高原气象  2019, Vol. 38 Issue (3): 528-538  DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00161
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池再香, 胡跃文, 夏阳, 等. 2019. 云贵高原东部两次典型气象干旱年汛期环流特征对比[J]. 高原气象, 38(3): 528-538. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00161
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Chi Zaixiang, Hu Yuewen, Xia Yang, et al. 2019. Comparison of Circulation Characteristics between Two Typical Dry Years in Flood Period over Eastern Yunnan-Guizhou[J]. Plateau Meteorology, 38(3): 528-538. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00161.
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资助项目

中国气象局预报员专项(CMAYBY2016-066);中国科协创新驱动助力工程项目(2017ZLGC004);省市科技合作项目(52020-2015-01-02)

通信作者

胡跃文(1964-), 男, 贵州遵义人, 高级工程师, 主要从事气象服务工作.E-mail:1006537820@qq.com

作者简介

池再香(1964-), 女, 贵州天柱人, 正研级高工, 主要从事气候变化研究及农业气象服务工作.E-mail:qxxf_850@163.com

文章历史

收稿日期: 2018-09-30
定稿日期: 2018-12-29
云贵高原东部两次典型气象干旱年汛期环流特征对比
池再香1, 胡跃文2, 夏阳1, 胡祖恒3, 杜正静4, 严锐1     
1. 贵州省六盘水市气象局, 贵州 六盘水 553000;
2. 贵州省气象学会, 贵州 贵阳 550001;
3. 重庆市气候中心, 重庆 401147;
4. 贵州省气象服务中心, 贵州 贵阳 550001
摘要: 利用云贵高原东部84个地面气象观测站2011年和2013年4—9月逐日降水和温度资料、NCEP/NCAR再分析资料以及积温干燥度公式和视水汽汇公式,对2011年(拉尼娜年)汛期(4—9月)和2013年(中性年)汛期(4—9月)云贵高原东部干旱天气的基本特征和环流异常进行分析。结果表明,2011年汛期平均降水量比2013年汛期少,但均具有时空分布不均的特点;2011年汛期降水量偏少,主要是4—5月和7—9月的降水贡献大,2013年汛期降水量偏少,主要是7—8月的降水贡献大,且积温干燥度指数较好地反映了2011年和2013年汛期的干旱程度。2011年、2013年汛期的南亚高压均偏强、面积均偏大、东侧脊点位置均偏东,但2011年汛期的西太平洋副热带高压的强度、面积均比2013年汛期的偏强、偏大,是2011年汛期干旱天气比2013年汛期偏重的重要原因。孟加拉湾、南海以及西太平洋中低层的水汽输送偏弱是云贵高原东部2011年和2013年汛期降水少的主要原因,且云贵高原东部上空的水汽辐散中心与其降水量有较好的对应关系;700 hPa的水汽输送异常减少对2011年和2013年汛期干旱的发生起决定性作用,云贵高原东部2011年汛期700 hPa层上的水汽辐散比2013年汛期的强,导致其降水量比2013年汛期的少。视水汽汇揭示了2011年汛期干旱程度比2013年更严重的事实。500 hPa环流场、700 hPa水汽输送场对于云贵高原东部较长时间的旱涝预报具有一定的参考价值。
关键词: 汛期降水    积温干燥度指数    南亚高压    副热带高压    水汽输送    合成分析    
1 引言

