楊春艷，嚴(yán)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(wù)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(fā)頻繁，其中以干旱災(zāi)害發(fā)生次數(shù)的增多尤為明顯，且干旱發(fā)生的范圍及持續(xù)時(shí)間亦有明顯變強(qiáng)的趨勢[1-3]。干旱作為影響中國的重要?dú)庀鬄?zāi)害之一，同時(shí)西南區(qū)域又是中國干旱事件最為頻繁且嚴(yán)重的地區(qū)之一[4]，因此當(dāng)?shù)氐母珊凳录絹碓绞芨鄽庀髮W(xué)者的關(guān)注。

前人的研究表明，每個(gè)季節(jié)均會(huì)發(fā)生干旱[5-6]，而春季是西南區(qū)域干旱發(fā)生概率最高的季節(jié)[7]。賀晉云等[8]的研究指出：西南區(qū)域極端干旱的發(fā)生頻率在橫斷山脈南部、川西南、貴北和桂南等地呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢。而楊金虎[3]的研究表明，當(dāng)烏拉爾山脊和東亞大槽南段偏弱、中高緯地區(qū)西風(fēng)帶偏強(qiáng)、北方的干冷氣流和西南的暖濕氣流均較弱，且下沉運(yùn)動(dòng)控制西南大部分地區(qū)時(shí)，容易導(dǎo)致西南區(qū)域春旱的發(fā)生。在其他季節(jié)發(fā)生持續(xù)性干旱事件的研究方面，李永華[9]得出2006年夏季西南地區(qū)東部的特大干旱事件是由同期大氣環(huán)流異常造成的，嚴(yán)小冬等[10]在貴州省冬季持續(xù)性干旱的研究中也證實(shí)了異常大氣環(huán)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(qū)持續(xù)性干旱發(fā)生時(shí)，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(huán)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(xiàn)為下沉運(yùn)動(dòng)，不利于孟加拉灣水汽向云貴高原輸送，以致西南地區(qū)在較長時(shí)間降水偏少、干旱事件發(fā)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(yùn)動(dòng)異常、關(guān)鍵區(qū)海溫異常等等因子，均是極端干旱事件發(fā)生的重要影響因子[12-21]。

以往學(xué)者大多是對中國西南地區(qū)干旱事件的時(shí)空演變特征、某個(gè)季節(jié)的干旱事件、某年干旱個(gè)例的環(huán)流場進(jìn)行分析，而對于中國西南地區(qū)多年的多季節(jié)持續(xù)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(qū)域降水的時(shí)空分布特征做了詳細(xì)分析，然后參考適合西南區(qū)域的持續(xù)性干旱指標(biāo)[10,22-24]，建立干旱個(gè)例庫，分析大氣環(huán)流內(nèi)部的氣象要素異常、海溫異常，綜合研究西南區(qū)域持續(xù)性干旱發(fā)生的物理機(jī)制，提前監(jiān)測干旱事件發(fā)生的信號，在短期氣候預(yù)測準(zhǔn)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(huán)流特征量數(shù)據(jù)；④NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)。除特別注明外，本文中的氣候態(tài)分布均為1961—2016年共56 a的平均值。

為了探討西南區(qū)域持續(xù)性干旱的成因，利用M-K檢驗(yàn)、功率譜分析、Morlet小波分析等氣象統(tǒng)計(jì)方法，對近56 a西南區(qū)域降水的時(shí)空分布、持續(xù)性干旱事件變化特征及其相關(guān)的氣象影響因子進(jìn)行分析。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，將持續(xù)性干旱事件的定義為：持續(xù)3個(gè)月及以上月平均降水量距平百分率小于-30%，并且該時(shí)間段內(nèi)總降水量距平百分率小于-120%的事件。

2 結(jié)果與討論

2.1 西南區(qū)域降水的時(shí)空分布特點(diǎn)

由圖1可以看出，西南區(qū)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(qū)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(qū)，此外在滇東北的昭通還存在一個(gè)降水低值中心。而年降水量高值區(qū)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(qū)降水量最多為1 678.5 mm。

