我國(guó)西南地區(qū)東部秋季降水特征及其成因

0關(guān)于旱澇的研究區(qū)域干旱和洪水一直是中國(guó)最重要的氣象災(zāi)害。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)旱澇規(guī)律及成因進(jìn)行了研究(郭銳和智協(xié)飛,2009;WuandKinter,2009;FindellandDelworth,2010),主要涉及到旱澇與海溫的關(guān)系(王蕾和張人禾,2006;張俊等,2006;王蘇瑤等,2012),旱澇與季風(fēng)的關(guān)系(王寶鑒等,2004;劉蕓蕓和丁一匯,2009;任珂等,2010)等。Mendozaetal.(2006)將ENSO劃分為不同的強(qiáng)度,并指出不同強(qiáng)度的ElNino與墨西哥東南部干旱的相關(guān)性有所不同。陳際龍和黃榮輝(2008)指出當(dāng)南亞夏季風(fēng)緯向水汽輸送偏強(qiáng)時(shí),東亞—西北太平洋地區(qū)水汽輸送的偶極型異常有利于長(zhǎng)江中下游地區(qū)和江淮流域的水汽輻合負(fù)異常與華南和華北地區(qū)的水汽輻合正異常,從而導(dǎo)致長(zhǎng)江中下游地區(qū)和江淮流域的偏旱與華南和華北地區(qū)的偏澇。另外,從單個(gè)物理量或特定天氣系統(tǒng)出發(fā),分析其與旱澇關(guān)系的研究也不在少數(shù)(劉舸等,2008;杜銀等,2009;劉穎等,2009)。就我國(guó)而言,對(duì)旱澇的研究主要集中在江淮和華南地區(qū)(苗春生等,2006;鞏遠(yuǎn)發(fā)等,2007;梁平德等,2008)。近年來(lái),我國(guó)西南地區(qū)旱災(zāi)頻發(fā),對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)及人民生活造成了嚴(yán)重影響,對(duì)該區(qū)域的旱澇研究也引起了人們的關(guān)注。李永華等(2009)選取西南地區(qū)東部某特定范圍為研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)該區(qū)域典型旱澇年夏季OLR分布有明顯的差異,洪澇(干旱)年,從青藏高原東部一直到江淮地區(qū)OLR值偏低(高),同時(shí)孟加拉灣南部及赤道東印度洋地區(qū)OLR值也偏低(高),而菲律賓及其附近地區(qū)OLR值偏高(低)。李耀先等(2009)通過(guò)研究廣西區(qū)域的干旱時(shí)空分布特征和成因總結(jié)出了該省各季節(jié)干旱最嚴(yán)重的區(qū)域。另外,針對(duì)特定旱澇個(gè)例,王斌和李躍清(2010)指出,2009/2010年冬季西南地區(qū)嚴(yán)重干旱的開始、發(fā)展和減弱與同期500hPa南支槽活動(dòng)及整層水汽輸送有著密切的關(guān)系。劉銀峰等(2009)發(fā)現(xiàn)由南向北的水汽輸送較常年偏弱,西太洋副熱帶高壓較常年異常偏強(qiáng),脊線位置明顯偏北,川渝地區(qū)受高壓系統(tǒng)影響盛行下沉氣流等原因造成了2006年川渝地區(qū)的夏季干旱。就研究區(qū)域而言,大量對(duì)西南地區(qū)旱澇的研究以行政邊界為準(zhǔn),研究某特定省市的旱澇規(guī)律,本文將從降水一致性角度出發(fā),選取特定區(qū)域進(jìn)行旱澇研究。