贵州地处云贵高原东斜坡上(下称云贵高原东部), 是长江水系和珠江水系的分水岭, 受季风之惠, 常年雨量充沛, 气候温和, 在作物生长旺盛时期(4—9月)正值雨季, 充足的降水条件能满足作物生长需求, 但随着全球气候变暖, 高温天气引起的少雨、干旱气候事件时有发生, 特别是汛期(4—9月)的严重少雨干旱天气会造成人畜饮水困难, 田间地头干枯, 作物减产甚至绝收。因此, 干旱灾害天气的形成机理一直是气象工作者研究的重要课题。许多专家学者研究干旱灾害形成机制, 主要针对的是夏季高温干旱, 刘还珠等(2006)通过研究2003年夏季长江以南高温少雨天气是受副热带高压活动的变化影响, 指出副热带高压强度偏强、位置偏西是导致长江以南地区高温少雨的直接原因。池再香等(2012)研究了贵州2009年秋季至2010年春季连续干旱的原因, 表明了此次三季连续干旱是在副热带高压强度偏强、位置偏西、南支槽偏弱的环流背景条件发生的。李莹等(2012)发现2011年的干旱是西南地区近60年发生最严重的夏秋连续干旱, 而王遵娅等(2012)指出2011年夏季西南地区的严重干旱主要是由于西太平洋副热带高压(下称西太副高)位置偏东使其西侧的偏南水汽输送对西南地区影响小和孟加拉湾向北输送的水汽偏弱造成的。2013年夏季中国南方出现了大范围的高温少雨天气, 许多学者对于其形成原因进行了分析研究, 一致认为2013年夏季高温少雨是由于副热带高压稳定偏强和位置偏西、南压高压偏强和位置偏东以及水汽辐合偏弱造成的(邹海波等, 2015; 王羱等, 2015; 赵军平等, 2016; 王文等, 2017)。庞晶等(2013)研究了西南地区的干旱特征及其成因, 发现西南地区的干旱同青藏高原地表热异常、海温变化、南亚季风和北极涛动有着密切关系。而王劲松等(2012)研究了中国气象干旱的成因, 指出导致中国干旱的主要因素是副热带高压、东亚夏季风、印度夏季风、海温和青藏高原下垫面热力状况的异常。袁媛等(2017)详细分析了1998年和2016年汛期中国旱、涝特征, 指出这两年的西太副高偏强、偏西, 东亚夏季风偏弱, 降水主要集中在长江流域和华北地区。1998年和2016年均为厄尔尼诺年, 但2016年是1951年以来发生的持续时间最长(2014年5月至2016年5月)、强度最强的厄尔尼诺事件(翟盘茂等, 2016; 邵勰等, 2016; 袁媛等, 2016), 其持续时间和强度均超过了1998年(1997年4月至1998年5月)(王钦等, 2012)。也有许多专家学者用标准降水指数、标准降水蒸发指数、综合气象干旱指数、积温干燥度指数等方法研究不同时间尺度的气象干旱气候变化特征(张立杰等, 2018; 池再香等, 2012, 2018; 郑建萌等, 2017)。还有一些专家学者对水循环与气候变化的关系进行了详细的研究(谢瑾博等, 2016; 刘双等, 2018; 夏军等, 2016)。那么, 处于拉尼娜年的2011年和处于中性年的2013年, 贵州汛期均发生了较为严重的气象干旱, 2011年汛期大气环流与2013年汛期大气环流又有何异同?2011年汛期降水特征与2013年又有何异同?虽然黄桂东等(2014)对贵州黔南州2011年和2013年夏季干旱进行了分析, 但主要集中于对夏季干旱事实本身的描述, 对其发生的环流背景、形成机制的研究尚未开展。因此, 本文主要对不同气候背景下的2011年和2013年汛期(4—9月)降水分布特征和环流形势、水汽条件等进行对比分析, 以期揭示汛期气象干旱的事实和成因, 为今后深入研究其发生机制奠定基础。

2 资料来源及方法介绍 2.1 资料来源

利用2011年4—9月(简称汛期)和2013年4—9月(简称汛期)的资料, 包括: (1)云贵高原东部(简称贵州)84个市县地面气象观测站逐日降水量和平均温度等资料, 资料来源于贵州省气象信息中心; (2)大气环流资料为NCEP/NCAR再分析资料中的2011年4—9月和2013年4—9月北半球逐月高度场、风场、湿度场、700和850 hPa水汽通量散度场, 水平分辨率为2.5°×2.5°的(Kalnay et al, 1996; Kistler et al, 2001); (3)贵州84个市县区分布如图 1所示, 文中所涉及的地图来源于中国气象局气象信息综合分析处理系统(MICAPS)地图图形, 底图无修改。

图 1 贵州省84个气象观测站分布 Fig. 1 Distribution of 84 meteorological observational stations in Guizhou Province
2.2 方法介绍

根据池再香等(2012)修订的谢良尼诺夫积温法而得到的干燥度公式, 即:

$ K_{i}=0.22 \frac{\sum T_{i}}{\sum R_{i}}, $ (1)

式中: Ki为某站4—9月的积温干燥度(单位: ℃·d·mm-1); ∑Ti为同站同期>0 ℃日平均温度之和(单位: ℃·d); ∑Ri同站同期日降水量之和(单位: mm)。Ki值越大表示某地气候越干燥, 气象干旱越严重; Ki值越小表示某地气候越湿润, 气象干旱越轻。

