2011年夏季西南極端干旱事件及其成因

藍天,霍利微,王冀,鄧汗青,王易,柳春,張茜

摘要 利用近30 a中國地面氣象臺站1 767站的逐月降水資料、同期NOAA的擴展重建（Extended Reconstructed SST V3b）海表溫度資料和NCEP/NCAR大氣再分析資料，分析了2011年夏季（6—8月）東北太平洋海溫異常對西南地區極端干旱事件的影響機理。結果表明：2011年夏季西南地區降水呈現極端偏少的特征，區域平均降水距平為-270 mm，小于負兩倍標準差，降水負異常極小值區域主要位于滇黔桂三地交界處。2011年夏季西南地區降水極端負異常與東北太平洋海表溫度異常偶極型（NorthEast Pacific SSTA Dipole，NEPD）分布存在聯系。將熱帶東北太平洋[90°～120°W，5°～20°N]海溫負/正異常、中緯度北太平洋[150°～170°W，37°～45°N]海溫正/負異常定義為NEPD負/正位相。NEPD負位相事件引起了熱帶中東太平洋對流層低層東風異常，并通過中緯度緯向東傳波列引起遠東地區位勢高度正異常，減弱了西太平洋副熱帶高壓，不利于西南暖濕氣流向中國西南地區輸送;同時，西南地區對流層低層輻散、高層輻合，受異常下沉氣流控制。上述條件共同作用造成了2011年西南地區夏季降水極端負異常。

關鍵詞 西南地區;夏季降水;東北太平洋;海溫異常;偶極型

我國西南地區位于低緯度地區，以高原地形為主，靠近地球上最高的高原-青藏高原，地勢西北高、東南低。同時，西南地區為東亞季風和印度季風的交匯區，使西南地區形成了干濕分明的立體氣候（趙爾旭等，2011）。西南地區夏季降水的空間分布由南向北逐漸減少（圖1a），這與地勢由南向北逐漸增高有關。西南地區旱季（11月至次年4月），大部分地區降水量少，旱季降水量僅占全年總降水量的5%～15%;西南地區雨季降水量可占全年降水量的85%～95%。其中夏季6—8月降水量最多，占全年降水總量的55%～65%（秦劍等，1997）。特殊的地理位置使得西南地區旱澇災害頻發。

2009—2012年，西南地區遭受了嚴重的4 a持續干旱事件，不僅干季旱情嚴重，雨季降水較氣候平均亦持續異常偏少（李鵬飛和趙聽奕，2013;楊金虎等，2015）。其中2011年夏季西南干旱為近30 a罕見，滇、黔、桂三地交界處降水距平百分率小于-40%（圖1b），西南地區區域平均降水距平小于負2倍標準差（圖1c）。這次極端干旱事件給當地造成了嚴重的經濟損失，對當地居民生活造成了巨大的影響。2011年夏季，云南、貴州、重慶、四川和西藏地區累計受災人口3 876.3萬人，1 039.8萬人、537.7萬頭大牲畜發生臨時性飲水困難，農作物受災面積334.4×104 hm2，絕收55.0×104 hm2（段海霞等，2012）。

西南地區此次持續性干旱異常事件影響因子眾多。有研究表明，海洋性大陸區域上空的異常垂直運動，可引起菲律賓附近的反氣旋環流異常，西南地區西北風異常，并伴隨對流層低層輻散異常，引起西南地區降水負異常（王曉敏等，2012）。熱帶西北太平洋非絕熱加熱異常亦可引起西南地區旱澇異常（呂純月等，2021）。2009—2012年夏季南印度洋持續偏暖也是西南地區夏季干旱的外部強迫因子之一（陶云等，2014）。2009/2010年西南地區秋冬春連旱為該地區有觀測記錄以來最為嚴重的干旱事件，這和孟加拉灣海區異常偏暖在西南地區引起的異常下沉氣流有關（王嘉媛等，2015）。

