1961—2018年西南地區夏季干旱變化特征及其與 環流異常的聯系

呂純月 管兆勇 黃埡飛

摘要 利用1961—2018年中國西南地區312站降水觀測資料、NCEP/NCAR再分析資料及海表溫度資料，采用夏季SPI（Standardized Precipitation Index）指數作為干旱指數，研究了西南地區夏季干旱變化特征及其與環流異常的聯系。結果表明：西南地區夏季總體呈現變干趨勢，尤其在云南、四川東南部干旱化趨勢顯著。當西南地區夏季顯著干旱時，該地區對流層低層輻散、上層輻合，且向該地區的水汽輸送偏少。造成西南地區干旱維持的原因可歸結為大氣波動活動異常和海溫異常強迫。前者通過西風帶擾動向下游的能量頻散，為西南地區低層輻散、上層輻合的環流異常的形成和維持提供了必要的擾動能量積聚;后者通過熱帶西北太平洋異常熱源對大氣的強迫，使得該地區對流層低層（上層）形成異常輻合（輻散），在西南地區和熱帶西北太平洋形成了斜向垂直環流，使西南地區受下沉氣流控制，從而形成了利于降水顯著偏少和干旱發生并維持的條件。

關鍵詞 SPI指數; 夏季干旱; 環流異常; 西南地區

隨著全球氣候增暖，極端天氣氣候事件頻發，且呈現增多增強的趨勢（Trenberth et al.，2003），嚴重影響了人類的生存環境和社會經濟的可持續發展。其中，干旱作為極端氣候事件中持續時間最長、影響范圍最廣、致災最嚴重的氣象災害，受到了國內外學者的廣泛關注（Wang et al.，2015;Han et al.，2016）。

我國受季風氣候和復雜地形條件影響，干旱災害發生頻率、受災程度遠高于其他國家（王鶯等，2015;Zhang and Zhou，2015）。針對我國傳統干旱區、半干旱區的干旱特征及成因，已有許多研究（孟鑫和智協飛，2016;朱偉軍等，2016;焦敏等，2019）。事實上，在傳統北方地區干旱加重的同時，南方氣候濕潤帶干旱也在擴展和加重（劉曉云等，2012;Wang et al.，2015），但相關研究仍然較少。

我國西南地區包括云南、貴州、四川、重慶四省市（全國一級氣象地理區劃），該地區地形地貌復雜，氣候復雜多變，盡管位于氣候濕潤帶，但受特殊地形地貌及季風氣候的影響，干旱災害頻發。尤其在過去十多年里，破紀錄的持續性干旱頻繁發生（李永華等，2009;孫冷等，2012;楊輝等，2012）。這些干旱事件對人類的生存環境和社會可持續發展構成了嚴重的威脅。

對于西南地區的干旱特征，已有研究多側重于年干旱尺度或旱季（熊光潔等，2013;Wang et al.，2018）。而對于西南地區的干旱成因，已有研究多集中于特定的干旱個例分析。如針對2006年川渝伏旱事件，李永華等（2009）從大氣環流異常角度，認為西太副高偏北、偏西、偏強，使得西南地區盛行下沉氣流，加之亞熱帶和中緯度環流的大尺度格局不利于南方暖濕空氣和北方冷干空氣的輻合，從而導致嚴重干旱的發生;劉銀峰等（2009）則從熱力異常角度，認為青藏高原熱源偏弱、熱帶西太平洋暖池區熱源偏強，是西太副高偏北偏強的重要原因。針對2009—2010特大秋、冬、春連旱事件，宋潔等（2011）研究發現此次干旱事件主要由西風帶環流系統異常所致。從海溫異常強迫角度，Zhang et al.（2013）認為前期厄爾尼諾的異常海溫強迫是造成這次特大干旱的重要因子，但蔣興文和李躍清（2010）、楊輝等（2012）則認為2009/2010年冬季的干旱不是由于厄爾尼諾的影響造成的，因為極端降水少年所合成的海溫異常模態更類似于拉尼娜。

