我國西南地區(qū)秋季干濕分類及主要類型異常年環(huán)流特征分析

徐棟夫 李棟梁, 王 慧

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與協(xié)同創(chuàng)新中心，氣象災(zāi)害教育部重點實驗室，南京210044

2 中國氣象局成都高原氣象研究所，成都610071

1 引言

我國是自然災(zāi)害頻發(fā)的國家，災(zāi)害造成的損失十分嚴重，其中干旱最為常見，影響最大。以往我國的干旱主要集中在北方地區(qū)，而近幾年至十幾年，在全球變暖背景下北方旱情繼續(xù)加重的同時，南方地區(qū)也出現(xiàn)了范圍大、持續(xù)時間長的嚴重干旱，如 2006年西南地區(qū)東部夏季干旱及 2009至2010年整個西南地區(qū)發(fā)生的秋、冬、春連旱均造成了巨大的損失，帶來了災(zāi)難性的影響，嚴重威脅到人民正常生活。

我國西南地區(qū)地形獨特，氣候變化敏感，影響該區(qū)域氣候變化的因子也較為復(fù)雜。目前，關(guān)于西南地區(qū)氣候變化的研究已經(jīng)取得了一些有意義的結(jié)果。馬振鋒等（2006）指出，西南地區(qū)氣候變化與全球變暖存在非同步性，其區(qū)域氣候變化也具有非一致性，氣候要素在高海拔地區(qū)比低海拔地區(qū)突變時間早。劉燕等（2002）將西南地區(qū)夏季降水進行了分區(qū)，發(fā)現(xiàn)各區(qū)降水變化存在顯著的差異。楊絢和李棟梁（2008）利用降水量距平百分率對我國干旱氣候分區(qū)，其中西南地區(qū)南部和北部分別被劃分為兩個不同的區(qū)，這也說明了該地區(qū)氣候變化存在區(qū)域非一致性。劉曉冉等（2007，2008）研究表明西南地區(qū)年降水和年平均氣溫存在全區(qū)一致變化和東西相反變化的特征。蔣興文和李躍清（2010）分析了西南地區(qū)冬季降水和氣溫的時空演變特征及其影響因子，結(jié)果表明該地區(qū)冬季氣溫變化也存在全區(qū)一致和東西相反特征，且這些變化與東亞冬季風，西太平洋副熱帶高壓及冷空氣活動的異常有關(guān)；而冬季降水主要表現(xiàn)為全區(qū)一致的變化特征，其變化與北半球環(huán)狀模有關(guān)。關(guān)于西南地區(qū)旱澇成因的研究也取得了一些成果。彭京備等（2007）通過分析 2006年夏季西南地區(qū)高溫干旱的特征及成因，指出西太平洋副熱帶高壓和大陸副熱帶高壓的異?；顒邮沁@次干旱形成的主要原因。李永華等（2009）分析了 2006年夏季西南地區(qū)東部干旱異常的大氣環(huán)流，指出中高緯度環(huán)流及西太平洋副熱帶高壓、西風帶環(huán)流、南亞高壓、低層流場、水汽輸送以及垂直運動等持續(xù)異?？梢詫?dǎo)致該地區(qū)干旱，2006年夏季屬于副高控制性高溫伏旱。李永華等（2011）研究指出高原主體東南部的熱源變化與西南地區(qū)東部夏季降水關(guān)系密切，當夏季青藏高原大氣熱源偏強時，西太平洋副高和南亞高壓脊線位置偏南，東亞夏季風偏弱，同時西南地區(qū)東部水汽輸送增強，西南地區(qū)夏季降水容易偏多。張新主等（2011）從水汽輸送、西風環(huán)流、副高等方面分析了西南地區(qū)2009年秋旱的大氣環(huán)流特征。艾永智等（2012）研究表明，2009年秋季孟加拉灣和南海上空分別出現(xiàn)的異常環(huán)流造成了向西南地區(qū)輸送的水汽減少，導(dǎo)致該地區(qū)的干旱發(fā)生。黃榮輝等（2012）系統(tǒng)地分析了2009年秋至2010年春西南地區(qū)干旱的成因，他們的研究表明熱帶西太平洋、中印半島、孟加拉灣和青藏高原東部大氣環(huán)流的嚴重異常及中高緯度準定常行星波傳播異常造成的北極濤動異常導(dǎo)致了西南地區(qū)持續(xù)性干旱的發(fā)生。

以往西南地區(qū)氣候異常的研究主要側(cè)重于夏季降水異常所引起的旱澇及其成因，對其他季節(jié)的研究相對較少，而且關(guān)于近年來西南地區(qū)干旱的研究大多以個例為主。事實表明，高溫所造成的蒸發(fā)對干旱形成、持續(xù)影響也是非常重要的，因此在研究中考慮降水和氣溫的干濕指標能更好地反映干濕狀況。同時已有研究表明西南地區(qū)的氣候變化是有著區(qū)域非一致性的，那么能否對其進行分類分別研究呢？考慮到西南地區(qū)2009至2010年連旱從秋季開始，且 2009年秋季降水偏少程度和氣溫偏高程度都十分明顯。因此本49239+1.79文計算考慮降水和氣溫的干濕指數(shù)，進而分析西南地區(qū)秋季干濕時空變化特征。根據(jù)干濕變化的主要空間分布，采用相似方法，構(gòu)造綜合相似指數(shù)對西南地區(qū)歷年干濕分布進行分類，并探討干濕分布主要類型異常年的大氣環(huán)流特征。

