西南地区秋季干旱的年代际转折及其可能原因分析

张顾炜　曾刚　倪东鸿　周国兵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/气象灾害教育部重点实验室，南京2002大连市气象服务中心，大连66003高原大气与环境四川省重点实验室，成都60225重庆市气象局，重庆07

西南地区秋季干旱的年代际转折及其可能原因分析

张顾炜1, 2曾刚1, 3倪东鸿1周国兵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/气象灾害教育部重点实验室，南京210044
2大连市气象服务中心，大连116600
3高原大气与环境四川省重点实验室，成都610225
4重庆市气象局，重庆401147

张顾炜，曾刚，倪东鸿，等. 2016. 西南地区秋季干旱的年代际转折及其可能原因分析 [J]. 大气科学, 40 (2): 311-323.Zhang Guwei, Zeng Gang, Ni Donghong, et al. 2016. Decadal shift of autumn drought in Southwest China and its possible causes [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (2): 311-323, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1503.14294.

采用1961～2012年中国气象局753站降水和温度资料、NCEP/NCAR全球大气再分析资料、NOAA海表温度资料等，应用观测统计分析和全球大气环流模式NCAR CAM5.1数值模拟，基于标准化降水蒸散指数（SPEI），对我国西南秋季干旱的年代际转折及其可能原因进行了分析。观测分析结果表明：（1）西南秋季干旱的主要分布型为全区一致型；西南秋季SPEI在1994年发生年代际突变，突变后（前）为偏旱（涝）期。（2）西南秋季偏旱期的主要环流特征是，西太平洋副热带高压位置偏西、面积偏大、强度偏强，南支槽偏弱，西南地区存在下沉运动。（3）热带东印度洋—西太平洋的海表温度年代际升高对西南秋季SPEI在1994年发生年代际突变有重要作用，该关键海区海表温度异常升高，一是会使秋季西南地区500 hPa高度场偏高，南支槽减弱；二是产生偏强的Hadley环流，使得我国西南地区存在下沉运动；三是会在西太平洋激发气旋性环流，使我国西南地区被偏北气流控制，削弱了向我国西南地区的水汽输送，容易造成该地区的秋季干旱。应用NCAR CAM5.1全球大气环流模式进行了关键海区海表温度年代际变化的敏感性试验，验证了观测分析结果，即秋季关键海区海表温度年代际升高对西南秋季年代际变旱有重要作用。

1　引言

中国西南地区地质构造复杂，地貌类型多样，是世界上地形最复杂的地区之一。这里既有高原又有盆地和丘陵，是一个典型的气候多变区（徐裕华，1991）。近年来，我国西南地区旱灾频发，如：2005年春夏云南异常干旱，2006年夏季川渝高温干旱，2009～2010年秋冬春西南地区连续性干旱，以及2011～2012年冬春季西南干旱（彭京备等，2007；晏红明等，2007；邹旭恺和高辉，2007；李永华等，2009；王斌和李跃清，2010；黄荣辉等，2012；王晓敏等，2012）。黄荣辉等（2012）指出，20世纪50年代后期至80年代初期，西南地区秋季降水偏多，80年代初期至21世纪初，西南地区夏季降水偏少，而2002～2009年期间西南地区秋季降水严重偏少。

造成西南地区干旱的原因很多，已有的研究多集中于夏季干旱成因分析。例如：邹旭恺和高辉（2007）指出，2006年盛夏西南地区东部的异常高温干旱事件可能是受全球变暖和天气扰动共同作用的结果；李永华等（2012a，2013）指出，西南地区东部夏季旱涝与夏季副热带高压南北位置的变化以及南亚高压脊线位置的变化关系非常密切；王斌和李跃清（2010）通过分析2009～2010年秋冬季西南地区干旱指出，该时期西南地区严重干旱的发展、演变和减弱与同期500 hPa南支槽活动及整层水汽输送有着密切的联系。以往的研究表明，影响西南地区干旱气候的环流场及天气系统主要有西太平洋副热带高压、西风带环流、南亚高压、东南亚夏季风、南支槽、昆明静止锋等（叶笃正等，1957；李跃清，2000；马振锋，2002，2003；刘瑜等，2010；庞晶和覃军，2013；尹晗和李耀辉，2013；陈欢等，2014；张天宇等，2014）。

