近50 a華南干濕狀態(tài)的時空特征

范伶俐，張福穎，胡禎祥，魏蕾

(1.廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東湛江524088;2.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044)

0 引言

20世紀世界10大自然災(zāi)害中，旱災(zāi)居首位(謝定升，1992)。中國季風(fēng)氣候明顯，逐年間季風(fēng)的不穩(wěn)定性和境內(nèi)由于地形、山脈等因素造成的水熱分布不均導(dǎo)致了我國干旱的頻繁發(fā)生，其特點是發(fā)生頻率高、影響范圍大、持續(xù)時間長(葉篤正和黃榮輝，1996)，甚至在雨水較多的華南沿海地帶，也時有干旱少雨的災(zāi)害發(fā)生(鄭彬和林愛蘭，2011)。華南地區(qū)地處氣候年際變化非常顯著的東亞季風(fēng)區(qū)，是我國人口密集和經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)之一，干旱不僅直接影響該地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活，造成農(nóng)作物減產(chǎn)或絕收，還會導(dǎo)致火災(zāi)等衍生災(zāi)害的發(fā)生，從而影響社會與經(jīng)濟活動，進一步加重干旱的危害性。

降水量偏少是干旱發(fā)生最直接的原因。中國對干旱的研究主要集中在降水較少的北方地區(qū)，祁海霞等(2011)認為20世紀50—70年代中國干旱主要發(fā)生在西北、東北、江淮流域以及長江中下游至華南地區(qū)，而80年代至今干旱高發(fā)區(qū)轉(zhuǎn)移到以前的干旱低發(fā)區(qū)。張方敏和申雙和(2007，2008)認為，濕潤狀況顯著增加的地區(qū)主要為新疆西北部和中國的西南部，干旱化顯著的地區(qū)主要在青海的東部、甘肅的南部和四川北部，干濕狀況變化從中國的東部向西部逐漸增大。梁姍姍和錢永甫(2006)認為全球關(guān)鍵區(qū)的感熱異常與中國華北、江淮和華南地區(qū)汛期降水異常有很好的相關(guān)關(guān)系。黃榮輝等(1999)認為華北地區(qū)1965年以后夏季降水明顯減少，干旱化趨勢明顯。對華南干旱的研究僅有一些初步的認識，對該地區(qū)干旱的氣候特征所做的系統(tǒng)研究較少。張勇等(2000)認為廣東產(chǎn)生春旱的主要原因是冷暖氣團未能在廣東省內(nèi)交鋒，氣溫高、蒸發(fā)量大也有影響。溫之平等(2007)認為從北方來的冷空氣和南來的暖空氣是否在華南輻合抬升是華南春季降水多寡的關(guān)鍵。智協(xié)飛和郭銳(2006)認為秋季南亞高壓位置異常偏東將直接導(dǎo)致南方降水偏少，夏季蒙古上空高壓偏強也可導(dǎo)致南方降水偏少，秋季副高南撤減弱加快也將導(dǎo)致南方降水減少，副熱帶急流中心位置偏北可能造成南方降水異常偏少;赤道東太平洋海溫異常偏低，赤道印度洋海溫偶極子呈負位相時，南方秋季易出現(xiàn)大范圍干旱。盡管華南的降水量豐沛，但由于地區(qū)分配不均勻、年內(nèi)分配不均勻，導(dǎo)致局部干旱、季節(jié)性干旱經(jīng)常發(fā)生，造成了較大的經(jīng)濟損失。因此，對華南干旱時空特征做系統(tǒng)性分析十分必要。本文將重點分析華南地區(qū)干旱在一年四季中的分布狀況，并探討不同季節(jié)華南地區(qū)干旱的趨勢變化及干濕狀態(tài)的環(huán)流背景特征，為華南地區(qū)干旱預(yù)測提供理論依據(jù)。

1 資料和方法

1961—2007年的中國753站逐日日平均降水和溫度(中國氣象局國家氣象信息中心提供)，美國氣候預(yù)測中心的擴展重建海表溫度資料(ERSST v2)(Smith and Reynolds，2004)和美國國家環(huán)境預(yù)報中心/國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)再分析的風(fēng)場資料(Kalnay et al.，1996)。海表溫度的空間分辨率為2°×2°，NCEP/NCAR再分析資料為2.5°×2.5°。時間長度是1961—2007年。

本文從全國753站臺站資料中提取出華南地區(qū)(105 ～120°E，15～25°N)的63 個站點，基于站點數(shù)據(jù)的時間序列的長度、連續(xù)性以及遷站距離(≤20 km)3個主要條件，取時間長度為1961—2007年共47 a連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。

