广西春旱的时空分布特征及成因分析*

2012-01-26张凌云简茂球

灾害学 2012年1期

张凌云，简茂球

(1.中山大学大气科学系/季风与环境研究中心，广东广州510275;2.广西柳州市气象局，广西柳州545001)

0 引言

广西地处我国南部，属亚热带季风气候区，主要特征是夏长冬短、雨热同季。春季是广西农业生产最关键的季节，是水稻、玉米等粮食作物以及甘蔗、水果等经济作物播种发育的关键季节，其气候条件对农作物生长发育的影响直接关系到广西的粮食生产安全，而降水则是其中最重要的气象因子。因此，研究春季的降水，尤其是研究春旱，意义重大。由于受全球气候变化［1－4］的影响，广西干旱的时空变化也呈现出一定的规律性，对此，前人曾做了一些研究，但多集中于一些个例分析研究［5－10］，且多研究秋冬季干旱［11－18］，李耀先等［19］曾对广西干旱进行系统性分析，而有针对性的广西春旱研究迄今尚少。干旱的划分标准，也主要以季节降水量为主［20－21］，与实际上发生旱情的多少有些出入。本文将引入“季节无雨日”作为划分干旱的标准，从广西春旱年的大气环流背景入手，分析春旱的成因。

1 资料和分析方法

本文使用的主要资料如下:

(1)广西气候中心整理的1961－2007年32个气候代表站的逐日降水量资料;

(2)1961－2007年共47年NCAR/NCEP再分析资料逐日资料子集中的高空12层纬向风u、经向风v、p坐标垂直速度ω、位势高度Hgt和比湿q、全球海平面气压以及计算出的垂直积分(地面－300 hPa)水汽通量等资料，分辨率为2.5°×2.5°;

(3)1961－2007共47年NOAA(Extended Reconstructed Sea Surface Temperature，V2)扩展重构全球海表温度资料，分辨率为2.0°×2.0°;

(4)国家气候中心气候系统诊断预测室再处理的74项环流特征量资料。

本文所采用的主要计算及分析方法有EOF分析，以及一些常用的统计分析方法［22－23］。

2 广西春旱的时空分布特征

从广西89个气象观测站点中选取具有气候代表性的32个站点，根据1961－2007年逐日降水量资料，统计逐年春季(3－5月)各站点的无雨日。其中无雨日的标准是:日降水量≤0.0 mm。本文将季节无雨日定义为:在某个季节里面，日降水量≤0.0 mm的总天数，它既能直接反映降水过程的多少(春季无雨日与降水量的相关系数达到－0.66)，又可以体现干旱的累积效应，用它来衡量干旱的程度较为科学、合理。因此，本文将以季节无雨日作为干旱的划分标准，分析广西春旱的时空分布特征。

2.1 广西春季无雨日的气候平均特征

图1和图2中给出的是广西春季无雨日的空间分布特征和时间变化曲线。由图1可知，在春季，广西的无雨日呈西南－东北型分布，桂西、桂南为高值区，桂中至桂东北为低值区，无降水日的高值中心位于桂西、桂西南及桂南，说明在春季，桂西及桂南最易发生干旱事件。从时间变化来年(图2)，在春季，全区平均无雨日总体略呈上升趋势，但增长趋势不明显，主要以年际、年代际变化为主，年代际变化趋势大致是:1960年代无雨日较多，1970年代较少，1980年代较多，1990年代较少，进入21世纪后无雨日又趋于增多。

图1 广西春季节无雨日的气候平均图

图2 广西平均春季节无雨日的逐年时间变化(实曲线)及趋势变化(虚线)图

2.2 广西春季无雨日的EOF分析特征

对广西32个代表站春季的无雨日作EOF分析，表1中给出了广西春季无雨日EOF分析前5个模态的方差及累积方差贡献，EOF分析的初始场为非标准化的距平场。由表1可以看出，前3个模态的累积方差贡献超过70%，其中第1模态的方差贡献占总方差的一半以上，是广西春季无雨日非常重要的一种变异模态。

