江 穎，隆 霄，鄒小松，周國(guó)兵，孟曉文，楊子凡

（1.福州市氣象局，福建 福州350008；2.蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州730000；3.福州市閩清縣氣象局，福建 閩清350800；4.重慶市氣象臺(tái) 重慶401147；5.中國(guó)人民解放軍95810部隊(duì)氣象臺(tái)，北京100076；6.酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉735000）

在氣象災(zāi)害中，干旱是一種溫度異常偏高且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)、影響范圍較大的氣象災(zāi)害事件，占?xì)庀罂倿?zāi)害的50%以上[1]。它對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

中國(guó)是世界上受干旱影響最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，我國(guó)西北地區(qū)遠(yuǎn)離海洋，加之因地形對(duì)濕潤(rùn)氣流的阻擋作用，形成了典型的干旱和半干旱氣候特征。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)我國(guó)南方和東部地區(qū)也受到旱災(zāi)的影響，不過(guò)這種旱災(zāi)的持續(xù)時(shí)間稍短，一般維持幾個(gè)月。例如2009年年末至2010年年初，云南省遭遇百年一遇的全省性特大旱災(zāi)，云南大部、貴州西部和廣西西北部地區(qū)已達(dá)特大干旱等級(jí)，其持續(xù)時(shí)間之長(zhǎng)為歷史罕見，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成極大影響[2]。2006年夏季川渝大旱是該地區(qū)自1951年有氣象記錄以來(lái)最為嚴(yán)重的特大伏旱過(guò)程，對(duì)于此次川渝地區(qū)的干旱事件已有部分學(xué)者進(jìn)行了研究。如李永華等[3]對(duì)2006年夏季西南地區(qū)東部特大干旱期間大氣環(huán)流的異常特征分析指出，西太平洋副高異常偏北且偏西和副高異常偏弱且偏東時(shí)，西南地區(qū)東部均可能出現(xiàn)嚴(yán)重干旱。劉曉冉[4]對(duì)2006年盛夏期間850 hPa流場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，南海附近的氣旋性異常環(huán)流的維持和發(fā)展及西南地區(qū)持續(xù)盛行東北異常氣流，抑制了來(lái)自南海的西南氣流的北上，這可能也是造成我國(guó)西南地區(qū)水汽輸送減少的主要原因。齊冬梅[14]利用2006年西南地區(qū)東部37個(gè)測(cè)站逐日降水量、氣溫資料和NCEP再分析日平均資料，通過(guò)相關(guān)分析和合成分析表明：當(dāng)高原夏季風(fēng)偏強(qiáng)（弱）時(shí)，南亞高壓、中高緯度環(huán)流、西太副高、西風(fēng)帶環(huán)流、低層流場(chǎng)以及垂直運(yùn)動(dòng)等均有顯著變化，進(jìn)而影響到西南地區(qū)東部夏季氣候。這些研究主要關(guān)注的是干旱極端天氣過(guò)程中環(huán)流異常和水汽輸送異常特征，然而干旱過(guò)程常常是某種狀態(tài)的異常環(huán)流型持續(xù)發(fā)展和長(zhǎng)期維持的結(jié)果[5-6]。環(huán)流異常又與大氣動(dòng)力學(xué)特征的異常變化相伴，因此利用大氣動(dòng)力學(xué)變量可以有效地捕捉到環(huán)流異常變化信息。趙兵科等[7]通過(guò)位渦診斷對(duì)2003年夏季梅雨期間一次強(qiáng)江淮氣旋的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了研究。趙亮等[8]通過(guò)多時(shí)間尺度分析方法，得到表征夏季風(fēng)時(shí)期冷空氣活動(dòng)的最優(yōu)指標(biāo)——位渦。此外，Hussian等[9]對(duì)2004年8月阿拉斯加灣阻塞形勢(shì)導(dǎo)致的熱浪過(guò)程分析表明，渦度擬能的變化可以用來(lái)判斷阻塞形勢(shì)的變化特征。從可預(yù)報(bào)性角度來(lái)考慮，干旱過(guò)程的形成、發(fā)展到消亡與環(huán)流形勢(shì)的變化密切相關(guān)。Jensen等[10]指出局地渦度擬能積分和渦度擬能的變化不僅能精確地預(yù)報(bào)阻塞事件，對(duì)環(huán)流的變化也能起到預(yù)報(bào)作用。因此，本文將以2006年川渝特大伏旱事件為研究對(duì)象，分析位渦、渦度擬能等動(dòng)力熱力學(xué)變量在此次干旱發(fā)展演變過(guò)程中異常分布及其變化特征。

