福建省2018年3—6月干旱環(huán)流的變化特征

何 芬,賴紹鈞,池艷珍,潘 航,曹 蓉,鮑瑞娟

(1.福建省災害天氣重點實驗室，福建 福州 350008；2.福建省氣候中心，福建 福州 350008；3.福建省福州市氣象局，福建 福州 350008；4.福建省廈門市氣象局，福建 廈門 361001)

引 言

干旱是全球危害最嚴重的自然災害之一，長期以來受到廣泛關(guān)注[1-6]。干旱的主導因素是一段時期內(nèi)的降水偏少，一般需要一個積累的過程，在全球變暖的大背景下，中國發(fā)生干旱的范圍由北方干旱和半干旱區(qū)[7-9]向南方及東部濕潤和半濕潤區(qū)擴展[10-12]。

近年來，華南的干旱受到越來越多關(guān)注，但引起華南干旱的原因較為復雜，許多研究得出的結(jié)論也并不完全相同。如林愛蘭等[13]指出，在全球氣候變暖背景下，廣東干旱的頻繁發(fā)生與赤道中太平洋海溫正異常型出現(xiàn)概率增加有關(guān)；La Nia型、赤道中太平洋海溫正異常型與廣東干旱之間都存在物理上的聯(lián)系，所有物理過程最終都是通過改變和削弱降水所需的動力條件或水汽條件，從而造成局地干旱的發(fā)生。喬云亭等[14]將華南春季降水分為兩個區(qū)域，研究不同分區(qū)的降水變化與水汽輸送的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)華南春季水汽主要來源于南海和西太平洋，并經(jīng)中南半島轉(zhuǎn)向輸送到華南，指出造成兩個區(qū)域旱澇的不同水汽輸送特征。周明森等[15]分析華南春季各月降水量逐年變化的相互關(guān)系以及華南4—5月持續(xù)性干旱對應的大氣環(huán)流異常特征，指出在華南4—5月持續(xù)干旱年，華南附近高低空都存在一個異常的反氣旋，有利于華南上空異常下沉運動的產(chǎn)生和維持；高度場上東亞大槽南支偏弱，不利于中高緯度冷空氣南下，導致華南春季降水偏少。然而，現(xiàn)有研究大多側(cè)重于引起華南干旱的海-氣相互作用和大尺度環(huán)流背景，對于引起干旱的環(huán)流季節(jié)內(nèi)變化研究較少，而環(huán)流的季節(jié)內(nèi)變化對干旱的發(fā)生、發(fā)展、解除和旱期的蓄水有重要意義。

福建氣候?qū)俚湫偷膩啛釒Ъ撅L氣候，3—6月的總降水量占全年降水量的52%，其氣候特點是陰雨寡照，冷暖無常，強對流天氣活躍，暴雨洪澇比較頻繁。福建雖然降水量多，但有年際間的不均性、季節(jié)間的差異性和季內(nèi)降水分布的波動性，所以容易產(chǎn)生氣象干旱[16]。目前，針對華南干旱特征及其可能原因的研究主要關(guān)注兩廣地區(qū)，對福建干旱的研究也主要側(cè)重在旱澇變化的時空特征上[17-18]，而對造成極端干旱事件的大尺度環(huán)流成因尚不清楚，其變化特征也不明確。福建省2018年3—6月降水異常偏少，是1961年以來歷史同期第三少，發(fā)生了嚴重氣象干旱，本文對造成此次干旱事件的大尺度環(huán)流及其變化特征進行分析，以提高對福建干旱成因的認識，以期為今后進行干旱預測提供有益的幫助。

1 資料和方法

所用資料為：(1)1961—2018年3—6月福建省66個臺站逐日降水資料；(2)NCEP/NCAR提供的1981—2018年3—6月全球逐日再分析資料[19]，水平分辨率 為2.5°×2.5°，要素場包括500 hPa高度場，1000～100 hPa風場和比濕場；(3)NOAA提供的2002—2018年3—6月逐日向外長波輻射資料(outgoing long wave radiation，OLR)[20]，水平分辨率為2.5°×2.5°。

