廣西春旱的時空分布特征及成因分析*

張凌云，簡茂球

(1.中山大學大氣科學系/季風與環(huán)境研究中心，廣東廣州510275;2.廣西柳州市氣象局，廣西柳州545001)

0 引言

廣西地處我國南部，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，主要特征是夏長冬短、雨熱同季。春季是廣西農業(yè)生產最關鍵的季節(jié)，是水稻、玉米等糧食作物以及甘蔗、水果等經濟作物播種發(fā)育的關鍵季節(jié)，其氣候條件對農作物生長發(fā)育的影響直接關系到廣西的糧食生產安全，而降水則是其中最重要的氣象因子。因此，研究春季的降水，尤其是研究春旱，意義重大。由于受全球氣候變化［1－4］的影響，廣西干旱的時空變化也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，對此，前人曾做了一些研究，但多集中于一些個例分析研究［5－10］，且多研究秋冬季干旱［11－18］，李耀先等［19］曾對廣西干旱進行系統(tǒng)性分析，而有針對性的廣西春旱研究迄今尚少。干旱的劃分標準，也主要以季節(jié)降水量為主［20－21］，與實際上發(fā)生旱情的多少有些出入。本文將引入“季節(jié)無雨日”作為劃分干旱的標準，從廣西春旱年的大氣環(huán)流背景入手，分析春旱的成因。

1 資料和分析方法

本文使用的主要資料如下:

(1)廣西氣候中心整理的1961－2007年32個氣候代表站的逐日降水量資料;

(2)1961－2007年共47年NCAR/NCEP再分析資料逐日資料子集中的高空12層緯向風u、經向風v、p坐標垂直速度ω、位勢高度Hgt和比濕q、全球海平面氣壓以及計算出的垂直積分(地面－300 hPa)水汽通量等資料，分辨率為2.5°×2.5°;

(3)1961－2007共47年NOAA(Extended Reconstructed Sea Surface Temperature，V2)擴展重構全球海表溫度資料，分辨率為2.0°×2.0°;

(4)國家氣候中心氣候系統(tǒng)診斷預測室再處理的74項環(huán)流特征量資料。

本文所采用的主要計算及分析方法有EOF分析，以及一些常用的統(tǒng)計分析方法［22－23］。

2 廣西春旱的時空分布特征

從廣西89個氣象觀測站點中選取具有氣候代表性的32個站點，根據1961－2007年逐日降水量資料，統(tǒng)計逐年春季(3－5月)各站點的無雨日。其中無雨日的標準是:日降水量≤0.0 mm。本文將季節(jié)無雨日定義為:在某個季節(jié)里面，日降水量≤0.0 mm的總天數(shù)，它既能直接反映降水過程的多少(春季無雨日與降水量的相關系數(shù)達到－0.66)，又可以體現(xiàn)干旱的累積效應，用它來衡量干旱的程度較為科學、合理。因此，本文將以季節(jié)無雨日作為干旱的劃分標準，分析廣西春旱的時空分布特征。

2.1 廣西春季無雨日的氣候平均特征

圖1和圖2中給出的是廣西春季無雨日的空間分布特征和時間變化曲線。由圖1可知，在春季，廣西的無雨日呈西南－東北型分布，桂西、桂南為高值區(qū)，桂中至桂東北為低值區(qū)，無降水日的高值中心位于桂西、桂西南及桂南，說明在春季，桂西及桂南最易發(fā)生干旱事件。從時間變化來年(圖2)，在春季，全區(qū)平均無雨日總體略呈上升趨勢，但增長趨勢不明顯，主要以年際、年代際變化為主，年代際變化趨勢大致是:1960年代無雨日較多，1970年代較少，1980年代較多，1990年代較少，進入21世紀后無雨日又趨于增多。

