近56 a西南区域降水分布及持续性干旱的研究

杨春艳，严小冬，夏 阳，李忠燕，刘 祥，范 倩

(1.贵州省黔西南布依族苗族自治州气象局，贵州 兴义 562400；2.贵州省气候中心，贵州 贵阳 550002；3.贵州省六盘水市气象局，贵州 六盘水 553000；4.重庆市气象服务中心，重庆 401147)

0 引言

近年来，在全球变暖的气候背景下，极端气候事件愈发频繁，其中以干旱灾害发生次数的增多尤为明显，且干旱发生的范围及持续时间亦有明显变强的趋势[1-3]。干旱作为影响中国的重要气象灾害之一，同时西南区域又是中国干旱事件最为频繁且严重的地区之一[4]，因此当地的干旱事件越来越受更多气象学者的关注。

前人的研究表明，每个季节均会发生干旱[5-6]，而春季是西南区域干旱发生概率最高的季节[7]。贺晋云等[8]的研究指出：西南区域极端干旱的发生频率在横断山脉南部、川西南、贵北和桂南等地呈现出明显的增加趋势。而杨金虎[3]的研究表明，当乌拉尔山脊和东亚大槽南段偏弱、中高纬地区西风带偏强、北方的干冷气流和西南的暖湿气流均较弱，且下沉运动控制西南大部分地区时，容易导致西南区域春旱的发生。在其他季节发生持续性干旱事件的研究方面，李永华[9]得出2006年夏季西南地区东部的特大干旱事件是由同期大气环流异常造成的，严小冬等[10]在贵州省冬季持续性干旱的研究中也证实了异常大气环流和异常海温对干旱的重要影响。黄荣辉等[11]研究表明，西南地区持续性干旱发生时，热带西太平洋和印度洋海温明显升高，热带西太平洋存在反气旋式异常环流，使得中国东南沿海受到异常西南气流的控制；而高原东部位于槽后西北气流中，表现为下沉运动，不利于孟加拉湾水汽向云贵高原输送，以致西南地区在较长时间降水偏少、干旱事件发展。其他研究也表明，水汽输送异常、南支槽异常、西太平洋副热带高压异常、下沉运动异常、关键区海温异常等等因子，均是极端干旱事件发生的重要影响因子[12-21]。

以往学者大多是对中国西南地区干旱事件的时空演变特征、某个季节的干旱事件、某年干旱个例的环流场进行分析，而对于中国西南地区多年的多季节持续性干旱事件的气候分布特征及其异常原因研究开展较少。故本文首先对西南区域降水的时空分布特征做了详细分析，然后参考适合西南区域的持续性干旱指标[10,22-24]，建立干旱个例库，分析大气环流内部的气象要素异常、海温异常，综合研究西南区域持续性干旱发生的物理机制，提前监测干旱事件发生的信号，在短期气候预测准确率中起到一定的提升作用。

1 资料与方法

本文资料来源于：①1961—2016年的云、贵、川、渝共51站地面观测的逐日降水、逐月降水和月气温资料；②NOAA-ERSST全球月平均海温资料；③环流特征量数据；④NCEP/NCAR再分析数据。除特别注明外，本文中的气候态分布均为1961—2016年共56 a的平均值。

为了探讨西南区域持续性干旱的成因，利用M-K检验、功率谱分析、Morlet小波分析等气象统计方法，对近56 a西南区域降水的时空分布、持续性干旱事件变化特征及其相关的气象影响因子进行分析。根据文献[10]，将持续性干旱事件的定义为：持续3个月及以上月平均降水量距平百分率小于-30%，并且该时间段内总降水量距平百分率小于-120%的事件。

2 结果与讨论

2.1 西南区域降水的时空分布特点

由图1可以看出，西南区域年平均降水量为629.9～1 678.5 mm，地域分布特征为东部南部多、西北少。年平均降水量低于1 000 mm的区域主要位于川西高原(甘孜和马尔康)和滇西北(香格里拉)等地的高海拔山区，此外在滇东北的昭通还存在一个降水低值中心。而年降水量高值区主要分布在滇南、贵南贵东、渝中渝东南以及川中的雅安等地，雅安地区降水量最多为1 678.5 mm。

图1 西南区域平均降水量空间分布(单位：mm)Fig.1 Spatial distribution of annual average precipitation in Southwest China (unit:mm)