氣候平均場為1981—2010年平均。

降水距平百分率(Pa)是表征某時段降水量較常年偏多或偏少的指標之一，反映某一時段降水與同期平均狀態(tài)的偏離程度，計算公式為：

(1)

氣象干旱監(jiān)測指標采用改進的氣象干旱綜合指數(shù)MCI(meteorological drought composite index)[21-23]計算，公式如下：

MCI=Ka×(a×SPIW60+b×MI30+

c×SPI90+d×SPI150)

(2)

式中：SPIW60為近60 d標準化權(quán)重降水指數(shù)，MI30為近30 d相對濕潤度指數(shù)，SPI90和SPI150分別為近90 d和近150 d標準化降水指數(shù)，a、b、c、d分別為SPIW60、MI30、SPI90、SPI150的權(quán)重系數(shù)，Ka為季節(jié)調(diào)節(jié)系數(shù)，具體取值見表1。依據(jù)公式(2)計算得到福建省2018年3—6月各站點逐日MCI指數(shù)，按照《氣象干旱等級》[21]中的標準劃分氣象干旱等級，如表2所示。

表1 MCI指數(shù)計算公式各系數(shù)取值

表2 基于MCI指數(shù)的干旱等級劃分

阻塞高壓數(shù)值化定義采用Tibaldi和Molteni的方法[24](簡稱“T&M方法”)計算，步驟如下：

對每個經(jīng)度，南500 hPa高度梯度(GHGS)和北500 hPa高度梯度(GHGN)計算如下：

(3)

(4)

式中：Z代表位勢高度；φn=80°N+δ，φ0=60°N+δ，φs=40°N+δ，δ=-5°，0°，5°。對某時某經(jīng)度任意一個δ值，如果條件滿足：(1)GHGS>0，(2)GHGN<-10 m·deglat-1，則診斷為該時該經(jīng)度有阻塞，阻塞指數(shù)為GHGS。當有兩個以上的δ值同時滿足(1)和(2)兩個條件時，取GHGS值大者為阻塞指數(shù)。

2 降水概況和干旱情況

福建省66個臺站2018年3—6月降水量在300～885 mm之間，較常年同期偏少11%～63%，全省一半以上的測站偏少30%以上，偏少的中心在龍巖和漳州地區(qū)，其中南靖站偏少63%[圖1(a)]。3—6月全省平均降水量為576 mm，較常年同期偏少32%，位居1961年以來同期第三少，且各月均偏少，其中3月偏少39%，4月偏少66%(歷史同期第二少)，5月偏少28%，6月偏少10%。且只有13個暴雨日(全省3站及以上出現(xiàn)大于等于50 mm降水的天數(shù))，較常年偏少6 d，其中3—4月僅有2 d，較常年偏少64%(常年5.5 d)，暴雨日集中在5月6候至6月5候。3—6月共出現(xiàn)8次暴雨過程，較常年偏少(常年10.3次)，僅在6月18—23日出現(xiàn)1次持續(xù)性暴雨過程(連續(xù)5 d以上出現(xiàn)暴雨日)[圖1(b)]，但持續(xù)時間偏短、強度偏弱。

圖1 福建省2018年3—6月降水距平百分率(a，單位：%)空間分布和逐日全省平均降水量序列(b)

3—6月降水持續(xù)偏少，暴雨日少，強降水過程少，造成嚴重氣象干旱。從2018年3—6月逐日氣象干旱綜合監(jiān)測圖(圖2)可以發(fā)現(xiàn)，3月上中旬，福建部分地區(qū)出現(xiàn)輕旱，3月15日和20日兩場暴雨致使旱情解除；隨后降水持續(xù)偏弱，4月沒有暴雨日，氣象干旱迅速發(fā)展，于4月下旬開始加重；5月上旬的暴雨過程使旱情稍有緩解，重旱到特旱緩解，5月中旬至下旬旱情再次發(fā)展，其中5月下旬有63站出現(xiàn)不同程度的氣象干旱，占全省測站的95%，5月17—29日，超過30站持續(xù)出現(xiàn)重旱、特旱，干旱范圍廣、程度重，造成群眾飲水困難、農(nóng)田受旱；5月末，暴雨過程增多，旱情開始逐步緩解，6月18—23日的持續(xù)性暴雨過程使中旱到特旱基本緩解。

