西南区域持续性干旱事件的行星尺度和天气尺度扰动信号

钱维宏，张宗婕

北京大学大气海洋科学系，北京 100871

西南区域持续性干旱事件的行星尺度和天气尺度扰动信号

钱维宏，张宗婕

北京大学大气海洋科学系，北京 100871

以2009—2010年发生在中国西南地区的持续性干旱事件为例，通过干旱和大气变量的物理分解得到了一些干旱事件发生的新认识.气象干旱多为年循环的气候干季与干旱扰动的叠加所致.一次干旱扰动大约为30—50天，而一次持续性干旱事件是由几次干旱扰动组成的.大气高度场和风场中存在三种时间尺度的扰动.一种是年际行星尺度的大气扰动，与ENSO冷暖事件有关，起源于赤道并传播到中高纬度地区需要2—4年.另一种是季节内行星尺度的大气扰动，与来自赤道地区的30—50天振荡有关.此外，大气中还存在天气尺度的扰动.利用行星尺度大气扰动向赤道外传播与天气尺度扰动的叠加，区域持续性干旱事件能够找到前期预报信号.

干旱事件，气候干季，行星尺度，天气尺度，扰动信号

1 引 言

气象干旱是指某一时段内，由于地面蒸发量和降水量的收支不平衡，水分支出大于水分收入而造成的地面水分短缺现象.在一个地区较长时间内无降水，或降水量异常偏少，就可形成干旱事件.在中国的四类持续性大范围极端气候事件中，干旱事件的经济损失超过洪涝、高温热浪和低温冷害，排在首位.原因是干旱的持续时间和影响范围是其它异常气候事件不可比拟的［1－3］.2009年11月5日至2010年4月7日，中国西南地区包括云南、贵州、四川、广西和重庆等五省市发生了有气象观测记录60年以来的区域特大秋冬春持续性干旱事件.其中，干旱最为严重的是云南省，从2009年的9月份开始，到2010年4月中旬结束，实属百年不遇的气象灾害.这次西南地区的持续干旱导致了6420多万人受灾，110多万公顷农作物绝收，直接经济损失达246亿元.西南地区很多河塘干枯，人们的生产和生活受到严重的威胁.

气象部门用干旱指数表示干旱的严重程度，干旱指数值越小（负值越大），表示干旱程度越高.对干旱的持续时间、最大影响范围、最大日平均强度和综合指数，它们的排序是不同的.过去60年中，中国持续时间第一位、最大影响范围第一位和综合指数第一位的是1998年9月6日从华北开始向中国西南地区发展的干旱事件.最大日平均强度第一位的是1983年5月26日开始于中国西南地区的干旱事件.在全国60年的历史上，2009年至2010年的西南干旱事件持续时间排在第12位［3－4］，但在西南地区是有历史记录以来的第一位.

对于这次西南地区持续性干旱已有一些对事件的监测和评估分析的文章［5］.有分析认为，2010年冬季西南地区的干旱更有可能是由北半球环状模（NAM）异常，而不是El NiÕo引起的［6］.还有研究者认为这次持续性干旱是自然与人类活动影响的结果［7］.这样的干旱事件在西南地区是少见的，但我们仍然需要从历史的角度，用客观的方法对其做深入的研究.气象干旱常常为气候干季与大气环流异常形成的干旱扰动的叠加而成.把气象干旱和大气变量进行物理分解，再寻找它们之间对应关系的工作并不多.本文以2009年至2010年中国西南地区的持续性干旱为例，通过分解干旱扰动与对应的大气变量扰动之间的联系，探讨干旱形成的原因.