就季節(jié)而言,秋季連接夏季和冬季,是降水由多轉(zhuǎn)少的過(guò)渡季節(jié),雖然降水量次于夏季和春季,但若出現(xiàn)干旱,連接本來(lái)就降水稀少的冬季,很容易產(chǎn)生秋冬季連旱,如2009/2010年西南大旱就是從2009年秋季開始的(蘭州干旱氣象研究所干旱監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)研究室,2009;晏紅明等,2012)。故秋季降水對(duì)西南地區(qū)冬半年的旱澇狀況有著很重要的作用。本文將通過(guò)分析秋季西南地區(qū)東部的旱澇年環(huán)流特征,進(jìn)而嘗試找出該區(qū)域的旱澇成因,為此區(qū)域的旱澇預(yù)報(bào)提供參考。1數(shù)據(jù)、方法和方法的介紹1.1平均再分析資料1)中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心提供的1961—2010年全國(guó)753站月平均降水資料。2)1961—2010年NCEP/NCAR月平均再分析資料(Kalnayetal.,1996),水平分辨率為2.5°×2.5°。3)1961—2010年NOAA擴(kuò)展重建海溫資料(Smithetal.,2008),水平分辨率為2°×2°。1.2大氣熱源的定義選用合成分析、低通濾波、相關(guān)分析、線性回歸等方法。另外,整層大氣總熱源(匯)的計(jì)算采用“倒算法”(Yanaietal.,1992;鞏遠(yuǎn)發(fā)等,2007)。大氣熱源的計(jì)算公式為:其中:T為溫度;ω為p坐標(biāo)的垂直速度;k=R/cp,R和cp分別是干空氣氣體常數(shù)和比定壓熱容;V為水平風(fēng)矢量;ps為地面氣壓;pt指的是大氣頂氣壓(設(shè)pt=100hPa);Q1是各等壓面層的熱源;<Q1>是整層總熱源。1.3模式和時(shí)間積分本文數(shù)值試驗(yàn)中采用的NCARCAM3.0(CommunityAtmosphereModel3.0)是美國(guó)國(guó)家大氣研究中心研制的公共氣候系統(tǒng)模式。該模式是一個(gè)全球譜模式,采用三角形譜截?cái)?水平分辨率為T42。垂直方向采用η坐標(biāo),共26層,坐標(biāo)層頂在2.917hPa。模式包括了輻射(長(zhǎng)、短波輻射傳輸)、云、對(duì)流、陸面(植被、冰雪、土壤水分)及邊界層(垂直擴(kuò)散、重力波拖曳)等物理過(guò)程,考慮了大氣水汽、二氧化碳含量對(duì)輻射的影響。它包含了大氣模式和一個(gè)完整的陸面模式以及可供選擇的海洋模式。時(shí)間積分采用半隱式方案,步長(zhǎng)為20min。模式的詳細(xì)情況可參考文獻(xiàn)(Collinsetal.,2004)。2eof分析由于我國(guó)西南地區(qū)地形復(fù)雜,降水一致性差,故選取西南地區(qū)東部(103~111°E,24~28°N)為研究對(duì)象,所涉及到的省市有廣西、云南、貴州、四川、湖南和重慶。為驗(yàn)證所選區(qū)域的合理性,對(duì)此區(qū)域的秋季(9—11月平均)降水量進(jìn)行了EOF分析(圖1)。結(jié)果顯示,第一特征向量方差貢獻(xiàn)率高達(dá)50.02%,表現(xiàn)為全區(qū)一致的正位相分布,表明所選區(qū)域的降水具有很好的空間一致性(圖1a)。此外,該特征向量的時(shí)間系數(shù)序列(圖1b)與標(biāo)準(zhǔn)化的區(qū)域平均降水量序列(圖2a)趨勢(shì)非常一致,進(jìn)一步說(shuō)明該區(qū)域的降水主要表現(xiàn)為全區(qū)一致的分布型,故所選區(qū)域合理。