2019年初夏云南异常高温干旱的环流影响因子分析

刘 佳，晏红明，李艳春

(1.红河州气象局，云南 蒙自 651199；2.云南省气候中心，云南 昆明 650034)

0 引言

云南是中国干旱发生频率较高的地区之一[1]，在全球变暖的大背景下，云南区域性干旱频率增多，面积增加，强度增强，干旱导致的综合损失率显著增加[2-4]。特别是在连续经历了2009～2010年[5]和2012～2013年[6]的两次极端干旱后，云南地区干旱研究显得尤为迫切。

云南地区干旱的成因比较复杂，影响因素较多，学者[7-15]从不同角度进行了研究，得出不少有意义的结论。解明恩等[7]发现西太平洋副热带高压持续稳定且偏强偏西、季风低压偏弱偏西是造成2003年云南初夏干旱的主要原因。部分学者[5，8，9]重点研究了2009～2010年云南地区秋冬春3季严重干旱，发现西太平洋副高、西风带环流等大气环流系统出现异常，孟加拉湾、中南半岛到云南的水汽输送异常以及高层辐合低层辐射的高低层流场配置是造成干旱的主要原因。钱维宏等[10]研究了西南地区持续性干旱事件的行星尺度和天气尺度扰动信号，指出气象干旱多为年循环的气候干季并叠加干旱扰动所致；张江涛等[11]重点分析了冷空气活动对2009～2010年西南地区干旱的影响；杨辉等[12]指出西风带环流系统异常是造成这次严重干旱的主要成因；宋洁等[13]讨论了NAO与云南省旱涝之间的联系；黄荣辉等[14]研究表明，处于升温状态的热带太平洋上空产生反气旋异常环流，造成孟加拉湾来的水汽难以到达云贵高原，引起降水长期偏少；Lu等[15]指出热带大气MJO活动持续异常是此次干旱发生的重要原因之一。这些研究成果对于我们进一步认识和研究云南干旱发生的气候背景、异常特征、形成原因等具有重要意义。

2019年初夏云南省持续高温少雨，气象干旱迅速发展，对当地的春耕生产和人民生活产生了严重的影响。因此，有必要对2019年初夏影响云南各种强信号做诊断分析，文章从大尺度大气环流异常、水汽输送特征、太平洋及印度洋海温异常等方面进行了分析研究，以期对云南的干旱预测有一定的帮助。

1 资料和方法

本文所用资料包括：(1)云南省125站1961～2019年逐日降水资料。(2)1981～2019年ERA5(ECMWF全球气候再分析资料第5代产品)的全球逐日平均23层风场(u，v分量)、位势高度(ght)、比湿(q)、气温(t)资料，分辨率为0.25°×0.25°。(3)1948～2019年英国Hadley中心1°×1°分辨率的月平均海温资料。上述资料4～5月平均值代表初夏状态，气候平均状态以1981～2010年共30年平均值代表。

整层大气水汽通量矢量Q可通过对各层水汽通量进行垂直积分得到，其计算公式为：

(1)

其纬向水汽输送分量为：

(2)

经向水汽输送分量为：

(3)

式中：V为各层大气的风速矢量；u、v分别为各层大气的风速矢量在纬向和经向上的分量；q为各层大气的比湿；Ps、p分别为大气柱下界气压(即地面气压)和上界气压(取300 hPa)；g为重力加速度。

2 2019年云南初夏高温干旱特点

2019年3月以来云南温度持续偏高，降水偏少，由此引发了持续性气象干旱灾害，3～6月全省较历年(1985～2016年30年气候平均)气温分别偏高0.3、1.6、2.0、1.5℃。图1为3～6月平均气温距平值，在云南省的中部地区气温偏高最显著，偏高1.8℃以上，西北和东部地区偏高不明显。其中5月1日～5月27日，大部分台站日最高气温达极端阈值，全省125站有26站最高气温突破历史极值，3站达到历史极值，19站接近历史极值(与历史极值相差0.5℃以内)。

