近56 a西南區域降水分布及持續性干旱的研究

楊春艷，嚴小冬，夏 陽，李忠燕，劉 祥，范 倩

(1.貴州省黔西南布依族苗族自治州氣象局，貴州 興義 562400；2.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002；3.貴州省六盤水市氣象局，貴州 六盤水 553000；4.重慶市氣象服務中心，重慶 401147)

0 引言

近年來，在全球變暖的氣候背景下，極端氣候事件愈發頻繁，其中以干旱災害發生次數的增多尤為明顯，且干旱發生的范圍及持續時間亦有明顯變強的趨勢[1-3]。干旱作為影響中國的重要氣象災害之一，同時西南區域又是中國干旱事件最為頻繁且嚴重的地區之一[4]，因此當地的干旱事件越來越受更多氣象學者的關注。

前人的研究表明，每個季節均會發生干旱[5-6]，而春季是西南區域干旱發生概率最高的季節[7]。賀晉云等[8]的研究指出：西南區域極端干旱的發生頻率在橫斷山脈南部、川西南、貴北和桂南等地呈現出明顯的增加趨勢。而楊金虎[3]的研究表明，當烏拉爾山脊和東亞大槽南段偏弱、中高緯地區西風帶偏強、北方的干冷氣流和西南的暖濕氣流均較弱，且下沉運動控制西南大部分地區時，容易導致西南區域春旱的發生。在其他季節發生持續性干旱事件的研究方面，李永華[9]得出2006年夏季西南地區東部的特大干旱事件是由同期大氣環流異常造成的，嚴小冬等[10]在貴州省冬季持續性干旱的研究中也證實了異常大氣環流和異常海溫對干旱的重要影響。黃榮輝等[11]研究表明，西南地區持續性干旱發生時，熱帶西太平洋和印度洋海溫明顯升高，熱帶西太平洋存在反氣旋式異常環流，使得中國東南沿海受到異常西南氣流的控制；而高原東部位于槽后西北氣流中，表現為下沉運動，不利于孟加拉灣水汽向云貴高原輸送，以致西南地區在較長時間降水偏少、干旱事件發展。其他研究也表明，水汽輸送異常、南支槽異常、西太平洋副熱帶高壓異常、下沉運動異常、關鍵區海溫異常等等因子，均是極端干旱事件發生的重要影響因子[12-21]。

以往學者大多是對中國西南地區干旱事件的時空演變特征、某個季節的干旱事件、某年干旱個例的環流場進行分析，而對于中國西南地區多年的多季節持續性干旱事件的氣候分布特征及其異常原因研究開展較少。故本文首先對西南區域降水的時空分布特征做了詳細分析，然后參考適合西南區域的持續性干旱指標[10,22-24]，建立干旱個例庫，分析大氣環流內部的氣象要素異常、海溫異常，綜合研究西南區域持續性干旱發生的物理機制，提前監測干旱事件發生的信號，在短期氣候預測準確率中起到一定的提升作用。

1 資料與方法

本文資料來源于：①1961—2016年的云、貴、川、渝共51站地面觀測的逐日降水、逐月降水和月氣溫資料；②NOAA-ERSST全球月平均海溫資料；③環流特征量數據；④NCEP/NCAR再分析數據。除特別注明外，本文中的氣候態分布均為1961—2016年共56 a的平均值。

為了探討西南區域持續性干旱的成因，利用M-K檢驗、功率譜分析、Morlet小波分析等氣象統計方法，對近56 a西南區域降水的時空分布、持續性干旱事件變化特征及其相關的氣象影響因子進行分析。根據文獻[10]，將持續性干旱事件的定義為：持續3個月及以上月平均降水量距平百分率小于-30%，并且該時間段內總降水量距平百分率小于-120%的事件。

2 結果與討論

2.1 西南區域降水的時空分布特點

由圖1可以看出，西南區域年平均降水量為629.9～1 678.5 mm，地域分布特征為東部南部多、西北少。年平均降水量低于1 000 mm的區域主要位于川西高原(甘孜和馬爾康)和滇西北(香格里拉)等地的高海拔山區，此外在滇東北的昭通還存在一個降水低值中心。而年降水量高值區主要分布在滇南、貴南貴東、渝中渝東南以及川中的雅安等地，雅安地區降水量最多為1 678.5 mm。

圖1 西南區域平均降水量空間分布(單位：mm)Fig.1 Spatial distribution of annual average precipitation in Southwest China (unit:mm)