3西南春季降水的特征由圖2a可見(jiàn),西南地區(qū)東部秋季降水存在減少趨勢(shì),線性趨勢(shì)系數(shù)達(dá)到-5.2mm/(10a),變旱趨勢(shì)顯著;另外,該地區(qū)的秋季降水同時(shí)存在明顯的年際和年代際變化。年代際變化主要表現(xiàn)為,在20世紀(jì)80年代中后期,降水由偏多轉(zhuǎn)為偏少。由M-K檢驗(yàn)(圖2b)的UF曲線可見(jiàn),自20世紀(jì)80年代以來(lái),西南地區(qū)東部秋季降水有一明顯的減少趨勢(shì),21世紀(jì)初開始,這種減少趨勢(shì)通過(guò)了0.05信度的顯著性檢驗(yàn),說(shuō)明該地區(qū)存在顯著變旱的趨勢(shì)。此外,根據(jù)UF和UB曲線的交點(diǎn)位置,確定降水由多轉(zhuǎn)少的突變發(fā)生在1987年左右,這與降水年代際變化曲線(圖2a,實(shí)線)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)間基本一致。本文主要分析該區(qū)域降水的年際變化特征及成因,故在其后做年際變化分析時(shí),已將涉及到的所有物理量去除了年代際變化。圖3a給出了去除年代際變化后的標(biāo)準(zhǔn)化降水序列。將標(biāo)準(zhǔn)化降水量值大于1的定義為澇年,小于1的定義為旱年,由此選取旱年7個(gè)(1962、1974、1979、1992、1996、1998、2009年),澇年6個(gè)(1965、1972、1982、1994、1997、2008年)。利用GPCC降水資料(圖3b)對(duì)旱澇年降水量進(jìn)行合成分析發(fā)現(xiàn),顯著差值區(qū)恰好位于西南地區(qū)東部,進(jìn)一步說(shuō)明了所選年份的合理性。4區(qū)域性氣候異常大氣環(huán)流的異常是造成天氣氣候異常的直接原因,而區(qū)域性的氣候異常往往是在大尺度環(huán)流異常背景下發(fā)生的。為分析西南地區(qū)東部秋季旱澇年的環(huán)流特征,對(duì)所選出的旱澇年進(jìn)行了環(huán)流場(chǎng)的合成分析。4.18確定含量含量的氣旋性差值環(huán)流從旱澇年的850hPa合成的差值風(fēng)場(chǎng)(圖4)來(lái)看,差值西風(fēng)與差值東風(fēng)在蘇門答臘—西太平洋附近輻合,孟加拉灣及其南側(cè)有關(guān)于赤道對(duì)稱的氣旋性差值環(huán)流對(duì),南海存在氣旋性差值環(huán)流。在這種情況下,一方面西南地區(qū)東部位于南海氣旋性差值環(huán)流的西北部,受其外圍偏北氣流的控制,另一方面孟加拉灣的偏東差值氣流使其水汽輸送偏弱,從而形成利于所研究區(qū)域易產(chǎn)生干旱的環(huán)流形勢(shì)。由顯著差值區(qū)的分布可以發(fā)現(xiàn),熱帶印度洋及西太平洋存在大片顯著差值區(qū),西南地區(qū)東部亦位于顯著差值區(qū)(通過(guò)0.1信度的顯著性差值t檢驗(yàn)),說(shuō)明該地區(qū)旱澇年風(fēng)場(chǎng)存在明顯差異。4.25干旱發(fā)生的影響區(qū)域性的氣候異常與當(dāng)?shù)氐拇髿鉅顩r有密切關(guān)系,其中垂直上升運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生降水的基本條件之一。圖5a給出了旱澇年500hPa垂直運(yùn)動(dòng)的差值場(chǎng),西南地區(qū)東部處于顯著的差值下沉區(qū),蘇門答臘島—西太平洋附近處于顯著的差值上升區(qū),而經(jīng)圈環(huán)流的差值場(chǎng)(圖5b)與以上結(jié)果對(duì)應(yīng),說(shuō)明較澇年而言,旱年存在偏強(qiáng)的哈德萊環(huán)流,偏強(qiáng)的下沉氣流控制我國(guó)西南地區(qū)東部,利于該地區(qū)形成干旱。