3月以来云南降水持续偏少，3～6月全省降水较历年偏少28%、37%、61%、29%，全省125站平均降水量为212 mm，较常年偏少140 mm(-39%)，图2是3～6月降水量距平，从图中可以看出滇中、滇西降水偏少最严重，达到50%以上，滇东边缘地区正常到略偏少。特别是4月6日至5月30日，云南省平均气温和平均降水分布达到1961年以来的历史同期最高和最少。故下文将4～5月(初夏)作为重点分析时段。

图1 云南省2019年3～6月气温距平、高温事件站点分布和降水距平

3 2019年云南初夏降水异常成因分析

干旱过程常常是某种状态的异常环流型持续发展和长期维持的结果，借鉴原有的研究成果下文从大尺度大气环流异常、水汽输送特征、太平洋及印度洋海温异常等方面对2019年初夏干旱进行研究。

3.1 200 hPa环流异常特征

对流层上层的南亚高压及副热带西风急流是东亚季风系统重要组成部分。南亚高压是夏季对流层上层强大、稳定的大气活动中心，其异常变化对夏季北半球大气环流及中国降水有很重要的影响[16，17]。副热带西风急流对东亚气候的重要影响也很早引起了人们的注意，在上世纪50年代初叶笃正等[18]将东亚的一些天气过程的发展与西风急流的建立及撤退相联系。Liang等[19]研究表明西风急流南移将使夏季江南降水偏多，相反，急流偏北将使华北地区降水偏多。另外，由于风场与气压场动力学的联系，南亚高压和西风急流是相互联系和影响的[20]。故下文首先分析对流层上层的环流异常。

图2 2019年4～5月200 hPa位势高度异常(填色，gpm)、水平风场异常及西风急流轴位置(黑色粗实线为2019年初夏西风急流轴，灰色虚线为气候态平均西风急流轴)

图2给出了2019年4～5月200 hPa位势高度、水平风场和西风急流轴异常，从图中可以看到，2019年初夏40～80°E西风急流轴位置较常年异常偏南，其附近对应有异常气旋性低压，中心位于(30°N，50°E)，偏低8 gpm；80～110°E西风急流轴位置异常偏北，南亚高压异常偏强位置异常偏北，中心位于(35°N，105°E)，偏强10 gpm。对应风场变化可以看到，在40～80°E西风急流轴附近有异常偏南气流向青藏高原西侧输送。也就是说，2019年初夏西风急流轴位置异常偏南，有利于西风带上的副热带槽脊波动到达青藏高原地区，当副热带西风槽到达青藏高原西侧时，在山脉的阻挡下，西风槽移速减缓，槽前的上升气流令高原地区大气热源异常偏强，进而在热源中心上空制作负涡度，令南亚高压异常偏北。而此时云南就位于异常高空反气旋低部，高空辐合异常加强，由此产生了强劲的下层绝热增温效应，其作用于云南地区，引发该地区初夏持续性高温干旱事件。

3.2 中低层环流异常特征

700 hPa上孟加拉湾和南海地区是云南水汽输送的重要通道，其上空大气环流变化是影响水汽输送的主要原因，研究表明[21]秋季南海和孟加拉湾之间存在两种不同类型的位势高度不对称变化，对应环流变换特征也截然不同。且南海和孟加拉湾上空之间的气压梯度与进入中国西南气流强弱有密切联系，气压梯度越大(小)则西南气流越强(弱)。进一步进行分析2019年初夏的中低层大气环流场特征(图3)。

图3 2019年4～5月南亚和东亚地区上空700 hPa风场异常和500 hPa垂直运动异常分布(阴影为下沉运动区域，单位10-2 hPa/s)Fig.3 700hPa wind field anomaly and 500hPa vertical movementanomaly distribution over South Asia and East Asia in April toMay 2019 (shaded is the subsidence area, unit: 10-2hpa/s)

南亚和东亚地区上空700 hPa流场看出，孟加拉湾至印度半岛表现出明显的反气旋环流增强，即孟加拉湾向云南输送水汽、热力不稳定能量的通道上为异常北风；南海地区也表现出反气旋环流增强，即南海向云南输送水汽、不稳定能量的通道上也为异常偏北风；青藏高原东南部和云南大部受西北气流控制。也就是说，南海至孟加拉湾之间位势高度发生同向不对称变换，其上空气压梯度减小，导致孟加拉湾低压与南海高压之间的西南气流异常减少，进入云南的水汽也随之减少。另外，中南半岛北部及云南省处于两距平环流中心之间的偏北距平风控制下，同样造成进入云南的西南气流和水汽减弱，冷暖空气难以在云南地区交汇，这些造成了2019年初夏云南降水异常偏少。

