1990年以来重庆秋季年代际干旱及其可能成因

曾刚,武英娇,张顾炜,3,倪东鸿,董新宁

(1.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;

2.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;

3.大连市气象局,辽宁 大连 116000;4.重庆市气候中心,重庆 401147)

1990年以来重庆秋季年代际干旱及其可能成因

曾刚1,2,武英娇1,张顾炜1,3,倪东鸿1,董新宁4

(1.南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;

2.气象灾害教育部重点实验室(南京信息工程大学),江苏 南京 210044;

3.大连市气象局,辽宁 大连 116000;4.重庆市气候中心,重庆 401147)

摘要：采用1961—2012年重庆地区30站降水和气温资料、NCEP/NCAR全球大气再分析资料、NOAA海表温度资料等,基于由降水和气温计算得到的标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI),对重庆地区秋季干旱的年代际变化特征及其可能原因进行了研究。观测结果表明,重庆秋季SPEI的变化特征主要表现为全区一致变化型,且在1989年发生了年代际突变,突变后(前)为偏旱(涝)期。热带东印度洋—西太平洋和北大西洋的海表温度年代际升高对重庆秋季年代际干旱具有重要作用,热带东印度洋—西太平洋为关键海区,北大西洋为次关键海区。热带东印度洋—西太平洋关键海区的海表温度异常影响重庆秋季年代际干旱的可能机制为:当该区海表温度秋季年代际增暖时,西北太平洋副热带高压位置西伸北抬、面积偏大、强度增强,重庆地区位势高度升高,孟加拉湾南支槽减弱,不利于水汽从孟加拉湾向重庆地区输送,同时赤道地区存在异常上升运动,使得区域Hadley环流增强,重庆地区为异常下沉区,由此导致重庆地区年代际干旱。北大西洋次关键海区的海表温度异常影响重庆秋季年代际干旱的可能机制为:当该区海表温度秋季年代际增暖时,西北太平洋副热带高压偏北,重庆地区位势高度升高且有异常下沉运动,从而导致重庆地区年代际干旱。上述观测结果由应用NCAR CAM5.1全球大气环流模式进行的关键海区海表温度年代际变化敏感性试验得到验证。

关键词：标准化降水蒸散指数;重庆;秋季干旱;年代际变化;机制

中图分类号：

文章编号：1674-7097(2015)05-0620-13P462.3

文献标志码：码：A

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150130003

Abstract:Based on the precipitation and temperature data of 30 observation stations in Chongqing,NCEP/NCAR reanalysis data and NOAA ERSST v3b during 1961—2012,this study uses the standardized precipitation evapotranspiration index(SPEI) computed by temperature and precipitation data to discuss the interdecadal variability feature of autumn drought in Chongqing and its possible causes.Observational results show that main distribution of Chongqing autumn SPEI is in the same phase and its interdecadal shift happens in 1989.After(before) this shift,Chongqing gets drier(wetter) than normal.It is also found that the tropical eastern Indian Ocean and western Pacific(EIWP) and the North Atlantic (NA) are both key areas,where the interdecadal increases of sea surface temperature anomaly(SSTA) play important roles in interdecadal autumn drought in Chongqing,and EIWP is more important than NA.Their possible mechanisms of effect of SSTA in the two key areas on the interdecadal autumn drought in Chongqing are investigated.When autumn SST in EIWP is warmer than normal on interdecadal time-scale,the northwestern Pacific subtropical high(NWPSH) will get larger and stronger than usual,and extend westward and northward,resulting in higher geopotential heights over Chongqing and weaker south branch trough(SBT) over the Bay of Bengal.These circulation anomalies will be not favorable to water vapor transport from the Bay of Bengal to Chongqing.There exists an anomalous upward motion around the key area,inducing an enhanced regional Hadley cell across Chongqing,and then an anomalous downward motion controls Chongqing,resulting in the interdecadal drought.When autumn SSTA in NA is warmer than normal on interdecadal time-scale,the NWPSH will extend northward,resulting in higher geopotential heights and an anomalous downward motion over Chongqing,which causes the interdecadal drought.The above observational results are verified by the sensitive experiments on effect of SSTA in the two key areas on the interdecadal drought,which are conducted by NCAR CAM5.1(Community Atmosphere Model 5.1).

收稿日期：2013-06-20；改回日期：2013-12-10

基金项目:公益性行业(气象)科研专项(GYHY200906009);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

通信作者：智协飞，博士，博士生导师,研究方向为数值预报、季风动力学及短期气候预测,zhi@nuist.edu.cn.

Interdecadal autumn drought in Chongqing and

its possible cause since 1990

ZENG Gang1,2,WU Ying-jiao1,ZHANG Gu-wei1,3,NI Dong-hong1,DONG Xin-ning4

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;

2.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;

3.Dalian Meteorological Bureau,Dalian 116000,China;4.Chongqing Climate Center,Chongqing 401147,China)

Key words:standardized precipitation evapotranspiration index;Chongqing;autumn drought;interdecadal variability;mechanism

0引言

IPCC第五次气候变化评估报告(IPCC,2013)指出,从1880年至2012年全球地表温度上升了0.85 ℃(0.65～1.06 ℃),这种全球性的气候变暖导致极端天气气候事件频繁发生,给许多国家的水资源、能源和环境等带来了重要影响。干旱也是重庆地区的主要气象灾害之一,2006、2009、2011年重庆地区均发生了严重干旱,造成了较大的经济损失和社会影响(刘银峰等,2009;李泽明等,2014)。而且,重庆地区的干旱事件自21世纪以来进入了近50 a来最显著的高发期(李永华等,2006,2008;胡豪然和李跃清,2010)。因此,加强对重庆地区干旱特征及其成因研究,有利于提高重庆地区干旱的预测水平,为政府防灾减灾决策提供科学依据,具有重要的现实意义。