1 資料和方法

文中所用資料包括歐洲數(shù)值預(yù)報(bào)中心（ECMWF）提供的再分析數(shù)據(jù)ERA-interim資料（以下簡(jiǎn)稱“ERA”）和重慶市氣象局提供的重慶地區(qū)常規(guī)觀測(cè)資料。ERA-interim是歐洲中心ECMWF繼ERA40后推出的一套新的再分析資料，該資料在數(shù)據(jù)處理上由三維同化系統(tǒng)（3DVAR）發(fā)展成12 h分析窗的四維同化系統(tǒng)（4DVAR），水平分辨率提高到約80 km（T255譜截?cái)啵?，同時(shí)修改了模式的有關(guān)參數(shù)，并融合了更多的衛(wèi)星資料和地面資料[17]。其水平分辨率為 0.25°×0.25°，垂直 28層，時(shí)間分辨率為每6 h一次。選取時(shí)段為2006—2011年7—9月，選取物理量包括位渦、位勢(shì)高度、風(fēng)和相對(duì)渦度等。重慶地區(qū)常規(guī)觀測(cè)資料經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制，站點(diǎn)數(shù)據(jù)無(wú)缺失，觀測(cè)數(shù)據(jù)整體質(zhì)量良好。本文選取2006—2011年7—9月重慶站的降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)。

本文主要從位渦和渦度擬能等物理量的演變來(lái)分析此次干旱事件。已有研究證明，在有限邊界地區(qū)內(nèi)的渦度擬能（渦度的平方）積分（IRE=∫∫ζ2）約等于正的局地Lyapunov指數(shù)（LLE）[11-12]，因此渦度擬能可以作為判斷環(huán)流穩(wěn)定性的因子。用渦度擬能積分（IRE）可來(lái)診斷環(huán)流的穩(wěn)定度（可預(yù)報(bào)性）：當(dāng)IRE為低值時(shí)，表明流場(chǎng)穩(wěn)定，高值則表示流場(chǎng)不穩(wěn)定。IRE從高值到低值的變化可表征流場(chǎng)從不穩(wěn)定到穩(wěn)定的變化；反之，當(dāng)IRE的值從低到高變化時(shí)，流場(chǎng)則表現(xiàn)為從穩(wěn)定流型到不穩(wěn)定流型的演變。

圖1 重慶地區(qū)2006年7月1日—9月10日日最高氣溫（藍(lán)實(shí)線）、日平均氣溫（綠虛線）時(shí)間變化（a，單位：℃）及同期降水隨時(shí)間的變化（b，單位：mm）