根据1961—2016年西南区域年降水时序图(图2)，近56 a西南区域平均降水量为1 068.0 mm，20世纪60—70年代降水总体偏多，80年代后期—90年代中期降水总体偏少，90年代末降水短暂增加后，进入21世纪以来年降水量又呈现减少的趋势。降水量偏多年在近56 a中所占比例为61%(最多为1973年的1 198.2 mm)，偏少年为22%(最少为2011年的886.6 mm)。其中，典型偏少年为1992、2003、2006、2009、2011共5 a。

图2 1961—2016年西南区域降水时间变化(单位：mm)Fig.2 Temporal variation of precipitation in Southwest China from 1961 to 2016(unit: mm)

本文给出了西南区域年降水的M-K分析图来分析突变特征(图3)。由图可见，西南区域的降水在1986年前后发生了明显的突变，在1986年前降水量变化大，而在突变后降水呈下降趋势，特别是2009年后此趋势更明显，这与文献[25-27]结论相似。

图3 西南区域年降水M-K分布(黑色直线为95%的置信度水平检验临界值)Fig.3 M-K statistics curve of annual precipitation in Southwest China (The black straight line is the critical value passing the 95% confidence level test)

通过对西南区域年降水量进行小波分析和功率谱分析，可得到其多尺度变化信息，由图4a可见。在1970年代和2010年代，西南区域降水的低频特征表现出显著的准3 a振荡周期；而在20世纪70年代末至2000年代初，降水主要表现为8 a左右的振荡周期，但结合全时域功率谱分析(图4b)可知，此准8 a的活动周期并无准3 a的显著。

图4 西南区域年降水的Morlet小波分析(a，阴影部分为通过90%置信度水平检验)和全时域功率谱(b，实线为方差，点虚线为通过90%的置信度水平检验，虚线为通过95%的置信度水平检验)Fig.4 Morlet wavelet analysis of annual precipitation in Southwest China (a, the shaded part is the area passing the 90% confidence level test) and full time domain power spectrum (B, the real line is the variance, the dotted dotted line is the area passing the 90% confidence level test, and the virtual line is the area passing the 95% confidence level test)

2.2 持续干旱事件的时间演变特征

由表1可见，在过去的56 a中，西南区域共发生了8次持续性干旱事件，平均持续时间为5.4个月，其中从1968年12月开始直至1969年6月结束的事件持续时间最久，长达7个月。在干旱时间的强度方面，从累计距平百分率来看，2009年9月—2010年2月的干旱事件强度最强，达到了-262%。而从月平均降水距平百分率的分布来看，1966年1—4月的干旱事件达到-43.75%，略高于2009年9月—2010年2月的-43.67%。在年代际分布方面，20世纪60年代是西南区域持续性干旱事件发生最多的时段，而其他时段发生相对较少，在90年代则无发生次数。再从季节来看，春、冬季频数较多，秋季次之，夏季最少。

表1 8个持续性干旱事件发生时间及降水情况Tab.1 Occurrence time and precipitation of 8 persistent drought events

2.3 西南区域持续性干旱的成因分析

2.3.1 同期气象要素对干旱的影响 为探究西南区域近56 a持续性干旱的成因，本文对西南区域8次持续性干旱事件的同期气象要素距平进行了分析，包括水汽输送、水平环流、冷空气活动、垂直环流和海平面气压等。

水汽输送是造成大范围持续性降水的重要因素之一，尤其是对流层中低层的水汽输送对降水的贡献尤为突出，700 hPa水汽通量及散度分布图(图5)揭示出，西南地区的水汽主要来自孟加拉湾和南海的偏南气流，700 hPa上孟加拉湾有明显的反气旋性环流，不利于南支槽前西南气流的水汽输送，南海地区存在弱的气旋性环流，不利于副热带高压西侧的偏南气流对西南地区水汽的输送，同时二者之间耦合，在西南地区形成偏北气流，阻断了西南地区的水汽通道。从水汽通量散度也可以看出，重庆、贵州地区水汽通量散度很弱，云南地区表现出低层有较强的水汽通量辐散。

图5 水汽通量(箭头，单位：g·cm-2s-1)及散度(阴影，单位：s-1)异常分布(a：700hPa；b：整层大气)Fig.5 Abnormal distribution of water vapor flux (arrow, unit:g·cm-2s-1) and water vapor flux divergence (shadow, unit:s-1) (a: 700hPa；b: the whole atmosphere)

