云南2009—2014年持續(xù)性氣象水文干旱特征及成因分析

榮艷淑，鞏 琳，，盧壽德

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.黃河水利委員會(huì)中游水資源保護(hù)局，山西 晉中 030600)

干旱是一種影響大、范圍廣、危害深的頻發(fā)性和慢性的自然災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著人類社會(huì)生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1-4]。近年來(lái)，隨著全球氣候變暖，我國(guó)西南地區(qū)干旱事件增多、旱災(zāi)明顯加重[5-7]。特別是2009年以來(lái)，云南地區(qū)持續(xù)遭受干旱影響，連年干旱的疊加效應(yīng)使農(nóng)作物大面積減產(chǎn)甚至絕收，云南多處水庫(kù)塘壩干涸，山區(qū)群眾飲水和農(nóng)業(yè)灌溉困難，生態(tài)環(huán)境受到影響，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重[8-9]。

云南氣候獨(dú)特，干濕季節(jié)分明，雨季(5—10月)降水占全年降水總量的85%左右，而干季(11月—次年4月)降水只占15%左右，因此，云南冬春和初夏是最易發(fā)生干旱的季節(jié)[10]，干旱成因也有差異。2003年夏季和2006年夏季，云南都出現(xiàn)了嚴(yán)重干旱，高溫伴隨降水減少，使干旱影響日趨嚴(yán)重[11]。2009秋季到2010年春季，云南又出現(xiàn)了嚴(yán)重的秋、冬、春連續(xù)嚴(yán)重干旱[8]。云南楚雄地區(qū)更是連續(xù)5年干旱[7]，引起人們對(duì)云南地區(qū)持續(xù)性干旱成因的關(guān)注。

研究表明，云南冬季干旱主要與南支槽、孟加拉灣水汽輸送以及極渦、北極濤動(dòng)(Arctic oscillation，AO)、北大西洋濤動(dòng)(North Atlantic oscillation，NAO)異常有關(guān)[12-13]；云南夏季干旱主要與西太平洋副熱帶高壓、南亞高壓及亞洲夏季風(fēng)有關(guān)[14-15]；云南春季、秋季干旱多與西風(fēng)帶環(huán)流系統(tǒng)異常有關(guān)[16-18]。

目前研究多著眼于某個(gè)干旱事件，特別是針對(duì)2009—2010年秋冬季節(jié)云南干旱問(wèn)題[8, 19]。實(shí)際上，始于2009年秋季的干旱并未終止，曾有人在2014年討論云南地區(qū)持續(xù)4年的干旱問(wèn)題下[8]。這樣長(zhǎng)的持續(xù)性干旱在云南歷史上有記載以來(lái)從未出現(xiàn)過(guò)，其形成原因值得深入探討。筆者擬對(duì)2009年開(kāi)始的云南氣象和水文干旱進(jìn)行詳細(xì)討論，并就干旱成因進(jìn)行初步分析。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

云南省位于中國(guó)西南部，地形復(fù)雜多變，由西北部橫斷山區(qū)向東南部云貴高原過(guò)渡，海拔高度由5 000 m逐漸降低為1 000 m，氣候也由西北部的山地立體氣候，逐漸變?yōu)闁|北部亞熱帶季風(fēng)氣候和南部熱帶季風(fēng)氣候。云南省大部地區(qū)年降水量在1 100 mm左右，南部可達(dá)1 600 mm以上。但是，降水在時(shí)空分布上極不均勻，特別是干季降水量只占全年15%左右[10]，容易發(fā)生干旱。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

