2006年川渝大旱環(huán)流異常特征的動力學診斷

江 穎，隆 霄，鄒小松，周國兵，孟曉文，楊子凡

（1.福州市氣象局，福建 福州350008；2.蘭州大學大氣科學學院，甘肅 蘭州730000；3.福州市閩清縣氣象局，福建 閩清350800；4.重慶市氣象臺 重慶401147；5.中國人民解放軍95810部隊氣象臺，北京100076；6.酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉735000）

在氣象災害中，干旱是一種溫度異常偏高且持續(xù)時間較長、影響范圍較大的氣象災害事件，占氣象總災害的50%以上[1]。它對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生嚴重影響。

中國是世界上受干旱影響最為嚴重的國家之一，我國西北地區(qū)遠離海洋，加之因地形對濕潤氣流的阻擋作用，形成了典型的干旱和半干旱氣候特征。進入21世紀以來我國南方和東部地區(qū)也受到旱災的影響，不過這種旱災的持續(xù)時間稍短，一般維持幾個月。例如2009年年末至2010年年初，云南省遭遇百年一遇的全省性特大旱災，云南大部、貴州西部和廣西西北部地區(qū)已達特大干旱等級，其持續(xù)時間之長為歷史罕見，對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成極大影響[2]。2006年夏季川渝大旱是該地區(qū)自1951年有氣象記錄以來最為嚴重的特大伏旱過程，對于此次川渝地區(qū)的干旱事件已有部分學者進行了研究。如李永華等[3]對2006年夏季西南地區(qū)東部特大干旱期間大氣環(huán)流的異常特征分析指出，西太平洋副高異常偏北且偏西和副高異常偏弱且偏東時，西南地區(qū)東部均可能出現(xiàn)嚴重干旱。劉曉冉[4]對2006年盛夏期間850 hPa流場分析發(fā)現(xiàn)，南海附近的氣旋性異常環(huán)流的維持和發(fā)展及西南地區(qū)持續(xù)盛行東北異常氣流，抑制了來自南海的西南氣流的北上，這可能也是造成我國西南地區(qū)水汽輸送減少的主要原因。齊冬梅[14]利用2006年西南地區(qū)東部37個測站逐日降水量、氣溫資料和NCEP再分析日平均資料，通過相關(guān)分析和合成分析表明：當高原夏季風偏強（弱）時，南亞高壓、中高緯度環(huán)流、西太副高、西風帶環(huán)流、低層流場以及垂直運動等均有顯著變化，進而影響到西南地區(qū)東部夏季氣候。這些研究主要關(guān)注的是干旱極端天氣過程中環(huán)流異常和水汽輸送異常特征，然而干旱過程常常是某種狀態(tài)的異常環(huán)流型持續(xù)發(fā)展和長期維持的結(jié)果[5-6]。環(huán)流異常又與大氣動力學特征的異常變化相伴，因此利用大氣動力學變量可以有效地捕捉到環(huán)流異常變化信息。趙兵科等[7]通過位渦診斷對2003年夏季梅雨期間一次強江淮氣旋的發(fā)展過程進行了研究。趙亮等[8]通過多時間尺度分析方法，得到表征夏季風時期冷空氣活動的最優(yōu)指標——位渦。此外，Hussian等[9]對2004年8月阿拉斯加灣阻塞形勢導致的熱浪過程分析表明，渦度擬能的變化可以用來判斷阻塞形勢的變化特征。從可預報性角度來考慮，干旱過程的形成、發(fā)展到消亡與環(huán)流形勢的變化密切相關(guān)。Jensen等[10]指出局地渦度擬能積分和渦度擬能的變化不僅能精確地預報阻塞事件，對環(huán)流的變化也能起到預報作用。因此，本文將以2006年川渝特大伏旱事件為研究對象，分析位渦、渦度擬能等動力熱力學變量在此次干旱發(fā)展演變過程中異常分布及其變化特征。