2 资料和方法

本文使用了中国国家气侯中心提供的1951—2010年中国722测站的逐日综合气象干旱指数（CI）资料［2，8］.根据逐日干旱指数和确定的干旱定义，对1960—2010年期间发生在中国的所有区域干旱事件给出了“持续时间、强度和最大影响范围”等指标量的排序［4］.这套干旱事件序列与中国气象局编写的1956—2009年《中国气象干旱图集》［9］结合，可以确定发生在中国西南地区的持续性干旱事件.干旱指数分为5级：CI＞－0.6为正常或湿涝；－1.2＜CI≤－0.6为轻微干旱；－1.8＜CI≤－1.2为中等干旱；－2.4＜CI≤－1.8为严重干旱；CI≤－2.4为特重干旱.逐月全球5652个站点降水资料取自美国NOAA／NCEP／CPC／CAMS［10］，在计算站点降水距平百分率时，气候平均时段取1971—2000年.逐日全球对流层和平流层大气多变量观测的2.5°×2.5°格点再分析资料使用美国NCEP／NCAR［11］Reanalysis 1.NiÕo 3.4区（5°N—5°S，170°W—120°W）海温距平序列取自美国国家海洋和大气管理局（NOAA）网站（http：／／www.cpc.ncep.noaa.gov／）.

大气变量可以从物理上分解成四个部分之和［12］.其中纬带－时间平均的对称部分和时间平均的非对称部分，分别由太阳辐射和海陆分布热力调节的季节变化引起，反映的是逐日气候.第三部分是年际和季节内的热带海洋或极地热力强迫引起的纬带平均扰动部分，可形成大气变量的行星尺度指数循环.第四部分是一些复杂的局地热力和动力形成的天气尺度瞬变扰动.第三和第四部分的分析方法在文献［12］中有介绍，本文只是探讨这两项扰动对干旱事件的指示意义.分解的第三和第四部分分别称为行星尺度纬圈平均的大气（高度或气流）扰动和天气尺度的大气（高度或气流）扰动.

3 西南地区干旱特征

图1 中国干旱特征（a）1960年1月1日—2010年4月13日中国达到中等干旱（CI≤－1.2）以上的站总日数分布（天数）；（b）站点达到中旱以上日数最多的季节.Fig.1 Drought features in China based on CI≤－1.2（a）Total drought days with CI≤－1.2during 1January 1960to 13April 2010；（b）Seasons with maximum drought days at each station.

中国西南地处于青藏高原的东南侧，地势西高东低，是多条河流的源头地区.利用逐日站点干旱指数（CI）资料，图1a给出了1960年1月1日—2010年4月13日期间各站达到中等干旱以上的日数分布.中国干旱日数最多的地区集中在黄河流域及其以北的华北和东北西部地区.此外，中国西南地区也是一个干旱高频发生区，总计达到2500—4500日.图1b给出了每个站点上中等干旱以上日数最多出现的季节.有意思的是，黄河流域及其以北的干旱和中国西南地区的干旱最多发生在春季.春季干旱在中国的分布就像希腊大写字母的“Γ”，位置在经度95°E—105°E的南北方向和35°N以北的东西方向.夏季干旱分散在长江和黄河的中游地区.秋季干旱主要集中在长江中下游地区，而冬季干旱主要出现在新疆地区和华南沿海部分站点.总之，春季干旱在中国是系统性的，往往覆盖很大的范围，如1998—1999年的干旱就跨越了黄河和西南两大区域［3］.

1960—2010年期间，中国西南地区出现冬春季连续两季干旱的事件有10次.这期间，春夏季连旱的事件1次发生在1983年，而秋冬春三季连续干旱的事件有4次，分别开始于1978年、1979年、1998年和2009年（表1）.