表1 广西春季无雨日EOF分析前5个模态的方差贡献及累积方差贡献%

图3中给出的是广西春季无雨日EOF分析的第一模态及其时间系数。从图3(a)可以看出，第一模态代表的是春季全区一致偏旱或一致偏涝型，极值中心位于桂东南，桂北则为相对低值区，说明在春季，桂北地区的干旱较桂南偏轻，桂东南最易发生严重干旱。图3(b)中的时间系数则反映了:对于偏旱年而言，这种春季全区一致偏旱比较典型的年份有1963、1977及1987年，而2002年以后的连续6年里，春季全区一致偏旱的的特征都比较明显。对于偏涝年而言，这种春季全区一致偏涝比较典型的年份有1975年、1970年、1981年及1993年，其中1975年春季全区一致偏涝的特征最明显。

图3 广西春季无雨日的EOF分析(其中特征向量场已乘以时间系数的标准差)

2.3 广西春旱年的划分

根据春季无雨日EOF分析的结果，广西春季EOF分析的第一模态方差贡献达到55.5%，说明第一模态所代表的旱涝分布型为主要的变异型，且春季第一模态旱涝分布型为全区一致偏旱或全区一致偏涝，因此，本文主要讨论全区一致性春旱。表2中给出了春旱年份的划分结果。从表2可以看出，1990年代以前，广西发生春旱较多，1990年代广西未发生春旱，21世纪以后，广西的春旱又有增加趋势。

表2 广西春旱年份

3 广西春旱的大气环流背景分析

3.1 广西春旱年水汽通量场特征

图4中给出的是春季平均水汽通量场及广西春旱年水汽通量距平合成场。从春季平均水汽通量场(图4a)可以看出，春季主要有两支水汽输送带向广西输送水汽，一支是源自西太平洋副热带高压南侧的偏东气流水汽输送带，另一支是源自孟加拉湾的偏西气流水汽输送带，两支水汽输送带在中南半岛－南海附近汇合北上输送到广西，广西处于西南气流水汽输送带的辐合区中。而在春旱年(图4b)，菲律宾以东洋面上空为气旋式水汽通量距平场，我国东部及其以东洋面上空存在一个反气旋式水汽通量距平场，广西处于该反气旋式水汽通量场的西南侧偏东距平气流水汽输送带中，其上空有一个明显的距平辐散场，说明偏旱年广西上空的水汽通量辐合减弱，水汽条件比平均场更不利于降水，即使冷空气影响广西也不会造成明显降雨，因而降水偏少。

图4 垂直积分春季平均水汽通量场(a)及广西春旱年水汽通量距平合成场(b)

3.2 广西春旱年850 hPa风场特征

图5中给出的是春季850 hPa平均风场及广西春旱年850 hPa风场距平合成场。从春季平均风场(图5a)可以看出，与水汽通量场相似，春季主要有两支气流在中南半鸟－南海附近北上汇合影响广西，一支是源自西太平洋副热带高压南侧的偏东气流，另一支是源自孟加拉湾的偏西气流，两支气流在中南半岛－南海附近汇合北上影响广西，广西主要受西南气流影响，因而水汽输送较多。而在春旱年(图5b)，四川至云贵一带为一个气旋式距平场控制，广西处于该气旋式距平场南侧偏南－西南气流距平强辐散区中，西南气流辐散大大增强。

图5 春季850 hPa平均风场(a)及广西春旱年850 hPa风场距平合成场(b)

3.3 广西春旱年500 hPa位势高度场特征

图6中给出的是春季500 hPa平均高度场及广西春旱年500 hPa高度距平合成场。在春季500 hPa平均高度场上(图6a)，中高纬度亚洲大陆－西太平洋地区呈一槽一脊型，中高纬度亚洲地区主要受广阔的高压脊控制，亚洲大陆东部－日本－西太平洋地区主要受东亚大槽控制，低纬地区气流比较平直，印缅槽较浅，广西主要受印缅槽前西南－偏西气流影响。而在广西春旱年500 hPa高度距平合成场上(图6b)，中高纬度亚洲地区为负距平，亚洲大陆东部－日本－西太平洋地区为正距平，同时阿拉伯海湾地区也为正距平，印缅－孟加拉湾一带为负距平，说明在广西春旱年，东亚大槽槽底部分偏弱，中高纬地区气流趋于平直，纬向环流盛行，经向环流相对偏弱，由此带来的冷空气南下影响广西的就少。虽然低纬地区槽脊略有加深，广西处于印缅槽前，偏南气流强盛，因此尽管水汽条件较好，但由于中高纬环流平直，不利于冷空气南下影响，没有冷空气与之交绥，对降水的形成不利。