圖1 廣西春季節(jié)無雨日的氣候平均圖

圖2 廣西平均春季節(jié)無雨日的逐年時間變化(實曲線)及趨勢變化(虛線)圖

2.2 廣西春季無雨日的EOF分析特征

對廣西32個代表站春季的無雨日作EOF分析，表1中給出了廣西春季無雨日EOF分析前5個模態(tài)的方差及累積方差貢獻，EOF分析的初始場為非標準化的距平場。由表1可以看出，前3個模態(tài)的累積方差貢獻超過70%，其中第1模態(tài)的方差貢獻占總方差的一半以上，是廣西春季無雨日非常重要的一種變異模態(tài)。

表1 廣西春季無雨日EOF分析前5個模態(tài)的方差貢獻及累積方差貢獻%

圖3中給出的是廣西春季無雨日EOF分析的第一模態(tài)及其時間系數(shù)。從圖3(a)可以看出，第一模態(tài)代表的是春季全區(qū)一致偏旱或一致偏澇型，極值中心位于桂東南，桂北則為相對低值區(qū)，說明在春季，桂北地區(qū)的干旱較桂南偏輕，桂東南最易發(fā)生嚴重干旱。圖3(b)中的時間系數(shù)則反映了:對于偏旱年而言，這種春季全區(qū)一致偏旱比較典型的年份有1963、1977及1987年，而2002年以后的連續(xù)6年里，春季全區(qū)一致偏旱的的特征都比較明顯。對于偏澇年而言，這種春季全區(qū)一致偏澇比較典型的年份有1975年、1970年、1981年及1993年，其中1975年春季全區(qū)一致偏澇的特征最明顯。

圖3 廣西春季無雨日的EOF分析(其中特征向量場已乘以時間系數(shù)的標準差)

2.3 廣西春旱年的劃分

根據春季無雨日EOF分析的結果，廣西春季EOF分析的第一模態(tài)方差貢獻達到55.5%，說明第一模態(tài)所代表的旱澇分布型為主要的變異型，且春季第一模態(tài)旱澇分布型為全區(qū)一致偏旱或全區(qū)一致偏澇，因此，本文主要討論全區(qū)一致性春旱。表2中給出了春旱年份的劃分結果。從表2可以看出，1990年代以前，廣西發(fā)生春旱較多，1990年代廣西未發(fā)生春旱，21世紀以后，廣西的春旱又有增加趨勢。

表2 廣西春旱年份

3 廣西春旱的大氣環(huán)流背景分析

3.1 廣西春旱年水汽通量場特征

圖4中給出的是春季平均水汽通量場及廣西春旱年水汽通量距平合成場。從春季平均水汽通量場(圖4a)可以看出，春季主要有兩支水汽輸送帶向廣西輸送水汽，一支是源自西太平洋副熱帶高壓南側的偏東氣流水汽輸送帶，另一支是源自孟加拉灣的偏西氣流水汽輸送帶，兩支水汽輸送帶在中南半島－南海附近匯合北上輸送到廣西，廣西處于西南氣流水汽輸送帶的輻合區(qū)中。而在春旱年(圖4b)，菲律賓以東洋面上空為氣旋式水汽通量距平場，我國東部及其以東洋面上空存在一個反氣旋式水汽通量距平場，廣西處于該反氣旋式水汽通量場的西南側偏東距平氣流水汽輸送帶中，其上空有一個明顯的距平輻散場，說明偏旱年廣西上空的水汽通量輻合減弱，水汽條件比平均場更不利于降水，即使冷空氣影響廣西也不會造成明顯降雨，因而降水偏少。

圖4 垂直積分春季平均水汽通量場(a)及廣西春旱年水汽通量距平合成場(b)

3.2 廣西春旱年850 hPa風場特征

圖5中給出的是春季850 hPa平均風場及廣西春旱年850 hPa風場距平合成場。從春季平均風場(圖5a)可以看出，與水汽通量場相似，春季主要有兩支氣流在中南半鳥－南海附近北上匯合影響廣西，一支是源自西太平洋副熱帶高壓南側的偏東氣流，另一支是源自孟加拉灣的偏西氣流，兩支氣流在中南半島－南海附近匯合北上影響廣西，廣西主要受西南氣流影響，因而水汽輸送較多。而在春旱年(圖5b)，四川至云貴一帶為一個氣旋式距平場控制，廣西處于該氣旋式距平場南側偏南－西南氣流距平強輻散區(qū)中，西南氣流輻散大大增強。

