长江中下游地区骤发干旱与缓发干旱特征对比研究

基于再分析土壤湿度、大气等压面资料以及国际耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6,CMIP6)数据,利用大气柱水分收支原理及归因方法,本文识别了1979—2020年长江中下游地区格点骤发干旱与缓发干旱,分析其空间分布及统计特征,并且诊断区域性典型骤发干旱与缓发干旱事件的发展过程及人为因素的影响。结果表明:该区域骤发干旱频发,主要发生在南部,强度偏强,且大多发展于夏季;而缓发干旱发生较少,主要发生在北部,强度偏弱,且大多发展于秋季。大气柱水汽净辐散对两类干旱的发展速度起到了重要作用,骤发干旱在发展过程中大气柱水汽净辐散偏强,造成蒸散发与降水差值较大,使得土壤湿度下降速度快于缓发干旱。2019年夏季长江中下游地区发生了一次大范围的骤发干旱事件,在发展阶段,副热带高压西伸增强了区域大气柱的风场辐散,使大气柱水汽净辐散强,干旱快速发展。2010/2011年发生了一次区域缓发干旱事件,在秋季发展阶段,近地层风场为一弱反气旋环流,风场辐散作用偏弱,大气柱水汽净辐散偏小,使干旱发展速度较慢。人类活动对2019年骤发干旱事件的影响强于2010/2011年缓发干旱事件。     

中国区域性骤发干旱特征分析

基于国家气象信息中心2 400多个观测站的候平均日最高气温、GLDAS 2.0/2.1的土壤湿度、蒸散发资料和ERA5的500 hPa位势高度、925 hPa风场再分析资料,定义了格点骤发干旱指数,在分析1979—2017年4—9月中国区域骤发干旱气候特征和骤发干旱指数的经验正交展开空间模态的基础上,确定骤发干旱发生频繁及变率大的区域,给出了区域性骤发干旱事件的识别标准,并对其演变过程进行合成分析,最后分析了典型个例的要素和环流特征。结果表明:骤发干旱多发于我国南方夏季,其中7月最多,以湖南和浙江地区发生最为频繁,这两个区域也是骤发干旱发生气候变率最大的区域。合成分析显示,高温是两个区域骤发干旱爆发的主要驱动因素:干旱爆发前一候,气温迅速升高,蒸散发快速增大,土壤湿度下降明显。2013年6—7月在湖南区域爆发了两次骤发干旱事件。第一次干旱爆发前,湖南地区500 hPa位势高度迅速增大,异常下沉气流导致降水减少和绝热增温,蒸散发随气温升高而增加,使土壤湿度减少,这次干旱由高温驱动;第二次干旱爆发前期,明显偏西、偏北且稳定的西北太平洋副热带高压使地表太阳净辐射通量增强、近地层的偏南气流使高温维持,蒸散发随降水而变化,这次干旱为降水减少所驱动,高温起促进作用。     

青藏高原东南侧干湿季气候特征与成因

利用台站降水、蒸发资料和NCEP再分析资料,通过季节水汽输送、大气可降水量分布、水汽辐合辐散诊断对西南水汽通道上青藏高原东南侧干、湿季气候特征及成因进行了分析。结果显示,四季青藏高原东南侧均存在西南水汽输送,即使冬、春季也有较强盛的水汽输送,但其上空四季均维持有水汽辐散场,不利于降水发生和维持,尤其冬、春季强度更强、范围更广。同时,受低纬高原地形影响,这一地区大气气柱短,导致青藏高原东南侧大气可降水量比周边地区明显偏少,且存在明显的季节变化,冬、春季大气可降水量仅为夏季的1/3~1/2。可见,青藏高原东南侧季节性干旱受冬、春季大气可降水量的减少和其上空更强更广的水汽辐散场共同影响所致。     

2022年夏季长江流域干旱的水循环模拟和分析

基于WRF-WVT水汽追踪模式,对2022年6—8月长江流域极端干旱情况下的水循环进行模拟研究,分析了长江流域蒸散发对长江流域局地和非局地降水的影响。结果表明,2022年夏季干旱导致长江中下游陆地水储量在5—8月期间减少100～150 mm。6—8月长江流域约45％的蒸散发在当地和华北形成降水,其中6月长江流域蒸散发主要贡献当地降水,而7、8月对当地和华北降水的贡献大致相等。6—8月长江流域蒸散发贡献的当地降水逐月减少,总量为8.2×10⁷ m³(长江流域平均91.2 mm),并且降水强度越高当地蒸散发贡献率越小,对当地降水贡献最大的区域为四川盆地附近(最大超过40％)。长江流域蒸散发为华北提供的降水在6—8月先增多后小幅度减少,总量为5.3×10⁷ m³(华北平均58.4 mm),并且降水强度越高长江流域蒸散发贡献率越大。2022年夏季长江流域蒸散发对当地和华北地区暴雨的贡献率都为12％左右。     

