黃土高原4月旱澇環(huán)流特征及前期強迫信號分析

李常德， 王 磊， 李曉霞，趙建華， 曾鼎文

(1.甘肅省平?jīng)鍪袣庀缶郑拭C 平?jīng)?744000；2.成都信息工程大學，四川 成都 610225； 3.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室，中國氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室，甘肅 蘭州 730020)

引 言

黃土高原位于我國中部偏北部，屬大陸性季風氣候，降水量年際差異大，年內(nèi)多少不一。氣候變化以及特殊的植被、地貌等特征使該地區(qū)干旱和洪澇災(zāi)害頻發(fā)，水土流失、水資源短缺等問題日益突顯。黃土高原生態(tài)恢復(fù)和社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，在我國西部大開發(fā)和21世紀國民經(jīng)濟建設(shè)中占有重要地位，而作為氣候脆弱帶，旱澇災(zāi)害事件無疑對當?shù)氐沫h(huán)境構(gòu)成威脅。

有研究發(fā)現(xiàn)黃土高原暖干化趨勢明顯，旱澇等級呈上升趨勢，尤以其東部和南部的半濕潤區(qū)最為明顯，大旱頻次高值中心分布分散，大澇發(fā)生頻率西部低、中部高[1-4]。近年來旱澇成因研究主要針對造成旱澇的天氣系統(tǒng)，包含旱澇年大氣環(huán)流形勢，不同天氣系統(tǒng)的特征量等，如南亞高壓位置、強度和面積的變化[5]。青藏高原大地形的感熱加熱作用也會引起環(huán)流形勢變化，造成旱澇異常[6]；另外，赤道太平洋、印度洋等前期海溫對環(huán)流的強迫作用，進而影響旱澇的發(fā)生[7-8]。

旱澇災(zāi)害是中國成災(zāi)面積和成災(zāi)比率最大的自然災(zāi)害，然而就整個黃土高原而言，旱澇環(huán)流特征及成因方面的研究仍然較少。作為旱澇災(zāi)害多發(fā)的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，4月是黃土高原農(nóng)作物的生長關(guān)鍵時期，正值冬小麥拔節(jié)、玉米出苗、果樹開花、蔬菜、油菜生長之際，一旦出現(xiàn)干旱，將直接影響墑情，進而造成農(nóng)作物減產(chǎn)損失； 還會導(dǎo)致該時期地面干土層加厚, 進而加劇沙塵暴的強度，增加災(zāi)害損失[9]。本文選取4月研究黃土高原旱澇異常環(huán)流特征及其可能的前期強迫信號，以期為黃土高原旱澇災(zāi)害的防御提供有效支撐。

1 研究區(qū)概況

黃土高原(100°54′—114°33′E、33°43′—41°16′N)位于中國北方與西北地區(qū)交界處，面積為6.4×105km2，覆蓋了太行山以西、日月山以東、秦嶺以北和長城以南區(qū)域，該區(qū)域?qū)儆诖箨懶约撅L氣候，降水量年際差異大，年內(nèi)多少不一。研究區(qū)域及其57個氣象站點分布如圖1所示。

圖1 黃土高原氣象站點空間分布Fig.1 The spatial distribution of meteorological stations in the Loess Plateau

2 資料和方法

2.1 資 料

所用數(shù)據(jù)為1961—2015年黃土高原57個基準站逐月降水資料，NCEP/NCAR提供的水平分辨率為2.5°×2.5°的月平均再分析資料(海平面氣壓場、高度場、經(jīng)向風場、緯向風場、比濕場等)和2°×2°經(jīng)緯網(wǎng)格的海溫資料，中國氣象局國家氣候中心提供的74項環(huán)流指數(shù)，熱帶太平洋海溫指數(shù)、北太平洋濤動指數(shù)、印度洋海溫指數(shù)等。氣候基準態(tài)取1961—2015年均值。

2.2 方 法

2.2.1 標準化降水指數(shù)

標準化降水指數(shù)(standardized precipitation index, SPI)由MCKEE等[10]提出，由于SPI是通過概率密度函數(shù)求解累積概率，再將累積概率按照等概率轉(zhuǎn)換為標準正態(tài)分布，從而獲得標準正態(tài)隨機變量，可以對不同地區(qū)的旱澇狀況進行比較[11]。

假設(shè)降水x服從Gamma分布，其概率密度函數(shù)為

(1)

