2011—2012年冬季西南地區(qū)干旱的時空分布特征及其動力成因診斷

周 莉 ，蔡榮輝 ，蘭明才 ，鄧朝平 ，文 萍 ，張艦齊 ，劉立軍

（1.湖南省氣象臺，長沙 410118；2.國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，長沙 410118；3.空軍參謀部氣象局，北京 100032）

2011—2012年冬季中國西南地區(qū) （尤其是云南）出現(xiàn)了罕見的干旱天氣，具體表現(xiàn)為降水持續(xù)偏少，氣溫偏高，旱災(zāi)發(fā)生范圍廣、干旱嚴(yán)重、持續(xù)時間久，給西南地區(qū)造成了嚴(yán)重損失。干旱是西南地區(qū)主要氣象災(zāi)害之一，幾乎每年都有發(fā)生，但起止時段、區(qū)域范圍、嚴(yán)重程度有很大差異。因土壤質(zhì)地、植被條件、水利設(shè)施以及耕作制度等不同，干旱有成塊分布和插花分布等形式，旱災(zāi)所造成的損失表現(xiàn)形式比洪澇災(zāi)害緩慢，但它造成災(zāi)害的時間長、范圍廣、后續(xù)潛在影響大［1］。

針對西南干旱的研究已有很多［2－5］。大部分研究都表明，特大干旱的成因與同期大氣環(huán)流的異常特征有很大關(guān)系，尤其是中高緯度環(huán)流及西太平洋副熱帶高壓、西風(fēng)帶環(huán)流等都持續(xù)異常。宋潔等［6］討論了在北半球冬季北大西洋濤動和云南省降水（旱澇）之間的聯(lián)系發(fā)現(xiàn)，大西洋濤動和云南省冬季降水之間存在一定的聯(lián)系。

本研究利用氣候診斷方法，著重從環(huán)流特征、西太平洋副熱帶高壓及東亞冬季風(fēng)特征、冷空氣及濕度條件等方面，對2011—2012年冬季西南地區(qū)干旱的成因進行詳細分析，以期提高對西南地區(qū)異常氣候的預(yù)測能力。

1 資料來源

圖1 2011-2012年年西南地區(qū)冬季降水距平百分率的空間分布

選取中國160站1951—2012年逐月降水量資料；NCEP 2.5°×2.5°再分析資料的海平面氣壓場、高度場、風(fēng)場、濕度場和NOAA的OLR資料。氣候平均場，除了降水量資料為1983—2012年平均場外，其余物理量均為1971—2000年平均場。

2 2011-2012年冬季西南地區(qū)降水特征

2.1 空間分布特征

從 2011—2012年西南地區(qū) 12、1、2月及冬季（12月至次年2月）平均降水距平百分率的空間分布（圖1）可見，12、1、2月及整個冬季西南大部分地區(qū)降水都偏少。1月（圖1a），除西南地區(qū)除四川中南部至廣西西部地區(qū)的南北走向的狹長范圍內(nèi)降水偏多外，其余地區(qū)均偏少，呈現(xiàn)不同程度的干旱。在云南北部至四川西南部和廣西東部出現(xiàn)兩個負距平大值區(qū)，負距平大值區(qū)中心的降水偏少超過80%。1月（圖1b），旱情有所緩解，但是云南北部至四川西南部，持續(xù)干旱，與歷史同期相比降水偏少40%。到2月（圖1c），旱情再度加重，除四川中西部外，整個西南地區(qū)出現(xiàn)大面積干旱，尤其是云南省，旱情嚴(yán)重，與歷史同期相比降水偏少100%。冬季（圖1d），整個西南地區(qū)東、西部降水都明顯偏少，其中云南西北部、四川西部一帶為低值中心，較常年降水偏少60%左右。

2.2 時間分布特征

為了反映2011—2012年西南地區(qū)冬季降水的總體特征，進一步分析其時間變化特征。由于2011—2012年冬季西南降水持續(xù)偏少的地區(qū)出現(xiàn)在西南西部地區(qū)（以云南為主），本研究將西南西部地區(qū)（以云南為主）作為主要的研究目標(biāo)，圖2選取了該地區(qū)1983—2012年各檢測站降水資料，反映西南部分地區(qū)30年冬季降水距平百分率的時間分布。

從西南西部地區(qū)30年冬季3個月平均降水距平百分率（圖2a）可以看出，西南西部地區(qū)較同期偏少50%以上，偏少程度僅次于1986、1989、2009和2010年。2月西南地區(qū)旱情加重，干旱面積大范圍增加，從西南西部地區(qū)30年冬季2月平均降水距平百分率（圖2b）可以看出，西南西部地區(qū)從2008年到2012年2月連續(xù)4年均出現(xiàn)嚴(yán)重干旱，偏少程度均達到80%左右。