2 資料與方法

從國家氣象信息中心提供的全國756個測站資料中挑選出西南地區(qū)（四川、云南、貴州、廣西和重慶）97個氣象站點，站點分布在以往的工作中已給出（徐棟夫等，2013）。使用了其1960～2009年的日平均氣溫、日降水量資料。還使用了同期NCEP/NCAR的逐月再分析資料（Kalnay et al.,1996）。本文中的秋季指的是9～11月。

考慮降水和蒸發(fā)的干濕指數(shù)（徐棟夫等，2013），計算公式如下：

其中ΔR、ΔPe分別是月降水量和月潛在蒸發(fā)量的距平（氣候平均值用1960～2009年，50 a），σR、Peσ分別是月降水量和月潛在蒸發(fā)量的均方差。月潛在蒸發(fā)量采用 Thornthwaite方法（Thornthwaite,1948），使用改進的計算方案（Sneyers，1990）。Thornthwaite方法在我國應(yīng)用廣泛，許多學(xué)者利用了該方法來研究我國的干濕變化（馬柱國等，2005；劉曉云等，2012）。

Thornthwaite方法計算潛在蒸發(fā)量的公式如下：

式（2）中，d為每月的天數(shù)除以 30。為月總加熱指數(shù)，為月平均加熱指數(shù)。其中Tj為第j個月的月平均溫度，單位為°C。a1=-4 15.8547，a2= 3 2.2441，a3=-0 .4325，a= 0 .49239+1.792 × 10-2I-7.71× 10-5I2+6.75 × 10-7I3。根據(jù)式（1）、式（2）可得到各月干濕指數(shù)。取 9～11月算術(shù)平均值代表秋季干濕指數(shù)。干濕指數(shù)DWI數(shù)值越大表示越濕潤，數(shù)值越小表示越干旱。

利用建立的西南地區(qū)97站50 a干濕指數(shù)序列，分析了該地區(qū)秋季及9、10、11月干濕時空變化特征。并根據(jù)干濕變化主要模態(tài)的空間分布，采用相似方法對西南地區(qū)近50 a（1960～2009年）干濕分布進行分類，給出了各類干濕出現(xiàn)的概率，分月探討了出現(xiàn)概率較大的幾類干濕異常的大氣環(huán)流特征。

3 西南地區(qū)秋季干濕的時空變化特征

秋季平均（取 97站算術(shù)平均）干濕指數(shù)曲線呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，表明秋季干旱化趨勢顯著，見徐棟夫等（2013）圖2a。從1990年代末至2009年，西南地區(qū)基本上均處于偏干的狀態(tài)，1998年和2009年為近50 a來干旱程度最嚴重的兩年。9、10、11月干濕指數(shù)也均呈現(xiàn)出下降趨勢，而且在近20 a來基本上也是偏干的（圖1，圖中R反映了干濕指數(shù)曲線與各自線性趨勢線的相關(guān)關(guān)系）。9月、10干濕變化與秋季干濕變化較為相似，相關(guān)系數(shù)分別為0.66、0.62；而11月干濕變化則與秋季干濕變化有較大的差別。其中 9月干濕變化波動幅度最大，11月次之，10月變化最?。?0月干旱化趨勢程度最大，11月次之，9月最小?？偟膩碚f，西南地區(qū)秋季是存在干旱化趨勢的。

為了研究西南地區(qū)秋季干濕時空變化特征和為干濕分類提供依據(jù)，本文對其97站秋季及9、10、11月干濕指數(shù)進行了 EOF（Empirical Orthogonal Functions）分析。各時段干濕指數(shù)的前3個模態(tài)均解釋了總方差的50% 以上。且前3模態(tài)滿足North顯著性檢驗（North et al., 1982），可以認為西南地區(qū)干濕變化主要存在這三個模態(tài)。

秋季干濕的時空變化特征在以往工作中已有研究（徐棟夫等，2013），但為了在后面檢驗分類效果時便于進行對比，這里給出了其EOF分析的前3載荷向量（圖2）。

秋季干濕指數(shù)EOF分析LV1（第一載荷向量）呈全區(qū)域一致變化，即存在一致偏濕或偏干的異常特征，該模態(tài)占總方差的38%。南部地區(qū)的值明顯比北部大，說明該地區(qū)旱澇異常較為活躍。PC1（第一模態(tài)時間系數(shù)）表現(xiàn)出明顯的下降趨勢（圖略），1980年代末以前大多為正（偏濕），以后基本為負（偏干）。LV2（第二載荷向量）表現(xiàn)為緯向的偶極型空間分布，零線在105°E左右，西部為正值區(qū)域，東部為負值區(qū)域，該模態(tài)占總方差的12 %。PC2（第二模態(tài)時間系數(shù)）呈現(xiàn)出較為明顯的上升趨勢。該模態(tài)表明，西南地區(qū)存在著東部變干、西部變濕的特征。LV3（第三載荷向量）表現(xiàn)為南、北部干濕相反變化的特征，絕對值大值區(qū)分別在廣西和川東、重慶一帶，該模態(tài)占總方差的7%。PC3（第三模態(tài)時間系數(shù)）呈現(xiàn)下降趨勢，在 21世紀初，波動幅度變大。該模態(tài)表明西南地區(qū)南部變濕、北部變干，且這種變化特征在近十年來是較為明顯的。