视水汽汇是由于水汽垂直涡动的净凝结与输送引起的, 诸如积云对流和层云降雨即会产生视水汽汇。视水汽汇为正值时, 表示凝结变干(降水大于蒸发); 视水汽汇为负值时, 表示蒸发或升华变湿(蒸发大于降水), 通常称为干燥率(Luo et al, 1984; Yanai et al, 1992; 丁一汇, 2005; 王启祎等, 1996; 胡祖恒等, 2014)。本文采用NCEP资料, 分别计算2011年汛期和2013年汛期的视水汽汇, 以期对2011年和2013年汛期水汽汇的垂直分布特征和干旱特征差异有进一步的了解。

按照Luo et al(1984)Yanai et al(1992)的研究成果, 视水汽汇Q2计算公式为:

$ Q_{2}=-L\left(\frac{\partial q}{\partial t}+V \cdot \nabla q+\omega \frac{\partial q}{\partial p}\right)=Q_{2 t}+Q_{2 h}+Q_{2 \omega} , $ (2)

式中:Q2t表示局地变化项; Q2h表示水平输送项; Q2w表示垂直输送项。其中: Q2代表分析降水过程中的视水汽汇[单位: K·(mon)-1]; L为水汽凝结释放系数; q为比湿(单位: g·kg-1); 其他为气象中常用物理量参数。

3 干旱特征分析 3.1 降水分布

根据贵州84个气象观测2011年汛期和2013年汛期的降水量, 与历史同期比较, 分别得出2011年、2013年汛期贵州降水距平百分率分布(图 2)。全省2011年、2013年的汛期降水量均为偏少, 且2011年比2013年降水量偏少较多。2011年汛期降水量偏少40%以上的区域主要分布在省的中部以西、以北地区, 达39个市县区, 以兴义市-67%为最大; 而降水量偏少20%以下的区域主要集中在韭菜坪的西北部、江口县和罗甸县, 以罗甸县-13%为最小[图 2(a)]。2013年汛期降水量偏少40%以上的区域主要集中在赤水河南部、鸭溪河西部、梵净山西北部以及北盘江与山岔河交界地区共10个市县区, 以习水市-49%为最大; 而降水量偏少20%以下的区域主要分布在西北部边缘以及省中部以东地区, 多达35个市县区, 以赫章县-4%为最小[图 2(b)]。由此可知, 2011年汛期气象干旱灾害比2013年重, 且具有干旱旱一片的分布特征。

图 2 贵州2011年汛期(a)和2013年汛期(b)降水距平百分率分布(单位: %) Fig. 2 Distribution of precipitation anomaly in flood period 2011 (a) and 2013 (b) in Guizhou. Unit: %
3.2 干旱指数

由式(1)计算得到贵州84个市县区2011年、2013年汛期积温干燥度指数分布(图 3)。由2011年汛期积温干燥度指数分布[图 3(a)]看出, K≥9.0 ℃·d·mm-1区域主要分布在省的北部地区、舞阳河流域、清水江北部、都柳江流域、南盘江流域以及省中部共47个市县区, 以石阡县积温干燥度指数17.29 ℃·d·mm-1为最大, 表明石阡县2011年汛期气象干旱最为严重; 由图 3(a)还可以看出, K≤7.0 ℃·d·mm-1区域主要集中在威宁县、六枝特区和镇宁县共3个县区, 以六枝特区积温干燥度指数6.09 ℃·d·mm-1为最小, 表明六枝特区2011年汛期气象干旱最轻。由2013年汛期积温干燥度指数分布[图 3(b)]看出, K≥9.0 ℃·d·mm-1区域主要集中在省的北部地区和涟江两岸共17个市县区, 以习水市积温干燥度指数11.96 ℃·d·mm-1为最大, 表明习水市2013年汛期气象干旱最为严重; 由图 3(b)还可以看出, K≤7.0 ℃·d·mm-1区域主要分布在省的西北部、三岔河两岸、清水江上游、北盘江南部以及贵阳市南部共20个市县区, 以丹寨县积温干燥度指数5.25 ℃·d·mm-1为最小, 表明丹寨县2013年汛期气象干旱最轻。

图 3 贵州2011年汛期(a)和2013年汛期(b)积温干燥度指数分布(单位: ℃·d·mm-1) Fig. 3 Distribution of accumulated temperature dryness index in flood period 2011 (a) and 2013 (b) in Guizhou. Unit: ℃·d·mm-1