式中：α為形狀參數(shù)；β為尺度參數(shù)；Γ(α)為Gamma函數(shù)。

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：n為降水序列的長度。累積概率

(6)

由于Gamma方程不包含x=0的情況，而實際降水量可以為0，所以，定義累積頻率

H(x)=q+(1-q)G(x)

(7)

式中：q=m/n表示降水量為0的概率；m表示降水為0的數(shù)量。將累積概率按照等概率轉(zhuǎn)換為標準正態(tài)分布函數(shù)，從而獲得標準正態(tài)隨機變量SPI如下：

(8)

(9)

式中：c0=2.515517、c1=0.802853、c2=0.010328、d1=1.432788、d2=0.189269、d3=0.001308。SPI旱澇等級劃分[12]見表1。

表1 SPI旱澇等級劃分Tab.1 The classification of grades of drought and flood based on SPI

2.2.2 阻塞識別法

北半球阻塞形勢的識別利用TIBALDI等[13]的方法，即計算每一經(jīng)度500 hPa位勢高度梯度，具體計算公式如下：

(10)

(11)

式中：φn=80°Ν+δ，φo=60°Ν+δ，φs=40°Ν+δ，δ取-4°，0°或4°，在3個δ中至少有一個δ同時滿足兩個條件：GHGS>0，GHGN<-10 m/(°)，則對應(yīng)經(jīng)度發(fā)生阻塞。

3 黃土高原4月SPI年際變化

根據(jù)SPI及其旱澇等級劃分標準分別計算近55 a中各個月份旱澇發(fā)生頻率，發(fā)現(xiàn)旱發(fā)生頻率降序排列前三位月份分別為6月、4月和12月，澇發(fā)生頻率降序排列前三位月份分別為2月、9月和4月。4月旱澇發(fā)生頻率均排在各月份前列，這也是選取4月作為旱澇研究月份的原因之一。近55 a黃土高原4月降水量占年降水量的5.8%，該區(qū)域出現(xiàn)旱和澇的頻率分別為34.6%和32.6%，中度及以上干旱出現(xiàn)頻率比中度及以上洪澇高1.8%，分別為21.8%和20.0%。

圖2為1961—2015年4月黃土高原平均SPI年際變化?？梢钥闯觯?961—2015年4月SPI最大值為2.22(1964年)，最小值為-1.8(1962年)，線性傾向率為-0.012 a-1,說明黃土高原有干旱化趨勢。對SPI 作5 a滑動平均發(fā)現(xiàn)1961—1982年為波動減小趨勢；1982—1998年呈較平緩增大趨勢；1998—2008年為減小趨勢；2008年以后又有所增大。

圖2 1961—2015年4月黃土高原平均SPI年際變化Fig.2 The inter-annual variation of average SPI in the Loess Plateau in April from 1961 to 2015

4 旱澇相關(guān)性及合成分析

4.1 環(huán)流場與旱澇相關(guān)性

圖3為1961—2015年4月黃土高原SPI和環(huán)流場的相關(guān)系數(shù)及相應(yīng)環(huán)流場氣候基準態(tài)。可以看出，500 hPa位勢高度場中緯度為兩槽一脊型，烏拉爾山至中國新疆為脊控制，中國東部至日本以東洋面為槽區(qū)，脊區(qū)和槽區(qū)分別對應(yīng)負顯著和正顯著相關(guān)區(qū)，即當烏拉爾山以東至中國新疆脊偏強，東亞大槽偏深，黃土高原易旱，反之易澇；700 hPa溫度場上，中國東部到日本以東區(qū)域為正顯著相關(guān)，而鄂霍次克海以北為負顯著相關(guān)，即當中國東部到日本以東700 hPa溫度偏低，鄂霍次克海以北至東西伯利亞海氣溫偏高，黃土高原易旱，反之易澇；700 hPa經(jīng)向風場上，中國中東部為正顯著相關(guān)，喀拉海以東洋面為負顯著相關(guān)，即當中國中東部700 hPa北風偏大，喀拉海以東洋面南風偏大，黃土高原易旱，反之易澇；200 hPa緯向風場上，中國東部到日本以東洋面有40 m·s-1以上的西風急流大值中心，蒙古以東至鄂霍次克海呈顯著正相關(guān)，其以南為顯著負相關(guān)，黃土高原位于急流入口區(qū)左側(cè)，高空有氣流輻合，當中國東部到日本以東洋面西風急流南壓加強，則研究區(qū)域易旱，反之易澇。

