1961—2016年贵州省持续性干旱特征及成因分析

严小冬,李 扬,夏 阳,胡跃文,杨春艳

(1.贵州省气象局，贵州 贵阳 550002；2.贵阳市气象局，贵州 贵阳 550001；3.贵州省六盘水市气象局， 贵州 六盘水 553001；4.贵州省黔西南自治州气象局，贵州 兴义 562400)

1 引言

干旱是一种影响大、范围广、危害大且频发的慢性自然灾害[1-2]。近年来，随着全球气候变暖，我国西南地区干旱事件增多、干旱强度增大，严重威胁着人类社会生活和经济发展，引起了众多学者的广泛关注。李韵婕等[3]利用区域性极端事件客观识别法(OITREE)和综合气象干旱指数(CI)对西南地区开展了区域性气象干旱时间识别研究，并对西南地区的区域性干旱事件的特征进行了分析；韩兰英等[4]利用西南地区60多年干旱灾情资料，通过计算干旱受灾率、成灾率、绝收率和综合损失率等，分析了中国西南地区干旱灾害规律特点并对成因进行了探讨。以上研究均表明，西南地区区域性干旱事件频次、范围、强度均呈增加趋势。荣艳淑等[5]基于戴-帕尔默干旱强度指数(Dai-PDSI)和径流干旱指数(SDI)分析了云南地区2009—2014年持续性气象干旱与水文干旱时空演变的特征，并从西太平洋副热带高压、青藏高压、南支槽等视角，分析了云南持续干旱的原因。黄荣辉等[6]则从热带西太平洋和热带印度洋热力异常对热带西太平洋和南亚上空大气环流的影响方面分析了西南地区2009年秋季到2010年春季干旱发生的原因。胡学平等[7]利用多种资料从大尺度大气环流、水汽输送、太平洋及印度洋海温、平流层极涡等方面分析了2009年以来西南地区连续4 a秋、冬、春季出现严重干旱的原因，发现南支槽强度偏弱、孟加拉湾水汽输送偏少以及弱极涡背景下，异常波活动造成的AO负异常引起的冷空气路径偏东是西南地区持续干旱的共同特点，这与池再香等[8]关于2009—2010年西南地区秋冬春三季连旱成因的研究结论较为一致。

贵州省地处中国西南腹地，属高原山地地貌，呈西高东低之势，全省地貌以山地和丘陵为主，境内山脉众多，绵延纵横。贵州省气候温暖湿润，属亚热带湿润季风气候，由于受地理位置和地形的影响，气候垂直差异十分明显。贵州省作为干旱发生频率较高的地区之一，频繁发生的干旱事件给农业生产和生活带来了严重影响，制约了地方经济的发展。总结前人研究发现[9-12]，对于贵州省的干旱研究多着眼于某个干旱事件或某个区域，缺乏对全省持续性干旱事件特征及成因的研究和讨论。因此，本研究利用合成分析方法从水汽输送、水平环流、垂直环流、海温等方面深入研究该地区持续性干旱的特征以及成因，有利于加强对贵州干旱的认识，提高贵州持续性干旱事件的长期预测水平，为防御干旱灾害提供科学决策依据。

2 资料与方法

2.1 资料

本研究所用资料包括：①贵州省气象局提供的1961—2016年贵州省地面气象观测降水资料；②ERSST全球月平均海温资料，水平分辨率为2°×2°，来源于美国NOAA网站；③NCEP/NCAR再分析数据集，包括风场、温度场、高度场、地面气压、比湿等要素，水平分辨率为2.5°×2.5°，垂直方向分为17层；④国家气候中心提供的环流特征量资料。

本研究季节采用气象学上的季节划分，3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月—翌年2月为冬季。

2.2 方法

本研究将持续性干旱事件定义为月降水距平百分率小于-15%且持续3～4个月或持续5个月及以上(其中可以有1个月大于-15%而且小于20%)，累积降水距平百分率小于-120%且月平均降水距平百分率小于-30%。持续干旱事件的强度用累积降水距平百分率表示。为便于年代际变化分析，本研究采用各年代所用持续性干旱事件累积距平百分率之和，量化表征各年代的持续性干旱的强度。除此以外，研究采用了合成分析方法对贵州省连续性干旱时期的气象要素进行了分析，多角度揭示贵州省连续干旱的成因。

