1990年以來重慶秋季年代際干旱及其可能成因

曾剛,武英嬌,張顧煒,3,倪東鴻,董新寧

(1.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;

2.氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;

3.大連市氣象局,遼寧 大連 116000;4.重慶市氣候中心,重慶 401147)

1990年以來重慶秋季年代際干旱及其可能成因

曾剛1,2,武英嬌1,張顧煒1,3,倪東鴻1,董新寧4

(1.南京信息工程大學(xué) 氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044;

2.氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044;

3.大連市氣象局,遼寧 大連 116000;4.重慶市氣候中心,重慶 401147)

摘要：采用1961—2012年重慶地區(qū)30站降水和氣溫資料、NCEP/NCAR全球大氣再分析資料、NOAA海表溫度資料等,基于由降水和氣溫計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI),對(duì)重慶地區(qū)秋季干旱的年代際變化特征及其可能原因進(jìn)行了研究。觀測(cè)結(jié)果表明,重慶秋季SPEI的變化特征主要表現(xiàn)為全區(qū)一致變化型,且在1989年發(fā)生了年代際突變,突變后(前)為偏旱(澇)期。熱帶東印度洋—西太平洋和北大西洋的海表溫度年代際升高對(duì)重慶秋季年代際干旱具有重要作用,熱帶東印度洋—西太平洋為關(guān)鍵海區(qū),北大西洋為次關(guān)鍵海區(qū)。熱帶東印度洋—西太平洋關(guān)鍵海區(qū)的海表溫度異常影響重慶秋季年代際干旱的可能機(jī)制為:當(dāng)該區(qū)海表溫度秋季年代際增暖時(shí),西北太平洋副熱帶高壓位置西伸北抬、面積偏大、強(qiáng)度增強(qiáng),重慶地區(qū)位勢(shì)高度升高,孟加拉灣南支槽減弱,不利于水汽從孟加拉灣向重慶地區(qū)輸送,同時(shí)赤道地區(qū)存在異常上升運(yùn)動(dòng),使得區(qū)域Hadley環(huán)流增強(qiáng),重慶地區(qū)為異常下沉區(qū),由此導(dǎo)致重慶地區(qū)年代際干旱。北大西洋次關(guān)鍵海區(qū)的海表溫度異常影響重慶秋季年代際干旱的可能機(jī)制為:當(dāng)該區(qū)海表溫度秋季年代際增暖時(shí),西北太平洋副熱帶高壓偏北,重慶地區(qū)位勢(shì)高度升高且有異常下沉運(yùn)動(dòng),從而導(dǎo)致重慶地區(qū)年代際干旱。上述觀測(cè)結(jié)果由應(yīng)用NCAR CAM5.1全球大氣環(huán)流模式進(jìn)行的關(guān)鍵海區(qū)海表溫度年代際變化敏感性試驗(yàn)得到驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù);重慶;秋季干旱;年代際變化;機(jī)制

中圖分類號(hào)：

文章編號(hào)：1674-7097(2015)05-0620-13P462.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼：A

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150130003

Abstract:Based on the precipitation and temperature data of 30 observation stations in Chongqing,NCEP/NCAR reanalysis data and NOAA ERSST v3b during 1961—2012,this study uses the standardized precipitation evapotranspiration index(SPEI) computed by temperature and precipitation data to discuss the interdecadal variability feature of autumn drought in Chongqing and its possible causes.Observational results show that main distribution of Chongqing autumn SPEI is in the same phase and its interdecadal shift happens in 1989.After(before) this shift,Chongqing gets drier(wetter) than normal.It is also found that the tropical eastern Indian Ocean and western Pacific(EIWP) and the North Atlantic (NA) are both key areas,where the interdecadal increases of sea surface temperature anomaly(SSTA) play important roles in interdecadal autumn drought in Chongqing,and EIWP is more important than NA.Their possible mechanisms of effect of SSTA in the two key areas on the interdecadal autumn drought in Chongqing are investigated.When autumn SST in EIWP is warmer than normal on interdecadal time-scale,the northwestern Pacific subtropical high(NWPSH) will get larger and stronger than usual,and extend westward and northward,resulting in higher geopotential heights over Chongqing and weaker south branch trough(SBT) over the Bay of Bengal.These circulation anomalies will be not favorable to water vapor transport from the Bay of Bengal to Chongqing.There exists an anomalous upward motion around the key area,inducing an enhanced regional Hadley cell across Chongqing,and then an anomalous downward motion controls Chongqing,resulting in the interdecadal drought.When autumn SSTA in NA is warmer than normal on interdecadal time-scale,the NWPSH will extend northward,resulting in higher geopotential heights and an anomalous downward motion over Chongqing,which causes the interdecadal drought.The above observational results are verified by the sensitive experiments on effect of SSTA in the two key areas on the interdecadal drought,which are conducted by NCAR CAM5.1(Community Atmosphere Model 5.1).

收稿日期：2013-06-20；改回日期：2013-12-10

基金項(xiàng)目:公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY200906009);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

通信作者：智協(xié)飛，博士，博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)閿?shù)值預(yù)報(bào)、季風(fēng)動(dòng)力學(xué)及短期氣候預(yù)測(cè),zhi@nuist.edu.cn.