2009年云南秋季特大干旱的气候成因分析

2009年秋季至2010年初夏,云南遭受了有资料记录以来最严重的干旱,其中2009年秋季是有资料记录以来降水偏少最明显的年份,全省平均降水比历年同期偏少50%以上。通过诊断方法分析了云南秋季降水和大气环流异常的特征,结果表明在多年平均情况下,云南秋季大部分地区的降水占年降水总量的20%以上,对年降水量的变化有重要影响;2009年秋季云南区域大气低层的水汽持续偏少、高层辐合低层辐散的高低层流场配置是这次干旱产生的最直接原因;另外,持续偏西偏强的西太平洋副热带高压、弱冷空气和弱暖湿气流活动,以及北方冷空气与南方暖湿气流影响云南的不同步、夏季风环流的提前结束等都对这次干旱过程产生了重要的影响。     

青藏高原及其周边地区降水的水汽来源变化研究进展

近几十年来,随着全球气候变暖,青藏高原降水整体呈现增加趋势,气候暖湿化趋势明显;与此同时,位于青藏高原东南缘的中国西南地区整体上呈现暖干化趋势,干旱事件频发。探讨青藏高原及其周边地区降水的水汽来源变化、揭示降水趋势性变化的原因已经成为当前研究热点。本文评述了近年来青藏高原降水的水汽来源研究,重点关注青藏高原变湿、西南地区变干的水汽来源变化原因以及青藏高原南北水汽来源差异,讨论了尚未解决的科学问题,展望了未来研究方向。现有研究表明,青藏高原以西的西风带控制区蒸散发贡献的水汽整体呈现减少趋势,青藏高原以南和以东的季风控制区蒸散发贡献的水汽整体呈现增加趋势,上述水汽源区贡献变化导致了青藏高原及其周边不同区域降水趋势性变化的差异。展望未来,水汽来源分析的模型和数据需要进一步验证及减少不确定性,青藏高原下垫面和蒸散发变化对周边地区降水的影响机制研究有待加强,全球变化与青藏高原降水水汽来源变化的关系尚需深入分析。     

作物生长对流域水文过程与区域气候的影响

利用区域气候模式RegCM3以及考虑作物生长过程的耦合模式RegCM3_CERES对东亚区域进行20年模拟,研究作物生长对流域水文过程与区域气候的影响。结果表明：考虑作物生长过程的耦合模式模拟海河流域、松花江流域、珠江流域多年平均降水效果明显改进,在除黑河流域外的各流域模拟的温度负偏差有所减小,其中在海河流域、淮河流域的夏季改进尤为明显。各流域夏季（6、7、8月）月蒸散量最高,其中长江流域、海河流域、淮河流域、珠江流域的夏季月蒸散量基本上在100 mm左右,并且七大流域蒸散发的季节变化趋势跟总降水基本一致。多数流域考虑作物生长过程的耦合模式模拟得出蒸散发减少且进入的水汽增加,导致局地水循环率减小;黑河流域与黄河流域降水有所增加,其他流域均有不同程度的减小。针对长江流域,比较耦合模式RegCM3_CERES与模式RegCM3模拟结果显示,叶面积指数减少1.20 m²/m²,根区土壤湿度增加0.01 m³/m³,进而导致潜热通量下降1.34 W/m²（其中在四川盆地地区减少16.00 W/m²左右）,感热通量增加2.04 W/m²,从而影响到降水和气温。     

西北干旱区水汽收支变化及其与降水的关系

利用NCEP资料计算并分析1961—2010年西北干旱区(35°N—50°N,73°E—105°E)经纬向水汽输送、蒸发和水汽辐合辐散的变化特征,以及它们与同期西北干旱区降水之间的关系。结果显示:(1)西北干旱区冬、春、秋季经向水汽输送为净输入,纬向为净输出,总水汽输送为净输入。夏季经、纬向水汽输送均为净输出;(2)1961—2010年,西北干旱区各季节降水均增加,冬、春季降水增加显著,夏、秋季降水增加不显著。冬季纬向水汽净输出减少,导致西北干旱区冬季总水汽输送增加;春、秋季经向净输入减少和夏季经向净输出增加,导致春、夏、秋季总水汽输送减少;(3)1961—2010年,西北干旱区各季节蒸发量显著增加,且夏季增加趋势最显著;(4)各季节水汽通量散度显著减小,水汽辐合加强,且夏季水汽辐合增强最明显;(5)蒸发增大和水汽辐合增强是西北干旱区降水增加的主要原因,但外部水汽输送变化也会影响降水变化。     