式中:rm為月降水量(mm);θm為月平均溫度(℃);K為與蒸發(fā)有關(guān)的公式參數(shù)，K=30。上式的物理意義為月總降水量與總蒸發(fā)量之比，它反映了一地區(qū)干濕氣候狀態(tài)。Am為無量綱量，當(dāng)Am＞1時為濕，反之為干。

通過趨勢分析、EOF(the empirical orthogonal function，自然正交函數(shù))分析等方法對華南干旱特征進行系統(tǒng)的分析。趨勢分析采用要素線性回歸擬合方程的斜率，即趨勢系數(shù)(無量綱量)，來表示該要素的變化趨勢，正趨勢系數(shù)表示有增大趨勢，負趨勢系數(shù)則表示有減小趨勢。

2 結(jié)果分析

2.1 華南地區(qū)干濕季節(jié)變化

由圖1可見，氣候態(tài)狀況下，華南地區(qū)1—3月、11—12月為干季，4—10月為濕季。由此，上述引用的干濕氣候指數(shù)可明顯區(qū)分華南地區(qū)干濕季，體現(xiàn)了指數(shù)引用的合理性。

圖1 華南地區(qū)區(qū)域平均的干濕氣候指數(shù)的逐月變化Fig.1 Monthly variation of regional average dry and wet index in South China

圖2 1月(a)、4月(b)、7月(c)、10月(d)華南地區(qū)干濕氣候指數(shù)的分布Fig.2 Regional distribution of the dry and wet index in South China in(a)January，(b)April，(c)July and(d)October

圖1僅能表現(xiàn)華南地區(qū)干濕的總體變化，區(qū)域分布并未能體現(xiàn)。圖2給出1、4、7、10月華南地區(qū)干濕情況的區(qū)域分布。由圖2可見，1月，華南總體偏干，但在華南東北部地區(qū)基本正常或略偏濕;2月，華南東北部偏濕，其余地區(qū)大都偏干;3月，整個華南北部都偏濕，而廣西西部、廣東西南部和海南省偏干;到4月，整個華南地區(qū)除廣西西北和海南省外都偏濕，且北部比南部更濕，這是由于4月鋒面降水帶依然偏北。從1—4月華南地區(qū)干濕分布可以看到，偏濕的地區(qū)從北部逐漸向南擴展，體現(xiàn)了華南地區(qū)從旱季向汛期的變化，也體現(xiàn)了雨帶由北向南逐漸推進的過程(陳隆勛等，2000;鄭彬等，2006)。5月，由于鋒面降水的繼續(xù)南移、5月底南海夏季風(fēng)的爆發(fā)，除海南省的個別站點外，整個華南地區(qū)全面進入濕季。6月，華南夏季風(fēng)降水的全面鋪開，使得華南地區(qū)繼續(xù)保持濕潤。后汛期的7、8、9和10月，華南地區(qū)依然保持濕潤，但是濕潤區(qū)主要集中在沿海地區(qū)，這顯然與登陸臺風(fēng)的影響有關(guān)。其中9月濕潤程度小于7、8月，廣西北部已由濕轉(zhuǎn)干;10月濕狀態(tài)進一步減弱，濕潤地區(qū)聚集在廣東西部沿海、廣西沿海和海南省，這與南海夏季風(fēng)在9月開始撤退、10月南海夏季風(fēng)基本撤退完畢(馮瑞權(quán)等，2007)有關(guān)。11、12月，華南地區(qū)干狀態(tài)進一步發(fā)展。

2.2 華南地區(qū)干濕趨勢變化

圖3是各月華南地區(qū)區(qū)域平均的干濕氣候指數(shù)的趨勢系數(shù)。圖3中的正趨勢系數(shù)表示干濕氣候指數(shù)有增大趨勢，意味著濕狀態(tài)的增強或干狀態(tài)的減輕;而負趨勢系數(shù)則表示指數(shù)有減小趨勢，意味著干狀態(tài)的增強或濕狀態(tài)的減輕。由圖3可見，2、3月和5、7、8月的正趨勢變化明顯，表明近50 a華南地區(qū)在這些月份總體上存在變濕或干狀態(tài)變?nèi)醯内厔?而4、9、10、11和12月有明顯的負趨勢，表明近50 a這5個月華南地區(qū)存在變干或濕狀態(tài)變?nèi)醯内厔?1月和6月變化趨勢不明顯。

由逐月干濕趨勢變化(圖4給出1、4、7、10月的分布，其他月份略)可見，近50 a來1、6月華南地區(qū)總體干濕趨勢變化不明顯，是因為華南地區(qū)各區(qū)域干濕趨勢變化存在差異。如1月廣西全省、廣東西北部有正的趨勢變化，而其他地區(qū)多為負趨勢變化;6月，廣西東南部、廣東西南部和東北部、海南省變干，而其余地區(qū)變濕。