干旱指标是研究干旱气候的基础，也是衡量干旱程度的关键标准。目前应用较广泛的干旱指标有Palmer干旱指数（PDSI；Palmer，1965）、标准化降水指数（SPI；McKee et al.，1993）、相对湿润度指数（M；Richard and Heim，2002）以及降水距平百分率等。Vicente-Serrano et al.（2010）在标准化降水指数（SPI）的基础上引入潜在蒸散项，构建了标准化降水蒸散指数（SPEI），SPEI融合了SPI 和Palmer干旱指数的优点，更多考虑了温度的因素，从而能更敏感地反映出气候变暖对干旱化的影响。王林和陈文（2012）基于SPEI对西南地区近五百年的干旱演变特征进行分析，证明SPEI在西南地区具有较好的适用性。

20世纪90年代之后西南地区秋季干旱频繁发生（Yu et al.，2014），然而针对西南秋季干旱的研究还较少。刘宣飞和袁慧珍（2006）指出，印度洋海表温度异常和西南秋季降水的变化存在一定联系；Zhang et al.（2013）指出，2009年暖池型厄尔尼诺对当年西南秋季干旱有直接影响；黄荣辉等（2012）指出，热带西太平洋和热带印度洋的升温造成了从2009年秋季到2010年春季西南地区的严重干旱。以往对西南秋季干旱的探讨，多集中于个例分析，且大多数干旱指数的构建只考虑了降水因素，很少考虑气温的影响。因此，本文将基于SPEI这种更为全面的干旱指标，采用观测分析和数值模拟相结合的方法，分析西南秋季干旱的时空变化特征，确定影响西南秋季干旱的关键海区并分析其影响机制，期望为监测、预测西南秋季干旱提供科学依据。

2　资料、方法和模式介绍

所用资料有：（1）1961～2012年中国753站逐日降水和气温资料中西南地区三省一市（云南省、贵州省、四川省和重庆市）内的无缺测的77个台站资料（站点分布见图1a）；（2）中国国家气候中心提供的74项环流指数；（3）NCEP/NCAR逐月再分析资料集，包括位势高度场、风场、温度场、垂直速度场和比湿场等，水平分辨率为2.5°×2.5°（Kalnay et al.，1996）；（4）NOAA提供的ERSST v3b资料，水平分辨率为2.0°×2.0°（Smith et al.，2007）。

所用方法主要有经验函数正交分解（EOF）、Mann-Kendall非参数统计检验、T检验、相关及合成分析等方法（魏凤英，2007）。采用1971～2000年30年平均值作为气候平均态。SPEI的等级划分见表1。台站资料主要包括月平均降水量及气温，用于计算SPEI，计算过程详见Vicente-Serrano et al.（2010）。

表1　标准化降水蒸散指数（SPEI）的干旱等级Table 1　Drought levels based on the SPEI (standardized precipitation evapotranspiration index)

文中数值试验所用模式是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，它是NCAR通用地球系统模式（Community Earth System Model 1.0.4，CESM1.0.4）的大气模块，既可与海洋、海冰模式耦合运行，也可独立运行。相对于之前的版本，CAM5.1的物理参数化方案有了实质性修改，例如：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。为了与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。文中秋季指9～11月。

3　西南秋季干旱的时空特征

图1b、c分别给出了1961～2012年西南秋季气温距平、降水距平的年际变化，可见：西南秋季气温和降水呈现相反的变化趋势，气温具有显著的上升趋势，而降水却具有明显的减少趋势。11年滑动平均曲线显示，西南秋季气温和降水均在20世纪90年代初期发生了年代际变化，在这之前温度距平几乎为负，降水距平多为正，而之后两者则分别为正和负，特别是21世纪以来，气温上升和降水减少的趋势尤为明显。