1961—2018年西南地区夏季干旱变化特征及其与环流异常的联系

利用1961—2018年中国西南地区312站降水观测资料、NCEP/NCAR再分析资料及海表温度资料,采用夏季SPI(Standardized Precipitation Index)指数作为干旱指数,研究了西南地区夏季干旱变化特征及其与环流异常的联系。结果表明:西南地区夏季总体呈现变干趋势,尤其在云南、四川东南部干旱化趋势显著。当西南地区夏季显著干旱时,该地区对流层低层辐散、上层辐合,且向该地区的水汽输送偏少。造成西南地区干旱维持的原因可归结为大气波动活动异常和海温异常强迫。前者通过西风带扰动向下游的能量频散,为西南地区低层辐散、上层辐合的环流异常的形成和维持提供了必要的扰动能量积聚;后者通过热带西北太平洋异常热源对大气的强迫,使得该地区对流层低层(上层)形成异常辐合(辐散),在西南地区和热带西北太平洋形成了斜向垂直环流,使西南地区受下沉气流控制,从而形成了利于降水显著偏少和干旱发生并维持的条件。     

近56a西南区域降水分布及持续性干旱的研究

采用1961—2016年西南区域4省（市）的地面观测资料、NCEP/NCAR再分析资料以及全球海温资料,对西南区域降水的时空分布特征以及其持续性干旱事件的气候特征及其环流成因进行了分析。结果表明：①西南区域的降水呈现东部南部多、西北少的空间分布特征,1986年为降水显著突变点,此点至今降水明显下降;西南区域的年降水存在显著的准3 a和准8 a的振荡周期;②近56 a西南区域共有8次持续性干旱事件发生,最多时段是20世纪60年代,春旱和冬旱最频繁,秋旱其次;③孟湾北部的异常反气旋环流和南海的异常气旋环流隔断了西南区域必要的水汽通道,水汽通量辐散;西南区域上空的异常反气旋环流,以及贝湖至中西伯利亚的异常气旋环流使得冷空气的活动区域被限制在中高纬地区,印缅南支槽偏弱,副高位置偏东偏南、强度偏弱,西南区域处于明显的下沉运动控制之下,配合海平面气压的负异常特征,使得温度持续偏高,从而导致西南区域持续性干旱的发生;前期中东太平洋的拉尼娜现象和中国近海地区的海温异常分布可作为西南区域持续性干旱事件的长期预测线索。     

A surface energy budget view of the 1988 midwestern United States drought

Measurements of the surface energy budget over an Illinois corn field during the summer drought of 1988 yielded Bowen ratio values around 1 compared to potential values of 0.2–0.3 if soil moisture had not been limiting. An analysis of the atmospheric water vapor budget for the upper midwestern United States suggests that the measured decrease in evapotranspiration was significant and may have played a role in the persistence and severity of the drought by reducing the atmospheric water vapor supply and increasing the atmospheric heating rate.     

黄河流域冬、夏季水汽输送及收支特征

利用NCEP/NCAR再分析资料和我国实测雨量资料,对黄河流域1月和7月多年平均及旱、涝年整层积分的水汽通量、辐合(辐散)及各分区水汽收支进行了研究。结果表明,1月黄河流域无明显的水汽输送,而7月水汽沿西南、东南及西北3条路径输送,前两支气流在多年平均时主要影响黄河下游区。涝年时影响到黄河中、下游区,而上游区水汽流入较小;旱年,黄河中、上游区均无明显的水汽输送,只有下游的小范围地区受西南气流影响。各区净水汽通量分别与其地面降水的时空演变相对应,而经向净水汽通量是影响水汽收支变化及供给流域降水的主要水汽来源;涝年的水汽净收支与各边界水汽流入明显大于旱年。1月,西边界和北边界微弱的水汽输入远小于东边界和南边界的输出,各区均为水汽净辐散,不利于降水;7月,大量的水汽主要来自西边界和南边界,涝年各区均为水汽盈余,多年平均也以净辐合为主,而旱年则以水汽亏损为主。     

2006年川渝伏旱同期环流场和水汽场异常特征分析

2006年盛夏川渝地区发生了严重的伏旱灾害,通过对同期大气环流异常的诊断分析表明,2006年盛夏期间,我国川渝地区上空存在由东北向西南的异常水汽输送,从中南半岛到西南地区持续存在经向水汽输送的负异常中心,导致川渝地区上空维持着一个水汽输送辐散异常的中心,这种水汽输送形势有利于伏旱灾害的发展.西太平洋副高较常年持续异常偏北、偏西,强度偏强,它与东伸的伊朗高压及异常的青藏高压一起构成一条高压带,这也在很大程度上促进了川渝地区持续伏旱灾害的发展.     