4 干旱扰动分解

图1b和表1中的干旱事件发生频次具有季节性.有必要以2009年至2010年干旱事件为例，阐述区域持续性干旱是气候干季上叠加的行星尺度干旱扰动和天气尺度干旱扰动.图2a给出了2009年10月1日—2010年4月1日全国干旱指数CI达到中等干旱以上的日数分布.这期间，持续2—6个月的干旱集中在西南地区.以图2a中方框（98°E—108°E，22°N—30°N）内站点平均干旱指数（CI），计算得到1951—2009年的逐日平均CI序列，即图2b中的灰色曲线.气候上，中国西南地区每年11月份到次年的4月份是干季（简称为：气候干季），6月份到9月份是湿季，5月和10月是过渡月份，干湿气候表现出典型的季风区特征.同时也反映出，中国西南地区高频次的冬春季连旱是一种气候现象.在图2b中，2009年1月至5月观测到有两个湿润的时段，分别出现在1月和4—5月，而在2009年2—3月出现了与气候干季有偏差的干旱扰动.2009年7—8月的观测值和气候值接近，并无旱涝异常.2009年的9月中至10月干旱扰动发展，2009年11月中至12月初和2010年1月至2月中分别出现了第二次和第三次相对气候干季的强干旱扰动.2010年3月出现了第四次相对气候干季的干旱扰动.可见，这次持续的干旱事件是在气候干季上叠加的先后4次干旱扰动.干旱从2009年9月开始发展，最强的干旱时段从2009年11月5日—2010年3月底.用2009年1月1日至2010年4月22日观测的干旱指数（CI）逐日序列减去气候逐日干旱序列，得到同期观测干旱指数的偏差（或扰动）变化.当观测的干旱指数相对气候偏差足够大时，我们认为出现了干旱扰动.偏差序列中先后出现了4次大的干旱扰动，如图2b中（1）—（4）所示.

图2 2009年至2010年西南干旱特征（a）2009年10月1日—2010年4月1日中国干旱指数CI达到中旱（CI≤－1.2）以上的日数分布；（b）西南地区（98°E—108°E，22°N—30°N）逐日干旱指数变化；（c）经度（95°E—105°E）平均的纬度（22°N—42°N）－时间（2009年1月1日—2010年4月22日）剖面上CI扰动值分布；（b）中灰色线为多年平均（气候）干旱指数（CI）的逐日变化，实线为观测干旱指数（CI）的逐日变化，虚线为干旱指数扰动（观测干旱指数与气候平均干旱指数的差）值的逐日（2009年1月1日—2010年4月22日）变化，数字（1）—（4）指示4次干旱扰动.Fig.2 Drought features over Southwest China from 2009to 2010（a）The distribution of drought days（CI≤－1.2）from 1October 2009to 1April 2010；（b）The daily variation of drought index over Southwest China（98°E—108°E，22°N—30°N）；（c）CIanomaly distribution averaged from 95°E to 105°E on the section plane of latitudes（22°N—42°N）and period（from 1January 2009to 22April 2010）.In（b）：The grey line shows the daily variation of climate CI，and the solid line is the daily variation of the observation CI，and the dashed line shows the daily variation of CI anomaly from 1January 2009to 22April 2010.

表1 西南地区持续性秋冬春干旱事件的开始日期和持续日数Table 1 Starting date and duration of persistent drought events in Southwest China during autumn，winter and spring

经过中国西南地区（95°E—105°E，22°N—42°N）的南北方向上，干旱指数扰动部分随时间的逐日变化如图2c中阴影所示.2009年2—3月份的西南干旱和2009年9月的发展，10月的加强至2010年4月初的持续性干旱事件在图2c中是非常清楚的.在2009年11月至12月中、2010年1月至2月和2010年3月份的3次强干旱扰动中，2010年初的干旱扰动尤为强盛.后2次干旱扰动也影响到了黄河上游地区.

中国西南地区的这次持续性干旱不是一个局地现象，而是环球干旱条带的一个部分.从图2b中可以清楚地看出，这次西南干旱主要发生在2009年11月至2010年3月的5个月中.由于干旱具有累积效应，最后在2010年3月份的干旱也很严重.利用美国CMAP全球降水资料［13］，这5个月和2010年3月份的全球站点降水百分率空间分布，如图3所示.东南亚整体降水偏少，中国西南地区仅仅是其中一个部分，越南、缅甸和菲律宾也发生了持续性的干旱.从东南亚向西延伸到印度北部，经过阿拉伯半岛到北非和拉美，都是降水持续偏少的地区，形成一条环球干旱带.与此同时，从2009年的11月份开始，东北亚地区和中国新疆地区气温偏低、降水偏多.全球降水偏多的地区也呈纬向带状分布，从东北亚向西延伸到新疆、欧洲，直至北美洲的南部地区.此外，在更高纬度的环北极大陆地区的降水也偏少.北半球在南北方向上降水“少－多－少”的条带状分布，以及各个纬带上的多个降水异常中心，反映出全球降水异常（旱涝）分布的两种空间尺度.当这两种尺度的干湿分布型稳定叠加时，会使一些地区的干旱或洪涝事件加剧.