许多研究表明,造成重庆地区干旱的原因很多,其中影响该地区夏季干旱的大气环流系统主要有西北太平洋副热带高压、南支槽、Hadley环流等(李跃清,2000;马振锋,2002,2003;刘德等,2005;李永华等,2009,2010,2012,2013;刘银峰等,2009;尹晗和李耀辉,2013;陈欢等,2014;李泽明等,2014;张天宇等,2014)。赤道东太平洋海温以及青藏高原积雪等外强迫因子对重庆夏季干旱也有重要影响(彭加毅等,1999;邹旭恺和高辉,2007)。最近的研究表明,20世纪90年代以后,重庆地区秋季干旱频繁发生(Yu et al.,2014)。王斌和李跃清(2010)指出,南支槽偏弱及整层水汽输送偏弱是导致我国西南地区2009—2010年秋冬季干旱发生的主因。沙天阳等(2013)认为,当苏门答腊—西太平洋和东太平洋海温呈现“+-”异常分布时,引起大气热源异常从而加强Hadley环流,重庆地区秋季会出现干旱的情况。黄荣辉等(2012)认为,热带西太平洋和热带印度洋的升温对西南地区2009年秋季到2010年春季的干旱有重要作用。Zhang et al.(2013)指出,暖池型厄尔尼诺对西南地区2009年秋季特大干旱有直接影响。综上所述,西北太平洋副热带高压、南支槽和Hadley环流等是影响重庆地区干旱的主要大气环流系统,而热带洋面的海表温度异常也是导致重庆干旱的重要因素。

衡量干旱程度通常采用干旱指标,目前应用较为广泛的干旱指标有Palmer干旱指数(PDSI;Palmer,1965)、相对湿润度指数(M;Richard and Heim,2002)、标准化降水指数(SPI;McKee et al.,1993)、Z指数(鞠笑生等,1997)以及区域旱涝指数(谭桂容等,2002)等。上述指数除PDSI外只包含降水一个因素,因而在全球变暖大背景下很难全面地表征干旱程度。PDSI虽兼顾降水、蒸发等多种因素(王越等,2007),但存在适用区域有限等问题(Palmer,1968)。Vicente-Serrano et al.(2010)在SPI的基础上引入潜在蒸散项,构建了标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI);SPEI融合了SPI和PDSI的优点,很好地考虑了温度因素,能更敏感地反映气候变暖对干旱化的影响。而且,SPEI在中国西南地区具有较好的适用性(王林和陈文,2012)。因此,SPEI是目前能够在西南地区适用的一个较为先进和全面的干旱指标。

综上所述,前人研究重庆地区干旱多集中在夏季,对秋季干旱的研究还较少。而且,年代际气候变化是月、季、年气候变化的背景,也影响着更长时间尺度的气候变化(江志红和屠其璞,2001)。因此,研究重庆地区秋季干旱的年代际变化特征及其可能成因,对监测、预测该地区秋季干旱具有十分重要的意义。

本文将基于标准化降水蒸散指数(SPEI),首先利用观测资料分析重庆秋季干旱的年代际变化特征及其对应的大气环流特征,然后研究海表温度异常对重庆秋季干旱年代际变化的影响,最后应用NCAR CAM5.1全球大气环流模式进行敏感性数值试验,并与观测分析结果作对比,确定关键海区及其海表温度年代际异常对重庆秋季年代际干旱的影响机制。本文研究结果可为重庆秋季干旱监测预测提供一定的参考依据。

1资料、方法及模式

所用资料有:1)重庆地区30个气象站的逐月降水和气温资料(由重庆市气象局提供),站点分布如图1a所示;2)NCEP/NCAR逐月再分析资料集,包括位势高度场、风场、垂直速度场和比湿场等,水平分辨率为2.5°×2.5°(Kalnay et al.,1996);3)NOAA提供的ERSST v3b资料,水平分辨率为2.0°×2.0°(Smith et al.,2008);4)中国国家气候中心提供的74项环流指数。所有资料时间范围均取1961—2012年,并采用1971—2000年30 a平均值作为气候平均态,且秋季指当年9—11月。

所用方法有:经验正交函数分解(EOF)、Mann-kendall非参数统计检验、T检验、相关分析和合成差值分析等方法(魏凤英,2007)。SPEI的等级划分见表1。台站资料主要用于计算SPEI,计算过程详见Vicente-Serrano et al.(2010)。

图1　重庆30个气象站(圆点)秋季SPEI的EOF第一模态的空间分布(a)及其时间系数(b)Fig.1　(a)Eigenvectors and (b)time coefficients of the first EOF mode of autumn SPEI from 30 stations (dots) in Chongqing

表1　基于标准化降水蒸散指数(SPEI)的干旱等级(Vicente-Serrano et al.,2010)

本文数值试验使用美国国家大气研究中心(NCAR)2011年研制发布的CAM5.1全球大气环流模式,该模式是NCAR通用地球系统模式(Community Earth System Model 1.0.4,CESM1.0.4)的大气模块。CAM5.1的物理参数化方案相对于之前的版本有了实质性修改,如:更新了湿边界层和浅积云对流方案,改进了对低云的模拟等(Neale et al.,2012)。本文试验均采用模式的T42水平分辨率,即纬向均匀分布128个格点,经向分布64个格点,垂直方向共30层,采用σ-p混合坐标;使用模式自带的真实地形、海陆分布等边界条件。为与NCEP/NCAR再分析资料作比较,所有试验结果均采用双线性插值方法处理成2.5°×2.5°水平网格资料。

2重庆秋季干旱的年代际变化特征

采用重庆地区30个气象站的1961—2012年月平均气温和降水资料,计算得到这些站的秋季SPEI场,并依此进行经验正交函数分解(EOF)分析。重庆地区SPEI的EOF第一模态的方差贡献率为52.47%,其空间分布(图1a)显示重庆地区全区特征值符号一致,表明该模态为全区一致变化型。图1b为EOF第一模态的时间系数序列(柱状条),可以看出序列在1990年之前多为正值,而在1990年以后多为负值;其11 a滑动平均曲线(代表年代际变化)显示该序列在1989年前后发生了年代际变化,由正转负。因此,综合重庆秋季SPEI的EOF第一模态特征值分布及其时间系数变化,可知其变化特征主要表现为全区一致型,且在1990年以后为年代际偏旱情况。

