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  气象   2012, Vol. 38 Issue (11): 1399-1407.  

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王晓敏, 周顺武, 周兵, 2012. 2009/2010年西南地区秋冬春持续干旱的成因分析[J]. 气象, 38(11): 1399-1407. DOI: .
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WANG Xiaomin, ZHOU Shunwu, ZHOU Bing, 2012. Causative Analysis of Continuous Drought in Southwest China from Autumn 2009 to Spring 2010[J]. Meteorological Monthly, 38(11): 1399-1407. DOI: .
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资助项目

国家科技支撑计划项目(2009BAC51B05) 和公益行业(气象)科研专项(GYHY201006019,GYHY200806004) 共同资助

第一作者

王晓敏,主要从事气候动力学研究.Email: imisstar@hotmail.com

文章历史

2011年10月31日收稿
2012年2月28日收修定稿
2009/2010年西南地区秋冬春持续干旱的成因分析
王晓敏 1,2, 周顺武 1, 周兵 2    
1. 南京信息工程大学 气象灾害省部共建教育部重点实验室,南京 210044
2. 国家气候中心,北京 100081
摘要:利用国家气候中心提供的1951—2010年逐日综合气象干旱指数(CI)和大气环流监测指数,结合西南地区335个站的逐日降水资料、逐日NCEP/NCAR再分析资料、NOAA提供的逐日OLR资料,通过REOF提取干旱空间分布型,采用合成分析和相关分析等方法,从西太平洋副热带高压、印缅槽、对流活动、水汽输送及垂直运动等几个方面,揭示了2009/2010年西南地区秋冬春持续干旱的大气环流异常特征。研究发现此次极端干旱事件发生在中等强度中部型El Niño背景下,受其影响,反Walker环流导致赤道120°E附近形成显著异常的下沉运动,菲律宾周边地区存在一个强大的异常反气旋,同时,西南地区受异常西北气流控制,两者的共同作用,使对流层低层存在明显气流辐散区,其持续异常是极端干旱发生的重要原因。
关键词西南地区    秋冬春    持续干旱    成因分析    大气环流异常    
Causative Analysis of Continuous Drought in Southwest China from Autumn 2009 to Spring 2010
WANG Xiaomin1,2, ZHOU Shunwu1, ZHOU Bing2    
1. Ministry of Education Key Laboratory of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044;
2. National Climate Centre, Beijing 100081
Abstract: Based on the 1951—2010 daily Compound Index (CI) and atmospheric circulation monitoring index provided by National Climate Center, the daily precipitation data of the 335 stations in the Southwest China, the daily NCEP/NCAR reanalysis data and the daily OLR data of NOAA, the distribution of the drought patterns in the Southwest China was analyzed by using the REOF method, and the characteristics of atmospheric circulation anomalies such as western Pacific subtropical high (WPSH), Indian-Burma trough, convection activities, water vapor transportation, and vertical motion of the continued drought from autumn 2009 to spring 2010 in the Southwest China were revealed according to the composite analysis and correlation analysis methods. It was found that the extreme drought occurred in the medium strength and central pattern El Niño background, instead of statistical typical La Nia background. The results indicated that influenced by the central type El Niño, the anti-Walker circulation caused the significantly abnormal sinking movement around 120°E in the equator and a strong abnormal anti-cyclone in the South China Sea and the surrounding areas of Southeast Asia. At the same time, the Southwest China was affected by the abnormal northwest air stream. By both influences, an obvious airflow divergence area occurred in the lower troposphere and its persistence was the key cause for the extreme drought.
Key words: Southwest China    autumn-winter-spring    continued drought    causative analysis    atmospheric circulation anomalies    
引言

西南地区是我国干旱发生频率较高的地区之一,每年10月至次年4月为干季。历史干旱灾害统计资料显示,西南地区几乎每年都有不同程度的干旱灾害发生,大范围、长时间的严重干旱5~10年就会出现一次,近年来连续发生了2006/2007年和2009/2010年两次特大干旱,尤以2009—2010年的干旱最为严重[1]。其中,贵州、云南、广西、四川和重庆等西南5省(区、市)降水量普遍偏少2~3成,部分地区偏少5~8成;气温较常年同期偏高1~2℃。此次干旱持续时间长、影响范围广,并造成了严重的经济损失。因此,分析该地区干旱的特征以及干旱成因,对于提高干旱预测水平,防御干旱灾害具有重要意义。