Interdecadal autumn drought in Chongqing and

its possible cause since 1990

ZENG Gang1,2,WU Ying-jiao1,ZHANG Gu-wei1,3,NI Dong-hong1,DONG Xin-ning4

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China;

2.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China;

3.Dalian Meteorological Bureau,Dalian 116000,China;4.Chongqing Climate Center,Chongqing 401147,China)

Key words:standardized precipitation evapotranspiration index;Chongqing;autumn drought;interdecadal variability;mechanism

0引言

IPCC第五次氣候變化評(píng)估報(bào)告(IPCC,2013)指出,從1880年至2012年全球地表溫度上升了0.85 ℃(0.65～1.06 ℃),這種全球性的氣候變暖導(dǎo)致極端天氣氣候事件頻繁發(fā)生,給許多國(guó)家的水資源、能源和環(huán)境等帶來了重要影響。干旱也是重慶地區(qū)的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一,2006、2009、2011年重慶地區(qū)均發(fā)生了嚴(yán)重干旱,造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響(劉銀峰等,2009;李澤明等,2014)。而且,重慶地區(qū)的干旱事件自21世紀(jì)以來進(jìn)入了近50 a來最顯著的高發(fā)期(李永華等,2006,2008;胡豪然和李躍清,2010)。因此,加強(qiáng)對(duì)重慶地區(qū)干旱特征及其成因研究,有利于提高重慶地區(qū)干旱的預(yù)測(cè)水平,為政府防災(zāi)減災(zāi)決策提供科學(xué)依據(jù),具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

許多研究表明,造成重慶地區(qū)干旱的原因很多,其中影響該地區(qū)夏季干旱的大氣環(huán)流系統(tǒng)主要有西北太平洋副熱帶高壓、南支槽、Hadley環(huán)流等(李躍清,2000;馬振鋒,2002,2003;劉德等,2005;李永華等,2009,2010,2012,2013;劉銀峰等,2009;尹晗和李耀輝,2013;陳歡等,2014;李澤明等,2014;張?zhí)煊畹?2014)。赤道東太平洋海溫以及青藏高原積雪等外強(qiáng)迫因子對(duì)重慶夏季干旱也有重要影響(彭加毅等,1999;鄒旭愷和高輝,2007)。最近的研究表明,20世紀(jì)90年代以后,重慶地區(qū)秋季干旱頻繁發(fā)生(Yu et al.,2014)。王斌和李躍清(2010)指出,南支槽偏弱及整層水汽輸送偏弱是導(dǎo)致我國(guó)西南地區(qū)2009—2010年秋冬季干旱發(fā)生的主因。沙天陽等(2013)認(rèn)為,當(dāng)蘇門答臘—西太平洋和東太平洋海溫呈現(xiàn)“+-”異常分布時(shí),引起大氣熱源異常從而加強(qiáng)Hadley環(huán)流,重慶地區(qū)秋季會(huì)出現(xiàn)干旱的情況。黃榮輝等(2012)認(rèn)為,熱帶西太平洋和熱帶印度洋的升溫對(duì)西南地區(qū)2009年秋季到2010年春季的干旱有重要作用。Zhang et al.(2013)指出,暖池型厄爾尼諾對(duì)西南地區(qū)2009年秋季特大干旱有直接影響。綜上所述,西北太平洋副熱帶高壓、南支槽和Hadley環(huán)流等是影響重慶地區(qū)干旱的主要大氣環(huán)流系統(tǒng),而熱帶洋面的海表溫度異常也是導(dǎo)致重慶干旱的重要因素。

衡量干旱程度通常采用干旱指標(biāo),目前應(yīng)用較為廣泛的干旱指標(biāo)有Palmer干旱指數(shù)(PDSI;Palmer,1965)、相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)(M;Richard and Heim,2002)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI;McKee et al.,1993)、Z指數(shù)(鞠笑生等,1997)以及區(qū)域旱澇指數(shù)(譚桂容等,2002)等。上述指數(shù)除PDSI外只包含降水一個(gè)因素,因而在全球變暖大背景下很難全面地表征干旱程度。PDSI雖兼顧降水、蒸發(fā)等多種因素(王越等,2007),但存在適用區(qū)域有限等問題(Palmer,1968)。Vicente-Serrano et al.(2010)在SPI的基礎(chǔ)上引入潛在蒸散項(xiàng),構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI);SPEI融合了SPI和PDSI的優(yōu)點(diǎn),很好地考慮了溫度因素,能更敏感地反映氣候變暖對(duì)干旱化的影響。而且,SPEI在中國(guó)西南地區(qū)具有較好的適用性(王林和陳文,2012)。因此,SPEI是目前能夠在西南地區(qū)適用的一個(gè)較為先進(jìn)和全面的干旱指標(biāo)。

綜上所述,前人研究重慶地區(qū)干旱多集中在夏季,對(duì)秋季干旱的研究還較少。而且,年代際氣候變化是月、季、年氣候變化的背景,也影響著更長(zhǎng)時(shí)間尺度的氣候變化(江志紅和屠其璞,2001)。因此,研究重慶地區(qū)秋季干旱的年代際變化特征及其可能成因,對(duì)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)該地區(qū)秋季干旱具有十分重要的意義。

本文將基于標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI),首先利用觀測(cè)資料分析重慶秋季干旱的年代際變化特征及其對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流特征,然后研究海表溫度異常對(duì)重慶秋季干旱年代際變化的影響,最后應(yīng)用NCAR CAM5.1全球大氣環(huán)流模式進(jìn)行敏感性數(shù)值試驗(yàn),并與觀測(cè)分析結(jié)果作對(duì)比,確定關(guān)鍵海區(qū)及其海表溫度年代際異常對(duì)重慶秋季年代際干旱的影響機(jī)制。本文研究結(jié)果可為重慶秋季干旱監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)提供一定的參考依據(jù)。

