近50 a华南干湿状态的时空特征

2013-02-24范伶俐张福颖胡祯祥魏蕾

大气科学学报 2013年1期

范伶俐，张福颖，胡祯祥，魏蕾

(1.广东海洋大学海洋与气象学院，广东湛江524088;2.南京信息工程大学大气科学学院，江苏南京210044)

0 引言

20世纪世界10大自然灾害中，旱灾居首位(谢定升，1992)。中国季风气候明显，逐年间季风的不稳定性和境内由于地形、山脉等因素造成的水热分布不均导致了我国干旱的频繁发生，其特点是发生频率高、影响范围大、持续时间长(叶笃正和黄荣辉，1996)，甚至在雨水较多的华南沿海地带，也时有干旱少雨的灾害发生(郑彬和林爱兰，2011)。华南地区地处气候年际变化非常显著的东亚季风区，是我国人口密集和经济发达的地区之一，干旱不仅直接影响该地区工农业生产及人民生活，造成农作物减产或绝收，还会导致火灾等衍生灾害的发生，从而影响社会与经济活动，进一步加重干旱的危害性。

降水量偏少是干旱发生最直接的原因。中国对干旱的研究主要集中在降水较少的北方地区，祁海霞等(2011)认为20世纪50—70年代中国干旱主要发生在西北、东北、江淮流域以及长江中下游至华南地区，而80年代至今干旱高发区转移到以前的干旱低发区。张方敏和申双和(2007，2008)认为，湿润状况显著增加的地区主要为新疆西北部和中国的西南部，干旱化显著的地区主要在青海的东部、甘肃的南部和四川北部，干湿状况变化从中国的东部向西部逐渐增大。梁姗姗和钱永甫(2006)认为全球关键区的感热异常与中国华北、江淮和华南地区汛期降水异常有很好的相关关系。黄荣辉等(1999)认为华北地区1965年以后夏季降水明显减少，干旱化趋势明显。对华南干旱的研究仅有一些初步的认识，对该地区干旱的气候特征所做的系统研究较少。张勇等(2000)认为广东产生春旱的主要原因是冷暖气团未能在广东省内交锋，气温高、蒸发量大也有影响。温之平等(2007)认为从北方来的冷空气和南来的暖空气是否在华南辐合抬升是华南春季降水多寡的关键。智协飞和郭锐(2006)认为秋季南亚高压位置异常偏东将直接导致南方降水偏少，夏季蒙古上空高压偏强也可导致南方降水偏少，秋季副高南撤减弱加快也将导致南方降水减少，副热带急流中心位置偏北可能造成南方降水异常偏少;赤道东太平洋海温异常偏低，赤道印度洋海温偶极子呈负位相时，南方秋季易出现大范围干旱。尽管华南的降水量丰沛，但由于地区分配不均匀、年内分配不均匀，导致局部干旱、季节性干旱经常发生，造成了较大的经济损失。因此，对华南干旱时空特征做系统性分析十分必要。本文将重点分析华南地区干旱在一年四季中的分布状况，并探讨不同季节华南地区干旱的趋势变化及干湿状态的环流背景特征，为华南地区干旱预测提供理论依据。

1 资料和方法

1961—2007年的中国753站逐日日平均降水和温度(中国气象局国家气象信息中心提供)，美国气候预测中心的扩展重建海表温度资料(ERSST v2)(Smith and Reynolds，2004)和美国国家环境预报中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)再分析的风场资料(Kalnay et al.，1996)。海表温度的空间分辨率为2°×2°，NCEP/NCAR再分析资料为2.5°×2.5°。时间长度是1961—2007年。

本文从全国753站台站资料中提取出华南地区(105 ～120°E，15～25°N)的63 个站点，基于站点数据的时间序列的长度、连续性以及迁站距离(≤20 km)3个主要条件，取时间长度为1961—2007年共47 a连续观测数据。

式中:rm为月降水量(mm);θm为月平均温度(℃);K为与蒸发有关的公式参数，K=30。上式的物理意义为月总降水量与总蒸发量之比，它反映了一地区干湿气候状态。Am为无量纲量，当Am＞1时为湿，反之为干。

