何 芬,賴紹鈞,池艷珍,潘 航,曹 蓉,鮑瑞娟

(1.福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350008；2.福建省氣候中心，福建 福州 350008；3.福建省福州市氣象局，福建 福州 350008；4.福建省廈門市氣象局，福建 廈門 361001)

引 言

干旱是全球危害最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，長(zhǎng)期以來(lái)受到廣泛關(guān)注[1-6]。干旱的主導(dǎo)因素是一段時(shí)期內(nèi)的降水偏少，一般需要一個(gè)積累的過(guò)程，在全球變暖的大背景下，中國(guó)發(fā)生干旱的范圍由北方干旱和半干旱區(qū)[7-9]向南方及東部濕潤(rùn)和半濕潤(rùn)區(qū)擴(kuò)展[10-12]。

近年來(lái)，華南的干旱受到越來(lái)越多關(guān)注，但引起華南干旱的原因較為復(fù)雜，許多研究得出的結(jié)論也并不完全相同。如林愛蘭等[13]指出，在全球氣候變暖背景下，廣東干旱的頻繁發(fā)生與赤道中太平洋海溫正異常型出現(xiàn)概率增加有關(guān)；La Nia型、赤道中太平洋海溫正異常型與廣東干旱之間都存在物理上的聯(lián)系，所有物理過(guò)程最終都是通過(guò)改變和削弱降水所需的動(dòng)力條件或水汽條件，從而造成局地干旱的發(fā)生。喬云亭等[14]將華南春季降水分為兩個(gè)區(qū)域，研究不同分區(qū)的降水變化與水汽輸送的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)華南春季水汽主要來(lái)源于南海和西太平洋，并經(jīng)中南半島轉(zhuǎn)向輸送到華南，指出造成兩個(gè)區(qū)域旱澇的不同水汽輸送特征。周明森等[15]分析華南春季各月降水量逐年變化的相互關(guān)系以及華南4—5月持續(xù)性干旱對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流異常特征，指出在華南4—5月持續(xù)干旱年，華南附近高低空都存在一個(gè)異常的反氣旋，有利于華南上空異常下沉運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生和維持；高度場(chǎng)上東亞大槽南支偏弱，不利于中高緯度冷空氣南下，導(dǎo)致華南春季降水偏少。然而，現(xiàn)有研究大多側(cè)重于引起華南干旱的海-氣相互作用和大尺度環(huán)流背景，對(duì)于引起干旱的環(huán)流季節(jié)內(nèi)變化研究較少，而環(huán)流的季節(jié)內(nèi)變化對(duì)干旱的發(fā)生、發(fā)展、解除和旱期的蓄水有重要意義。

福建氣候?qū)俚湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，3—6月的總降水量占全年降水量的52%，其氣候特點(diǎn)是陰雨寡照，冷暖無(wú)常，強(qiáng)對(duì)流天氣活躍，暴雨洪澇比較頻繁。福建雖然降水量多，但有年際間的不均性、季節(jié)間的差異性和季內(nèi)降水分布的波動(dòng)性，所以容易產(chǎn)生氣象干旱[16]。目前，針對(duì)華南干旱特征及其可能原因的研究主要關(guān)注兩廣地區(qū)，對(duì)福建干旱的研究也主要側(cè)重在旱澇變化的時(shí)空特征上[17-18]，而對(duì)造成極端干旱事件的大尺度環(huán)流成因尚不清楚，其變化特征也不明確。福建省2018年3—6月降水異常偏少，是1961年以來(lái)歷史同期第三少，發(fā)生了嚴(yán)重氣象干旱，本文對(duì)造成此次干旱事件的大尺度環(huán)流及其變化特征進(jìn)行分析，以提高對(duì)福建干旱成因的認(rèn)識(shí)，以期為今后進(jìn)行干旱預(yù)測(cè)提供有益的幫助。

