黄土高原4月旱涝环流特征及前期强迫信号分析

李常德， 王 磊， 李晓霞，赵建华， 曾鼎文

(1.甘肃省平凉市气象局，甘肃 平凉 744000；2.成都信息工程大学，四川 成都 610225； 3.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室，甘肃 兰州 730020)

引 言

黄土高原位于我国中部偏北部，属大陆性季风气候，降水量年际差异大，年内多少不一。气候变化以及特殊的植被、地貌等特征使该地区干旱和洪涝灾害频发，水土流失、水资源短缺等问题日益突显。黄土高原生态恢复和社会经济的可持续发展，在我国西部大开发和21世纪国民经济建设中占有重要地位，而作为气候脆弱带，旱涝灾害事件无疑对当地的环境构成威胁。

有研究发现黄土高原暖干化趋势明显，旱涝等级呈上升趋势，尤以其东部和南部的半湿润区最为明显，大旱频次高值中心分布分散，大涝发生频率西部低、中部高[1-4]。近年来旱涝成因研究主要针对造成旱涝的天气系统，包含旱涝年大气环流形势，不同天气系统的特征量等，如南亚高压位置、强度和面积的变化[5]。青藏高原大地形的感热加热作用也会引起环流形势变化，造成旱涝异常[6]；另外，赤道太平洋、印度洋等前期海温对环流的强迫作用，进而影响旱涝的发生[7-8]。

旱涝灾害是中国成灾面积和成灾比率最大的自然灾害，然而就整个黄土高原而言，旱涝环流特征及成因方面的研究仍然较少。作为旱涝灾害多发的雨养农业区，4月是黄土高原农作物的生长关键时期，正值冬小麦拔节、玉米出苗、果树开花、蔬菜、油菜生长之际，一旦出现干旱，将直接影响墒情，进而造成农作物减产损失； 还会导致该时期地面干土层加厚, 进而加剧沙尘暴的强度，增加灾害损失[9]。本文选取4月研究黄土高原旱涝异常环流特征及其可能的前期强迫信号，以期为黄土高原旱涝灾害的防御提供有效支撑。

1 研究区概况

黄土高原(100°54′—114°33′E、33°43′—41°16′N)位于中国北方与西北地区交界处，面积为6.4×105km2，覆盖了太行山以西、日月山以东、秦岭以北和长城以南区域，该区域属于大陆性季风气候，降水量年际差异大，年内多少不一。研究区域及其57个气象站点分布如图1所示。

图1 黄土高原气象站点空间分布Fig.1 The spatial distribution of meteorological stations in the Loess Plateau

2 资料和方法

2.1 资 料

所用数据为1961—2015年黄土高原57个基准站逐月降水资料，NCEP/NCAR提供的水平分辨率为2.5°×2.5°的月平均再分析资料(海平面气压场、高度场、经向风场、纬向风场、比湿场等)和2°×2°经纬网格的海温资料，中国气象局国家气候中心提供的74项环流指数，热带太平洋海温指数、北太平洋涛动指数、印度洋海温指数等。气候基准态取1961—2015年均值。

2.2 方 法

2.2.1 标准化降水指数

标准化降水指数(standardized precipitation index, SPI)由MCKEE等[10]提出，由于SPI是通过概率密度函数求解累积概率，再将累积概率按照等概率转换为标准正态分布，从而获得标准正态随机变量，可以对不同地区的旱涝状况进行比较[11]。

假设降水x服从Gamma分布，其概率密度函数为

(1)

式中：α为形状参数；β为尺度参数；Γ(α)为Gamma函数。

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：n为降水序列的长度。累积概率

(6)

由于Gamma方程不包含x=0的情况，而实际降水量可以为0，所以，定义累积频率

H(x)=q+(1-q)G(x)

(7)

式中：q=m/n表示降水量为0的概率；m表示降水为0的数量。将累积概率按照等概率转换为标准正态分布函数，从而获得标准正态随机变量SPI如下：

(8)

(9)

式中：c0=2.515517、c1=0.802853、c2=0.010328、d1=1.432788、d2=0.189269、d3=0.001308。SPI旱涝等级划分[12]见表1。

表1 SPI旱涝等级划分Tab.1 The classification of grades of drought and flood based on SPI

2.2.2 阻塞识别法

北半球阻塞形势的识别利用TIBALDI等[13]的方法，即计算每一经度500 hPa位势高度梯度，具体计算公式如下：

(10)

(11)

式中：φn=80°Ν+δ，φo=60°Ν+δ，φs=40°Ν+δ，δ取-4°，0°或4°，在3个δ中至少有一个δ同时满足两个条件：GHGS>0，GHGN<-10 m/(°)，则对应经度发生阻塞。