因为重庆秋季SPEI的EOF第一模态主要表现为全区一致型,且其方差贡献率超50%,所以可将该区域内30站秋季SPEI的平均值作为重庆秋季SPEI值。图2a为重庆秋季SPEI随时间的变化,可以看出:重庆SPEI呈显著下降趋势,20世纪90年代之后该地区秋季多为干旱;其中,2009年SPEI指数最小(-1.51),为近50 a中最干旱的年份,这与采用其他干旱指标研究的结论(王斌和李跃清,2010;黄荣辉等,2012;王晓敏等,2012)一致。对重庆秋季SPEI做Mann-Kendall突变检验(图2b),结果表明重庆秋季SPEI在1989年发生了年代际突变,由正值转为负值,即由偏涝期转为偏旱期,与前文EOF第一模态时间系数的时间转变点及其变化特征较一致。

图2　1961—2012年重庆秋季SPEI的时间序列(a;实线为11 a滑动平均)及其Mann-Kendall检验结果(b;虚线表示0.05的显著性水平线)Fig.2　(a)Time series of Chongqing autumn SPEI during 1961—2012(solid line is 11-yr moving average) and (b)its Mann-Kendall test result(dashed lines indicate 0.05 significance level)

3重庆秋季年代际干旱对应的大气环流特征

由于大气环流异常是天气气候异常的直接原因,所以有必要对重庆秋季年代际干旱对应的大气环流特征进行分析。根据重庆秋季SPEI的年代际突变年1989年,取1961—1989年为偏涝期,1990—2012年为偏旱期;重点分析西北太平洋副热带高压、孟加拉湾南支槽、水汽输送、垂直运动和区域Hadley环流等在重庆秋季偏旱期和偏涝期的大气环流特征。下面讨论偏旱期和偏涝期环流场差值分布时,均指偏旱期减偏涝期。

利用国家气候中心提供的西北太平洋副热带高压各项特征指数以及由王斌和李跃清(2010)定义的南支槽强度指数,即500 hPa上85～95°E、20～27.5°N范围内高度值之和为南支槽强度指数(指数越大,槽越弱),与重庆秋季SPEI做相关分析,得到表2。由表2可见,重庆秋季SPEI与西北太平洋副热带高压的面积、强度和西伸脊点(西伸脊点值为经度,值越小,越偏西)等指数都有很好的相关关系(相关系数均通过0.05信度的显著性检验,其中与面积指数、强度指数的相关系数通过0.01信度的显著性检验)。重庆秋季SPEI与南支槽强度指数呈显著的负相关关系(相关系数通过0.01信度的显著性检验)。因此,当西北太平洋副热带高压位置偏西、面积偏大、强度偏强以及南支槽偏弱时,重庆秋季SPEI偏低,易发生干旱。

图3a给出了秋季500 hPa高度场在偏旱期和偏涝期的差值分布以及西北太平洋副热带高压体(取586 dagpm等值线所包围的反气旋范围来代表)的变化。相对于偏涝期,偏旱期在孟加拉湾南支槽区为显著正高度差值区域(通过0.05信度的显著性检验),南支槽强度偏弱,表明从孟加拉湾向重庆地区的水汽输送强度减弱,易使重庆地区的水汽匮乏。同时,西北太平洋副热带高压面积偏大、西伸北抬明显,重庆地区位于显著正高度差值区域(通

表2　1961—2012年秋季重庆SPEI与西北太平洋副热带高压、南支槽、区域Hadley强度等指数的相关系数

注：1)表示通过0.01信度的显著性检验;2)表示通过0.05信度的显著性检验.

图3　500 hPa上586 dagpm等值线在秋季偏旱期(实线)、偏涝期(虚线)的合成分布以及这两个时期的500 hPa高度差值场(阴影区,单位:dagpm)(a)、秋季1 000 hPa至100 hPa整层水汽输送差值场(b;箭矢,单位:kg·m-1·s-1)以及500 hPa垂直速度差值场(c;等值线,单位:10-2 Pa·s-1;实线为正值、表示下沉,虚线为负值、表示上升)(差值场为偏旱期减偏涝期;阴影区表示通过0.05信度的显著性检验;深色表示显著正差值,浅色表示显著负差值)Fig.3　(a)Composite isolines of 586 dagpm at 500 hPa in the drought years(solid line) and the flood years(dashed line),with 500 hPa geopotential height differences(shadings;units:dagpm),(b)water vapor transport differences from 1 000 hPa to 100 hPa(arrows;units:kg·m-1·s-1),and (c)500 hPa vertical velocity differences(contours;units:10-2 Pa·s-1;solid(dashed) line is positive(negative) value,denoting downward(upward) motion)(the differences are drought minus flood;dark(light) shaded areas indicate significant positive(negative) anomalies exceeding 0.05 significance level)

过0.05信度的显著性检验),其上空易为反气旋性环流异常,使得该地区降水偏少、气温偏高。

图3b为偏旱期与偏涝期的1 000 hPa至100 hPa整层水汽输送差值场分布。可见,相对于偏涝期,偏旱期在西北太平洋存在一个气旋性水汽输送差值环流,重庆地区存在偏北水汽输送差值,而在气候平均以及偏涝期、偏旱期的整层水汽图(图略)上,西北太平洋—中国南部都是反气旋性水汽输送环流,因此,偏旱期从孟加拉湾向重庆地区的水汽输送,比气候平均及偏涝期的水汽输送都明显偏弱。

对流上升运动是产生降水的基本条件之一,下面分析偏旱期和偏涝期的500 hPa垂直速度分布。重庆秋季偏旱(偏涝)期垂直速度合成显示,重庆地区为下沉(上升)运动(图略)。图3c给出了偏旱期与偏涝期的500 hPa垂直速度的差值分布。可见,重庆地区处在显著的差值下沉区附近,下沉运动不利于水汽辐合上升,从而导致该地区降水减少。