1 資料和方法

所用資料為：(1)1961—2018年3—6月福建省66個(gè)臺(tái)站逐日降水資料；(2)NCEP/NCAR提供的1981—2018年3—6月全球逐日再分析資料[19]，水平分辨率 為2.5°×2.5°，要素場(chǎng)包括500 hPa高度場(chǎng)，1000～100 hPa風(fēng)場(chǎng)和比濕場(chǎng)；(3)NOAA提供的2002—2018年3—6月逐日向外長(zhǎng)波輻射資料(outgoing long wave radiation，OLR)[20]，水平分辨率為2.5°×2.5°。

氣候平均場(chǎng)為1981—2010年平均。

降水距平百分率(Pa)是表征某時(shí)段降水量較常年偏多或偏少的指標(biāo)之一，反映某一時(shí)段降水與同期平均狀態(tài)的偏離程度，計(jì)算公式為：

(1)

氣象干旱監(jiān)測(cè)指標(biāo)采用改進(jìn)的氣象干旱綜合指數(shù)MCI(meteorological drought composite index)[21-23]計(jì)算，公式如下：

MCI=Ka×(a×SPIW60+b×MI30+

c×SPI90+d×SPI150)

(2)

式中：SPIW60為近60 d標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重降水指數(shù)，MI30為近30 d相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)，SPI90和SPI150分別為近90 d和近150 d標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)，a、b、c、d分別為SPIW60、MI30、SPI90、SPI150的權(quán)重系數(shù)，Ka為季節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù)，具體取值見表1。依據(jù)公式(2)計(jì)算得到福建省2018年3—6月各站點(diǎn)逐日MCI指數(shù)，按照《氣象干旱等級(jí)》[21]中的標(biāo)準(zhǔn)劃分氣象干旱等級(jí)，如表2所示。

表1 MCI指數(shù)計(jì)算公式各系數(shù)取值

表2 基于MCI指數(shù)的干旱等級(jí)劃分

阻塞高壓數(shù)值化定義采用Tibaldi和Molteni的方法[24](簡(jiǎn)稱“T&M方法”)計(jì)算，步驟如下：

對(duì)每個(gè)經(jīng)度，南500 hPa高度梯度(GHGS)和北500 hPa高度梯度(GHGN)計(jì)算如下：

(3)

(4)

式中：Z代表位勢(shì)高度；φn=80°N+δ，φ0=60°N+δ，φs=40°N+δ，δ=-5°，0°，5°。對(duì)某時(shí)某經(jīng)度任意一個(gè)δ值，如果條件滿足：(1)GHGS>0，(2)GHGN<-10 m·deglat-1，則診斷為該時(shí)該經(jīng)度有阻塞，阻塞指數(shù)為GHGS。當(dāng)有兩個(gè)以上的δ值同時(shí)滿足(1)和(2)兩個(gè)條件時(shí)，取GHGS值大者為阻塞指數(shù)。

2 降水概況和干旱情況

福建省66個(gè)臺(tái)站2018年3—6月降水量在300～885 mm之間，較常年同期偏少11%～63%，全省一半以上的測(cè)站偏少30%以上，偏少的中心在龍巖和漳州地區(qū)，其中南靖站偏少63%[圖1(a)]。3—6月全省平均降水量為576 mm，較常年同期偏少32%，位居1961年以來(lái)同期第三少，且各月均偏少，其中3月偏少39%，4月偏少66%(歷史同期第二少)，5月偏少28%，6月偏少10%。且只有13個(gè)暴雨日(全省3站及以上出現(xiàn)大于等于50 mm降水的天數(shù))，較常年偏少6 d，其中3—4月僅有2 d，較常年偏少64%(常年5.5 d)，暴雨日集中在5月6候至6月5候。3—6月共出現(xiàn)8次暴雨過(guò)程，較常年偏少(常年10.3次)，僅在6月18—23日出現(xiàn)1次持續(xù)性暴雨過(guò)程(連續(xù)5 d以上出現(xiàn)暴雨日)[圖1(b)]，但持續(xù)時(shí)間偏短、強(qiáng)度偏弱。

