2012年中美兩國干旱的對比分析

劉書言，榮艷淑，呂星月,2，殷雨婷

(1.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098；2.北京金水信息技術發(fā)展有限公司，北京 101400)

引 言

2012年中國和美國發(fā)生了不同程度的干旱。2012年，中國的干旱階段性和區(qū)域性特征明顯，且干旱范圍小，影響偏輕，農業(yè)受災面積為1990年以來最小[1-2]，而美國卻發(fā)生了創(chuàng)紀錄的干旱，在短時間內中部地區(qū)的干旱迅速增強、范圍擴大[3-4]，這種迅速增強的干旱與OTIKIN等定義的驟旱[5]一致。此次干旱特別是夏旱給美國經濟造成重大影響，導致糧食安全和食品價格上漲[6]，其影響超過了1988—1989年的北美干旱，受災面積與20世紀30年代的干旱接近[7]。

引發(fā)干旱的原因眾多，大氣環(huán)流異常、海氣相互作用、水汽輸送異常都可以引起干旱。當某地處于高壓控制時，常出現干旱[8]。ENSO通過海洋表面溫度異常影響大氣環(huán)流異常，進而導致干旱或洪澇[9-11]。研究表明，拉尼娜事件對西太平洋副熱帶高壓造成影響，進而影響中國地區(qū)的水汽輸送[12-13]，同時還造成太平洋年代際振蕩，使北太平洋上空出現持久高壓，引起副熱帶急流北移，造成美國西南部和大平原冬季降水不足[14-15]。2012年，美國地區(qū)的水汽輸送出現異常，墨西哥灣的潮濕氣流在春末沒有發(fā)生北移，使得美國地區(qū)的水汽輸送嚴重不足，導致降水稀少[16-17]。另外，氣溫升高也加劇了干旱。2012年是全球有觀測記錄以來的第9個最暖年[18]，美國出現了創(chuàng)記錄的高溫，其通過干燥土壤和大氣之間的反饋作用造成干旱范圍的迅速擴大[19]。

中美兩國分別位于太平洋的西海岸和東海岸，所在的緯度范圍相近，但是2012年兩國的干旱程度卻大不相同，其原因為何？有研究認為，此次干旱是由自然多變性導致的，不需要長期穩(wěn)定的大氣背景強迫[20]，且干旱發(fā)生前北美地區(qū)沒有大規(guī)模的前兆[6]。事實上，2010—2012年連續(xù)出現2次拉尼娜事件，第二次拉尼娜事件在2012年春季結束。拉尼娜事件作為氣候異常的背景因素[7-8]，通過海氣相互作用，對大氣環(huán)流產生持續(xù)影響，進而導致氣候異常。因此，不能認為此次中美干旱事件沒有前兆。為此，本文利用標準化降水指數，分析2012年中美兩國干旱的時空演變特征，并就兩國干旱成因做進一步的分析。

1 資料和方法

1.1 資 料

所用資料包括：(1)美國全球降水氣候中心(Global Precipitation Climate Center，GPCC)提供的1961年1月至2012年12月全球逐月降水格點數據，水平分辨率為0.5°×0.5°；(2)國家氣候中心提供的1961—2012年中國年平均氣溫數據和美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)提供的1961—2012年美國年平均氣溫數據；(3)美國NOAA發(fā)布的1981—2012年全球第四套海溫逐月格點數據集，水平分辨率為2°×2°；(4)美國國家環(huán)境預報中心和國家大氣研究中心(National Center for Environmental Prediction/Atmospheric Research，NCEP/NCAR)提供的1981年1月到2012年12月逐月環(huán)流場再分析數據，包括經向風、緯向風、垂直速度、位勢高度和海平面氣壓，水平分辨率為2.5°×2.5°；(5)國家氣候中心提供的1981年1月到2012年12月西太平洋副熱帶高壓各項指數、北美—北大西洋副熱帶高壓各項指數以及Niňo3.4區(qū)海表溫度距平指數。

1.2 干旱指數

選擇標準化降水指數(standardized precipitation index，SPI)作為干旱指數，對中美干旱進行描述，SPI的干旱等級劃分標準如表1所示。干旱面積比定義為發(fā)生干旱的格點數與總格點數的比值；不同等級干旱面積比則定義為各等級干旱的格點數與總格點數的比值。區(qū)域平均SPI定義為干旱格點SPI的平均值，不同等級SPI為對應干旱等級的格點SPI的平均值。

表1 標準化降水指數的干旱等級劃分標準Tab.1 The classification standard of drought grades based on standardized precipitation index