圖2 福建省2018年3—6月逐日氣象干旱綜合監(jiān)測圖

3 環(huán)流背景

3.1 拉尼娜事件的滯后影響

2017年10月至2018年3月，赤道中東太平洋發(fā)生了一次弱的東部型拉尼娜事件，并于2018年1月達到峰值，峰值強度為-0.8 ℃。該事件持續(xù)時間短、強度較弱。王遵婭等[25]認為其對2018年3—5月中國降水異常的影響較小，而陳麗娟等[26]則指出2018年3月，大氣環(huán)流仍顯示了對拉尼娜事件的顯著響應，通過印度洋對拉尼娜事件的“接力作用”，6—8月東亞地區(qū)環(huán)流和降水將會表現(xiàn)出對冬季拉尼娜事件較典型的滯后影響。由于福建自然季節(jié)的特殊性，有必要對這種弱海溫外強迫信號下局地大氣環(huán)流的滯后影響進行分析。從熱帶(5°S—5°N)緯向垂直風距平可見，2017/2018年冬季沃克環(huán)流表現(xiàn)出對拉尼娜事件的響應，在熱帶西太平洋100°E—160°E區(qū)域，上升氣流較常年偏強，180°—120°W區(qū)域下沉氣流也有所增強[圖3(a)]；2018年3—6月，西太平洋主要上升氣流西移至140°E，下沉氣流相應西移，150°E出現(xiàn)下沉氣流，而170°E—150°W以東仍以下沉氣流為主[圖3(b)]，可見盡管拉尼娜事件已經(jīng)結(jié)束，但其滯后影響仍然存在，沃克環(huán)流雖然強度減弱但其仍然維持。從哈德萊環(huán)流(115°E—122.5°E)看，受3—6月熱帶地區(qū)異常上升運動強迫，南海至江南的廣大區(qū)域為強異常下沉氣流，福建正好處在該下沉氣流的兩個中心之一，降水明顯偏少[圖3(c)]。

圖3 2017/2018年冬季(a)、2018年3—6月(b)5°S—5°N緯向垂直風距平(箭矢，單位：m·s-1)和平均垂直速度距平(填色，單位：10-2 Pa·s-1)及115°E—122.5°E經(jīng)向垂直風距平(流線，單位：m·s-1)和平均垂直速度距平(填色，單位：10-2 Pa·s-1)(c，紅色虛線之間為福建所跨緯度)

3.2 大尺度環(huán)流特征

2018年3—6月的500 hPa位勢高度場[圖4(a)]上，歐亞中高緯為“兩脊兩槽”型，槽區(qū)分別位于烏拉爾山和鄂霍次克海，它們在距平場上表現(xiàn)為明顯的負距平，烏拉爾山的距平中心低于100 gpm，表明2018年3—6月烏拉爾山和鄂霍次克海阻塞高壓均偏弱；東亞地區(qū)為正距平，其中心高于60 gpm，表明東亞大槽偏弱，影響中國的冷空氣偏弱。同時，西北太平洋為負高度距平場，西太平洋副熱帶高壓較常年偏弱、偏南、偏東，不利于引導水汽輸送到福建。孟加拉灣為正距平，表明孟加拉灣低槽偏弱。從1000～300 hPa整層積分的水汽通量和水汽通量散度距平場[圖4(b)]上可以看到，菲律賓以東為強大的異常氣旋性環(huán)流，其北側(cè)強盛的異常東風氣流沿25°N西傳至中國東南沿海后分成兩支，一支經(jīng)海南—中南半島傳至孟加拉灣，另一只向北傳到中國西南，福建處于異常東風氣流中。同時沿25°N為寬廣的水汽通量輻散帶，中國華東水汽通量散度距平場呈北負南正分布，福建處于水汽通量輻散中心區(qū)，水汽通量散度距平大于2×10-5kg·m-2·s-1，表明福建水汽輻合匯集較常年明顯偏弱，不利于強降水發(fā)生，造成福建3—6月干旱。

