1 引言
山西地处黄土高原，受地理环境和大尺度大气环流支配，区域内累积年平均降水358.2~620.5 mm，素有“十年九旱”之说。特别20世纪70年代以来，降水较常年持续偏少，干旱化日趋严重。进入21世纪以来，区域降水进入年代际增加周期，但阶段性干旱事件依旧频发，严重制约区域工农业生产活动和生活用水。因此研究影响山西省干旱事件发生的物理因子及其可能机制有非常重要的意义。
降水持续异常（偏少）是干旱事件发生的最重要条件。以往对于降水异常的研究有很多，一般共同的认知为太平洋年代际振荡（PDO）（马柱国和邵丽娟，2006；杨修群等，2005；Yang et al，2017）、大西洋多年代际振荡（Mccabe et al，2004）以及季风的年代际变化（姜大膀和王会军，2005）是年代际尺度降水异常的主因，如20世纪70年代以来的PDO暖位相以及减弱的东亚夏季风导致同期华北地区（包括山西）降水偏少；厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）和热带印度洋海温异常在年际尺度上调制降水异常（Dai and Wigley，2000；Yang et al，2007），如厄尔尼诺发展年华北地区降水易偏少。对于阶段性降水异常的研究也有很多（陶诗言等，2009；封国林等，2012；陈丽娟等，2019；柯宗建等，2014；高辉等，2017；Li et al，2018；赵晓琳，2019；唐红玉等，2019），此类降水异常多由海温、海冰、陆面等外强迫以及大气环流异常等多种因素共同作用所致（Wu et al，2009；Choi et al，2011；Tian and Fan，2012），随降水异常事件所处季节时段不同，影响事件的主要因子也可能不同，如周明森等（2013）认为华南4 -5月持续性干旱与前期热带中太平洋海温持续偏高密切相关；金炜昕等（2014）指出，西北太平洋海温偏暖造成的副高位置偏北和贝加尔湖地区深厚的冷槽是2012年7月华北降水异常偏多主因；支蓉等（2018）指出秋季赤道中东太平洋的迅速转冷和热带印度洋偶极子正位相的长期持续维持引起的副高偏强偏西偏北和中高纬环流异常的共同作用是2017年9 -10月我国北方地区降水异常偏多的成因；魏建宁等（2021）研究发现7 -8月亚非急流入口区域的位置及能量变化对华北地区干旱有影响。
尽管多时间尺度降水异常成因分析方面已取得了很多研究成果，但上述研究多针对较大范围而言，专门针对山西地区的分析研究不够全面、深入。2019年5 -8月，山西省中南部降水持续偏少，导致陆续有69个县出现严重旱情，农作物遭受严重“卡脖旱”，一些地区玉米、谷子等出现绝收现象，并出现人畜吃水困难现象；7月26日，山西省防汛抗旱指挥部启动Ⅳ级抗旱应急响应；9月3日，国家减灾委、应急管理部针对山西严重干旱事件启动了国家Ⅳ级救灾应急响应。本文将以2019年5 -8月山西省中南部连续降水偏少造成的春末到初秋干旱气候事件为研究对象，从大气环流和海温外强迫的角度分析此次干旱气候事件的可能成因，在深入认识此次事件物理过程和发生可能机理的基础上，总结其出现的先兆信号，完善提高山西省气候预测业务能力，以更好地满足政府和用户服务需求，为地区气象防灾减灾决策建议提供更加科学的信息。
2 资料选取与方法介绍
所用资料主要包括：（1）山西省108个台站1981年1月至2019年12月月降水站点资料；（2）美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）的再分析数据，包括1981 -2019年的逐月位势高度场、风场、比湿场等资料，其水平分辨率为2.5°×2.5°，数据下载网址为https：//psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis.pressur-e.html；（3）日本气象厅（Japan Meteorological Age-ncy，JMA）提供的COBE-SST海温逐月资料，水平分辨率为1°×1°，数据下载网址为https：//psl.noaa.gov/data/gridded/data.cobe.html。
本文研究主要使用气候统计诊断分析法，包括合成分析、相关分析、经验函数正交分解（EOF）、T检验等方法（魏凤英，2007）。研究中采用1981 -2010年30年平均值作为气候平均态，各要素异常值为观测值和气候平均态之差。