除垂直運(yùn)動(dòng)以外,局地的水汽條件也是形成降水的重要條件之一。從整層積分的水汽通量散度差值場(chǎng)(圖5c)來(lái)看,西南地區(qū)東部位于顯著的差值輻散區(qū),不利于產(chǎn)生降水。5大氣熱源異常強(qiáng)迫干旱和洪澇實(shí)際上是大氣環(huán)流異常變化的反映,而大氣環(huán)流的異常變化又常常是大氣熱源異常強(qiáng)迫的結(jié)果;大量研究表明,海溫是影響大范圍的環(huán)流異常的一個(gè)重要因素(楊修群和黃士松,1993;武炳義和張人和,2011)。本文將從熱源和海溫的角度,嘗試找出西南地區(qū)東部秋季旱澇的成因。5.1旱年平洋帶的熱源偏弱大氣熱源是驅(qū)動(dòng)大氣環(huán)流的重要因子,其異常會(huì)顯著影響大氣環(huán)流,進(jìn)而影響降水的異常(高斯等,2010)。為尋找旱澇年熱源的分布特征,對(duì)旱澇年總熱源場(chǎng)進(jìn)行了合成分析(圖6a)。可見(jiàn),西南地區(qū)東部位于負(fù)值區(qū),即旱年熱源偏弱,這很可能是由于旱年水汽凝結(jié)潛熱的釋放偏少造成的。蘇門答臘—西太平洋一帶存在顯著的正值區(qū),說(shuō)明西南地區(qū)東部旱年,該海區(qū)熱源偏強(qiáng);而西印度洋及赤道中東太平洋存在顯著的負(fù)值區(qū),表明西南地區(qū)東部旱年,這兩個(gè)海區(qū)的熱源偏弱。為進(jìn)一步說(shuō)明所研究區(qū)域的干旱與熱源的關(guān)系,對(duì)西南地區(qū)東部秋季降水與同期熱源場(chǎng)求相關(guān)(圖6b)發(fā)現(xiàn),從西印度洋到東太平洋的熱帶海區(qū),相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)“+-+”的分布。從850hPa差值風(fēng)場(chǎng)(圖4)與差值熱源的配置來(lái)看,蘇門答臘附近的差值熱源西側(cè),存在關(guān)于赤道對(duì)稱的氣旋性差值環(huán)流對(duì),而南海氣旋性差值環(huán)流恰好位于西太平洋差值熱源的西北側(cè),這樣的熱帶水平風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)類似于熱帶異常熱源激發(fā)的熱帶波動(dòng)(Gill,1980)。5.2海溫分布的季節(jié)變化熱源場(chǎng)是綜合了眾多因素的強(qiáng)迫場(chǎng),而已有研究證明,海溫作為一種外強(qiáng)迫場(chǎng),其異常對(duì)引起大范圍環(huán)流異常有著最為重要的影響(楊修群和黃士松,1993)。故進(jìn)一步從旱澇年海溫場(chǎng)的分布特征分析西南地區(qū)東部秋季降水與同期海溫的關(guān)系,進(jìn)而尋找形成干旱的原因。由旱澇年同期海溫的差值場(chǎng)(圖7a)發(fā)現(xiàn),從西印度洋到東太平洋的熱帶海區(qū),呈現(xiàn)“-+-”的差值分布,從秋季降水與同期海溫的相關(guān)場(chǎng)(圖7b)可以看出,相關(guān)系數(shù)的分布與5.1節(jié)中的熱源與降水的相關(guān)分布基本一致,顯著相關(guān)區(qū)集中在熱帶海洋,從西印度洋到東太平洋的熱帶海區(qū),呈現(xiàn)“+-+”的相關(guān)系數(shù)分布,說(shuō)明蘇門答臘—西太平洋的熱源異?？赡芘c海溫異常有關(guān)。