西南地區(qū)秋季干旱的年代際轉(zhuǎn)折及其可能原因分析

張顧煒　曾剛　倪東鴻　周國(guó)兵南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京2002大連市氣象服務(wù)中心，大連66003高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都60225重慶市氣象局，重慶07

西南地區(qū)秋季干旱的年代際轉(zhuǎn)折及其可能原因分析

張顧煒1, 2曾剛1, 3倪東鴻1周國(guó)兵4
1南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心/氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210044
2大連市氣象服務(wù)中心，大連116600
3高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610225
4重慶市氣象局，重慶401147

張顧煒，曾剛，倪東鴻，等. 2016. 西南地區(qū)秋季干旱的年代際轉(zhuǎn)折及其可能原因分析 [J]. 大氣科學(xué), 40 (2): 311-323.Zhang Guwei, Zeng Gang, Ni Donghong, et al. 2016. Decadal shift of autumn drought in Southwest China and its possible causes [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (2): 311-323, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1503.14294.

采用1961～2012年中國(guó)氣象局753站降水和溫度資料、NCEP/NCAR全球大氣再分析資料、NOAA海表溫度資料等，應(yīng)用觀測(cè)統(tǒng)計(jì)分析和全球大氣環(huán)流模式NCAR CAM5.1數(shù)值模擬，基于標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI），對(duì)我國(guó)西南秋季干旱的年代際轉(zhuǎn)折及其可能原因進(jìn)行了分析。觀測(cè)分析結(jié)果表明：（1）西南秋季干旱的主要分布型為全區(qū)一致型；西南秋季SPEI在1994年發(fā)生年代際突變，突變后（前）為偏旱（澇）期。（2）西南秋季偏旱期的主要環(huán)流特征是，西太平洋副熱帶高壓位置偏西、面積偏大、強(qiáng)度偏強(qiáng)，南支槽偏弱，西南地區(qū)存在下沉運(yùn)動(dòng)。（3）熱帶東印度洋—西太平洋的海表溫度年代際升高對(duì)西南秋季SPEI在1994年發(fā)生年代際突變有重要作用，該關(guān)鍵海區(qū)海表溫度異常升高，一是會(huì)使秋季西南地區(qū)500 hPa高度場(chǎng)偏高，南支槽減弱；二是產(chǎn)生偏強(qiáng)的Hadley環(huán)流，使得我國(guó)西南地區(qū)存在下沉運(yùn)動(dòng)；三是會(huì)在西太平洋激發(fā)氣旋性環(huán)流，使我國(guó)西南地區(qū)被偏北氣流控制，削弱了向我國(guó)西南地區(qū)的水汽輸送，容易造成該地區(qū)的秋季干旱。應(yīng)用NCAR CAM5.1全球大氣環(huán)流模式進(jìn)行了關(guān)鍵海區(qū)海表溫度年代際變化的敏感性試驗(yàn)，驗(yàn)證了觀測(cè)分析結(jié)果，即秋季關(guān)鍵海區(qū)海表溫度年代際升高對(duì)西南秋季年代際變旱有重要作用。

1　引言

中國(guó)西南地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地貌類型多樣，是世界上地形最復(fù)雜的地區(qū)之一。這里既有高原又有盆地和丘陵，是一個(gè)典型的氣候多變區(qū)（徐裕華，1991）。近年來(lái)，我國(guó)西南地區(qū)旱災(zāi)頻發(fā)，如：2005年春夏云南異常干旱，2006年夏季川渝高溫干旱，2009～2010年秋冬春西南地區(qū)連續(xù)性干旱，以及2011～2012年冬春季西南干旱（彭京備等，2007；晏紅明等，2007；鄒旭愷和高輝，2007；李永華等，2009；王斌和李躍清，2010；黃榮輝等，2012；王曉敏等，2012）。黃榮輝等（2012）指出，20世紀(jì)50年代后期至80年代初期，西南地區(qū)秋季降水偏多，80年代初期至21世紀(jì)初，西南地區(qū)夏季降水偏少，而2002～2009年期間西南地區(qū)秋季降水嚴(yán)重偏少。

造成西南地區(qū)干旱的原因很多，已有的研究多集中于夏季干旱成因分析。例如：鄒旭愷和高輝（2007）指出，2006年盛夏西南地區(qū)東部的異常高溫干旱事件可能是受全球變暖和天氣擾動(dòng)共同作用的結(jié)果；李永華等（2012a，2013）指出，西南地區(qū)東部夏季旱澇與夏季副熱帶高壓南北位置的變化以及南亞高壓脊線位置的變化關(guān)系非常密切；王斌和李躍清（2010）通過(guò)分析2009～2010年秋冬季西南地區(qū)干旱指出，該時(shí)期西南地區(qū)嚴(yán)重干旱的發(fā)展、演變和減弱與同期500 hPa南支槽活動(dòng)及整層水汽輸送有著密切的聯(lián)系。以往的研究表明，影響西南地區(qū)干旱氣候的環(huán)流場(chǎng)及天氣系統(tǒng)主要有西太平洋副熱帶高壓、西風(fēng)帶環(huán)流、南亞高壓、東南亞夏季風(fēng)、南支槽、昆明靜止鋒等（葉篤正等，1957；李躍清，2000；馬振鋒，2002，2003；劉瑜等，2010；龐晶和覃軍，2013；尹晗和李耀輝，2013；陳歡等，2014；張?zhí)煊畹龋?014）。