①逐月戴一帕爾默干旱強(qiáng)度指數(shù)(Dai Palmer Drought Severity Index，Dai-PDSI)數(shù)據(jù)。取自美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局網(wǎng)站(http://www.esrl.noaa.gov/psd/)，水平分辨率為2.5°×2.5°，時(shí)間長(zhǎng)度為1960—2014年。選取與云南省區(qū)域范圍最接近的16個(gè)格點(diǎn)數(shù)據(jù)(圖1)，以該區(qū)域的算術(shù)平均值作為云南地區(qū)的平均Dai-PDSI。②逐月流量數(shù)據(jù)。取流域內(nèi)溪洛渡、天一和糯扎渡3個(gè)水文站(圖1中的紅色五星)的月平均流量數(shù)據(jù)，均經(jīng)過(guò)還原計(jì)算，資料長(zhǎng)度為1960—2014年。③美國(guó)環(huán)境預(yù)測(cè)中心(NCEP),美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)逐月再分析資料。選取了位勢(shì)高度、風(fēng)場(chǎng)、垂直速度、比濕、水汽通量等，高度從1 000 hPa到100 hPa，水平分辨率為2.5°×2.5°，時(shí)間長(zhǎng)度與前兩類數(shù)據(jù)相同。④逐月降水?dāng)?shù)據(jù)。從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)獲得云南省28個(gè)氣象站點(diǎn)(圖1中的空心圓)的逐月平均降水量數(shù)據(jù)，資料長(zhǎng)度為1961—2014年。所有數(shù)據(jù)的氣候平均態(tài)時(shí)用1971—2000年平均值表示，距平用月值與氣候平均態(tài)的偏差表示。

圖1 云南區(qū)域格點(diǎn)、水文站點(diǎn)及氣象站點(diǎn)空間分布

2 研究指標(biāo)與研究方法

2.1 研究指標(biāo)

Dai-PDSI是Dai等[20]在帕爾默干旱指數(shù)(Palmer drought severity index,PDSI)基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，是考慮了全球氣候變暖情況后的修正指數(shù)。徑流干旱指數(shù)(streamflow drought index，SDI)是依據(jù)Nalbantis等[21]的定義而計(jì)算的， SDI值有月、季、半年和年尺度的序列，分別用SDI1、SDI3、SDI6和SDI12表示。兩類干旱指標(biāo)的等級(jí)劃分見(jiàn)表1。

表1 Dai-PDSI和SDI對(duì)應(yīng)的干旱等級(jí)

2.2 研究方法

a. 應(yīng)用皮爾遜相關(guān)分析反映兩個(gè)隨機(jī)變量之間的線性相關(guān)關(guān)系。設(shè)有兩個(gè)變量x1，x2，…，xn和y1，y2，…，yn，兩個(gè)變量之間相關(guān)系數(shù)r的計(jì)算公式為

(1)

當(dāng)r的數(shù)值越接近±1，表示兩個(gè)序列的線性關(guān)系越好；越接近零，表示兩個(gè)序列的線性關(guān)系越不好。

b. 使用距平Pa和距平百分率Pf反映數(shù)據(jù)與平均值的差異，其中,Pa反映序列中某個(gè)數(shù)值與平均值的偏差，Pf反映序列中某個(gè)數(shù)值與平均值的偏離程度。其表達(dá)式為

Pa=Pi-Pm

(2)

Pf=(Pi-Pm)/Pm×100%

(3)

式中：Pi表示某序列中i時(shí)刻的數(shù)值；Pm為1971—2000年氣候基準(zhǔn)期的平均值。

c. 應(yīng)用合成分析方法對(duì)多個(gè)特定時(shí)段的氣象要素平均值進(jìn)行綜合分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 氣象干旱特征

3.1.1 時(shí)間演變特征

云南省區(qū)域平均Dai-PDSI隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖2。在1961—2014年(圖2(a))，云南干旱指標(biāo)顯示了3個(gè)階段性特征：①1960—1980年，干旱次數(shù)較少、間隔時(shí)間較長(zhǎng)；②1990—2000年，干旱次數(shù)明顯增多、間隔明顯縮短；③2000年以后，干旱次數(shù)增多、強(qiáng)度增大、持續(xù)時(shí)間也明顯延長(zhǎng)，特別是2009年以來(lái)，云南出現(xiàn)持續(xù)干旱。

從圖2(b)可以看到，2009年以來(lái)干旱迅速增強(qiáng)，在該年秋季達(dá)到極端干旱，在2011年春季干旱強(qiáng)度減弱為輕到中旱，之后干旱強(qiáng)度再次增大，達(dá)到重度和極端干旱。眾多文獻(xiàn)討論過(guò)2009年秋冬到2010年春季西南地區(qū)重大干旱過(guò)程[8-9，12-13，19-23]。但是，西南其他地區(qū)在2010年秋季以后干旱明顯緩解，然而，云南干旱僅僅程度略有減弱，干旱并未結(jié)束。以季節(jié)為時(shí)間尺度時(shí)，云南干旱存在幾個(gè)嚴(yán)重的干旱季節(jié)(圖2(c))，其中，2009年秋季和冬季、2010年春季和夏季、2012年夏季和秋季均達(dá)到特旱(Dai-PDSI值不大于-4)程度。因此，云南自2009年以來(lái)的干旱已達(dá)到最近60多年來(lái)罕見(jiàn)的程度。