结合图 2可知, 积温干燥度指数的大(小)分布与降水量的少(多)分布并不完全一致, 如省的东南部地区汛期降水量的负距平值小, 但该地区此期间温度比其他地区高, 故该地区积温干燥度指数大, 气象干旱相对较重; 而省的西部地区汛期降水量的负距平值大, 但该地区此期间温度比其他地区低, 故该地区积温干燥度指数小, 气象干旱相对较轻。因此, 一个地区气象干旱轻(重)用降水量一个气象要素来衡量存在局限性。积温干燥度指数综合了温度和降水两个要素, 相对来说要合理、科学些。

4 环流形势对比分析

大气环流形势异常是形成旱涝灾害天气的主要原因, 尤其是西太平洋副热带高压(下称西太副高)的强度、位置的异常变化, 对中国夏季降水和温度有着重要的影响(陈永仁等, 2011; 陶玫等, 2012; 王黎娟等, 2005; 刘屹岷等, 2000)。下面从200 hPa和500 hPa形势场以及中低层水汽通量散度场对贵州2011年和2013年汛期降水偏少的环流形势进行分析。

4.1 200 hPa南亚高压异常

由2011年汛期及其7月和2013年汛期及其7月200 hPa位势高度场及其距平(图 4)可以看出, 2011年汛期[图 4(a)]1248 dagpm等值线覆盖27°N以南广大地区, 其东伸脊点在132°E附近, 其中7月1250 dagpm等值线覆盖38°N以南广大地区, 其东伸脊点在134°E附近, 且1258 dagpm等值线东伸脊点在98°E附近[图 4(b)]; 2013年汛期[图 4(c)] 1248 dagpm等值线也是覆盖27°N以南广大地区, 其东伸脊点在132°E附近, 其中7月1250 dagpm等值线覆盖39°N以南广大地区, 其东伸脊点在137°E附近, 且1258 dagpm等值线东伸脊点在110°E附近[图 4(d)]。由图 4还可以看出, 2011年和2013年汛期贵州均处于正距平值中, 但2013年正距平值[图 4(c)]比2011年[图 4(a)]偏大; 2011年7月[图 4(b)]贵州除东部和南部边缘处于正距平值外, 其余地区处于负距平值中, 而2013年7月贵州处于10~20 dagpm正距平值中[图 4(d)]。由此可见, 相对于历史平均值, 2011年和2013年汛期的南亚高压强度偏强、面积偏大、东侧脊点位置偏东, 受高压控制, 不利于暖湿气流向贵州上空输送; 2013年7月的南亚高压强度、面积、东侧脊点位置均比2011年7月的偏强、偏大、偏东, 造成2013年7月降水量比2011年7月的少。由于2011年和2013年汛期的南亚高压东侧脊点在132°E附近, 具有典型的东部型高压特点, 即高压中心在90°E以东, 导致贵州降水偏少, 这与朱乾根等(2007)研究结果一致。

图 4 2011年汛期(a)及其7月(b)和2013年汛期(c)及其7月(d)200 hPa位势高度场(实线)及其距平(彩色区)分布(单位: dagpm) Fig. 4 The potential height field (solid line) and its anomalies (color area) at 200 hPa in flood period (a) and July (b) of 2011, in flood period (c) and July (d) of 2013. Unit: dagpm
4.2 500 hPa西太副高异常

由2011年汛期及其7月和2013年汛期及其7月500 hPa位势高度场及其距平(图 5)可以看出, 2011年汛期[图 5(a)]西太副高584 dagpm等值线稳定控制云贵-湖南-江苏南部以南广大地区, 且588 dagpm等值线控制142°E以东地区, 其中7月[图 5(b)] 584 dagpm等值线控制新疆南部-重庆-江苏以南大半个中国, 其588 dagpm等值线控制140°E以东地区; 而2013年汛期[图 5(c)] 584 dagpm等值线稳定控制云南-贵州中部-江苏中部以南地区, 且588 dagpm等值线控制141°E以东地区, 但2013年汛期584 dagpm等值线控制面积比2011年汛期[图 5(a)]的偏小, 其中7月[图 5(d)] 584 dagpm等值线控制新疆南部-陕西中部-山东中部以南大半个中国, 其588 dagpm等值线控制120°E以东地区, 且比2011年7月[图 5(b)]控制的面积大。由图 5还可以看出, 相对于历史平均值, 2011年汛期[图 5(a)]及其7月[图 5(b)]贵州均处于正距平值中, 而2013年汛期[图 5(c)]贵州中部偏西地区处于负距平值中, 中部偏东地区处于正距平值中, 其7月[图 5(d)]贵州均处于正距平值中, 持续稳定的西太副高阻挡了北方冷空气南下, 使贵州上空盛行下沉气流, 导致少雨干旱天气发生。由此可见, 2011年汛期西太副高强度、面积均比2013年汛期的强和大, 造成贵州2011年汛期降水量[见图 2(a)]比2013年汛期[见图 2(b)]少; 2011年7月西太副高强度、控制面积均比2013年汛期的弱和小, 导致2011年7月降水量(图略)比2013年7月多。