从500 hPa垂直运动距平分布来看，从孟加拉湾北部到滇西和滇南地区为异常的下沉运动控制，即在孟加拉湾到云南的水汽输送通道上下沉运动为主，对流无法有组织地生成，降水偏少造成云南大部干旱，同时异常的下沉增温作用引发云南大部持续高温。

3.3 垂直风场异常特征

气流上升区地面降水会增加，下沉区则对应少雨，进一步分析垂直运动导致2019年初夏云南异常高温少雨的原因(图4)。从前面分析知道，2019年4～5月云南地区位于对流层高层异常反气旋(南亚高压)南部，高空辐合异常加强，由此产生剧烈的下沉气流，从云南上空纬向垂直距平场(图4a)可以看出，在滇西地区从300 hPa到地面有异常强盛的下沉运动，异常下沉中心位于500 hPa附近，中心达6×10-2hPa/s；滇中地区异常下沉中心更接近地面，位于700 hPa附近，中心达6×10-2hPa/s，这也是滇中地区多地发生高温事件的原因；滇东地区异常下沉中心位于更高的400 hPa附近，在104°E由于地表感热作用，700 hPa以下存在较浅薄的上升气流。在90°E至云南西部也是显著下沉运动，这进一步证明了孟加拉湾地区水汽向云南输送的不利。

同期经向垂直环流距平场来看(图4b)，在20～28°N从300 hPa以下有异常强盛的下沉气流。因此云南大部，特别是滇中到滇西南地区的上升运动较常年异常减弱，下沉运动明显加强，而下沉运动通过气柱的绝热增暖，造成当地的持续高温干旱事件。同时在低纬度5～10°N，从300 hPa到800 hPa以下沉运动为主，即在低纬度地区下沉运动将不利于夏季风的建立。

另外在从气温异常来看，无论是纬向还是经向温度场异常，都是在云南上空200 hPa中层存在异常暖区。而从600 hPa到地面，等值线密集，增温显著，中心位于滇中及滇南地区，中心达2.5 K。

图4 2019年4～5月垂直环流异常(阴影，10-2 hPa/s)和气温异常(等值线，单位K)

3.4 水汽输送异常特征

水汽输送是水循环过程的重要环节，也是影响区域降水变化的重要原因，区域降水异常往往与一定时期的水汽输送异常有密切联系。张万诚等研究表明[9]，孟加拉湾、中南半岛到云贵高原的南风水汽通量较强时，云贵高原纬向异常正距平时，云南等地易出现洪涝，反之易出现干旱。

图5给出了2019年初夏纬向、经向水汽通量距平分布。从纬向水汽通量距平可以看出，在孟加拉湾中部及南部为异常东风水汽通量，中心位于孟加拉湾中南部，达-90 kg·m-1·s-1，北部和东部边缘地区有弱的西风水汽通量。云南大部到太平洋中部为西风水汽通量，中心位于太平洋中部。经向水汽通量距平中，孟加拉湾中东部一直到滇中为异常强的北风水汽通量，中心位于孟加拉湾中部，达60 kg·m-1·s-1，滇东南到中南半岛为弱的南风水汽通量。这就表明了2019年初夏由于向西的水汽输送控制孟加拉湾中部，向南的经向水汽通量控制孟加拉湾中东部至滇中的大范围地区，且云南大部为纬向异常负距平，使得向云南地区输送的水汽偏少，造成干旱。

图5 2019年4～5月纬向(a)、经向(b)水汽通量距平分布(单位：kg·m-1·s-1)

3.5 海洋表面温度异常

海洋具有很大的热容量，对后期的大气异常有重要的滞后调节作用，特别是热带地区海温变化影响显著。谭晶[22]等利用合成分析、相关分析等研究发现，热带太平洋ENSO和热带印度洋IOD对云南雨季降水多寡均有影响。