為方便進(jìn)一步研究,將這些顯著相關(guān)區(qū)域按照相關(guān)系數(shù)的分布劃分為3個(gè)海區(qū),分別為:Ⅰ區(qū)(蘇門答臘—西太平洋),Ⅱ區(qū)(西印度洋),Ⅲ區(qū)(東太平洋)。為進(jìn)一步弄清旱澇年與海溫分布的關(guān)系,將所有旱澇年的海溫異常分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1)可見(jiàn),旱年中,除1962、1979以及2009年以外,大部分年份海溫分布均與相關(guān)系數(shù)分布相對(duì)應(yīng),表現(xiàn)為為“-+-”的分布型;澇年中,除了1965年以外,其他年份海溫分布均與相關(guān)系數(shù)的分布相對(duì)應(yīng),表現(xiàn)為“+-+”的分布型。值得注意的是,2009年海溫異常的分布與多數(shù)干旱年份的異常分布完全相反。6春季降水相關(guān)區(qū)域以上觀測(cè)分析表明,西印度洋至東太平洋的熱帶海區(qū),存在3個(gè)與西南地區(qū)東部秋季降水顯著相關(guān)的區(qū)域。那么,是否3個(gè)海區(qū)的海溫對(duì)所研究區(qū)域的秋季降水都有影響?哪個(gè)海區(qū)的海溫對(duì)所研究區(qū)域的降水多寡起著更重要的作用?為了找出關(guān)鍵海區(qū),接下來(lái),本文利用大氣環(huán)流模式NCARCAM3.0進(jìn)行模擬研究。6.1試驗(yàn)計(jì)劃為了研究3個(gè)不同海區(qū)的海溫對(duì)西南地區(qū)東部秋季降水的影響,本文設(shè)計(jì)了如下數(shù)值試驗(yàn):1控制試驗(yàn)的結(jié)果以氣候月平均海溫作為下邊界條件,模式自第0年9月起,積分至第10年12月,取后5a的平均值作為控制試驗(yàn)的結(jié)果。由于以往的文獻(xiàn)對(duì)該模式的介紹較多(Plumb,1985;Kiehletal.,1998),這里不再給出控制試驗(yàn)的結(jié)果。2正異常試驗(yàn)結(jié)果正異常試驗(yàn):取控制試驗(yàn)的第5年12月的結(jié)果作為初始條件,選?、駞^(qū)即蘇門答臘—西太平洋附近為異常區(qū)域,在該區(qū)域秋季(9—11月)的氣候海溫場(chǎng)中加入海溫正異常作為模式的下邊界,再積分5a,將這5a秋季的平均值作為正異常試驗(yàn)的結(jié)果。試驗(yàn)中加入的正海溫異常分布如圖8所示。負(fù)異常試驗(yàn):方法與正異常試驗(yàn)一致,僅加入的海溫異常取相反數(shù)。3異常試驗(yàn)方法此試驗(yàn)中同樣包含一個(gè)正異常試驗(yàn)及一個(gè)負(fù)異常試驗(yàn),方法同前一組試驗(yàn),僅海溫異常區(qū)域不同,為Ⅱ區(qū)即西印度洋地區(qū),試驗(yàn)中加入的海溫異常分布如圖8所示。4試驗(yàn)區(qū)域及方法此試驗(yàn)中同樣包含一個(gè)正異常試驗(yàn)及一個(gè)負(fù)異常試驗(yàn),方法同前一組試驗(yàn),但海溫異常區(qū)域及異常值不同,區(qū)域?yàn)棰髤^(qū)即東太平洋地區(qū),試驗(yàn)中加入的海溫異常分布如圖8所示。5正異常試驗(yàn)與負(fù)異常試驗(yàn)此試驗(yàn)中同樣包含一個(gè)正異常試驗(yàn)及一個(gè)負(fù)異常試驗(yàn),方法同前一組試驗(yàn),但在所有3個(gè)海區(qū)同時(shí)加上海溫異常,正異常試驗(yàn)在Ⅰ區(qū)加入海溫正異常并在Ⅱ、Ⅲ區(qū)加入負(fù)異常,負(fù)異常試驗(yàn)在相應(yīng)區(qū)域加上相反的海溫異常。