太平洋的海表溫度異常、大氣環流異常及海氣相互作用亦可對包括西南地區在內的中國氣候異常產生影響。Zhai et al.（2017）指出，熱帶太平洋海溫異常和西南地區的干旱事件存在密切聯系。較暖的北太平洋洋流可引起夏季中國東部降水偏多、西南地區降水偏少，反之亦然（Zhang et al.，2013）。胡楊等（2019）研究發現，副熱帶東北太平洋海溫異?？赏ㄟ^調節中東太平洋和菲律賓群島附近的大氣環流異常，進而影響長江中下游地區夏季降水異常。ENSO是熱帶太平洋重要的海氣耦合現象，和包括西南地區在內的中國氣候異常存在聯系（王曉敏，2012;王旭棟等，2017;張夢珂和金大超，2019;錢代麗等，2021）。王曉敏等（2012）指出2009/2010年西南地區秋冬春持續干旱事件和中部型El Nio事件影響下大氣環流的持續異常有關。Zhang et al.（2013）指出，西南地區秋季降水異常和ENSO存在聯系。有研究表明，北太平洋海溫異?？蓪NSO產生影響（Ding et al.，2015，2017）。北太平洋經向模（North Pacific Meridional Mode，NPMM）是北太平洋區域重要的海氣耦合現象（Chiang and Vimont，2004），NPMM可通過北太平洋海氣相互作用調節向熱帶太平洋的熱量輸送進而影響ENSO（Amaya，2019），NPMM亦可對東亞氣候異常如熱帶氣旋活動產生影響（Wang et al.，2019）。

綜上所述，北太平洋海溫異?？蓪χ袊鴼夂虍惓．a生影響。而2011年西南地區極端干旱事件是否和北太平洋海溫異常存在聯系，尚不清楚。二者若存在聯系，是通過何種機制聯系起來的？弄清該問題可為深刻理解西南地區夏季旱澇災害及防災減災工作提供科學依據和線索。

1 資料和方法

選取了中國地面氣象臺站1989—2018年1 767站的逐月降水資料，其中西南地區涵蓋52個站點，還選用了同期NOAA的擴展重建（Extended Reconstructed SST V3b）水平分辨率為2.0°×2.0°的逐月海表溫度資料和NCEP/NCAR水平分辨率為2.5°×2.5°的逐月大氣再分析資料。文中夏季為6—8月，異常場指各變量2011年夏季均值與1989—2018年夏季氣候平均的偏差。

采用Takaya and Nakamura（2001）給出的公式計算波作用通量，在對數氣壓坐標中波作用通量（W）的公式如下：

W=p2 000|U|U（（v′）2-ψ′v′x）+V（-u′v′+ψ′u′x）

U（-u′v′+ψ′u′x）+V（（u′）2+ψ′v′y）。

其中：ψ′為準地轉擾動流函數;V′=（u′，v′）為擾動準地轉風;U=（U，V）為基本流場;p表示以氣壓;下標x和y分別表示緯向和經向導數。在計算中，氣候平均場是背景流場，相應的異常是與準穩態Rossby波列有關的擾動。

2 2011年西南夏季降水異常

西南地區氣候平均夏季降水呈南多北少、由南向北遞減的空間分布型，夏季氣候平均降水量介于400～800 mm之間，其中降水極值超過800 mm，位于云南西南部分地區（圖1a）。

2011年西南地區夏季降水距平百分率的空間分布（圖1b）顯示，西南夏季降水負異常，下文所指西南區域為降水距平百分率小值區域（即云南東部、貴州南部和廣西的西北部，圖1b的矩形框區域）。西南地區夏季降水區域平均近30 a時間序列（圖1c）可以發現，西南地區夏季降水異常呈顯著的年際和年代際變化規律，其中20世紀90年代初前后降水呈振蕩型，之后進入多雨期，21世紀初夏季降水恢復振蕩型。注意到，2009—2013年西南夏季降水持續負異常，這和前人的研究結論（王曉敏等，2012;陶云等，2014）一致。其中降水負距平極值出現在2011年，為-270.0 mm，比歷史同期降水均值偏少近一半。因為西南夏季降水具有顯著的年代際變化及長期線性趨勢，為研究西南地區夏季降水的年際變化特征，下文所用資料均已濾除了長期線性趨勢和11 a以上的年代際信號。