圖1 西南地區(qū)1960～2009年干濕指數(shù)序列：（a）9月；（b）10月；（c）11月Fig. 1 Dry-wet index series in Southwest China from 1960 to 2009: (a)September, (b) October, (c) November

秋季分月干濕變化情況與該季類似，這里不再贅述。

4 近50年西南地區(qū)秋季干濕分布的分類及各類干濕出現(xiàn)的概率

通過以上分析可知，西南地區(qū)秋季及 9、10、11月干濕變化均存在全區(qū)一致，東西相反及南北相反的特征。為了能更加細致地認識該地區(qū)干濕變化，本文采用相似方法將近50 a（1960～2009年）歷年秋季及9、10、11月干濕分為了全區(qū)一致偏干型、全區(qū)一致偏濕型、東濕西干型、東干西濕型、南濕北干型、南干北濕型和非典型型，共7類。采用該方法比起直接分析 EOF的分量具有一定的優(yōu)越性，可以將EOF前三種（或其中兩種）分量都較大的年份客觀地進行分類（該年只分為各類型干濕其中特征最為明顯的一種）；且在合成分析，這些年份僅參與其中一種類型異常年的合成，可排除對其他類型異常年合成時的影響。

圖2 西南地區(qū)1960～2009年秋季干濕指數(shù)EOF分析前3載荷向量：（a）第一載荷向量；（b）第二載荷向量；（c）第三載荷向量。陰影區(qū)為載荷向量絕對值大于0.3（通過了α = 0.05顯著性水平檢驗）的區(qū)域，實線為正值，虛線為負值Fig. 2 The loading vector of EOF modes of autumn dry-wet index in Southwest China from 1960 to 2009: (a) first loading vector; (b) second loading vector;(c) third loading vector. The absolute values in the shaded areas are more than 0.3 (represent α = 0.05 significance level), the solid line is positive, the dashed line is negative

4.1 相似方法及綜合相似指數(shù)

相似方法在天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中被廣泛使用，但將其應(yīng)用到氣候要素場上的分類并不多。相似方法中的相似判據(jù)較多，對相似程度衡量的側(cè)重點也不盡相同，大致可以分為“形”相似和“值”相似判據(jù)。常用的“形”相似判據(jù)有相似系數(shù)、Pearson相關(guān)系數(shù)等；常用的“值”相似判據(jù)有絕對距離、歐氏距離、相對歐氏距離等。

為了能較為準確地分辨出干濕分布型，需要一個考慮較為全面的綜合相似指數(shù)。相似系數(shù)不僅能反映兩個場之間“形”相似程度，還能識別出兩個場要素的符號相反或相同，因此采用該系數(shù)作為綜合相似指數(shù)中“形”的部分。相似系數(shù)公式如下：

相似系數(shù)的值在-1與1之間，越接近1，表示兩個場，即向量Xi（場xik）與向量Xj（場xjk）越相似。由于選取的“值”相似判據(jù)的數(shù)量級應(yīng)與所選的“形”相似判據(jù)數(shù)量級相同，因此采用相對歐氏距離作為綜合相似指數(shù)中“值”的部分。相對歐氏距離公式如下：

其中，Eij為歐氏距離，Emax為樣本最大歐氏距離。

式（6）中xkmax和xkmin分別為樣本空間點k上要素歷史最大值和歷史最小值。由式（4）可知，0≤REij≤1，當REij= 0 時，表示最為相似；當REij=1時，表示達到了歷史上最不相似的情況?？紤]到“形”值部分= 1時，表示向量Xi與Xj最為相似，需要對相對歐氏距離REij進行進一步處理。取距離系數(shù)Iij=1 -REij，作為綜合相似指數(shù) “值” 的部分。

“形”部分和“值”部分各取權(quán)重二分之一，構(gòu)成綜合相似指數(shù)Cij：

該指數(shù)與閻惠芳等（2003）定義的指數(shù)類似，但本文構(gòu)造的綜合相似指數(shù)能夠識別出正相似和負相似。Cij的取值范圍為-1至1。Cij越接近1（-1），表示兩個場越正（負）相似；Cij越接近0，表示越不相似。

4.2 西南地區(qū)干濕分布的分類

利用構(gòu)造的綜合相似指數(shù)可以客觀地對近50 a西南地區(qū)干濕分類。以秋季干濕指數(shù)EOF分析的前3 載荷向量X1,i（LV1）、X2,i（LV2）、X3,i（LV3）為典型干濕類型，歷年干濕指數(shù)為X1,j（第一年干濕指數(shù)，以此類推）、X2,j、…、X50,j，分別求出Xi與Xj的綜合相似指數(shù)。求得的綜合相似指數(shù)共三組序列，每組序列50個值。其中，第一組序列為X1,i分別與X1,j、X2,j、…、X50,j的綜合相似指數(shù)C1,ijn（n=1, 2, …, 50），表示了歷年干濕分布與第一類典型干濕類型（LV1)的相似程度；第二組序列為X2,i分別與X1,j、X2,j、…、X50,j的綜合相似指數(shù)C2,ijn(n=1,2,…,50)，表示了歷年干濕分布與第二類典型干濕類型（LV2)的相似程度；第三組序列為X3,i分別與X1,j、X2,j、…、X50,j的綜合相似指數(shù)C3,ijn（n=1,2, …, 50），表示了歷年干濕分布與第三類典型干濕類型（LV3)的相似程度。每一年對應(yīng)有三個綜合相似指數(shù)C1,ijn、C2,ijn、C3,ijn，比較它們絕對值的大小，從而進行分類。具體來說可以分為7類：