3 黄土高原4月SPI年际变化

根据SPI及其旱涝等级划分标准分别计算近55 a中各个月份旱涝发生频率，发现旱发生频率降序排列前三位月份分别为6月、4月和12月，涝发生频率降序排列前三位月份分别为2月、9月和4月。4月旱涝发生频率均排在各月份前列，这也是选取4月作为旱涝研究月份的原因之一。近55 a黄土高原4月降水量占年降水量的5.8%，该区域出现旱和涝的频率分别为34.6%和32.6%，中度及以上干旱出现频率比中度及以上洪涝高1.8%，分别为21.8%和20.0%。

图2为1961—2015年4月黄土高原平均SPI年际变化。可以看出，1961—2015年4月SPI最大值为2.22(1964年)，最小值为-1.8(1962年)，线性倾向率为-0.012 a-1,说明黄土高原有干旱化趋势。对SPI 作5 a滑动平均发现1961—1982年为波动减小趋势；1982—1998年呈较平缓增大趋势；1998—2008年为减小趋势；2008年以后又有所增大。

图2 1961—2015年4月黄土高原平均SPI年际变化Fig.2 The inter-annual variation of average SPI in the Loess Plateau in April from 1961 to 2015

4 旱涝相关性及合成分析

4.1 环流场与旱涝相关性

图3为1961—2015年4月黄土高原SPI和环流场的相关系数及相应环流场气候基准态。可以看出，500 hPa位势高度场中纬度为两槽一脊型，乌拉尔山至中国新疆为脊控制，中国东部至日本以东洋面为槽区，脊区和槽区分别对应负显著和正显著相关区，即当乌拉尔山以东至中国新疆脊偏强，东亚大槽偏深，黄土高原易旱，反之易涝；700 hPa温度场上，中国东部到日本以东区域为正显著相关，而鄂霍次克海以北为负显著相关，即当中国东部到日本以东700 hPa温度偏低，鄂霍次克海以北至东西伯利亚海气温偏高，黄土高原易旱，反之易涝；700 hPa经向风场上，中国中东部为正显著相关，喀拉海以东洋面为负显著相关，即当中国中东部700 hPa北风偏大，喀拉海以东洋面南风偏大，黄土高原易旱，反之易涝；200 hPa纬向风场上，中国东部到日本以东洋面有40 m·s-1以上的西风急流大值中心，蒙古以东至鄂霍次克海呈显著正相关，其以南为显著负相关，黄土高原位于急流入口区左侧，高空有气流辐合，当中国东部到日本以东洋面西风急流南压加强，则研究区域易旱，反之易涝。

4.2 旱涝年环流特征

选取4月最旱5 a(1962、1978、1988、2011、2004年)和最涝5 a(1964、2014、1965、1998、1990年)作环流差值场的合成[14]。图4为1961—2015年4月黄土高原旱年和涝年500 hPa位势高度、700 hPa风和200 hPa纬向风差值场。可以看出，500 hPa位势高度差值场上，乌拉尔山至中国新疆西部为正的差值，中国东北至日本海为负的差值，且均通过0.01显著性检验，即当乌拉尔山至中国新疆西部脊加强，中国东北至日本海附近槽加深，黄土高原易旱，反之易涝；700 hPa风差值场上，中国东北至日本海为气旋式环流，里海至中国西部为反气旋环流，即当东北至日本海附近气旋式环流加强，里海至中国西部反气旋环流加强，黄土高原受偏北气流控制，黄土高原易旱，反之易涝；200 hPa纬向风差值场欧亚中高纬度为“北正南负”型，乌拉尔山以东的西西伯利亚为正的差值、印度半岛北部为负的差值，且均通过0.01显著性检验，即当西西伯利亚西风偏强，印度半岛北部东风偏强，黄土高原易旱，反之易涝。

图3 1961—2015年4月黄土高原SPI和环流场的相关系数(红色等值线)及相应环流场气候基准态(黑色等值线)(a)500 hPa位势高度， (b)700 hPa温度，(c)700 hPa经向风， (d)200 hPa纬向风(阴影区通过0.05或0.01的显著性检验)Fig.3 Correlation coefficients between SPI in the Loess Plateau and circulation fields (red isolines) and corresponding circulation climate average (black isolines) in April from 1961 to 2015(a) 500 hPa geopotential height, (b) 700 hPa temperature, (c) 700 hPa meridional wind, (d) 200 hPa zonal wind(the shaded areas passing the 0.05 or 0.01 significance test)