干旱指标是研究干旱气候的基础,也是衡量干旱程度的标准和关键环节。目前应用广泛的干旱指标有Palmer干旱指数(PDSI)[2]、标准化降水指数(SPI)[3]、相对湿润度指数(M)、降水距平百分率等。Lu[4]在SPI基础上发展出加权平均降水指数(WAP),考虑了同期降水和前期降水衰减作用的影响,可用于评估旱涝的年际变化和长期过程。2006年我国建立了以标准化降水指数、相对湿润度指数和降水量为基础的综合气象干旱指数(Compound Index,CI)[5],该指数包含了前期降水量统计分布特征的标准化降水指数SPI,也包含了降水与蒸发之间的平衡关系。CI气象干旱指数,既反映短时间尺度(月)和长时间尺度(季)降水量气候异常情况,又反映短时间尺度(影响农作物)水分亏欠情况,适合于实时气象干旱监测和历史同期气象干旱评估。

对旱涝成因和预测方面的研究,国外主要集中在对美洲、澳洲、欧洲及非洲干旱事件的研究[6-8],而国内学者多着眼于大气环流与海温异常对我国东部旱涝的影响[9-11];马柱国等[12-13]利用地表湿润指数系统分析,西北的干旱化趋势和形成机理。

目前西南地区的干旱研究主要集中在夏季旱涝时空变化趋势特征[14-15]以及对夏季旱涝事件的成因分析[16-18],而对于秋、冬和春季旱涝事件的成因研究相对较少[19-20]。针对2009/2010年发生在西南地区的秋冬春持续干旱事件,目前主要是环流特征方面的分析[21],与热带中东太平洋SSTA异常等大气外强迫的联系较少。

El Niño(La Niña)是迄今为止人类所观测到的全球大气和海洋相互耦合的最强信号之一。2009/2010年西南地区极端干旱事件,发生在El Niño Modoki背景下。本文采用国家气候中心综合气象干旱指数(CI),首先通过REOF方法客观提取干旱空间分布型,在此基础上从西太平洋副热带高压(以下简称西太副高)、印缅槽、大气对流活动、水汽输送及垂直运动等方面分析西南地区秋冬春持续干旱基本特征,采用合成分析和相关分析的方法,探讨热带中东太平洋海温异常对西南干旱的影响。

1 资料和方法

本文选用资料包括:(1) 国家气候中心提供的1951—2010年722个站逐日综合气象干旱指数以及同期的南方涛动指数(SOI)和Niño Z指数;(2) 国家气候中心提供的逐日降水资料,其中西南地区代表站335个(22.5°~31.5°N、99°~108°E);(3) NCEP/NCAR逐日再分析数据资料集,包括纬向风、经向风、地面气压、比湿及垂直速度,水平分辨率为2.5°×2.5°;(4) NOAA提供的逐日OLR资料,水平分辨率为2.5°×2.5°;(5) NOAA气候预测中心(CPC)提供的Niño3.4指数及ONI指数。

主要采用旋转经验正交函数展开(REOF)[22]、合成分析和相关分析等方法。本文中,除特别说明外,均采用1971—2000年的平均值为气候平均态。

2 西南地区干旱及降水异常特征

图 1是1950—2010年西南地区冬春季(11月至次年3月)平均干旱指数距平及降水距平百分率逐年变化。由图 1a可以看出,2009/2010年是1951年以来干旱程度最为严重的一年,平均干旱指数距平达到最小值-1.16。而从降水距平百分率逐年变化(图 1b)可以看出,1953/1954、1954/1955及1982/1983年为偏涝年,降水距平百分率大于40%;1962/1963与2009/2010年为偏旱年,降水距平百分率小于-40%,其中2009/2010年降水距平百分率为1951年以来次小值为-45.8%。