（1）若C1,ijn的絕對值最大，且對應(yīng)的相似系數(shù)絕對值大于0.3（通過了α= 0.01顯著性水平檢驗，下同），C1,ijn符號為負，表示該年（第n年，下同）為全區(qū)一致偏干型。

（2）若C1,ijn的絕對值最大，且對應(yīng)的相似系數(shù)絕對值大于0.3，C1,ijn符號為正，表示該年為全區(qū)一致偏濕型。

（3）若C2,ijn的絕對值最大，且對應(yīng)的相似系數(shù)絕對值大于0.3，C2,ijn符號為負，表示該年為東濕西干型。

（4）若C2,ijn的絕對值最大，且對應(yīng)的相似系數(shù)絕對值大于0.3，C2,ijn符號為正，表示該年為東干西濕型。

（5）若C3,ijn的絕對值最大，且對應(yīng)的相似系數(shù)絕對值大于0.3，C3,ijn符號為負，表示該年為南濕北干型。

（6）若C3,ijn的絕對值最大，且對應(yīng)的相似系數(shù)絕對值大于0.3，C3,ijn符號為正，表示該年為南干北濕型。

（7）若C1,ijn、C2,ijn、C3,ijn對應(yīng)的相似系數(shù)絕對值均小于0.3，那么該年為非典型型。

前面分析提到9、10、11月干濕變化同樣也存在全區(qū)一致，東西相反及南北相反的特征，且三個模態(tài)的空間分布與秋季干濕指數(shù)前3載荷向量十分相似。因此可以認為，用秋季干濕指數(shù)前3載荷向量表示9、10、11月干濕變化主要模態(tài)的空間型是合理的?？梢苑謩e用歷年9、10、11月干濕指數(shù)與秋季干濕指數(shù)前3載荷向量求綜合相似指數(shù)Cij，采用同樣的方法對9、10、11月干濕進行分類。為了方便表示，定義全區(qū)一致偏干為A-型，全區(qū)一致偏濕為A＋型；東濕西干為B-型，東干西濕為B＋型；南濕北干為C-型，南干北濕為C＋型；非典型型為D型。各類干濕出現(xiàn)次數(shù)如表1所示。無論是從秋季，還是分月來看，出現(xiàn)A（包括A-和A＋）型干濕的次數(shù)最多，均不低于總數(shù)的1/2；除10月外，A＋型出現(xiàn)的次數(shù)略多于 A-型。B（包括B-和B＋）型干濕出現(xiàn)的次數(shù)約為A型干濕的一半，C（包括 C-和 C＋）型干濕出現(xiàn)的次數(shù)則為 A型干濕的 1/3左右，D型干濕出現(xiàn)的次數(shù)最少。這表明，西南地區(qū)出現(xiàn)全區(qū)偏干（濕）的概率最大，有時會出現(xiàn)東濕（干）西干（濕）和南濕（干）北干（濕），而極少出現(xiàn)非前面幾種類型的情況。

表1 西南地區(qū) 1960～2009年秋季及 9、10、11月各類型干濕發(fā)生的次數(shù)Table 1 The occurrence numbers of various types of autumn, Sep, Oct, and Nov dry-wet condition in Southwest China from 1960 to 2009

為了檢驗所使用的分類方法對干濕分類的效果，選取各類干濕異常年進行合成分析。檢驗該方法是否能體現(xiàn)出各類干濕型的自身特點，是否能清晰分辨出各類干濕型。各類干濕異常年的挑選標準包括兩點：首先該年必須屬于該類的干濕型；其次該類型干濕對應(yīng)的 EOF分析模態(tài)的時間系數(shù)在這一年的絕對值必須要大于一個標準差。滿足這兩個條件的，即選為異常年。以秋季為例，如 2009年秋季屬于A-型，A型干濕對應(yīng)EOF分析第一模態(tài)，該模態(tài)時間系數(shù)（標準化序列）2009年的值為-2.34，絕對值大于一個標準差，選取 2009年為A-型干濕異常年。最終選取出的秋季各類干濕異常年如表2所示。從各類型干濕異常年的合成圖（圖3）來看，該方法能很好地表現(xiàn)出各類干濕型的特征：A-（＋）型異常年全區(qū)一致偏干（濕），且南部偏干（濕）程度明顯大于北部地區(qū)，這與LV1大值區(qū)對應(yīng)一致。B型干濕異常年東、西部干濕相反十分明顯，零線位置、走向均與LV2十分相似，特征明顯。C型干濕異常年呈現(xiàn)出明顯的南、北部干濕相反特征，主要的大值區(qū)在廣西和川東、重慶地區(qū)，并且零線由貴州呈西南走向伸至云南南部，這都與LV3的特征極為相似。D型干濕出現(xiàn)次數(shù)極少（僅1960和1988年），從D型干濕合成圖（圖3 g）來看，干濕區(qū)呈小區(qū)域零星分布，沒有明顯的特點，與其他干濕類型截然不同，能夠清晰地識別出來。此外，還使用相同的方法選取了 9、10、11月各類型異常年，進行了合成分析，也得到了類似的結(jié)果（圖略）。

