2007特大干旱事件的诊断分析

陇东黄土高原特大干旱事件的诊断分析成都信息工程学院函授专升本2007级王伟新摘要：本文对2007年、2008年位于陇东黄土高原的庆阳市有代表性的三个气象站出现的特大干旱事件，从其影响、成因、天气特征等进行了初步分析。结果表明：大气环流异常调整是形成干旱的主要原因，其中大气活动中心在由冬向夏转换季节，青藏高原大气低频振荡、东亚大气长波调整及超长波的演变，新疆脊加强，东亚大槽加深，形成“西高东低”的高度场，盛行偏北气流，是形成持续干旱的天气气候背景；青藏高原的热力及动力效应，通过高原近地层与边界层逐渐影响到自由大气，是环流异常调整的动力；同时，发生干旱也与青藏高压与西太平洋副高的位置及强度的变化、高原雪盖等密切相关。关键词：干旱青藏高原诊断分析引言我国是世界上主要的干旱国家之一，干旱也是我国最为严重的生态环境问题之一。我国干旱、半干旱面积占国土面积的1/2，且80%的干旱集中于西北地区，干旱是最重要的自然灾害。陇东黄土高原地处西北地区东部，位于青藏高原东北侧，为高原沟壑区，代表了西北东部广大的干旱区域，是典型的旱作农业区。其山、川、塬纵横交错，地形复杂多样，地势大致由西北向东南倾斜，高低落差大，水土流失严重，易形成干旱。其处于中纬度内陆地带，属温带半湿润气候区，具有明显的大陆性气候特点，冬季盛行偏北风，夏季盛行偏南风。春季风向处于季节转型过程中，天气回暖较快，降水渐增但仍较少，风向多变，风速增大，蒸发量猛增，易出现灾害性天气。年降水量分布极为不均，季节、时空差异很大，大的降水过程多以局地阵性天气出现，雨势猛，径流量大。因此，由于天气气候原因造成的干旱几乎年年发生，重者春旱、春末初夏、伏旱接连出现，造成大范围农业严重受灾、人民生活困难。据统计，2007年干旱是继2000年大旱以来最为严重的一次，全部农作物受灾，夏秋粮减产明显，经济损失惨重。2008年干旱是在2007年特大干旱后，又发生严重干旱的一年。多年来，当地广泛流传着“三年两头旱”，“三年一小旱，十年一大旱”的说法，但近年来干旱呈现频发、范围广、程度重、灾情2重，其已成为困扰当地农业乃至国民经济发展、制约生态环境建设、退耕还林还草等诸多方面的关键性、重要性难题。所以，对造成干旱的成因及气候特征进行分析，揭示气候变化事实，是做好干旱气候预测及服务的基础，有利于今后的防灾减灾。12007年干旱的气候特征据国家气候中心监测，2007年甘肃中东部、宁夏、陕西中北部、河北中西部、内蒙古、河南一带出现了大范围的严重干旱区域，发生大范围旱灾，其中位于陇东黄土高原中部的环县、庆城县等的干旱尤为严重，基本处于重旱包围的中心位置，为特大旱（见图1）。图1全国气候干旱分布图Fig.1Nationalclimatedroughtdistributionmap综合1961-2000年气象资料，30年滑动平均值1961-1990年年平均气温为9.6℃，年总降水量为540.5毫米；1971-2000年年平均气温为9.7℃，年总降水量为491.5毫米，所以从目前气候位相变化来看，目前气温处于稳步升高阶段，降水量处于相对较少时期，且时空、地理分布不均，月季变率大，易形成干旱。就平均状况而言，由于陇东黄土高原地形复杂，水土易流失，降水正常年份，也很难满足农作物生长需水的正常供给，一旦降水偏少，势必发生干旱。2007年3月下旬-6月中旬中期，平均气温为11.8℃，较历年同期偏高1.4℃，降水量为48.5毫米，较历年同期偏少55%。气温连续偏高，降水持续偏少，3月下旬旱象露头；4月份降水量不足10毫米，较历年同期偏少78%，光照充足，风速大，由此造成蒸发量大，土壤墒情锐减，干旱发展加重；5月份降水仍偏少，旱情加剧。据测墒分析，耕作层50厘米以上均成重旱状态，土壤湿度占田间持水量百分比最大为34%（＜40%为重旱），干土层厚度为34厘米，发生特大干旱；6月前半月降水量继续偏少，重旱持续。直至6月17-19日出现了一次大范围的中雨过程，旱情才有所缓解，具体气象要素统计见表1。