3 持续干旱事件的时间演变特征

1961—2016年贵州省共发生19次持续性干旱事件，如表1所示。其中，持续时间最长的为2009年5月开始的一次事件，持续长达13个月。从年代际统计特征来看(图1)，20世纪90年代是持续性干旱事件发生最少的时段，20世纪60年代和本世纪初是最多的时段。四个季节中，冬旱、春旱发生次数最多，秋旱其次，夏旱最少，但本世纪以来秋旱有增加的趋势。

表1 全省19次干旱事件的出现时间、持续月数、累积距平 百分率及月平均降水距平百分率Tab.1 Time of occurrence, duration of months, percentage of cumulative anomaly and percentage of monthly average precipitation anomaly of 19 drought events in Guizhou province

图1 1961—2016年贵州省19次持续性 干旱事件年代际统计特征Fig.1 Inter-decadal statistical characteristics of 19 persistent drought events from 1961 to 2016 in Guizhou Province

4 持续性干旱成因分析

为探究贵州省1961—2016年持续性干旱的成因，本研究对贵州省历年共19次干旱事件的同期有关气象要素距平进行合成分析，包括水汽输送、水平环流、垂直环流、前期海温等。

4.1 水汽输送异常

为分析在贵州发生持续性干旱事件时的水汽输送差异，下文分别给出了贵州持续性干旱时期中国南方地区700 hPa及整层大气积分的水汽通量、水汽通量散度的合成(图2)。

图2 东亚地区700 hPa(a)与整层大气积分(b)的水汽通量(箭头)、水汽通量散度(阴影)异常分布Fig.2 Anomalous distribution of water vapor flux (arrow) and water vapor flux divergence (shadow) of 700 hPa (a) and atmospheric integral (b) over East Asia

由图2可见，无论是700 hPa还是整层大气，在孟加拉湾北部存在较弱异常反气旋式环流，南海地区存在异常气旋式环流。众所周知，贵州的水汽主要来源于孟加拉湾气旋式环流所带来的偏西或西南气流，以及南海地区沿副热带高压西侧输送的偏南气流，但孟加拉湾反气旋东侧的偏北气流和南海气旋北部的东北气流阻断了常年向贵州输送的水汽通道，使得当地缺少降水所必需的水汽条件。而在水汽通量散度的分布中可见，除整层大气积分的水汽通量散度图上的贵州南部边缘地区外，贵州大部地区存在较弱的水汽通量辐散。因此，水汽来源的减少加上水汽通量辐散，使得贵州地区的降水异常偏少，从而发生持续性干旱事件。

4.2 水平环流异常

从对流层高层200 hPa的水平风场的异常分布(图3a)上可见，东亚地区的中低纬高层大气中存在异常反气旋式环流，此异常反气旋覆盖了包含孟加拉湾北部、南海和贵州在内的我国大部地区，而在贝加尔湖以北的中西伯利亚地区的高层大气则表现出异常气旋式环流，两个异常环流系统之间存在一条异常西风带，此异常西风带加强了常年在东亚中纬度地区盛行的西风急流，与此同时减弱了该地区的经向环流，使冷空气活动更多地集中在高纬地区。从散度的分布上亦可发现，异常西风的南侧，我国南方地区基本无明显辐合。

图3 东亚地区200 hPa风场与散度(a)、500 hPa风场 与700 hPa垂直速度(b)以及700 hPa风场与散度(c) 的异常分布，箭头为风场，阴影为散度和垂直速度Fig.3 Anomalous distribution of 200 hPa wind field and divergence (a), 500 hPa wind field and 700 hPa vertical velocity (b) and 700 hPa wind field and divergence (c) in East Asia. The arrow is wind, and the shadow is divergence and vertical velocity