4.2 旱澇年環(huán)流特征

選取4月最旱5 a(1962、1978、1988、2011、2004年)和最澇5 a(1964、2014、1965、1998、1990年)作環(huán)流差值場的合成[14]。圖4為1961—2015年4月黃土高原旱年和澇年500 hPa位勢高度、700 hPa風和200 hPa緯向風差值場?？梢钥闯觯?00 hPa位勢高度差值場上，烏拉爾山至中國新疆西部為正的差值，中國東北至日本海為負的差值，且均通過0.01顯著性檢驗，即當烏拉爾山至中國新疆西部脊加強，中國東北至日本海附近槽加深，黃土高原易旱，反之易澇；700 hPa風差值場上，中國東北至日本海為氣旋式環(huán)流，里海至中國西部為反氣旋環(huán)流，即當東北至日本海附近氣旋式環(huán)流加強，里海至中國西部反氣旋環(huán)流加強，黃土高原受偏北氣流控制，黃土高原易旱，反之易澇；200 hPa緯向風差值場歐亞中高緯度為“北正南負”型，烏拉爾山以東的西西伯利亞為正的差值、印度半島北部為負的差值，且均通過0.01顯著性檢驗，即當西西伯利亞西風偏強，印度半島北部東風偏強，黃土高原易旱，反之易澇。

圖3 1961—2015年4月黃土高原SPI和環(huán)流場的相關(guān)系數(shù)(紅色等值線)及相應(yīng)環(huán)流場氣候基準態(tài)(黑色等值線)(a)500 hPa位勢高度， (b)700 hPa溫度，(c)700 hPa經(jīng)向風， (d)200 hPa緯向風(陰影區(qū)通過0.05或0.01的顯著性檢驗)Fig.3 Correlation coefficients between SPI in the Loess Plateau and circulation fields (red isolines) and corresponding circulation climate average (black isolines) in April from 1961 to 2015(a) 500 hPa geopotential height, (b) 700 hPa temperature, (c) 700 hPa meridional wind, (d) 200 hPa zonal wind(the shaded areas passing the 0.05 or 0.01 significance test)

圖4 1961—2015年4月黃土高原旱年和澇年500 hPa位勢高度(a，單位:gpm)、700 hPa風(b)和200 hPa緯向風(c)(單位:m·s-1)差值場(陰影區(qū)通過0.05或0.01的顯著性檢驗)Fig.4 Difference fields of the 500 hPa geopotential height (a, Unit: gpm), 700 hPa wind (b) and 200 hPa zonal wind (c) (Unit: m·s-1) in April between drought and flood anomaly years in the Loess Plateau from 1961 to 2015(the shaded areas passing the 0.05 or 0.01 significance test)

4.3 旱澇年天氣系統(tǒng)特征量對比

為更直觀描述旱澇年差異，統(tǒng)計4月偏旱年(表2)和偏澇年(表略)的天氣系統(tǒng)特征量，具體天氣系統(tǒng)特征量的選取參考了其與4月SPI的相關(guān)系數(shù)，并加入旱澇年對應(yīng)的El Nio/La Nia事件發(fā)生情況，參照厄爾尼諾/拉尼娜事件判別方法(https://cmdp.ncc-cma.net)，即Nio 3.4指數(shù)3個月滑動平均的絕對值≥0.5 ℃(<-0.5 ℃)，且持續(xù)至少5個月，判定為一次厄爾尼諾(拉尼娜)事件。

近55 a黃土高原4月發(fā)生旱、澇年份均為19 a；當黃土高原偏旱時，9 a為El Nio年，7 a為La Nia年；黃土高原偏澇時，8 a為El Nio年，7 a為La Nia年；偏旱年有8次西太平洋副熱帶高壓(簡稱“副高”)偏南，占偏旱年的42.1%，偏澇年有10次偏北，占偏澇年的52.6%；偏旱年副高面積有11次偏大，占偏旱年的57.8%，偏澇年有9次偏小，占偏澇年的47.4%；偏旱年副高西伸位置有13次偏西，占偏旱年的68.4%，偏澇年有12次偏東，占偏澇年的63.1%；偏旱年東亞槽位置有10次偏西，占偏旱年的52.6%，4月偏澇年有13次偏東，占偏澇年的68.4%；偏旱年亞洲極渦面積有11次偏大，占偏旱年的57.8%，偏澇年有12次偏小，占偏澇年的63.2%。