(a) 1961—2014年

(b) 2009—2014年

(c) 2009—2014年季節(jié)變化

圖3 云南省逐月平均降水距平百分率的時(shí)間變化

圖3是云南省2009—2014年逐月降水量距平百分率的時(shí)間變化情況。圖3中僅有短暫幾個(gè)月出現(xiàn)接近和超過(guò)50%的降水距平百分率，與圖2(b)對(duì)比，可見(jiàn)這幾個(gè)月份恰恰是干旱程度略有減輕的時(shí)段。此外，其余各月降水基本為負(fù)距平百分率或很小的正距平百分率，表明降水減少是云南干旱持續(xù)和加重的主要原因。

3.1.2 空間演變特征

為了全面分析2009—2014年云南持續(xù)干旱的空間演變規(guī)律，從經(jīng)度-時(shí)間剖面圖和緯度-時(shí)間剖面圖(圖4)兩個(gè)角度分析云南干旱的空間演變規(guī)律。從東西方向上看(圖4(a))，2009年夏季云南東、西兩側(cè)旱情嚴(yán)重、中部稍弱。2009年秋季開(kāi)始，干旱從云南東西兩側(cè)向中間擴(kuò)展，并逐漸在全省漫延。從2010年秋季開(kāi)始，云南西部旱情略有緩解，但是，東部仍存在極端干旱。2011年冬季開(kāi)始，重旱到極端干旱在全省漫延，東部在2014年干旱略有緩解。從南北方向上看(圖4(b))，2009年春季到夏季，北部有輕到中旱，2009年冬季到2010年夏季，極端干旱從北部貫穿到南部。2010年冬季到2011年春季，干旱程度減輕。但是，從2011年夏季開(kāi)始，極端干旱區(qū)集中在中北部(23°N～29°N)，云南南部稍有減輕。

(a) 經(jīng)度-時(shí)間剖面(21°N～29°N平均)

(b) 緯度-時(shí)間剖面(98°E～106°E平均)

縱觀2009—2014年云南干旱在空間上的演變可以發(fā)現(xiàn)，云南極端干旱呈現(xiàn)中心不固定、中部和東北部干旱最重、東南部干旱稍輕的特點(diǎn)。

3.2 水文干旱特征

云南境內(nèi)分布著眾多水域及河流，氣象干旱出現(xiàn)的同時(shí)，很多池塘、小河干涸，流域水位下降，這是水文干旱的表現(xiàn)。為了解云南水文干旱的程度，以金沙江、南盤(pán)江及瀾滄江的控制流域?yàn)榻?，將云南省大致分成北部、東部和西部3個(gè)區(qū)域，北部歸為金沙江流域，代表站取溪洛渡；東部歸為南盤(pán)江流域，代表站取天一；西部歸為瀾滄江流域，代表站取糯扎渡。利用以這3個(gè)代表站的SDI值，分析水文干旱的演變過(guò)程。

圖5是3個(gè)水電站SDI值和3個(gè)區(qū)域Dai-PDSI值在2009—2014年期間的演變過(guò)程。云南北部(圖5(a))、云南東部(圖5(b))和云南西部(圖5(c))穩(wěn)定地形成氣象干旱的時(shí)間分別是2009年2月、2009年7月和2008年4月，溪洛渡、天一和糯扎渡SDI達(dá)到水文干旱標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間分別是2009年5月、2009年7月和2008年12月。在時(shí)間響應(yīng)上，云南北部金沙江和西部瀾滄江的水文干旱滯后于氣象干旱，云南東部的南盤(pán)江水文干旱幾乎與氣象干旱同時(shí)出現(xiàn)。在強(qiáng)度上，云南北部金沙江和東部南盤(pán)江超過(guò)53%的月份水文干旱達(dá)到了重旱和特旱的強(qiáng)度，云南西部瀾滄江的水文干旱只有中等強(qiáng)度。