SPEI引入潜在蒸散项，将气温因素考虑到对干旱程度的判定之中，因此本文选用这种更为全面的指标来作为旱涝评判标准。本文提取1961～2012年西南地区77个台站的月平均气温和降水，计算各站秋季SPEI，并进行EOF分析。图2a为EOF第一模态的空间分布，其方差贡献率为23.0%。可见，西南全区符号一致，因此可将此空间分布型称为全区一致型。第一模态的时间系数具有明显的下降趋势（图2b），特别是21世纪以来几乎为负，结合特征值的分布可知，西南干旱呈加重趋势。EOF第二模态的方差贡献率为11.6%，空间分布型为东西反向型（图略），其余模态的方差贡献率均未超过10.0%。因此，西南秋季干旱主要表现为全区一致型，且21世纪以来干旱加剧。

图3a为西南地区秋季SPEI（77站SPEI的平均值）的时间变化。可见，SPEI呈显著下降趋势，20世纪90年代初期之后西南地区秋季多为干旱，2009年SPEI指数最小(−1.36)，为近50年最干旱年份，这与采用其他干旱指标的研究结论一致（王斌和李跃清，2010；黄荣辉等，2012；王晓敏等，2012；尹晗和李耀辉，2013）。对西南秋季SPEI做Mann-Kendall突变检验（图3b），结果表明西南秋季SPEI在1994年发生了年代际突变，1994年之后SPEI显著下降，且多为负值（干旱）。对照图1b可知，西南秋季气温也是在1994年之后开始显著升高的，表明气候变暖对该地区的干旱确实起到了促进作用。

图1　（a）西南地区77站分布；（b）1961～2012年西南秋季气温距平（单位：°C；实线为11年滑动平均）；（c）1961～2012年西南秋季降水距平（单位：mm；实线为11年滑动平均）Fig. 1　(a) Distribution of 77 meteorological stations in Southwest China, and the (b) temperature anomaly (units: °C) and (c) rainfall anomaly (units: mm) in Southwest China in autumn 1961–2012 (solid line: 11-year moving average)

4　西南秋季干旱对应的大气环流特征

上文分析得出西南秋季SPEI在1994年发生年代际突变，将1994年之前（即1961～1993年）定义为偏涝期，1994～2012年定义为偏旱期。下文主要从西太平洋副热带高压、南支槽、水汽输送和垂直运动等方面，对偏旱期和偏涝期做合成差值分析，寻找导致西南地区秋季干旱发生年代际变化的可能原因。

利用中国国家气候中心提供的74项环流指数中的西太平洋副热带高压各项特征指数与西南秋季SPEI作相关分析（表2）。可见：西南秋季SPEI与西太平洋副热带高压的面积指数、强度指数和西伸脊点（西伸脊点值为经度，越小越偏西）都有很好的相关性，均通过0.05水平的显著性检验，其中与面积指数的相关系数通过0.01水平的显著性检验。由此可知，当西太平洋副热带高压位置偏西、面积偏大、强度偏强时，西南秋季SPEI偏低，发生干旱。由秋季500 hPa位势高度及其差值场（偏旱期减偏涝期，下同）（图4a）可以看出，相对于偏涝期，偏旱期西太平洋副热带高压的面积偏大、西伸明显，使得西南地区受其控制，导致西南地区降水偏少；同时，西南地区位于显著正高度差值区域，通过0.05水平的显著性检验，这样由于西太平洋副热带高压的控制导致西南地区秋季气温偏高，而高温又是引发干旱的一个重要因素。与偏涝期相比，南支槽区为显著正差值区域，通过了0.05水平的显著性检验，表明南支槽偏弱，槽前西南气流减弱，导致从孟加拉湾向西南地区输送的水汽强度减弱，西南地区水汽匮乏，易致西南干旱。