在計算距平時，取1981—2010年為氣候平均值。中美兩國對比時，中國區(qū)域范圍取70°E—135°E、15°N—55°N，美國區(qū)域范圍取70°W—125°W、25°N—50°N。

2 2012年中美兩國干旱特征對比

2.1 干旱時空分布特征

圖1是中美兩國2012年SPI的經度-時間和緯度-時間剖面。可以看出，2012年中美兩國均出現不同程度的干旱。從東西方向[圖1(a)]來看，整個中國境內干旱零散分布，多以輕旱為主，個別地區(qū)達到中旱，東部和西部旱情略重，中部幾乎無旱；從南北方向[圖1(b)]來看，在年初的幾個月內中國北方干旱為重旱，北方干旱普遍重于南方，而在4月以后干旱均零星分布，基本以輕旱為主。可見，2012年中國干旱區(qū)域不斷變化，干旱分布比較零散。

對于美國干旱，從東西方向[圖1(c)]上看，1—4月干旱主要分布在西部和東部，東、西部均有達到重旱的區(qū)域；5月以后，干旱在中部爆發(fā)，并迅速向東西兩側蔓延，大片地區(qū)達到重旱到特旱程度，且中部干旱一直持續(xù)到年底，強度基本保持在中旱，而西部干旱在夏季到初秋期間消失，但在10月再次爆發(fā)，并很快達到特旱。從南北方向[圖1(d)]上看，1—2月美國干旱并不嚴重，干旱分布比較零散；從3月開始，中部爆發(fā)了嚴重干旱，個別地區(qū)達到特旱；從7月開始，重旱向北部擴展，至9月干旱有所緩解，但10—12月干旱再度發(fā)展，南北旱區(qū)連成一片，且南方干旱達到重旱到特旱。可見，2012年美國干旱從3月開始，一直持續(xù)至年底，且在空間上更是成片發(fā)展、連續(xù)分布。

圖1 2012年中國(a、b)和美國(c、d)SPI的經度-時間(a、c)及緯度-時間(b、d)剖面Fig.1 The longtitude-time (a, c) and latitude-time (b, d) sections of SPI in China (a, b) and the United States (c, d) in 2012

2.2 干旱面積及強度時間變化

圖2是2012年各月中美兩國干旱面積百分比。可以看出，只有2月中國的干旱面積占比略大于美國，其余月份均為美國干旱面積占比大，中國各月的干旱面積百分比基本在50%以下，而美國多個月份干旱面積百分比在50%以上，特別是6月和11月的干旱面積百分比達70%以上[圖2(a)]。比較不同等級干旱面積百分比[圖2(b)]發(fā)現，除個別月份外，不同等級的干旱面積百分比均為美國高于中國。

圖2 2012年中美兩國干旱面積占比逐月變化(a)干旱總面積百分比，(b)不同等級干旱面積百分比Fig.2 The monthly changes of percentage of drought area in China and the United States in 2012(a) percentage of total drought area, (b) percentage of drought area with different grades

從干旱區(qū)域平均強度[圖3(a)]來看，1月中美兩國干旱程度接近，2月干旱程度中國略強于美國，其余各月美國干旱強度更大，其中3—9月美國SPI一直小于-1.5，普遍達到重旱級別。從不同等級干旱強度[圖3(b)]看，除2月外，其余各月不同等級干旱的區(qū)域平均SPI美國均小于中國，表現為干旱更加嚴重；在旱情發(fā)展速度上，美國干旱也快于中國。2012年美國從無旱狀態(tài)快速發(fā)展到極端干旱，旱情從美國中部快速蔓延到全國范圍，是典型的驟旱事件[21]，也是1895年以來干旱面積位列第四位的干旱事件，更是1956年以來最嚴重的干旱[22]。

圖3 2012年各月中美兩國干旱強度對比(a)區(qū)域平均SPI，(b)不同等級平均SPIFig.3 Comparison of drought intensity between China and the United States in each month of 2012(a) regional average SPI, (b) average SPI with different grades

3 2012年中美兩國干旱成因

3.1 氣溫異常

在全球變暖背景下，高溫天氣會在干燥土壤和大氣之間發(fā)生反饋，當土壤干燥時，蒸發(fā)幾乎不發(fā)生，這會加速變暖，使干旱更加嚴重。圖4是中美兩國平均氣溫的年際變化和2012年中美兩國較大區(qū)域平均氣溫距平。可以看出，中國2012年年平均氣溫略低于多年平均值[圖4(a)]，除西南地區(qū)氣溫顯著偏高外，其余大部分地區(qū)年平均氣溫接近常年或略微偏低，其中東北和華北地區(qū)年平均氣溫顯著低于多年平均值[圖4(b)]；美國2012年年平均氣溫是1961年以來的最高值，且大部分地區(qū)氣溫異常偏高[圖4(c)]。經統計，2012年美國康涅狄格州、密蘇里州等18個州出現了創(chuàng)歷史紀錄的高溫。異常高溫天氣導致水分流失加劇，干旱范圍擴大，干旱程度加重，還造成了至少74人死亡[1]。