图 1 1950—2010年西南地区冬春季(11月至次年3月)平均干旱指数距平(a)及降水距平百分率(b)逐年变化特征 Fig. 1 The yearly variation of average CI anomalies (a) and precipitation anomaly percentage (b) in winter and spring (November-ensuing March) in the Southwest China

图 2为经过11点平滑处理的2009年4月1日至2010年4月30日西南地区逐日降水变化,由图可见,2009年汛期开始前总体上降水(实线)较常年(虚线)偏少,2009年4月下旬至2010年3月下旬,除主汛期7月1候前后和8月1候前后2个阶段降水偏多外,西南地区降水均较常年异常偏少。2009年西南地区雨季提早于8月上旬末结束,秋雨期(8月21日至11月13日)降水明显偏少,造成了西南地区持续性干旱的发生。

图 2 2009—2010年西南地区逐日降水变化特征 (实线,虚线为气候平均) Fig. 2 Time series (solid) of the daily precipitation in the Southwest China from 2009 to 2010 (Dash line denotes the climatic mean of 1971—2000)

为了客观提取干旱发生的空间范围和时间段,对2009—2010年逐日综合气象干旱指数进行REOF分解,第一特征向量为江南秋旱,方差贡献为10.3%;第二特征向量(图 3)为西南地区秋冬春持续干旱,方差贡献为10.7%。其中图 3a给出了西南地区干旱的空间范围(22.5°~31.5°N、99°~108°E,图中实线方框所示),包括广西、重庆、四川、贵州、云南5个省(区、市)。图 3b中的A段给出了主要干旱阶段(2009年10月29日至2010年4月3日),历时157天,跨越秋、冬、春三个季节,B段为显著干旱期(2009年11月12日至2010年2月10日)。

图 3 干旱指数REOF的第二特征向量(a)及其时间系数(b) Fig. 3 The second REOF component spatial pattern of the CI (a) and its time coefficient (b)
3 大气环流异常特征分析

研究表明,干旱过程常常是某种状态异常环流型持续发展和长期维持的结果。2009/2010年西南地区秋冬春持续干旱,在西太副高、印缅槽、大气对流活动、水汽输送及垂直运动等几个方面存在显著异常。西太副高是造成低纬高原地区旱涝的主要天气系统之一。表 1列出了2009年11月至2010年2月西太副高的几个特征指数与多年平均值,可以看到,从其面积指数和西伸脊点来看,11月至次年2月西太副高面积都偏大,脊线偏西。但强度、脊线和北界指数,各月有所不同。强度指数,除2009年11月略偏弱,其他各月都明显偏强;而脊线指数与北界指数则显示西太副高南北位置来回振荡。11月至次年2月整个阶段,西太副高较常年面积偏大,强度偏强,脊线偏西。

表 1 2009年11月至2010年2月西太副高的特征指数与多年平均值比较 Table 1 Comparison of the average characteristic index values of WPSH from November to ensuing February in 2009/2010 with their climatological means over 1971—2000

从2009/2010年显著干旱期(2009年11月12日至2010年2月10日)500 hPa位势高度场及距平(图 4)也可以看出,西太副高较常年偏强,面积偏大,西伸明显,使得西南地区长期受其控制,孟加拉湾的水汽无法向该地区输送,导致降水偏少,这与黄慧君等[23]的分析一致。秦剑等[24]指出印缅槽是500 hPa南支西风气流上的短波槽,印缅槽一年四季均有出现,尤以冬半年出现较为频繁。由图 4可见,整个低纬地区均处于位势高度正距平区,西南地区的正距平值高于2 dagpm,持续受晴好天气控制。而孟加拉湾也在正距平控制区内,表明与常年相比,印缅槽偏弱,槽前西南气流减弱,来自孟加拉湾的水汽强度减弱,造成了西南地区严重干旱。

图 4 2009/2010年显著干旱期(2009年11月12日至2010年2月10日)500 hPa位势高度场及其距平 (单位:dagpm,虚线为气候平均,阴影区表示距平≥1 dagpm) Fig. 4 The 500 hPa geopotential height field and its anomalies for the period of significant drought in 2009/2010 (unit: dagpm, dashed line for long-term mean, shaded areas indicate anomalies ≥1 dagpm)