1資料、方法及模式

所用資料有:1)重慶地區(qū)30個(gè)氣象站的逐月降水和氣溫資料(由重慶市氣象局提供),站點(diǎn)分布如圖1a所示;2)NCEP/NCAR逐月再分析資料集,包括位勢(shì)高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、垂直速度場(chǎng)和比濕場(chǎng)等,水平分辨率為2.5°×2.5°(Kalnay et al.,1996);3)NOAA提供的ERSST v3b資料,水平分辨率為2.0°×2.0°(Smith et al.,2008);4)中國(guó)國(guó)家氣候中心提供的74項(xiàng)環(huán)流指數(shù)。所有資料時(shí)間范圍均取1961—2012年,并采用1971—2000年30 a平均值作為氣候平均態(tài),且秋季指當(dāng)年9—11月。

所用方法有:經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF)、Mann-kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)、T檢驗(yàn)、相關(guān)分析和合成差值分析等方法(魏鳳英,2007)。SPEI的等級(jí)劃分見表1。臺(tái)站資料主要用于計(jì)算SPEI,計(jì)算過程詳見Vicente-Serrano et al.(2010)。

圖1　重慶30個(gè)氣象站(圓點(diǎn))秋季SPEI的EOF第一模態(tài)的空間分布(a)及其時(shí)間系數(shù)(b)Fig.1　(a)Eigenvectors and (b)time coefficients of the first EOF mode of autumn SPEI from 30 stations (dots) in Chongqing

表1　基于標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(SPEI)的干旱等級(jí)(Vicente-Serrano et al.,2010)

本文數(shù)值試驗(yàn)使用美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)2011年研制發(fā)布的CAM5.1全球大氣環(huán)流模式,該模式是NCAR通用地球系統(tǒng)模式(Community Earth System Model 1.0.4,CESM1.0.4)的大氣模塊。CAM5.1的物理參數(shù)化方案相對(duì)于之前的版本有了實(shí)質(zhì)性修改,如:更新了濕邊界層和淺積云對(duì)流方案,改進(jìn)了對(duì)低云的模擬等(Neale et al.,2012)。本文試驗(yàn)均采用模式的T42水平分辨率,即緯向均勻分布128個(gè)格點(diǎn),經(jīng)向分布64個(gè)格點(diǎn),垂直方向共30層,采用σ-p混合坐標(biāo);使用模式自帶的真實(shí)地形、海陸分布等邊界條件。為與NCEP/NCAR再分析資料作比較,所有試驗(yàn)結(jié)果均采用雙線性插值方法處理成2.5°×2.5°水平網(wǎng)格資料。

2重慶秋季干旱的年代際變化特征

采用重慶地區(qū)30個(gè)氣象站的1961—2012年月平均氣溫和降水資料,計(jì)算得到這些站的秋季SPEI場(chǎng),并依此進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(EOF)分析。重慶地區(qū)SPEI的EOF第一模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率為52.47%,其空間分布(圖1a)顯示重慶地區(qū)全區(qū)特征值符號(hào)一致,表明該模態(tài)為全區(qū)一致變化型。圖1b為EOF第一模態(tài)的時(shí)間系數(shù)序列(柱狀條),可以看出序列在1990年之前多為正值,而在1990年以后多為負(fù)值;其11 a滑動(dòng)平均曲線(代表年代際變化)顯示該序列在1989年前后發(fā)生了年代際變化,由正轉(zhuǎn)負(fù)。因此,綜合重慶秋季SPEI的EOF第一模態(tài)特征值分布及其時(shí)間系數(shù)變化,可知其變化特征主要表現(xiàn)為全區(qū)一致型,且在1990年以后為年代際偏旱情況。

因?yàn)橹貞c秋季SPEI的EOF第一模態(tài)主要表現(xiàn)為全區(qū)一致型,且其方差貢獻(xiàn)率超50%,所以可將該區(qū)域內(nèi)30站秋季SPEI的平均值作為重慶秋季SPEI值。圖2a為重慶秋季SPEI隨時(shí)間的變化,可以看出:重慶SPEI呈顯著下降趨勢(shì),20世紀(jì)90年代之后該地區(qū)秋季多為干旱;其中,2009年SPEI指數(shù)最小(-1.51),為近50 a中最干旱的年份,這與采用其他干旱指標(biāo)研究的結(jié)論(王斌和李躍清,2010;黃榮輝等,2012;王曉敏等,2012)一致。對(duì)重慶秋季SPEI做Mann-Kendall突變檢驗(yàn)(圖2b),結(jié)果表明重慶秋季SPEI在1989年發(fā)生了年代際突變,由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值,即由偏澇期轉(zhuǎn)為偏旱期,與前文EOF第一模態(tài)時(shí)間系數(shù)的時(shí)間轉(zhuǎn)變點(diǎn)及其變化特征較一致。

圖2　1961—2012年重慶秋季SPEI的時(shí)間序列(a;實(shí)線為11 a滑動(dòng)平均)及其Mann-Kendall檢驗(yàn)結(jié)果(b;虛線表示0.05的顯著性水平線)Fig.2　(a)Time series of Chongqing autumn SPEI during 1961—2012(solid line is 11-yr moving average) and (b)its Mann-Kendall test result(dashed lines indicate 0.05 significance level)

3重慶秋季年代際干旱對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流特征

由于大氣環(huán)流異常是天氣氣候異常的直接原因,所以有必要對(duì)重慶秋季年代際干旱對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流特征進(jìn)行分析。根據(jù)重慶秋季SPEI的年代際突變年1989年,取1961—1989年為偏澇期,1990—2012年為偏旱期;重點(diǎn)分析西北太平洋副熱帶高壓、孟加拉灣南支槽、水汽輸送、垂直運(yùn)動(dòng)和區(qū)域Hadley環(huán)流等在重慶秋季偏旱期和偏澇期的大氣環(huán)流特征。下面討論偏旱期和偏澇期環(huán)流場(chǎng)差值分布時(shí),均指偏旱期減偏澇期。