綜上所述，對于西南地區干旱變得愈加頻繁、嚴重這一趨勢，已達成普遍共識。然而，西南地區干旱研究仍然非常不足，例如，針對西南地區危害嚴重的夏季干旱變化規律及其與環流異常的聯系，尚未有更系統且深入的研究。因此，客觀認識該地區夏季干旱的變化特征，從大氣波動、海溫異常強迫兩方面探究西南夏旱背后的環流異常維持的原因，對于提高干旱預測水平，并進而為防御干旱災害決策提供科學依據具有十分重要的意義。

1 資料與方法

1.1 資料

采用的資料包括：1）中國西南地區三省一市312個氣象站的無缺測逐日降水資料，來自中國氣象局整編的國家級地面氣象站基本氣象要素日值數據集（V3.0）（http：//data.cma.cn/data/detail/dataCode/SURF_CLI_CHN_MUL_DAY_V3.0.html）;2）網格點資料來自美國國家環境預報中心/國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）逐月再分析數據集（Kistler et al.，2001），具體有位勢高度、緯向風、經向風、垂直速度、比濕、地面氣壓、降水，水平分辨率為2.5°×2.5°，地面土壤溫度，水平分辨率為1°×1°，以及地面感熱通量，水平分辨率約為2°×2°;3）英國哈德萊中心（Hadley Center）海表溫度（HadISST）資料（Rayner et a1.，2003），水平分辨率為1°×1°。論文選取的時間為1961—2018年夏季（6—8月）。文中所有變量值均為夏季平均值或為基于夏季平均值導出。

1.2 方法

在降水量相對豐沛的西南地區，降水減少仍是干旱形成的主要因素（章大全，2010）。McKee et al.（1993）提出的標準化降水指數（Standardized Precipitation Index，SPI）能夠抓住降水這一干旱最重要的決定因素，客觀地表征某時段降水量出現的概率多少，適用于不同地區、不同時間尺度的干旱研究，尤其對于春夏季節，效果較好（Bordi et al.，2005）。故本文采用季節尺度的標準化降水指數（SPI-3，以下簡稱SPI）作為研究西南地區夏季干旱的主要指標。計算方法參照McKee et al.（1993）。干旱分級標準參考《GBT20481—2017氣象干旱等級》國家規范中的劃分標準（張強等，2006）。

針對大氣Rossby波動，采用Takaya and Nakamura（2001）推導的波作用通量矢量（Wave-activity fluxes，WAF），用于診斷波擾動能量的傳播。其水平分量在氣壓坐標中的計算公式為：

W=Wr+CUM，（1）

Wr=12|U|U（ψx-ψψxx）+V（ψ′xψ′y-ψ′ψ′xy）

U（ψ′xψ′y-ψ′ψ′xy）+V（ψ′2y-ψ′ψ′yy）。（2）

式中：ψ′是擾動地轉流函數;U=（U，V）表示基本流場;Wr是波擾能量通量;CU是沿基流的相速度;M是描寫小振幅準地轉渦動的廣義假動量。

另外，本文計算了視熱源（Q1）異常（Luo and Yanai，1984;汪婉婷和管兆勇，2018），其計算公式為：

Q1=cpTt+V·SymbolQC@T+pp0kωp。（3）

Q1的垂直積分值為：

〈Q1〉=1g∫PSPTQ1dp=（LPr+LC-LE）+Qs+〈QR〉。（4）

式中：L為凝結潛熱;Pr為降水量;C為氣柱中去除已形成降水的水汽凝結所致的液態水生成量;E為氣柱中云滴的蒸發量;Qs為地面感熱輸送;〈QR〉為輻射加熱（冷卻）的垂直積分;PS為積分下界面氣壓，PT為頂層氣壓，此處取300 hPa。

本文還采用了Mann（1945）最早提出Mann-Kendall趨勢檢驗法（簡稱M-K法），Morlet小波變換方法（Torrence and Compo，1998），線性傾向估計（魏鳳英，2007），合成分析和t檢驗等統計方法，研究了西南地區夏季干旱變化特征及其與環流異常的聯系。