圖2 西南西部地區(qū)30年冬季降水距平百分率的時間分布

3 干旱成因診斷分析

3.1 中高緯度環(huán)流及西太平洋副熱帶高壓特征

西太平洋副熱帶高壓是造成低緯高原地區(qū)旱澇的主要天氣系統(tǒng)之一［7］。2011年12月西太平洋副熱帶高壓持續(xù)偏西偏強、面積偏大。利用國家氣候中心的監(jiān)測指數(shù)數(shù)據(jù)可以算出，2011年12月西太平洋副熱帶高壓脊線位置偏北1.4個緯距，從面積指數(shù)距平看，面積較氣候平均態(tài)偏大1.9，強度指數(shù)偏大1.8，西伸脊點較常年偏西11個經(jīng)距。西太平洋副熱帶高壓強弱、活動范圍對旱澇變化有重要影響，對降水的多寡更具有直接作用，這種面積偏大，強度偏強，位置偏西的異常形態(tài)，阻礙了西南季風(fēng)將孟加拉灣等地的暖濕氣流輸送到云貴高原［4］，使得該地降水偏少。

2011年12月北半球500 hPa位勢高度（圖3a）及其距平（圖3b）顯示，極渦中心偏向西半球，且強度偏弱，西伯利亞高壓較常年同期明顯偏強，亞洲地區(qū)中高緯環(huán)流較為平直，無明顯的持續(xù)性阻塞形勢；東亞大槽位置偏東，強度偏弱；低緯印緬槽偏弱，西太平洋副熱帶高壓強度偏強。圖4為2011—2012年北半球500 hPa冬季平均位勢高度及其距平。

圖3 2011年12月北半球500 hPa位勢高度（a）及其距平（b）

圖4 2011-2012年北半球500 hPa冬季平均位勢高度（a）及其距平（b）

圖5 2011-2012年冬季OLR距平場

OLR在低緯度地區(qū)主要表征對流活動的強弱。從2011至2012年冬季OLR距平場（圖5）可以看出，青藏高原地區(qū)總體為OLR正值區(qū)，尤其在2月，距平值都≥15 W/m2，表明凝結(jié)潛熱較常年明顯減弱，正好對應(yīng)了西太平洋副熱帶高壓偏強且位置偏北偏西。此外，從2月距平圖中可以看出，從孟加拉灣到西南整個地區(qū)都仍處于＜15 W/m2正距平區(qū)，可見西南及孟加拉的對流活動受到抑制，降水普遍較少，這和趙聲蓉等［8］的研究結(jié)果一致。

3.2 東亞冬季風(fēng)特征

圖6為1948—2012年冬季平均雨量與同期850 hPa經(jīng)向風(fēng)的相關(guān)分析結(jié)果，可以看到冬季西南雨量與東亞中緯度地區(qū)的經(jīng)向風(fēng)有明顯的正相關(guān)，大于0.2的相關(guān)系數(shù)通過95%的置信度檢驗，云南北部和四川西部相關(guān)系數(shù)大于0.3。相關(guān)場分布特征表明，強東亞冬季風(fēng)年西南西部地區(qū)降水偏少，而弱東亞冬季風(fēng)年西南西部地區(qū)降水偏多。

東亞冬季風(fēng)變化主要取決于西伯利亞高壓變化，一般用110°E和160°E海平面氣壓之差的代數(shù)和來定義冬季風(fēng)強度指數(shù)［9］。在500 hPa北半球冬季3個月平均位勢高度圖（圖4a）及其距平（圖4b）上可以看出，西伯利亞高壓較常年同期明顯偏強，表明東亞冬季風(fēng)偏強，對應(yīng)冬季西南西部地區(qū)降水偏少。可見，東亞冬季風(fēng)偏強也是冬季西南西部地區(qū)干旱的成因之一。

圖6 1948-2012年冬季雨量與同期850 hPa經(jīng)向風(fēng)的相關(guān)分析結(jié)果

3.3 冷空氣和西南暖濕氣流

3.3.1 冷空氣活動 圖 7為 2012年 1—2月逐候500 hPa 高度距平的時間－經(jīng)度剖面圖 （30°－45°N），由圖7可見，亞洲中緯度東西部地區(qū)的高度差異具有顯著的季節(jié)性特征，1月第4候到2月第3候，40°－100°E之間位勢高度最大，最大正距平中心位于2月第1候，100°E的位置，而東亞以東120°－160°E地區(qū)為明顯的位勢高度小值區(qū)，東西部地區(qū)的高度差異較為明顯，表明該時段內(nèi)亞洲中緯度地區(qū)環(huán)流的經(jīng)向度加大，槽脊是加深加強的，對應(yīng)東亞地區(qū)有較強冷空氣活動。