向外长波辐射(OLR)是揭示热带低纬度地区对流活动较好的物理参数。2009/2010年显著干旱期(2009年11月12日至2010年2月10日)OLR距平场(图 5a)上,西南地区为正距平,距平值达到18 W·m-2以上,表明该地对流活动较常年明显偏弱。进一步分析低纬地区对流活动对西南干旱的影响,图 5b给出了历年显著干旱期西南地区干旱指数与OLR场的相关关系,分析可见,西南地区干旱指数与青藏高原和西太平洋的OLR存在显著负相关(通过了0.05的显著性水平检验),表明上述两个相关区的OLR值越高,西南地区干旱越严重。结合图 5a可知,以上两个相关区内的OLR值异常特征最明显区位于青藏高原地区。李栋梁等[25]的研究表明,青藏高原OLR值偏高时,对流层气温偏高,由于热力作用使得西南地区为高位势区,不利于降水产生。

图 5 2009/2010年显著干旱期(2009年11月12日至2010年2月10日)OLR距平场(a,单位:W·m-2)及1975/1976-2009/2010年显著干旱期西南地区干旱指数与OLR的相关(b,阴影区通过0.05的显著性水平检验) Fig. 5 The OLR field for the period of significant drought in 2009/2010 (a, unit: W·m-2) and the correlation between OLR and CI of the Southwest China for the period of significant drought from 1975/1976 to 2009/2010 (b, shaded areas denote the correlation passing the test at 0.05 significance level)

水汽是形成降水的必要条件之一,大气中的水汽主要集中在500 hPa以下气层中,水汽含量峰值出现在850~700 hPa[26]。2009/2010年显著干旱期(2009年11月12日至2010年2月10日)700 hPa水汽通量及散度距平场上(图 6a),西南地区为异常的西北水汽输送,表明来自南方海洋上的暖湿水汽输送较常年明显偏弱;且该地区处于水汽辐散中心,不利于水汽在该地区汇合。分析300 hPa水汽通量及散度距平场(图 6b),可以看出西南地区为水汽辐合区。这种水汽在高层辐合、低层辐散的高低空配置,不利于水汽从低层输送到高空。

图 6 2009/2010年显著干旱期(2009年11月12日至2010年2月10日)700 hPa(a)、300 hPa(b)水汽通量距平场(单位: kg·m-1·s-1·hPa-1)及水汽通量散度距平场(阴影为正距平,单位:10-6kg·m-2·s-1·hPa-1) Fig. 6 The moisture flux anomalies of 700 hPa (a) and 300 hPa (b) (unit: kg·m-1·s-1·hPa-1) and moisture flux divergence anomalies (positive anomalies are shaded, unit: 10-6kg·m-2·s-1·hPa-1) for the period of significant drought in 2009/2010

由2009/2010年显著干旱期(2009年11月12日至2010年2月10日)沿97.5° ~107.5°E平均经向垂直环流距平场(图 7a),可以看出,在40°N附近存在一个异常气旋式闭合垂直环流,受其影响从高原流出的气流在其南部下沉,西南地区上空300 hPa以下盛行异常下沉运动;由于地表感热作用,20°N附近850 hPa以下存在一支较浅薄的上升气流。相应的纬向垂直环流距平场(图 7b),从高原流出的气流向东输送,在西南地区上空的整层对流层形成强盛的异常下沉运动。因此,该年西南地区的上升运动较常年异常减弱,下沉运动明显加强。

图 7 2009/2010年显著干旱期(2009年11月12日至2010年2月10日)沿97.5°~107.5°E平均经向垂直环流距平场(a)及沿22.5°~32.5°N平均纬向垂直环流距平场(b) (阴影表示ω≤-1,垂直风速扩大100倍,单位: 10-2Pa·s-1,纬向风和经向风单位: m·s-1) Fig. 7 The anomaly field of the average meridional vertical circulation along the 97.5°-107.5°E (a) and the average zonal vertical circulation along the 22.5°-32.5°N (b) for the period of significant drought in 2009/2010 (Shaded areas indicate ω≤-1. The vertical wind speed is magnified by 100 times; unit: 10-2Pa·s-1, the unit of zonal and meridional wind: m·s-1)
4 热带海表温度异常对西南干旱的影响