图 5 2011年汛期(a)及其7月(b)和2013年汛期(c)及其7月(d)500 hPa位势高度场(实线)及其距平(彩色区)分布(单位: dagpm) Fig. 5 The potential height field (solid line) and its anomalies (color area) at 500 hPa in flood period (a) and July (b) of 2011, in flood period (c), and July (d) of 2013. Unit: dagpm
4.3 700 hPa水汽输送异常

由于贵州是一个强烈岩溶化的高原山地, 处于长江水系和珠江水系的分水岭地带, 地势由西北(最高海拔2901 m)向东南(最低海拔148 m)倾斜。省的中西部大部分地区及其北部局部、雷公山片区和梵净山片区的海拔均在1500 m以上, 故需要分析700 hPa高度层的水汽输送情况。

从2011年汛期[图 6(a)] 700 hPa的水汽通量及其散度上可见, 水汽输送辐合区主要分布在日本海峡、印度中北部、孟加拉国-云南西部-陕西和新疆西部, 而水汽输送辐散区分布在西太平洋、南海和孟加拉湾-越南-贵州-华中-东北, 贵州除西北部、东部边缘为弱辐散外, 大部分地区处于较强辐散区, 西南部辐散最强, 相对历史平均而言, 其水汽辐散距平值在0.6×10-8g ·s-1·cm-2·hPa-1以上。由图 6(a)还可以看出, 从孟加拉湾东北部-越南-贵州偏南风输送偏弱, 导致孟加拉湾和北部湾的水汽输送偏弱。结合图 2(a)可知, 铜仁市东部、黔东南州东部、南部和黔南州南部相对而言, 降水负距平值偏小, 其水汽主要来源于日本海峡经华东进入湖南西部输送; 而贵州中部偏西、偏北地区的降水负距平值偏大的主要原因是孟加拉湾的水汽输送偏少造成。也就是说, 2011年汛期, 贵州除东部和南部边缘气象干旱偏轻外, 其余大部分地区气象干旱偏重。

图 6 贵州2011年(a)、2013年(b)汛期700 hPa水汽通量场(矢量, 单位: g·s-1·hPa-1·cm-1)和水汽通量散度场(彩色区, 单位: ×10-8 g ·s-1·cm-2·hPa-1)分布 Fig. 6 Distribution of moisture flux (vector, unit: g·s-1·hPa-1·cm-1) and moisture flux divergence (color areas, unit: ×10-8g ·s-1·cm-2·hPa-1) at 700 hPa in flood period of 2011(a) and 2013(b) in Guizhou

从2013年汛期[图 6(b)] 700 hPa的水汽通量及其散度上可见, 水汽输送辐合区主要分布在菲律宾以东南洋面上、印度-孟加拉国-云南西北部、新疆中西部以及华中-东北, 而辐散区分布在西北太平洋和孟加拉湾-越南-华南、贵州, 贵州西南部-安顺市相对而言辐散较强, 相对历史平均而言, 其水汽辐散距平值在0.2×10-8g ·s-1·cm-2·hPa-1以上。由图 6(b)还可以看出, 从东北-华中-贵州-越南-孟加拉湾北部偏北风输送偏强, 导致孟加拉湾水汽输送偏弱。结合图 2(b)可知, 铜仁市、黔东南州、黔南州、贵阳市南部相对而言, 降水负距平值偏小, 其水汽主要来源于菲律宾附近的输送; 而黔西南州-安顺市-遵义市降水负距平值偏大的主要原因是孟加拉湾和北部湾的水汽输送偏少造成的。也就是说, 2013年汛期, 贵州中部偏西地区比其中部偏东地区气象干旱偏重。

4.4 850hPa水汽输送特征

由2011年汛期[图 7(a)]850 hPa的水汽通量及其散度上可见, 水汽输送辐合区主要分布在印度中部以北、孟加拉湾东北部-越南和四川东部-陕西-内蒙中部, 而辐散区主要分布在西太平洋-华南-贵州, 贵州中部以东南地区辐散距平值达1.2×10-8g ·s-1·cm-2·hPa-1以上, 且贵州南部边缘与广西北部边缘交界地区的辐散距平值高达1.6×10-8g ·s-1·cm-2·hPa-1。由图 7(a)还可以看出, 日本海峡-福建-湖南的偏北风输送偏强, 而孟加拉湾北部的偏南风偏弱, 导致孟加拉湾东北部和南海的水汽输送偏弱。由此可见, 2011年汛期, 贵州大部地区的降水对同期850 hPa的水汽辐散有较好的响应。