图2　西南地区秋季SPEI（standardized precipitation evapotranspiration index）的EOF（empirical orthogonal function）第一模态的（a）空间分布和（b）时间系数Fig. 2　(a) Eigenvectors and (b) time coefficients of the first EOF (empirical orthogonal function) mode of autumn SPEI (standardized precipitation evapotranspiration index) in Southwest China

图3 （a）1961～2012年西南地区秋季SPEI的时间变化；（b）SPEI的Mann-Kendall检验结果（虚直线表示0.05的显著性水平线）Fig. 3 (a) Autumn SPEI in Southwest China from 1961 to 2012, and (b) the Mann–Kendall test result for SPEI (dashed straight lines indicate the 0.05 significance level)

表2　1961～2012年西太平洋副热带高压特征指数与西南地区秋季SPEI的相关系数Table 2 Correlation coefficients between western Pacific subtropical high indices and autumn SPEI in Southwest China from 1961 to 2012

图4b为整层水汽通量差值场，阴影区为显著差值区域，通过0.05水平的显著性检验。可见，孟加拉湾被偏东气流控制，而在西太平洋存在一个气旋性差值环流，它导致西南地区存在偏北的水汽输送，并且在西南大部分地区存在显著的水汽输送负差值，表明偏旱期从孟加拉湾北部向西南地区的水汽输送比偏涝期明显偏弱。由图4c可见，西南地区存在显著的差值下沉区，不利于水汽由低层向高层输送，导致降水减少。因此，偏旱期从海洋向西南地区输送的水汽偏少，西南地区多为下沉运动，不利于水汽由低层向高层输送，导致降水减少，易出现旱情。

图4 （a）秋季西太平洋副热带高压位置及500 hPa高度差值场（单位：dagpm；黑色实线表示偏旱期秋季西太平洋副热带高压位置，蓝色虚线为偏涝期）；（b）秋季整层水汽通量差值场（单位：kg m−1s−1）；（c）700 hPa垂直速度差值场（图中黑色阴影为地形，单位：10−2Pa s−1，正值表示下沉，负值表示上升）。差值场均为偏旱期减去偏涝期；图中阴影区均为差值场，且均表示通过0.05水平的显著性检验，暖色为显著正异常，冷色为显著负异常Fig. 4　(a) Location of the western Pacific subtropical high in the drought period (black solid line) and flood period (blue dashed line), with 500 hPa geopotential height differences (units: dagpm), (b) vertically integrated water vapor transport flux differences (units: kg m−1s−1); (c) vertical velocity differences at 700 hPa [units: 10−2Pa s−1; black shading is the terrain; positive (negative) values denote downward (upward) motion]. Warm (cold) color shading indicates significant positive (negative) anomalies passing test at the 0.05 significance level; differences are for the drought period minus the flood period

5　热带印度洋—太平洋海表温度异常对西南秋季干旱的影响

我国西南地区距离热带印度洋和热带太平洋都较近，容易受这两个海区海表温度异常的影响（黄荣辉等，2012；李永华等，2012b；Zhang et al.，2013）。因此，用西南秋季SPEI分别与前期夏季（6～8月）、同期秋季（9～11月）热带印度洋—太平洋海表温度（sea surface temperature, SST）作相关分析，结果见图5a（夏季）和图5c（秋季）。可以发现，在热带东印度洋—西太平洋有一大片负相关区域（通过0.01水平的显著性检验），本文将该区域（15°S～15°N，70°～150°E）选作影响西南干旱的关键海区。把夏季和秋季关键海区的区域平均海表温度异常（sea surface temperature anomaly, SSTA）分别与西南秋季SPEI作相关分析（图5b、d），可见它们与西南秋季SPEI存在很好的负相关关系，均通过0.01水平的显著性检验，表明当前期夏季和同期秋季关键区海表温度异常偏高时，西南秋季SPEI偏低，易出现干旱。同时可见，关键海区在20世纪80年代后期出现增暖，1994年以后海表温度距平均为正，与西南秋季干旱频发期有较好的对应关系，表明关键海区的海表温度异常与西南秋季干旱存在密切联系。