NOAA气候预测中心(Climate Prediction Center, CPC)在业务上主要使用的海洋尼诺指数(Oceanic Niño Index, ONI*)是基于Niño 3.4区ERSST.v2海温资料[27]的3个月滑动平均值与其1971—2000年长期平均值的距平。当ONI≥+0.5℃(或ONI≤-0.5℃)且持续5个月以上时称为一次El Niño(或La Nia)事件。根据该指数,确定了历次El Niño事件和La Nia事件的起止时间。表 2给出了1951年以来西南地区当年11月至次年3月干旱年份(见图 3a)及对应的ENSO事件。由表可见,20世纪80年代以来,冬春季西南地区干旱多发生在La Nia事件背景下,这与蒋兴文等[28]提出的El Niño年西南地区冬季降水偏多的结论一致。而2009/2010年的干旱却发生在El Niño事件背景下。分析冬春季西南地区平均干旱指数与Niño3.4指数逐年变化(图略)进一步发现,20世纪80年代以来,西南地区冬春季干旱年份,CI与Niño3.4指数均呈正相关;而2009/2010年平均CI达到历史最低值-1.34,CI与Niño3.4指数呈负相关。由此可见,20世纪80年代以来,La Nia是西南地区冬春季干旱的强信号,而2009/2010年的干旱却是发生在El Niño背景下。

表 2 1951年以来西南地区冬春季(11月至次年3月)干旱年及对应的ENSO事件 Table 2 Drought years and corresponding ENSO events in winter and spring (November-ensuing March) in the Southwest China since 1951

根据周兵等[29]定义的Walker环流强度指数:(5°S~5°N,160°E~120°W)高空200 hPa与低层850 hPa标准化纬向风的差值,计算了2009年Walker环流强度指数与显著干旱期CI的50天超前相关关系(图 8)。可见,西南、西北及青藏高原地区,CI与Walker环流强度指数呈显著正相关(通过了0.05的显著性水平检验),华北新疆西部和东北局部地区呈显著负相关。表明Walker环流强度指数与2009/2010年西南地区干旱有显著的相关性,即Walker环流强度指数越小,西南地区干旱越严重。张东凌等[30]指出,El Niño年份Walker环流强度将减小。而2009/2010年的El Niño事件使得反Walker环流强度增大,从而影响西南地区干旱。

图 8 2009年Walker环流强度指数与显著干旱期CI的50天超前相关分布 (阴影区通过0.05显著性水平检验) Fig. 8 The correlative distribution of the Walker circulation intensity index in the previous 50 days and CI in the significant drought in 2009 (Shaded areas indicate the correlation passing the test at 0.05 significance level)

气候状态下,700 hPa风场西南地区的气流主要来自于孟加拉湾印缅槽前西南气流(图略)。图 9a为2009/2010年冬春季(11月至次年3月)700 hPa距平风场,环流发生很大异常,在菲律宾附近上空存在一个强大的异常反气旋(图中A所示),受其影响,印缅槽前西南气流并未按照历年路径进入西南地区,而是在103°E附近转向,部分进入长江中下游地区,部分汇入该反气旋中。西南地区长期受干冷的异常西北气流控制,且处于气流辐散区,这种形势不利于西南地区降水的产生。如图 9b 2009/2010年冬春季沿99°~108°E平均经圈环流距平场所示,北半球中低纬地区(10 °~40°N)对流层盛行强盛的异常下沉气流,表明受El Niño年反Walker环流增强的影响,菲律宾上空产生异常下沉运动,通过经圈环流影响到中国西南地区,从而造成了西南地区干旱的发生。