3表12007年3月下旬-6月上旬气象要素值Tab.1MeteorologicalelementvaluefromMarchtoJunein2007要素庆城县环县宁县实况距平实况距平实况距平降水（毫米）3月下旬0.6-900.1-980.1-994月6.7-780.2-993.6-905月38.0-148.3-8034.7-336月上旬1.5-928.4-330.3-98气温（℃）3月下旬11.75.211.15.411.96.54月12.00.311.30.411.81.25月19.72.921.35.118.93.56月上旬21.61.822.53.220.72.3日照（小时）3月下旬107.239.192.723.4102.236.94月269.847.0236.811.9264.546.65月300.547.9286.738.7294.747.16月上旬80.3-5.291.54.672.3-11.6蒸发（毫米）3月下旬71.626.570.732.855.924.44月226.969.8223.826.1163.19.05月321.5120.7286.739.3216.029.76月上旬97.018.273.9-11.265.2-7.62干旱环流特征西北地区是我国降水量最少的地方，干旱是其天气气候上的主要特点。西北地区东部年降水量的准3年周期振幅随时间呈周期变化1。白肇烨、徐国昌等研究发现，远离海洋，水汽条件差及青藏高原地形的动力和热力作用是造成西北地区干旱气候背景的主要原因。而高原地形的热力、动力作用连同盛行环流的年际变化等又造成了干旱区相对干、湿年的变化。即青藏高原地形的热力、动力作用、远离海洋和环流异常是形成西北干旱气候的主要因子，它们通过影响垂直运动和水汽状况而影响西北降水气候。各因子间相互作用、相互影响。处于西北地区东部一带的干旱，就其成因而言，与大气环流调整、青藏高压与西太平洋副高的位置及强度的变化、赤道东太平洋海温的变化、青藏高原大气低频振荡、大气长波调整、青藏高原及乌拉尔地区雪盖面积大小等密切相关。2.1冬季北半球稳定的大型环流系统中，位于青藏高原北部的高压脊和亚洲东岸的东亚大槽，在由冬向夏调整的过程中，大气超长波的频率及其叠加，造成高压脊与低压槽强度的变化。位势高度振荡的频率主要在低频部分，其随时间的变化主要是由低频部分的变化决定的，因此大气低频振荡与陇东地区的干旱相关关系密切。大气长波的演变，新疆脊逐步加强，东亚大槽逐步加深，即在高度距平场上，日本海一带为负距平，新疆一带为正距平，即表现为“西高东低”、“西正东负”，与其相应的中纬度北风较强，偏南气流较弱，水汽条件较差，气团干冷较稳定，易在陇东产生干旱。2007年春季（以4月份为代表）100hPa、500hPa高度场分布图见图2、图3，东亚4大槽位置及青藏高原指数序列见图4。由图2、图3知，在青藏高原至贝湖一带为强盛的高压脊区，经度跨度达60度；而亚洲东部沿岸的低槽区深厚宽广。对应在距平场上，西伯利亚大部、中亚和欧洲大部为高于+8dagpm的正距平覆盖，其中欧洲地区中心值超过160位势米。俄罗斯的欧洲部分至西亚大部、北大西洋西北部和北太平洋北部一带为负距平覆盖，中心值低于-8dagpm。由图4知，春季东亚大槽与历年相比处于发展加深阶段。青藏高原的热力状况与南亚高压的南北位置震荡及东亚大槽的强弱有着密切的关系。今年春季高原温度偏低，南亚高压位置偏北，东亚大槽深，纬向西风气流明显增强，偏南暖湿风场弱。由此高度场配置情况直接导致了西北地区东部等广大地区干旱的发生。