从200 hPa水平风场(图6a)来看，在我国中低纬地区的上空高层大气中存在反气旋性环流(即南亚高压)的影响，但范围较小且风场较弱，因此南亚高压强度较常年同期偏弱。同时从散度场可以看到西南地区上空散度场较弱或为弱的辐散，高层辐散较弱不利于抽吸作用造成上升运动，阻碍降水的发生。

500 hPa和700 hPa风场分布与200 hPa表现基本一致，在西南地区均表现出上下一致的反气旋性环流，但低层较高层有偏西的趋势，且低层700 hPa较弱。从500 hPa的风场(图6b)可以看出，孟加拉湾受弱的反气旋性环流控制，不利于南支槽的活跃。同时南海地区处于气旋性环流的控制，不利于副热带高压的活跃，这与前文所研究的700 hPa水汽通量合成分布形成较好的对应。从700 hPa垂直速度场(图6b)和散度场(图6c)可以看到，西南地区唯一显著下沉运动控制配合低层大气存在弱的辐散情况，不利于垂直上升运动造成降水，因此造成了西南地区持续性干旱事件。

图6 异常的200 hPa风场(单位:m/s)与散度场(a，单位：s-1)、500 hPa风场与700 hPa垂直速度场(b，单位：m/s)以及700 hPa风场与散度场(c，单位：s-1)分布，箭头是风场，阴影是散度和垂直速度Fig.6 Abnormal distribution of 200 hPa wind field(unit:m/s) and divergence field (a,unit:s-1), 500hPa wind field and 700 hPa vertical velocity field (b,unit:m/s) and 700 hPa wind field and divergence field (c,unit:s-1), with arrows representing wind field and shadows representing divergence and vertical velocity

从200 hPa纬向风环流分布(图7)可以看出，气候平均的纬向风大值区位于黄海至日本以东洋面，而从距平场可以看出，20～40°N之间的亚欧地区中高纬度呈现出“低高低”的纬向风异常分布特征，且气候平均的纬向风大值区表现为负距平，说明高层西风急流较常年偏弱，造成高空急流轴右侧西南地区上空的辐散场较弱，不利于上升运动产生降水。从500 hPa位势高度场环流可以看出，气候平均的乌拉尔山地区为高压脊。而从距平场可以看出，40～60°N之间的亚欧中高纬度地区表现为“高低高”的异常位势高度分布，且乌拉尔山高压脊为负距平，说明乌拉尔山高压脊较常年同期偏弱，不利于脊前冷空气南下和南方冷空气在西南地区交汇形成降水。

图7 200 hPa纬向风(a，单位:m/s)和500 hPa位势高度(b，单位:gpm)分布，等值线是气候场，阴影是距平场Fig.7 Distribution field of 200 hPa zonal wind (a,unit:m/s) and 500 hPa geopotential height (b,unit:gpm) in Eurasia, isoline represents climate field, shadow represents anomaly field

根据海平面气压距平分布可知(图8a)，亚欧中高纬度地区为正的异常气压分布，在新地岛以西的海平面气压正异常中心值超过了6 hPa，表明该地区为强的冷高压控制。由于中国大部分地区海平面气压距平值为负值，温度偏高，冷空气不能到达，不利于冷暖空气在中国西南地区交汇形成降水。从500 hPa温度距平分布(如8b)同样可知，在中国西南地区上空为气温正距平区域，距平中心值高达0.8 ℃，同样说明中国西南地区冷空气较弱，不利于降水的发生。

图8 海平面气压(a，单位：hPa)及500 hPa气温(b，单位：℃)的距平分布场Fig.8 Abnormal distribution field of sea level pressure (a,unit:hPa) and 500 hPa temperature (b,unit:℃)

从西南区域纬向平均垂直速度分布(图9a)可知，在青藏高原东侧低层700 hPa有弱的上升运动以外，青藏高原东西侧以及西南地区受明显下沉运动控制，特别是西南地区的下沉运动从近地面上延伸至400 hPa，中心强度超过1.5×10-2Pa/s。从西南区域经向平均垂直速度分布(图9b)可知，西南地区南部750～350 hPa也为下沉运动，中心强度大于1.5×10-2Pa/s。因此下沉运动导致西南地区炎热少雨，造成持续性干旱事件。