利用國(guó)家氣候中心提供的西北太平洋副熱帶高壓各項(xiàng)特征指數(shù)以及由王斌和李躍清(2010)定義的南支槽強(qiáng)度指數(shù),即500 hPa上85～95°E、20～27.5°N范圍內(nèi)高度值之和為南支槽強(qiáng)度指數(shù)(指數(shù)越大,槽越弱),與重慶秋季SPEI做相關(guān)分析,得到表2。由表2可見,重慶秋季SPEI與西北太平洋副熱帶高壓的面積、強(qiáng)度和西伸脊點(diǎn)(西伸脊點(diǎn)值為經(jīng)度,值越小,越偏西)等指數(shù)都有很好的相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)均通過0.05信度的顯著性檢驗(yàn),其中與面積指數(shù)、強(qiáng)度指數(shù)的相關(guān)系數(shù)通過0.01信度的顯著性檢驗(yàn))。重慶秋季SPEI與南支槽強(qiáng)度指數(shù)呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)通過0.01信度的顯著性檢驗(yàn))。因此,當(dāng)西北太平洋副熱帶高壓位置偏西、面積偏大、強(qiáng)度偏強(qiáng)以及南支槽偏弱時(shí),重慶秋季SPEI偏低,易發(fā)生干旱。

圖3a給出了秋季500 hPa高度場(chǎng)在偏旱期和偏澇期的差值分布以及西北太平洋副熱帶高壓體(取586 dagpm等值線所包圍的反氣旋范圍來代表)的變化。相對(duì)于偏澇期,偏旱期在孟加拉灣南支槽區(qū)為顯著正高度差值區(qū)域(通過0.05信度的顯著性檢驗(yàn)),南支槽強(qiáng)度偏弱,表明從孟加拉灣向重慶地區(qū)的水汽輸送強(qiáng)度減弱,易使重慶地區(qū)的水汽匱乏。同時(shí),西北太平洋副熱帶高壓面積偏大、西伸北抬明顯,重慶地區(qū)位于顯著正高度差值區(qū)域(通

表2　1961—2012年秋季重慶SPEI與西北太平洋副熱帶高壓、南支槽、區(qū)域Hadley強(qiáng)度等指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

注：1)表示通過0.01信度的顯著性檢驗(yàn);2)表示通過0.05信度的顯著性檢驗(yàn).

圖3　500 hPa上586 dagpm等值線在秋季偏旱期(實(shí)線)、偏澇期(虛線)的合成分布以及這兩個(gè)時(shí)期的500 hPa高度差值場(chǎng)(陰影區(qū),單位:dagpm)(a)、秋季1 000 hPa至100 hPa整層水汽輸送差值場(chǎng)(b;箭矢,單位:kg·m-1·s-1)以及500 hPa垂直速度差值場(chǎng)(c;等值線,單位:10-2 Pa·s-1;實(shí)線為正值、表示下沉,虛線為負(fù)值、表示上升)(差值場(chǎng)為偏旱期減偏澇期;陰影區(qū)表示通過0.05信度的顯著性檢驗(yàn);深色表示顯著正差值,淺色表示顯著負(fù)差值)Fig.3　(a)Composite isolines of 586 dagpm at 500 hPa in the drought years(solid line) and the flood years(dashed line),with 500 hPa geopotential height differences(shadings;units:dagpm),(b)water vapor transport differences from 1 000 hPa to 100 hPa(arrows;units:kg·m-1·s-1),and (c)500 hPa vertical velocity differences(contours;units:10-2 Pa·s-1;solid(dashed) line is positive(negative) value,denoting downward(upward) motion)(the differences are drought minus flood;dark(light) shaded areas indicate significant positive(negative) anomalies exceeding 0.05 significance level)

過0.05信度的顯著性檢驗(yàn)),其上空易為反氣旋性環(huán)流異常,使得該地區(qū)降水偏少、氣溫偏高。

圖3b為偏旱期與偏澇期的1 000 hPa至100 hPa整層水汽輸送差值場(chǎng)分布?？梢?相對(duì)于偏澇期,偏旱期在西北太平洋存在一個(gè)氣旋性水汽輸送差值環(huán)流,重慶地區(qū)存在偏北水汽輸送差值,而在氣候平均以及偏澇期、偏旱期的整層水汽圖(圖略)上,西北太平洋—中國(guó)南部都是反氣旋性水汽輸送環(huán)流,因此,偏旱期從孟加拉灣向重慶地區(qū)的水汽輸送,比氣候平均及偏澇期的水汽輸送都明顯偏弱。

對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生降水的基本條件之一,下面分析偏旱期和偏澇期的500 hPa垂直速度分布。重慶秋季偏旱(偏澇)期垂直速度合成顯示,重慶地區(qū)為下沉(上升)運(yùn)動(dòng)(圖略)。圖3c給出了偏旱期與偏澇期的500 hPa垂直速度的差值分布?？梢?重慶地區(qū)處在顯著的差值下沉區(qū)附近,下沉運(yùn)動(dòng)不利于水汽輻合上升,從而導(dǎo)致該地區(qū)降水減少。

圖4為沿105～112.5°E平均的經(jīng)圈環(huán)流差值場(chǎng)。相對(duì)于偏澇期,偏旱期在赤道附近存在差值上升運(yùn)動(dòng),而在重慶地區(qū)(30°N附近)則存在差值下沉運(yùn)動(dòng),表明從赤道附近到重慶地區(qū)存在一個(gè)增強(qiáng)的區(qū)域Hadley環(huán)流。將該區(qū)域Hadley環(huán)流的下沉支(25～35°N)500 hPa垂直速度減去上升支(0°～5°N)500 hPa垂直速度,并用其差值表示區(qū)域Hadley強(qiáng)度指數(shù),正(負(fù))值表示區(qū)域Hadley環(huán)流增強(qiáng)(減弱)。計(jì)算表明,1961—2012年區(qū)域Hadley強(qiáng)度指數(shù)與重慶秋季SPEI的相關(guān)系數(shù)為-0.360(表2),通過0.01信度的顯著性檢驗(yàn),表明它們之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,即區(qū)域Hadley環(huán)流增強(qiáng),重慶地區(qū)受下沉運(yùn)動(dòng)控制,秋季易發(fā)生干旱。