圖5 春季850 hPa平均風場(a)及廣西春旱年850 hPa風場距平合成場(b)

3.3 廣西春旱年500 hPa位勢高度場特征

圖6中給出的是春季500 hPa平均高度場及廣西春旱年500 hPa高度距平合成場。在春季500 hPa平均高度場上(圖6a)，中高緯度亞洲大陸－西太平洋地區(qū)呈一槽一脊型，中高緯度亞洲地區(qū)主要受廣闊的高壓脊控制，亞洲大陸東部－日本－西太平洋地區(qū)主要受東亞大槽控制，低緯地區(qū)氣流比較平直，印緬槽較淺，廣西主要受印緬槽前西南－偏西氣流影響。而在廣西春旱年500 hPa高度距平合成場上(圖6b)，中高緯度亞洲地區(qū)為負距平，亞洲大陸東部－日本－西太平洋地區(qū)為正距平，同時阿拉伯海灣地區(qū)也為正距平，印緬－孟加拉灣一帶為負距平，說明在廣西春旱年，東亞大槽槽底部分偏弱，中高緯地區(qū)氣流趨于平直，緯向環(huán)流盛行，經向環(huán)流相對偏弱，由此帶來的冷空氣南下影響廣西的就少。雖然低緯地區(qū)槽脊略有加深，廣西處于印緬槽前，偏南氣流強盛，因此盡管水汽條件較好，但由于中高緯環(huán)流平直，不利于冷空氣南下影響，沒有冷空氣與之交綏，對降水的形成不利。

圖6 春季500 hPa平均高度場(a)及廣西春旱年500 hPa高度距平合成場(b)

3.4 廣西春旱年500 hPa垂直速度場特征

圖7中給出的是春季500 hPa平均垂直速度場及廣西春旱年500 hPa垂直速度距平合成場。在春季500 hPa平均垂直速度場上(圖7a)，中南半島－華南一帶、青藏高原一帶ω＜0，說明上述地區(qū)(包括廣西)春季500 hPa上空主要以上升運動為主。而在廣西春旱年500 hPa垂直速度距平合成場上(圖7b)，華南地區(qū)上空為正距平，說明春旱年廣西上空上升運動減弱。同時還可以看到，在中高緯地區(qū)，貝加爾湖以東往東南方向至我國東北地區(qū)為正距平區(qū)，說明春旱年該區(qū)域下沉運動增強，華北－華東－朝鮮半島－日本島南部上空為明顯的負距平區(qū)，說明春旱年該區(qū)域下沉運動減弱，與東亞大槽的位置有關，意即春旱年東亞大槽的緯向性較明顯，且位置偏西。

圖7 春季500 hPa平均垂直速度場(a)及廣西春旱年500 hPa垂直速度距平合成場(b)

3.5 廣西春旱年海平面氣壓場特征

圖8中給出的是春季平均海平面氣壓場及廣西春旱年海平面氣壓距平合成場。在春季平均海平面氣壓場上(圖8a)，阿留申低壓位于40°～60°N之間的北太平洋地區(qū)，其低壓中心位于阿留申群島附近，中低緯度太平洋地區(qū)則為廣闊的太平洋副熱帶高壓控制，高壓脊線位于30°N附近，低緯－印度洋北部為低壓環(huán)流控制，廣西處于大陸高壓東南側和低緯－印度洋低壓環(huán)流東北側的西南氣流輻合帶中，低層盛行西南風。而從廣西春旱年海平面氣壓合成距平場(圖8b)可以看出，在廣西春旱年，阿留申低壓明顯減弱，副高略有增強，大陸高壓減弱，說明冷空氣活動少或勢力弱，偏南氣流比正常年要強盛，整個輻合區(qū)偏北，對廣西降雨不利。