图5　1961～2012年西南秋季SPEI与（a）前期夏季、（c）同期秋季热带东印度洋—西太平洋海表温度的相关系数分布（阴影区表示通过0.01水平的显著性检验的负相关区域）；（b）前期夏季、（d）同期秋季关键海区海表温度距平（柱）和西南秋季SPEI（线条）的时间序列Fig. 5　Distributions of correlation coefficients between autumn SPEI in Southwest China and SST in the EIWP (eastern Indian Ocean and western Pacific) region in (a) summer and (c) autumn from 1961 to 2012 (shading indicates significant negative anomalies over the 99% confidence level). Time series of SSTA (bars) in the key sea region (15°S–15°N, 70°–150°E) in (b) summer and (d) autumn, with autumn SPEI (line) in Southwest China

热带洋面一般通过自身增暖影响经圈或纬圈环流来进一步影响其他区域气候。在西南秋季偏旱年，赤道附近存在差值上升运动，而我国西南地区（20°～30°N）则存在差值下沉运动，表明从赤道附近到西南地区存在一个增强的Hadley环流（图6）。用该Hadley环流的500 hPa上升支垂直速度减去下沉支垂直速度的差值表示Hadley强度指数，差值为正（负）时表示Hadley环流减弱（增强）。利用1961～2012年Hadley强度指数，分别与夏季、秋季关键海区SSTA及西南秋季SPEI作相关分析（表3）。结果表明，该Hadley环流强度指数与夏季、秋季SSTA呈显著的负相关，而与西南秋季SPEI呈显著的正相关，说明关键海区海温异常增高时，Hadley环流增强，西南地区受下沉运动控制，西南秋季易发生干旱。

图6　经向—垂直环流差值场（偏旱期减偏涝期）沿97°～112°E平均的纬度—高度剖面。灰色阴影区表示通过0.05水平的显著性检验；黑色阴影区为地形；垂直风速单位：10−2Pa s−1，经向风速单位：m s−1Fig. 6　Latitude–pressure section of vertical circulation differences (drought period minus flood period) averaged from 97°E to 112°E (shadings denote significant differences at the 95% confidence level; black shading is the terrain, units of vertical and meridional wind velocity are 10−2Pa s−1and m s−1, respectively)

已有的研究表明，当西太平洋暖池异常增暖时，可通过其上空对流活动的异常，引起西太平洋副高的位置和强度的变化（金祖辉和陈镌，2002）。将前期夏季和同期秋季该关键海区的SSTA和秋季500 hPa高度场做相关分析（图7），从图中可以看出，两个时段的SSTA和500 hPa高度场存在显著的正相关，通过了0.01水平的显著性检验。说明该关键海区的海表温度异常增暖时，大范围的海表热力偏强会使秋季西南地区500 hPa高度场偏高，南支槽偏弱，西北太平洋副热带高压增强，与之前分析得到的西南秋季偏旱期的西北太平洋副热带高压的特征（图4a）相符。

图7　1961～2012年（a）前期夏季、（b）同期秋季热带东印度洋—西太平洋海表温度异常（SSTA）与500 hPa高度相关场（阴影区表示通过0.01水平的显著性检验的正相关区域）Fig. 7　Distributions of correlation coefficients between SST in the EIWP region in (a) summer and (b) autumn and 500 hPa geopotential height from 1961 to 2012 (shading indicates significant positive anomalies over the 99% confidence level)

表3　1961～2012年Hadley强度指数与关键海区前期夏季SSTA（Sea Surface Temperature Anomaly）、同期秋季SSTA及西南秋季SPEI的相关系数与Hadley强度指数的相关系数Table 3 Correlation coefficients between the Hadley intensity index and summer/autumn SSTA (Sea Surface Temperature Anomaly) in the key sea region, and autumn SPEI in Southwest China from 1961 to 2012