图 7 贵州2011年(a)、2013年(b)汛期850 hPa水汽通量场(矢量, 单位: g·s-1·hPa-1·cm-1)和水汽通量散度场(彩色区, 单位: ×10-8g ·s-1·cm-2·hPa-1)分布 Fig. 7 Distribution of moisture flux (vector, unit: g·s-1·hPa-1·cm-1) and moisture flux divergence (color areas, unit: ×10-8g ·s-1·cm-2·hPa-1) at 850 hPa in flood period of 2011 (a) and 2013 (b) in Guizhou

由2013年汛期[图 7(b)] 850 hPa的水汽通量及其散度上可见, 水汽输送辐合区主要分布在孟加拉湾地区、东海和四川东部-陕西-内蒙西部, 而辐散区主要分布在西太平洋-华南-贵州, 贵州黔西南州与黔南州交界地区-安顺市-毕节市辐散距平值达1.2×10-8g ·s-1·cm-2·hPa-1以上。由图 7(b)还可以看出, 从渤海湾-华中-贵州东部-越南、缅甸的偏北风输送偏强, 导致孟加拉湾的水汽输送偏弱。由此可见, 2013年汛期, 贵州黔西南州与黔南州交界地区-安顺市-毕节市的降水对同期850 hPa的水汽辐散有较好的响应。

4.5 边界水汽收支特征

为了更加直观的看出两次气象干旱过程的水汽输送差异和水汽辐合、辐散的分布特征, 下面还计算了2011年和2013年汛期贵州地区四个边界的700 hPa及850 hPa上的水汽收支情况(表 1)。由表 1可见, 除了2013年汛期的700 hPa贵州东边界外, 两次气象干旱过程的贵州东、西边界均为水汽的输出, 从而造成了东西方向上水汽的强烈辐散, 而2013年汛期700 hPa上由于东边界水汽输入异常丰富, 使得该层存在水汽的辐合。在南北方向的水汽收支方面, 两次气象干旱过程截然相反。2011年的气象干旱过程中, 无论是700 hPa还是850 hPa均为水汽的净输入, 但由于东西方向上水汽净输出极为强烈, 使得此次气象干旱过程中贵州总的水汽收支仍以输出为主, 不利于降水的形成, 促使气象干旱事件的发生。而2013年汛期贵州的南北方向的水汽收支存在明显的净输出, 但由于东西方向上700 hPa的水汽净收入, 使得水汽总收支上700 hPa仍以水汽的输入为主, 850 hPa则为水汽的净输出。由此可见, 尽管2013年汛期贵州上空850 hPa的水汽净收支要明显高出2011年, 但由于700 hPa存在一定程度的水汽净输出, 使得2013年汛期贵州的水汽条件相较于2011年要好一些。因此, 2013年汛期气象干旱程度和范围不及2011年。此外还可发现, 在2011年气象干旱过程的水汽收支中, 东西方向的水汽收支起到了重要作用, 而南北方向的水汽收支在2013年的气象干旱过程更为重要一些。

表 1 贵州2011年、2013年汛期700 hPa和850 hPa边界水汽收支统计 Table 1 Statistics of vapor budget in Guizhou boundary at 700 hPa and 850 hPa in 2011 and 2013
5 视水汽汇差别

为了探寻2011和2013年两次汛期内的气象干旱原因, 利用式(2)分别对贵州上空范围做区域平均(两次汛期的区域平均范围相同, 均为100°E—110°E, 24°N—30°N), 分别分析其发展过程中的中低层水汽汇收支状况。