圖1 西南區(qū)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(jù)1961—2016年西南區(qū)域年降水時(shí)序圖(圖2)，近56 a西南區(qū)域平均降水量為1 068.0 mm，20世紀(jì)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(jìn)入21世紀(jì)以來年降水量又呈現(xiàn)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(qū)域降水時(shí)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(qū)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(qū)域的降水在1986年前后發(fā)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(xiàn)[25-27]結(jié)論相似。

圖3 西南區(qū)域年降水M-K分布(黑色直線為95%的置信度水平檢驗(yàn)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(qū)域年降水量進(jìn)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(qū)域降水的低頻特征表現(xiàn)出顯著的準(zhǔn)3 a振蕩周期；而在20世紀(jì)70年代末至2000年代初，降水主要表現(xiàn)為8 a左右的振蕩周期，但結(jié)合全時(shí)域功率譜分析(圖4b)可知，此準(zhǔn)8 a的活動(dòng)周期并無準(zhǔn)3 a的顯著。

圖4 西南區(qū)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(yàn))和全時(shí)域功率譜(b，實(shí)線為方差，點(diǎn)虛線為通過90%的置信度水平檢驗(yàn)，虛線為通過95%的置信度水平檢驗(yàn))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(xù)干旱事件的時(shí)間演變特征

由表1可見，在過去的56 a中，西南區(qū)域共發(fā)生了8次持續(xù)性干旱事件，平均持續(xù)時(shí)間為5.4個(gè)月，其中從1968年12月開始直至1969年6月結(jié)束的事件持續(xù)時(shí)間最久，長達(dá)7個(gè)月。在干旱時(shí)間的強(qiáng)度方面，從累計(jì)距平百分率來看，2009年9月—2010年2月的干旱事件強(qiáng)度最強(qiáng)，達(dá)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(dá)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(jì)60年代是西南區(qū)域持續(xù)性干旱事件發(fā)生最多的時(shí)段，而其他時(shí)段發(fā)生相對較少，在90年代則無發(fā)生次數(shù)。再從季節(jié)來看，春、冬季頻數(shù)較多，秋季次之，夏季最少。

表1 8個(gè)持續(xù)性干旱事件發(fā)生時(shí)間及降水情況Tab.1 Occurrence time and precipitation of 8 persistent drought events

2.3 西南區(qū)域持續(xù)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(qū)域近56 a持續(xù)性干旱的成因，本文對西南區(qū)域8次持續(xù)性干旱事件的同期氣象要素距平進(jìn)行了分析，包括水汽輸送、水平環(huán)流、冷空氣活動(dòng)、垂直環(huán)流和海平面氣壓等。

水汽輸送是造成大范圍持續(xù)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(xiàn)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(qū)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(huán)流，不利于南支槽前西南氣流的水汽輸送，南海地區(qū)存在弱的氣旋性環(huán)流，不利于副熱帶高壓西側(cè)的偏南氣流對西南地區(qū)水汽的輸送，同時(shí)二者之間耦合，在西南地區(qū)形成偏北氣流，阻斷了西南地區(qū)的水汽通道。從水汽通量散度也可以看出，重慶、貴州地區(qū)水汽通量散度很弱，云南地區(qū)表現(xiàn)出低層有較強(qiáng)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(fēng)場(圖6a)來看，在我國中低緯地區(qū)的上空高層大氣中存在反氣旋性環(huán)流(即南亞高壓)的影響，但范圍較小且風(fēng)場較弱，因此南亞高壓強(qiáng)度較常年同期偏弱。同時(shí)從散度場可以看到西南地區(qū)上空散度場較弱或?yàn)槿醯妮椛?，高層輻散較弱不利于抽吸作用造成上升運(yùn)動(dòng)，阻礙降水的發(fā)生。