圖7 2012年1-2月逐候500 hPa高度距平沿的時間－經(jīng)度剖面（30°－45°N）

圖8 為2011—2012年冬季700 hPa平均風(fēng)場及距平值。由圖8可知，盡管影響歐亞中高緯度地區(qū)的冷空氣偏強，但由于云南地區(qū)位于青藏高原向東延伸的低緯高原地區(qū)，受地形的作用，只有位置比較偏南的冷空氣才會對云南造成一定的影響。分析表明，冷空氣位置比較偏北偏東，東亞中低緯度地區(qū)主要還是被較為平直的西風(fēng)氣流控制。

圖9為2011—2012年冬季3個月海平面平均氣壓場及距平值，可以看出，西南西北部地區(qū)受云貴高原地形阻擋，冷空氣活動較弱，在距平圖上可以看出西南西北部地區(qū)處于一個負距平的區(qū)域，云南北部四川西北部處于負距平較大的一個區(qū)域，說明能影響西南西北部的冷空氣較常年偏弱。

圖8 2011-2012年冬季3個月700 hPa平均風(fēng)場（a）及距平值（b）

3.3.2 水汽條件 圖10為2011—2012年冬季700 hPa平均相對濕度及距平值，可以看出，西南地區(qū)700 hPa平均相對濕度值盡管在50%～60%，不算特別低，但是從平均相對濕度距平來看，西南地區(qū)處于負距平區(qū)，較常年同期偏低了9%～12%，表明水汽條件較差。結(jié)合冬季850 hPa水汽輸送通量場 （圖11a），可以看到，西南地區(qū)東部的水汽主要有3條，剩余的則來自于孟加拉灣，還有一條是來自于南海以及西太平洋，3條水汽在西南地區(qū)匯合，形成西南－東北向的水汽通道，但強度明顯偏弱。從距平（圖11b）可以看到，西南大部分地區(qū)表現(xiàn)為弱的矢量距平，方向由北向南，表明與常年相比，該地自南向北的水汽輸送有所減弱，無法提供降水充沛的水汽供應(yīng)。整層水氣輸送通量矢量場（圖11c）可以看到，與850 hPa水汽輸送類似，來自于孟加拉灣和南海的水氣輸送匯合后向北輸送至西南地區(qū)，而直接由西太平洋輸送來的水汽較少，距平上（圖11d）西南地區(qū)雖然沒有出現(xiàn)由北向南的矢量距平，但都是正東和正西方向上的矢量距平，表明水氣輸送不足。

圖9 2011-2012年冬季3個月海平面平均氣壓場（a）及距平值（b）

圖10 2011-2012年冬季700 hPa平均相對濕度（a）及距平值（b）

圖11 2011-2012年冬季850 hPa水汽輸送通量場（a）及其距平場（b）以及整層水汽輸送通量場（c）及其距平場（d）

4 結(jié)論與討論

綜合以上分析，得到以下主要結(jié)論：①2011—2012年冬季西南干旱主要與大氣環(huán)流異常有關(guān)。西太洋副熱帶高壓較常年異常偏強，脊線位置偏北，不利于將孟加拉灣等地的暖濕氣流輸送到云貴高原；西伯利亞高壓較常年同期明顯偏強，表明東亞冬季風(fēng)偏強，對應(yīng)冬季西南西部地區(qū)降水偏少。②盡管影響歐亞中高緯度地區(qū)的冷空氣偏強，但由于云南地區(qū)位于青藏高原向東延伸的低緯高原地區(qū)，受到地形的作用，只有位置比較偏南的冷空氣才會對云南造成一定的影響。分析表明，冷空氣位置比較偏北偏東，東亞中低緯度地區(qū)主要還是被較為平直的西風(fēng)氣流控制，能影響西南西北部的冷空氣較常年偏弱。同時，環(huán)流異常也不利于暖濕氣流輸送，造成西南地區(qū)處于干暖西風(fēng)氣流的控制之下，所以不利于冷暖空氣交匯而產(chǎn)生降溫降雨天氣，此外，孟加拉的OLR值偏高，對流活動受到抑制，因此使得天氣持續(xù)晴朗少雨。

本研究從幾個方面對2011—2012年冬季西南干旱的成因進行初步分析，至于各個因子具體如何影響冬季西南干旱，有待進一步研究。