中国区域性骤发干旱特征分析

叶天 余锦华 叶梦茜 谢洁宏

(南京信息工程大学 气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044)

引 言

干旱指一定时间段内，某地区由于水分支出远大于水分收入，引起水分短缺，难以满足植物生长或人们生产生活实践对水分需求的一种自然灾害。随着全球增暖，干旱事件的发生频率和范围都有所增加，严重影响了人类的生活和社会经济的发展[1-3]，如2003年江南、华南等地出现伏秋连旱；2009—2010年西南地区出现严重特大干旱；2013年江南大部、华南北部出现历史罕见的高温干旱事件。研究干旱事件特征及其成因尤为重要。刘银峰等[4]利用再分析资料从热力学异常角度探讨了2006年热源异常与夏季西太平洋副热带高压和川渝地区旱涝的关系；晏红明等[5]和郑建萌等[6]诊断分析了2009—2010年云南特大干旱的气候特征及成因；夏扬等[7]和李曈等[8]分析了2013年长江中下游地区的夏季高温干旱的环流特征及其成因；沙天阳等[9]对我国西南地区东部秋季干旱的环流特征和成因进行了分析。

传统研究将干旱分为四类：(1)以降水指标划分为主的气象干旱类，这类干旱事件主要特征为降水减少，其发展和结束都可能发生在较短时间内；(2)以土壤水分和作物指标划分的农业干旱类，在农作物生长期对其产量产生影响；(3)以地表径流和地下水指标划分的水文干旱类；(4)以供水和人类需水指标划分为主的社会经济干旱类。不同类型干旱之间关系复杂，一般以气象干旱最先发展。气象干旱主要以降水和气温观测数据定义的SPEI指数和PDSI指数识别，大多维持月及以上时间尺度。关于这类干旱特征及成因方面做了很多研究，如安迪等[10]利用SPEI指数分析了黄淮流域及周边地区近54 a夏季干旱变化及其异常成因；黄庆忠等[11]利用Time-Series(TS)Version 3.23高分辨率气候栅格数据集以及NCEP再分析数据，计算得到SPEI指数，研究了1949—2014年中国区域干湿气候变化特征及其成因; 刘珂等[12]先采用气候变化趋势转折判别模型分析了1961—2009年我国8个区域夏、冬季气温和降水的年代际变化，而后利用PDSI干旱指数研究了夏、冬季极端干旱在年代际尺度上的时空变化特征及其成因。

“骤发干旱”即气象条件驱动的农业干旱，与传统干旱认为降水减少是驱动干旱的主要因素不同，高温热浪可能是骤发干旱的驱动因素[13-14]。传统的干旱指数不能及时反映天气变化状况，进而较难监测“骤发干旱”事件。如2012年美国中部大平原地区，持续降水异常偏少并伴随着高温热浪和充足的日照，使得蒸散发异常增大，植被和作物根区土壤湿度迅速减少，最终枯萎甚至死亡[15]，此次干旱带有突发性且其部分机理当时不太明确，造成了严重的经济损失。这类干旱具有发生发展迅速、强度大、范围广和破坏性强的特点，因此也被称为“骤发干旱”[16-17]。骤发干旱事件在农作物生长季较常见[16]，在传粉受精或灌浆期等农作物生长关键阶段，虽持续时间短，但由于水分的缺少而导致农作物产量大幅下降[18-19]。

目前国内外关于“骤发干旱”的研究处于起步阶段。大多数研究认为，植被根区土壤湿度快速下降到低于某一阈值则认为爆发骤发干旱。选取一系列指数，如蒸发胁迫指数[13-14，20-21]、土壤湿度指数[22]、快速变化指数[23]等研究骤发干旱早期爆发成因。还有一部分研究集中在骤发干旱的持续状态，如Mo， et al[16]使用气温、土壤湿度和蒸散发的候数据定义了骤发干旱并分析了近百年美国骤发干旱的变化趋势；WANG，et al[24]利用相似方法发现一类骤发干旱事件多发于我国南方湿润地区，另一类发生在我国北方地区，并与季节性干旱联系起来；ZHANG，et al[25-26]利用CMIP5模式降尺度资料耦合VIC陆面水文模型，研究了赣江流域骤发干旱的变化特征并进行了未来评估；张翔等[27]分析了1983—2015年我国农业区域的三类骤发干旱的时空分布特征。