圖4 2018年3—6月平均500 hPa位勢高度場(等值線)及其距平(陰影)(a, 單位：gpm, 紅色等值線表示氣候平均5880 gpm)，1000～300 hPa整層積分的水汽通量(矢量，單位：kg·m-1·s-1)和水汽通量散度距平場(陰影，單位：10-5 kg·m-2·s-1)(b，紅色矩形框為福建地區(qū))

4 環(huán)流變化特征

4.1 阻塞高壓

阻塞高壓可制約北方冷空氣活動的頻率、路徑與強度。有阻塞高壓存在，天氣形勢相對穩(wěn)定少變，中緯度地區(qū)多為短波流型，冷空氣活動比較頻繁，容易與南方暖氣團不斷交綏于華南一帶，形成穩(wěn)定的鋒區(qū)。圖5為2018年3—6月500 hPa阻塞高壓和福建省日平均氣溫的逐日演變，可以看出，3—4月，烏拉爾山、貝加爾湖和鄂霍次克海均沒有阻塞高壓活動，高壓活動主要在歐洲，影響福建的冷空氣路徑偏西，冷空氣強度強，降溫幅度大，但影響次數(shù)少，兩個月內(nèi)只有5次降溫過程。5月，中高緯環(huán)流開始發(fā)生調(diào)整，烏拉爾山和鄂霍次克海地區(qū)高壓活動次數(shù)增加，烏拉爾山地區(qū)在5月1—16日和19—25日發(fā)生2次阻塞高壓活動，但主要位置偏西；鄂霍次克海地區(qū)的2次高壓活動發(fā)生在5月1—11日和18—28日，福建冷空氣活動較3—4月頻繁，共有4次降溫過程，但降溫幅度弱于3—4月。6月，歐洲高壓和烏拉爾山高壓的活動都減弱，烏拉爾山只有一次高壓活動，發(fā)生在6月24—29日；鄂霍次克海地區(qū)發(fā)生2次高壓活動，分別出現(xiàn)在6月2—9日和20—25日，影響福建的冷空氣路徑較前期偏東，強度偏弱，但冷空氣活動發(fā)生頻繁，6月4—6日、8—10日、12—14日、19—22日不斷有弱冷空氣影響，配合來自低緯度充足的暖濕氣流，使得這一時段的暴雨明顯多于前期。

圖5 2018年3—6月500 hPa阻塞高壓(陰影，單位：m·deglat-1)的逐日演變(a,綠色虛線間為烏拉爾山地區(qū)，紅色虛線間為貝加爾湖地區(qū)，藍色虛線間為鄂霍次克海地區(qū))和逐日全省平均日氣溫距平(b)

4.2 西太平洋副熱帶高壓

西太平洋副熱帶高壓(簡稱“西太副高”)對福建具有舉足輕重的意義，它的南北進退是福建自然季節(jié)更替的標志，而其幾天至幾十天周期的位置和強度變化對福建天氣，特別是晴雨、降水強度都有近似決定性作用。有利于福建產(chǎn)生持續(xù)性暴雨的西太副高形態(tài)呈帶狀，東西擺布，脊線位于18°N—20°N附近，西伸脊點伸至115°E以西，5880 gpm線的北界頂至華南中部，這使得鋒區(qū)穩(wěn)定于華南北部，它向該鋒區(qū)不斷輸送來自太平洋和南海的暖濕氣流，使暴雨落區(qū)穩(wěn)定在副高脊線以北5～7個緯距的范圍內(nèi)。圖6為2018年3—6月110°E—130°E平均的500 hPa高度場的時間-緯度剖面，可以看出西太副高的南北進退特征。3—4月，西太副高整體偏弱，脊線位置在18°N以南，兩個月內(nèi)有兩次明顯的北抬，但維持時間短且5880 gpm線的北界僅到達21°N附近，暖濕氣流無法持續(xù)輸送到福建上空形成持續(xù)性暴雨過程，造成這段時期暴雨顯著偏少。5—6月，西太副高呈現(xiàn)階段性南北振蕩特點，4月26日至5月6日、5月8—14日、5月21日至6月6日和6月19—23日有4次明顯的北抬，5880 gpm線的北界在福建維持多日，暖濕氣流可以持續(xù)輸送到福建上空，為持續(xù)性暴雨發(fā)生提供了有利的環(huán)流條件，特別是5月21日以后，隨著對流北傳的活躍，暴雨過程的間隔明顯縮短。6月24日以后，西太副高主體控制福建，強降水結(jié)束，福建進入盛夏。