文中涉及的地图是基于中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为GS（2020）4403号的世界地图制作和审图号为GS（2019）3333号的中国地图（分省-山西）制作，底图无修改。
3 研究结果
3.1 降水特点
2019年5 -8月，山西省中南部降水持续偏少，出现了严重的干旱气候事件。5月，全省大部分地区降水偏少5成以上，特别中南部大部降水偏少8成以上，随后中南部降水偏少的分布持续了整个夏季。5 -8月（图1），山西省平均降水量235.5 mm，较常年同期平均值（310.1 mm）偏少24%，为近20年以来第3少年，中南部部分地区偏少4成以上。
3.2 大气环流异常
大气环流异常是干旱气候灾害产生的直接原因（卫捷等，2003），图2给出了旱期5 -8月500 hPa和6 -8月100 hPa月平均高度场及其距平场。从各月的500 hPa高度场［图2（a）~（d）］可以看出，5月中高纬高度场以纬向环流为主，在欧亚上空呈现双阻塞高压异常型分布，乌拉尔山和鄂霍次克海附近的阻塞高压活跃，贝加尔湖以东地区存在较弱的低压槽，主要影响了我国东北地区的降水，山西大部受高度场正距平控制；西太平洋副热带高压较常年（紫色虚线）偏大、偏强、偏西、偏南。6 -8月，欧亚中高纬环流总体经向度较大，呈“两槽一脊”型分布，贝加尔湖地区阻塞形势明显，山西主要受贝加尔湖附近的高压脊影响，易形成晴朗天气；西太平洋副热带高压较常年面积偏大，强度偏强，西伸脊点偏西，脊线位置总体偏南，不利于山西的降水。
图2 2019年5 -8月500 hPa和6 -8月100 hPa环流特征（单位：m）等值线为高度场，阴影为高度异常场，紫色虚线：副高（a~e）和南亚高压（f）气候态位置 Fig.2 Circulation characteristics of 500 hPa from May to August and 100 hPa from June to August in 2019. Unit： m. Contour lines represent height fields， shaded areas represent height anomaly fields， purple dotted lines： climatological position of Western Pacific subtropical high （a~e） and South Asia high （f） |
5 -8月平均500 hPa高度场［图2（e）］上，亚洲中高纬度以纬向环流为主，在乌拉尔山附近为高度场负距平，乌山阻高不活跃，贝加尔湖附近为高度场正距平，高压脊发展，中国大部受高度场正距平控制。山西上空主要受来自北部贝加尔湖附近较强的高压脊影响，整体为高度场正距平控制，山西处于槽后脊前，东侧的低压槽较弱，冷空气活动较弱，影响山西较小；西太平洋副热带高压较常年偏大、偏强、西伸脊点接近常年略偏西、脊线位置略偏南，西太副高的偏西偏南，不利于水汽向我国的北方地区输送，水汽到达长江流域以南地区已经减弱，再无力北上，导致山西大部地区水汽亏空。
南亚高压是位于对流层上部强大且稳定的行星尺度环流系统，对我国夏季大范围的旱涝有着重要影响（叶培龙等，2019），且大量研究表明（Cai et al，2017；陈永仁等，2012；胡景高等，2010；魏维等，2012；刘梅等，2008；郭帅宏等，2014；张新荣等，2004），南亚高压的活动与华北地区的降水有密切关系。图2（f）给出了旱期100 hPa的环流特征，由于南亚高压（16800线）在5月份气候态特征不明显，因此关注6 -8月。从6 -8月平均100 hPa高度场上来看，南亚高压较常年偏大、偏强、脊线接近常年，维持在30°N左右，偏东超10个经度，南亚高压在旱期异常偏东，且已经东伸到我国东部地区。南亚高压的异常增强有利于华北地区降水偏少（黄燕燕和钱永甫，2004）；南亚高压异常偏东亦有利于华北地区降水偏少（魏维等，2012），总体上看，6 -8月南亚高压较常年偏东偏强，有利于山西出现干旱。
降水是大气环流和水汽输送配合的产物（王天竺和赵勇，2021），作为影响降水的一个重要因素，水汽输送和水汽收支对旱涝的发生有直接的影响（万云霞等，2020），接下来进一步给出水汽输送对山西干旱的影响。图4给出了整层水汽输送通量和整层水汽输送通量散度距平场。从整层水汽输送通量场［图4（a）］中可以看出，多支越赤道水汽和西太平洋的水汽汇合到达我国长江以南地区，较强的水汽输送通量路径未经过山西，山西整体的水汽条件不充沛；从水汽输送通量散度距平场［图4（b）］中可以看出山西整体呈现偏弱的水汽辐合，但主要是来自于干燥的东北方向，不利于水汽的聚集。