2 西南地區夏季干旱時空變化特征

利用1961—2018年逐月降水數據，采用“面積加權”區域平均法，計算各站及區域平均SPI值，并基于該干旱指標，從干旱強度、頻率分析西南地區夏季干旱變化特征。

2.1 干旱強度

利用夏季SPI指數值的大小評價干旱嚴重程度（值越小，表示干旱越嚴重），分析西南整體夏旱強度變化趨勢及空間變化格局（圖1）。由圖1a可知，1961—2018年期間，西南地區共發生15次夏季干旱事件，包括8次輕旱，3次中旱，1次重旱，3次特旱（分別發生于1972、2006、2011年）。根據報道和相關文獻記錄，列出了干旱受災情況表（表1）。發現SPI指數可較好地反映歷史干旱發生狀況，在不同等級干旱發生時，都出現了不同程度的災害。由M-K檢驗結果（圖1b）可知，自1970年以來，西南地區整體存在變干趨勢，21世紀以來，干旱化趨勢在增強。由圖1c可知，西南地區大部分站點存在變干趨勢，尤其以云南、四川東南部干旱化趨勢最為顯著。

2.2 干旱頻率

根據不同程度夏季干旱發生的次數計算相應等級的干旱發生頻率，分析其空間特征（圖2）。西南夏旱主要以輕、中旱為主（圖2a、b），且整體呈西部高、東部低的塊狀分布，存在較強的局地性特征;中旱及以上干旱發生頻率在9%～22%（圖2b）;重旱及以上干旱發生頻率在3.4%～10.5%，主要高發區在四川西北部、云南中南部、貴州大部、重慶中部（圖2c）;特旱發生頻率在0.6%～5.4%，主要集中在四川西南少部、貴州北部及云貴交界地區（圖2d）。

3 西南地區氣象干旱與環流異常的聯系

一個地區持續性少雨將直接導致干旱發生，而大氣環流異常是決定干旱發生、發展的主要原因。選取西南地區夏季SPI指數小于或等于-1（中旱及以上）的年份作為典型干旱年（1972、1975、1989、1992、2004、2006、2011年）和SPI指數大于1的年份作為典型濕潤年（1966、1968、1998、1999、2014年）進行合成分析并對比，以揭示典型干旱年和濕潤年的大氣環流異常特征。

3.1 水平環流

典型干旱年、濕潤年的各層環流異常狀況存在顯著差異。圖3給出了200、500、850 hPa上環流異常的合成分析結果。

從850 hPa（圖3a、b）上來看，在典型干旱年，亞歐大陸大部、阿拉伯海、孟加拉灣、南海等大部分地區都為輻散異常區，其中心位于青藏高原南側，配合有反氣旋式環流異常，中國西南地區處于輻散異常區，為反氣旋式環流異常。菲律賓以東的西北太平洋則存在一個輻合異常中心，配合有氣旋式環流異常。用A表示西南地區中心（105°E，27.5°N），B表示西太平洋輻合中心（145°E，10°N），這兩個地區之

間大氣運動存在明顯關聯，即氣流沿著AB連線從西南地區（A）向西北太平洋附近（B）輻合（圖3a）。而在典型濕潤年，亞歐大陸大部、阿拉伯海、孟加拉灣等地區為輻合異常區，其中心位于伊朗高原、青藏高原南側，配合有氣旋式環流異常;而西北太平洋為輻散異常區，配合有反氣旋式環流異常。菲律賓群島附近存在一個輻散異常中心（120°E，12.5°N），用C表示，氣流沿著AC連線從菲律賓附近（C）向西南地區（A）輻合（圖3b），這與干旱年情況相反，但B和C的位置明顯不同。

從500 hPa（圖3c、d）上來看，在典型干旱年，西太副高偏北、偏強，使得西南絕大部分地區處于高度正距平區域，不利于南來的暖濕氣流輸送，為干旱的形成和維持提供了有利的環流形勢。這體現在垂直速度場上，西南地區以異常下沉運動為主，不利于降水形成。而在典型濕潤年，西太副高偏南、偏弱，西南地區北部為高度負異常，整體以異常上升運動為主，導致降水偏多。