綜上所述， ENSO與黃土高原旱澇關(guān)系不穩(wěn)定。副高面積、東亞槽位置、亞洲極渦面積等與研究區(qū)域旱澇年的對應(yīng)并不好，這是因為4月不同于冬、夏季，沒有顯著的控制性環(huán)流系統(tǒng)，如東亞大槽、副熱帶高壓，而可能是由多個系統(tǒng)相互作用造成。

表2 1961—2015年黃土高原偏旱年對應(yīng)ENSO及天氣系統(tǒng)特征量Tab.2 The ENSO events and weather system characteristics in drought years in the Loess Plateau from 1961 to 2015

4.4 異常旱澇年阻塞形勢對比

圖5為1961—2015年4月黃土高原異常旱、澇年阻塞形勢出現(xiàn)平均天數(shù)和頻率隨經(jīng)度的分布?？梢钥闯?，異常旱澇年烏拉爾山和鄂霍次克海阻塞出現(xiàn)日數(shù)和頻率差異不明顯。4月150°W—180°E區(qū)域異常澇年阻塞出現(xiàn)次數(shù)多于異常旱年，阻塞的形成常伴隨上游冷空氣爆發(fā)和切斷低壓的生成，或上游不斷有低槽東移使阻塞高壓上游位勢高度趨小，即致使其西側(cè)位勢高度偏小，而該區(qū)域正好是500 hPa位勢高度場和SPI顯著負相關(guān)區(qū)域，相關(guān)系數(shù)小于-0.4。

圖5 1961—2015年4月黃土高原異常旱、澇年阻塞形勢出現(xiàn)平均天數(shù)和頻率隨經(jīng)度分布Fig.5 Average days and frequencies of the blocking as a function of longtitude in drought anomaly years and flood anomaly years in the Loess Plateau in April from 1961 to 2015

5 旱澇對前期外強迫信號的響應(yīng)

5.1 前期外強迫信號

圖6為1961—2015年4月黃土高原SPI與前一年12月海溫的相關(guān)系數(shù)。可以看出，在西南印度洋有范圍較大的顯著負相關(guān)區(qū)，另外，北美以東洋面、南美東南部洋面等都存在顯著負相關(guān)區(qū)域，但范圍較小。根據(jù)12月多年平均環(huán)流場，北印度洋為異常東北風，且由北向南越過赤道，其中索馬里附近的越赤道氣流向南可到20°S附近，而中東印度洋越赤道氣流在10°S—5°S轉(zhuǎn)向為西風氣流，西風氣流向東經(jīng)過爪哇島至印度尼西亞，可到達赤道西太平洋。前一年12月西南印度洋暖海溫異常，使得輻合對流活動加強，引起該區(qū)域出現(xiàn)氣旋性環(huán)流，造成南印度洋副熱帶多年平均反氣旋性環(huán)流偏東，這與楊明珠等[15]指出的前期印度洋可以通過下墊面熱力狀況的改變對大氣環(huán)流狀況產(chǎn)生強迫，進而對南半球中緯度的環(huán)流系統(tǒng)產(chǎn)生影響的結(jié)論相符。澳大利亞以西海區(qū)受上述反氣旋性環(huán)流偏東影響，離岸東南風增強，與10°S—5°S西風氣流的輻合加強，相應(yīng)的上升氣流也加強，引起位于赤道太平洋Walker環(huán)流和印度洋地區(qū)的反Walker環(huán)流增強，Walker環(huán)流的變化使得印度尼西亞以北低緯度的輻合上升運動加強導(dǎo)致氣旋性環(huán)流出現(xiàn)，引起西太平洋反氣旋環(huán)流位置偏東，其西側(cè)偏南氣流位于海上，不利于向內(nèi)陸黃土高原輸送水汽，該區(qū)域易旱，經(jīng)對比分析，這與12月西南印度洋暖海溫異常對應(yīng)的次年4月環(huán)流場較一致；前一年12月西南印度洋冷海溫異常引起強迫作用同暖海溫異常相反。由于研究區(qū)域遠離西南印度洋，參與系統(tǒng)多，相互作用復(fù)雜，且是一個持續(xù)性過程，其強迫機制還有待深入研究。

綜上所述，西南印度洋海溫異?？赡苁?月黃土高原旱澇的重要前期強迫信號。

圖6 1961—2015年4月黃土高原SPI與前一年12月海溫的相關(guān)系數(shù)(陰影區(qū)通過0.05或0.01的顯著性檢驗)Fig.6 Correlation coefficient field between SPI in April in the Loess Plateau and SST in December of the previous year from 1961 to 2015(the shaded areas passing the 0.05 or 0.01 significance test)