图4为沿105～112.5°E平均的经圈环流差值场。相对于偏涝期,偏旱期在赤道附近存在差值上升运动,而在重庆地区(30°N附近)则存在差值下沉运动,表明从赤道附近到重庆地区存在一个增强的区域Hadley环流。将该区域Hadley环流的下沉支(25～35°N)500 hPa垂直速度减去上升支(0°～5°N)500 hPa垂直速度,并用其差值表示区域Hadley强度指数,正(负)值表示区域Hadley环流增强(减弱)。计算表明,1961—2012年区域Hadley强度指数与重庆秋季SPEI的相关系数为-0.360(表2),通过0.01信度的显著性检验,表明它们之间存在显著的负相关关系,即区域Hadley环流增强,重庆地区受下沉运动控制,秋季易发生干旱。

图4　经向垂直环流差值场沿105～112.5°E平均的纬度—高度剖面(偏旱期减偏涝期;阴影区表示通过0.05信度的显著性检验;垂直风速单位:10-2 Pa·s-1,经向风速单位:m·s-1)Fig.4　Latitude-pressure section of vertical circulation differences averaged from 105 to 112.5°E(drought minus flood;shaded areas denote the anomalies passing 0.05 significance level;units of vertical and meridional wind velocities are 10-2 Pa·s-1 and m·s-1,respectively)

因此,相对于偏涝期,偏旱期西北太平洋副热带高压强度偏强、面积偏大、位置西伸北抬明显,重庆地区上空为显著正高度差值区域,孟加拉湾南支槽偏弱,向重庆地区的水汽输送强度减弱,且重庆地区处在显著的差值下沉区附近,从而使该区降水偏少、气温偏高,易发生干旱。

4海表温度异常对重庆秋季年代际干旱的影响

研究表明,热带西太平洋、热带印度洋、北大西洋的升温以及暖池型厄尔尼诺对西南地区干旱具有重要作用(黄荣辉等,2012;Tian and Fan,2013;Zhang et al.,2013)。海表温度作为重要的外强迫因子,对大气环流异常具有重要影响(杨修群和黄士松,1993),因此有必要探寻影响重庆秋季干旱年代际变化的关键海区。

将重庆秋季SPEI与同期全球海表温度(Sea Surface Temperature,SST)做相关分析,发现在热带东印度洋—西太平洋(图5a)和北大西洋(图5b)都存在通过0.05信度显著性检验的负相关区。将热带东印度洋—西太平洋上(75～150°E,10°S～10°N)区域标为Ⅰ区,北大西洋上(10～65°W,10～40°N)区域标为Ⅱ区。图6a—c分别给出了秋季Ⅰ区和Ⅱ区区域平均的海表温度异常(SST Anomaly,SSTA)及重庆SPEI随时间的变化。Ⅰ区和Ⅱ区的SSTA均与重庆SPEI有显著的负相关关系(相关系数分别为-0.379和-0.278,且分别通过0.01和0.05信度的显著性检验),表明当同期秋季这两个海区海表温度偏高时,重庆秋季SPEI偏低,易出现干旱。同时可发现,两区的海表温度都在20世纪80年代后期出现增暖,1985年以后海表温度距平多为正值,与重庆秋季年代际干旱有较好的对应关系,说明Ⅰ区和Ⅱ区海表温度年代际升高(降低)与重庆秋季年代际干旱(洪涝)存在密切联系。

图5　1961—2012年重庆秋季SPEI与同期秋季热带东印度洋—西太平洋(a)及北大西洋(b)海表温度的相关系数分布(阴影区表示通过0.05信度的显著性检验)Fig.5　Distributions of correlation coefficients between autumn SPEI in Chongqing and SSTs in (a)tropical eastern Indian Ocean—western Pacific and (b)North Atlantic during 1961—2012(Only regions with correlation coefficient exceeding 0.05 significance level are shaded)

前述分析指出,西北太平洋副热带高压、南支槽以及区域Hadley环流等变化对重庆干旱的年代际变化具有重要影响,而Ⅰ、Ⅱ区海表温度异常与重庆干旱指数也存在密切联系。那么,该两区海表温度异常与这些环流系统是否也存在着密切联系?探讨它们之间的关系,对理解该两区海表温度异常影响重庆干旱的可能物理机制非常必要。

图6d—h分别给出了西北太平洋副热带高压面积、强度、西伸脊点,南支槽强度以及区域Hadley强度等指数随时间的变化,它们与Ⅰ、Ⅱ区海表温度异常的相关系数多数通过0.05信度的显著性检验(除Ⅱ区海表温度与区域Hadley强度指数的相关系数外),表明这两个海区海表温度异常与西北太平洋副热带高压、南支槽以及区域Hadley环流关系密切(除了Ⅱ区海表温度与区域Hadley强度指数的关系)。前述结果表明,重庆干旱指数SPEI与这些环流系统关系密切(表2),可知该两区海表温度异常是通过引起西北太平洋副热带高压、南支槽以及区域Hadley环流异常,来进一步影响重庆干旱的。图6中11a滑动平均曲线(年代际变化)显示,重庆干旱指数SPEI、Ⅰ区和Ⅱ区海表温度异常、西北太平洋副热带高压指数、南支槽指数及区域Hadley环流强度指数均具有明显的年代际变化特征;尽管它们的年代际转折点存在某些差异,但是1990年后重庆处于年代际干旱期时,Ⅰ、Ⅱ两区的海表温度偏暖,西北太平洋副热带高压面积偏大、强度偏强,南支槽强度偏弱,区域Hadley环流增强等这些特征,与前述年代际环流差异结果是一致的。

图6　标准化的1961—2012年秋季Ⅰ区SSTA(a)、Ⅱ区SSTA(b)、重庆SPEI(c),西北太平洋副热带高压面积指数(d)、强度指数(e)和西伸脊点指数(f),以及南支槽强度指数(g)和区域Hadley强度指数(h)的时间序列(曲线为11 a滑动平均,R1、RS2分别表示Ⅰ区、Ⅱ区SSTA与各指数的相关系数)Fig.6　Time series of standardized (a)SSTA in region Ⅰ,(b)SSTA in region Ⅱ,(c)Chongqing SPEI,(d)WPSH area index,(e)WPSH intensity index,(f)WPSH west point index,(g)STB intensity index,and (h)Hadley intensity index in autumn of 1961—2012(curves denote 11-yr moving average.R1(R2) denotes correlation coefficients between SSTA in region Ⅰ(Ⅱ) and other indices)