3 海溫異常

1989—2018年西南地區降水異常和同期海溫異常的相關系數空間分布（圖2a）顯示，西南地區夏季降水異常與北半球中緯度太平洋[150°～170°W，37°～45°N]海溫異常呈顯著負相關關系、和熱帶東北太平洋[90°～120°W，5°～20°N]海溫異常呈顯著正相關關系。為了更好地表征西南夏季降水和北太平洋海溫異常的聯系，將熱帶東北太平洋與北半球中緯度太平洋區域平均海溫異常差值定義為東北太平洋海溫異常偶極型（NorthEast Pacific SSTA Dipole，NEPD）指數（INEPD）。NEPD指數時間序列顯示其和西南夏季降水具有較好的同位相變化關系（圖2b），二者相關系數為0.44，可通過置信度為95%的顯著性檢驗，進一步驗證了西南夏季降水和北太平洋海溫偶極型異常的關系。還注意到，2011年夏季NEPD負異常，NEPD指數的值小于負2倍標準差。

進一步分析2011年夏季東北太平洋海溫異常（圖2c）發現，熱帶東北太平洋海溫負異常，中緯度北太平洋海溫正異常，表現為NEPD負位相的空間結構。為了揭示NEPD影響西南地區夏季降水異常的物理機制，并闡明2011年NEPD負異常影響西南地區夏季降水極端負異常的途徑，下文將分析和NEPD相聯系的大氣環流異常，從而回答上述問題。

4 水汽輸送異常

夏季氣候平均整層積分的水汽通量及其散度（圖3a）顯示，水汽主要輸送路徑由南半球中緯度印度洋經非洲東海岸越過赤道后在科氏力作用下向東北方向經北印度洋、孟加拉灣、中南半島輸送至西南地區，且西南地區為水汽輻合區域。注意到，水汽由南印度洋輸送至西南地區后分為兩支，一支向北輸送;另一支繼續向東北輸送，和北太平洋緯向拉長的反氣旋式水汽輸送合并。

INEPD回歸的整層積分水汽通量及散度（圖3b）顯示，NEPD正位相時，熱帶中東太平洋存在異常向東輸送的水汽通量，中高緯度北太平洋區域存在水汽氣旋式異常輸送，整個北太平洋存在水汽異常氣旋式輸送。需要說明的是，西北太平洋亦可觀測到水汽的異常反氣旋式輸送，其北側向東的異常水汽通量增強了南亞地區輸送至中國南方的水汽通量，且西南地區為水汽的異常輻合區，從而有利于西南地區夏季降水的產生。

由2011年夏季整層水汽通量及其散度異常場（圖3c）可以發現，熱帶中東太平洋存在水汽異常的向西輸送，西北太平洋存在水汽的異常氣旋式輸送，減弱了南亞地區向中國南方地區輸送的水汽通量，且西南地區為水汽的異常輻散區域。水汽通量這樣的異常輸送，不利于西南地區降水的產生。

5 大氣環流異常

由INEPD回歸的850 hPa位勢高度場和風場（圖4a）可以發現，NEPD正位相時，中緯度北太平洋存在氣旋式環流異常及位勢高度負異常，熱帶中東太平洋西風異常，南亞至中國南海地區存在緯向拉長的反氣旋式環流異常和位勢高度正異常。該反氣旋環流異常北側的西風異常增強了西南氣流，有利于將暖濕氣流輸送至西南地區（圖3b）。這說明，NEPD正位相伴隨著西太平洋副熱帶高壓增強，引起西太平洋對流層低層異常輻散（圖4b）、高層異常輻合（圖4c）、受異常下沉氣流控制（圖4d）。