干旱指標(biāo)是研究干旱氣候的基礎(chǔ)，也是衡量干旱程度的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。目前應(yīng)用較廣泛的干旱指標(biāo)有Palmer干旱指數(shù)（PDSI；Palmer，1965）、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI；McKee et al.，1993）、相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)（M；Richard and Heim，2002）以及降水距平百分率等。Vicente-Serrano et al.（2010）在標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)（SPI）的基礎(chǔ)上引入潛在蒸散項(xiàng)，構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI），SPEI融合了SPI 和Palmer干旱指數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，更多考慮了溫度的因素，從而能更敏感地反映出氣候變暖對(duì)干旱化的影響。王林和陳文（2012）基于SPEI對(duì)西南地區(qū)近五百年的干旱演變特征進(jìn)行分析，證明SPEI在西南地區(qū)具有較好的適用性。

20世紀(jì)90年代之后西南地區(qū)秋季干旱頻繁發(fā)生（Yu et al.，2014），然而針對(duì)西南秋季干旱的研究還較少。劉宣飛和袁慧珍（2006）指出，印度洋海表溫度異常和西南秋季降水的變化存在一定聯(lián)系；Zhang et al.（2013）指出，2009年暖池型厄爾尼諾對(duì)當(dāng)年西南秋季干旱有直接影響；黃榮輝等（2012）指出，熱帶西太平洋和熱帶印度洋的升溫造成了從2009年秋季到2010年春季西南地區(qū)的嚴(yán)重干旱。以往對(duì)西南秋季干旱的探討，多集中于個(gè)例分析，且大多數(shù)干旱指數(shù)的構(gòu)建只考慮了降水因素，很少考慮氣溫的影響。因此，本文將基于SPEI這種更為全面的干旱指標(biāo)，采用觀測(cè)分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析西南秋季干旱的時(shí)空變化特征，確定影響西南秋季干旱的關(guān)鍵海區(qū)并分析其影響機(jī)制，期望為監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)西南秋季干旱提供科學(xué)依據(jù)。

2　資料、方法和模式介紹

所用資料有：（1）1961～2012年中國(guó)753站逐日降水和氣溫資料中西南地區(qū)三省一市（云南省、貴州省、四川省和重慶市）內(nèi)的無(wú)缺測(cè)的77個(gè)臺(tái)站資料（站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1a）；（2）中國(guó)國(guó)家氣候中心提供的74項(xiàng)環(huán)流指數(shù)；（3）NCEP/NCAR逐月再分析資料集，包括位勢(shì)高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)、垂直速度場(chǎng)和比濕場(chǎng)等，水平分辨率為2.5°×2.5°（Kalnay et al.，1996）；（4）NOAA提供的ERSST v3b資料，水平分辨率為2.0°×2.0°（Smith et al.，2007）。

所用方法主要有經(jīng)驗(yàn)函數(shù)正交分解（EOF）、Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)、T檢驗(yàn)、相關(guān)及合成分析等方法（魏鳳英，2007）。采用1971～2000年30年平均值作為氣候平均態(tài)。SPEI的等級(jí)劃分見(jiàn)表1。臺(tái)站資料主要包括月平均降水量及氣溫，用于計(jì)算SPEI，計(jì)算過(guò)程詳見(jiàn)Vicente-Serrano et al.（2010）。

表1　標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）的干旱等級(jí)Table 1　Drought levels based on the SPEI (standardized precipitation evapotranspiration index)

文中數(shù)值試驗(yàn)所用模式是美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）2011年研制發(fā)布的CAM5.1全球大氣環(huán)流模式，它是NCAR通用地球系統(tǒng)模式（Community Earth System Model 1.0.4，CESM1.0.4）的大氣模塊，既可與海洋、海冰模式耦合運(yùn)行，也可獨(dú)立運(yùn)行。相對(duì)于之前的版本，CAM5.1的物理參數(shù)化方案有了實(shí)質(zhì)性修改，例如：更新了濕邊界層和淺積云對(duì)流方案，改進(jìn)了對(duì)低云的模擬等（Neale et al.，2012）。本文試驗(yàn)均采用模式的T42水平分辨率，即緯向均勻分布128個(gè)格點(diǎn)，經(jīng)向分布64個(gè)格點(diǎn)，垂直方向共30層，采用σ–p混合坐標(biāo)；使用模式自帶的真實(shí)地形、海陸分布等邊界條件。為了與NCEP/NCAR再分析資料作比較，所有試驗(yàn)結(jié)果均采用雙線性插值方法處理成2.5°×2.5°水平網(wǎng)格資料。文中秋季指9～11月。