3.6 廣西春旱年海溫場特征

圖9中給出的是廣西春旱年平均海溫距平合成場?？梢钥闯?，在廣西春旱年，阿拉伯海灣為顯著的正溫度距平區(qū)，孟加拉灣為正溫度距平區(qū)，南海海域為顯著的負溫度距平區(qū)，印度洋澳大利亞西部和南部鄰海域為顯著的負溫度距平區(qū)，南太平洋50°～70°S新西蘭島南部和東部海域為顯著的正溫度距平區(qū)，赤道至15°N中太平洋海域為正溫度距平區(qū)，15°～30°N為負溫度距平區(qū)，與副高偏強一致，40°～60°N為正溫度距平區(qū)，與阿留申低壓偏弱一致，可見廣西春旱年海溫場與氣壓場具有較好地對應關系。

圖8 春季平均海平面氣壓場(a)及廣西春旱年海平面氣壓距平合成場(b)

圖9 廣西春旱年海溫距平合成場(圖中陰影區(qū)為通過α=0.1顯著性檢驗的區(qū)域;單位:℃)

3.7 廣西春旱前期大氣環(huán)流信號分析

圖10中給出的是廣西春旱年前冬500 hPa高度(a)、海平面氣壓(b)及海溫(c)距平合成場。由圖10a可知，在廣西春旱年前冬，500 hPa西北太平洋上空為顯著的負距平區(qū)，阿拉伯半島－印度半島－孟加拉灣一帶為負距平區(qū)，貝加爾湖以西的中高緯歐亞大陸地區(qū)為顯著的正距平區(qū)，說明在廣西春旱年前冬，東亞大槽偏強，冷空氣南下活動較頻繁。由圖10b可知，在廣西春旱年前冬，北太平洋地區(qū)為非常顯著的海平面氣壓負距平區(qū)，歐亞大陸中緯度地區(qū)、南海海域－華南一帶為海平面氣壓正距平區(qū)，說明在廣西春旱年前冬蒙古高壓偏強，阿留伸低壓也偏強，冷空氣活動頻繁。由圖10c也可以看出，在廣西春旱年前冬，南海至東亞近海海域為顯著的負溫度距平區(qū)，這與東亞冬季風偏強有聯(lián)系，澳大利亞西部海域也是負溫度距平區(qū)。

圖10 廣西春旱年前冬距平合成場

此外，通過計算廣西春季無雨日序列與大氣環(huán)流指數(shù)的相關系數(shù)(表3)發(fā)現(xiàn)，春季無雨日與同春北半球極渦面積指數(shù)存在顯著的負相關，與3月亞洲極渦面積指數(shù)存在顯著的正相關，與3月亞洲緯向環(huán)流指數(shù)存在顯著的正相關，與前冬印緬槽指數(shù)存在顯著的正相關(圖11)。由此說明，當前冬印緬槽偏弱時，廣西春季發(fā)生干旱的可能性較大。

表3 廣西春季無雨日與大氣環(huán)流指數(shù)的相關系數(shù)

圖11 廣西春季無雨日(粗實線)與前冬印緬槽指數(shù)(細實線)年際變化曲線圖

4 結論與討論

通過分析廣西春旱的時空分布特征，以及廣西春旱年的大氣環(huán)流背景、前期大氣環(huán)流信號，主要得出以下結論:

(1)從時間分布來看，廣西春旱的趨勢變化不明顯，主要以年際、年代際變化為主，1990年代以前，廣西發(fā)生春旱較多，1990年代廣西未發(fā)生春旱，21世紀以后，廣西的春旱又有增加趨勢;從空間分布來看，廣西春旱以全區(qū)一致性型為主要空間分布型。

(2)在春旱年，廣西上空有一個明顯的水汽通量距平輻散場，在850 hPa上空廣西處于偏南－西南氣流距平強輻散區(qū)中，在500 hPa上空廣西處于印緬槽前，同時東亞大槽偏弱，阿留申低壓明顯減弱，大陸高壓減弱，中高緯環(huán)流平直，不利于冷空氣南下華南。

(3)對廣西春旱大氣環(huán)流的一些前期信號分析表明:廣西春旱年前冬阿留申低壓明顯增強，大陸高壓也增強，冷空氣活動頻繁，當前冬印緬槽偏弱時，廣西春季發(fā)生干旱的可能性較大。