通过趋势分析、EOF(the empirical orthogonal function，自然正交函数)分析等方法对华南干旱特征进行系统的分析。趋势分析采用要素线性回归拟合方程的斜率，即趋势系数(无量纲量)，来表示该要素的变化趋势，正趋势系数表示有增大趋势，负趋势系数则表示有减小趋势。

2 结果分析

2.1 华南地区干湿季节变化

由图1可见，气候态状况下，华南地区1—3月、11—12月为干季，4—10月为湿季。由此，上述引用的干湿气候指数可明显区分华南地区干湿季，体现了指数引用的合理性。

图1 华南地区区域平均的干湿气候指数的逐月变化Fig.1 Monthly variation of regional average dry and wet index in South China

图2 1月(a)、4月(b)、7月(c)、10月(d)华南地区干湿气候指数的分布Fig.2 Regional distribution of the dry and wet index in South China in(a)January，(b)April，(c)July and(d)October

图1仅能表现华南地区干湿的总体变化，区域分布并未能体现。图2给出1、4、7、10月华南地区干湿情况的区域分布。由图2可见，1月，华南总体偏干，但在华南东北部地区基本正常或略偏湿;2月，华南东北部偏湿，其余地区大都偏干;3月，整个华南北部都偏湿，而广西西部、广东西南部和海南省偏干;到4月，整个华南地区除广西西北和海南省外都偏湿，且北部比南部更湿，这是由于4月锋面降水带依然偏北。从1—4月华南地区干湿分布可以看到，偏湿的地区从北部逐渐向南扩展，体现了华南地区从旱季向汛期的变化，也体现了雨带由北向南逐渐推进的过程(陈隆勋等，2000;郑彬等，2006)。5月，由于锋面降水的继续南移、5月底南海夏季风的爆发，除海南省的个别站点外，整个华南地区全面进入湿季。6月，华南夏季风降水的全面铺开，使得华南地区继续保持湿润。后汛期的7、8、9和10月，华南地区依然保持湿润，但是湿润区主要集中在沿海地区，这显然与登陆台风的影响有关。其中9月湿润程度小于7、8月，广西北部已由湿转干;10月湿状态进一步减弱，湿润地区聚集在广东西部沿海、广西沿海和海南省，这与南海夏季风在9月开始撤退、10月南海夏季风基本撤退完毕(冯瑞权等，2007)有关。11、12月，华南地区干状态进一步发展。

2.2 华南地区干湿趋势变化

图3是各月华南地区区域平均的干湿气候指数的趋势系数。图3中的正趋势系数表示干湿气候指数有增大趋势，意味着湿状态的增强或干状态的减轻;而负趋势系数则表示指数有减小趋势，意味着干状态的增强或湿状态的减轻。由图3可见，2、3月和5、7、8月的正趋势变化明显，表明近50 a华南地区在这些月份总体上存在变湿或干状态变弱的趋势;而4、9、10、11和12月有明显的负趋势，表明近50 a这5个月华南地区存在变干或湿状态变弱的趋势;1月和6月变化趋势不明显。

由逐月干湿趋势变化(图4给出1、4、7、10月的分布，其他月份略)可见，近50 a来1、6月华南地区总体干湿趋势变化不明显，是因为华南地区各区域干湿趋势变化存在差异。如1月广西全省、广东西北部有正的趋势变化，而其他地区多为负趋势变化;6月，广西东南部、广东西南部和东北部、海南省变干，而其余地区变湿。

图3 华南地区区域平均的干湿气候指数趋势变化率的逐月变化(单位:a－1)Fig.3 Trend of regional average dry and wet rate change in South China(units:a－1)

近50 a来2、3月和7月，华南地区几乎都是正趋势变化;5和8月尽管也出现部分地区的负趋势，但其范围较小，且变化幅度不及正趋势，因此5、8月的华南地区区域平均仍然是正的趋势变化。9、10、11月华南地区几乎都是负的趋势变化;4、12月虽部分地区也出现正趋势，但正趋势的范围和变化幅度均不及负趋势，区域平均仍呈负的趋势变化。

2.3 华南地区干湿气候指数的EOF分析

图4尽管能反映华南地区干湿气候指数变化趋势的空间分布，但各局部区域干湿气候指数的时间演变尚不清楚。故分干季(11月—次年3月)、湿季(4—10月)对华南地区的63个台站干湿气候指数标准化序列进行EOF分析，可以看出:

1)干季，第一、第二模态分别占总方差的51.9%、18.4%。第一模态特征向量场(图5a)主要正中心区位于广东西部和广西东部等地，整个华南地区为一致的正值区，其中心对应的点方差贡献百分比可高达90% ～100%(图略)，说明该模态是华南地区干季干湿气候指数非常重要的一种异常型，对应第一模态的时间系数并未体现出明显的年代际变化特征(图6a)。干季第二模态特征向量如图7a所示，广东大部和广西东部地区为正值区，广西大部和广东西南部为负值区，其极值中心位于粤东北和雷州半岛，正、负值中心区的模态点方差贡献均为40%(图略)，对应第二模态的时间系数也未体现出明显的年代际变化特征(图8a)，但可见第二模态中干季华南东、西部干湿状态的时间演变位相相反。

2)湿季第一、第二模态分别占总方差的39.0%、14.1%。第一模态特征向量场主要负中心区位于广东沿海地区，整个华南地区为一致的负值区(图5b)，其中心对应的点方差贡献百分比可高达80% ～90%(图略)，对应第一模态的时间系数并未体现出明显的年代际变化特征(图6b)。湿季第二模态特征向量如图7b所示，广东东部地区为正值区，广西全省和广东西南部为负值区，其极值中心分别位于粤东北和广西中部，正、负值中心区的模态点方差贡献分别为80%、20%(图略)，对应第二模态的时间系数也未体现出明显的年代际变化特征(图8b)，但可见第二模态中湿季华南东、西部干湿状态的时间演变位相相反。

2.4 华南地区干湿状态的环流背景特征

华南地区干湿变化的影响因子很多(张勇等，2000;Wang et al.，2000;任敏等，2006;智协飞和郭锐，2006;温之平等，2007)，包括副高、极涡、南支槽、夏季风、热带气旋和东亚大槽等。对1961—2007年干季(11月—次年3月)里干的年份和湿的年份、湿季(4—10月)里湿的年份和干的年份850 hPa风场、海表温度异常(sea surface temperature anomaly，SSTA)求差值，来分析华南地区干季里的干年份和湿年份、湿季里的湿年份和干年份的环流背景特征差异。

图4 1月(a)、4月(b)、7月(c)、10月(d)华南地区干湿气候指数趋势变化率的分布(单位:a－1)Fig.4 Distribution of regional dry and wet rate change in South China in(a)January，(b)April，(c)July and(d)October(units:a－1)

从干季里的干年份和湿年份、湿季里的湿年份和干年份850 hPa风场差值场的矢量分布(图9)可以看到:湿季里的湿年份西北太平洋的异常反气旋偏东，可以从南海/西北太平洋为华南输送更多的水汽;干季里的干年份西北太平洋的异常反气旋偏西，华南被异常的高压覆盖，降水则偏少。由此可知，西北太平洋的异常反气旋是影响华南地区干湿变化的重要因子。此外，在湿季里的湿年份北太平洋靠近东亚大陆的区域有显著的气旋性异常，它反映了东亚大槽的强弱，东亚大槽对东亚大陆影响范围的大小，与之伴随的冷空气的强弱，对华南锋面降水有着重要影响。故北太平洋靠近东亚大陆区域的气旋性异常是影响华南地区干湿变化的另一个重要因子。湿季里的湿年份印度、孟加拉湾上空的气旋性异常也很显著，该气旋性异常通过影响孟加拉湾的水汽向华南地区的输送量，从而影响华南地区的干湿变化。所以印度、孟加拉湾上空的气旋性异常是影响华南地区干湿变化的又一个重要因子。

图5 华南地区干季(a)、湿季(b)的干湿气候指数EOF分析的第一特征向量Fig.5 The first eigenvector of EOF analysis of dry and wet index in(a)dry and(b)wet seasons in South China

图6 华南地区干季(a)、湿季(b)的干湿气候指数EOF分析的第一主分量(虚线为9点滑动平均曲线)Fig.6 The first principal component distribution of EOF analysis of dry and wet index in(a)dry and(b)wet seasons in South China(Dotted line indicates the 9 point moving average curve)