圖4　經(jīng)向垂直環(huán)流差值場(chǎng)沿105～112.5°E平均的緯度—高度剖面(偏旱期減偏澇期;陰影區(qū)表示通過0.05信度的顯著性檢驗(yàn);垂直風(fēng)速單位:10-2 Pa·s-1,經(jīng)向風(fēng)速單位:m·s-1)Fig.4　Latitude-pressure section of vertical circulation differences averaged from 105 to 112.5°E(drought minus flood;shaded areas denote the anomalies passing 0.05 significance level;units of vertical and meridional wind velocities are 10-2 Pa·s-1 and m·s-1,respectively)

因此,相對(duì)于偏澇期,偏旱期西北太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度偏強(qiáng)、面積偏大、位置西伸北抬明顯,重慶地區(qū)上空為顯著正高度差值區(qū)域,孟加拉灣南支槽偏弱,向重慶地區(qū)的水汽輸送強(qiáng)度減弱,且重慶地區(qū)處在顯著的差值下沉區(qū)附近,從而使該區(qū)降水偏少、氣溫偏高,易發(fā)生干旱。

4海表溫度異常對(duì)重慶秋季年代際干旱的影響

研究表明,熱帶西太平洋、熱帶印度洋、北大西洋的升溫以及暖池型厄爾尼諾對(duì)西南地區(qū)干旱具有重要作用(黃榮輝等,2012;Tian and Fan,2013;Zhang et al.,2013)。海表溫度作為重要的外強(qiáng)迫因子,對(duì)大氣環(huán)流異常具有重要影響(楊修群和黃士松,1993),因此有必要探尋影響重慶秋季干旱年代際變化的關(guān)鍵海區(qū)。

將重慶秋季SPEI與同期全球海表溫度(Sea Surface Temperature,SST)做相關(guān)分析,發(fā)現(xiàn)在熱帶東印度洋—西太平洋(圖5a)和北大西洋(圖5b)都存在通過0.05信度顯著性檢驗(yàn)的負(fù)相關(guān)區(qū)。將熱帶東印度洋—西太平洋上(75～150°E,10°S～10°N)區(qū)域標(biāo)為Ⅰ區(qū),北大西洋上(10～65°W,10～40°N)區(qū)域標(biāo)為Ⅱ區(qū)。圖6a—c分別給出了秋季Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)區(qū)域平均的海表溫度異常(SST Anomaly,SSTA)及重慶SPEI隨時(shí)間的變化。Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的SSTA均與重慶SPEI有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)分別為-0.379和-0.278,且分別通過0.01和0.05信度的顯著性檢驗(yàn)),表明當(dāng)同期秋季這兩個(gè)海區(qū)海表溫度偏高時(shí),重慶秋季SPEI偏低,易出現(xiàn)干旱。同時(shí)可發(fā)現(xiàn),兩區(qū)的海表溫度都在20世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)增暖,1985年以后海表溫度距平多為正值,與重慶秋季年代際干旱有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,說明Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)海表溫度年代際升高(降低)與重慶秋季年代際干旱(洪澇)存在密切聯(lián)系。

圖5　1961—2012年重慶秋季SPEI與同期秋季熱帶東印度洋—西太平洋(a)及北大西洋(b)海表溫度的相關(guān)系數(shù)分布(陰影區(qū)表示通過0.05信度的顯著性檢驗(yàn))Fig.5　Distributions of correlation coefficients between autumn SPEI in Chongqing and SSTs in (a)tropical eastern Indian Ocean—western Pacific and (b)North Atlantic during 1961—2012(Only regions with correlation coefficient exceeding 0.05 significance level are shaded)

前述分析指出,西北太平洋副熱帶高壓、南支槽以及區(qū)域Hadley環(huán)流等變化對(duì)重慶干旱的年代際變化具有重要影響,而Ⅰ、Ⅱ區(qū)海表溫度異常與重慶干旱指數(shù)也存在密切聯(lián)系。那么,該兩區(qū)海表溫度異常與這些環(huán)流系統(tǒng)是否也存在著密切聯(lián)系?探討它們之間的關(guān)系,對(duì)理解該兩區(qū)海表溫度異常影響重慶干旱的可能物理機(jī)制非常必要。

圖6d—h分別給出了西北太平洋副熱帶高壓面積、強(qiáng)度、西伸脊點(diǎn),南支槽強(qiáng)度以及區(qū)域Hadley強(qiáng)度等指數(shù)隨時(shí)間的變化,它們與Ⅰ、Ⅱ區(qū)海表溫度異常的相關(guān)系數(shù)多數(shù)通過0.05信度的顯著性檢驗(yàn)(除Ⅱ區(qū)海表溫度與區(qū)域Hadley強(qiáng)度指數(shù)的相關(guān)系數(shù)外),表明這兩個(gè)海區(qū)海表溫度異常與西北太平洋副熱帶高壓、南支槽以及區(qū)域Hadley環(huán)流關(guān)系密切(除了Ⅱ區(qū)海表溫度與區(qū)域Hadley強(qiáng)度指數(shù)的關(guān)系)。前述結(jié)果表明,重慶干旱指數(shù)SPEI與這些環(huán)流系統(tǒng)關(guān)系密切(表2),可知該兩區(qū)海表溫度異常是通過引起西北太平洋副熱帶高壓、南支槽以及區(qū)域Hadley環(huán)流異常,來進(jìn)一步影響重慶干旱的。圖6中11a滑動(dòng)平均曲線(年代際變化)顯示,重慶干旱指數(shù)SPEI、Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)海表溫度異常、西北太平洋副熱帶高壓指數(shù)、南支槽指數(shù)及區(qū)域Hadley環(huán)流強(qiáng)度指數(shù)均具有明顯的年代際變化特征;盡管它們的年代際轉(zhuǎn)折點(diǎn)存在某些差異,但是1990年后重慶處于年代際干旱期時(shí),Ⅰ、Ⅱ兩區(qū)的海表溫度偏暖,西北太平洋副熱帶高壓面積偏大、強(qiáng)度偏強(qiáng),南支槽強(qiáng)度偏弱,區(qū)域Hadley環(huán)流增強(qiáng)等這些特征,與前述年代際環(huán)流差異結(jié)果是一致的。