6　数值试验

通过上述观测分析可知，在前期夏季和同期秋季，热带东印度洋—西太平洋海表温度异常与西南秋季SPEI存在显著的负相关关系。那么，该关键海区的海表温度异常对西南秋季干旱年代际变化是否存在影响？以及哪个季节的海温异常起着更重要、更直接的作用？为了解决这两个问题，本文利用NCAR全球大气环流模式CAM5.1进行数值模拟研究。

图8　1979～2012年GOGA试验（实线）和观测（虚线）的西南秋季SPEIFig. 8　Autumn SPEI in Southwest China from simulations in the GOGA experiment (solid line) and observations (dashed line) from 1979 to 2012

数值试验设计方案详见表4。各试验均采用了5个不同的初值场来驱动模式，且GOGA试验从1978年1月1日起进行积分模拟了34年，EXP_I、EXP_II和EXP_III试验均从1月1日起进行积分各模拟了10年。由全球海洋、全球大气试验（GOGA）结果计算出西南秋季SPEI，并与1979～2012年观测的西南秋季SPEI进行比较（图8）。结果显示，两者具有显著的相关关系，相关系数为0.471，通过0.01水平的显著性检验，表明全球海表温度异常对西南秋季干旱具有重要影响。

将各组敏感性试验模拟的降水和850 hPa风场的差值场（图9）、500 hPa垂直速度的差值场（图10a–c）、西太平洋副热带高压的位置和500 hPa高度差值场（图10d–f）以及平均经圈环流的差值场（图11），分别与观测结果进行对比分析。

表4　数值试验方案Table 4　Schemes of numerical experiments

图9　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）EXP_I；（b）EXP_II；（c）EXP_IIIFig. 9　Differences of precipitation (units: mm d−1; shading denotes negative precipitation differences) and 850 hPa winds (vectors; units: m s−1) in autumn (warm experiment minus cold experiment): (a) EXP_I; (b) EXP_II; (c)EXP_III

（1）前期夏季至同期秋季海表温度暖、冷试验的差值场（暖试验减冷试验，即EXP_I_W减EXP_I_C）表明：在贵州和云南东部存在降水负差值，暖试验模拟出的西南秋季SPEI为−0.46，冷试验模拟的西南秋季SPEI为0.50；孟加拉湾受偏东气流控制（图9a）；赤道地区为上升运动差值区（图10a）；暖试验较冷试验西太平洋副热带高压位置偏西、面积偏大，南支槽减弱(图10d)；Hadley环流略有增强（图11a）。模拟结果和观测结果较为一致。

（2）前期夏季暖、冷试验的差值场（暖试验减冷试验，即EXP_II_W减EXP_II_C）表明：西南地区大部分为降水正差值，暖试验模拟出的西南秋季SPEI为0.65（偏涝），冷试验模拟的西南秋季SPEI为−0.33；低层风场从孟加拉湾到西南地区存在偏西、偏南气流（图9b），赤道地区为上升差值区，但是西南地区也为上升差值区（图10b）；暖试验较冷试验西太平洋副热带高压位置偏西、面积偏大、强度偏强，南支槽强度偏弱，西南地区位于正高度场差值控制下（图10e）；Hadley环流下沉支偏南，西南地区为上升运动（图11b）。模拟结果与观测结果有所偏差。

图10　秋季500 hPa垂直速度的差值场（阴影；单位：10−2Pa s−1；正值表示下沉，负值表示上升）：（a）EXP_I；（b）EXP_II；（c）EXP_III。秋季西太平洋副热带高压位置及500 hPa高度差值场（单位：dagpm，实线为暖试验，虚线为冷试验）：（d）EXP_I；（e）EXP_II；（f）EXP_III。差值场均为暖试验减冷试验Fig. 10　Differences of vertical velocity [shading; units: 10−2Pa s−1; positive (negative) values denote downward (upward) motion] at 500 hPa in autumn: (a) EXP_I; (b) EXP_II; (c) EXP_III. Location of the western Pacific subtropical high in the warm experiment (solid line) and cold experiment (dashed line), with 500 hPa geopotential height differences (units: dagpm): (d) EXP_I; (e) EXP_II; (f) EXP_III. Differences are for the warm experiment minus the cold experiment