圖1 福建省2018年3—6月降水距平百分率(a，單位：%)空間分布和逐日全省平均降水量序列(b)

3—6月降水持續(xù)偏少，暴雨日少，強(qiáng)降水過(guò)程少，造成嚴(yán)重氣象干旱。從2018年3—6月逐日氣象干旱綜合監(jiān)測(cè)圖(圖2)可以發(fā)現(xiàn)，3月上中旬，福建部分地區(qū)出現(xiàn)輕旱，3月15日和20日兩場(chǎng)暴雨致使旱情解除；隨后降水持續(xù)偏弱，4月沒(méi)有暴雨日，氣象干旱迅速發(fā)展，于4月下旬開始加重；5月上旬的暴雨過(guò)程使旱情稍有緩解，重旱到特旱緩解，5月中旬至下旬旱情再次發(fā)展，其中5月下旬有63站出現(xiàn)不同程度的氣象干旱，占全省測(cè)站的95%，5月17—29日，超過(guò)30站持續(xù)出現(xiàn)重旱、特旱，干旱范圍廣、程度重，造成群眾飲水困難、農(nóng)田受旱；5月末，暴雨過(guò)程增多，旱情開始逐步緩解，6月18—23日的持續(xù)性暴雨過(guò)程使中旱到特旱基本緩解。

圖2 福建省2018年3—6月逐日氣象干旱綜合監(jiān)測(cè)圖

3 環(huán)流背景

3.1 拉尼娜事件的滯后影響

2017年10月至2018年3月，赤道中東太平洋發(fā)生了一次弱的東部型拉尼娜事件，并于2018年1月達(dá)到峰值，峰值強(qiáng)度為-0.8 ℃。該事件持續(xù)時(shí)間短、強(qiáng)度較弱。王遵婭等[25]認(rèn)為其對(duì)2018年3—5月中國(guó)降水異常的影響較小，而陳麗娟等[26]則指出2018年3月，大氣環(huán)流仍顯示了對(duì)拉尼娜事件的顯著響應(yīng)，通過(guò)印度洋對(duì)拉尼娜事件的“接力作用”，6—8月東亞地區(qū)環(huán)流和降水將會(huì)表現(xiàn)出對(duì)冬季拉尼娜事件較典型的滯后影響。由于福建自然季節(jié)的特殊性，有必要對(duì)這種弱海溫外強(qiáng)迫信號(hào)下局地大氣環(huán)流的滯后影響進(jìn)行分析。從熱帶(5°S—5°N)緯向垂直風(fēng)距平可見，2017/2018年冬季沃克環(huán)流表現(xiàn)出對(duì)拉尼娜事件的響應(yīng)，在熱帶西太平洋100°E—160°E區(qū)域，上升氣流較常年偏強(qiáng)，180°—120°W區(qū)域下沉氣流也有所增強(qiáng)[圖3(a)]；2018年3—6月，西太平洋主要上升氣流西移至140°E，下沉氣流相應(yīng)西移，150°E出現(xiàn)下沉氣流，而170°E—150°W以東仍以下沉氣流為主[圖3(b)]，可見盡管拉尼娜事件已經(jīng)結(jié)束，但其滯后影響仍然存在，沃克環(huán)流雖然強(qiáng)度減弱但其仍然維持。從哈德萊環(huán)流(115°E—122.5°E)看，受3—6月熱帶地區(qū)異常上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)迫，南海至江南的廣大區(qū)域?yàn)閺?qiáng)異常下沉氣流，福建正好處在該下沉氣流的兩個(gè)中心之一，降水明顯偏少[圖3(c)]。

圖3 2017/2018年冬季(a)、2018年3—6月(b)5°S—5°N緯向垂直風(fēng)距平(箭矢，單位：m·s-1)和平均垂直速度距平(填色，單位：10-2 Pa·s-1)及115°E—122.5°E經(jīng)向垂直風(fēng)距平(流線，單位：m·s-1)和平均垂直速度距平(填色，單位：10-2 Pa·s-1)(c，紅色虛線之間為福建所跨緯度)