圖4 1961—2012年中美兩國平均氣溫年際變化(a)及2012年中國(b)和美國(c)較大區(qū)域的年平均氣溫距平Fig.4 The inter-annual change of average temperature in China and the United States during 1961-2012 (a) and annual average temperature anomaly in several large regions of China (b) and the United States (c) in 2012

高溫加劇干旱的原因，可以從下墊面能量平衡來分析，其方程[23]表示如下：

Q+Fa=RL+HS+HL+G

(1)

式中：Q(W·m-2)為到達地面的太陽總輻射；Fa(W·m-2)為大氣逆輻射；RL、HS、HL(W·m-2)分別為下墊面發(fā)出的長波輻射、感熱及潛熱；G(W·m-2)為地層之間的熱量交換，為分析方便，可忽略G的變化。在干旱背景下，當氣溫顯著升高時，太陽向地表輸送的輻射異常強，這些輻射將直接加熱近地面大氣，使得近地面的空氣相對濕度變得更小，導致下墊面蒸散發(fā)大幅減少，潛熱釋放大幅降低。若要達到下墊面能量平衡，必須由下墊面的感熱增加以及向上的長波輻射來補償。另外，大氣溫度升高，會抑制云的生成，從而引起降水減少，使干旱程度加劇。因此，異常顯著的高溫天氣在2012年美國干旱過程中起到重要作用。

3.2 拉尼娜事件

拉尼娜事件是全球許多地區(qū)干旱發(fā)生的背景因素[7-8]。在2010—2012年發(fā)生了2次拉尼娜事件，第一次拉尼娜事件開始于2010年7月，到2011年4月結束，其峰值強度絕對值達1.5，是一次中等強度的拉尼娜事件；第二次拉尼娜事件從2011年9月持續(xù)到2012年2月，其峰值強度絕對值為1，是一次強度較弱的拉尼娜事件[圖5(a)]。另外發(fā)現，這2次拉尼娜事件的中斷期，Nio3.4指數始終在零以下波動，暖水只出現在赤道東太平洋較小范圍內，而赤道中太平洋仍為冷水覆蓋[圖5(b)]，表明2次拉尼娜事件并非嚴格意義上中斷。

圖5 2010—2012年Nio3.4指數月際變化(a)和赤道太平洋(5°S—5°N)平均海溫距平的經度-時間剖面(b， 單位: ℃)Fig.5 The monthly change of Nio3.4 index (a) and longitude-time section of average SST anomaly in the equatorial Pacific (5°S-5°N) (b, Unit: ℃) from 2010 to 2012

有研究認為，2012年美國干旱是由自然多變性導致的，不需要長期穩(wěn)定的大氣背景強迫[20]，且前期北美地區(qū)并沒有大規(guī)模的前兆[5]。事實上，正是由于拉尼娜事件的出現，赤道中東太平洋長時間處于冷水控制下，使得大氣產生持續(xù)的下沉運動，導致熱帶、副熱帶地區(qū)大氣環(huán)流系統發(fā)生變化(這一點將在下一節(jié)進行分析)。因此，拉尼娜事件，特別是連續(xù)出現的拉尼娜事件，是2012年中美干旱的背景因素。

3.3 大氣環(huán)流異常

3.3.1 垂直環(huán)流

拉尼娜事件發(fā)生時，赤道中東太平洋海溫異常偏冷，導致Walker環(huán)流下沉支顯著增強，同時赤道西太平洋異常增暖，導致Walker環(huán)流上升支顯著增強，對流活動強于正常時期[24]。當Walker環(huán)流異常時，必將引起大氣的垂直環(huán)流出現異常。因此，下面將從大氣的垂直運動進行分析。