圖6　標(biāo)準(zhǔn)化的1961—2012年秋季Ⅰ區(qū)SSTA(a)、Ⅱ區(qū)SSTA(b)、重慶SPEI(c),西北太平洋副熱帶高壓面積指數(shù)(d)、強(qiáng)度指數(shù)(e)和西伸脊點(diǎn)指數(shù)(f),以及南支槽強(qiáng)度指數(shù)(g)和區(qū)域Hadley強(qiáng)度指數(shù)(h)的時(shí)間序列(曲線為11 a滑動(dòng)平均,R1、RS2分別表示Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)SSTA與各指數(shù)的相關(guān)系數(shù))Fig.6　Time series of standardized (a)SSTA in region Ⅰ,(b)SSTA in region Ⅱ,(c)Chongqing SPEI,(d)WPSH area index,(e)WPSH intensity index,(f)WPSH west point index,(g)STB intensity index,and (h)Hadley intensity index in autumn of 1961—2012(curves denote 11-yr moving average.R1(R2) denotes correlation coefficients between SSTA in region Ⅰ(Ⅱ) and other indices)

上述相關(guān)分析結(jié)果表明,Ⅰ、Ⅱ區(qū)海表溫度年代際升高與重慶秋季年代際干旱存在密切聯(lián)系,它們可通過影響西北太平洋副熱帶高壓、南支槽以及區(qū)域Hadley環(huán)流等的變化,進(jìn)而導(dǎo)致重慶年代際干旱。然而,這些僅僅是觀測(cè)分析結(jié)果,尚需通過全球大氣環(huán)流模式進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)來作進(jìn)一步驗(yàn)證,由此才能確定影響重慶干旱年代際變化的海溫關(guān)鍵區(qū)。

5數(shù)值試驗(yàn)

前述觀測(cè)分析結(jié)果表明,熱帶東印度洋—西太平洋(Ⅰ區(qū))和北大西洋(Ⅱ區(qū))的海表溫度異常與重慶秋季SPEI存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,且它們可通過影響西北太平洋副熱帶高壓、南支槽和區(qū)域Hadley環(huán)流等變化從而導(dǎo)致重慶地區(qū)秋季年代際干旱。那么,是否Ⅰ、Ⅱ區(qū)的海表溫度異常對(duì)重慶秋季干旱的年代際變化都有影響?哪個(gè)海區(qū)的影響更大?為了找出關(guān)鍵海區(qū),本文利用NCAR全球大氣環(huán)流模式CAM5.1進(jìn)行數(shù)值模擬研究,數(shù)值試驗(yàn)方案詳見表3。各試驗(yàn)均采用10個(gè)不同的初值場(chǎng)驅(qū)動(dòng)模式,從1月1日起模擬積分10 a,得到10組集合試驗(yàn)結(jié)果。取這10組集合試驗(yàn)平均結(jié)果的10 a秋季平均結(jié)果用于分析。

表3　數(shù)值試驗(yàn)方案

因?yàn)榍笆鲇^測(cè)分析結(jié)果指出,與重慶年代際干旱關(guān)系密切的有Ⅰ、Ⅱ區(qū)兩個(gè)海區(qū),所以首先分析在這兩個(gè)海區(qū)海表溫度異常共同影響下的模擬結(jié)果,即試驗(yàn)Ⅲ模擬結(jié)果。從它們的暖、冷試驗(yàn)的降水差值場(chǎng)(暖試驗(yàn)減冷試驗(yàn),即EXP_Ⅲ_warm減EXP_Ⅲ_cold,下同;圖7c)可以看出,重慶地區(qū)為降水正差值,這與觀測(cè)結(jié)果中得到兩區(qū)暖海溫對(duì)應(yīng)降水偏少的結(jié)論不一致;進(jìn)一步計(jì)算表明,暖試驗(yàn)?zāi)M的重慶秋季SPEI為-0.14,冷試驗(yàn)?zāi)M的重慶秋季SPEI為0.22,所以從干旱指數(shù)結(jié)果來看,模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果還是較一致的。差值環(huán)流主要表現(xiàn)為:相對(duì)于冷試驗(yàn),暖試驗(yàn)?zāi)M的西北太平洋副熱帶高壓(取590 dagpm等值線包圍的反氣旋范圍作為西北太平洋副熱帶高壓體)位置偏西、面積偏大、強(qiáng)度偏強(qiáng),孟加拉灣南支槽區(qū)為正高度差值(圖8c),南支槽減弱,自孟加拉灣到重慶地區(qū)為差值偏東氣流(圖7c),赤道地區(qū)為差值上升區(qū)(圖8f)。這些環(huán)流形勢(shì)與觀測(cè)結(jié)果較一致,與觀測(cè)結(jié)果不一致的環(huán)流形勢(shì)在于,模擬的Hadley環(huán)流下沉支偏南,重慶地區(qū)為上升運(yùn)動(dòng)(圖9c)。因此,試驗(yàn)Ⅲ模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果多數(shù)較一致,但也存在不一致之處。這表明,Ⅰ、Ⅱ區(qū)海表溫度異常的聯(lián)合作用對(duì)重慶年代際干旱有重要影響,但需進(jìn)一步分析該兩區(qū)海表溫度異常的獨(dú)立影響,以便找到真正影響重慶年代際干旱的關(guān)鍵海區(qū)。