3　西南秋季干旱的時(shí)空特征

圖1b、c分別給出了1961～2012年西南秋季氣溫距平、降水距平的年際變化，可見(jiàn)：西南秋季氣溫和降水呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)，氣溫具有顯著的上升趨勢(shì)，而降水卻具有明顯的減少趨勢(shì)。11年滑動(dòng)平均曲線顯示，西南秋季氣溫和降水均在20世紀(jì)90年代初期發(fā)生了年代際變化，在這之前溫度距平幾乎為負(fù)，降水距平多為正，而之后兩者則分別為正和負(fù)，特別是21世紀(jì)以來(lái)，氣溫上升和降水減少的趨勢(shì)尤為明顯。

SPEI引入潛在蒸散項(xiàng)，將氣溫因素考慮到對(duì)干旱程度的判定之中，因此本文選用這種更為全面的指標(biāo)來(lái)作為旱澇評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。本文提取1961～2012年西南地區(qū)77個(gè)臺(tái)站的月平均氣溫和降水，計(jì)算各站秋季SPEI，并進(jìn)行EOF分析。圖2a為EOF第一模態(tài)的空間分布，其方差貢獻(xiàn)率為23.0%?？梢?jiàn)，西南全區(qū)符號(hào)一致，因此可將此空間分布型稱為全區(qū)一致型。第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)具有明顯的下降趨勢(shì)（圖2b），特別是21世紀(jì)以來(lái)幾乎為負(fù)，結(jié)合特征值的分布可知，西南干旱呈加重趨勢(shì)。EOF第二模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為11.6%，空間分布型為東西反向型（圖略），其余模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率均未超過(guò)10.0%。因此，西南秋季干旱主要表現(xiàn)為全區(qū)一致型，且21世紀(jì)以來(lái)干旱加劇。

圖3a為西南地區(qū)秋季SPEI（77站SPEI的平均值）的時(shí)間變化?？梢?jiàn)，SPEI呈顯著下降趨勢(shì)，20世紀(jì)90年代初期之后西南地區(qū)秋季多為干旱，2009年SPEI指數(shù)最小(?1.36)，為近50年最干旱年份，這與采用其他干旱指標(biāo)的研究結(jié)論一致（王斌和李躍清，2010；黃榮輝等，2012；王曉敏等，2012；尹晗和李耀輝，2013）。對(duì)西南秋季SPEI做Mann-Kendall突變檢驗(yàn)（圖3b），結(jié)果表明西南秋季SPEI在1994年發(fā)生了年代際突變，1994年之后SPEI顯著下降，且多為負(fù)值（干旱）。對(duì)照?qǐng)D1b可知，西南秋季氣溫也是在1994年之后開(kāi)始顯著升高的，表明氣候變暖對(duì)該地區(qū)的干旱確實(shí)起到了促進(jìn)作用。

圖1?。╝）西南地區(qū)77站分布；（b）1961～2012年西南秋季氣溫距平（單位：°C；實(shí)線為11年滑動(dòng)平均）；（c）1961～2012年西南秋季降水距平（單位：mm；實(shí)線為11年滑動(dòng)平均）Fig. 1　(a) Distribution of 77 meteorological stations in Southwest China, and the (b) temperature anomaly (units: °C) and (c) rainfall anomaly (units: mm) in Southwest China in autumn 1961–2012 (solid line: 11-year moving average)

4　西南秋季干旱對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流特征

上文分析得出西南秋季SPEI在1994年發(fā)生年代際突變，將1994年之前（即1961～1993年）定義為偏澇期，1994～2012年定義為偏旱期。下文主要從西太平洋副熱帶高壓、南支槽、水汽輸送和垂直運(yùn)動(dòng)等方面，對(duì)偏旱期和偏澇期做合成差值分析，尋找導(dǎo)致西南地區(qū)秋季干旱發(fā)生年代際變化的可能原因。

利用中國(guó)國(guó)家氣候中心提供的74項(xiàng)環(huán)流指數(shù)中的西太平洋副熱帶高壓各項(xiàng)特征指數(shù)與西南秋季SPEI作相關(guān)分析（表2）?？梢?jiàn)：西南秋季SPEI與西太平洋副熱帶高壓的面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)和西伸脊點(diǎn)（西伸脊點(diǎn)值為經(jīng)度，越小越偏西）都有很好的相關(guān)性，均通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，其中與面積指數(shù)的相關(guān)系數(shù)通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。由此可知，當(dāng)西太平洋副熱帶高壓位置偏西、面積偏大、強(qiáng)度偏強(qiáng)時(shí)，西南秋季SPEI偏低，發(fā)生干旱。由秋季500 hPa位勢(shì)高度及其差值場(chǎng)（偏旱期減偏澇期，下同）（圖4a）可以看出，相對(duì)于偏澇期，偏旱期西太平洋副熱帶高壓的面積偏大、西伸明顯，使得西南地區(qū)受其控制，導(dǎo)致西南地區(qū)降水偏少；同時(shí)，西南地區(qū)位于顯著正高度差值區(qū)域，通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，這樣由于西太平洋副熱帶高壓的控制導(dǎo)致西南地區(qū)秋季氣溫偏高，而高溫又是引發(fā)干旱的一個(gè)重要因素。與偏澇期相比，南支槽區(qū)為顯著正差值區(qū)域，通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，表明南支槽偏弱，槽前西南氣流減弱，導(dǎo)致從孟加拉灣向西南地區(qū)輸送的水汽強(qiáng)度減弱，西南地區(qū)水汽匱乏，易致西南干旱。