(4)關于廣西春旱的成因，本文僅從垂直積分水汽通量場、500 hPa高度場和垂直速度場、850 hPa u、v風場和散度場、海平面氣壓場、海溫場及一些大氣環(huán)流指數(shù)等方面作了一些初步分析，對于海－氣和陸－氣相互作用對廣西干旱的影響及其機理，還有待在今后的工作中進一步研究。

［1］嚴華生，程建剛．中國旱澇氣候變化、影響及對策［C］//氣候變化與生態(tài)環(huán)境研討會文集．北京:氣象出版社，2005:

486－491 .

［2］秦大河．影響我國的主要氣象災害及其發(fā)展態(tài)勢［J］．自然災害學報，2007，12(S0):46－48.

［3］黃榮輝，蔡榕碩，陳際龍，等．我國旱澇氣候災害的年代際變化及其與東亞氣候系統(tǒng)變化的關系［J］．大氣科學，2006，30(5):731－743.

［4］劉永強，丁一匯．ENSO事件對我國天氣氣候的影響［J］．應用氣象學報，1999，18(5):10－16.

［5］俞日新，潘新華，李貽美．廣西1989年旱情分析［J］．人民珠江，1990(5):20－25.

［6］彭本賢．1991年廣西干旱的天氣氣候特色及成因分析［J］．廣西氣象，1992，13(2):34－35.

［7］李貽美．廣西1991年春旱及其分析比較［J］．人民珠江，1991(6):16－19.

［8］王艷蘭，周文志，紀英，等．1998年秋至1999年春桂林干旱的特征及成因分析［J］．廣西氣象，1999，20(4):32－34.

［9］黃雪松，覃志年，唐炳莉．2003年夏～2004年冬廣西的旱災及其防御對策［J］．災害學，2004，19(S0):29－33.

［10］馮新靈，羅隆誠，馮自立，等．中國雨日變化趨勢的分析研究［J］．自然災害學報，2009，18(6):114－119．

［11］何麗麗．廣西旱災統(tǒng)計與分析［J］．人民珠江，1993(5):15－16.

［12］唐伍斌．廣西秋冬季旱澇的時空分布特征及同期環(huán)流分析［J］．氣象，2009，35(1):108－113.

［13］李宇中，黎偉標．廣西秋季異常干旱的氣候背景及其成因(J)．自然災害學報，2008，17(5):101－107.

［14］吳林，沈晗，王剛，等．廣西賀州地區(qū)氣溫和干旱的氣候變化特征［J］．熱帶地理，2009，29(3):224－235.

［15］智協(xié)飛，郭銳．中國南方秋季干旱的時空分布特征及其可能成因［C］//中國氣象學會2006年年會“氣候變化及其機理和模擬”分會場論文集．北京:氣象出版社，2006:1488－1489.

［16］陳國保，陳利東，陸小林．玉林市近50年來的干旱規(guī)律及防御對策［J］．廣西氣象，2006，27(3):41－43.

［17］周游游，蔣忠誠，韋珍蓮．廣西中部喀斯特干旱農業(yè)區(qū)的干旱程度及干旱成因分析［J］．中國巖溶，2003，22(2):144－149.

［18］覃義珍．廣西中部地區(qū)旱情分析［J］．中國水利，2006(5):37－39.

［19］李耀先，李秀存，張永強，等．廣西干旱分析與防御對策［J］．廣西農業(yè)科學，2001(3):113－117.

［20］中國國家標準化管理委員會．GB/T 20481-2006氣象干旱等級［S］．北京:中國標準出版社，2006:1－3.

［21］鞠笑生，楊賢為，陳麗娟，等．我國單站旱澇指標的確定和區(qū)域旱澇級別劃分的研究［J］．應用氣象學報，1997，8(1):26－33.

［22］歐陽海，鄭步鐘，王雪娥，等．氣象統(tǒng)計分析［M］．北京:氣象出版社，1990:77－81.

［23］黃嘉祐．氣象統(tǒng)計分析與預報方法［M］．北京:氣象出版社，2000:222－226．