上述相关分析结果表明,Ⅰ、Ⅱ区海表温度年代际升高与重庆秋季年代际干旱存在密切联系,它们可通过影响西北太平洋副热带高压、南支槽以及区域Hadley环流等的变化,进而导致重庆年代际干旱。然而,这些仅仅是观测分析结果,尚需通过全球大气环流模式进行数值试验来作进一步验证,由此才能确定影响重庆干旱年代际变化的海温关键区。

5数值试验

前述观测分析结果表明,热带东印度洋—西太平洋(Ⅰ区)和北大西洋(Ⅱ区)的海表温度异常与重庆秋季SPEI存在显著的负相关关系,且它们可通过影响西北太平洋副热带高压、南支槽和区域Hadley环流等变化从而导致重庆地区秋季年代际干旱。那么,是否Ⅰ、Ⅱ区的海表温度异常对重庆秋季干旱的年代际变化都有影响?哪个海区的影响更大?为了找出关键海区,本文利用NCAR全球大气环流模式CAM5.1进行数值模拟研究,数值试验方案详见表3。各试验均采用10个不同的初值场驱动模式,从1月1日起模拟积分10 a,得到10组集合试验结果。取这10组集合试验平均结果的10 a秋季平均结果用于分析。

表3　数值试验方案

因为前述观测分析结果指出,与重庆年代际干旱关系密切的有Ⅰ、Ⅱ区两个海区,所以首先分析在这两个海区海表温度异常共同影响下的模拟结果,即试验Ⅲ模拟结果。从它们的暖、冷试验的降水差值场(暖试验减冷试验,即EXP_Ⅲ_warm减EXP_Ⅲ_cold,下同;图7c)可以看出,重庆地区为降水正差值,这与观测结果中得到两区暖海温对应降水偏少的结论不一致;进一步计算表明,暖试验模拟的重庆秋季SPEI为-0.14,冷试验模拟的重庆秋季SPEI为0.22,所以从干旱指数结果来看,模拟结果与观测结果还是较一致的。差值环流主要表现为:相对于冷试验,暖试验模拟的西北太平洋副热带高压(取590 dagpm等值线包围的反气旋范围作为西北太平洋副热带高压体)位置偏西、面积偏大、强度偏强,孟加拉湾南支槽区为正高度差值(图8c),南支槽减弱,自孟加拉湾到重庆地区为差值偏东气流(图7c),赤道地区为差值上升区(图8f)。这些环流形势与观测结果较一致,与观测结果不一致的环流形势在于,模拟的Hadley环流下沉支偏南,重庆地区为上升运动(图9c)。因此,试验Ⅲ模拟结果与观测结果多数较一致,但也存在不一致之处。这表明,Ⅰ、Ⅱ区海表温度异常的联合作用对重庆年代际干旱有重要影响,但需进一步分析该两区海表温度异常的独立影响,以便找到真正影响重庆年代际干旱的关键海区。

图7　秋季降水场(单位:mm·d-1;阴影区表示降水差值为负)和850 hPa风场(箭矢;单位:m·s-1)的差值分布(暖试验减冷试验)　　a.试验Ⅰ;b.试验Ⅱ;c.试验ⅢFig.7　Differences of precipitation(units:mm·d-1;shaded areas denote the negative precipitation differences) and 850 hPa winds(arrows;units:m·s-1) in autumn(warm experiment minus cold experiment)a.EXP_Ⅰ;b.EXP_Ⅱ;c.EXP_Ⅲ

图8　暖试验(实线)、冷试验(虚线)秋季500 hPa上590 dagpm等值线的合成分布及这两个试验的500 hPa高度差值场(阴影区,单位:dagpm)(a,b,c),以及500 hPa垂直速度的差值分布(阴影区,单位:10-2 Pa·s-1;正值表示下沉,负值表示上升)(d,e,f)(差值场均为暖试验减冷试验)a,d.试验Ⅰ;b,e.试验Ⅱ;c,f.试验ⅢFig.8　(a,b,c)Composite isolines of 590 dagpm at 500 hPa in the warm experiment(solid line) and the cold experiment(dashed line),with 500 hPa geopotential height differences(shadings;units:dagpm),and (d,e,f)differences of 500 hPa vertical velocity(shadings;units:10-2 Pa·s-1;positive(negative) value denotes downward(upward) motion) in autumn(the differences are warm experiment minus cold experiment)　　a,d.EXP_Ⅰ;b,e.EXP_Ⅱ;c,f.EXP_Ⅲ

由秋季Ⅰ区海表温度冷、暖试验的降水差值场(图7a)可以看出,相对于冷试验,暖试验模拟的重庆地区降水偏少;计算表明,暖试验模拟的重庆秋季SPEI为-0.54(偏旱),冷试验模拟的重庆秋季SPEI为0.01。差值环流场主要表现为:相对于冷试验,暖试验的模拟结果在西北太平洋地区存在一个气旋性差值环流,从孟加拉湾到重庆地区为差值偏北气流(图7a),西北太平洋副热带高压位置偏西偏北、面积偏大,孟加拉湾南支槽区为正高度差值区(图8a),南支槽减弱,不利于水汽从孟加拉湾向重庆地区输送(图7a);同时,赤道地区为差值上升区(图8d),区域Hadley环流增强,重庆地区为差值下沉区(图9a),进而导致重庆地区发生干旱。模拟结果与观测结果较一致,表明热带东印度洋—西太平洋的海表温度偏暖对重庆地区秋季干旱具有重要影响。