王启祎等(1996)研究发现, 夏季中国华南地区视水汽汇中心北移并加强, 表明该地区的降水正开始加强; 青藏高原东部在冬季视水汽汇为负值(凝结变干), 在夏季为正值表明蒸发或升华导致变湿(Yanai et al, 1992)。从贵州2011和2013年区域(100°E—110°E, 24°N—30°N)平均视水汽汇的垂直分布(图 8)可见, 2011年汛期视水汽汇Q2的数值在950~400 hPa各层均较2013年汛期少, 2011年汛期对流层中低层视水汽汇较小, 说明蒸发或升华变湿的作用较2013年汛期弱, 不利于水汽的涡动垂直输送, 从而不利于降水的发生发展。由此可见, 视水汽汇的差别较为准确地指示出2011年旱情更重的情况。2011年和2013年汛期Q2局地变化项都为负值且差异不大, 主要差异由水平输送项和垂直输送项决定, 在2011年汛期[图 8(a)], 垂直输送项在对流层低层还是保持着客观的正输送, 但水平平流项在750 hPa以下全为负输送。在2013年汛期[图 8(b)], Q2中水平平流项Q2h在850 hPa及以下为负值, 但在700 hPa附近则为可观的正输送, 且2013年汛期垂直输送项Q2w[图 8(b)]也比2011年汛期偏多[图 8(a)], 这就是2013年汛期的气象干旱程度较轻的原因。在950~500 hPa, 2013年汛期垂直输送项Q2w比2011年偏多约0.2 K·(mon)-1, 其水平平流项Q2h比2011年偏多0.4 K·(mon)-1左右。总体来看, 2013年汛期视水汽汇比2011年汛期视水汽汇偏大, 主要是水平平流项Q2h起主要作用。

图 8 2011年(a)和2013年(b)贵州100°E—110°E, 24°N—30°N区域平均视水汽汇的垂直分布及视水汽汇局地变化项Q2t、水平平流项Q2h、垂直输送项Q2w随高度的变化 Fig. 8 The vertical distribution of regionally averaged apparent moist sink over 100°E—110°E, 24°N—30°N and the local change, horizontal advection, vertical transportation of the apparent moist sink in 2011 (a) and 2013 (b)
6 结论与讨论

利用高度场、风场、湿度场、700 hPa水汽通量及其散度场、850 hPa水汽通量及其散度场资料, 较为详细地分析了2011年汛期和2013年汛期的异常环流特征及其异常点, 并结合积温干燥度指数, 进一步对比分析了这两年导致贵州气象干旱的影响因子, 发现2011年和2013年汛期贵州发生的气象干旱事件、干旱时空分布特征及成因存在异同之处, 且视水汽汇的差别准确地反映出2011年汛期干旱程度比2013年更严重的事实。得出主要结论如下:

(1) 贵州2011年汛期平均降水量比历史同期偏少37.8%, 主要是4—5月和7—9月的降水量贡献大; 2013年汛期平均降水量比历史同期偏少24.4%, 主要是7-8月的降水量贡献大。积温干燥度指数真实地反映了贵州各地2011和2013年汛期气象干旱程度。总之, 贵州2011年汛期干旱天气比2013年偏重。

(2) 在2011和2013年贵州汛期的气象干旱事件中, 南亚高压1248 dagpm等值线控制云贵高原中南部以及中南半岛, 其东侧脊点位置在132°E附近, 加上西太副高584 dagpm等值线稳定控制在江苏-湖南-云贵高原, 500 hPa以上各层等压面上的高压配合暖区, 高压中心为下沉运动, 不利于水汽向云贵高原上空输送, 造成了贵州2011和2013年的汛期降水偏少。2011年汛期西太副高强度、面积均比2013年偏强、偏大, 不利于暖湿气流向贵州上空输送, 是造成2011年汛期气象干旱比2013年偏重的主要原因。7月降水量能较好地响应200 hPa层上的南亚高压变化, 2013年7月1258 dagpm等值线位于38°E—110°E、26°N—35°N, 比2011年7月1258 dagpm等值线(78°E—98°E, 27°N—35°N)的面积大得多, 相对应地2013年7月贵州平均降水量(33.7 mm)比2011年7月(65.1 mm)要少得多。

(3) 2011和2013年汛期贵州干旱气候与孟加拉湾东北部进入贵州的偏南风偏弱或从西太平洋进入贵州的偏北风偏强以及700 hPa水汽输送异常减弱有着密切的关系; 贵州除西部地区外, 大部分地区的降水对850 hPa水汽输送有较好的响应。也就是说, 850~700 hPa上的孟加拉湾东北部、北部湾水汽输送偏弱的背景条件是汛期干旱事件的直接因素; 850 hPa的水汽输送不能完全反应出贵州上空的水汽辐合辐散情况, 因为贵州西部地区的海拔大多超过1500 m。此外, 由于2013年贵州上空700 hPa存在一定程度的水汽净输出, 使得该年汛期贵州的水汽条件相较于2011年要好一些, 因此, 2013年汛期干旱程度和范围不及2011年。此外, 两次干旱过程中不同方向的水汽收支作用并不相同, 东西方向的水汽收支在2011年干旱过程中起了重要作用, 而南北方向的水汽收支在2013年的干旱过程中更为重要一些。