3.2 大尺度環(huán)流特征

2018年3—6月的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)[圖4(a)]上，歐亞中高緯為“兩脊兩槽”型，槽區(qū)分別位于烏拉爾山和鄂霍次克海，它們?cè)诰嗥綀?chǎng)上表現(xiàn)為明顯的負(fù)距平，烏拉爾山的距平中心低于100 gpm，表明2018年3—6月烏拉爾山和鄂霍次克海阻塞高壓均偏弱；東亞地區(qū)為正距平，其中心高于60 gpm，表明東亞大槽偏弱，影響中國(guó)的冷空氣偏弱。同時(shí)，西北太平洋為負(fù)高度距平場(chǎng)，西太平洋副熱帶高壓較常年偏弱、偏南、偏東，不利于引導(dǎo)水汽輸送到福建。孟加拉灣為正距平，表明孟加拉灣低槽偏弱。從1000～300 hPa整層積分的水汽通量和水汽通量散度距平場(chǎng)[圖4(b)]上可以看到，菲律賓以東為強(qiáng)大的異常氣旋性環(huán)流，其北側(cè)強(qiáng)盛的異常東風(fēng)氣流沿25°N西傳至中國(guó)東南沿海后分成兩支，一支經(jīng)海南—中南半島傳至孟加拉灣，另一只向北傳到中國(guó)西南，福建處于異常東風(fēng)氣流中。同時(shí)沿25°N為寬廣的水汽通量輻散帶，中國(guó)華東水汽通量散度距平場(chǎng)呈北負(fù)南正分布，福建處于水汽通量輻散中心區(qū)，水汽通量散度距平大于2×10-5kg·m-2·s-1，表明福建水汽輻合匯集較常年明顯偏弱，不利于強(qiáng)降水發(fā)生，造成福建3—6月干旱。

圖4 2018年3—6月平均500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(等值線)及其距平(陰影)(a, 單位：gpm, 紅色等值線表示氣候平均5880 gpm)，1000～300 hPa整層積分的水汽通量(矢量，單位：kg·m-1·s-1)和水汽通量散度距平場(chǎng)(陰影，單位：10-5 kg·m-2·s-1)(b，紅色矩形框?yàn)楦＝ǖ貐^(qū))

4 環(huán)流變化特征

4.1 阻塞高壓

阻塞高壓可制約北方冷空氣活動(dòng)的頻率、路徑與強(qiáng)度。有阻塞高壓存在，天氣形勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定少變，中緯度地區(qū)多為短波流型，冷空氣活動(dòng)比較頻繁，容易與南方暖氣團(tuán)不斷交綏于華南一帶，形成穩(wěn)定的鋒區(qū)。圖5為2018年3—6月500 hPa阻塞高壓和福建省日平均氣溫的逐日演變，可以看出，3—4月，烏拉爾山、貝加爾湖和鄂霍次克海均沒(méi)有阻塞高壓活動(dòng)，高壓活動(dòng)主要在歐洲，影響福建的冷空氣路徑偏西，冷空氣強(qiáng)度強(qiáng)，降溫幅度大，但影響次數(shù)少，兩個(gè)月內(nèi)只有5次降溫過(guò)程。5月，中高緯環(huán)流開始發(fā)生調(diào)整，烏拉爾山和鄂霍次克海地區(qū)高壓活動(dòng)次數(shù)增加，烏拉爾山地區(qū)在5月1—16日和19—25日發(fā)生2次阻塞高壓活動(dòng)，但主要位置偏西；鄂霍次克海地區(qū)的2次高壓活動(dòng)發(fā)生在5月1—11日和18—28日，福建冷空氣活動(dòng)較3—4月頻繁，共有4次降溫過(guò)程，但降溫幅度弱于3—4月。6月，歐洲高壓和烏拉爾山高壓的活動(dòng)都減弱，烏拉爾山只有一次高壓活動(dòng)，發(fā)生在6月24—29日；鄂霍次克海地區(qū)發(fā)生2次高壓活動(dòng)，分別出現(xiàn)在6月2—9日和20—25日，影響福建的冷空氣路徑較前期偏東，強(qiáng)度偏弱，但冷空氣活動(dòng)發(fā)生頻繁，6月4—6日、8—10日、12—14日、19—22日不斷有弱冷空氣影響，配合來(lái)自低緯度充足的暖濕氣流，使得這一時(shí)段的暴雨明顯多于前期。