2013年夏季，我国南方多地持续高温少雨，受灾严重。本文参考了我国区域骤发干旱的研究观点，基于已有的研究，定义了格点骤发干旱指数，找出该类干旱在我国主要发生的区域，将其作为研究区域，给出区域性骤发干旱事件指标，分析我国区域性骤发干旱事件的气候特征，并诊断2013年区域典型骤发干旱事件影响要素及环流场的变化。研究结果有助于深入认识我国区域性骤发干旱事件特征及其发生发展过程，为干旱预报预警提供科学依据。

1 资料和方法

1.1 资料

气温和降水的逐日资料来源于中国气象局国家气象信息中心1961—2017年的2 400多个观测站。由于缺乏直接观测，土壤湿度和蒸散发数据选用了全球陆表同化数据系统GLDAS(Global Land Data Assimilation System)2.0版本(1979—2010年)[24]和2.1版本(2011—2017年)的每3 h数据集，分辨率为0.25°×0.25°。选用ECMWF对全球气候的第五代大气再分析资料ERA5(Fifth Generation of ECMWF Atmospheric Reanalysis of the Global Climate)的1979—2017年的逐小时、分辨率为0.25°×0.25°的500 hPa位势高度、925 hPa风场和地表净太阳辐射通量资料研究区域性骤发干旱事件发生的环流背景及成因。

先剔除气温和降水资料中连续缺测超过1个月的站点，将其插值为格点数据，再将蒸散发和土壤湿度资料、500 hPa位势高度、925 hPa风场和地表净太阳辐射通量资料处理为逐日数据。考虑到1 m内的土壤水分能满足大部分作物根部水分、营养吸收的需求[28]，本文选用了1 m内的土壤湿度来研究骤发干旱。由于骤发干旱持续时间短，为了有效捕捉骤发干旱事件，在对典型个例分析之前，气温、降水、蒸散发和土壤湿度数据均使用候平均时间尺度进行分析[24](5、7和8月的最后一个候为6 d平均)，在对区域典型事件过程分析时则使用逐日资料。

1.2 格点骤发干旱的定义

考虑到高温热浪与骤发干旱有关，但气温大于1个标准差并不是真正意义上的高温热浪。因此，本文中格点骤发干旱定义如下：

T≥35 ℃且ETa>0且SM%≤30

(1)

式中：T为日最高气温的候均值(单位：℃)；ETa为蒸散发候均值的距平(指相对于1979—2017年的候平均，单位：mm·d-1)；SM%为整个时间序列内土壤湿度百分位数[29]。在候时间尺度上，满足上述标准则认为该格点发生了骤发干旱。

1.3 区域性骤发干旱事件的识别

首先找出研究的关键区域：对1979—2017年4—9月格点骤发干旱候数的时间序列(我国区域外处理为缺测)进行经验正交展开(Empirical Orthogonal Function, EOF)分析并进行North显著性检验，选取结果通过检验的特征向量进行旋转经验正交展开(Rotational Empircal Orthogonal Function, REOF)，识别空间型并选择旋转空间模态的高载荷区域作为关键区域。

若同一候，区域中至少有50%的格点同时发生骤发干旱，则将该候定义为该区域爆发骤发干旱事件的起始候，直到结束候，定义为一次区域性骤发干旱事件。在确定区域性骤发干旱事件过程中，若相邻的两次事件间隔不超过1候，仍认为是一次区域性骤发干旱事件。