图 9 2009/2010年冬春季(11月至次年3月)700 hPa距平风场(a,单位:m·s-1)、沿99~108°E经向平均垂直环流距平场及垂直速度场(b,阴影表示下沉运动,垂直风速扩大100倍,单位: 10-2Pa·s-1,经向风单位: m·s-1) Fig. 9 The 700 hPa anomaly wind field(a, unit: m·s-1), the anomaly field of the average meridional vertical circulation along the 99°-108°E and vertical velocity field (b, sinking movements shaded, the vertical wind speed magnified by 100 times, unit: 10-2Pa·s-1, the unit of meridional wind: m·s-1) in winter and spring (November-ensuing March) in 2009/2010

Ashok等[31]的研究表明,热带太平洋ENSO事件有两类,即热带东太平洋增温型和热带中太平洋增温型(El Niño Modoki)。Weng等[32]的研究表明El Niño Modoki对太平洋周边气候异常的影响不同于典型的El Niño事件的影响。Lee等[33]指出2009/2010年是El Niño Modoki类型,黄荣辉等[34]研究表明1994/1995、2002/2003和2006/2007年都为El Niño中部型。为了比较2009/2010年与其他El Niño Modoki年份对环流造成的不同影响。图 10给出了2009/2010与1994/1995、2002/2003年和2006/2007合成年El Niño成熟期(11月至次年1月)平均Walker环流差值,可以看出,与菲律宾上空的强大反气旋相对应(图 9a),在120°E附近盛行明显的下沉运动。因此可以得出,2009/2010年的El Niño事件与同类型的El Niño事件相比,对Walker环流的影响表现出不同的特点,即菲律宾上空盛行明显下沉运动,在低层形成强大的反气旋,又通过经圈环流影响到西南地区,造成该地区干旱的发生。

图 10 2009/2010年与1994/1995、2002/2003和2006/2007合成年11月至次年1月平均Walker环流差值 (阴影表示下沉运动,垂直风速扩大100倍,单位: 10-2Pa·s-1,纬向风单位: m·s-1) Fig. 10 The average Walker circulation of the composite difference between 2009/2010 and 1994/1995, 2002/2003 and 2006/2007 in November-ensuing January (Shaded areas indicate sinking movements, the vertical wind speed is magnified by 100 times, unit: 10-2Pa·s-1; The unit of zonal wind: m·s-1)
5 结论

本文从西太副高、印缅槽、对流活动、水汽输送及垂直运动等几个方面,对西南地区2009/2010年秋冬春持续干旱事件进行了系统分析,特别探讨了热带海表温度异常对西南干旱的影响,得到主要结论如下:

(1)2009/2010年是西南地区1951年以来干旱程度最严重的年份,干旱与大气环流异常有很大的关系。西太副高较常年面积偏大,强度偏强,脊线偏西。

(2) 西南地区处于OLR的正距平区,对流活动受到抑制;该地区干旱指数与青藏高原和西太平洋的OLR呈显著负相关,而2009/2010年OLR异常特征最明显的是青藏高原地区,该地OLR值偏高时,西南地区为高位势区,不利于降水产生。

(3)2009/2010年显著干旱期水汽通量及其散度场上,西南地区来自南方海洋上的暖湿水汽输送有所减弱,该地区处于水汽辐散中心,水汽在高层辐合、低层辐散;垂直运动场上,西南地区的上升运动异常减弱,下沉运动明显加强。

(4)20世纪80年代以来,La Nia是西南地区冬春季干旱的强信号,而2009/2010年的干旱过程发生在El Niño Modoki背景下。2009/2010年El Niño事件增大反Walker环流强度,使得120°E上空产生异常下沉运动,菲律宾附近存在一个强大的异常反气旋,通过经圈环流影响中国西南地区。而西南地区受干冷的异常西北气流控制,且处于气流辐散区,其环流形势非常不利于西南地区降水的产生。

另外,2009年西南地区夏季雨季提早结束,秋雨期降水明显偏少。而冬春季印缅槽较常年明显偏弱,槽前西南气流减弱,导致西南地区无暖湿水汽输送,加剧了干旱的发展。本文仅对ENSO影响2009/2010年西南地区秋冬春持续干旱做了初步的统计诊断分析,具体的物理机制还需利用数值模式进行深一步的研究。

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