根據1961—2016年西南區域年降水時序圖(圖2)，近56 a西南區域平均降水量為1 068.0 mm，20世紀60—70年代降水總體偏多，80年代后期—90年代中期降水總體偏少，90年代末降水短暫增加后，進入21世紀以來年降水量又呈現減少的趨勢。降水量偏多年在近56 a中所占比例為61%(最多為1973年的1 198.2 mm)，偏少年為22%(最少為2011年的886.6 mm)。其中，典型偏少年為1992、2003、2006、2009、2011共5 a。

圖2 1961—2016年西南區域降水時間變化(單位：mm)Fig.2 Temporal variation of precipitation in Southwest China from 1961 to 2016(unit: mm)

本文給出了西南區域年降水的M-K分析圖來分析突變特征(圖3)。由圖可見，西南區域的降水在1986年前后發生了明顯的突變，在1986年前降水量變化大，而在突變后降水呈下降趨勢，特別是2009年后此趨勢更明顯，這與文獻[25-27]結論相似。

圖3 西南區域年降水M-K分布(黑色直線為95%的置信度水平檢驗臨界值)Fig.3 M-K statistics curve of annual precipitation in Southwest China (The black straight line is the critical value passing the 95% confidence level test)

通過對西南區域年降水量進行小波分析和功率譜分析，可得到其多尺度變化信息，由圖4a可見。在1970年代和2010年代，西南區域降水的低頻特征表現出顯著的準3 a振蕩周期；而在20世紀70年代末至2000年代初，降水主要表現為8 a左右的振蕩周期，但結合全時域功率譜分析(圖4b)可知，此準8 a的活動周期并無準3 a的顯著。

圖4 西南區域年降水的Morlet小波分析(a，陰影部分為通過90%置信度水平檢驗)和全時域功率譜(b，實線為方差，點虛線為通過90%的置信度水平檢驗，虛線為通過95%的置信度水平檢驗)Fig.4 Morlet wavelet analysis of annual precipitation in Southwest China (a, the shaded part is the area passing the 90% confidence level test) and full time domain power spectrum (B, the real line is the variance, the dotted dotted line is the area passing the 90% confidence level test, and the virtual line is the area passing the 95% confidence level test)

2.2 持續干旱事件的時間演變特征

由表1可見，在過去的56 a中，西南區域共發生了8次持續性干旱事件，平均持續時間為5.4個月，其中從1968年12月開始直至1969年6月結束的事件持續時間最久，長達7個月。在干旱時間的強度方面，從累計距平百分率來看，2009年9月—2010年2月的干旱事件強度最強，達到了-262%。而從月平均降水距平百分率的分布來看，1966年1—4月的干旱事件達到-43.75%，略高于2009年9月—2010年2月的-43.67%。在年代際分布方面，20世紀60年代是西南區域持續性干旱事件發生最多的時段，而其他時段發生相對較少，在90年代則無發生次數。再從季節來看，春、冬季頻數較多，秋季次之，夏季最少。

表1 8個持續性干旱事件發生時間及降水情況Tab.1 Occurrence time and precipitation of 8 persistent drought events

2.3 西南區域持續性干旱的成因分析

2.3.1 同期氣象要素對干旱的影響 為探究西南區域近56 a持續性干旱的成因，本文對西南區域8次持續性干旱事件的同期氣象要素距平進行了分析，包括水汽輸送、水平環流、冷空氣活動、垂直環流和海平面氣壓等。

水汽輸送是造成大范圍持續性降水的重要因素之一，尤其是對流層中低層的水汽輸送對降水的貢獻尤為突出，700 hPa水汽通量及散度分布圖(圖5)揭示出，西南地區的水汽主要來自孟加拉灣和南海的偏南氣流，700 hPa上孟加拉灣有明顯的反氣旋性環流，不利于南支槽前西南氣流的水汽輸送，南海地區存在弱的氣旋性環流，不利于副熱帶高壓西側的偏南氣流對西南地區水汽的輸送，同時二者之間耦合，在西南地區形成偏北氣流，阻斷了西南地區的水汽通道。從水汽通量散度也可以看出，重慶、貴州地區水汽通量散度很弱，云南地區表現出低層有較強的水汽通量輻散。

圖5 水汽通量(箭頭，單位：g·cm-2s-1)及散度(陰影，單位：s-1)異常分布(a：700hPa；b：整層大氣)Fig.5 Abnormal distribution of water vapor flux (arrow, unit:g·cm-2s-1) and water vapor flux divergence (shadow, unit:s-1) (a: 700hPa；b: the whole atmosphere)