从秋季Ⅱ区海表温度冷、暖试验的降水差值场(图7b)可以看出,相对于冷试验,暖试验模拟的重庆地区降水为弱正值;但计算表明,暖试验模拟的重庆秋季SPEI为-0.03,冷试验模拟的重庆秋季SPEI为0.12,两者之差为-0.15(略偏旱),所以从干旱指数来看,模拟结果与观测结果较一致,表明该区海表温度年代际偏高时,重庆秋季年代际略偏旱。并且,模拟结果中存在有利于重庆年代际干旱的环流形势,例如:重庆地区为高度正差值,西北太平洋副热带高压位置偏北(图8b),重庆地区上空600 hPa至1 000 hPa为差值下沉运动(图9b)。上述分析表明,Ⅱ区海表温度冷、暖试验的模拟结果与观测结果在重庆地区500 hPa位势高度差值场、西北太平洋副高的位置变化及垂直环流上较接近,所以该海区也是影响重庆秋季干旱的关键区之一,但相对I区而言,其作用是次要的。

综上所述,试验Ⅲ能模拟出与观测结果基本一致的偏旱、偏涝期西北太平洋副热带高压位置、面积以及南支槽强度等环流的变化;试验I的模拟结果与观测结果较一致,它不仅能模拟出重庆干旱的变化,而且能较好地模拟出环流的变化;试验Ⅱ模拟的西北太平洋副热带高压位置变化、重庆地区500 hPa位势高度差值场及局地垂直环流与观测结果较一致。

图9　秋季经向垂直环流差值场沿105～112.5°E平均的纬度—高度剖面(暖试验减冷试验;垂直速度单位:10-2 Pa·s-1,经向风速单位:m·s-1)　　a.试验⒈;b.试验Ⅱ;c.试验ⅢFig.9　Latitude-pressure sections of vertical circulation differences averaged from 105 to 112.5°E in autumn(warm experiment minus cold experiment;units of vertical and meridional wind velocities are 10-2 Pa·s-1 and m·s-1,respectively)　　a.EXP_Ⅰ;b.EXP_Ⅱ;c.EXP_Ⅲ

因此,综合观测分析和数值试验结果可知,秋季热带东印度洋—西太平洋(Ⅰ区)海表温度的年代际增暖对重庆秋季年代际干旱具有重要作用,该区是影响重庆秋季干旱的关键海区,其影响重庆干旱的可能机制为:当热带东印度洋—西太平洋的秋季海表温度年代际增暖时,西北太平洋副热带高压位置偏西、面积偏大、强度增强,重庆地区位势高度升高,孟加拉湾南支槽减弱,不利于水汽从孟加拉湾向重庆地区输送,同时赤道地区存在异常上升运动,使得区域Hadley环流增强,重庆地区为异常下沉区,从而导致重庆地区年代际干旱;当北大西洋(Ⅱ区)的秋季海表温度年代际增暖时,西北太平洋副热带高压位置偏北,重庆地区位势高度升高,600 hPa以下有垂直下沉运动,形成了有利于重庆秋季干旱的环流形势,但相对I区而言,该区对重庆年代际干旱的影响较弱,因此该区是影响重庆秋季年代际干旱的次关键海区。

Tian and Fan(2013)指出,北大西洋海表温度偏暖可通过对流层高层西风急流上的波列引起东亚地区大气环流异常,如西北太平洋副热带高压位置偏北等,使得长江上游地区(含重庆地区)的夏季极端降水偏少。本文分析也证实,北大西洋海表温度异常可引起西北太平洋副热带高压的变化,进而影响重庆秋季干旱。同时,根据秋季Ⅱ区海表温度异常与同期500 hPa高度场的相关系数分布(图略)可知,通过0.05信度显著性检验的区域位于热带,表明Ⅱ区海表温度偏暖可使热带地区位势高度偏高,引起西北太平洋副热带高压增强、偏北,从而导致重庆地区年代际干旱。

6结论

1)重庆秋季干旱指数SPEI的变化特征主要表现为全区一致变化型,且在1989年发生了年代际突变,突变后(前)重庆处于偏旱(涝)期。

2)热带东印度洋—西太平洋、北大西洋海表温度年代际升高对自1990年开始的重庆秋季年代际干旱具有重要作用;前者为关键海区,后者为次关键海区。当热带东印度洋—西太平洋海表温度在秋季年代际增暖时,西北太平洋副热带高压位置偏西、面积偏大、强度增强,重庆地区位势高度升高,孟加拉湾南支槽减弱,不利于水汽从孟加拉湾向重庆地区输送,同时赤道地区存在异常上升运动,使得区域Hadley环流增强,重庆地区为异常下沉区,从而导致重庆地区年代际干旱。当北大西洋海表温度在秋季年代际增暖时,西北太平洋副热带高压偏北,重庆地区位势高度升高且存在异常下沉运动,从而导致重庆地区年代际干旱。

3)数值试验结果表明,热带东印度洋—西太平洋海表温度年代际偏暖(冷),可以通过影响西北太平洋副热带高压、南支槽、区域Hadley环流等变化,进而导致重庆秋季年代际偏旱(偏涝)。这进一步验证了观测分析结果,并确定热带东印度洋—西太平洋是影响重庆干旱的关键海区。同时,数值试验结果也表明,北大西洋海表温度年代际异常可通过影响西北太平洋副热带高压位置,使得重庆地区上空位势高度场及垂直运动发生变化,从而对重庆年代际干旱产生影响。

参考文献(References)：

陈欢,王式功,李永华,等.2014.重庆市夏季极端旱涝成因分析[J].西南大学学报:自然科学版,36(1):120-128.Chen Huan,Wang Shigong,Li Yonghua,et al.2014.Genesis analysis of summer flood/drought extremes in Chongqing[J].Journal of Southwest University:Natural Science Edition,36(1):120-128.(in Chinese).

胡豪然,李跃清.2010.近50年来川渝地区夏季高温及严重干燥事件分析[J].长江流域资源与环境,19 (7):832-838.Hu Haoran,Li Yueqing.2010.On high temperature and severe dry event of summer over Sichuan and Chongqing region in last 50 years[J].Resources and Environment in the Yangtze Basin,19(7):832-838.(in Chinese).