加入的異常值同前幾組海溫異常試驗(yàn)。6.2海溫異常對(duì)西南沿海地區(qū)旱澇的影響由Ⅰ區(qū)海溫正負(fù)異常試驗(yàn)的降水差值(圖9)可知,蘇門答臘—西太平洋一帶海溫偏高時(shí),該海區(qū)降水偏多,同時(shí),西南地區(qū)東部降水偏少(圖9a)。環(huán)流場(chǎng)上表現(xiàn)為哈德萊環(huán)流偏強(qiáng)(圖9c),進(jìn)而導(dǎo)致該地區(qū)處于偏強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng)控制(圖9b)。另外,熱帶印度洋的差值西風(fēng)與中東太平洋的差值東風(fēng)在西太平洋附近輻合,熱帶西太平洋至孟加拉灣一帶存在一氣旋性差值環(huán)流(圖9a),其外圍偏北差值氣流控制西南地區(qū)東部,同時(shí),其南側(cè)存在一個(gè)與其關(guān)于赤道對(duì)稱的氣旋性差值環(huán)流。孟加拉灣受偏東氣流控制,導(dǎo)致向西南地區(qū)東部輸送的水汽偏少,進(jìn)而使所研究區(qū)域發(fā)生干旱。模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果較一致,這也與熱帶異常熱源激發(fā)的熱帶水平環(huán)流結(jié)構(gòu)相吻合(Gill,1980)。表明蘇門答臘—西太平洋的海溫異常對(duì)西南地區(qū)東部秋季旱澇存在顯著影響。從Ⅱ區(qū)敏感性試驗(yàn)(圖10)的結(jié)果來(lái)看,該海區(qū)的海溫偏冷時(shí),并沒(méi)有使西南地區(qū)東部降水減少,也沒(méi)有形成利于西南地區(qū)東部產(chǎn)生干旱的環(huán)流形勢(shì)。因此,該海區(qū)并不是影響西南地區(qū)東部秋季旱澇的關(guān)鍵區(qū)域。Ⅲ區(qū)的敏感性試驗(yàn)結(jié)果(圖11)與Ⅰ區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果(圖10)較為相似,中東太平洋海溫偏低時(shí),該海區(qū)降水偏少,同時(shí),西南地區(qū)東部降水偏少。從環(huán)流場(chǎng)上看,熱帶差值西風(fēng)及差值東風(fēng)在西太平洋附近輻合,西太平洋上存在一氣旋性差值環(huán)流,其外圍偏東北氣流控制西南地區(qū)東部。孟加拉灣同樣受偏東氣流控制,不利于水汽輸送,從而形成有利于西南地區(qū)東部發(fā)生干旱的環(huán)流形勢(shì)。模擬結(jié)果說(shuō)明東太平洋海溫對(duì)西南地區(qū)東部秋季降水亦存在重要影響。由綜合海溫異常試驗(yàn)的結(jié)果(圖12)可以發(fā)現(xiàn),“-+-”的海溫異常分布確實(shí)會(huì)使西南地區(qū)東部處于偏北氣流控制,同時(shí)孟加拉灣處于偏東氣流控制不利水汽輸送,并且此海溫分布利于加強(qiáng)哈德萊環(huán)流,進(jìn)而使所研究區(qū)域產(chǎn)生干旱。這與診斷分析的結(jié)果基本一致。另外,這與劉宣飛和袁慧珍(2006)提出的當(dāng)印度洋偶極子正位相與ElNino伴隨出現(xiàn)時(shí),中國(guó)西南地區(qū)秋季降水大范圍正異常的結(jié)論也是一致的。結(jié)合以上數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),西印度洋、蘇門答臘—西太平洋及東太平洋這3個(gè)海區(qū)“-+-”的海