從200 hPa水平風場(圖6a)來看，在我國中低緯地區的上空高層大氣中存在反氣旋性環流(即南亞高壓)的影響，但范圍較小且風場較弱，因此南亞高壓強度較常年同期偏弱。同時從散度場可以看到西南地區上空散度場較弱或為弱的輻散，高層輻散較弱不利于抽吸作用造成上升運動，阻礙降水的發生。

500 hPa和700 hPa風場分布與200 hPa表現基本一致，在西南地區均表現出上下一致的反氣旋性環流，但低層較高層有偏西的趨勢，且低層700 hPa較弱。從500 hPa的風場(圖6b)可以看出，孟加拉灣受弱的反氣旋性環流控制，不利于南支槽的活躍。同時南海地區處于氣旋性環流的控制，不利于副熱帶高壓的活躍，這與前文所研究的700 hPa水汽通量合成分布形成較好的對應。從700 hPa垂直速度場(圖6b)和散度場(圖6c)可以看到，西南地區唯一顯著下沉運動控制配合低層大氣存在弱的輻散情況，不利于垂直上升運動造成降水，因此造成了西南地區持續性干旱事件。

圖6 異常的200 hPa風場(單位:m/s)與散度場(a，單位：s-1)、500 hPa風場與700 hPa垂直速度場(b，單位：m/s)以及700 hPa風場與散度場(c，單位：s-1)分布，箭頭是風場，陰影是散度和垂直速度Fig.6 Abnormal distribution of 200 hPa wind field(unit:m/s) and divergence field (a,unit:s-1), 500hPa wind field and 700 hPa vertical velocity field (b,unit:m/s) and 700 hPa wind field and divergence field (c,unit:s-1), with arrows representing wind field and shadows representing divergence and vertical velocity

從200 hPa緯向風環流分布(圖7)可以看出，氣候平均的緯向風大值區位于黃海至日本以東洋面，而從距平場可以看出，20～40°N之間的亞歐地區中高緯度呈現出“低高低”的緯向風異常分布特征，且氣候平均的緯向風大值區表現為負距平，說明高層西風急流較常年偏弱，造成高空急流軸右側西南地區上空的輻散場較弱，不利于上升運動產生降水。從500 hPa位勢高度場環流可以看出，氣候平均的烏拉爾山地區為高壓脊。而從距平場可以看出，40～60°N之間的亞歐中高緯度地區表現為“高低高”的異常位勢高度分布，且烏拉爾山高壓脊為負距平，說明烏拉爾山高壓脊較常年同期偏弱，不利于脊前冷空氣南下和南方冷空氣在西南地區交匯形成降水。

圖7 200 hPa緯向風(a，單位:m/s)和500 hPa位勢高度(b，單位:gpm)分布，等值線是氣候場，陰影是距平場Fig.7 Distribution field of 200 hPa zonal wind (a,unit:m/s) and 500 hPa geopotential height (b,unit:gpm) in Eurasia, isoline represents climate field, shadow represents anomaly field

根據海平面氣壓距平分布可知(圖8a)，亞歐中高緯度地區為正的異常氣壓分布，在新地島以西的海平面氣壓正異常中心值超過了6 hPa，表明該地區為強的冷高壓控制。由于中國大部分地區海平面氣壓距平值為負值，溫度偏高，冷空氣不能到達，不利于冷暖空氣在中國西南地區交匯形成降水。從500 hPa溫度距平分布(如8b)同樣可知，在中國西南地區上空為氣溫正距平區域，距平中心值高達0.8 ℃，同樣說明中國西南地區冷空氣較弱，不利于降水的發生。

圖8 海平面氣壓(a，單位：hPa)及500 hPa氣溫(b，單位：℃)的距平分布場Fig.8 Abnormal distribution field of sea level pressure (a,unit:hPa) and 500 hPa temperature (b,unit:℃)

從西南區域緯向平均垂直速度分布(圖9a)可知，在青藏高原東側低層700 hPa有弱的上升運動以外，青藏高原東西側以及西南地區受明顯下沉運動控制，特別是西南地區的下沉運動從近地面上延伸至400 hPa，中心強度超過1.5×10-2Pa/s。從西南區域經向平均垂直速度分布(圖9b)可知，西南地區南部750～350 hPa也為下沉運動，中心強度大于1.5×10-2Pa/s。因此下沉運動導致西南地區炎熱少雨，造成持續性干旱事件。

圖9 西南上空異常緯向(a)和經向環流(b)分布場，流線是垂直環流，陰影是垂直速度(單位:m/s)Fig.9 Abnormal distribution field of zonal circulation (a) and meridional circulation (b) over Southwest China. The streamline is vertical circulation, and the shadow is vertical velocity(unit:m/s)