圖2　西南地區(qū)秋季SPEI（standardized precipitation evapotranspiration index）的EOF（empirical orthogonal function）第一模態(tài)的（a）空間分布和（b）時(shí)間系數(shù)Fig. 2　(a) Eigenvectors and (b) time coefficients of the first EOF (empirical orthogonal function) mode of autumn SPEI (standardized precipitation evapotranspiration index) in Southwest China

圖3 （a）1961～2012年西南地區(qū)秋季SPEI的時(shí)間變化；（b）SPEI的Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果（虛直線表示0.05的顯著性水平線）Fig. 3 (a) Autumn SPEI in Southwest China from 1961 to 2012, and (b) the Mann–Kendall test result for SPEI (dashed straight lines indicate the 0.05 significance level)

表2　1961～2012年西太平洋副熱帶高壓特征指數(shù)與西南地區(qū)秋季SPEI的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients between western Pacific subtropical high indices and autumn SPEI in Southwest China from 1961 to 2012

圖4b為整層水汽通量差值場(chǎng)，陰影區(qū)為顯著差值區(qū)域，通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)?？梢?jiàn)，孟加拉灣被偏東氣流控制，而在西太平洋存在一個(gè)氣旋性差值環(huán)流，它導(dǎo)致西南地區(qū)存在偏北的水汽輸送，并且在西南大部分地區(qū)存在顯著的水汽輸送負(fù)差值，表明偏旱期從孟加拉灣北部向西南地區(qū)的水汽輸送比偏澇期明顯偏弱。由圖4c可見(jiàn)，西南地區(qū)存在顯著的差值下沉區(qū)，不利于水汽由低層向高層輸送，導(dǎo)致降水減少。因此，偏旱期從海洋向西南地區(qū)輸送的水汽偏少，西南地區(qū)多為下沉運(yùn)動(dòng)，不利于水汽由低層向高層輸送，導(dǎo)致降水減少，易出現(xiàn)旱情。

圖4 （a）秋季西太平洋副熱帶高壓位置及500 hPa高度差值場(chǎng)（單位：dagpm；黑色實(shí)線表示偏旱期秋季西太平洋副熱帶高壓位置，藍(lán)色虛線為偏澇期）；（b）秋季整層水汽通量差值場(chǎng)（單位：kg m?1s?1）；（c）700 hPa垂直速度差值場(chǎng)（圖中黑色陰影為地形，單位：10?2Pa s?1，正值表示下沉，負(fù)值表示上升）。差值場(chǎng)均為偏旱期減去偏澇期；圖中陰影區(qū)均為差值場(chǎng)，且均表示通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)，暖色為顯著正異常，冷色為顯著負(fù)異常Fig. 4　(a) Location of the western Pacific subtropical high in the drought period (black solid line) and flood period (blue dashed line), with 500 hPa geopotential height differences (units: dagpm), (b) vertically integrated water vapor transport flux differences (units: kg m?1s?1); (c) vertical velocity differences at 700 hPa [units: 10?2Pa s?1; black shading is the terrain; positive (negative) values denote downward (upward) motion]. Warm (cold) color shading indicates significant positive (negative) anomalies passing test at the 0.05 significance level; differences are for the drought period minus the flood period

5　熱帶印度洋—太平洋海表溫度異常對(duì)西南秋季干旱的影響

我國(guó)西南地區(qū)距離熱帶印度洋和熱帶太平洋都較近，容易受這兩個(gè)海區(qū)海表溫度異常的影響（黃榮輝等，2012；李永華等，2012b；Zhang et al.，2013）。因此，用西南秋季SPEI分別與前期夏季（6～8月）、同期秋季（9～11月）熱帶印度洋—太平洋海表溫度（sea surface temperature, SST）作相關(guān)分析，結(jié)果見(jiàn)圖5a（夏季）和圖5c（秋季）。可以發(fā)現(xiàn)，在熱帶東印度洋—西太平洋有一大片負(fù)相關(guān)區(qū)域（通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)），本文將該區(qū)域（15°S～15°N，70°～150°E）選作影響西南干旱的關(guān)鍵海區(qū)。把夏季和秋季關(guān)鍵海區(qū)的區(qū)域平均海表溫度異常（sea surface temperature anomaly, SSTA）分別與西南秋季SPEI作相關(guān)分析（圖5b、d），可見(jiàn)它們與西南秋季SPEI存在很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，均通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，表明當(dāng)前期夏季和同期秋季關(guān)鍵區(qū)海表溫度異常偏高時(shí)，西南秋季SPEI偏低，易出現(xiàn)干旱。同時(shí)可見(jiàn)，關(guān)鍵海區(qū)在20世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)增暖，1994年以后海表溫度距平均為正，與西南秋季干旱頻發(fā)期有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，表明關(guān)鍵海區(qū)的海表溫度異常與西南秋季干旱存在密切聯(lián)系。