为了把此次山西中南部严重干旱（2019年5 -8月）与山西历史干旱时期的大气环流异常特征进行对比，利用经验正交函数（EOF）分析方法对山西5 -8月降水的气候特征进行了分析，选出EOF1山西全省降水一致偏少典型年份，即：1986，1991，1997，2001，2005，2008和2015年，并对这些降水偏少年份进行合成，得到图5。如图5所示，中高纬以纬向环流为主，乌拉尔山附近存在高度场负距平中心，乌山阻高不活跃，贝加尔湖附近存在高度场正距平中心，高压脊发展较强，鄂霍次克海附近为高度场负距平中心，低压槽发展。山西处于槽后脊前，主要受来自贝加尔湖附近较强的高压脊影响，此高度场特征与2019年5 -8月高度场特征类似，即此次山西干旱期（2019年5 -8月）大气环流异常特征与山西典型干旱年大气环流特征类似；西太平洋副热带高压大小、强度和位置都接近常年（紫色虚线），副高的异常特征并不明显。
图5 历史5 -8月降水偏少年份500 hPa高度场合成（单位：m）等值线为高度场，阴影为高度异常场，紫色虚线为副高气候态位置 Fig.5 The composition of 500 hPa height field from May to August in the years of less precipitation. Unit： m. Contour lines represent height fields， shaded areas represent height anomaly fields， purple dotted lines： Climatological position of Western Pacific subtropical high |
3.3 海温异常特征
降水异常是由于大气环流异常造成的，而海温是影响大气环流的重要因子，它已经成为降水异常成因分析的一个重要参考依据。图6给出了2019年5 -8月海温异常场，即2019年5 -8月观测的海温场与气候平均态（1981 -2010年）5 -8月海温场的差值场。从图6中可以看出，5月份赤道中东太平洋为异常暖海温，根据厄尔尼诺/拉尼娜事件的国家判识标准，从2018年10月至2019年6月形成一次中部型厄尔尼诺事件，因此5月的海温是处于厄尔尼诺状态；印度洋上，热带印度洋海温偶极子（TIOD）为正位相，热带印度洋全区一致海温模态（IOBW）为正位相。6月份赤道中东太平洋仍被暖海温占据，Nino3.4区为暖海温异常中心，赤道太平洋海温仍为厄尔尼诺状态，TIOD和IOBW维持正位相。7月份赤道东太平洋在赤道以南地区开始出现冷水区域，暖海温异常中心向西移，海温开始进入ENSO中性状态，TIOD仍为正位相，IOBW正位相有所减弱。8月份赤道东太平洋的冷海温异常加强，冷水区域开始扩大，暖海温异常中心在赤道西太平洋附近，赤道太平洋海温维持ENSO中性状态。从5 -8月平均海温异常中可以看出，热带太平洋基本被暖海温占据，赤道中东太平洋总体呈现海温中性偏暖状态，处于厄尔尼诺衰减年，印度洋海温总体呈现全区一致偏暖模态，北大西洋三极子海温呈现正位相，黑潮区海温呈现弱的暖海温异常，郝立生等（2012）研究发现，当年热带太平洋海温升高和热带印度洋海温升高都会造成华北夏季降水偏少，两者的影响起相互加强的作用。北大西洋三极子处于正位相时也是有利于山西南部降水偏少。总体来看，2019年5 -8月海温的异常特征有利于山西降水偏少。
利用经验正交函数（EOF）分析方法对山西1980 -2019年5 -8月平均降水的气候特征进行分析，EOF1呈现降水全省一致模态，方差贡献率占51%。利用EOF1的时间分量PC1与前期冬季（上年12月至当年2月）海温异常场计算相关系数［图7（a）］，主要是为了观察前期海温异常特征对次年5 -8月山西降水的影响。从图7（a）可以看出，通过95%的显著性检验区域主要集中在赤道附近，在赤道中东太平洋主要呈现负相关，在印度洋附近也是呈现负相关特征。从2019年冬季（2018年12月至2019年2月）海温异常场特征图［图7（b）］上可以发现，在赤道中东太平洋以暖海温异常为主，印度洋海温主要以暖海温异常为主，对比5 -8月降水EOF1主分量与前冬海温异常场相关分析图，可以明显看出前期冬季海温特征有利于次年5 -8月山西降水一致偏少。这一结论也是与李启芬等（2020）的研究结果类似，当前冬中东太平洋、印度洋以及大西洋西部冬季海表温度显著偏高，西太平洋、大西洋东北侧以及南太平洋海温偏低时，次年我国夏季降水的特征之一是呈现北少南多的特征，山西正是处于降水偏少区域。从2019年冬季海温异常场［图7（b）］上还可以看出，在黑潮区域海温呈现较强的暖异常中心，张启龙等（1999）研究了华北地区汛期降水与冬季黑潮热输送的关系，发现两者之间存在负相关，即前期冬季黑潮区域海温异常偏暖有利于华北夏季降水异常偏少。