(a) 北部，溪洛渡

(b) 東部，天一

(c) 西部，糯扎渡

因此，云南氣象干旱出現(xiàn)時(shí)，水文干旱相伴而生。3個(gè)水電站的水文干旱過(guò)程與氣象干旱均有一致的演變規(guī)律，但是，水文干旱強(qiáng)度略低于氣象干旱，這可能與水電站用水庫(kù)水量調(diào)節(jié)河道水量損失、使流域水文響應(yīng)強(qiáng)度下降有一定關(guān)系。

3.3 干旱成因分析

干旱形成的表面原因是降水減少，根本原因是大氣環(huán)流異常。云南自2009年進(jìn)入干旱狀態(tài)，到2014年仍未顯示終止的跡象。

3.3.1 夏季環(huán)流異常

由圖2(c)可知，2009—2014年持續(xù)干旱過(guò)程中，夏季干旱很嚴(yán)重。圖6給出了2009—2014年逐月500 hPa和100 hPa平均位勢(shì)高度和距平的時(shí)間-經(jīng)度剖面圖，在這兩個(gè)高度層可以清楚地看到西太平洋副熱帶高壓和青藏高壓的演變過(guò)程。

在圖6(a)中，2010年、2013和2014年夏季西太平洋副高(5 880 gpm等值線)的西邊界均顯著超過(guò)平均位置(130°E)，西太平洋副高面積也明顯大于平均值，這是對(duì)流層中層西太平洋副高顯著增強(qiáng)的標(biāo)志。2009年夏季和2012年夏季，西太平洋副高西伸較少，但是，90°E—110°E區(qū)域內(nèi)仍有位勢(shì)高度升高現(xiàn)象，表明那里可能受較強(qiáng)的大陸高壓控制。只有2011年夏季西太平洋副高沒(méi)有向西擴(kuò)張，但是，該年春季和秋季太平洋副高面積和強(qiáng)度顯著增強(qiáng)、西伸較大，表明西太平洋副高只在夏季有短暫減弱，其他季節(jié)仍然很強(qiáng)。對(duì)流層頂層的青藏高壓(16 800 gpm等值線)中心基本在90°E以西(圖6(b))，因此，它是西部型青藏高壓。錢(qián)永甫等[20]的研究表明，西部型青藏高壓可控制中國(guó)105°E以西的廣大地區(qū)，使那里盛行下沉氣流，降水顯著減少。

(a)500 hPa(取15°N～30°N平均)

(b) 100 hPa(取25°N～35°N平均)

因此，對(duì)流層中層持續(xù)被增強(qiáng)的西太平洋副高控制，對(duì)流層高層受青藏高壓影響，對(duì)流層中層和上層持續(xù)在下沉氣流控制下，均不利于形成降水，這可能是云南這幾年夏季干旱嚴(yán)重的原因之一。

3.3.2 冬季環(huán)流異常

2009—2014年多個(gè)冬季干旱也非常嚴(yán)重。在云南，冬季天氣形勢(shì)中南支槽占有重要地位。圖7給出了2009—2014年冬季700 hPa位勢(shì)高度、相對(duì)渦度和水汽通量距平的空間分布圖，圖7中黑色粗線代表高空槽，其中，孟加拉灣北部的槽就是南支槽，云南北部的槽是西風(fēng)帶氣流從青藏高原北側(cè)繞流后在高原東南側(cè)形成的槽，稱為高原東側(cè)槽。為了解南支槽的強(qiáng)度，可使用文獻(xiàn)[23]的方法，計(jì)算南支槽的強(qiáng)度指數(shù)。

2009—2010年冬季是云南干旱最嚴(yán)重的冬季，南支槽和高原東側(cè)槽均存在，但是，南支槽強(qiáng)度指數(shù)顯著偏弱，槽區(qū)只有向西的水汽通量距平，水汽只集中在南支槽區(qū)附近，并沒(méi)有向云南輸送。在這種形勢(shì)下，云南冬季降水顯著偏少。在2011/2012、2012/2013、2013/2014和2014年秋冬季，云南干旱均為重旱程度。這幾個(gè)冬季中，南支槽或者很弱，或者不存在，水汽不能在云南地區(qū)匯集。2010/2011冬季云南干旱為中等程度，在圖7中，該冬季南支槽有一定的強(qiáng)度，但是，槽區(qū)只有來(lái)自西風(fēng)帶的水汽通量距平，并未出現(xiàn)來(lái)自孟加拉灣或南海的水汽通量，因此，這個(gè)冬季降水仍然顯著偏少。