黄荣辉,刘永,王林,等.2012.2009年秋至2010年春我国西南地区严重干旱的成因分析[J].大气科学,36(3):443-457.Huang Ronghui,Liu Yong,Wang Lin,et al.2012.Analyses of the causes of severe drought occurring in Southwest China from the fall of 2009 to the spring of 2010[J].Chinese J Atmos Sci,36(3):443-457.(in Chinese).

IPCC.2013.Climate change 2013:The physical science basis[C]//Contribution of working group I to fifth assessment report of the intergovermental panel on climate change.Cambridge,United Kingdom:Cambridge University Press.

江志红,屠其璞.2001.国外有关海气系统年代际变率的机制研究[J].地球科学进展,16(4):569-573.Jiang Zhihong,Tu Qipu.2001.Review of overseas study on mechanisms of interdecadal variability of air-sea system[J].Advance in Earth Sciences,16(4):569-573.(in Chinese).

鞠笑生,杨贤为,陈丽娟,等.1997.我国单站旱涝指标确定和区域旱涝级别划分的研究[J].应用气象学报,8(1):27-34.Ju Xiaosheng,Yang Xianwei,Chen Lijuan,et al.1997.Research on determination of station indexes and division of regional flood/drought grades in China[J].J Appl Meteor Sci,8(1):27-34.(in Chinese).

Kalnay E,Kanamitsu M,Kistler R,et al.1996.The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project[J].Bull Amer Meteor Soc,77:437-471.

李永华,毛文书,高阳华,等.2006.重庆区域旱涝指标及其变化特征分析[J].气象科学,26(6):638-644.Li Yonghua,Mao Wenshu,Gao Yanghua,et al.2006.Regional flood and drought indices in Chongqing and their variation features analysis[J].Scientia Meteorologica Sinca,26(6):638-644.(in Chinese).

李永华,高阳华,唐云辉.2008.重庆城区近百余年旱涝变化[J].高原气象,27(1):162-168.Li Yonghua,Gao Yanghua,Tang Yunhui.2008.The changes of flood-drought in Chongqing urban area during the past 100 years[J].Plateau Meteorology,27(1):162-168.(in Chinese).

李永华,徐海明,刘德.2009.2006年夏季西南地区东部特大干旱及其大气环流异常[J].气象学报,67(1):122-132.Li Yonghua,Xu Haiming,Liu De.2009.Features of the extremely severe drought in the east of Southwest China and anomalies of atmospheric circulation in summer 2006[J].Acta Meteor Sinica,67(1):122-132.(in Chinese).

李永华,徐海明,高阳华,等.2010.西南地区东部夏季旱涝的水汽输送特征[J].气象学报,68(6):932-943.Li Yonghua,Xu Haiming,Gao Yanghua,et al.2010.The characteristics of moisture transport associated with drought/flood in summer over the east of the southwestern China[J].Acta Meteor Sinica,68(6):932-943.(in Chinese).

李永华,青吉铭,李强,等.2012.夏季南亚高压的年(代)际变化特征及其对西南地区东部旱涝的影响[J].西南大学学报:自然科学版,34(9):71-81.Li Yonghua,Qing Jiming,Li Qiang,et al.2012.Inter-annual and inter-decadal variations of South Asian high in summer and its influences on flood/drought over western Southwest China[J].Journal of Southwest University:Natural Science Edition,34(9):71-81.(in Chinese).

李永华,青吉铭,李强,等.2013.西南地区东部夏季旱涝的西太平洋副高特征[J].西南大学学报:自然科学版,35(3):106-116.Li Yonghua,Qing Jiming,Li Qiang,et al.2013.Features of western Pacific subtropical high(WPSH) associated with drought/flood in summer over the eastern part of Southwest China[J].Journal of Southwest University:Natural Science Edition,35(3):106-116.(in Chinese).

李跃清.2000.青藏高原上空环流变化与其东侧旱涝异常分析[J].大气科学,24(4):470-476.Li Yueqing.2000.Analysis of circulation variations over the Tibetan Plateau and drought-flood anomalies on its eastern side[J].Chinese J Atmos Sci,24(4):470-476.(in Chinese).

李泽明,陈皎,董新宁.2014.重庆2011年和2006年夏季严重干旱及环流特征的对比分析[J].西南大学学报:自然科学版,36(8):113-122.Li Zeming,Chen Jiao,Dong Xinning.2014.Comparison analysis for summer heavy drought and its circulation features in 2011/2006 in Chongqing[J].Journal of Southwest University:Natural Science Edition,36(8):113-122.(in Chinese).

刘德,李永华,高阳华,等.2005.重庆夏季旱涝的欧亚环流特征分析[J].高原气象,24(2):275-279.Liu De,Li Yonghua,Gao Yanghua,et al.2005.Analysis on Eurasian circulation of drought and flood in summer of Chongqing[J].Plateau Meteorology,24(2):275-279.(in Chinese).

刘银峰,徐海明,雷正翠.2009.2006年川渝地区夏季干旱的成因分析[J].大气科学学报,32(5):686-694.Liu Yinfeng,Xu Haiming,Lei Zhengcui.2009.Possible causes for drought in Sichuan-Chongqing region in summer 2006[J].Trans Atmos Sci,32(5):686-694.(in Chinese).

马振锋.2002.西南地区夏季降水预测模型[J].气象,28(11):29-33.Ma Zhenfeng.2002.Forecasting of summer precipitation over southwest region of China[J].Meteor Mon,28(11):29-33.(in Chinese).

马振锋.2003.高原季风强弱对南亚高压活动的影响[J].高原气象,22(2):143-146.Ma Zhenfeng.2003.Impact of strong/weak plateau summer monsoon on South Asia high activity[J].Plateau Meteorology,22(2):143-146.(in Chinese).

McKee T B,Doesken N J,Kleist J.1993.The relationship of drought frequency and duration to time scales[C]//Eighth conference on applied climatology.Anaheim,CA:Amer Meteor Soc:179-184.

Neale R B,Chen C C,Gettelman A,et al.2012.Description of the NCAR Community Atmosphere Model(CAM 5.0)[R]//NCAR Tech.Note NCAR/TN-486+STR.