從200 hPa上來看，環流異常分布基本與850 hPa相反。在典型干旱年，亞歐大陸大部、阿拉伯海、孟加拉灣、南海等大部分地區都為輻合異常區;而西北太平洋則存在一個輻散異常中心。氣流沿著AB連線從西北太平洋附近（B）向西南地區（A）輻合（圖3e），與低層反向。而在典型濕潤年，氣流沿著AC連線從西南地區（A）向菲律賓附近（C）輻合（圖3f）。

值得注意的是，在典型干旱年和濕潤年之間，西北太平洋附近異常輻合輻散中心的位置明顯不同。典型濕潤年期間，其位置相比于干旱年期間明顯偏西，位于菲律賓及沿岸附近（故用B、C加以區分），而該位置差異可能與下墊面的熱力強迫位置不同有關。

3.2 垂直環流

為進一步分析典型干旱年、濕潤年夏季的垂直運動異常狀況，圖4給出了典型干旱年夏季沿著AB連線、典型濕潤年夏季沿著AC連線的斜向垂直環流異常。典型干旱年夏季（圖4a），在西南地區（A）與西北太平洋（B）之間形成了完整的斜向垂直環流圈，異常上升支位于西北太平洋，異常下沉支位于西南地區。而在典型濕潤年夏季（圖4b），沿著AC連線地區的上空則表現為相反的垂直環流結構，即上升支位于西南地區，異常下沉支位于菲律賓群島附近。

3.3 水汽輸送

水汽是形成降水不可或缺的必要條件。圖5從降水形成的水汽條件的角度進行分析，發現水汽輸送不足進一步導致了干旱的發展和維持。在氣候態（圖5a）上，我國西南地區夏季降水的水汽通道主要有兩條：第1條自孟加拉灣北部經緬甸從青藏高原南側進入我國西南地區;第2條自孟加拉灣南部，經由中南半島和南海，與南海越赤道氣流所攜水汽匯合后轉向輸送至西南地區。從整層水汽通量距平場可以看出，在典型干旱年（圖5b），青藏高原東南側-緬甸-孟加拉灣北部均為東北向的水汽通量距平，西南地區南部為自東向西的水汽通量距平，這說明來自孟加拉灣的西南向水汽輸送較常年明顯偏弱，西南地區為水汽異常輻散區，有利于干旱發展。在濕潤年，則情況相反（圖5c）。

概括以上分析可知，在典型干旱年，西南地區總體上呈低層輻散，上層輻合的環流異常配置，同時處于AB沿線斜向垂直環流的下沉支，其垂直運動條件不利于降水的形成。來自孟加拉灣的西南向水汽輸送較常年明顯偏弱，水汽輻散，從而利于干旱的發生和維持。那么，這種環流異常維持的原因是什么？本文將從大氣波動和海溫異常強迫兩方面進行探討。

4 環流異常維持的原因

4.1 大氣波動

對流層中上層西風帶上Rossby波活動可通過能量頻散影響地面氣旋、反氣旋活動，并進而影響降水異常的形成和維持（譚本馗和潘旭輝，2002;柯丹和管兆勇，2014）。為揭示西南地區干旱事件相應的環流異常與大氣波動的聯系，這里計算了Takaya and Nakamura（2001）提出的波作用通量（圖6）。

典型干旱年，在850 hPa（圖6a）上，波擾能量自斯堪的納維亞半島出發，沿中高緯向東傳播，并在青藏高原附近有明顯的能量輻合。由流函數異常分布可知，斯堪的納維亞半島、東歐平原以及青藏高原附件均存在反氣旋性渦度異常，而波擾能量在青藏高原附近的堆積造成反氣旋性擾幅增大，進而有利于該地區輻散異常的發展與維持，這解釋了圖3a中以青藏高原為中心的輻散異常區的形成與維持。在200 hPa（圖6c）上，波擾能量自中北大西洋附近出發，沿著亞洲急流向下游向東傳播，相應地在地中海-東歐平原-伊朗高原東部-塔里木盆地附近區域上空存在“氣旋-反氣旋-氣旋-反氣旋”渦度異常。在高原東北側形成波能輻散，有擾動能量向我國西南地區上空輻合，有利于該區域氣旋性渦度異常（圖3e）的維持，進而有利于水平氣流的輻合異常維持。