值得思考的是, 200 hPa层上, 2011和2013年的汛期南亚高压强度偏强、面积偏大、东侧脊点位置偏东, 云贵高原处于正距平之中, 气流呈下沉运动, 这与陈丹等(2016)研究指出的南亚高压偏强年, 西南地区(包括云贵高原)处于负距平之中, 气流呈上升运动, 有利于南海水汽向西南地区输送的结论不一致, 但与朱乾根等(2007)研究的结果一致。2011年和2013年汛期降水空间分布表现出显著的不同, 2011年降水负距平大值区呈现出西南-东北向分布, 涵盖了黔西南州、六盘水市、安顺市、贵阳市、毕节市东部、遵义市、铜仁市以及黔东南和黔南两州北部; 而2013年降水负距平大值区呈现出南-北向分布, 包括黔西南州东部、黔南州西部、安顺市和毕节市南部。这可能一方面与500 hPa的西太副高强度、面积、位置密切相关, 另一方面, 700 hPa水汽输送偏弱在这两年的显著差异起到了重要作用。2011年是拉尼娜年, 贵州汛期发生严重的气象干旱, 这与陈菊英(2000)研究结果不一致, 而2013年为中性年, 贵州汛期发生较为严重的气象干旱, 这些异常现象的影响因子较复杂, 不仅与大气环流(包括热带、副热带)、夏季风、海温、高原积雪等有关系, 而且与复杂的地形地貌、地理位置也密切相关。另外, 研判一个地区某一时段气象干旱程度, 不能单一用降水量一个因子来衡量; 积温干燥度指数是综合了温度和降水两个因子, 相对而言, 用积温干燥度指数来衡量一个地区某一时段干旱程度要科学、合理些。因此, 影响干旱的因素较多, 其因素之间又存在复杂的联系, 今后需更进一步加以研究。

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Comparison of Circulation Characteristics between Two Typical Dry Years in Flood Period over Eastern Yunnan-Guizhou
CHI Zaixiang1 , HU Yuewen2 , XIA Yang1 , HU Zuheng3 , DU Zhengjing4 , YAN Rui1     
1. Liupanshui Meteorological Station, Liupanshui 553000, Guizhou, China;
2. Guizhou Meteorological Society, Guiyang 550002, Guizhou, China;
3. Chongqing Climate Center, Chongqing 401147, China;
4. Guizhou Meteorological Service Center, Guiyang 550002, Guizhou, China
Abstract: Based on the daily precipitation and temperature data in 2011 and 2013 of 84 meteorological stations in the eastern Yunnan-Guizhou, reanalysis data of NCEP/NCAR and the formula of accumulated temperature drying degree. The basic characteristics and the abnormal circulation of drought disaster in the eastern Yunnan-Guizhou of flood season (April to Sepetember) in 2011 (La Nina) and 2013 (neutral) were analyzed. The results show that the flood season rainfall in 2011 is less than the 2013 with the characteristics of inhomogeneous space-time distribution. The rainfall of April to May, July to Sepetember make an important contribution to the drought in 2011 and July to August in 2013 by comparison, as well as, the index of accumulated temperature drying degree reflects the degree of drought of 2011 and 2013 well. The South Asia High was abnormal stronger, larger area, east ridge point are East is the Common ground of 2011 and 2013, but the intensity and area of Western Pacific Subtropical High in 2011 is stronger than the 2013 which is the important reason that drought in 2011 more severe than 2013. The low layer moisture transport of the bay of Bengal, South China Sea and the Western Pacific were weak than usual is the main reason of scarce precipitation in 2011 and 2013 in the eastern Yunnan-Guizhou precipitation less the main reason, and there is a good corresponding relationship between the precipitation and the water divergence center in the eastern Yunnan-Guizhou. The water vapor transport on 700 hPa play a decisive role in the flood season drought of 2011 and 2013, and the divergence is stronger in 2011 than 2013 which case the severer drought in 2011. The apparent moisture content revealed that the drought in 2011 is more serious than that in 2013. In addition, the 500 hPa circulation field and 700 hPa water vapor transport field have some reference value for the long time forecast of drought and flood in the eastern Yunnan-Guizhou.
Key words: Precipitation in flood period    temperature dryness    South Asia high    subtropical high    water vapor transport    composite analysis