總體來說，利用綜合相似指數(shù)Cij的分類方法得到的各類干濕型特征顯著，各類型間區(qū)別明顯。該方法對于西南地區(qū)干濕分布的分類是適用的，且效果顯著。

表2 西南地區(qū)1960～2009年秋季各類干濕異常年Table 2 The anomalous years of various types of autumn dry-wet condition in Southwest China from 1960 to 2009

4.3 西南地區(qū)各類型干濕出現(xiàn)的概率

根據(jù)得到的西南地區(qū)干濕分類的結(jié)果，可計算出各類干濕型出現(xiàn)的概率（全區(qū)一致偏干為A-型，全區(qū)一致偏濕為A＋型；東濕西干為B-型，東干西濕為 B＋型；南濕北干為 C-型，南干北濕為C＋型；非典型型為D型）。從表1可知，西南地區(qū)出現(xiàn)A型干濕的概率最大，均不低于50%。除10月外，A＋型出現(xiàn)的概率均大于 A-型。B型干濕出現(xiàn)的概率約為 25%，C型干濕出現(xiàn)的概率約為15%，而D型干濕出現(xiàn)的概率不到10%。此外，本文還給出了9月、10月在已出現(xiàn)特定類型干濕時，下個月出現(xiàn)各類型干濕的概率，即干濕的持續(xù)與轉(zhuǎn)換。如表3、表4所示，當9月已出現(xiàn)A-型時，接下來10月繼續(xù)出現(xiàn)A-型的概率為38%（5/13）；而當9月已出現(xiàn)A＋型時，10月繼續(xù)出現(xiàn)A+型的概率為 35%（6/17）。當 9月已出現(xiàn) B-型時，10月出現(xiàn)A＋型和B-型概率均為40%（2/5）；而當9月已出現(xiàn)B＋型時，10月出現(xiàn)A-型概率也為40%（2/5）。當10月已出現(xiàn)A-型時，11月出現(xiàn) A-型和A＋型的概率均為23%（3/13），略大于其他類型出現(xiàn)的概率；而當10月已出現(xiàn)A＋型時，11月出現(xiàn)A＋型的概率為42%（5/12），出現(xiàn)A-型和B＋型的概率僅為25%（3/12），其他類型出現(xiàn)概率更小。當10月已出現(xiàn)B-型時，11月出現(xiàn)A＋型概率超過55%（5/9）；而當10月已出現(xiàn)B＋型時，11月出現(xiàn)A-型概率為40%（2/5）。

圖3 西南地區(qū)1960～2009年秋季各類型干濕的干濕指數(shù)分布異常年合成：（a）A-型；（b）A+型；（c）B-型；（d）B+型；（e）C-型；（f）C+型；（g）D型。正值區(qū)域為斜杠陰影區(qū)，表明該區(qū)域偏濕；負值區(qū)為實體陰影區(qū)，表明該區(qū)域偏干Fig. 3 Composite patterns of various types of autumn dry-wet condition in Southwest China from 1960 to 2009: (a) A- type; (b) A+ type; (c) B- type;(d) B+type; (e) C- type; (f) C+ type; (g) D type. Forward slash shaded areas represent wet (positive value); solid shaded areas represent dry (negative value)

圖3 （續(xù)）Fig. 3 （Continued）

對于秋季來說，西南地區(qū)最易出現(xiàn)全區(qū)偏干（濕）的情況。從季節(jié)內(nèi)干濕轉(zhuǎn)換來看，全區(qū)偏干或偏濕型（A型干濕）的持續(xù)性不是十分明顯，但對于B型干濕，10月份的東部偏濕區(qū)域則有較大幾率（不低于50%）在下個月擴展到整個西南地區(qū)。

表3 西南地區(qū)9月已出現(xiàn)特定類型干濕時，下個月出現(xiàn)各類干濕的概率Table 3 The probability of all kinds of dry-wet condition occurrence in Oct when particular type of dry-wet condition has happened in Sep

表4 西南地區(qū)10月已出現(xiàn)特定類型干濕時，下個月出現(xiàn)各類干濕的概率Table 4 The probability of all kinds of dry-wet condition occurs in Nov when particular type dry-wet condition has happened in Oct

5 西南地區(qū)秋季干濕分布主要類型異常年的環(huán)流特征分析

干旱通常是某種異常的大氣環(huán)流型持續(xù)發(fā)展和長期維持的結(jié)果。水汽輸送、冷暖空氣的交匯是西南地區(qū)秋季降水形成的重要原因，且冷暖空氣活動還能引起氣溫變化，對干濕異常有重要影響。前面的分析表明A型干濕出現(xiàn)概率最大，B型干濕出現(xiàn)概率僅低于A型，且其東部的偏濕區(qū)域很可能擴展到整個西南地區(qū)，這四類（A-、A＋、B-、B＋型）干濕異常影響重要。下面就分月討論這四類干濕異常的環(huán)流特征。