Palmer W C.1965.Meteorological drought[M].U.S.Weather Bureau.

Palmer W C.1968.Keeping track of crop moisture conditions,nationwide:The new crop moisture index[J].Weatherwise,21(4):156-161.

彭加毅,孙照渤,谭桂容.1999.重庆降水和赤道东太平洋海温相关的多时间尺度特征[J].南京气象学院学报,22(4):631-636.Peng Jiayi,Sun Zhaobo,Tan Guirong.1999.Multi-time scale characteristics of correlation between Chongqing rainfall and equatorial eastern Pacific SST[J].J Nanjing Inst Meteor,22(4):631-636.(in Chinese).

Richard R,Heim J.2002.A review of twentieth century drought indices used in the United States[J].Bull Amer Meteor Soc,83(8):1149-1165.

沙天阳,徐海明,邹松佐.2013.中国西南地区东部秋季干旱的环流特征及其成因分析[J].大气科学学报,36(5):593-603.Sha Tianyang,Xu Haiming,Zou Songzuo.2013.Atmospheric circulation characteristics and cause analysis for autumn drought in the eastern region of Southwest China[J].Trans Atmos Sci,36(5):593-603.(in Chinese).

Smith T M,Reynolds R W,Peterson T C,et al.2008.Improvements to NOAA’s historical merged land-ocean surface temperature analysis(1880—2006)[J].J Climate,21:2283-2296.

谭桂容,孙照渤,陈海山.2002.旱涝指数的研究[J].南京气象学院学报,25(2):153-158.Tan Guirong,Sun Zhaobo,Chen Haishan.2002.Study on the flood/drought indices[J].J Nanjing Inst Meteor,25(2):153-158.(in Chinese).

Tian Baoqiang,Fan Ke.2013.Factors favorable to frequent extreme precipitation in the upper Yangtze river valley[J].Meteor Atmos Phys,121:189-197.

Vicente-Serrano S M,Begueria S,Lopez-Moreno J I.2010.A multiscalar drought index sensitive to global warming:The standardized precipitation evapotranspiration index[J].J Climate,23(7):1696-1718.

王斌,李跃清.2010.2010年秋冬季西南地区严重干旱与南支槽关系分析[J].高原山地气象研究,30(4):26-35.Wang Bing,Li Yueqing.2010.Relationship analysis between south branch trough and severe drought of Southwest China during autumn and winter 2009/2010[J].Plateau and Mountain Meteorology Research,30(4):26-35.(in Chinese).

王林,陈文.2012.近百年西南地区干旱的多时间尺度演变特征[J].气象科技进展,2(4):21-26.Wang Lin,Chen Wen.2012.Characteristics of multi-timescale variabilities of the drought over last 100 years in Southwest China[J].Advances in Meteorological Science and Technology,2(4):21-26.(in Chinese).

王晓敏,周顺武,周兵.2012.2009/2010年西南地区秋冬春持续干旱的成因分析[J].气象,38(11):1399-1407.Wang Xiaomin,Zhou Shunwu,Zhou Bing.2012.Causative analysis of continuous drought in Southwest China from autumn 2009 to spring 2010[J].Meteor Mon,38(11):1399-1407.(in Chinese).

王越,江志红,张强,等.2007.基于Palmer湿润指数的旱涝指标研究[J].南京气象学院学报,30(3):383-389.Wang Yue,Jiang Zhihong,Zhang Qiang,et al.Comparative study of Palmer’s moisture anomaly index and Z index[J].J Nanjing Inst Meteor,30(3):383-389.(in Chinese).

魏凤英.2007.现代气候统计诊断与预测技术[M].北京:气象出版社.Wei Fengying.2007.Modern climate statistic diagnosis and prediction technology[M].Beijing:Meteorological Press.(in Chinese).

杨修群,黄士松.1993.外强迫引起的夏季大气环流异常及其机制探讨[J].大气科学,17(6):697-702.Yang Xiuqun,Huang Shisong.1993.On the mechanism of summertime atmospheric anomalies induced by external forcing[J].Chinese J Atmos Sci,17(6):697-702.(in Chinese).

尹晗,李耀辉.2013.我国西南干旱研究最新进展综述[J].干旱气象,31(1):182-193.Yin Han,Li Yaohui.2013.Summary of advance on drought study in Southwest China[J].Journal of Arid Meteorology,31(1):182-193.(in Chinese).

Yu M X,Li Q F,Hayes M J,et al.2014.Are droughts becoming more frequent or severe in China based on the standardized precipitation evapotranspiration index:1951—2010?[J].Int J Climatol,34:548-558.

张天宇,唐红玉,雷婷,等.2014.重庆夏季旱涝急转与大气环流异常的联系[J].云南大学学报:自然科学版,36(1):79-87.Zhang Tianyu,Tang Hongyu,Lei Ting,et al.2014.The relationship between summer drought-flood abrupt alternation in Chongqing and the anomalous of atmospheric circulation[J].Journal of Yunnan University:Natural Science Edition,36(1):79-87.(in Chinese).

Zhang W J,Jin F F,Zhao J X,et al.2013.The possible influence of a nonconventional El Nio on the severe autumn drought of 2009 in Southwest China[J].J Climate,26:8392-8405.

邹旭恺,高辉.2007.2006年夏季川渝高温干旱分析[J].气候变化研究进展,3(3):149-153.Zou Xukai,Gao Hui.2007.Analysis of severe drought and heat wave over the Sichuan basin in the summer of 2006[J].Adv in Climate Change Res,3(3):149-153.(in Chinese).

(责任编辑：张福颖)

智协飞,孙晶,周文友.2015.2009年夏季西太平洋台风的集合预报和多模式集成预报试验[J].大气科学学报,38(5):633-640.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130620010.

Zhi Xie-fei,Sun Jing,Zhou Wen-you.2015.Ensemble and multimodel ensemble forecasts of western Pacific typhoons during summer 2009[J].Trans Atmos Sci,38(5):633-640.(in Chinese).