，導致農作物大面積死亡。

4 小結

本文將山西省忻州市14個縣站2015-07和2015-08降水之和與往年同期降水之和作對比、分析。研究發現，2015-07—08，全市平均降水量比往年同期平均降水量偏少50.8%.其中，原平市、五寨縣、保德縣、河曲縣、偏關縣、神池縣偏少6成以上，五寨縣、偏關縣、神池縣為歷年同期極端最低值，河曲縣、原平市接近歷年同期最低值。以降水距平百分率作為干旱指標，忻州市2015-07—08出現了歷史上罕見的特大干旱。從目前掌握的旱災情況看，2015年，忻州市出現的旱災是有完整氣象記錄以來最嚴重的一次。

研究發現，2015年出現了強厄爾尼諾事件，而大氣環流異常是導致7月和8月，尤其是伏天降水量特少的主要原因。7月和8月極渦強度比往年同期偏弱，冷空氣活動偏弱，偏東，西太平洋副熱帶高壓強度總體偏弱，位置偏東偏南，使得副熱帶高壓長時間控制華南地區，而副高外圍的水汽不能輸送到山西中北部，導致山西乃至整個華北地區發生空汛。

地形會加劇旱情的發展。山西省忻州市地形復雜，山地和丘陵的面積占全市總面積的89.5%，山地和坡地的蓄水能力差，2015-07和2015-08的自然降水量不能滿足每日水汽蒸發量，過多地透支地表和地下水源，會使得土壤水分嚴重匱乏，導致農作物干枯死亡。

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