9、10、11月A型干濕出現(xiàn)次數(shù)的平均值約為28次（共50 a），為了突出異常年的特點，選取A-型、A＋型異常年中異常程度最大（百分位前30%）的各4年進行合成分析。各月異常年選取如表5所示。

表5 西南地區(qū)1960～2009年各月各類干濕異常年Table 5 The anomalous years of various types of Sep, Oct,and Nov dry-wet condition in Southwest China from 1960 to 2009

在A-型（全區(qū)偏干）異常年，9月歐亞大陸中高緯上空500 hPa位勢高度基本上為正距平，我國大部分地區(qū)處于正距平中心區(qū)，在日本東部海面上空有一負距平中心（圖略）。這種距平分布形勢對應(yīng)東亞大槽減弱、位置偏東，不利于引導(dǎo)脊前槽后的冷空氣向南侵入西南地區(qū)引起降溫。西太平洋副高西伸，強度較強。東亞地區(qū)上空100 hPa為位勢高度正距平中心，南亞高壓強度偏強，面積偏大、位置偏東。在我國西南地區(qū)，南亞高壓與西太平洋副高重疊，該地區(qū)受高壓控制，天氣晴朗少雨，氣流下沉增溫。西南地區(qū)秋季的水汽主要來自孟加拉灣和南海，它們在西南地區(qū)匯合成西南—東北向的水汽輸送。在異常年低層700 hPa風場上，在南海和孟加拉灣上空有一異常的氣旋性環(huán)流，導(dǎo)致從南海經(jīng)中南半島和從孟加拉灣輸送至我國西南地區(qū)的暖濕氣流減弱。從整層的水汽輸送上來看，整個西南水汽通道上的水汽輸送都是明顯減弱的，并且在西南地區(qū)有異常的水汽輻散。這種異常環(huán)流形勢不利于冷暖空氣在西南地區(qū)交匯，使得該地區(qū)降水偏少、氣溫偏高，造成了全區(qū)域偏干。10月我國上空100 hPa為位勢高度正距平，南亞高壓強度偏強，面積偏大，其中心位于西南地區(qū)上空（圖4）。歐亞大陸中高緯500 hPa位勢高度距平場呈現(xiàn)出正—負—負距平分布，距平中心分別位于烏拉爾山（＋）、貝加爾湖（-）及北太平洋（-）附近。西太平洋副高強度明顯偏強，并且在西南地區(qū)分裂出一個閉合小高壓（5870 m等位勢高度線）。而南亞高壓與分裂出的小高壓重疊，西南地區(qū)受高壓控制，天氣晴朗少雨。東亞大槽位于兩個負距平中心之間，強度偏弱；同時極區(qū)為正距平中心，極渦強度偏弱，不利于引導(dǎo)脊前槽后的冷空氣向南侵入西南地區(qū)引起降溫。同時我國西南地區(qū)大部分區(qū)域上空存在異常的下沉運動，氣溫下沉增溫，且不利于降水形成。對流層低層700 hPa風場上，南海上空維持著一個非常明顯的異常氣旋環(huán)流，西太平洋上空則出現(xiàn)異常的反氣旋環(huán)流，導(dǎo)致來自南海的暖濕氣流輸送減弱。從整層的水汽輸送來看，從南海輸送至西南地區(qū)的水汽明顯偏弱，同時西南地區(qū)為異常的水汽輻散區(qū)。11月500 hPa位勢高度場上，從極地、中高緯到低緯地區(qū)分別為正—負—正距平控制（圖略）。其中中高緯地區(qū)有兩個負距平中心，分別位于西西伯利亞和阿留申群島附近；而低緯地區(qū)兩個正距平中心則位于波斯灣和我國東部。這種形勢的距平分布使得東亞大槽位置偏東，無法深入到我國南方地區(qū)，同時東亞大槽位于兩個負距平中心之間，等高線曲率相對較小，西風環(huán)流相對常年較為平直，不利于冷空氣侵入我國西南地區(qū)。西太副高強度也是偏強的，且南亞高壓面積偏大，與西太副高重疊。低層700 hPa風場上，南海上空的異常氣旋環(huán)流依然存在，暖濕氣流輸送偏弱。來自孟加拉灣和南海的整層水汽輸送也是偏弱的。

從9月到11月，雖然具體的環(huán)流形勢有所不同，但是關(guān)鍵系統(tǒng)的配置是一致的。東亞大槽偏弱或位置偏東，我國絕大部分地區(qū)為正高度距平，東亞大槽不能深入到我國南方地區(qū)，不利于冷空氣南侵引起降溫；西太平洋副高偏強、西伸，南亞高壓面積偏大，位置偏東，與西太副高重疊，西南地區(qū)長期受高壓控制，天氣晴朗，氣流下沉升溫；南海上空低層一直維持著一個明顯的異常氣旋性環(huán)流，西南地區(qū)位于該異常氣旋環(huán)流的西北側(cè)，暖濕氣流輸送偏弱；西南地區(qū)水汽輸送偏弱且有輻散。這種異常環(huán)流形勢的持續(xù)，將不利于西南地區(qū)冷暖空氣交匯，水汽條件較差，同時西南地區(qū)長期受高壓控制，有異常下沉運動，天氣晴朗少雨，氣溫偏高，使得該區(qū)域持續(xù)干旱。