（3）同期秋季暖、冷试验的差值场（暖试验减冷试验，即EXP_III_W减EXP_III_C）表明：西南地区全区为降水负差值，暖试验模拟出的西南秋季SPEI为−0.75（偏旱），冷试验模拟出的西南秋季SPEI为0.33；西太平洋地区存在一个气旋性差值环流，孟加拉湾受偏东气流控制且西南地区受偏北气流控制（图9c）；赤道地区为上升运动差值区，西南地区为下沉运动差值区（图10c）；暖试验较冷试验西太平洋副热带高压位置偏西、面积偏大，南支槽强度偏弱，西南地区位于正高度场差值控制下（图10f）；Hadley环流增强（图11c）。模拟结果与观测结果基本一致。

上述分析结果表明：三组试验均能模拟出偏旱、偏涝期西太平洋副热带高压位置和面积以及南支槽强度的变化；前期夏季至同期秋季海表温度异常敏感性试验模拟出的结果与观测结果较为一致，前期夏季海表温度异常敏感性试验模拟出的结果与观测结果相差较大，同期秋季海表温度异常敏感性试验模拟出的结果最接近观测结果。可知：当关键海区海表温度在前期夏季和同期秋季同时或分别年代际增暖时，秋季西南地区500 hPa高度场升高，西太平洋副热带高压位置偏西、面积偏大且南支槽强度减弱，有利于西南地区发生干旱；当关键海区海表温度在前期夏季和同期秋季同时年代际增暖或只在同期秋季年代际增暖时，秋季西南地区会发生干旱。因此，同期秋季关键海区的海表温度年代际增暖对西南秋季年代际变旱有着非常重要的作用。

图11　秋季经向—垂直环流差值场（暖试验减冷试验）沿97°～112°E平均的纬度—高度剖面（图中黑色阴影区为地形；垂直速度单位：10−2Pa s−1，经向风速单位：m s−1)：（a）EXP_I；（b）EXP_II；（c）EXP_IIIFig. 11 Latitude–pressure sections of vertical circulation differences (warm experiment minus cold experiment) averaged from 97°E to 112°E in autumn (black shading is the terrain; units of vertical and meridional wind velocity are 10−2Pa s−1and m s−1, respectively): (a) EXP_I; (b) EXP_II; (c) EXP_III

7　结论与讨论

本文利用观测资料和NCAR CAM5.1全球大气环流模式，基于SPEI指数分析了西南秋季干旱特征，重点探讨了其年代际转折及其可能原因，得到如下主要结论：

（1）西南秋季干旱的主要空间分布型为全区一致型，该分布型随着气候变暖呈加重趋势。西南秋季SPEI在1994年发生年代际突变，其中1961～1993年为偏涝期，1994～2012年为偏旱期，与该区气温和降水的突变时间一致，1994年以后西南地区秋季气温升高、降水减少、干旱加重。

（2）西南秋季偏旱期主要环流特征是，西太平洋副热带高压位置偏西、面积偏大、强度偏强，南支槽偏弱，西南地区存在下沉运动。

（3）观测分析和数值模拟结果均表明，热带东印度洋—西太平洋的海表温度年代际升高对西南秋季1994年后的年代际干旱具有重要作用。该关键海区夏季和秋季海表温度年代际升高，会引起秋季西南地区500 hPa高度场升高，西太平洋副热带高压位置偏西，面积偏大以及南支槽减弱，有利于西南地区发生干旱；该关键海区秋季海表温度年代际升高，一方面产生偏强的Hadley环流，使得我国西南地区存在下沉运动，另一方面在西太平洋激发气旋性环流，使我国西南地区被异常偏北气流控制，减弱了向我国西南地区的水汽输送，容易造成该地区秋季干旱。综上所述，秋季该关键海区的海表温度年代际增暖对西南秋季20世纪90年代后呈干旱化趋势具有重要作用。