圖5 2018年3—6月500 hPa阻塞高壓(陰影，單位：m·deglat-1)的逐日演變(a,綠色虛線間為烏拉爾山地區(qū)，紅色虛線間為貝加爾湖地區(qū)，藍(lán)色虛線間為鄂霍次克海地區(qū))和逐日全省平均日氣溫距平(b)

4.2 西太平洋副熱帶高壓

西太平洋副熱帶高壓(簡(jiǎn)稱“西太副高”)對(duì)福建具有舉足輕重的意義，它的南北進(jìn)退是福建自然季節(jié)更替的標(biāo)志，而其幾天至幾十天周期的位置和強(qiáng)度變化對(duì)福建天氣，特別是晴雨、降水強(qiáng)度都有近似決定性作用。有利于福建產(chǎn)生持續(xù)性暴雨的西太副高形態(tài)呈帶狀，東西擺布，脊線位于18°N—20°N附近，西伸脊點(diǎn)伸至115°E以西，5880 gpm線的北界頂至華南中部，這使得鋒區(qū)穩(wěn)定于華南北部，它向該鋒區(qū)不斷輸送來(lái)自太平洋和南海的暖濕氣流，使暴雨落區(qū)穩(wěn)定在副高脊線以北5～7個(gè)緯距的范圍內(nèi)。圖6為2018年3—6月110°E—130°E平均的500 hPa高度場(chǎng)的時(shí)間-緯度剖面，可以看出西太副高的南北進(jìn)退特征。3—4月，西太副高整體偏弱，脊線位置在18°N以南，兩個(gè)月內(nèi)有兩次明顯的北抬，但維持時(shí)間短且5880 gpm線的北界僅到達(dá)21°N附近，暖濕氣流無(wú)法持續(xù)輸送到福建上空形成持續(xù)性暴雨過(guò)程，造成這段時(shí)期暴雨顯著偏少。5—6月，西太副高呈現(xiàn)階段性南北振蕩特點(diǎn)，4月26日至5月6日、5月8—14日、5月21日至6月6日和6月19—23日有4次明顯的北抬，5880 gpm線的北界在福建維持多日，暖濕氣流可以持續(xù)輸送到福建上空，為持續(xù)性暴雨發(fā)生提供了有利的環(huán)流條件，特別是5月21日以后，隨著對(duì)流北傳的活躍，暴雨過(guò)程的間隔明顯縮短。6月24日以后，西太副高主體控制福建，強(qiáng)降水結(jié)束，福建進(jìn)入盛夏。

圖6 2018年3—6月逐日110°E—130°E平均的500 hPa高度場(chǎng)的時(shí)間-緯度剖面(等值線，單位：gpm，陰影為大于5880 gpm區(qū)域,粗實(shí)線之間為福建所跨緯度，下同)

4.3 對(duì)流活動(dòng)