A＋型（全區(qū)偏濕）異常年環(huán)流特征基本上與A-型相反。東亞大槽加深（9月）或東亞大槽位于兩個正距平中心之間，等高線曲率相對較大（10、11月），經(jīng)向環(huán)流度加強，且我國大部分地區(qū)為負高度距平，這都有利于引導(dǎo)冷空氣南下；南海上空低層維持著一個異常反氣旋環(huán)流，西南地區(qū)的暖濕氣流輸送加強；整層水汽輸送偏強，且有異常的水汽輻合；西太平洋副高整體略微偏弱（9月西太副高雖然西伸，但是較為偏南，有利于其西北側(cè)的暖濕氣流輸送到我國西南地區(qū)），南亞高壓面積偏小，與西太副高基本無重疊（或重疊區(qū)離西南地區(qū)較遠），西南地區(qū)受負位勢高度距平控制。這種異常環(huán)流形勢的維持，將有利于冷空氣南下引起降溫，冷暖空氣在西南地區(qū)交匯，降水偏多、全區(qū)偏濕。

圖4 西南地區(qū)1960～2009年異常年10月距平場（a）A-型（全區(qū)偏干）和（b）A＋型（全區(qū)偏濕）500 hPa位勢高度距平場；（c）A-型和（d）A+型100 hPa位勢高度距平場；（e）A-型和（f）A＋型垂直積分的整層水汽通量距平場（kg m-1 s-1），陰影為整層水汽通量散度距平場（10-5 kg m-2 s-1）（陰影區(qū)為通過α=0.05顯著性水平檢驗的區(qū)域）Fig. 4 The composite anomaly fields in October of anomalous years from 1960 to 2009: (a) A- type and (b) A＋ type 500-hPa geopotential height anomalies;(c) A- type and (d) A＋ type 100-hPa geopotential height anomalies; (e) A- type and (f) A+ type vertically integrated water vapour flux anomalies (kg m-1 s-1), the shaded areas represent the anomalies of vertically integrated water vapour flux divergence (10-5 kg m-2 s-1). In (a)-(d), the shaded areas represent α=0.05 significance level

9、10、11月B型干濕異常年出現(xiàn)的次數(shù)差異較大，出現(xiàn)次數(shù)最多的有8次，最少的只有3次。為了使合成分析時挑選的異常年次數(shù)相同，選取B-型、B+型異常年中異常程度最大的各3年進行合成分析。各月異常年選取如表5所示。從9月到11月，B-型（東濕西干）異常年（圖5），對流層中層500 hPa等壓面上，西南地區(qū)東部維持著異常的上升氣流，氣流上升降溫，且有利于形成降水；而西南地區(qū)西部則存在異常的下沉氣流，氣流下沉升溫不利于產(chǎn)生降水。對流層低層700 hPa等壓面上，西南地區(qū)東部有偏西南風異常，暖濕氣流輸送偏強，水汽充足，有利于降水產(chǎn)生。這種異常的大氣環(huán)流長期維持使得西南地區(qū)東部偏濕、西部偏干。B＋型異常年呈相反的環(huán)流特征，東部偏干、西部偏濕。

圖5 西南地區(qū)1960～2009年異常年10月700 hPa風矢量距平場（m s-1）以及500 hPa垂直運動距平場（陰影，0.01 Pa s-1）：（a）B-型（東濕西干）；（b）B＋型（東干西濕）。深色陰影為上升區(qū)，淺色陰影為下沉區(qū)Fig. 5 The composite anomalies of 700-hPa wind filed (m s-1) and vertical motion anomalies (shaded areas, 0.01 Pa s-1) in October of anomalous years from 1960 to 2009 in Southwest China: (a) B- type; (b) B+ type. Dark shaded areas represent ascending motion, shallow areas represent descending motion

本文還選取秋季季節(jié)內(nèi)全區(qū)一致型干濕持續(xù)典型年和干濕轉(zhuǎn)換典型年，對比分析了其環(huán)流異同特征，發(fā)現(xiàn)典型年份各月環(huán)流形勢與前面合成分析的基本一致，干濕是否持續(xù)或者轉(zhuǎn)換主要與南亞高壓和副高的位置、強度變化以及南海上空低層流場變化（氣旋環(huán)流或反氣旋環(huán)流是否持續(xù)或出現(xiàn)）有關(guān)。以9月到10月為例，選取9月、10月干濕異常年，在其中找出干濕持續(xù)或轉(zhuǎn)換的年份進行分析，干濕異常年的選取詳見4.2節(jié)。選取的A-型持續(xù)年：2009年（9、10月均為A-型）；A-型轉(zhuǎn)換年：1963年（9月A-型，10月A＋型）。