图6 春季500 hPa平均高度场(a)及广西春旱年500 hPa高度距平合成场(b)

3.4 广西春旱年500 hPa垂直速度场特征

图7中给出的是春季500 hPa平均垂直速度场及广西春旱年500 hPa垂直速度距平合成场。在春季500 hPa平均垂直速度场上(图7a)，中南半岛－华南一带、青藏高原一带ω＜0，说明上述地区(包括广西)春季500 hPa上空主要以上升运动为主。而在广西春旱年500 hPa垂直速度距平合成场上(图7b)，华南地区上空为正距平，说明春旱年广西上空上升运动减弱。同时还可以看到，在中高纬地区，贝加尔湖以东往东南方向至我国东北地区为正距平区，说明春旱年该区域下沉运动增强，华北－华东－朝鲜半岛－日本岛南部上空为明显的负距平区，说明春旱年该区域下沉运动减弱，与东亚大槽的位置有关，意即春旱年东亚大槽的纬向性较明显，且位置偏西。

图7 春季500 hPa平均垂直速度场(a)及广西春旱年500 hPa垂直速度距平合成场(b)

3.5 广西春旱年海平面气压场特征

图8中给出的是春季平均海平面气压场及广西春旱年海平面气压距平合成场。在春季平均海平面气压场上(图8a)，阿留申低压位于40°～60°N之间的北太平洋地区，其低压中心位于阿留申群岛附近，中低纬度太平洋地区则为广阔的太平洋副热带高压控制，高压脊线位于30°N附近，低纬－印度洋北部为低压环流控制，广西处于大陆高压东南侧和低纬－印度洋低压环流东北侧的西南气流辐合带中，低层盛行西南风。而从广西春旱年海平面气压合成距平场(图8b)可以看出，在广西春旱年，阿留申低压明显减弱，副高略有增强，大陆高压减弱，说明冷空气活动少或势力弱，偏南气流比正常年要强盛，整个辐合区偏北，对广西降雨不利。

3.6 广西春旱年海温场特征

图9中给出的是广西春旱年平均海温距平合成场。可以看出，在广西春旱年，阿拉伯海湾为显著的正温度距平区，孟加拉湾为正温度距平区，南海海域为显著的负温度距平区，印度洋澳大利亚西部和南部邻海域为显著的负温度距平区，南太平洋50°～70°S新西兰岛南部和东部海域为显著的正温度距平区，赤道至15°N中太平洋海域为正温度距平区，15°～30°N为负温度距平区，与副高偏强一致，40°～60°N为正温度距平区，与阿留申低压偏弱一致，可见广西春旱年海温场与气压场具有较好地对应关系。

图8 春季平均海平面气压场(a)及广西春旱年海平面气压距平合成场(b)

图9 广西春旱年海温距平合成场(图中阴影区为通过α=0.1显著性检验的区域;单位:℃)

3.7 广西春旱前期大气环流信号分析

图10中给出的是广西春旱年前冬500 hPa高度(a)、海平面气压(b)及海温(c)距平合成场。由图10a可知，在广西春旱年前冬，500 hPa西北太平洋上空为显著的负距平区，阿拉伯半岛－印度半岛－孟加拉湾一带为负距平区，贝加尔湖以西的中高纬欧亚大陆地区为显著的正距平区，说明在广西春旱年前冬，东亚大槽偏强，冷空气南下活动较频繁。由图10b可知，在广西春旱年前冬，北太平洋地区为非常显著的海平面气压负距平区，欧亚大陆中纬度地区、南海海域－华南一带为海平面气压正距平区，说明在广西春旱年前冬蒙古高压偏强，阿留伸低压也偏强，冷空气活动频繁。由图10c也可以看出，在广西春旱年前冬，南海至东亚近海海域为显著的负温度距平区，这与东亚冬季风偏强有联系，澳大利亚西部海域也是负温度距平区。

图10 广西春旱年前冬距平合成场

此外，通过计算广西春季无雨日序列与大气环流指数的相关系数(表3)发现，春季无雨日与同春北半球极涡面积指数存在显著的负相关，与3月亚洲极涡面积指数存在显著的正相关，与3月亚洲纬向环流指数存在显著的正相关，与前冬印缅槽指数存在显著的正相关(图11)。由此说明，当前冬印缅槽偏弱时，广西春季发生干旱的可能性较大。