美國和中國分別位于太平洋的東、西海岸，受拉尼娜事件的影響不同。為詳細了解拉尼娜事件期間中美地區(qū)大氣垂直運動狀況，分別做中國(70°E—135°E)和美國(70°W—125°W)區(qū)域平均垂直運動的緯度-高度剖面(圖6和圖7)。從圖6(a)看出，在2011/2012年冬季，北半球垂直上升氣流從赤道延伸到12°N附近，下沉氣流出現在10°N—55°N之間，最強烈的下沉運動出現在15°N—30°N和35°N—45°N之間，且從對流層頂一直延展到近地面層，北支下沉運動區(qū)的下沉速度明顯大于南支下沉運動區(qū)，這2個下沉運動強烈區(qū)與干旱區(qū)[圖1(b)]相對應，其中北支強的下沉運動區(qū)對應的干旱更嚴重。拉尼娜事件期間，赤道西太平洋暖池增強，使得這一地區(qū)的上升運動異常強烈，哈德萊環(huán)流也明顯增強[25-26]。在2011年秋冬季到2012年春季期間，正是拉尼娜持續(xù)時期，赤道至30°N之間的垂直環(huán)流距平均為正值，表明哈德萊環(huán)流增強，從而引起副熱帶高壓(簡稱“副高”)發(fā)生變化，進而必將導致其控制區(qū)的氣候異常。通常，在中緯度地區(qū)出現下沉運動，表明有高壓系統存在。在2011/2012冬季圖上，北支下沉運動強烈，表明冬季受到較強的西伯利亞高壓控制。

在2012年春季[圖6(b)]，拉尼娜事件開始減弱，在赤道及副熱帶地區(qū)的上升運動減弱，下沉運動出現在10°N—20°N之間的對流層頂附近和35°N—50°N之間的對流層中下層，對應中國地區(qū)干旱減弱狀況。在2012年夏季[圖6(c)]，拉尼娜現象完全消失，中國上空垂直環(huán)流的上升運動范圍擴大，僅在45°N—50°N范圍內出現弱的下沉運動，對應中國地區(qū)干旱進一步緩解，夏季旱情較輕。在2012年秋季[圖6(d)]，下沉運動重新出現在35°N以北地區(qū)，中國部分地區(qū)出現較弱的秋旱。

圖6 2011—2012年中國地區(qū)季節(jié)平均經向風(單位：m·s-1)和垂直速度(單位: 10-2 Pa·s-1)的合成(箭矢)及垂直速度距平(陰影，單位: 10-2 Pa·s-1)的緯度-高度剖面(a)2011/2012年冬季，(b)2012年春季，(c)2012年夏季，(d)2012年秋季Fig.6 The meridional vertical sections of composition (vectors) of average meridional wind (Unit: m·s-1) and vertical velocity (Unit: 10-2 Pa·s-1) and vertical velocity anomaly (shadows, Unit: 10-2 Pa·s-1) over China in each season from 2011 to 2012(a) winter of 2011 to 2012, (b) spring of 2012, (c) summer of 2012, (d) autumn of 2012

就美國而言，在2011/2012年冬季[圖7(a)]，上升氣流從赤道延伸到18°N附近，下沉氣流位于20°N—50°N范圍，最強烈的下沉運動出現在20°N—30°N之間，且從對流層頂延伸到近地面層，與美國干旱區(qū)域相對應。在2012年春季[圖7(b)]，拉尼娜事件開始減弱，赤道至10°N之間對流運動加強，15°N—35°N范圍為下沉運動區(qū)，其中在15°N—30°N之間對流層中下層的下沉運動明顯偏強，不利于墨西哥灣潮濕空氣向北移動。格里格等[19]研究表明，墨西哥灣的潮濕空氣在2012年春末并未像往常一樣北移，這是2012年美國中部大平原水汽輸送不足、降水稀少的一個原因。在2012年夏季[圖7(c)]，拉尼娜現象完全消失，在30°N—40°N范圍內對流層下層出現弱的上升運動，而美國其他范圍仍以下沉運動為主。在2012年秋季[圖7(d)]，在20°N以北地區(qū)下沉運動再次出現，最強烈的下沉運動出現在20°N—35°N范圍內，導致美國南部地區(qū)的干旱再次加重。

圖7 2011—2012年美國地區(qū)季節(jié)平均經向風(單位：m·s-1)和垂直速度(單位: 10-2 Pa·s-1)的合成(箭矢)及垂直速度距平(陰影，單位: 10-2 Pa·s-1)的緯度-高度剖面(a)2011/2012年冬季，(b)2012年春季，(c)2012年夏季，(d)2012年秋季Fig.7 The meridional vertical sections of composition (vectors) of average meridional wind (Unit: m·s-1) and vertical velocity (Unit: 10-2 Pa·s-1) and vertical velocity anomaly (shadows, Unit: 10-2 Pa·s-1) over the United States in each season from 2011 to 2012(a) winter of 2011 to 2012, (b) spring of 2012, (c) summer of 2012, (d) autumn of 2012