干季里的干年份和湿年份、湿季里的湿年份和干年份海表温度异常的差值场 (图10)显示出与850 hPa风差值场相吻合的结论。干季里的干年份在印度半岛附近、北太平洋靠近东亚大陆的区域，由于气旋性的异常，导致海水上翻，故出现负的SSTA;而在西北太平洋则主要是蒸发—风反馈机制(Wang et al.，2000)作用的结果。湿季则相反。

3 结论

利用华南地区63个地面气象站的降水和气温资料，选用黄露菁等(1997)干湿气候指数，分析了华南地区的干湿季节变化和趋势变化，结论如下:

1)选用的干湿气候指数可以明显地区分华南地区干、湿季。

2)华南地区干湿状态空间分布不均。总体而言，南部的干状态和湿状态都比北部严重。在华南地区平均偏旱的1—3月，华南北部也出现了部分地区偏湿的情况;即便是整个华南偏干的11—12月，华南南部也比北部更干。在华南平均偏湿的月份，除4月外，都是南部沿海较北部更湿。

3)华南地区 2—3、5、7—8 月明显变湿，而 4、9—12月显著变干，1、6月趋势不明显。这表明近50 a华南地区秋季旱情有加重的趋势，而春季旱情有所缓解，夏季洪涝则加重了。

4)EOF分析表明，华南地区东、西部干湿状态的时间演变位相相反。

图7 华南地区干季(a)、湿季(b)的干湿气候指数EOF分析的第二特征向量Fig.7 The second eigenvector of EOF analysis of dry and wet index in(a)dry and(b)wet seasons in South China

图8 华南地区干季(a)、湿季(b)的干湿气候指数EOF分析的第二主分量(虚线为9点滑动平均曲线)Fig.8 The second principal component distribution of EOF analysis of dry and wet index in(a)dry and(b)wet seasons in South China(Dotted line indicates the 9 point moving average curve)

5)华南地区干湿状态的背景特征分析表明:东亚大槽、西北太平洋异常反气旋、北太平洋异常气旋、南亚异常气旋、海表温度均为干湿状态的影响因子。

图9 850hPa风场差值分布(单位:m/s) a.干季(干年减湿年);b.湿季(湿年减干年)Fig.9 850 hPa wind difference(units:m/s) a.dry season(the dry years minus the wet years);b.wet season(the wet years minus the dry years)

图10 海表温度异常差值场(单位:℃) a.干季(干年减湿年);b.湿季(湿年减干年)Fig.10 SSTA difference(units:℃) a.dry season(the dry years minus the wet years);b.wet season(the wet years minus the dry years)

陈隆勋，李薇，赵平，等.2000.东亚地区夏季风爆发过程［J］.气候与环境研究，5(4):345-355.

冯瑞权，王安宇，梁建茵，等.2007.南海夏季风撤退期的气候特征I.40 年平均［J］.热带气象学报，23(1):7-13.

黄露菁，郑德娟，陈创买.1997.一种干湿气候指数的计算方法［J］.气象，23(3):15-19.

黄荣辉，徐予红，周连童.1999.我国夏季降水的年代际变化及华北干旱化趋势［J］.高原气象，18(4):465-475.

梁姗姗，钱永甫.2006.亚非感热异常时空特征及其与我国降水异常的关系［J］.南京气象学院学报，29(5):620-626.

祁海霞，智协飞，白永清.2011.中国干旱发生频率的年代际变化特征及趋势分析［J］.大气科学学报，34(4):447-455.

任敏，胡庆梅，马宁华，等.2006.南支槽的统计分析［J］.气象与减灾，13(2):39-41.

温之平，吴乃庚，冯业荣，等.2007.定量诊断华南春旱的形成机理［J］.大气科学，31(6):1223-1236.

谢定升.1992.广东的干旱及其未来的变化［J］.广东气象，19(2):42-44.

叶笃正，黄荣辉.1996.长江黄河流域旱涝规律和成因研究［M］.济南:山东科学技术出版社.

张方敏，申双和.2007.我国参考作物蒸散的空间分布和时间趋势［J］.南京气象学院学报，30(5):705-709.

张方敏，申双和.2008.中国干湿状况和干湿气候界限变化研究［J］.南京气象学院学报，31(4):574-579.