图7 山西近40年5 -8月降水EOF1时间分量与前期（12月至次年2月）冬季海温异常场的相关性分析（a，打点区域为通过95%显著性检验）和2019年冬季海温异常场（b，单位：℃）Fig.7 Correlation analysis between EOF1 of precipitation from May to August in recent 40 years in Shanxi and SST anomaly field in winter （December-February） （a， dotted areas represent the significance over 95% level） and SST anomaly field in winter of 2019 （b， unit：℃） |
海温的异常变化通过影响大气环流从而影响降水变化，刘毓赟等（2008）和郝立生等（2012）研究表明前期热带太平洋和印度洋海温异常偏高，东亚冬季风偏弱。东亚冬季风偏弱，东亚冬季降水增加，进而影响夏季海陆热力差异，使得山西5 -8月上空出现北风异常，水汽来源不足和动力辐合条件减弱，造成此次山西5 -8月降水偏少。
4 结论与讨论
利用山西省108站点月降水资料、NCEP/NCAR再分析大气环流资料和日本气象厅提供的COBE-SST海温资料，分析了干旱时期的降水特征、大气环流特征和海温异常特征，及大气环流和海温异常对这次山西省中南部严重干旱的影响。得到以下主要结论：
（1） 500 hPa高度场上，亚洲中高纬地区以纬向型环流分布为主，中国大部受高度场正距平控制。受贝加尔湖附近较强的高压脊影响，山西上空整体为高度场正距平，有利于山西降水偏少；西太平洋副热带高压较常年偏大、偏强、西伸脊点接近常年略偏西、脊线略偏南，西太副高的偏西偏南不利于水汽向我国的北方地区输送。100 hPa高度场，南亚高压较常年偏大、偏强、偏东超10个经度，南亚高压在旱期异常偏东，且已经东伸到我国东部地区，有利于山西降水偏少。
（2） 低空850 hPa风场上，山西上空为北风异常，风速异常较弱。200 hPa风场上，山西高空整体受西风控制，处于弱的西风带中心。多支越赤道水汽和西太平洋的水汽汇合到达我国长江以南地区，较强的水汽输送通量路径未经过山西，山西水汽条件不充沛。
（3） 从山西典型干旱年环流特征来看，亚洲中高纬地区以纬向环流为主，山西处于槽后脊前，主要受贝加尔湖附近较强的高压脊影响，此高度场特征与2019年5 -8月高度场特征类似，即此次干旱期大气环流异常特征符合山西典型干旱年环流特征。
（4） 海温场上，热带太平洋基本被暖海温占据，赤道中东太平洋总体呈现海温中性偏暖状态，处于厄尔尼诺衰减年，印度洋海温总体呈现全区一致偏暖模态，北大西洋三极子海温呈现正位相，而热带太平洋海温的升高和热带印度洋海温的升高都会有利于山西降水偏少。
（5） 从山西5 -8月降水EOF1时间分量与前冬海温的相关分析来看，在赤道中东太平洋和印度洋附近都是呈现显著性负相关特征，对比2019年冬季海温异常场，在赤道中东太平洋和印度洋海温都是异常偏暖，有利于山西2019年5 -8月降水一致偏少，出现干旱特征。
（6） 从山西典型干旱年海温特征来看，赤道中东太平洋海温存在暖异常中心，且暖异常中心最大值超过0.8 ℃，印度洋总体上也是以暖海温异常为主，北大西洋三极子海温呈现“负正负”的空间分布，与旱期海温在赤道太平洋、印度洋和北大西洋上的特征一致，所以此次干旱期的海温特征符合山西典型降水偏少年份的海温特征。
本文对2019年5 -8月山西省中南部严重干旱过程进行了研究，这次我省大范围严重干旱是较长时间降水稀少所造成的，主要分析了此次旱期我省降水偏少的大气环流和海温异常特征及其对干旱的影响，但是关于大气环流与海温异常的相互作用对此次干旱过程的影响机制研究的还不够透彻，还需要进一步的深入分析及讨论，这也是作者在接下来的工作中需要努力的方向。