图22007年4月北半球100hPa月平均位势高度（左）及距平（右）（10gpm）Fig.2MonthlyMean100hPaGeopotentialHeights（left）andAnomalies（right）intheNorthernHemisphere图32007年4月北半球500hPa月平均位势高度（左）及距平（右）（10gpm）Fig.3MonthlyMean500hPaGeopotentialHeights（left）andAnomalies（right）intheNorthernHemisphere5图4东亚大槽位置（上）及青藏高原指数（下）序列Fig.4PositionoftheEastAsianTrough(top)andtheTibetPlateau(bottom)2.2青藏高原的动力及热力作用突显，促使干旱发展加剧。由于高原地形的原因，产生绕流运动，而在高原北部80°E附近常出现“新疆脊”。由于高原地形的热力原因，春末初夏，在对流层顶附近形成了强大的青藏高压。青藏高压脊线季节性北跳时间的早晚，其中心的位置、范围，与西北东部的降水关系密切。青藏高压高度场比历年平均状态偏高，强的暖平流脊发展，强的冷平流槽发展。中纬度大气的斜压性很强，从而导致高原北侧气流幅散加强，负涡度加大，下沉运动增强。青藏高原冬季为一冷源，而夏季为一热源，这种热力扰动使大气温度场产生扰动。由于其热力作用，陆-气、气-气发生热量及动量的交换变化，高原上空盛行上升气流，平均有效位能向平均动能转换，对流层有效位能减少，大气斜压性减小，涡动动能可能减小。与之相联系的在高原外围有补偿下沉气流。其与高原的动力作用叠加，下沉气流强盛，大气层结趋于稳定，不易形成云雨天气。由图5知，2007年春季大气从Ekman层到行星边界层青藏高压强盛。在850hPa平均速度势距平及辐散风距平图上，在以青藏高原为中心的大约30个经度为半径的广大地区，为反气旋控制区，气流以青藏高原为中心，向四周扩散，呈辐散气流，速度势距平为大值区，相应的辐散风距平亦为大值区，且范围明显向西北东部一带扩大，西北东部在辐散气流距平大值区。对应200hPa平均速度势距平及辐散风距平图上，在东南沿海内陆一带，为速度势距平负值区，为辐合气流，且为辐合气流的大值区。这样，就从地面到高空形成了一个低层辐散、高层辐合的闭合环流圈，抑制产生降水天气的动力作用明显。6图52007年4月份平均速度势距平及幅散风距平Fig.5AnomaliesforMonthlyMeanVelocityPotentialandDivergentWindVector流函数是表征任何一条流线与零值流线之间流体的流量的物理量。由于青藏高原的热力原因，在图6的850hPa及200hPa上，4月份中国的中东部及东南亚等广大区域为偏东风，矢量风偏大，东西风切变弱。由此，西北东部等广大地区为暖气团控制区，偏西北冷空气势力弱且往往偏北东移。由于没有冷空气配合，很难形成大范围的云雨天气。图64月份平均流函数距平及矢量风距平Fig.6AnomaliesforMonthlyMeanStreamFunctionandVectorWind2.3西太平洋副热带高压位置的西进东退、北抬南压对西北地区干旱影响明显。副热带高压是一个环绕地球副热带地区的动力性高压带，其常年存在且稳定少动。它是制约大气环流变化的重要系统之一，其活动对中、低纬度的天气变化起着极为重要的作用。西太平洋副高西部的脊，其位置、强度、范围随季节的变化，对西北地区东部降水影响较大。西太平洋副高的北侧，与西风带锋区相邻，多西风带槽、气旋和锋面活动，幅合7上升气流强盛，常形成一个宽广的云雨带，再向北，则天气晴好。西太平洋副高的变动与周围天气系统强弱、位置变化有关联关系。从2007年2月开始，西太平洋副高脊线位置与历年同期平均相比偏南，尤其4月上旬、5月中旬-6月上旬明显偏南约5个多纬度（见图7）。西太平洋副高北上迟缓，位置偏南、面积指数偏小（见图8），低空急流偏南，雨带集中于淮河及长江流域，西北东部广大地区西风环流较为强盛，为反气旋控制区，呈辐散气流，湍流较弱，气团趋于稳定，而偏南暖湿气流难以到达西北地区，本地长期湿度条件差，气候干燥，不利于形成大的降水天气过程，易造成持续性干旱。图7115-145E平均500hPa副高脊线位置变化（虚线为气候平均值）Fig.7Var