因此，云南地區(qū)連續(xù)多個(gè)冬季南支槽偏弱，無(wú)法在槽前形成穩(wěn)定的西南水汽輸送氣流，不利于降水形成，這可能是導(dǎo)致冬季降水偏少的原因之一。

3.3.3 垂直運(yùn)動(dòng)與水汽條件異常

圖8和圖9分別是云南氣候基準(zhǔn)期的垂直速度和比濕速度-時(shí)間剖面圖，圖10和圖11分別是2009—2014年垂直速度距平和比濕距平的高度—時(shí)間剖面圖。云南平均海拔在2 000 m左右，因此，圖8- 11給出了700 hPa以上的高度-時(shí)間剖面圖。

云南4—11月垂直運(yùn)動(dòng)以上升運(yùn)動(dòng)(垂直速度為負(fù)值)為主(圖8)；12月—至次年3月600 hPa以上的高空基本為下沉運(yùn)動(dòng)(垂直速度為正值)，只在600 hPa以下的薄層中有較小的上升運(yùn)動(dòng)。在2009—2014年期間(圖10)，云南的垂直速度基本以正距平為主，鮮有負(fù)距平，只在2009年春季、2012年夏季、2013年春季和2014年春季到夏季出現(xiàn)較小的負(fù)距平，表明這一時(shí)期云南地區(qū)的上升運(yùn)動(dòng)變得很弱，或者下沉運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，對(duì)降水非常不利。

(a) 2009/2010冬季

(b) 2010/2011冬季

(c) 2011/2012冬季

(d) 2012/2013冬季

(e) 2013/2014冬季

(f) 2014冬季

圖7 2009—2014年冬季700 hPa位勢(shì)高度、相對(duì)渦度和水汽通量距平空間分布(單位：g·m·kg-1·s-1)

在氣候基準(zhǔn)期中云南地區(qū)夏季比濕最大(圖9)，比濕可伸展到對(duì)流層上層，其余季節(jié)比濕較小，而且更多集中在對(duì)流層中下層。在2009—2014年(圖11)，從對(duì)流層低層到高層，多數(shù)時(shí)間內(nèi)比濕為負(fù)距平，只有短暫時(shí)間出現(xiàn)比濕正距平。因此，在2009—2014年，云南上空的大氣濕度顯著減少，也不利于形成降水。

4 結(jié) 論

a. 云南省自1961年以來(lái)，干旱過(guò)程越來(lái)越多，干旱間隔越來(lái)越短，2009—2014年成為云南歷史上有記載以來(lái)干旱持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、極端干旱月數(shù)最多、干旱強(qiáng)度最大的一個(gè)干旱期。從年尺度上看2010年是最干旱的一年；從季節(jié)尺度上看，2010年夏季干旱最重，2009/2010年冬季干旱次之；從月尺度上看，2010年8月是最旱的月份。從空間分布上看，干旱從云南東西兩側(cè)向中部發(fā)展，2011年以后，干旱穩(wěn)定在中東部，因此，云南中東部旱情最重，東南部干旱稍輕。

b. 云南境內(nèi)的金沙江、南盤(pán)江及瀾滄江所控制的流域在2009—2014年期間均發(fā)生水文干旱，金沙江和南盤(pán)江出現(xiàn)重度水文干旱，瀾滄江出現(xiàn)中度水文干旱，水文干旱強(qiáng)度弱于氣象干旱。

c. 2009—2014年期間夏季干旱是西太平洋副高和青藏高壓共同影響的結(jié)果。在它們的雙重控制下，多個(gè)夏季云南地區(qū)盛行下沉氣流，不利于降水形成，垂直運(yùn)動(dòng)也證實(shí)了這一結(jié)論。

d. 在2009—2014年期間多個(gè)冬季南支槽顯著減弱或消失，無(wú)法引導(dǎo)孟加拉灣水汽向云南輸送，也無(wú)明顯水汽在云南匯集。大氣比濕的垂直分布也證實(shí)了云南地區(qū)大氣干燥，水汽含量很少。

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