OLR是地氣系統(tǒng)向外長(zhǎng)波輻射，能很好地反映對(duì)流活動(dòng)的強(qiáng)弱和熱帶大氣中的垂直運(yùn)動(dòng)信息。圖7為2018年3—6月110°E—122.5°E平均的逐日OLR隨緯度的變化，可以看出，整個(gè)時(shí)段對(duì)流北傳明顯偏弱，3—5月，對(duì)流活躍區(qū)維持在10°N以南，沒(méi)有有效的對(duì)流北傳, 5月初，10°N附近出現(xiàn)1個(gè)弱對(duì)流中心，但只是短暫維持，無(wú)法傳到福建，導(dǎo)致這段時(shí)期強(qiáng)降水偏少，使得氣象干旱持續(xù)發(fā)展。5月末開始，對(duì)流北傳開始活躍，對(duì)流區(qū)位置北抬，15°N—20°N之間總是維持一個(gè)OLR小于210 W·m-2的強(qiáng)對(duì)流活躍區(qū)，對(duì)流中心強(qiáng)度明顯增強(qiáng)；6月初，10°N附近小于150 W·m-2的強(qiáng)對(duì)流北傳，于6月5—7日傳至福建，產(chǎn)生了連續(xù)2 d的暴雨過(guò)程；6月14日，強(qiáng)對(duì)流中心進(jìn)一步北抬至18°N附近并開始北傳，6月19—23日，福建全省維持強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)，導(dǎo)致出現(xiàn)持續(xù)性暴雨過(guò)程，干旱得以緩解。

圖7 2018年3—6月逐日110°E—122.5°E平均的OLR場(chǎng)時(shí)間-緯度剖面(實(shí)線，單位：W·m-2，陰影為OLR小于210 W·m-2)

5 結(jié) 論

(1)福建省2018年3—6月出現(xiàn)歷史同期較嚴(yán)重的少雨事件，各月降水持續(xù)偏少，暴雨日少，持續(xù)性暴雨過(guò)程少且弱，導(dǎo)致該時(shí)段發(fā)生嚴(yán)重氣象干旱，干旱范圍廣、程度重、影響深。

(2)受拉尼娜的滯后影響，2018年3—6月沃克環(huán)流雖然強(qiáng)度減弱但其形態(tài)仍然維持，福建處在下沉氣流中心。500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上，烏拉爾山和鄂霍次克海阻塞高壓偏弱，東亞大槽偏弱，影響中國(guó)的冷空氣偏弱；西太副高較常年偏弱、偏南、偏東，不利于引導(dǎo)水汽輸送到福建上空。水汽場(chǎng)上，福建處于水汽通量輻散異常中心區(qū)，水汽輻合匯集較常年明顯偏弱。冷暖空氣同時(shí)偏弱和其交綏條件的缺乏，是造成福建該時(shí)段干旱的環(huán)流背景。

(3)2018年3—6月，大氣環(huán)流活動(dòng)呈現(xiàn)前期不活躍、后期階段性振蕩的特征。3—4月，烏拉爾山、貝加爾湖和鄂霍次克海均沒(méi)有阻塞高壓活動(dòng)，影響福建的冷空氣次數(shù)少；西太副高北抬次數(shù)少，5880 gpm線的北界幾乎無(wú)法維持在華南，對(duì)流活躍區(qū)維持在10°N以南，沒(méi)有有效的對(duì)流北傳至福建，導(dǎo)致這段時(shí)期暴雨日偏少，使得氣象干旱持續(xù)發(fā)展。5—6月，烏拉爾山和鄂霍次克海地區(qū)高壓活動(dòng)次數(shù)增加，影響福建的冷空氣活動(dòng)頻繁；西太副高表現(xiàn)為階段性南北振蕩特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)流階段性北傳，暖濕氣流可以持續(xù)輸送到福建，南北系統(tǒng)的有效配合為持續(xù)性暴雨發(fā)生提供了有利的環(huán)流條件，干旱得以緩解。

本文僅對(duì)拉尼娜滯后影響下的3—6月環(huán)流的變化進(jìn)行了分析，然而引起干旱的環(huán)流外強(qiáng)迫因子具有多樣性，不同季節(jié)具有不同的變化特征，仍需對(duì)不同因子協(xié)同作用下不同季節(jié)內(nèi)干旱環(huán)流的變化特點(diǎn)進(jìn)行更深入的分析。