对流层中层500 hPa(图3b)和低层700 hPa(图3c)的风场异常分布与高层相似，呈现出当地上空大气的准正压结构特征，只是对流层中层500 hPa上环流较弱。中层贝加尔湖地区均受中心较弱的异常气旋式环流控制，整个孟加拉湾处于较弱的异常反气旋的控制之下，常年活跃在孟湾地区南支槽明显减弱，阻断了贵州地区的西路水汽通道；南海处于较弱的异常气旋式环流控制下，副热带高压明显减弱，阻断了贵州地区的南路水汽通道，这与水汽通量的异常分布形成较好的对应。在700 hPa垂直速度(图3b)的异常分布中，贵州地区为下沉运动控制区，配合当地上空低层大气弱的辐散，不利于降水的形成，促进贵州持续性干旱事件的形成。

图4给出了欧亚地区200 hPa纬向风(图4a)及500 hPa位势高度的异常分布(图4b)。由图可见，对于高层(200 hPa)，欧亚地区中高纬呈现出经向的“低高低”的位势高度异常分布特征，正异常中心位于高纬上空和伊朗高原—青藏高原西部上空，负值中心则位于三海(黑海、里海和咸海)北侧—蒙古地区，与其对应的气候态分布相比可知，欧亚中高纬地区高层的经向环流有所减弱，冷空气强度偏强但偏北，南下影响南方地区频次减少。在中层(500 hPa)，欧亚地区中高纬呈现出“西高东低”的位势高度异常分布特征，正异常中心位于乌拉尔山西部，负值中心则位于贝加尔湖地区，且二者的中心值均超过了±15 gpm，与500 hPa位势高度的气候态分布相比可知，欧亚中高纬地区的经向环流有所加强，冷空气频率异常偏多。与此形成鲜明对比的是，中低纬度地区副热带高压的强度却有所减小，表明副高位置异常偏东偏南，强度异常偏弱，且由于冷空气更多地集中在中高纬地区活动，使得贵州当地的降水条件较差，极易导致干旱的发生。

4.3 冷空气活动的异常分布

从海平面气压的异常分布(图5a)中可见，与500 hPa位势高度所反映的结果相一致，乌拉尔山以西地区受到异常位势高度正异常的影响，地面为明显异常冷高压所控制，正异常中心值超过了2.5 hPa，表明冷空气强度大且活动频繁。而在包括贵州在内的中国西部广大地区则为海平面气压的负异常控制区，温度高，降水少。从500 hPa的异常气温分布(图5b)亦可证实上述结论，中国以北的东北亚地区存在范围较大的气温负异常中心，负值中心超过了-0.6 ℃，而包含贵州在内的中国南方则为气温的正异常区域。

4.4 垂直环流异常

为进一步明确贵州地区发生持续性干旱事件时降水异常偏少的成因，对经过贵州的经向环流和纬向环流的异常分布特征(图6)进行了合成分析，以了解贵州地区上空在发生干旱事件时的垂直环流特征。

图4 欧亚地区200 hPa纬向风(a)及500 hPa位势高度(b)的异常分布，等值线为气候态，阴影为距平Fig.4 Anomalous distributions of 200 hPa zonal wind (a) and 500 hPa geopotential height (b) in Eurasia. The isoline is climatic and the shadow is anomalous

图5 欧亚地区海平面气压(a)及500 hPa气温(b)的异常分布，等值线为气候态，阴影为距平Fig.5 anomalous distribution of SLP (a) and temperature (b) at 500 hPa in Eurasia. The isoline is climatic and the shadow is anomalous

图6 贵州省上空的纬向环流(a)和经向环流(b)异常分布，流线表示垂直环流， 阴影为垂直速度，图中垂直速度的量级已人为放大100倍Fig.6 anomalous distribution of zonal circulation (a) and meridional circulation (b) over Guizhou Province.The streamline represents the vertical circulation, and the shadow is the vertical velocity.The magnitude of the vertical velocity in theFigure is enlarged 100 times

从25°～29°N平均的纬向环流异常分布(图6a)可见，孟加拉湾地区的中低空存在一个垂直环流中心，除了在其北部地区存在明显的上升运动，整个中国的南方地区整层大气均受到明显的异常下沉气流的控制，其中在华中地区上空700～300 hPa高度存在下沉运动的极值中心，中心强度达到1.2×10-2Pa/s。而在104°～109°E平均的径向环流异常分布(图6b)中，我国南方地区整层大气均受下沉运动控制，在贵州南部地区上空550～400 hPa的高度存在中心强度超过1.2×10-2Pa/s的下沉运动极值中心。这样的垂直运动配置使得贵州地区高温少雨，形成持续性干旱事件。