在典型濕潤年，情況則顯著不同。850 hPa（圖6b）上，沿著低層20°N附近的西風氣流上存在能量向我國西南地區輸送和輻合，有利于西南地區850 hPa上氣旋性環流異常（圖3b）的維持。在200 hPa（圖6d），亞洲急流上擾動能量的東傳并不明顯，然而有來自黃海附近的擾動能量向我國西南地區輸送。但由于西南地區200 hPa上位于孟加拉灣上空異常反氣旋和東北亞地區上空異常氣旋（圖3f）的過渡區，是否有利于該地區200 hPa上反氣旋環流的維持并不明顯。

通過上述對比分析可見，在典型干旱年，大氣波動對西南地區異常環流的維持具有重要作用。西風帶擾動通過向下游的能量頻散，為西南地區低層輻散、上層輻合的環流異常提供了必要的擾動能量積聚。而在典型濕潤年，大氣波動的作用不顯著。

4.2 海溫與熱源強迫異常影響

西南地區干旱的形成與來自西太平洋上空的輻散氣流有關（圖3e），而這種輻散氣流的形成常被認為與其下海表海溫異常相關的熱力強迫有關。為了揭示熱力強迫異常對干旱年異常環流維持的影響，圖7給出了同期夏季海溫異常分布、陸地表面土壤溫度異常、降水異常、地表感熱通量異常以及大氣柱非絕熱加熱率（〈Q1〉）異常。

在典型干旱年，菲律賓以東海溫暖異常（圖7a），這種暖異常海洋表面大氣感熱正異常，大氣受到異常加熱，且整層積分的視熱源（〈Q1〉）異常也顯示為顯著的異常加熱（圖7c）。因此，海洋上出現了正的降水異常（圖7a）。注意到，我國西南地區降水負異常，陸表土壤溫度弱的正異常，說明西南氣溫偏高且少雨，干旱的形成同時還受到地面蒸發的影響：因地表溫度增高導致蒸發增強從而有利于干旱發展（圖7a）。事實上，B點附近的視熱源正異常和感熱正異常支持了干旱年環流異常的形成和維持。因該地區低層大氣受下墊面熱力強迫的影響，受到明顯的加熱。而這種加熱通過Gill響應（Gill，1980），使得熱帶西北太平洋附近對流層低層異常氣旋環流加強，從而形成圖3a中的異常輻合中心（B）。由于異常氣旋（圖3a）由西太平洋延伸至中國西南地區，導致這一地區出現異常北風。考慮到地形影響，在位渦守恒時，有利于西南地區出現異常負渦度（ξ′850=0.6×10-6 s-1），引起西南地區產生輻散，造成降水負異常（圖7a）。

要說明的是，由于菲律賓以東地區對流層低層的輻合和我國西南地區對流層低層的輻散均與Gill響應形成的異常氣旋性環流有關，這兩處的輻合輻散氣流與對流層上層方向相反的氣流可形成明顯的斜向垂直環流（圖4a），致使西南地區正處在這一垂直環流的下沉支控制之下。

在典型濕潤年（圖7b、d），則情況基本相反，熱帶西北太平洋存在明顯冷卻，但主要冷卻中心的位置相較于干旱年夏季加熱中心的位置有所偏西，位于菲律賓群島西南側（C）。這個冷卻中心導致了菲律賓群島附近的對流層低層存在異常輻散中心（圖3b）。

5 結論和討論

針對日益嚴峻的干旱問題，以往我國大部分研究多關注于旱季和干旱區、半干旱區。而本文重點針對氣候濕潤帶干旱頻發的西南地區，并著眼于研究危害嚴重的夏季干旱。通過分析西南地區夏季干旱變化特征及其與環流異常的聯系，得到：