圖5　1961～2012年西南秋季SPEI與（a）前期夏季、（c）同期秋季熱帶東印度洋—西太平洋海表溫度的相關(guān)系數(shù)分布（陰影區(qū)表示通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)的負(fù)相關(guān)區(qū)域）；（b）前期夏季、（d）同期秋季關(guān)鍵海區(qū)海表溫度距平（柱）和西南秋季SPEI（線條）的時(shí)間序列Fig. 5　Distributions of correlation coefficients between autumn SPEI in Southwest China and SST in the EIWP (eastern Indian Ocean and western Pacific) region in (a) summer and (c) autumn from 1961 to 2012 (shading indicates significant negative anomalies over the 99% confidence level). Time series of SSTA (bars) in the key sea region (15°S–15°N, 70°–150°E) in (b) summer and (d) autumn, with autumn SPEI (line) in Southwest China

熱帶洋面一般通過(guò)自身增暖影響經(jīng)圈或緯圈環(huán)流來(lái)進(jìn)一步影響其他區(qū)域氣候。在西南秋季偏旱年，赤道附近存在差值上升運(yùn)動(dòng)，而我國(guó)西南地區(qū)（20°～30°N）則存在差值下沉運(yùn)動(dòng)，表明從赤道附近到西南地區(qū)存在一個(gè)增強(qiáng)的Hadley環(huán)流（圖6）。用該Hadley環(huán)流的500 hPa上升支垂直速度減去下沉支垂直速度的差值表示Hadley強(qiáng)度指數(shù)，差值為正（負(fù)）時(shí)表示Hadley環(huán)流減弱（增強(qiáng)）。利用1961～2012年Hadley強(qiáng)度指數(shù)，分別與夏季、秋季關(guān)鍵海區(qū)SSTA及西南秋季SPEI作相關(guān)分析（表3）。結(jié)果表明，該Hadley環(huán)流強(qiáng)度指數(shù)與夏季、秋季SSTA呈顯著的負(fù)相關(guān)，而與西南秋季SPEI呈顯著的正相關(guān)，說(shuō)明關(guān)鍵海區(qū)海溫異常增高時(shí)，Hadley環(huán)流增強(qiáng)，西南地區(qū)受下沉運(yùn)動(dòng)控制，西南秋季易發(fā)生干旱。

圖6　經(jīng)向—垂直環(huán)流差值場(chǎng)（偏旱期減偏澇期）沿97°～112°E平均的緯度—高度剖面?；疑幱皡^(qū)表示通過(guò)0.05水平的顯著性檢驗(yàn)；黑色陰影區(qū)為地形；垂直風(fēng)速單位：10?2Pa s?1，經(jīng)向風(fēng)速單位：m s?1Fig. 6　Latitude–pressure section of vertical circulation differences (drought period minus flood period) averaged from 97°E to 112°E (shadings denote significant differences at the 95% confidence level; black shading is the terrain, units of vertical and meridional wind velocity are 10?2Pa s?1and m s?1, respectively)

已有的研究表明，當(dāng)西太平洋暖池異常增暖時(shí)，可通過(guò)其上空對(duì)流活動(dòng)的異常，引起西太平洋副高的位置和強(qiáng)度的變化（金祖輝和陳鐫，2002）。將前期夏季和同期秋季該關(guān)鍵海區(qū)的SSTA和秋季500 hPa高度場(chǎng)做相關(guān)分析（圖7），從圖中可以看出，兩個(gè)時(shí)段的SSTA和500 hPa高度場(chǎng)存在顯著的正相關(guān)，通過(guò)了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。說(shuō)明該關(guān)鍵海區(qū)的海表溫度異常增暖時(shí)，大范圍的海表熱力偏強(qiáng)會(huì)使秋季西南地區(qū)500 hPa高度場(chǎng)偏高，南支槽偏弱，西北太平洋副熱帶高壓增強(qiáng)，與之前分析得到的西南秋季偏旱期的西北太平洋副熱帶高壓的特征（圖4a）相符。

圖7　1961～2012年（a）前期夏季、（b）同期秋季熱帶東印度洋—西太平洋海表溫度異常（SSTA）與500 hPa高度相關(guān)場(chǎng)（陰影區(qū)表示通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)的正相關(guān)區(qū)域）Fig. 7　Distributions of correlation coefficients between SST in the EIWP region in (a) summer and (b) autumn and 500 hPa geopotential height from 1961 to 2012 (shading indicates significant positive anomalies over the 99% confidence level)

表3　1961～2012年Hadley強(qiáng)度指數(shù)與關(guān)鍵海區(qū)前期夏季SSTA（Sea Surface Temperature Anomaly）、同期秋季SSTA及西南秋季SPEI的相關(guān)系數(shù)與Hadley強(qiáng)度指數(shù)的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between the Hadley intensity index and summer/autumn SSTA (Sea Surface Temperature Anomaly) in the key sea region, and autumn SPEI in Southwest China from 1961 to 2012