西南地区东部夏季旱涝的水汽输送特征

利用1959-2006年两南地区东部20个测站逐日降水量资料和NCEP/NCAR再分析月平均资料,分析了西南地区东部夏季旱涝年的水汽输送特征.结果表明,西南地区东部水汽来源主要有两个:第1条主要来自青藏高原转向孟加拉湾经缅甸和云南进入西南地区东部,第2条水汽经由孟加拉湾南部,强大的水汽输送带继续向东输送至中南半岛及南海,与南海越赤道气流所携带的水汽汇合后转向至西南地区东部,而由四太平洋副热带高压西侧转向的偏南水汽对向西南地区东部水汽输送也有影响.与西南地区东部夏季降水相联系的水汽通道中,印度洋水汽通道强度最强,太平洋水汽通道强度最弱.在印度季风区,偏北的高原南侧水汽通道(经向)强度远小于偏南的印度洋水汽通道.东亚季风区夏季水汽输送经向输送大于纬向输送,而印度季风区夏季水汽输送则是纬向输送大于经向输送.西南地区东部夏季降水与纬向通道的强度变化关系密切,而与经向通道的水汽输送强度变化关系不明显.当印度季风区南支水汽输送偏弱时,印度季风区北支(高原南侧)和东亚季风区向西的水汽输送偏强,使得以纬向输送为主的印度季风区经向水汽输送加大,而以经向输送为主的东亚季风区纬向水汽输送加大,从而使东亚地区的水汽输送带偏西,西南地区东部夏季降水偏多,可能出现洪涝,反之则可能出现干旱.西南地区东部夏季水汽有弱的净流出,是一个弱的水汽源区,南边界流入水汽量最多,干旱年整个区域水汽流出较常年明显,而洪涝年则有弱的净流入.夏季水汽通道水汽输送强弱变化与同期500 hPa高度场和SST场的分布形势密切相关.     

2011年盛夏广西西北部特大干旱的环流异常特征

利用1960~2011年广西西北部16个气象观测站逐月降水资料、NCEP/NCAR再分析月平均资料、NOAA向外长波辐射资料和国家气候中心提供的环流特征量资料,分析了广西西北部地区以往盛夏干旱年的中高纬环流、西太平洋副热带高压和水汽输送特征,重点探讨了2011年盛夏(7~8月)广西西北部特大干旱大气环流的异常特征。结果表明,2011年是1960年以来广西西北部盛夏降水最少的年份。广西西北部2011年盛夏大气环流与以往盛夏干旱年明显不同的是,西太平洋副热带高压较常年异常偏弱偏东,脊线位置明显偏北,中高纬环流平直,乌拉尔山地区和东北亚区域没有明显阻塞高压形势,冷空气活动比常年弱;印缅槽活动较常年偏弱,由南向北的水汽输送明显偏弱,广西西北部上空存在有弱的水汽通量辐散,垂直运动和对流活动均较常年偏弱,这些环流特征均不利于产生降水,造成2011年盛夏广西西北部地区出现特大干旱。     

西藏高原汛期旱涝年水汽输送差异特征

利用西藏高原39个气象站自1961年或建站开始至2010年汛期(5—9月)的逐月降水资料,根据Z指数和区域旱涝指数分析了近50年西藏高原汛期旱涝的变化特征。在此基础上,选取了典型旱、涝年,采用NCEP/NCAR再分析月平均资料,通过合成分析方法分析了旱、涝年的水汽输送特征的差异。结果表明:近50年以来,西藏高原以旱为主,涝灾较少,干湿状况具有明显年代际变化;西藏高原汛期旱涝与水汽输送异常联系紧密,典型旱(涝)年北印度洋、西北太平洋和亚洲中纬度地区的整层水汽通量经向、纬向及整层水汽通量和水汽通量散度均存在显著差异,呈反位相分布。越赤道急流区的差异最为显著,索马里越赤道气流区的水汽输送差异主要表现在经向上,而菲律宾越赤道气流区的水汽输送差异主要表现在纬向上。     

福建省2018年3-6月干旱环流的变化特征

利用福建省66个气象站逐日降水资料、NCEP/NCAR再分析资料和NOAA逐日OLR资料,分析福建省2018年3—6月干旱事件的大尺度环流及其变化特征。结果表明:福建省2018年3—6月降水均偏少,暴雨日偏少,持续性暴雨过程弱,导致严重气象干旱。受拉尼娜的滞后影响,福建处在下沉气流中心,阻塞高压偏弱,西太平洋副热带高压较常年偏弱、偏南、偏东,福建处于水汽通量辐散异常中心区,这是造成福建该时段干旱的环流背景。环流变化显示,前期的阻塞高压、副热带高压和热带对流北传均不活跃,导致暴雨日偏少,干旱发展;后期环流呈现阶段性振荡特征,南北系统的有效配合为持续性暴雨发生提供了有利的环流条件,干旱得以缓解。