1 資料和方法

文中所用資料包括歐洲數(shù)值預報中心（ECMWF）提供的再分析數(shù)據(jù)ERA-interim資料（以下簡稱“ERA”）和重慶市氣象局提供的重慶地區(qū)常規(guī)觀測資料。ERA-interim是歐洲中心ECMWF繼ERA40后推出的一套新的再分析資料，該資料在數(shù)據(jù)處理上由三維同化系統(tǒng)（3DVAR）發(fā)展成12 h分析窗的四維同化系統(tǒng)（4DVAR），水平分辨率提高到約80 km（T255譜截斷），同時修改了模式的有關(guān)參數(shù)，并融合了更多的衛(wèi)星資料和地面資料[17]。其水平分辨率為 0.25°×0.25°，垂直 28層，時間分辨率為每6 h一次。選取時段為2006—2011年7—9月，選取物理量包括位渦、位勢高度、風和相對渦度等。重慶地區(qū)常規(guī)觀測資料經(jīng)過質(zhì)量控制，站點數(shù)據(jù)無缺失，觀測數(shù)據(jù)整體質(zhì)量良好。本文選取2006—2011年7—9月重慶站的降水和氣溫數(shù)據(jù)。

本文主要從位渦和渦度擬能等物理量的演變來分析此次干旱事件。已有研究證明，在有限邊界地區(qū)內(nèi)的渦度擬能（渦度的平方）積分（IRE=∫∫ζ2）約等于正的局地Lyapunov指數(shù)（LLE）[11-12]，因此渦度擬能可以作為判斷環(huán)流穩(wěn)定性的因子。用渦度擬能積分（IRE）可來診斷環(huán)流的穩(wěn)定度（可預報性）：當IRE為低值時，表明流場穩(wěn)定，高值則表示流場不穩(wěn)定。IRE從高值到低值的變化可表征流場從不穩(wěn)定到穩(wěn)定的變化；反之，當IRE的值從低到高變化時，流場則表現(xiàn)為從穩(wěn)定流型到不穩(wěn)定流型的演變。

圖1 重慶地區(qū)2006年7月1日—9月10日日最高氣溫（藍實線）、日平均氣溫（綠虛線）時間變化（a，單位：℃）及同期降水隨時間的變化（b，單位：mm）

2 旱情特征

2006年夏季川渝地區(qū)的特大干旱事件是該地區(qū)有氣象記錄以來最為嚴重的干旱事件。期間四川省先后有125縣（市）發(fā)生伏旱，主旱區(qū)分布在四川盆地的東部、中部和南部等地區(qū)。其中26縣（市）旱期達50 d以上，中江、南充、遂寧等地的高溫時間最長達到70～71 d。全省農(nóng)作物受災20 000 km2以上，成災10 000 km2以上，絕收3000 km2以上，損失糧食481.4萬t，造成農(nóng)業(yè)經(jīng)濟損失79.6億元[13]。以重慶為例，根據(jù)重慶站觀測的地面氣溫時間演變顯示，從7月11日重慶地區(qū)進入高溫期，9月5日高溫結(jié)束。在此期間日最高氣溫絕大多數(shù)在35℃以上，最高達到42℃，平均為31.2℃左右，日最低氣溫在30℃左右（圖1a）。地面氣溫的統(tǒng)計分析表明，重慶地區(qū)高于35、38℃和40℃的天數(shù)分別為48、21 d和9 d（表1），高溫持續(xù)時間長（重慶地區(qū)將日最高氣溫≥35℃作為高溫日、≥38℃作為重高溫日、≥40℃作為嚴重高溫日）。同期重慶站的降水變化顯示，從7月7日降水過程之后7月11日重慶地區(qū)進入高溫時期，8月20日有一次弱降水過程（過程降水量僅為8.8 mm），但降水過后仍維持高溫天氣直至9月5日開始的持續(xù)4 d降水過程后高溫天氣結(jié)束。一般7—9月是川渝地區(qū)主要降水季節(jié)，統(tǒng)計重慶站2007—2011年7—8月累計平均降水量為106.80 mm，2006年同期降水量僅為 47.45 mm，不到2007—2011年平均降水量的一半（圖1b）。