圖6 2018年3—6月逐日110°E—130°E平均的500 hPa高度場的時間-緯度剖面(等值線，單位：gpm，陰影為大于5880 gpm區(qū)域,粗實線之間為福建所跨緯度，下同)

4.3 對流活動

OLR是地氣系統(tǒng)向外長波輻射，能很好地反映對流活動的強弱和熱帶大氣中的垂直運動信息。圖7為2018年3—6月110°E—122.5°E平均的逐日OLR隨緯度的變化，可以看出，整個時段對流北傳明顯偏弱，3—5月，對流活躍區(qū)維持在10°N以南，沒有有效的對流北傳, 5月初，10°N附近出現(xiàn)1個弱對流中心，但只是短暫維持，無法傳到福建，導致這段時期強降水偏少，使得氣象干旱持續(xù)發(fā)展。5月末開始，對流北傳開始活躍，對流區(qū)位置北抬，15°N—20°N之間總是維持一個OLR小于210 W·m-2的強對流活躍區(qū)，對流中心強度明顯增強；6月初，10°N附近小于150 W·m-2的強對流北傳，于6月5—7日傳至福建，產(chǎn)生了連續(xù)2 d的暴雨過程；6月14日，強對流中心進一步北抬至18°N附近并開始北傳，6月19—23日，福建全省維持強對流活動，導致出現(xiàn)持續(xù)性暴雨過程，干旱得以緩解。

圖7 2018年3—6月逐日110°E—122.5°E平均的OLR場時間-緯度剖面(實線，單位：W·m-2，陰影為OLR小于210 W·m-2)

5 結(jié) 論

(1)福建省2018年3—6月出現(xiàn)歷史同期較嚴重的少雨事件，各月降水持續(xù)偏少，暴雨日少，持續(xù)性暴雨過程少且弱，導致該時段發(fā)生嚴重氣象干旱，干旱范圍廣、程度重、影響深。

(2)受拉尼娜的滯后影響，2018年3—6月沃克環(huán)流雖然強度減弱但其形態(tài)仍然維持，福建處在下沉氣流中心。500 hPa位勢高度場上，烏拉爾山和鄂霍次克海阻塞高壓偏弱，東亞大槽偏弱，影響中國的冷空氣偏弱；西太副高較常年偏弱、偏南、偏東，不利于引導水汽輸送到福建上空。水汽場上，福建處于水汽通量輻散異常中心區(qū)，水汽輻合匯集較常年明顯偏弱。冷暖空氣同時偏弱和其交綏條件的缺乏，是造成福建該時段干旱的環(huán)流背景。

(3)2018年3—6月，大氣環(huán)流活動呈現(xiàn)前期不活躍、后期階段性振蕩的特征。3—4月，烏拉爾山、貝加爾湖和鄂霍次克海均沒有阻塞高壓活動，影響福建的冷空氣次數(shù)少；西太副高北抬次數(shù)少，5880 gpm線的北界幾乎無法維持在華南，對流活躍區(qū)維持在10°N以南，沒有有效的對流北傳至福建，導致這段時期暴雨日偏少，使得氣象干旱持續(xù)發(fā)展。5—6月，烏拉爾山和鄂霍次克海地區(qū)高壓活動次數(shù)增加，影響福建的冷空氣活動頻繁；西太副高表現(xiàn)為階段性南北振蕩特點，同時對流階段性北傳，暖濕氣流可以持續(xù)輸送到福建，南北系統(tǒng)的有效配合為持續(xù)性暴雨發(fā)生提供了有利的環(huán)流條件，干旱得以緩解。

本文僅對拉尼娜滯后影響下的3—6月環(huán)流的變化進行了分析，然而引起干旱的環(huán)流外強迫因子具有多樣性，不同季節(jié)具有不同的變化特征，仍需對不同因子協(xié)同作用下不同季節(jié)內(nèi)干旱環(huán)流的變化特點進行更深入的分析。