圖7　秋季降水場(chǎng)(單位:mm·d-1;陰影區(qū)表示降水差值為負(fù))和850 hPa風(fēng)場(chǎng)(箭矢;單位:m·s-1)的差值分布(暖試驗(yàn)減冷試驗(yàn))　　a.試驗(yàn)Ⅰ;b.試驗(yàn)Ⅱ;c.試驗(yàn)ⅢFig.7　Differences of precipitation(units:mm·d-1;shaded areas denote the negative precipitation differences) and 850 hPa winds(arrows;units:m·s-1) in autumn(warm experiment minus cold experiment)a.EXP_Ⅰ;b.EXP_Ⅱ;c.EXP_Ⅲ

圖8　暖試驗(yàn)(實(shí)線)、冷試驗(yàn)(虛線)秋季500 hPa上590 dagpm等值線的合成分布及這兩個(gè)試驗(yàn)的500 hPa高度差值場(chǎng)(陰影區(qū),單位:dagpm)(a,b,c),以及500 hPa垂直速度的差值分布(陰影區(qū),單位:10-2 Pa·s-1;正值表示下沉,負(fù)值表示上升)(d,e,f)(差值場(chǎng)均為暖試驗(yàn)減冷試驗(yàn))a,d.試驗(yàn)Ⅰ;b,e.試驗(yàn)Ⅱ;c,f.試驗(yàn)ⅢFig.8　(a,b,c)Composite isolines of 590 dagpm at 500 hPa in the warm experiment(solid line) and the cold experiment(dashed line),with 500 hPa geopotential height differences(shadings;units:dagpm),and (d,e,f)differences of 500 hPa vertical velocity(shadings;units:10-2 Pa·s-1;positive(negative) value denotes downward(upward) motion) in autumn(the differences are warm experiment minus cold experiment)　　a,d.EXP_Ⅰ;b,e.EXP_Ⅱ;c,f.EXP_Ⅲ

由秋季Ⅰ區(qū)海表溫度冷、暖試驗(yàn)的降水差值場(chǎng)(圖7a)可以看出,相對(duì)于冷試驗(yàn),暖試驗(yàn)?zāi)M的重慶地區(qū)降水偏少;計(jì)算表明,暖試驗(yàn)?zāi)M的重慶秋季SPEI為-0.54(偏旱),冷試驗(yàn)?zāi)M的重慶秋季SPEI為0.01。差值環(huán)流場(chǎng)主要表現(xiàn)為:相對(duì)于冷試驗(yàn),暖試驗(yàn)的模擬結(jié)果在西北太平洋地區(qū)存在一個(gè)氣旋性差值環(huán)流,從孟加拉灣到重慶地區(qū)為差值偏北氣流(圖7a),西北太平洋副熱帶高壓位置偏西偏北、面積偏大,孟加拉灣南支槽區(qū)為正高度差值區(qū)(圖8a),南支槽減弱,不利于水汽從孟加拉灣向重慶地區(qū)輸送(圖7a);同時(shí),赤道地區(qū)為差值上升區(qū)(圖8d),區(qū)域Hadley環(huán)流增強(qiáng),重慶地區(qū)為差值下沉區(qū)(圖9a),進(jìn)而導(dǎo)致重慶地區(qū)發(fā)生干旱。模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果較一致,表明熱帶東印度洋—西太平洋的海表溫度偏暖對(duì)重慶地區(qū)秋季干旱具有重要影響。

從秋季Ⅱ區(qū)海表溫度冷、暖試驗(yàn)的降水差值場(chǎng)(圖7b)可以看出,相對(duì)于冷試驗(yàn),暖試驗(yàn)?zāi)M的重慶地區(qū)降水為弱正值;但計(jì)算表明,暖試驗(yàn)?zāi)M的重慶秋季SPEI為-0.03,冷試驗(yàn)?zāi)M的重慶秋季SPEI為0.12,兩者之差為-0.15(略偏旱),所以從干旱指數(shù)來看,模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果較一致,表明該區(qū)海表溫度年代際偏高時(shí),重慶秋季年代際略偏旱。并且,模擬結(jié)果中存在有利于重慶年代際干旱的環(huán)流形勢(shì),例如:重慶地區(qū)為高度正差值,西北太平洋副熱帶高壓位置偏北(圖8b),重慶地區(qū)上空600 hPa至1 000 hPa為差值下沉運(yùn)動(dòng)(圖9b)。上述分析表明,Ⅱ區(qū)海表溫度冷、暖試驗(yàn)的模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果在重慶地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度差值場(chǎng)、西北太平洋副高的位置變化及垂直環(huán)流上較接近,所以該海區(qū)也是影響重慶秋季干旱的關(guān)鍵區(qū)之一,但相對(duì)I區(qū)而言,其作用是次要的。

綜上所述,試驗(yàn)Ⅲ能模擬出與觀測(cè)結(jié)果基本一致的偏旱、偏澇期西北太平洋副熱帶高壓位置、面積以及南支槽強(qiáng)度等環(huán)流的變化;試驗(yàn)I的模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果較一致,它不僅能模擬出重慶干旱的變化,而且能較好地模擬出環(huán)流的變化;試驗(yàn)Ⅱ模擬的西北太平洋副熱帶高壓位置變化、重慶地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度差值場(chǎng)及局地垂直環(huán)流與觀測(cè)結(jié)果較一致。