如表1，中国西南地区在过去的60年中发生了多次干旱事件，其中日平均CI强度值最大达到－2.34的事件是发生在1983年5月26日开始的持续72天的干旱［4］.在所有西南地区的秋冬春季节连旱中，2009—2010年的连旱现象，是比1998—1999年更为严重的长期干旱事件.图4清楚地显示了这三次持续性干旱事件.尽管1983年夏季的西南干旱强度很强，但它的持续时间只是2009—2010年整个西南干旱时间的三分之一.每一次干旱事件是由一次或几次干旱扰动先后组成的，并且干旱扰动的强度在地理位置上是可以传播的.1983年夏季的西南干旱先向北传播，年底到达30°N，后又在1984年春季回到西南地区.1998—1999年的西南干旱，由至少4次干旱扰动先后组成.2009—2010年的西南干旱不但在当地发展，也向黄河上游扩展了.

5 大气中的高度扰动

中国西南地区的干旱扰动直接与大气环流扰动有关.以下阐述这次干旱事件对应的对流层至平流层天气尺度高度扰动的变化.图5给出的是2009年9月1日至2010年4月1日干旱区（98°E—108°E，22°N—30°N）上空，对流层至平流层的天气尺度位势高度扰动随时间的变化.

图3 （a）2009年11月—2010年3月全球降水距平百分率（等值线实线为正，虚线为负，间距为20%）；（b）2010年3月全球降水距平百分率（等值线实线为正，虚线为负，间距为30%）.为了显示清晰，等值线零线省略Fig.3 Global precipitation anomalies（in percentages）for（a）November 2009to March 2010（contour interval：20%）and（b）March 2010（contour interval：30%），solid and dashed lines indicate positive and negative values respectively.The zero contours are omitted for clarity

比较图2b与图5中的（1）、（2）、（3）和（4）位置上的数值，它们表示从2009年9月初至2010年4月初有4次对流层顶附近的天气尺度高度扰动，每次大的天气尺度高度扰动中又有1—2次小的高度扰动.这些天气尺度高度扰动与西南地区的干旱扰动在时间上是基本对应的，出现的扰动振荡时间大约是30—50天.天气尺度高度扰动从平流层下伸到对流层的中下部，具有相当正压性.

根据图5中最大扰动所在的高度，我们给出200hPa层的天气尺度位势高度扰动，分别沿98°E—108°E纬向平均的经向分布随时间的变化，和沿22°N—30°N经向平均的纬向分布随时间的变化（图6）.在经过西南地区的南北方向上（图6a），2009年9—10月份的天气尺度高度扰动主要出现在中国西北地区，西南地区受到其边缘影响.2009年11月份的天气尺度高度扰动和2010年1—2月份的天气尺度高度扰动，主要出现在西南地区对流层顶附近.另外在2010年的3月份也有1次天气尺度高度扰动.在经过西南地区的东西方向上（图6b），存在4次天气尺度高度扰动，其中发生在2009年11月份、2010年1—2月份和2010年3月份的高度扰动更为清楚.综合图6a与b两个方向的天气尺度高度扰动随时间的演变，4次高度扰动确实对应了4次西南地区的干旱扰动，它们之间有着内在的联系.

图4 经过中国西南经度（95°E—105°E）平均在纬度（22°N—42°N）方向上CI指数扰动部分随时间（日）的变化（a）1981年1月1日—1985年12月31日；（b）1996年1月1日—2000年12月31日；（c）2006年1月1日—2010年4月22日.Fig.4 The averaged CIanomalies between 95°E to 105°E and along the meridian from 22°N to 42°N（a）From 1January 1981to 31December 1985；（b）From 1January 1996to 31December 2000；（c）From 1January 2006to 22April 2010.