2 结果分析

2.1 格点骤发干旱的气候特征

图1为1979—2017年4—9月植被生长季格点骤发干旱各月发生候数和总发生候数的气候态。可以看出，近39 a骤发干旱多发于我国南方夏季，且7月发生最多，8月其次，6月河南南部也发生过几次；骤发干旱平均每年发生1～1.6候，有两个大值中心，分别位于湖南省中南部和浙江省西南部地区。这与Mo，et al[16]和WANG，et al[17]的结论类似，骤发干旱多发生在较湿润地区，主要因为较湿润地区水汽条件充足，高温条件下蒸散发增强，使土壤水分快速减少，有利于发生骤发干旱。

图1 1979—2017年4—9月格点骤发干旱(a—f)各月发生候数和(g)发生总候数的气候态(单位：候·a-1)

2.2 选取关键区域

对1979—2017年骤发干旱发生候数的时间序列进行EOF分析(表1)，可见，EOF前3个模态通过了显著性检验，且前3个主成分的累积方差贡献达到55.8%，第一主成分方差贡献最大，达到38.3%，第二、三主成分的方差贡献分别为10.3%和7.2%。第一典型场表现为我国东南部地区的一致性特征，中心位于湖南、江西和浙江西部地区(图2a)；第二典型场为东南—西北反向分布型，即浙江、福建等地区与湖南、湖北骤发干旱的发生是反位相(图2b)；第三典型场显示出从东南向西北的“正—负—正”三极型态(图2c)。

为进一步揭示骤发干旱发生的地域性特征，对EOF的前10个主成分进行方差极大正交旋转。由表1可以看出，旋转后的前3个主成分的方差贡献分别为27.3%、16.4%和5.5%，累积方差贡献值为49.2%。从前3个旋转空间模可以看出，前3个旋转空间模中高载荷区主要分别位于湖南中北部地区(图2d)、浙南闽北地区(图2e)和川渝交界地区(图2f)。因此选取3个骤发干旱发生频繁及变率大的区域：A(26°～30°N，110°～114°E)、B(28°～30°N，117°～121°E)和C(29°～33°N，106°～110°E)，分别对应着前3个旋转空间模的高载荷区域。

图2 1979—2017年骤发干旱发生候数的(a—c)EOF前3个模态及(d—f)对应的REOF模态(黑色实线内载荷值绝对值≥0.4)：(a) EOF1；(b) EOF2；(c) EOF3；(d) REOF1；(e) REOF2；(f) REOF3

表1 1979—2017年骤发干旱发生候数的EOF和REOF分析前10个模态方差贡献

2.3 区域性骤发干旱事件

按照区域性骤发干旱事件(简称事件)的识别标准，得到近39 a 3个区域爆发的区域性骤发干旱事件频数的时间序列和不同持续候数干旱事件的频数(图3)。

图3 1979—2017年3个区域(a—c)骤发干旱事件频数时间序列和(d—f)不同持续候数干旱事件频数：(a、d) A区域；(b、e) B区域；(c、f) C区域

湖南中北部地区(A区域)1979—2017年共爆发骤发干旱事件16次。图3a显示，近10 a来骤发干旱事件爆发次数明显偏多，并且大部分事件持续时间为1候，持续两候的事件出现了1次，最长一次事件持续了7候(图3d)。浙南闽北地区(B区域)1979—2017年共爆发19次事件，比A区域干旱事件多爆发3次，最多的3次爆发在1994年，近10 a其爆发次数比A区域少(图3b)。B区域事件的持续时间多为1～2候，出现过2次持续时间达6候的干旱事件(图3e)。川渝交界地区(C区域)骤发干旱事件爆发次数不多，1997年和2006年各爆发2次区域性骤发干旱事件，且持续时间多为1候(图3c、f)。

为研究区域性骤发干旱事件的演变特征，针对A、B两个区域，分别分析了日最高气温、蒸散发异常、土壤湿度百分位数和降水异常4个要素在干旱事件爆发前两候到爆发后两候期间的演变过程。