2009年，全區(qū)偏干持續(xù)年。9月到10月，南亞高壓面積偏大，強度偏強；西太平洋副高西伸，強度偏強，南亞高壓與西太副高在我國西南地區(qū)重疊，西南地區(qū)受高壓控制。在南海上空有異常的氣旋性環(huán)流，來自南海的暖濕氣流輸送減弱（圖略）。西南地區(qū)長期受高壓控制，有異常下沉運動，水汽條件較差，天氣晴朗少雨，氣溫偏高，使得該區(qū)域干旱持續(xù)。

1963年，全區(qū)偏干型轉(zhuǎn)換年。9月南亞高壓面積偏大，強度偏強，西南地區(qū)100 hPa等壓面上為正高度距平場中心。但西太平洋副高強度略微偏強，位置變化不大，而東亞大槽位于兩個負距平中心之間，等高線曲率相對較小，西風環(huán)流相對常年較為平直，不利于冷空氣侵入我國西南地區(qū)。南海上空低層未出現(xiàn)氣旋性環(huán)流，但來自孟加拉灣的暖濕氣流偏少。這不利于冷暖空氣在西南地區(qū)交匯，使得西南地區(qū)9月偏干。10月南亞高壓面積偏小，強度偏弱。西太平洋副高強度偏弱，西南地區(qū)上空100 hPa和500 hPa等壓面上均為負距平中心。南海上空低層700 hPa上有異常的反氣旋環(huán)流，使得來自南海的暖濕氣流偏強，水汽輸送偏多（圖略）。這種異常環(huán)流形勢將有利于冷空氣南下引起降溫，冷暖空氣在西南地區(qū)交匯，降水偏多、全區(qū)偏濕。

對比全區(qū)偏干持續(xù)年與干濕轉(zhuǎn)換年的環(huán)流形勢，可以發(fā)現(xiàn)，若南亞高壓面積偏大、強度偏強，且西太平洋副高西伸，同時南海低層上空有異常的氣旋環(huán)流，那么，全區(qū)偏干將持續(xù)到下個月。若僅南亞高壓面積偏大、強度偏強，但西太平洋副高較常年變化不大，且南海上空未出現(xiàn)異常的氣旋性環(huán)流，那么干濕將很可能發(fā)生轉(zhuǎn)換。

6 結(jié)論與討論

（1）西南地區(qū)存在顯著的干旱化趨勢，且這種干濕變化主要表現(xiàn)為 3個類型（模態(tài)），即干濕全區(qū)一致變化、東西相反變化和南北相反變化。其對應(yīng)的時間系數(shù)表明，西南地區(qū)秋季在 1980年代末以前偏濕，1990年代末以后明顯偏干，且東部、北部變干的程度相對較大。

（2）采用相似方法，構(gòu)造了綜合相似指數(shù)對干濕進行分類。根據(jù)干濕變化主要模態(tài)的空間型，利用該指數(shù)將 1960～2009歷年秋季及 9、10、11月干濕分布分為了全區(qū)一致偏干型（A-）、全區(qū)一致偏濕型（A＋）、東濕西干型（B-）、東干西濕型（B＋）、南濕北干型（C-）、南干北濕型（C＋）和非典型型（D），共7類。通過對分類結(jié)果的檢驗表明，該指數(shù)對西南地區(qū)干濕的分類效果較好。

（3）分類結(jié)果表明，全區(qū)干濕一致型出現(xiàn)的次數(shù)最多（不低于50%），東西相反型次之（約25%），南北相反型較少（約 15%），而出現(xiàn)非典型型次數(shù)極少（不足 10%）。從給出的 9、10、11月各類型干濕發(fā)生的概率來看，全區(qū)偏干（濕）的持續(xù)性較差，在下個月出現(xiàn)干濕類型轉(zhuǎn)換的概率不確定。但10月份的東部偏濕區(qū)有較大幾率（不低于50%）在下個月擴展到整個區(qū)域。

（4）全區(qū)偏干（濕）型和東濕（干）西干（濕）型異常的大氣環(huán)流特征明顯，不同類型異常的環(huán)流形勢可導(dǎo)致西南地區(qū)秋季干濕的持續(xù)或轉(zhuǎn)型。全區(qū)偏干型異常年，東亞大槽偏弱或偏東，我國絕大部分地區(qū)為正位勢高度距平，冷空氣南侵困難；南海上空低層維持著一個異常的氣旋環(huán)流，西南地區(qū)暖濕氣流輸送偏弱；整層水汽輸送偏弱，且有異常的水汽輻散；西太平洋副高偏強、西伸，南亞高壓面積偏大，與西太副高重疊，西南地區(qū)長期受高壓控制。這種異常環(huán)流形勢的維持，將不利于冷暖空氣在西南地區(qū)交匯，水汽條件較差，天氣晴朗少雨，氣溫偏高，使得該區(qū)域持續(xù)干旱。偏濕型異常年則基本呈相反的環(huán)流特征。東濕（干）西干（濕）型異常則和該地區(qū)東、西部上空異常的垂直運動和東部低層的南、北風異常有關(guān)。

（5）西南地區(qū)氣候獨特，影響系統(tǒng)較多。本文僅從大氣環(huán)流的角度探討了西南地區(qū)干濕異常的成因，而對該地區(qū)干濕變化的深入認識，特別是對干濕轉(zhuǎn)換所對應(yīng)的環(huán)流轉(zhuǎn)換還需要從外強迫因子來進行分析。

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