2019年初夏海温异常(图6)来看，热带东太平洋海水大范围持续异常增温，呈EL Nino型的海温分布。在热带东太平洋海温偏高影响下，热带西印度洋海温也偏高，特别是西印度洋出现0.8℃以上的正海温距平，从东印度洋到西印度洋形成一个西高东低的海温梯度。对应这种海温分布，使得在这个地区存在异常强的偏东风，热带西印度洋海温偏高，其上空激发气旋式距平环流，使得印度洋暖湿水汽向北进入大陆，经由青藏高原南侧并由北向南进入孟加拉湾，从而抑制了孟加拉湾印缅槽的发展和孟加拉湾暖湿空气向云南地区的输送，云南地区降水偏少。

图6 2019年4～5月海温异常(阴影和等值线，单位：℃)和700 hPa风场异常(矢量箭头)

此外，研究[23-26]也指出印度洋能影响南亚高压和东亚副热带西风急流的变化。学者[25]提出了热带印度洋SST“充电/放电”理论解释了热带太平洋、热带印度洋、南亚高压以及南亚季风之间的关系，认为赤道中东太平洋海温异常首先对印度洋“充电”，形成热带印度洋SST对太平洋ENSO的响应模态—海盆模，该暖(冷)模态又可以引起大气的“Matsuno-Gill pattern”响应，并通过亚洲夏季平均西南季风的水汽输送等使得夏季南亚高压偏强(弱)，即为“放电”过程。

印度洋对东亚副热带西风急流的影响[28]表现在：印度洋偏暖年，一方面南亚高压偏强，使得南亚高压北侧气压梯度增强，导致急流偏强；另一方面，印度洋抑制热带西北太平洋对流活动，造成东亚—太平洋/太平洋—日本(EAP/PJ)遥相关波列异常，使急流位置偏强偏南。这也解释了2019年初夏印度洋海温异常导致上文中南亚高压偏强，副热带西风急流位置偏南的现象。

4 结论

本文从大尺度大气环流、垂直运动、水汽输送、太平洋及印度洋海温等方面分析2019年初夏云南地区出现严重干旱的原因，得到以下结论。

(1)2019年初夏云南地区干旱同副热带西风急流轴、南海、孟加拉湾及南亚高压的大气环流异常及印度洋海温异常关系密切。

(2)2019年初夏40～80°E高空西风急流轴异常偏南，有利于西风带上的副热带槽脊波动到达青藏高原地区，当副热带西风槽到达青藏高原西侧时，在山脉的阻挡下，西风槽移速减缓，槽前的上升气流令高原地区大气热源异常偏强，进而在热源中心上空制作负涡度，令南亚高压异常偏北。云南地区位于对流层高层异常反气旋南部，强劲的下沉绝热增温效应，引发了该地区春季持续性高温干旱事件。

(3)700 hPa环流特征表现出，在孟加拉湾至印度半岛、南海地区均表现出明显的反气旋环流增强，青藏高原东南部和云南受西北气流控制。即南海至孟加拉湾之间位势高度发生同向不对称变换，其上空气压梯度减小，导致孟加拉湾低压与南海高压之间的西南气流异常减少，进入云南的水汽也随之减少。另一方面，中南半岛北部及云南省处于两距平环流中心之间的偏北距平风控制下，同样造成进入云南的西南气流和水汽减弱，冷暖空气难以在云南地区交汇，这些就造成2019年初夏云南降水异常偏少。

(4)2019年初夏无论是纬向还是经向垂直环流距平场都在云南表现出异常下沉运动，增温显著。

(5)向西的水汽输送控制孟加拉湾中部，向南的经向水汽通量控制孟加拉湾中东部至滇中的大范围地区，云南大部为纬向异常负距平，使得向云南地区输送的水汽偏少，造成干旱。

(6)热带西印度洋海温偏高，从东印度洋到西印度洋形成西高东低的海温梯度。使得在这个地区存在异常强偏东风，热带西太平洋上空激发气旋式距平环流，使得印度洋水汽向北进入大陆，经由青藏高原南侧并由北向南进入孟加拉湾，从而抑制了孟加拉湾印缅槽的发展和孟加拉湾暖湿空气向云南地区的输送，云南地区降水偏少。