图4为A区域骤发干旱事件的演变过程。骤发干旱爆发前两候，气温较低，降水、蒸散发和土壤湿度基本在常年平均的状态(图4a—d)，在干旱事件爆发前1候，湖南和湖北等地的气温开始升高(图4e)，蒸散发也开始增加(图4f)，同时降水开始低于正常水平(图4h)，土壤湿度开始下降(图4g)。干旱爆发候，湖南湖北等地的气温相比于前1候迅速增加，达到35 ℃以上(图4i)，蒸散发也迅速增大(图4j)，此时降水维持负距平(图4l)，土壤湿度明显迅速下降，土壤湿度百分位数基本维持在20%以下(图4k)。事件爆发后1候(图4m—p)，高温消退，降水和蒸散发基本恢复正常，但土壤湿度仍低于临界值，虽然范围缩小，但干旱仍在持续，甚至持续到事件爆发后两候(图4s)。值得注意的是，在事件爆发前1候的降水已经是亏损状态，此时土壤湿度略低于临界值，当气温迅速升高时，蒸散发迅速增大，导致土壤湿度快速减小，因此事件的发生主要是由高温驱动，降水不足为干旱的发生发展提供了有利条件。

图4 1979—2017年A区域(26°～30°N，110°～114°E)骤发干旱事件(a—d)爆发前两候、(e—h)爆发前一候、(i—l)爆发期间、(m—p)爆发后一候和(q—t)爆发后两候的T(单位：℃)、ETa(单位：mm·d-1)、SM%(单位：%)和Pa(单位：mm·d-1)的合成场(仅显示超过α=0.05置信度的网格点)

分析了B区域骤发干旱事件的演变过程(图略)之后发现，和A区域类似，B区域事件的爆发也是主要由高温驱动，爆发前气温迅速升高，蒸散发迅速增大，降水异常偏少，导致土壤湿度快速下降，部分地区远低于临界值。在事件爆发后1候气温、蒸散发和降 水恢复正常，但是土壤湿度的恢复速度较慢，干旱持续到爆发后两候。但相比于A区域，B区域事件爆发的过程较长，从开始到爆发约需2候。

2.4 区域性典型骤发干旱事件影响要素及环流场特征

2013年A区域经历了两次区域性典型骤发干旱事件。图5表明第一次过程爆发前，土壤水分充沛，气温较低，6月10日左右气温开始上升，蒸散发也开始增大，土壤湿度开始减少，大约6月20日气温达到最大，蒸散发随着气温的迅速上升而增大，土壤湿度迅速下降至最低，爆发了第一次区域性骤发干旱事件。在爆发前2～3 d，降水已经异常减小至最小，而气温仍在迅速上升，导致蒸散发继续增大，土壤湿度低于临界值，此次过程主要由高温驱动，降水的异常减少提供了条件。第二次过程爆发前，气温基本维持在33 ℃以上，7月1日降水开始增多，2～3 d之后蒸散发开始增大，降水达到极大值后开始减小，蒸散发达到极大值后也开始减小，整个过程中蒸散发随着降水的变化而变化，最后土壤湿度下降到临界值之下，爆发了第二次区域性骤发干旱事件，此次过程为降水所驱动，高温促使干旱的发生。

图5 2013年A区域两次骤发干旱事件前后 T(红线，单位：℃)、SM%(黑线，单位：%)、ETa(绿线，单位：mm·d-1)和Pa(蓝线，单位：mm·d-1)的5 d滑动平均曲线(灰色时段为骤发干旱爆发起始候，水平线表示SM% 临界值)

高温热浪的产生往往与特定的大气环流形势密切联系。第一次事件爆发期间(图6a)，虽然副高主体仍在西北太平洋上空，但湖南上空出现位势高度正距平，表明A区域在第一次干旱事件爆发过程中，受异常高压的影响，异常下沉气流，一方面使降水减少，另一方面下沉绝热加热，引发高温热浪产生。位于湖南上空的925 hPa低层风场盛行偏南风(图6a)，低纬地区为该地输送偏暖气流，有利于气温的升高。而第二次事件爆发期间(图6b)，我国东部地区受异常偏西、偏强的副高控制，位势高度正异常覆盖40°N以南、110°～140°E范围，这表明A区域在此期间大部分时间在持续异常强大的副高控制之下，持续高温过程。低层风场呈反气旋性环流，对应着副高主体，湖南地区正处于西南偏暖气流控制中(图6b)。同时，该反气旋性环流进一步促使副高西伸北抬及稳定维持，使得湖南等地出现高温。