500 hPa和700 hPa風(fēng)場分布與200 hPa表現(xiàn)基本一致，在西南地區(qū)均表現(xiàn)出上下一致的反氣旋性環(huán)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(fēng)場(圖6b)可以看出，孟加拉灣受弱的反氣旋性環(huán)流控制，不利于南支槽的活躍。同時(shí)南海地區(qū)處于氣旋性環(huán)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(yīng)。從700 hPa垂直速度場(圖6b)和散度場(圖6c)可以看到，西南地區(qū)唯一顯著下沉運(yùn)動(dòng)控制配合低層大氣存在弱的輻散情況，不利于垂直上升運(yùn)動(dòng)造成降水，因此造成了西南地區(qū)持續(xù)性干旱事件。

圖6 異常的200 hPa風(fēng)場(單位:m/s)與散度場(a，單位：s-1)、500 hPa風(fēng)場與700 hPa垂直速度場(b，單位：m/s)以及700 hPa風(fēng)場與散度場(c，單位：s-1)分布，箭頭是風(fēng)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(fēng)環(huán)流分布(圖7)可以看出，氣候平均的緯向風(fēng)大值區(qū)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(qū)中高緯度呈現(xiàn)出“低高低”的緯向風(fēng)異常分布特征，且氣候平均的緯向風(fēng)大值區(qū)表現(xiàn)為負(fù)距平，說明高層西風(fēng)急流較常年偏弱，造成高空急流軸右側(cè)西南地區(qū)上空的輻散場較弱，不利于上升運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生降水。從500 hPa位勢高度場環(huán)流可以看出，氣候平均的烏拉爾山地區(qū)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(qū)表現(xiàn)為“高低高”的異常位勢高度分布，且烏拉爾山高壓脊為負(fù)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(qū)交匯形成降水。

圖7 200 hPa緯向風(fēng)(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(jù)海平面氣壓距平分布可知(圖8a)，亞歐中高緯度地區(qū)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(qū)為強(qiáng)的冷高壓控制。由于中國大部分地區(qū)海平面氣壓距平值為負(fù)值，溫度偏高，冷空氣不能到達(dá)，不利于冷暖空氣在中國西南地區(qū)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(qū)上空為氣溫正距平區(qū)域，距平中心值高達(dá)0.8 ℃，同樣說明中國西南地區(qū)冷空氣較弱，不利于降水的發(fā)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(qū)域緯向平均垂直速度分布(圖9a)可知，在青藏高原東側(cè)低層700 hPa有弱的上升運(yùn)動(dòng)以外，青藏高原東西側(cè)以及西南地區(qū)受明顯下沉運(yùn)動(dòng)控制，特別是西南地區(qū)的下沉運(yùn)動(dòng)從近地面上延伸至400 hPa，中心強(qiáng)度超過1.5×10-2Pa/s。從西南區(qū)域經(jīng)向平均垂直速度分布(圖9b)可知，西南地區(qū)南部750～350 hPa也為下沉運(yùn)動(dòng)，中心強(qiáng)度大于1.5×10-2Pa/s。因此下沉運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致西南地區(qū)炎熱少雨，造成持續(xù)性干旱事件。

圖9 西南上空異常緯向(a)和經(jīng)向環(huán)流(b)分布場，流線是垂直環(huán)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(qū)域持續(xù)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(huán)流的異常變化，從而對區(qū)域性氣候特征產(chǎn)生影響，但其影響具有一定的滯后效應(yīng)[11]。因此，這里對過去西南地區(qū)8次持續(xù)性干旱事件發(fā)生前期1～8個(gè)月的海溫距平進(jìn)行了合成分析(圖10)，探尋與西南地區(qū)干旱事件可能存在聯(lián)系的海溫關(guān)鍵區(qū)和影響時(shí)段。