6　數(shù)值試驗(yàn)

通過(guò)上述觀測(cè)分析可知，在前期夏季和同期秋季，熱帶東印度洋—西太平洋海表溫度異常與西南秋季SPEI存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。那么，該關(guān)鍵海區(qū)的海表溫度異常對(duì)西南秋季干旱年代際變化是否存在影響？以及哪個(gè)季節(jié)的海溫異常起著更重要、更直接的作用？為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，本文利用NCAR全球大氣環(huán)流模式CAM5.1進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

圖8　1979～2012年GOGA試驗(yàn)（實(shí)線）和觀測(cè)（虛線）的西南秋季SPEIFig. 8　Autumn SPEI in Southwest China from simulations in the GOGA experiment (solid line) and observations (dashed line) from 1979 to 2012

數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案詳見(jiàn)表4。各試驗(yàn)均采用了5個(gè)不同的初值場(chǎng)來(lái)驅(qū)動(dòng)模式，且GOGA試驗(yàn)從1978年1月1日起進(jìn)行積分模擬了34年，EXP_I、EXP_II和EXP_III試驗(yàn)均從1月1日起進(jìn)行積分各模擬了10年。由全球海洋、全球大氣試驗(yàn)（GOGA）結(jié)果計(jì)算出西南秋季SPEI，并與1979～2012年觀測(cè)的西南秋季SPEI進(jìn)行比較（圖8）。結(jié)果顯示，兩者具有顯著的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.471，通過(guò)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)，表明全球海表溫度異常對(duì)西南秋季干旱具有重要影響。

將各組敏感性試驗(yàn)?zāi)M的降水和850 hPa風(fēng)場(chǎng)的差值場(chǎng)（圖9）、500 hPa垂直速度的差值場(chǎng)（圖10a–c）、西太平洋副熱帶高壓的位置和500 hPa高度差值場(chǎng)（圖10d–f）以及平均經(jīng)圈環(huán)流的差值場(chǎng)（圖11），分別與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

表4　數(shù)值試驗(yàn)方案Table 4　Schemes of numerical experiments

圖9　秋季降水場(chǎng)（單位：mm d?1；陰影區(qū)表示降水差值為負(fù)）和850 hPa風(fēng)場(chǎng)（箭矢；單位：m s?1）的差值分布（暖試驗(yàn)減冷試驗(yàn)）：（a）EXP_I；（b）EXP_II；（c）EXP_IIIFig. 9　Differences of precipitation (units: mm d?1; shading denotes negative precipitation differences) and 850 hPa winds (vectors; units: m s?1) in autumn (warm experiment minus cold experiment): (a) EXP_I; (b) EXP_II; (c)EXP_III

（1）前期夏季至同期秋季海表溫度暖、冷試驗(yàn)的差值場(chǎng)（暖試驗(yàn)減冷試驗(yàn)，即EXP_I_W減EXP_I_C）表明：在貴州和云南東部存在降水負(fù)差值，暖試驗(yàn)?zāi)M出的西南秋季SPEI為?0.46，冷試驗(yàn)?zāi)M的西南秋季SPEI為0.50；孟加拉灣受偏東氣流控制（圖9a）；赤道地區(qū)為上升運(yùn)動(dòng)差值區(qū)（圖10a）；暖試驗(yàn)較冷試驗(yàn)西太平洋副熱帶高壓位置偏西、面積偏大，南支槽減弱(圖10d)；Hadley環(huán)流略有增強(qiáng)（圖11a）。模擬結(jié)果和觀測(cè)結(jié)果較為一致。

（2）前期夏季暖、冷試驗(yàn)的差值場(chǎng)（暖試驗(yàn)減冷試驗(yàn)，即EXP_II_W減EXP_II_C）表明：西南地區(qū)大部分為降水正差值，暖試驗(yàn)?zāi)M出的西南秋季SPEI為0.65（偏澇），冷試驗(yàn)?zāi)M的西南秋季SPEI為?0.33；低層風(fēng)場(chǎng)從孟加拉灣到西南地區(qū)存在偏西、偏南氣流（圖9b），赤道地區(qū)為上升差值區(qū)，但是西南地區(qū)也為上升差值區(qū)（圖10b）；暖試驗(yàn)較冷試驗(yàn)西太平洋副熱帶高壓位置偏西、面積偏大、強(qiáng)度偏強(qiáng)，南支槽強(qiáng)度偏弱，西南地區(qū)位于正高度場(chǎng)差值控制下（圖10e）；Hadley環(huán)流下沉支偏南，西南地區(qū)為上升運(yùn)動(dòng)（圖11b）。模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果有所偏差。