结合剖面(图6)，6月初副高仍在偏南位置，A区域上空出现位势高度正距平，6月10日开始，其往南扩展，短短5 d内覆盖了A区域(图6c)，导致A区域气温迅速升高(图5)。7月5日左右，A区域受副高控制，副高位置较常年偏北，但A区域的位势高度正距平基本不变，表明在此期间高温持续控制整个A区域(图6c)，导致A区域的高温的维持(图5)。6月初副高仍在150°E附近，7月初西太平洋副热带高压西伸，最西伸展到125°E附近，较常年明显偏西(图6d)，副高在第二次干旱事件爆发期间持续控制A区域。两次骤发干旱事件爆发期间湖南、湖北和贵州等地的地表净太阳辐射通量都有显著增加(图略)，通过辐射和显热的非绝热加热过程，升高气温。

图6 2013年A区域(a)第一次和(b)第二次骤发干旱爆发期间500 hPa位势高度(黑色等值线)和位势高度距平(阴影)以及925 hPa风场(箭矢，单位：m·s-1)的空间分布；两次骤发干旱事件爆发前后500 hPa位势高度距平分别沿(c)110°～140°E平均的经向时间剖面和(d)20°～35°N平均的纬向时间剖面(单位：gpm；黑色等值线为2013年5 880 gpm，红色等值线为气候态5 880 gpm，黑色虚线为骤发干旱爆发起始候)

3 结论

基于观测和再分析资料，利用气温、蒸散发和土壤湿度对骤发干旱进行定义，探讨了1979—2017年骤发干旱的气候特征并用REOF方法选取了骤发干旱频发及变率大的区域，在此基础上定义区域性骤发干旱事件并研究其演变特征，进一步分析典型个例的要素和环流特征。主要结论如下：

(1)1979—2017年，骤发干旱多发生于我国南方夏季较潮湿地区，每年发生1～1.6候，大值区分别位于湖南中南部和浙江西南部地区。

(2)骤发干旱频发且变率大的区域分别是湖南中北部地区、浙南闽北地区和川渝交界地区。湖南中北部区域干旱事件持续时间多为一个候且近10 a发生次数明显偏多；浙南闽北区域比湖南中北部区域的骤发干旱事件发生更频繁，1994年发生次数最多，近10 a发生次数比湖南中北部区域少。

(3)影响骤发干旱事件爆发要素的演变过程显示，在干旱爆发前1候，异常高温出现，蒸散发迅速增加，导致土壤湿度快速下降，爆发骤发干旱事件。在事件爆发后的1～2候，土壤湿度仍为亏损状态。相比于湖南中北部区域，浙南闽北区域总体的爆发速度略慢。

(4)2013年湖南中北部区域经历了两次骤发干旱事件，第一次干旱爆发前，其区域上空短时间内出现位势高度正距平，受异常高压的影响，异常下沉气流导致降水减少和绝热增温，加上偏暖气流和异常非绝热加热，气温快速升高，蒸散发随之增大，土壤湿度迅速减小，爆发了第一次干旱事件，此次过程由高温驱动；第二次干旱爆发前，明显较常年偏西、偏北的西太平洋副热带高压稳定控制该区域，偏南气流以及大气的绝热和非绝热加热过程，使得高温一直维持，蒸散发随着降水的变化而变化，导致第二次干旱事件的爆发，此次过程由降水驱动，高温起促进作用。

致谢：感谢南京信息工程大学水文与水资源工程学院袁星教授提供蒸散发和土壤湿度资料。