以上分析表明，2006年川渝大旱主要表現(xiàn)為高溫持續(xù)時間長，降水量明顯偏少。這種異常的天氣現(xiàn)象與大氣環(huán)流異常密切相關(guān)。本文將2007—2011年7—8月平均環(huán)流狀態(tài)作為參考態(tài)，對比分析2006年大氣環(huán)流及動力學場的異常分布特征。

表1 重慶地區(qū)2006年7月1日—9月10日高溫日、重高溫日及嚴重高溫日的統(tǒng)計

3 2006年川渝地區(qū)環(huán)流及動力學異常特征分析

2007—2011年7 —8月平均 700 hPa風場顯示，川渝地區(qū)在東亞季風的影響下，主要為西南風控制（圖2a）。而2006年同期700 hPa風場與2007—2011年平均風場的矢量差表明，相對于平均風場分布而言，2006年川渝地區(qū)出現(xiàn)弱的反氣旋式異常環(huán)流（圖 2b）。

對流層中層500 hPa，2007—2011年夏季川渝地區(qū)位于西太平洋副高西側(cè)邊緣及東亞大槽底部處（圖3a）。而2006年西太副高位置偏西偏北，強度明顯偏強。脊線（588線）位于28°N附近，586線西伸更明顯，川渝地區(qū)為西太平洋副熱帶高壓控制。受西太平洋副熱帶高壓西伸北抬的影響，東亞大槽明顯減弱，川渝地區(qū)出現(xiàn)弱的異常偏東氣流（圖3b）。

夏季南亞高壓是對流層上部強大的大氣活動中心，它對北半球大氣環(huán)流和中國天氣氣候，尤其是對中國夏季大范圍旱澇分布及亞洲的天氣氣候，均有重要影響。2007—2011年平均的300 hPa環(huán)流特征為南亞高壓閉合中心在 28°N 附近，75°～100°E。其反氣旋性環(huán)流則控制中國大部分地區(qū)，川渝地區(qū)位于南亞高壓閉合中心的東側(cè)高空急流的出口區(qū)附近，主要為偏北氣流所控制（圖4a）。與平均環(huán)流相比，2006年川渝地區(qū)在300 hPa出現(xiàn)明顯異常偏東南風，且在西側(cè)和北側(cè)分別出現(xiàn)明顯的氣旋式異常環(huán)流和反氣旋式異常環(huán)流（圖4b）。

2006年川渝大旱期間降水明顯偏少，這與水汽的輸送特征異常有關(guān)。從圖2a的風場分布可知，川渝地區(qū)7—8月降水的水汽供應主要是由來自孟加拉灣和南海的西南氣流輸送的水汽。2006年7—8月水汽通量散度垂直積分（250～1000 hPa）在川渝地區(qū)表現(xiàn)為水汽通量輻散異常（圖5），同時700 hPa出現(xiàn)異常的偏北風水汽通量，不利于南方西南暖濕氣流的輸送。

圖2 2007—2011年7—8月700 hPa年平均風場（矢量，單位：m/s）與年平均位勢高度場（等值線，單位：gpm）（a）及2006年7—8月700 hPa平均風場與2007—2011年同期平均風場的矢量差（矢量，單位：m/s）與平均位勢高度（等值線，單位：gpm）（b）