1）西南地區夏季干旱變化總體呈越來越干的趨勢，尤其是云南、四川東南部干旱化趨勢較為顯著。具體地，在1961—2018年的58 a間，共有15次夏季干旱事件，不同地區發生不同等級干旱的頻率及總頻次存在較大差異，不同程度的氣象干旱可造成不同程度的損失。

2）大氣環流異常是干旱發生的主要原因。在典型干旱年，西南地區總體上呈低層輻散，上層輻合的環流異常配置，同時處于西南地區-熱帶西北太平洋斜向垂直環流的下沉支，其垂直運動條件不利于降水的形成。另外，來自孟加拉灣的西南向水汽輸送較常年明顯偏弱，西南地區為水汽異常輻散區，這些條件共同導致干旱發生。而在典型濕潤年，環流異常情況基本相反。

3）源自地中海地區上空的大氣波動能量的東傳和熱帶西北太平洋海溫異常強迫是異常環流維持的重要原因。一方面，沿亞洲急流傳播的擾動通過向下游的能量頻散，為西南地區低層輻散、上層輻合的環流異常提供了必要的擾動能量積聚。另一方面，大氣對熱帶西北太平洋異常加熱的Gill響應，導致熱源區西北側形成異常氣旋，且使菲律賓以東地區對流層低層（上層）形成異常輻合（輻散）中心，并通過西南地區-熱帶西北太平洋斜向垂直環流使得西南地區受下沉氣流的控制，從而有利于干旱維持。

要說明的是，西南地區夏季干旱是多個影響因素的綜合作用結果。然而，干旱不完全等同于干旱災害，以上研究僅討論了造成干旱災害的氣象條件特征及其與環流異常的聯系，尚未考慮承災體的暴露度和脆弱性。從干旱災害風險系統的各個環節出發，尚需全面分析氣象條件引起災害的過程。這些問題將在下一步工作計劃中進行研究。

致謝：文中所用資料取自中國氣象局國家氣象信息中心網站、NCEP/NCAR、哈德萊中心;南京信息工程大學高性能計算中心提供了數值計算的支持。

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Variation characteristics of summer drought in Southwest China and its relationship with circulation anomalies from 1961 and 2018

L Chunyue1，2，GUAN Zhaoyong1，HUANG Yafei1

1Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education（KLME）/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change（ILCEC）/Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters（CIC-FEMD），Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China;

2Sichuan Meteorological Sounding Data Center，Chengdu 610071，China

Based on the observed precipitation data from 312 stations in Southwest China，NCEP/NCAR reanalysis data and sea surface temperature data from 1961 to 2018，the summer SPI （Standardized Precipitation Index） index was used to study the variation characteristics of summer drought in Southwest China and its relationship with circulation anomalies.Results indicate that Southwest China has a drying trend in summer，especially in Yunnan and southeast Sichuan.In the typical dry summers，Southwest China is characterized by the lower troposphere divergence and upper troposphere convergence，and the water vapor transport to the area is less.The reason of drought maintenance in Southwest China can be attributed to the abnormal atmospheric wave activity and the abnormal sea surface temperature forcing.The former disperses energy downstream through the disturbance of the westerly zone，which provides the necessary disturbance energy accumulation for the formation and maintenance of the circulation anomalies of lower troposphere divergence and upper troposphere convergence in Southwest China.The latter forces the atmosphere through anomalous heat sources in the tropical Northwest Pacific，causing the lower （upper） troposphere in the region to form an abnormal convergence （divergence），and an oblique vertical circulation to be formed in Southwest China and the tropical Northwest Pacific，which makes Southwest China controlled by the sinking airflow，thus forming conditions conducive to the occurrence and maintenance of significantly less precipitation and drought.These results are helpful to understand the formation mechanism of drought in Southwest China and provide useful clues for prediction.

SPI index;summer drought;circulation anomaly;Southwest China

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20210114001

（責任編輯：張福穎）