2.3.2 前期海溫對西南區域持續性干旱的影響 已有研究表明，海溫是通過海氣相互作用來影響大氣環流的異常變化，從而對區域性氣候特征產生影響，但其影響具有一定的滯后效應[11]。因此，這里對過去西南地區8次持續性干旱事件發生前期1～8個月的海溫距平進行了合成分析(圖10)，探尋與西南地區干旱事件可能存在聯系的海溫關鍵區和影響時段。

圖10 西南區域干旱發生前期1～8個月的全球中低緯度地區海溫異常分布特征(陰影，單位：℃)Fig.10 The distribution characteristics of the Global SST anomalies in the middle and low latitudes in the first 1-8 months of the drought in Southwest China (shadow, unit:℃)

在西南地區持續性干旱事件發生前第8個月，除了在北太平洋和東太平洋存在明顯的海溫正距平之外，其余海區的海溫基本呈現為負距平分布，其中在美國西海岸洋面、南太平洋、中西太平洋及南印度洋的海溫負距平值超過了0.5 ℃，呈現出典型的拉尼娜現象。隨著時間推移至干旱發生前7～1個月，北太平洋海溫負異常減弱，正異常影響區域擴展到整個北太平洋，同時正距平海溫在東太平洋地區也迅速往西延伸至中東太平洋表，在印度洋南部地區海溫負異常減弱轉而向正異常發展。包括南海、東海和黃海在內的我國近海海域的海溫亦由8個月前的顯著海溫負異常逐漸減弱，其中南海海溫轉變為正異常分布，而東海和黃海的海溫負距平則在干旱發生前第1個月重新迅速加強。在干旱事件發生前第1個月時，整個全球海溫分布基本呈現為中東太平洋和北太平洋的正異常分布，厄爾尼諾現象旺盛，而在中國東海和黃海則為顯著的海溫負異常中心，海溫正負異常中心的距平值均超過了0.5 ℃。

總體來說，前期中東太平洋的拉尼娜現象以及中國近海地區的海溫異常分布對西南地區持續性干旱事件的發生有密切聯系，所以可通過上述地區的海溫變化來預測西南區域持續性干旱的發生。

3 小結

本文對近56 a西南區域降水的時空分布特征以及持續性干旱的變化特征進行了分析，從多角度(同期水汽輸送、大氣環流、水平環流、冷空氣活動、垂直環流、海平面氣壓以及前期海溫)討論了西南區域持續性干旱事件的成因，結論如下：

①西南地區降水量分布主要表現為東部南部多、西北少的地域分布特征。降水量偏多年在近56 a中所占比例為61%，偏少年為22%。在活動周期方面，20世紀70年代和21世紀10年代，西南區域年降水存在顯著的準3 a振蕩，且在整個時間域中還表現出較弱的8 a振蕩。

②近56 a西南區域持續性干旱事件發生次數為8次，其中干旱事件在20世紀60年代是發生最多的時段，其他時段發生較少，在90年代未發生。從季節上看，春、冬季頻數較多，秋季次之，夏季最少。

③孟加拉灣異常反氣旋性環流和南海偏弱的氣旋性環流共同阻斷了西南地區的水汽輸送通道，水汽通量輻散，使得當地的水汽來源減少。而西南上空高層大氣中的異常反氣旋與貝湖附近至中西伯利亞上空異常氣旋環流系統之間的異常西風帶，使得高層大氣經向環流偏弱，冷空氣位置強度偏北；印緬南支槽偏弱，中層中低緯地區副高位置偏東偏南，強度偏弱；加上歐亞中低緯地區為海平面氣壓負異常控制區，溫度異常偏高，西南地區上空存在下沉運動極值中心，使得西南地區水汽條件較差，不利于降水的發生，促進了干旱事件的發展。

④前期中東太平洋的拉尼娜現象和中國近海地區的海溫異常分布對西南地區持續性干旱事件的發生有密切聯系。在西南地區持續性干旱事件發生前第8個月，除了在北太平洋和東太平洋存在明顯的海溫正距平之外，其余海區的海溫基本呈現為負距平分布；發生前7～1個月，北太平洋、中東太平洋的海溫負異常減弱轉為正異常分布，我國近海海域的海溫表現為逐漸減弱的負異常形勢；在第1個月時，整個全球海溫呈現出中東太平洋和北太平洋的正異常分布，厄爾尼諾現象旺盛。