此外還注意到，對流層低層遠東地區存在異常氣旋式環流和位勢高度負異常（圖4a）。INEPD回歸的500 hPa位勢高度場和風場（圖5）亦可觀測到在遠東地區存在這樣的環流異常，200 hPa也存在類似的配置（圖略）。沿北半球中高緯度自北太平洋至遠東地區存在“氣旋-反氣旋-氣旋-反氣旋-氣旋-反氣旋-氣旋-反氣旋-氣旋”異常波列結構，位勢高度場上亦存在相應的正異?；蜇摦惓?。這表明，NEPD還可能通過沿中緯度向下游傳播的遙相關波列影響東亞大槽，進而調節西南夏季降水異常。對流層中下層，菲律賓周圍至遠東地區這種異常反氣旋-氣旋式環流異常，表現出東亞-太平洋（East Asia-Pacific，EAP）/太平洋-日本（Pacific-Japan，PJ）型遙相關（Huang，1987;Nitta，1987）波列結構，只是位置略有偏移。遠東地區氣旋式環流異?？稍鰪娖淠蟼鹊姆礆庑h流異常，即增強西北太平洋副熱帶高壓，進而影響西南夏季降水異常。

2011年850 hPa位勢高度場和異常風場（圖6a）顯示，2011年夏季，中緯度北太平洋存在反氣旋式環流異常及位勢高度正異常，熱帶中東太平洋東風異常，西北太平洋存在緯向拉長的氣旋式環流異常和位勢高度負異常。該氣旋環流異常北側的東風異常削弱了西南氣流，不利于將暖濕氣流輸送至西南地區（圖3b）。同時，西太平洋對流層低層異常輻合（圖6b）、高層異常輻散（圖6c）、受異常上升氣流控制（圖6d），而西南地區對流層低層異常輻散、高層輻合、受異常下沉運動控制（圖6c）。2011年500 hPa風場及位勢高度異常場（圖7a）顯示，自北太平洋至遠東地區沿中高緯度存在“反氣旋-氣旋-反氣旋-氣旋-反氣旋-氣旋-反氣旋-氣旋-反氣旋”異常波列結構及相應的位勢高度異常。增強了遠東地區的位勢高度異常及反氣旋環流異常，從而減弱了西太平洋副熱帶高壓。上述環流異常均不利于西南地區降水的產生。

由2011年夏季500 hPa渦度異常和波作用通量（圖7b）可以發現，Rossby波能量由中緯度北太平洋自西向東沿北半球中高緯傳播，在遠東地區為能量的輻合區域，引起該地區位勢高度正異常和反氣旋環流異常。遠東地區的反氣旋環流異常則伴隨著西太平洋副熱帶高壓減弱，不利于西南暖濕氣流向西南地區輸送（圖3c）。2011年NEPD引起的上述大氣環流異常，不利于西南地區降水的產生。

6 結論和討論

利用站點降水資料、海溫資料和大氣再分析資料，揭示了西南地區夏季降水異常和東北太平洋海溫異常的關系，并闡明了2011年夏季期間東北太平洋海溫異常影響西南地區降水異常的機理，主要結論如下：

1）2011年夏季西南地區降水呈現極端偏少的特征，區域平均降水距平為-270 mm，比歷史同期降水均值偏少近一半。降水負異常極小值區域主要位于滇、黔、桂三地交界處。

2）西南地區夏季降水異常和東北太平洋海溫異常存在顯著的偶極型相關關系，即和熱帶東北太平洋[90°～120°W，5°～20°N]呈正相關、和北半球中緯度太平洋[150°～170°W，37°～45°N]地區的海溫呈負相關關系，將熱帶東北太平洋與北半球中緯度太平洋區域平均海溫異常差值定義為東北太平洋偶極型指數（INEPD）。2011年INEPD的值小于負2倍標準差，NEPD表現為負位相的空間結構，即熱帶東北太平洋海溫負異常，中緯度北太平洋海溫正異常。

3）NEPD負位相時，熱帶中東太平洋存在向西異常輸送的水汽通量，西北太平洋存在氣旋式的異常水汽輸送，減弱了夏季西北太平洋氣候態的反氣旋式水汽輸送，向中國南方地區輸送的水汽減弱，同時西南地區為水汽異常輻散區域，不利于西南地區夏季降水的產生。