通过研究行星尺度纬圈平均大气扰动的经向传播，发现对流层至平流层的经向风扰动和纬向风扰动也是在对流层顶有最大的变率.赤道上空的最大变率中心在150hPa高度，而副热带地区在200hPa高度［14］.图7给出了与图4对应的行星尺度纬圈平均西风扰动在对流层顶随时间的变化.在1981年和1983—1984年，对流层顶30°N以北为西风异常，以南为东风异常，在30°N附近为行星尺度的反气旋环流（高压带）.同样的行星尺度反气旋环流也发生在1998—1999年.2009—2010年，30°N以北为强的西风异常，也形成30°N以南的行星尺度反气旋切变.与以上情况不同的是，1983年春夏和1998年春夏，26°N附近有很强的行星尺度西风扰动，相应的这两年长江流域都发生了洪涝.图7中，那些跨越2—4年的箭头点线表示行星尺度西风扰动起源于赤道，然后经历2—4年向中高纬度传播，在26°N和45°N附近得到进一步的加强.这些年际强西风扰动出现后会传播到不同的纬度，导致区域持续性的干旱或洪涝天气.图7中，来自赤道地区对流层顶的行星尺度大气低频（30—50天）西风扰动，它们也能够传播到30°N及其以北的温带地区.中国西南地区2009—2010年的4次干旱扰动，也与来自赤道地区的纬带大气30—50天西风扰动有关.

图5 2009年9月1日至2010年4月1日干旱区（98°E—108°E，22°N—30°N）上空的天气尺度位势高度扰动（gpm）实线和阴影区表示高度扰动的正值，点线表示高度扰动的负值，数字（1）—（4）和箭头指示高度扰动的次数.Fig.5 Regional－scale geopotential height anomaly（gpm）on the drought area（98°E—108°E，22°N—30°N）from 1 September 2009to 1April 2010and between 1000～10hPa The solid lines and the shaded area indicate the positive anomaly while the dotted lines indicate the negative anomaly.Numbers（1）—（4）and arrows indicate times of anomalies.

图8给出了沿25°N—27.5°N平均的对流层顶（200hPa附近）行星尺度西风扰动和NiÕo3.4区海温距平（SSTA）在1981—2010年的逐月序列，它们之间的相关系数值为0.61，超过了0.01的显著性水平.1982—1983年、1997—1998年和2009—2010年是这段时期中出现的3次最强的ENSO事件.这3次ENSO事件形成了行星尺度的西风扰动，并且引发了中国持续性的洪涝和干旱事件.

6 结果与讨论

通过2009—2010年发生在中国西南地区的持续性干旱事件的分析，本文得到下列几点结论.

（1）气象干旱常常为年循环的气候干季与干旱扰动的叠加所致.中国西南地区每年11月份至次年4月份是气候干季，6月份至9月份是湿润季节，5月和10月是过渡月份.一次干旱扰动的时间大约为30—50天，区域持续性干旱事件可由几次干旱扰动先后组成.2009—2010年中国西南地区的干旱事件，是由4次大的干旱扰动和一些小的干旱扰动相继叠加组成的.

（2）区域持续性干旱扰动与对流层至平流层的大气扰动直接有关.对流层顶附近是大气中天气尺度高度扰动和行星尺度风扰动最大的位置.天气尺度高度扰动从平流层下伸到对流层的中下部，具有相当正压性，对应着地面干旱区.2009—2010年发生在中国西南地区的的4次干旱扰动与200hPa上的4次天气尺度位势高度扰动对应.

图6 2009年8月1日—2010年4月1日经过西南地区上空200hPa的天气尺度高度扰动（gpm）沿（a）经度（98°E—108°E）平均在纬度10°S—60°N上的变化和（b）纬度（22°N—30°N）平均在经度40°E—120°E上的变化Fig.6 Regional－scale geopotential height anomalies（gpm）on 200hPa from 1August 2009to 1April 2010averaged（a）between 98°E—108°E along the latitudes（10°S—60°N），and（b）between 22°N—30°N along the longitudes（40°E—120°E）

（3）对流层顶的位势高度和气流存在三种时空尺度的扰动.天气尺度高度扰动能够指示区域干旱扰动.年际行星尺度西风扰动与ENSO循环有关，起源于赤道，传播到中高纬度地区需要2—4年.季节内行星尺度大气扰动与来自赤道地区的30—50天振荡有关.两种行星尺度的大气扰动传播到副热带地区时，不同的位相下会形成中国区域性的持续洪涝或持续干旱等极端天气事件.