统计西南地区各偏旱年的海表温度异常分布时发现：1998和2007年赤道中东太平洋异常偏冷，而2002、2003和2009年赤道中东太平洋则异常偏暖。黄荣辉等（2012）和Zhang et al.（2013）指出，2009年的El Niño事件对西南秋季干旱起到了一定作用；Zhang et al.（2014）又指出中部型和东部型El Niño对南方旱涝有不同的影响。本文仅分析了西南秋季干旱的年代际变化，对于西南秋季干旱的年际变化以及与热带海表温度的关系，尚需进一步深入研究。

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Decadal Shift of Autumn Drought in Southwest China and Its Possible Causes

ZHANG Guwei1, 2, ZENG Gang1, 3, NI Donghong1, and ZHOU Guobing4
1 Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science & Technology/Key Laboratory of Meteorological Disaster, Ministry of Education, Nanjing 210044
2 Meteorological Service Center of Dalian, Dalian 116600
3 Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610225
4 Chongqing Meteorological Bureau, Chongqing 401147

Based on the precipitation and temperature data of 753 observation stations in China for the period 1961–2012, as well as National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research (NCAR) reanalysis and National Oceanic and Atmospheric Administration Extended Reconstructed Sea Surface Temperature v3b data, this study uses the Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI) to discuss the decadal shift of autumn drought in Southwest China and its possible causes through observational analysis and NCAR Community Atmosphere Model, version 5.1 (CAM5.1) numerical simulations. The observational results show that the main distribution for the entire district of autumn drought in Southwest China is in the same phase, and the drought has been getting worse since 1994. It is also found that when the western Pacific subtropical high is positioned further west, and is larger and stronger than usual, it is drier in Southwest China. A weak Indo-Burmese trough and local vertical subsidence movement are also key atmospheric circulation factors for autumn drought in Southwest China. The autumn drought in Southwest China is significantly correlated with the sea surface temperature anomaly (SSTA) over the eastern Indian Ocean and western Pacific (EIWP) region, which is the key region for the cause of Southwest China experiencing more drought since 1994. The positive SSTA in this key region enhances the 500 hPa geopotential height over Southwest China in autumn. It also induces cyclonic circulation around the western Pacific, and an enhanced Hadley cell. In such cases, Southwest China is controlled by both northerly wind and subsidence motion, reducing the amount of water vapor transported to Southwest China. A series of numerical simulations using NCAR CAM5.1 confirm the above observational results and show that the autumn positive SSTA in the EIWP region plays an important role in causing the autumn drought in Southwest China on the decadal scale.

Standardized Precipitation Evapotranspiration Index, Southwest China, Autumn drought, Decadal shift

Funded byNational Basic Research Program of China (973 Program, Grant 2013CB430202), Project Funded by the Natural Sciences Foundation of Jiangsu Province (Grant BK20131431), Special Scientific Research Fund of Meteorological Public Welfare Profession of China (Grant GYHY201306020), Opening Fund from Chongqing Meteorological Bureau (Grant KFJJ-201302), Opening Fund from Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province (Grant PAEKL-2013-K1), “Qinglan” Project of Jiangsu Province

标准化降水蒸散指数中国西南地区秋季干旱年代际转折

1006-9895(2016)02-0311-13

P461

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1503.14294

2014-10-16；网络预出版日期2015-03-16

张顾炜，男，1989年出生，硕士研究生，主要从事气候变化研究. E-mail: kobezane24@hotmail.com

曾刚，E-mail: zenggangted@hotmail.com

国家重点基础研究发展计划（973计划）项目2013CB430202，江苏省自然科学基金面上项目BK20131431，公益性行业（气象）科研专项GYHY201306020，重庆市气象局开放式研究基金项目kfjj-201302，高原大气与环境四川省重点实验室开放课题PAEKL-2013-K1，江苏省高校“青蓝工程”