图4 1961—2015年4月黄土高原旱年和涝年500 hPa位势高度(a，单位:gpm)、700 hPa风(b)和200 hPa纬向风(c)(单位:m·s-1)差值场(阴影区通过0.05或0.01的显著性检验)Fig.4 Difference fields of the 500 hPa geopotential height (a, Unit: gpm), 700 hPa wind (b) and 200 hPa zonal wind (c) (Unit: m·s-1) in April between drought and flood anomaly years in the Loess Plateau from 1961 to 2015(the shaded areas passing the 0.05 or 0.01 significance test)

4.3 旱涝年天气系统特征量对比

为更直观描述旱涝年差异，统计4月偏旱年(表2)和偏涝年(表略)的天气系统特征量，具体天气系统特征量的选取参考了其与4月SPI的相关系数，并加入旱涝年对应的El Nio/La Nia事件发生情况，参照厄尔尼诺/拉尼娜事件判别方法(https://cmdp.ncc-cma.net)，即Nio 3.4指数3个月滑动平均的绝对值≥0.5 ℃(<-0.5 ℃)，且持续至少5个月，判定为一次厄尔尼诺(拉尼娜)事件。

近55 a黄土高原4月发生旱、涝年份均为19 a；当黄土高原偏旱时，9 a为El Nio年，7 a为La Nia年；黄土高原偏涝时，8 a为El Nio年，7 a为La Nia年；偏旱年有8次西太平洋副热带高压(简称“副高”)偏南，占偏旱年的42.1%，偏涝年有10次偏北，占偏涝年的52.6%；偏旱年副高面积有11次偏大，占偏旱年的57.8%，偏涝年有9次偏小，占偏涝年的47.4%；偏旱年副高西伸位置有13次偏西，占偏旱年的68.4%，偏涝年有12次偏东，占偏涝年的63.1%；偏旱年东亚槽位置有10次偏西，占偏旱年的52.6%，4月偏涝年有13次偏东，占偏涝年的68.4%；偏旱年亚洲极涡面积有11次偏大，占偏旱年的57.8%，偏涝年有12次偏小，占偏涝年的63.2%。

综上所述， ENSO与黄土高原旱涝关系不稳定。副高面积、东亚槽位置、亚洲极涡面积等与研究区域旱涝年的对应并不好，这是因为4月不同于冬、夏季，没有显著的控制性环流系统，如东亚大槽、副热带高压，而可能是由多个系统相互作用造成。

表2 1961—2015年黄土高原偏旱年对应ENSO及天气系统特征量Tab.2 The ENSO events and weather system characteristics in drought years in the Loess Plateau from 1961 to 2015

4.4 异常旱涝年阻塞形势对比

图5为1961—2015年4月黄土高原异常旱、涝年阻塞形势出现平均天数和频率随经度的分布。可以看出，异常旱涝年乌拉尔山和鄂霍次克海阻塞出现日数和频率差异不明显。4月150°W—180°E区域异常涝年阻塞出现次数多于异常旱年，阻塞的形成常伴随上游冷空气爆发和切断低压的生成，或上游不断有低槽东移使阻塞高压上游位势高度趋小，即致使其西侧位势高度偏小，而该区域正好是500 hPa位势高度场和SPI显著负相关区域，相关系数小于-0.4。

图5 1961—2015年4月黄土高原异常旱、涝年阻塞形势出现平均天数和频率随经度分布Fig.5 Average days and frequencies of the blocking as a function of longtitude in drought anomaly years and flood anomaly years in the Loess Plateau in April from 1961 to 2015

5 旱涝对前期外强迫信号的响应

5.1 前期外强迫信号

图6为1961—2015年4月黄土高原SPI与前一年12月海温的相关系数。可以看出，在西南印度洋有范围较大的显著负相关区，另外，北美以东洋面、南美东南部洋面等都存在显著负相关区域，但范围较小。根据12月多年平均环流场，北印度洋为异常东北风，且由北向南越过赤道，其中索马里附近的越赤道气流向南可到20°S附近，而中东印度洋越赤道气流在10°S—5°S转向为西风气流，西风气流向东经过爪哇岛至印度尼西亚，可到达赤道西太平洋。前一年12月西南印度洋暖海温异常，使得辐合对流活动加强，引起该区域出现气旋性环流，造成南印度洋副热带多年平均反气旋性环流偏东，这与杨明珠等[15]指出的前期印度洋可以通过下垫面热力状况的改变对大气环流状况产生强迫，进而对南半球中纬度的环流系统产生影响的结论相符。澳大利亚以西海区受上述反气旋性环流偏东影响，离岸东南风增强，与10°S—5°S西风气流的辐合加强，相应的上升气流也加强，引起位于赤道太平洋Walker环流和印度洋地区的反Walker环流增强，Walker环流的变化使得印度尼西亚以北低纬度的辐合上升运动加强导致气旋性环流出现，引起西太平洋反气旋环流位置偏东，其西侧偏南气流位于海上，不利于向内陆黄土高原输送水汽，该区域易旱，经对比分析，这与12月西南印度洋暖海温异常对应的次年4月环流场较一致；前一年12月西南印度洋冷海温异常引起强迫作用同暖海温异常相反。由于研究区域远离西南印度洋，参与系统多，相互作用复杂，且是一个持续性过程，其强迫机制还有待深入研究。