（4） 赤道上的年际海温扰动，如ENSO循环会形成行星尺度纬圈平均的大气扰动，且扰动信号在对流层顶最强.利用年际和30—50天的大气扰动信号来自赤道向赤道外传播的特性，可以为区域持续性的干旱事件找到前期信号.对区域性干旱事件，要在时间上把握气候干季、年际海洋强迫引起的干旱扰动和行星尺度低频大气波动引起的干旱扰动，以及天气尺度大气扰动引起的干旱扰动.总之，一个地区的干旱严重程度，取决于这几种时空尺度干旱扰动的叠加.

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图7 对流层顶行星尺度纬圈平均西风扰动随时间－纬度的变化（a）1981年1月1日—1985年12月31日；（b）1996年1月1日—2000年12月31日；（c）2006年1月1日—2010年12月31日.西风逐日扰动做了31天平滑，阴影区表示西风扰动正值，灰色等值线为负值，等值线间隔为2m／s，点线指示起源于赤道大气中的年际和30—50天波动，短箭头线指示西风或东风异常.Fig.7 Time－latitude variations of planetary－scale zonal－mean westerly anomalies on the tropopause for the periods of（a）1981—1985，（b）1996—2000，and（c）2006—2010Series are calculated by 31－day running mean.The shading areas indicate positive westerly anomalies（the contour interval：2m／s）.The thick dotted lines show the interannual and 30—50－day fluctuations that originated from the equatorial atmosphere；the dashed arrow lines indicate the westerly or easterly anomalies.

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图8 沿25°N—27.5°N平均的对流层顶（200hPa）行星尺度西风扰动U和NiÕo3.4区海温距平在1981—2010年的逐月序列Fig.8 The monthly planetary－scale zonal－mean westerly anomalies Uaveraged between 25°N—27.5°N on 200hPa and the NiÕo3.4region SSTA（℃）series for 1981—2010

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Planetary－scale and regional－scale anomaly signals for persistent drought events over Southwest China

QIAN Wei－Hong，ZHANG Zong－Jie
Department of Atmospheric and Oceanic Sciences，Peking University，Beijing100871，China

New knowledge on persistent droughts was obtained by the physical decomposition of dryness index and atmospheric variables from the recent severe event occurred in 2009—2010over Southwest China.Meteorological drought can be decomposed into two parts of climate dry season and various dry anomalies.A period of dry anomaly is about 30—50days and a persistent drought event consists of several times of dry anomalies.Atmospheric variable anomalies with three different time－space scales exist in geopotential height and winds.One of planetary－scale zonalmean atmospheric anomalies associated with El NiÕo－Southern Oscillation cycle originates from the equatorial zone and propagates to mid－high latitudes in about 2—4years.Another planetaryscale atmospheric anomaly which also originates from the equatorial zone is associated with 30—50－day oscillation.The third is the regional－scale atmospheric anomalies.The propagation of these planetary－scale atmospheric anomalies from the equatorial zone to extra－tropical latitudes and adding regional－scale atmospheric anomaly can be used as precursors to predict regional persistent droughts.

Drought event，Climate dry season，Planetary scale，Regional scale，Anomaly signal

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.004

P433

2011－12－05，2012－04－19收修定稿

国家自然科学基金项目（40975039）资助.

钱维宏，男，1957年生，教授.主要从事天气气候教学和研究.E－mail：qianwh＠pku.edu.cn

钱维宏，张宗婕.西南区域持续性干旱事件的行星尺度和天气尺度扰动信号.地球物理学报，2012，55（5）：1462－1471，

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.004.

Qian W H，Zhang Z J.Planetary－scale and regional－scale anomaly signals for persistent drought events over Southwest China.ChineseJ.Geophys.（in Chinese），2012，55（5）：1462－1471，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.05.004.

（本文编辑 汪海英）