圖10　秋季500 hPa垂直速度的差值場(chǎng)（陰影；單位：10?2Pa s?1；正值表示下沉，負(fù)值表示上升）：（a）EXP_I；（b）EXP_II；（c）EXP_III。秋季西太平洋副熱帶高壓位置及500 hPa高度差值場(chǎng)（單位：dagpm，實(shí)線為暖試驗(yàn)，虛線為冷試驗(yàn)）：（d）EXP_I；（e）EXP_II；（f）EXP_III。差值場(chǎng)均為暖試驗(yàn)減冷試驗(yàn)Fig. 10　Differences of vertical velocity [shading; units: 10?2Pa s?1; positive (negative) values denote downward (upward) motion] at 500 hPa in autumn: (a) EXP_I; (b) EXP_II; (c) EXP_III. Location of the western Pacific subtropical high in the warm experiment (solid line) and cold experiment (dashed line), with 500 hPa geopotential height differences (units: dagpm): (d) EXP_I; (e) EXP_II; (f) EXP_III. Differences are for the warm experiment minus the cold experiment

（3）同期秋季暖、冷試驗(yàn)的差值場(chǎng)（暖試驗(yàn)減冷試驗(yàn)，即EXP_III_W減EXP_III_C）表明：西南地區(qū)全區(qū)為降水負(fù)差值，暖試驗(yàn)?zāi)M出的西南秋季SPEI為?0.75（偏旱），冷試驗(yàn)?zāi)M出的西南秋季SPEI為0.33；西太平洋地區(qū)存在一個(gè)氣旋性差值環(huán)流，孟加拉灣受偏東氣流控制且西南地區(qū)受偏北氣流控制（圖9c）；赤道地區(qū)為上升運(yùn)動(dòng)差值區(qū)，西南地區(qū)為下沉運(yùn)動(dòng)差值區(qū)（圖10c）；暖試驗(yàn)較冷試驗(yàn)西太平洋副熱帶高壓位置偏西、面積偏大，南支槽強(qiáng)度偏弱，西南地區(qū)位于正高度場(chǎng)差值控制下（圖10f）；Hadley環(huán)流增強(qiáng)（圖11c）。模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果基本一致。

上述分析結(jié)果表明：三組試驗(yàn)均能模擬出偏旱、偏澇期西太平洋副熱帶高壓位置和面積以及南支槽強(qiáng)度的變化；前期夏季至同期秋季海表溫度異常敏感性試驗(yàn)?zāi)M出的結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果較為一致，前期夏季海表溫度異常敏感性試驗(yàn)?zāi)M出的結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果相差較大，同期秋季海表溫度異常敏感性試驗(yàn)?zāi)M出的結(jié)果最接近觀測(cè)結(jié)果?？芍寒?dāng)關(guān)鍵海區(qū)海表溫度在前期夏季和同期秋季同時(shí)或分別年代際增暖時(shí)，秋季西南地區(qū)500 hPa高度場(chǎng)升高，西太平洋副熱帶高壓位置偏西、面積偏大且南支槽強(qiáng)度減弱，有利于西南地區(qū)發(fā)生干旱；當(dāng)關(guān)鍵海區(qū)海表溫度在前期夏季和同期秋季同時(shí)年代際增暖或只在同期秋季年代際增暖時(shí)，秋季西南地區(qū)會(huì)發(fā)生干旱。因此，同期秋季關(guān)鍵海區(qū)的海表溫度年代際增暖對(duì)西南秋季年代際變旱有著非常重要的作用。

圖11　秋季經(jīng)向—垂直環(huán)流差值場(chǎng)（暖試驗(yàn)減冷試驗(yàn)）沿97°～112°E平均的緯度—高度剖面（圖中黑色陰影區(qū)為地形；垂直速度單位：10?2Pa s?1，經(jīng)向風(fēng)速單位：m s?1)：（a）EXP_I；（b）EXP_II；（c）EXP_IIIFig. 11 Latitude–pressure sections of vertical circulation differences (warm experiment minus cold experiment) averaged from 97°E to 112°E in autumn (black shading is the terrain; units of vertical and meridional wind velocity are 10?2Pa s?1and m s?1, respectively): (a) EXP_I; (b) EXP_II; (c) EXP_III

7　結(jié)論與討論

本文利用觀測(cè)資料和NCAR CAM5.1全球大氣環(huán)流模式，基于SPEI指數(shù)分析了西南秋季干旱特征，重點(diǎn)探討了其年代際轉(zhuǎn)折及其可能原因，得到如下主要結(jié)論：

（1）西南秋季干旱的主要空間分布型為全區(qū)一致型，該分布型隨著氣候變暖呈加重趨勢(shì)。西南秋季SPEI在1994年發(fā)生年代際突變，其中1961～1993年為偏澇期，1994～2012年為偏旱期，與該區(qū)氣溫和降水的突變時(shí)間一致，1994年以后西南地區(qū)秋季氣溫升高、降水減少、干旱加重。

（2）西南秋季偏旱期主要環(huán)流特征是，西太平洋副熱帶高壓位置偏西、面積偏大、強(qiáng)度偏強(qiáng)，南支槽偏弱，西南地區(qū)存在下沉運(yùn)動(dòng)。