综上所述，西南印度洋海温异常可能是4月黄土高原旱涝的重要前期强迫信号。

图6 1961—2015年4月黄土高原SPI与前一年12月海温的相关系数(阴影区通过0.05或0.01的显著性检验)Fig.6 Correlation coefficient field between SPI in April in the Loess Plateau and SST in December of the previous year from 1961 to 2015(the shaded areas passing the 0.05 or 0.01 significance test)

5.2 SIOD与SPI的关系

南印度洋偶极子(SIOD)定义为西南印度洋与东南印度洋区域平均海温距平的差值，SIOD>0表示SIOD正位相；SIOD<0表示SIOD负位相[16]。这一模态是印度洋海温变化的次主要模态，有明显的季节位相锁定特征， 通常在初冬开始发展，次年1—3月达到最强，4月明显减弱。

图7为1961—2015年4月黄土高原SPI和前一年12月SIOD年际和年代际变化。可以看出，SIOD和SPI有相反的年际和年代际变化特征。前一年12月SIOD与4月SPI相关系数为-0.33，通过了0.05显著性检验。10 a滤波后两序列相关系数达-0.57，通过0.001显著性检验。无论是年际还是年代际时间尺度，4月黄土高原SPI都与前一年12月SIOD有较好的负相关关系。

图7 1961—2015年4月黄土高原SPI和前一年12月SIOD年际和年代际变化Fig.7 The inter-annual and decadal variation of SPI in April in the Loess Plateau and the SIOD in December of the previous year from 1961 to 2015

5.3 环流场对SIOD异常的响应

选取SIOD指数5个正位相异常年(1998、1992、1975、1970、1965年)和5个负位相异常年(1997、2012、1963、1991、2013年)对应次年4月环流差值场合成。 图8为12月SIOD正、负异常年次年4月500 hPa位势高度差值场和700 hPa风差值场。可以看出，500 hPa位势高度差值场上，乌拉尔山为正的差值，中国东北至日本海为负的差值，即SIOD指数正异常年乌拉尔山高压脊偏强、东亚大槽偏深，黄土高原易旱，反之易涝；700 hPa风差值场上在贝加尔湖至中国东北为气旋性环流而乌拉尔山为反气旋性环流，即SIOD指数正异常年处于反气旋底部的新疆和里海以北的偏东气流加强不利于冷空气堆积和南下，中国东北附近区域为中心的气旋加强，偏北气流控制中国中东部地区，不利于暖湿气流向黄土高原输送，黄土高原易旱，反之易涝。

图8 12月SIOD正、负异常年次年4月500 hPa位势高度差值场(a，单位:gpm)和700 hPa风差值场(b，单位:m·s-1)(阴影区通过0.05或0.01的显著性检验)Fig.8 Difference fields of 500 hPa geopotential height (a, Unit: gpm) and 700 hPa wind (b, Unit: m·s-1) in April in positive and negative SIOD anomaly years in previous December(the shaded areas passing the 0.05 or 0.01 significance test)

6 结 论

(1)1961—2015年黄土高原4月有干旱化趋势。黄土高原4月旱涝多发，发生频率在各月份中均排前列，旱、涝发生频率分别为34.6%和32.6%。

(2)当500 hPa乌拉尔山至中国新疆高压脊偏强、东亚大槽偏深，700 hPa黄土高原及其以东南风偏弱，700 hPa中国东部到日本温度偏低，中国东部到日本以东洋面西风急流南压加强时黄土高原易旱，反之易涝。

(3)4月北半球中高纬度150°W—180°E区域异常涝年阻塞出现次数多于异常旱年。

(4)前一年12月SIOD与4月SPI序列相关系数为-0.33，年际和年代际负相关关系显著，前一年12月SIOD或西南印度洋海温能够通过下垫面热力状况的改变对大气环流状况产生强迫，影响南、北半球中高纬度环流系统，进而影响降水，可以作为黄土高原4月旱涝的前期强迫信号。

(5)黄土高原旱涝对SIOD正负位相异常的响应主要反映在500 hPa乌拉尔山高压脊、东亚大槽，700 hPa贝加尔湖至中国东北以及乌拉尔山的环流差异上。