图9 西南上空异常纬向(a)和经向环流(b)分布场，流线是垂直环流，阴影是垂直速度(单位:m/s)Fig.9 Abnormal distribution field of zonal circulation (a) and meridional circulation (b) over Southwest China. The streamline is vertical circulation, and the shadow is vertical velocity(unit:m/s)

2.3.2 前期海温对西南区域持续性干旱的影响 已有研究表明，海温是通过海气相互作用来影响大气环流的异常变化，从而对区域性气候特征产生影响，但其影响具有一定的滞后效应[11]。因此，这里对过去西南地区8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10)，探寻与西南地区干旱事件可能存在联系的海温关键区和影响时段。

图10 西南区域干旱发生前期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.10 The distribution characteristics of the Global SST anomalies in the middle and low latitudes in the first 1-8 months of the drought in Southwest China (shadow, unit:℃)

在西南地区持续性干旱事件发生前第8个月，除了在北太平洋和东太平洋存在明显的海温正距平之外，其余海区的海温基本呈现为负距平分布，其中在美国西海岸洋面、南太平洋、中西太平洋及南印度洋的海温负距平值超过了0.5 ℃，呈现出典型的拉尼娜现象。随着时间推移至干旱发生前7～1个月，北太平洋海温负异常减弱，正异常影响区域扩展到整个北太平洋，同时正距平海温在东太平洋地区也迅速往西延伸至中东太平洋表，在印度洋南部地区海温负异常减弱转而向正异常发展。包括南海、东海和黄海在内的我国近海海域的海温亦由8个月前的显著海温负异常逐渐减弱，其中南海海温转变为正异常分布，而东海和黄海的海温负距平则在干旱发生前第1个月重新迅速加强。在干旱事件发生前第1个月时，整个全球海温分布基本呈现为中东太平洋和北太平洋的正异常分布，厄尔尼诺现象旺盛，而在中国东海和黄海则为显著的海温负异常中心，海温正负异常中心的距平值均超过了0.5 ℃。

总体来说，前期中东太平洋的拉尼娜现象以及中国近海地区的海温异常分布对西南地区持续性干旱事件的发生有密切联系，所以可通过上述地区的海温变化来预测西南区域持续性干旱的发生。

3 小结

本文对近56 a西南区域降水的时空分布特征以及持续性干旱的变化特征进行了分析，从多角度(同期水汽输送、大气环流、水平环流、冷空气活动、垂直环流、海平面气压以及前期海温)讨论了西南区域持续性干旱事件的成因，结论如下：

①西南地区降水量分布主要表现为东部南部多、西北少的地域分布特征。降水量偏多年在近56 a中所占比例为61%，偏少年为22%。在活动周期方面，20世纪70年代和21世纪10年代，西南区域年降水存在显著的准3 a振荡，且在整个时间域中还表现出较弱的8 a振荡。

②近56 a西南区域持续性干旱事件发生次数为8次，其中干旱事件在20世纪60年代是发生最多的时段，其他时段发生较少，在90年代未发生。从季节上看，春、冬季频数较多，秋季次之，夏季最少。

③孟加拉湾异常反气旋性环流和南海偏弱的气旋性环流共同阻断了西南地区的水汽输送通道，水汽通量辐散，使得当地的水汽来源减少。而西南上空高层大气中的异常反气旋与贝湖附近至中西伯利亚上空异常气旋环流系统之间的异常西风带，使得高层大气经向环流偏弱，冷空气位置强度偏北；印缅南支槽偏弱，中层中低纬地区副高位置偏东偏南，强度偏弱；加上欧亚中低纬地区为海平面气压负异常控制区，温度异常偏高，西南地区上空存在下沉运动极值中心，使得西南地区水汽条件较差，不利于降水的发生，促进了干旱事件的发展。

④前期中东太平洋的拉尼娜现象和中国近海地区的海温异常分布对西南地区持续性干旱事件的发生有密切联系。在西南地区持续性干旱事件发生前第8个月，除了在北太平洋和东太平洋存在明显的海温正距平之外，其余海区的海温基本呈现为负距平分布；发生前7～1个月，北太平洋、中东太平洋的海温负异常减弱转为正异常分布，我国近海海域的海温表现为逐渐减弱的负异常形势；在第1个月时，整个全球海温呈现出中东太平洋和北太平洋的正异常分布，厄尔尼诺现象旺盛。