（3）觀測(cè)分析和數(shù)值模擬結(jié)果均表明，熱帶東印度洋—西太平洋的海表溫度年代際升高對(duì)西南秋季1994年后的年代際干旱具有重要作用。該關(guān)鍵海區(qū)夏季和秋季海表溫度年代際升高，會(huì)引起秋季西南地區(qū)500 hPa高度場(chǎng)升高，西太平洋副熱帶高壓位置偏西，面積偏大以及南支槽減弱，有利于西南地區(qū)發(fā)生干旱；該關(guān)鍵海區(qū)秋季海表溫度年代際升高，一方面產(chǎn)生偏強(qiáng)的Hadley環(huán)流，使得我國(guó)西南地區(qū)存在下沉運(yùn)動(dòng)，另一方面在西太平洋激發(fā)氣旋性環(huán)流，使我國(guó)西南地區(qū)被異常偏北氣流控制，減弱了向我國(guó)西南地區(qū)的水汽輸送，容易造成該地區(qū)秋季干旱。綜上所述，秋季該關(guān)鍵海區(qū)的海表溫度年代際增暖對(duì)西南秋季20世紀(jì)90年代后呈干旱化趨勢(shì)具有重要作用。

統(tǒng)計(jì)西南地區(qū)各偏旱年的海表溫度異常分布時(shí)發(fā)現(xiàn)：1998和2007年赤道中東太平洋異常偏冷，而2002、2003和2009年赤道中東太平洋則異常偏暖。黃榮輝等（2012）和Zhang et al.（2013）指出，2009年的El Ni?o事件對(duì)西南秋季干旱起到了一定作用；Zhang et al.（2014）又指出中部型和東部型El Ni?o對(duì)南方旱澇有不同的影響。本文僅分析了西南秋季干旱的年代際變化，對(duì)于西南秋季干旱的年際變化以及與熱帶海表溫度的關(guān)系，尚需進(jìn)一步深入研究。

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Decadal Shift of Autumn Drought in Southwest China and Its Possible Causes

ZHANG Guwei1, 2, ZENG Gang1, 3, NI Donghong1, and ZHOU Guobing4
1 Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science & Technology/Key Laboratory of Meteorological Disaster, Ministry of Education, Nanjing 210044
2 Meteorological Service Center of Dalian, Dalian 116600
3 Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 610225
4 Chongqing Meteorological Bureau, Chongqing 401147

Based on the precipitation and temperature data of 753 observation stations in China for the period 1961–2012, as well as National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research (NCAR) reanalysis and National Oceanic and Atmospheric Administration Extended Reconstructed Sea Surface Temperature v3b data, this study uses the Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI) to discuss the decadal shift of autumn drought in Southwest China and its possible causes through observational analysis and NCAR Community Atmosphere Model, version 5.1 (CAM5.1) numerical simulations. The observational results show that the main distribution for the entire district of autumn drought in Southwest China is in the same phase, and the drought has been getting worse since 1994. It is also found that when the western Pacific subtropical high is positioned further west, and is larger and stronger than usual, it is drier in Southwest China. A weak Indo-Burmese trough and local vertical subsidence movement are also key atmospheric circulation factors for autumn drought in Southwest China. The autumn drought in Southwest China is significantly correlated with the sea surface temperature anomaly (SSTA) over the eastern Indian Ocean and western Pacific (EIWP) region, which is the key region for the cause of Southwest China experiencing more drought since 1994. The positive SSTA in this key region enhances the 500 hPa geopotential height over Southwest China in autumn. It also induces cyclonic circulation around the western Pacific, and an enhanced Hadley cell. In such cases, Southwest China is controlled by both northerly wind and subsidence motion, reducing the amount of water vapor transported to Southwest China. A series of numerical simulations using NCAR CAM5.1 confirm the above observational results and show that the autumn positive SSTA in the EIWP region plays an important role in causing the autumn drought in Southwest China on the decadal scale.

Standardized Precipitation Evapotranspiration Index, Southwest China, Autumn drought, Decadal shift

Funded byNational Basic Research Program of China (973 Program, Grant 2013CB430202), Project Funded by the Natural Sciences Foundation of Jiangsu Province (Grant BK20131431), Special Scientific Research Fund of Meteorological Public Welfare Profession of China (Grant GYHY201306020), Opening Fund from Chongqing Meteorological Bureau (Grant KFJJ-201302), Opening Fund from Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province (Grant PAEKL-2013-K1), “Qinglan” Project of Jiangsu Province

標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)中國(guó)西南地區(qū)秋季干旱年代際轉(zhuǎn)折

1006-9895(2016)02-0311-13

P461

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1503.14294

2014-10-16；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期2015-03-16

張顧煒，男，1989年出生，碩士研究生，主要從事氣候變化研究. E-mail: kobezane24@hotmail.com

曾剛，E-mail: zenggangted@hotmail.com

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）項(xiàng)目2013CB430202，江蘇省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目BK20131431，公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)GYHY201306020，重慶市氣象局開(kāi)放式研究基金項(xiàng)目kfjj-201302，高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題PAEKL-2013-K1，江蘇省高?！扒嗨{(lán)工程”