圖3 華南地區(qū)區(qū)域平均的干濕氣候指數(shù)趨勢變化率的逐月變化(單位:a－1)Fig.3 Trend of regional average dry and wet rate change in South China(units:a－1)

近50 a來2、3月和7月，華南地區(qū)幾乎都是正趨勢變化;5和8月盡管也出現(xiàn)部分地區(qū)的負趨勢，但其范圍較小，且變化幅度不及正趨勢，因此5、8月的華南地區(qū)區(qū)域平均仍然是正的趨勢變化。9、10、11月華南地區(qū)幾乎都是負的趨勢變化;4、12月雖部分地區(qū)也出現(xiàn)正趨勢，但正趨勢的范圍和變化幅度均不及負趨勢，區(qū)域平均仍呈負的趨勢變化。

2.3 華南地區(qū)干濕氣候指數(shù)的EOF分析

圖4盡管能反映華南地區(qū)干濕氣候指數(shù)變化趨勢的空間分布，但各局部區(qū)域干濕氣候指數(shù)的時間演變尚不清楚。故分干季(11月—次年3月)、濕季(4—10月)對華南地區(qū)的63個臺站干濕氣候指數(shù)標(biāo)準化序列進行EOF分析，可以看出:

1)干季，第一、第二模態(tài)分別占總方差的51.9%、18.4%。第一模態(tài)特征向量場(圖5a)主要正中心區(qū)位于廣東西部和廣西東部等地，整個華南地區(qū)為一致的正值區(qū)，其中心對應(yīng)的點方差貢獻百分比可高達90% ～100%(圖略)，說明該模態(tài)是華南地區(qū)干季干濕氣候指數(shù)非常重要的一種異常型，對應(yīng)第一模態(tài)的時間系數(shù)并未體現(xiàn)出明顯的年代際變化特征(圖6a)。干季第二模態(tài)特征向量如圖7a所示，廣東大部和廣西東部地區(qū)為正值區(qū)，廣西大部和廣東西南部為負值區(qū)，其極值中心位于粵東北和雷州半島，正、負值中心區(qū)的模態(tài)點方差貢獻均為40%(圖略)，對應(yīng)第二模態(tài)的時間系數(shù)也未體現(xiàn)出明顯的年代際變化特征(圖8a)，但可見第二模態(tài)中干季華南東、西部干濕狀態(tài)的時間演變位相相反。

2)濕季第一、第二模態(tài)分別占總方差的39.0%、14.1%。第一模態(tài)特征向量場主要負中心區(qū)位于廣東沿海地區(qū)，整個華南地區(qū)為一致的負值區(qū)(圖5b)，其中心對應(yīng)的點方差貢獻百分比可高達80% ～90%(圖略)，對應(yīng)第一模態(tài)的時間系數(shù)并未體現(xiàn)出明顯的年代際變化特征(圖6b)。濕季第二模態(tài)特征向量如圖7b所示，廣東東部地區(qū)為正值區(qū)，廣西全省和廣東西南部為負值區(qū)，其極值中心分別位于粵東北和廣西中部，正、負值中心區(qū)的模態(tài)點方差貢獻分別為80%、20%(圖略)，對應(yīng)第二模態(tài)的時間系數(shù)也未體現(xiàn)出明顯的年代際變化特征(圖8b)，但可見第二模態(tài)中濕季華南東、西部干濕狀態(tài)的時間演變位相相反。

2.4 華南地區(qū)干濕狀態(tài)的環(huán)流背景特征

華南地區(qū)干濕變化的影響因子很多(張勇等，2000;Wang et al.，2000;任敏等，2006;智協(xié)飛和郭銳，2006;溫之平等，2007)，包括副高、極渦、南支槽、夏季風(fēng)、熱帶氣旋和東亞大槽等。對1961—2007年干季(11月—次年3月)里干的年份和濕的年份、濕季(4—10月)里濕的年份和干的年份850 hPa風(fēng)場、海表溫度異常(sea surface temperature anomaly，SSTA)求差值，來分析華南地區(qū)干季里的干年份和濕年份、濕季里的濕年份和干年份的環(huán)流背景特征差異。

圖4 1月(a)、4月(b)、7月(c)、10月(d)華南地區(qū)干濕氣候指數(shù)趨勢變化率的分布(單位:a－1)Fig.4 Distribution of regional dry and wet rate change in South China in(a)January，(b)April，(c)July and(d)October(units:a－1)