3.3.2 水平環(huán)流

拉尼娜事件對大氣環(huán)流的影響，不僅影響到垂直環(huán)流，也顯著引起了水平環(huán)流系統的變化。圖8是2011—2012年各季節(jié)850 hPa高度場及其距平分布，其中1520 gpm線表示副高位置。可以看出，2011/2012年冬季，850 hPa高度場上中緯度地區(qū)呈現“兩高一低”的分布型，低壓位于北太平洋，2個高壓分別位于歐洲和北美上空，副高明顯偏強，其中心位于北太平洋并靠近北美西部，這種分布型在隨后的幾個季節(jié)內基本保持不變。從2011/2012年冬季到2012年秋季，北美上空始終為高壓脊控制，與垂直環(huán)流的下沉運動相一致；中國上空也為高壓脊控制，但在2012年春季和夏季中國上空的環(huán)流較弱，干旱不嚴重。

圖8 2011—2012年850 hPa位勢高度場(等值線)及其距平(陰影)分布(單位：gpm)(1520 gpm橙色虛線為副高的多年平均位置)(a)2011/2012年冬季，(b)2012年春季，(c)2012年夏季，(d)2012年秋季Fig.8 The distribution of 850 hPa geopotential height field (contours) and its anomaly (shadows) from 2011 to 2012 (Unit: gpm)(the orange dotted lines with 1520 gpm for the average location of the subtropical high)(a) winter of 2011 to 2012, (b) spring of 2012, (c) summer of 2012, (d) autumn of 2012

圖9是2012年西太平洋副熱帶高壓(簡稱“西太副高”)指數和北美—北大西洋副熱帶高壓(簡稱“北美—北大西洋副高”)指數距平的逐月變化。可以看到，北美—北大西洋副高面積和強度指數在2012年6—8月都為正距平，且北界位置與常年接近，說明2012年整個夏季北美—北大西洋副高對美國的控制面積明顯大于常年，增強的副高造成更強烈的下沉運動，致使美國氣溫高于常年，大氣更加干燥，必然導致強烈的干旱發(fā)生。反觀西太副高，其面積和強度指數只在個別月份比常年偏大和偏強，在整個春、夏季節(jié)西太副高均比常年偏小和偏弱；夏季和秋季，西太副高北界指數、西伸脊點指數均為正距平，表明西太副高位置偏北、偏東。可見，2011—2012年各季節(jié)西太副高更多時候位于太平洋上空，而非控制中國大陸。通常，西太副高夏季開始西進，影響中國大陸地區(qū)，但2012年整個夏季西太副高的面積和強度均小于或略大于常年，對中國影響較小。因此，2012年夏季中國干旱并不嚴重。

圖9 2012年西太平洋副熱帶高壓和北美—北大西洋副熱帶高壓指數距平逐月變化(a)面積指數，(b)強度指數，(c)北界位置指數，(d)西伸脊點指數Fig.9 The monthly changes of anomalies of the western Pacific subtropical high index and North American-North Atlantic subtropical high index in 2012(a) area index, (b) intensity index, (c) northern boundary position index, (d) western extension ridge point index

4 結 論

(1)2012年，中國旱情較輕，且時間不連續(xù)、空間零散分布；美國旱情嚴重，干旱從3月開始自中部地區(qū)向外蔓延，夏季和秋季干旱幾乎遍及全國，且在時空上表現為連續(xù)變化特征。無論干旱強度，還是干旱面積，美國干旱均遠強于中國。

(2)2012年，中國年平均氣溫接近于常年，只有西南地區(qū)氣溫較常年偏高，而美國年平均氣溫顯著高于常年，各大區(qū)域年平均氣溫偏高0.4～1.9 ℃，其中18個州出現了創(chuàng)紀錄的高溫，高溫使得美國干旱進一步加劇。

(3)2010—2012年連續(xù)出現2次拉尼娜事件，其間只間隔了短短4個月，造成北美地區(qū)2012年持續(xù)受高壓脊控制，大氣盛行下沉運動，加之夏季北美—北大西洋副高顯著增強，難于產生降水，不僅造成美國多季干旱，還導致美國夏季出現更強烈的干旱。在最強的第二個拉尼娜事件秋冬季，亞洲大陸持續(xù)受高壓控制，下沉運動強烈，中國出現冬季干旱；在2012年春季拉尼娜減弱期，中國北方以下沉運動為主，干旱較重；在2012年夏季，西太副高偏南、偏東，其對中國大陸的控制范圍較小，中國地區(qū)為弱的下沉運動，干旱并不嚴重；2012年秋季，中國受高壓脊控制，盛行下沉氣流，干旱相對偏強。