圖10 西南區(qū)域干旱發(fā)生前期1～8個(gè)月的全球中低緯度地區(qū)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(qū)持續(xù)性干旱事件發(fā)生前第8個(gè)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(qū)的海溫基本呈現(xiàn)為負(fù)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(fù)距平值超過了0.5 ℃，呈現(xiàn)出典型的拉尼娜現(xiàn)象。隨著時(shí)間推移至干旱發(fā)生前7～1個(gè)月，北太平洋海溫負(fù)異常減弱，正異常影響區(qū)域擴(kuò)展到整個(gè)北太平洋，同時(shí)正距平海溫在東太平洋地區(qū)也迅速往西延伸至中東太平洋表，在印度洋南部地區(qū)海溫負(fù)異常減弱轉(zhuǎn)而向正異常發(fā)展。包括南海、東海和黃海在內(nèi)的我國近海海域的海溫亦由8個(gè)月前的顯著海溫負(fù)異常逐漸減弱，其中南海海溫轉(zhuǎn)變?yōu)檎惓７植迹鴸|海和黃海的海溫負(fù)距平則在干旱發(fā)生前第1個(gè)月重新迅速加強(qiáng)。在干旱事件發(fā)生前第1個(gè)月時(shí)，整個(gè)全球海溫分布基本呈現(xiàn)為中東太平洋和北太平洋的正異常分布，厄爾尼諾現(xiàn)象旺盛，而在中國東海和黃海則為顯著的海溫負(fù)異常中心，海溫正負(fù)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(xiàn)象以及中國近海地區(qū)的海溫異常分布對西南地區(qū)持續(xù)性干旱事件的發(fā)生有密切聯(lián)系，所以可通過上述地區(qū)的海溫變化來預(yù)測西南區(qū)域持續(xù)性干旱的發(fā)生。

3 小結(jié)

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

①西南地區(qū)降水量分布主要表現(xiàn)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(dòng)周期方面，20世紀(jì)70年代和21世紀(jì)10年代，西南區(qū)域年降水存在顯著的準(zhǔn)3 a振蕩，且在整個(gè)時(shí)間域中還表現(xiàn)出較弱的8 a振蕩。

②近56 a西南區(qū)域持續(xù)性干旱事件發(fā)生次數(shù)為8次，其中干旱事件在20世紀(jì)60年代是發(fā)生最多的時(shí)段，其他時(shí)段發(fā)生較少，在90年代未發(fā)生。從季節(jié)上看，春、冬季頻數(shù)較多，秋季次之，夏季最少。

③孟加拉灣異常反氣旋性環(huán)流和南海偏弱的氣旋性環(huán)流共同阻斷了西南地區(qū)的水汽輸送通道，水汽通量輻散，使得當(dāng)?shù)氐乃麃碓礈p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(huán)流系統(tǒng)之間的異常西風(fēng)帶，使得高層大氣經(jīng)向環(huán)流偏弱，冷空氣位置強(qiáng)度偏北；印緬南支槽偏弱，中層中低緯地區(qū)副高位置偏東偏南，強(qiáng)度偏弱；加上歐亞中低緯地區(qū)為海平面氣壓負(fù)異常控制區(qū)，溫度異常偏高，西南地區(qū)上空存在下沉運(yùn)動(dòng)極值中心，使得西南地區(qū)水汽條件較差，不利于降水的發(fā)生，促進(jìn)了干旱事件的發(fā)展。

④前期中東太平洋的拉尼娜現(xiàn)象和中國近海地區(qū)的海溫異常分布對西南地區(qū)持續(xù)性干旱事件的發(fā)生有密切聯(lián)系。在西南地區(qū)持續(xù)性干旱事件發(fā)生前第8個(gè)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(qū)的海溫基本呈現(xiàn)為負(fù)距平分布；發(fā)生前7～1個(gè)月，北太平洋、中東太平洋的海溫負(fù)異常減弱轉(zhuǎn)為正異常分布，我國近海海域的海溫表現(xiàn)為逐漸減弱的負(fù)異常形勢；在第1個(gè)月時(shí)，整個(gè)全球海溫呈現(xiàn)出中東太平洋和北太平洋的正異常分布，厄爾尼諾現(xiàn)象旺盛。