4）2011年夏季期間NEPD負位相，引起西北太平洋對流層低層存在緯向拉長的氣旋式環流異常和位勢高度負異常，該氣旋環流異常北側的東風異常削弱了中國南方的西南暖濕氣流。中層Rossby波能量由中緯度北太平洋自西向東沿北半球中高緯傳播，在遠東地區為能量的輻合區域，引起該地區位勢高度正異常和反氣旋環流異常。遠東地區的反氣旋環流異常伴隨著西太平洋副熱帶高壓減弱，亦不利于西南暖濕氣流向西南地區輸送（圖8），同時西南地區對流層低層異常輻散、高層異常輻合，受下沉氣流控制。上述條件共同作用，引起2011年夏季西南地區夏季降水異常偏少。

需要說明的是，已有研究結果表明北太平洋經向模（North Pacific Meridional Mode，NPMM;Chiang and Vimont，2004）是北太平洋區域的主要模態之一。本文所提出的NEPD現象和NPMM是否存在聯系？還注意到，盡管熱帶中東太平洋存在西風異常（圖4a），且熱帶西太平洋低層輻散、高層輻合，熱帶東太平洋低層輻合、高層輻散（圖4b、c），表現出ENSO的大氣環流特征。但是NEPD和同期SST的相關（圖2a）顯示，NEPD現象和熱帶太平洋海溫并無顯著相關。有研究表明，NPMM可對ENSO產生影響（Amaya，2019），而NEPD是否可通過影響ENSO進而影響西南地區夏季降水異常亦不清楚。NEPD通過影響北半球中緯度遙相關波列影響遠東地區位勢高度異常，并調控西太平洋副熱帶高壓。而北半球沿中緯度傳播的遙相關是否和環球遙相關（CGT;Luo et al.，2020）存在聯系尚不清楚。上述問題均有待進行深入研究。

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2Guizhou Branch of Southwest Air Traffic Management Bureau of Civil Aviation of China，Guiyang 550025，China;

3Beijing Regional Climate Center，Beijing 100089，China;

4Anhui Climate Center，Hefei 230031，China;

5Jiangsu Meteorological Observatory，Nanjing 210008，China;

6Anhui Meteorological Observatory，Hefei 230031，China;

7Wuxi university，College of Atmosphere and Remote Sensing，Wuxi 214105，China

Based on the monthly precipitation data of 1 767 stations in China，NOAA sea surface temperature data of Extended Reconstructed SST V3b and NCEP/NCAR atmospheric reanalysis data in recent 30 years，this paper studies the influence mechanism of Northeast Pacific sea surface temperature anomaly on the extreme drought event in Southwest China in summer （from June to August） 2011.Results show that the precipitation in Southwest China is extremely below normal in summer 2011.The regional average precipitation anomaly is -270 mm，less than negative twice standard deviations.The minimum area of negative precipitation anomaly is mainly located at the junction of Yunnan，Guizhou and Guangxi Provinces.In summer 2011，the extreme negative precipitation anomaly in Southwest China is closely related to the negative phase of Northeast Pacific SSTA dipole （NEPD），which presents the negative SSTA in the tropical Northeast Pacific [5°—20°N，90°—120°W] and the positive SSTA in the mid-latitude North Pacific [37°—45°N，150°—170°W].The negative phase of NEPD event causes anomalous easterlies in the lower troposphere over the tropical central and eastern Pacific，causes the positive geopotential height anomaly in the Far East by triggering the propagation of the quasi-stationary Rossby wave train from west to east，and weakens the western Pacific subtropical high，which is not conducive to the transportation of warm and humid air from the southwest to Southwest China.Meanwhile，Southwest China is controlled by abnormal downdraft with the lower tropospheric divergence and upper tropospheric convergence.The above conditions together cause the extreme negative anomaly of summer precipitation in Southwest China in 2011.

Southwest China;summer precipitation;Northeast Pacific;SSTA;dipole

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20190801007

（責任編輯：張福穎）