4 渦度擬能和位渦診斷分析

此次干旱事件主要是由西太平洋副熱帶高壓的位置異常所致。西太平洋副熱帶高壓位置變化不僅與動力因子有關(guān)，也受非絕熱加熱的影響，而位渦又是一個可以綜合表征大氣動力狀態(tài)和熱力狀態(tài)的物理量[8，18]，所以分析此次環(huán)流異常期間濕位渦的變化特征。吳志彥等[16]指出：高空為正位渦異常時（渦度和靜力穩(wěn)定度大值區(qū)），正位渦異常區(qū)內(nèi)等位溫面向正位渦異常中心收攏，造成與正位渦異常中心上方和下方相鄰的等熵面距離增大，導致那里的靜力穩(wěn)定度減??；高空為負位渦異常時則相反，會導致靜力穩(wěn)定度增大。 從 30°N 上 70°～140°E范圍內(nèi) 300 hPa位渦逐日演變過程可以看出（圖6），7月1日—9月14日期間位渦主要呈緯向分布且變化特征的階段性非常明顯，呈現(xiàn)“正—負—正”的變化特征。7月1—31 日沿 30°N，在 70°～140°E 之間為正位渦，此后至9月1日主要為負位渦，9月2—14日則為正位渦。其中，7月10日左右位渦達到最大（約為6 PVU），此后正位渦緩慢減小，在8月1日達到零值；至9月1日期間主要呈弱的負位渦特征，9月2日左右位渦出現(xiàn)快速增長，至6日出現(xiàn)最大正位渦（8 PVU）。由于高層位渦主要反映干冷空氣的活動，位渦減小表示副高加強后冷空氣勢力減弱，環(huán)流穩(wěn)定度增大，所以位渦的這種變化特征與西太平洋副熱帶高壓進入川渝地區(qū)（圖7c，7d）和退出川渝地區(qū)（圖7g，7h）的階段有較好的對應關(guān)系。當副高退出川渝地區(qū)后，干旱過程結(jié)束。

圖3 2007—2011年7—8月500 hPa年平均風場（矢量，單位：m/s）與年平均位勢高度場（等值線，單位：gpm）（a）及2006年7—8月500 hPa平均風場與2007—2011年同期平均風場的矢量差（矢量，單位：m/s）與平均位勢高度（等值線，單位：gpm）（b）

圖4 2007—2011年7—8月300 hPa年平均風場（矢量，單位：m/s）與年平均位勢高度場（等值線，單位：gpm）（a）及2006年7—8月300 hPa平均風場與2007—2011年同期平均風場的矢量差（矢量，單位：m/s）與平均位勢高度（等值線，單位：gpm）（b）

圖5 2006年7—8月700 hPa水汽通量（矢量，單位：kg·m·s-1·kg-1）及水汽通量散度垂直積分（250～1000 hPa）（陰影，單位：10-6kg·s-1·kg-1）

干旱過程形成和發(fā)展演變的預測對于減少干旱帶來的損失有重要意義。一般而言，持續(xù)干旱是一種大尺度環(huán)流異常維持的結(jié)果，而大尺度運動是一種緩慢變化的渦旋運動。P坐標系中的渦度方程[15]為：

圖6 2006年7月1日—9月14日30°N，70°～140°E 300 hPa位渦逐日變化（單位：10-6K·m2·kg-1·s-1）

式中，F(xiàn)為摩擦力，其他符號為氣象學中常用物理量符號。對于大尺度大氣運動而言，不考慮摩擦作用和輻散項的渦度方程可簡化為：

通過渦度擬能的變化來判斷流型變化，由（2）式的渦度方程可以推導出如下的渦度擬能局地變化方程：

當-渦度擬能的局地變化減弱，流型將趨于更加穩(wěn)定；反之，渦度擬能的局地變化增強，流型將趨于不穩(wěn)定。因此有限區(qū)域內(nèi)符號發(fā)生變號時，意味著局地大氣環(huán)流將發(fā)生調(diào)整。

圖7 7月1日—9月14日500 hPa渦度擬能平流（a，單位：10-15·s-3）、渦度擬能積分（b，單位：10-10·s-2）隨時間變化及 7月 9日（c）、7月 11日（d）、8月 19日（e）、8月20日（f）、9月5日（g）和9月6日（h）500 hPa的位勢高度