5.2 SIOD與SPI的關(guān)系

南印度洋偶極子(SIOD)定義為西南印度洋與東南印度洋區(qū)域平均海溫距平的差值，SIOD>0表示SIOD正位相；SIOD<0表示SIOD負位相[16]。這一模態(tài)是印度洋海溫變化的次主要模態(tài)，有明顯的季節(jié)位相鎖定特征， 通常在初冬開始發(fā)展，次年1—3月達到最強，4月明顯減弱。

圖7為1961—2015年4月黃土高原SPI和前一年12月SIOD年際和年代際變化?？梢钥闯?，SIOD和SPI有相反的年際和年代際變化特征。前一年12月SIOD與4月SPI相關(guān)系數(shù)為-0.33，通過了0.05顯著性檢驗。10 a濾波后兩序列相關(guān)系數(shù)達-0.57，通過0.001顯著性檢驗。無論是年際還是年代際時間尺度，4月黃土高原SPI都與前一年12月SIOD有較好的負相關(guān)關(guān)系。

圖7 1961—2015年4月黃土高原SPI和前一年12月SIOD年際和年代際變化Fig.7 The inter-annual and decadal variation of SPI in April in the Loess Plateau and the SIOD in December of the previous year from 1961 to 2015

5.3 環(huán)流場對SIOD異常的響應(yīng)

選取SIOD指數(shù)5個正位相異常年(1998、1992、1975、1970、1965年)和5個負位相異常年(1997、2012、1963、1991、2013年)對應(yīng)次年4月環(huán)流差值場合成。 圖8為12月SIOD正、負異常年次年4月500 hPa位勢高度差值場和700 hPa風差值場?？梢钥闯觯?00 hPa位勢高度差值場上，烏拉爾山為正的差值，中國東北至日本海為負的差值，即SIOD指數(shù)正異常年烏拉爾山高壓脊偏強、東亞大槽偏深，黃土高原易旱，反之易澇；700 hPa風差值場上在貝加爾湖至中國東北為氣旋性環(huán)流而烏拉爾山為反氣旋性環(huán)流，即SIOD指數(shù)正異常年處于反氣旋底部的新疆和里海以北的偏東氣流加強不利于冷空氣堆積和南下，中國東北附近區(qū)域為中心的氣旋加強，偏北氣流控制中國中東部地區(qū)，不利于暖濕氣流向黃土高原輸送，黃土高原易旱，反之易澇。

圖8 12月SIOD正、負異常年次年4月500 hPa位勢高度差值場(a，單位:gpm)和700 hPa風差值場(b，單位:m·s-1)(陰影區(qū)通過0.05或0.01的顯著性檢驗)Fig.8 Difference fields of 500 hPa geopotential height (a, Unit: gpm) and 700 hPa wind (b, Unit: m·s-1) in April in positive and negative SIOD anomaly years in previous December(the shaded areas passing the 0.05 or 0.01 significance test)

6 結(jié) 論

(1)1961—2015年黃土高原4月有干旱化趨勢。黃土高原4月旱澇多發(fā)，發(fā)生頻率在各月份中均排前列，旱、澇發(fā)生頻率分別為34.6%和32.6%。

(2)當500 hPa烏拉爾山至中國新疆高壓脊偏強、東亞大槽偏深，700 hPa黃土高原及其以東南風偏弱，700 hPa中國東部到日本溫度偏低，中國東部到日本以東洋面西風急流南壓加強時黃土高原易旱，反之易澇。

(3)4月北半球中高緯度150°W—180°E區(qū)域異常澇年阻塞出現(xiàn)次數(shù)多于異常旱年。

(4)前一年12月SIOD與4月SPI序列相關(guān)系數(shù)為-0.33，年際和年代際負相關(guān)關(guān)系顯著，前一年12月SIOD或西南印度洋海溫能夠通過下墊面熱力狀況的改變對大氣環(huán)流狀況產(chǎn)生強迫，影響南、北半球中高緯度環(huán)流系統(tǒng)，進而影響降水，可以作為黃土高原4月旱澇的前期強迫信號。

(5)黃土高原旱澇對SIOD正負位相異常的響應(yīng)主要反映在500 hPa烏拉爾山高壓脊、東亞大槽，700 hPa貝加爾湖至中國東北以及烏拉爾山的環(huán)流差異上。