圖9　秋季經(jīng)向垂直環(huán)流差值場(chǎng)沿105～112.5°E平均的緯度—高度剖面(暖試驗(yàn)減冷試驗(yàn);垂直速度單位:10-2 Pa·s-1,經(jīng)向風(fēng)速單位:m·s-1)　　a.試驗(yàn)⒈;b.試驗(yàn)Ⅱ;c.試驗(yàn)ⅢFig.9　Latitude-pressure sections of vertical circulation differences averaged from 105 to 112.5°E in autumn(warm experiment minus cold experiment;units of vertical and meridional wind velocities are 10-2 Pa·s-1 and m·s-1,respectively)　　a.EXP_Ⅰ;b.EXP_Ⅱ;c.EXP_Ⅲ

因此,綜合觀測(cè)分析和數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果可知,秋季熱帶東印度洋—西太平洋(Ⅰ區(qū))海表溫度的年代際增暖對(duì)重慶秋季年代際干旱具有重要作用,該區(qū)是影響重慶秋季干旱的關(guān)鍵海區(qū),其影響重慶干旱的可能機(jī)制為:當(dāng)熱帶東印度洋—西太平洋的秋季海表溫度年代際增暖時(shí),西北太平洋副熱帶高壓位置偏西、面積偏大、強(qiáng)度增強(qiáng),重慶地區(qū)位勢(shì)高度升高,孟加拉灣南支槽減弱,不利于水汽從孟加拉灣向重慶地區(qū)輸送,同時(shí)赤道地區(qū)存在異常上升運(yùn)動(dòng),使得區(qū)域Hadley環(huán)流增強(qiáng),重慶地區(qū)為異常下沉區(qū),從而導(dǎo)致重慶地區(qū)年代際干旱;當(dāng)北大西洋(Ⅱ區(qū))的秋季海表溫度年代際增暖時(shí),西北太平洋副熱帶高壓位置偏北,重慶地區(qū)位勢(shì)高度升高,600 hPa以下有垂直下沉運(yùn)動(dòng),形成了有利于重慶秋季干旱的環(huán)流形勢(shì),但相對(duì)I區(qū)而言,該區(qū)對(duì)重慶年代際干旱的影響較弱,因此該區(qū)是影響重慶秋季年代際干旱的次關(guān)鍵海區(qū)。

Tian and Fan(2013)指出,北大西洋海表溫度偏暖可通過對(duì)流層高層西風(fēng)急流上的波列引起東亞地區(qū)大氣環(huán)流異常,如西北太平洋副熱帶高壓位置偏北等,使得長(zhǎng)江上游地區(qū)(含重慶地區(qū))的夏季極端降水偏少。本文分析也證實(shí),北大西洋海表溫度異常可引起西北太平洋副熱帶高壓的變化,進(jìn)而影響重慶秋季干旱。同時(shí),根據(jù)秋季Ⅱ區(qū)海表溫度異常與同期500 hPa高度場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)分布(圖略)可知,通過0.05信度顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域位于熱帶,表明Ⅱ區(qū)海表溫度偏暖可使熱帶地區(qū)位勢(shì)高度偏高,引起西北太平洋副熱帶高壓增強(qiáng)、偏北,從而導(dǎo)致重慶地區(qū)年代際干旱。

6結(jié)論

1)重慶秋季干旱指數(shù)SPEI的變化特征主要表現(xiàn)為全區(qū)一致變化型,且在1989年發(fā)生了年代際突變,突變后(前)重慶處于偏旱(澇)期。

2)熱帶東印度洋—西太平洋、北大西洋海表溫度年代際升高對(duì)自1990年開始的重慶秋季年代際干旱具有重要作用;前者為關(guān)鍵海區(qū),后者為次關(guān)鍵海區(qū)。當(dāng)熱帶東印度洋—西太平洋海表溫度在秋季年代際增暖時(shí),西北太平洋副熱帶高壓位置偏西、面積偏大、強(qiáng)度增強(qiáng),重慶地區(qū)位勢(shì)高度升高,孟加拉灣南支槽減弱,不利于水汽從孟加拉灣向重慶地區(qū)輸送,同時(shí)赤道地區(qū)存在異常上升運(yùn)動(dòng),使得區(qū)域Hadley環(huán)流增強(qiáng),重慶地區(qū)為異常下沉區(qū),從而導(dǎo)致重慶地區(qū)年代際干旱。當(dāng)北大西洋海表溫度在秋季年代際增暖時(shí),西北太平洋副熱帶高壓偏北,重慶地區(qū)位勢(shì)高度升高且存在異常下沉運(yùn)動(dòng),從而導(dǎo)致重慶地區(qū)年代際干旱。

3)數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明,熱帶東印度洋—西太平洋海表溫度年代際偏暖(冷),可以通過影響西北太平洋副熱帶高壓、南支槽、區(qū)域Hadley環(huán)流等變化,進(jìn)而導(dǎo)致重慶秋季年代際偏旱(偏澇)。這進(jìn)一步驗(yàn)證了觀測(cè)分析結(jié)果,并確定熱帶東印度洋—西太平洋是影響重慶干旱的關(guān)鍵海區(qū)。同時(shí),數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果也表明,北大西洋海表溫度年代際異?？赏ㄟ^影響西北太平洋副熱帶高壓位置,使得重慶地區(qū)上空位勢(shì)高度場(chǎng)及垂直運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化,從而對(duì)重慶年代際干旱產(chǎn)生影響。

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(責(zé)任編輯：張福穎)

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