4.5 前期海温

过去的研究表明，海温通过海气相互作用影响大气环流的异常变化从而对区域气候特征产生影响，但海温对大气环流的影响有一定的滞后作用。因此，这里对过去贵州省19次持续性干旱事件发生前期1～8个月的海温距平进行了合成分析(图7)，以期寻找与贵州干旱事件可能存在联系的海温关键区和影响时段。

图7 贵州省干旱发生前期1—8个月的全球中低纬度地区海温异常分布特征(阴影，单位：℃)Fig.7 Characteristics of distribution of SST anomalies in the middle and low latitude of the globe (shadows, unit: C) during the first 1—8 months of drought in Guizhou Province

在贵州省持续性干旱事件发生前第8个月，除了在北半球太平洋中部、千岛群岛和美国东南部洋面存在明显的海温正距平之外，其余地区基本呈现海温负距平，其中在美国西海岸阳面、南太平洋中部以及印度洋西南部的海温负距平值超过了0.5 ℃，形成东太平洋的拉尼娜现象。随着时间推移，在贵州干旱事件发生前7—1个月，北半球太平洋中部海温正距平逐步向西向北发展，强度增强，后期中心强度值超过了0.4 ℃。由于西北太平洋海温正距平的发展，我国东部海域海温负距平在前期逐渐减弱，后期迅速发展加强，在干旱事件发生前第1个月时，我国东部海域海温的负距平中心值超过了0.5 ℃。此外，大西洋海域的海温由前期的正距平逐渐向负距平发展，东太平洋的海温负距平逐渐减弱东退，东太平洋的拉尼娜现象减弱。

总体来说，东太平洋的拉尼娜现象、北太平洋以及北大西洋地区的海温异常分布对贵州持续性干旱事件的发生有密切联系。上述地区的海温异常亦可为贵州持续性干旱事件的长期预测提供线索。

5 结论

本研究利用合成分析方法对1961—2016年贵州省持续干旱事件的变化特征进行分析，并从多种角度(包括水汽输送、大气环流、水平环流、垂直环流、前期海温等)讨论了贵州省持续性干旱事件的成因，得到以下结论：

①1961—2016年贵州省共发生19次持续性干旱事件。从年代际统计特征来看，20世纪90年代是持续性干旱事件发生最少的时段，20世纪60年代和本世纪初是最多的时段。四个季节中，冬旱、春旱发生次数最多，秋旱其次，夏旱最少，但本世纪以来秋旱有增加的趋势。

②孟加拉湾北部存在较弱异常反气旋式环流，南海地区存在异常气旋式环流。孟加拉湾反气旋东侧的偏北气流和南海气旋北部的东北气流阻断了常年向贵州输送的水汽通道，且除贵州南部边缘地区外，大部分地区存在较弱的水汽通量辐散，使得贵州地区降水异常偏少。

③东亚地区中低纬高层大气中存在异常反气旋式环流，贝加尔湖以北的中西伯利亚地区的高层大气存在异常气旋式环流，两个异常环流系统之间存在一条异常西风带，此异常西风带加强常年在东亚中纬度地区盛行的西风急流，减弱了该地区的经向环流，使冷空气集中在高纬地区。此外，常年活跃在孟加拉湾地区的南支槽明显减弱，副热带高压明显减弱，加上异常垂直环流中贵州地区受到显著的下沉运动控制，不利于当地降水的形成。

④贵州持续性干旱事件与东太平洋拉尼娜现象、北太平洋以及北大西洋地区的海温异常分布存在密切关系。在干旱事件发生前第8个月，除了在北半球太平洋中部、千岛群岛和美国东南部洋面存在明显的海温正距平之外，其余地区基本呈现海温负距平；在前7—1个月，北半球太平洋中部海温正距平逐步向西向北发展，强度增强，我国东部海域海温负距平在前期逐渐减弱，后期迅速发展加强，在前第1个月时，我国东部海域海温的负距平中心值超过了0.5 ℃。此外，大西洋海域的海温由前期的正距平逐渐向负距平发展，东太平洋的海温负距平逐渐减弱东退。