下面將主要分析川渝地區(qū)特大干旱事件期間的渦度擬能平流和渦度擬能的變化特征。進行渦度擬能和渦度擬能平流的區(qū)域為 103°～112°E，28°～35°N。川渝地區(qū)500 hPa的大氣環(huán)流在7月10日前后發(fā)生顯著變化：7月9日川渝地區(qū)為兩個高壓系統(tǒng)之間的低值區(qū)，7月11日西太平洋副熱帶高壓明顯西伸，川渝地區(qū)轉(zhuǎn)為高壓環(huán)流控制（圖7c，7d）。在此期間，渦度擬能（IRE）突然上升（圖7b），渦度擬能平流發(fā)生突變，在7月11日出現(xiàn)正的最大正平流（圖7a）。此后渦度擬能平流迅速減小為負平流，這種負平流的特征一直維持至9月6日（圖7a），渦度擬能也在這日由低值突變到高值（圖7b）。該階段川渝地區(qū)的大氣環(huán)流也出現(xiàn)明顯調(diào)整，9月5日川渝地區(qū)為閉合高壓系統(tǒng)所控制，至6日高壓系統(tǒng)明顯減弱，該地區(qū)為低壓槽系統(tǒng)所控制（圖7g，7h）。這說明在川渝地區(qū)干旱的形成階段和結(jié)束階段，渦度擬能平流均發(fā)生明顯變化。在干旱事件維持期間，渦度擬能在8月20日（圖7b）發(fā)生一次顯著的突變，這與川渝地區(qū)出現(xiàn)一次降水過程相對應，此次降水過程與倒槽向東北方向伸展至川渝區(qū)有關(guān)（圖7e，7f），這說明渦度擬能較好地對應環(huán)流調(diào)整的關(guān)系，對川渝地區(qū)干旱事件的形成和發(fā)展有一定的表征能力。

5 結(jié)論和討論

利用歐洲中心ERA-interim資料，以2007—2011年7—8月的5 a平均作為參考態(tài)，對比分析了2006年川渝大旱期間的環(huán)流及有關(guān)物理量的異常分布特征，進一步診斷分析了干旱事件期間位渦、渦度擬能（IRE）和渦度擬能平流的演變特征，得到以下結(jié)論：

（1）與2007—2011年7—8月的平均環(huán)流分布特征相比，2006年同期700 hPa風場在川渝地區(qū)表現(xiàn)為異常反氣旋環(huán)流；500 hPa西太平洋副熱帶高壓異常偏西偏北，川渝地區(qū)在高壓控制之下，且出現(xiàn)異常的偏東氣流；300 hPa風場在川渝地區(qū)西側(cè)和北側(cè)分別出現(xiàn)明顯的氣旋式和反氣旋式異常環(huán)流。與2007—2011年7—8月的水汽通量散度相比，2006年同期250～1000 hPa水汽通量散度垂直積分在川渝地區(qū)出現(xiàn)異常的水汽通量輻散區(qū)。這種環(huán)流及水汽通量散度異常分布特征表明，2006年川渝大旱期間受環(huán)流異常配置及水汽輸送異常分布導致該地區(qū)水汽供給不足，下沉氣流明顯，有利于川渝地區(qū)干旱異常事件的維持和發(fā)展。

（2）2006年7月1日—9月15日300 hPa位渦在30°N隨時間的變化顯示，位渦的緯向分布特征明顯，呈現(xiàn)“正—負—正”的變化特征，與西太平洋副熱帶高壓進入和退出川渝地區(qū)有較好的對應關(guān)系。

（3）500 hPa平均渦度擬能積分與渦度擬能平流隨時間的變化分析表明，當環(huán)流進行調(diào)整時，局地渦度擬能積分會突然增大，渦度擬能平流發(fā)生由負到正的變化，根據(jù)渦度擬能和位渦能很好地判斷出干旱異常事件開始和結(jié)束時間。

本文的分析主要針對持續(xù)時間為幾個月尺度的干旱事件，對于持續(xù)時間更長的（年）干旱過程（比如非洲幾年的干旱過程和云南跨年尺度的干旱過程），由于大氣環(huán)流的冬夏季及年際的變化特征可能更明顯，渦度擬能、渦度擬能平流和位渦來診斷可能存在明顯的不足，文中僅就2006年的川渝干旱事件進行了分析，更多的過程分析則是下一步的工作。