從干季里的干年份和濕年份、濕季里的濕年份和干年份850 hPa風(fēng)場差值場的矢量分布(圖9)可以看到:濕季里的濕年份西北太平洋的異常反氣旋偏東，可以從南海/西北太平洋為華南輸送更多的水汽;干季里的干年份西北太平洋的異常反氣旋偏西，華南被異常的高壓覆蓋，降水則偏少。由此可知，西北太平洋的異常反氣旋是影響華南地區(qū)干濕變化的重要因子。此外，在濕季里的濕年份北太平洋靠近東亞大陸的區(qū)域有顯著的氣旋性異常，它反映了東亞大槽的強弱，東亞大槽對東亞大陸影響范圍的大小，與之伴隨的冷空氣的強弱，對華南鋒面降水有著重要影響。故北太平洋靠近東亞大陸區(qū)域的氣旋性異常是影響華南地區(qū)干濕變化的另一個重要因子。濕季里的濕年份印度、孟加拉灣上空的氣旋性異常也很顯著，該氣旋性異常通過影響孟加拉灣的水汽向華南地區(qū)的輸送量，從而影響華南地區(qū)的干濕變化。所以印度、孟加拉灣上空的氣旋性異常是影響華南地區(qū)干濕變化的又一個重要因子。

圖5 華南地區(qū)干季(a)、濕季(b)的干濕氣候指數(shù)EOF分析的第一特征向量Fig.5 The first eigenvector of EOF analysis of dry and wet index in(a)dry and(b)wet seasons in South China

圖6 華南地區(qū)干季(a)、濕季(b)的干濕氣候指數(shù)EOF分析的第一主分量(虛線為9點滑動平均曲線)Fig.6 The first principal component distribution of EOF analysis of dry and wet index in(a)dry and(b)wet seasons in South China(Dotted line indicates the 9 point moving average curve)

干季里的干年份和濕年份、濕季里的濕年份和干年份海表溫度異常的差值場 (圖10)顯示出與850 hPa風(fēng)差值場相吻合的結(jié)論。干季里的干年份在印度半島附近、北太平洋靠近東亞大陸的區(qū)域，由于氣旋性的異常，導(dǎo)致海水上翻，故出現(xiàn)負的SSTA;而在西北太平洋則主要是蒸發(fā)—風(fēng)反饋機制(Wang et al.，2000)作用的結(jié)果。濕季則相反。

3 結(jié)論

利用華南地區(qū)63個地面氣象站的降水和氣溫資料，選用黃露菁等(1997)干濕氣候指數(shù)，分析了華南地區(qū)的干濕季節(jié)變化和趨勢變化，結(jié)論如下:

1)選用的干濕氣候指數(shù)可以明顯地區(qū)分華南地區(qū)干、濕季。

2)華南地區(qū)干濕狀態(tài)空間分布不均?？傮w而言，南部的干狀態(tài)和濕狀態(tài)都比北部嚴重。在華南地區(qū)平均偏旱的1—3月，華南北部也出現(xiàn)了部分地區(qū)偏濕的情況;即便是整個華南偏干的11—12月，華南南部也比北部更干。在華南平均偏濕的月份，除4月外，都是南部沿海較北部更濕。

3)華南地區(qū) 2—3、5、7—8 月明顯變濕，而 4、9—12月顯著變干，1、6月趨勢不明顯。這表明近50 a華南地區(qū)秋季旱情有加重的趨勢，而春季旱情有所緩解，夏季洪澇則加重了。

4)EOF分析表明，華南地區(qū)東、西部干濕狀態(tài)的時間演變位相相反。

圖7 華南地區(qū)干季(a)、濕季(b)的干濕氣候指數(shù)EOF分析的第二特征向量Fig.7 The second eigenvector of EOF analysis of dry and wet index in(a)dry and(b)wet seasons in South China

圖8 華南地區(qū)干季(a)、濕季(b)的干濕氣候指數(shù)EOF分析的第二主分量(虛線為9點滑動平均曲線)Fig.8 The second principal component distribution of EOF analysis of dry and wet index in(a)dry and(b)wet seasons in South China(Dotted line indicates the 9 point moving average curve)

5)華南地區(qū)干濕狀態(tài)的背景特征分析表明:東亞大槽、西北太平洋異常反氣旋、北太平洋異常氣旋、南亞異常氣旋、海表溫度均為干濕狀態(tài)的影響因子。

圖9 850hPa風(fēng)場差值分布(單位:m/s) a.干季(干年減濕年);b.濕季(濕年減干年)Fig.9 850 hPa wind difference(units:m/s) a.dry season(the dry years minus the wet years);b.wet season(the wet years minus the dry years)

圖10 海表溫度異常差值場(單位:℃) a.干季(干年減濕年);b.濕季(濕年減干年)Fig.10 SSTA difference(units:℃) a.dry season(the dry years minus the wet years);b.wet season(the wet years minus the dry years)

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