2 旱情特征

2006年夏季川渝地區(qū)的特大干旱事件是該地區(qū)有氣象記錄以來(lái)最為嚴(yán)重的干旱事件。期間四川省先后有125縣（市）發(fā)生伏旱，主旱區(qū)分布在四川盆地的東部、中部和南部等地區(qū)。其中26縣（市）旱期達(dá)50 d以上，中江、南充、遂寧等地的高溫時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)到70～71 d。全省農(nóng)作物受災(zāi)20 000 km2以上，成災(zāi)10 000 km2以上，絕收3000 km2以上，損失糧食481.4萬(wàn)t，造成農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失79.6億元[13]。以重慶為例，根據(jù)重慶站觀測(cè)的地面氣溫時(shí)間演變顯示，從7月11日重慶地區(qū)進(jìn)入高溫期，9月5日高溫結(jié)束。在此期間日最高氣溫絕大多數(shù)在35℃以上，最高達(dá)到42℃，平均為31.2℃左右，日最低氣溫在30℃左右（圖1a）。地面氣溫的統(tǒng)計(jì)分析表明，重慶地區(qū)高于35、38℃和40℃的天數(shù)分別為48、21 d和9 d（表1），高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)（重慶地區(qū)將日最高氣溫≥35℃作為高溫日、≥38℃作為重高溫日、≥40℃作為嚴(yán)重高溫日）。同期重慶站的降水變化顯示，從7月7日降水過(guò)程之后7月11日重慶地區(qū)進(jìn)入高溫時(shí)期，8月20日有一次弱降水過(guò)程（過(guò)程降水量?jī)H為8.8 mm），但降水過(guò)后仍維持高溫天氣直至9月5日開始的持續(xù)4 d降水過(guò)程后高溫天氣結(jié)束。一般7—9月是川渝地區(qū)主要降水季節(jié)，統(tǒng)計(jì)重慶站2007—2011年7—8月累計(jì)平均降水量為106.80 mm，2006年同期降水量?jī)H為 47.45 mm，不到2007—2011年平均降水量的一半（圖1b）。

以上分析表明，2006年川渝大旱主要表現(xiàn)為高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，降水量明顯偏少。這種異常的天氣現(xiàn)象與大氣環(huán)流異常密切相關(guān)。本文將2007—2011年7—8月平均環(huán)流狀態(tài)作為參考態(tài)，對(duì)比分析2006年大氣環(huán)流及動(dòng)力學(xué)場(chǎng)的異常分布特征。

表1 重慶地區(qū)2006年7月1日—9月10日高溫日、重高溫日及嚴(yán)重高溫日的統(tǒng)計(jì)

3 2006年川渝地區(qū)環(huán)流及動(dòng)力學(xué)異常特征分析

2007—2011年7 —8月平均 700 hPa風(fēng)場(chǎng)顯示，川渝地區(qū)在東亞季風(fēng)的影響下，主要為西南風(fēng)控制（圖2a）。而2006年同期700 hPa風(fēng)場(chǎng)與2007—2011年平均風(fēng)場(chǎng)的矢量差表明，相對(duì)于平均風(fēng)場(chǎng)分布而言，2006年川渝地區(qū)出現(xiàn)弱的反氣旋式異常環(huán)流（圖 2b）。

對(duì)流層中層500 hPa，2007—2011年夏季川渝地區(qū)位于西太平洋副高西側(cè)邊緣及東亞大槽底部處（圖3a）。而2006年西太副高位置偏西偏北，強(qiáng)度明顯偏強(qiáng)。脊線（588線）位于28°N附近，586線西伸更明顯，川渝地區(qū)為西太平洋副熱帶高壓控制。受西太平洋副熱帶高壓西伸北抬的影響，東亞大槽明顯減弱，川渝地區(qū)出現(xiàn)弱的異常偏東氣流（圖3b）。

夏季南亞高壓是對(duì)流層上部強(qiáng)大的大氣活動(dòng)中心，它對(duì)北半球大氣環(huán)流和中國(guó)天氣氣候，尤其是對(duì)中國(guó)夏季大范圍旱澇分布及亞洲的天氣氣候，均有重要影響。2007—2011年平均的300 hPa環(huán)流特征為南亞高壓閉合中心在 28°N 附近，75°～100°E。其反氣旋性環(huán)流則控制中國(guó)大部分地區(qū)，川渝地區(qū)位于南亞高壓閉合中心的東側(cè)高空急流的出口區(qū)附近，主要為偏北氣流所控制（圖4a）。與平均環(huán)流相比，2006年川渝地區(qū)在300 hPa出現(xiàn)明顯異常偏東南風(fēng)，且在西側(cè)和北側(cè)分別出現(xiàn)明顯的氣旋式異常環(huán)流和反氣旋式異常環(huán)流（圖4b）。

2006年川渝大旱期間降水明顯偏少，這與水汽的輸送特征異常有關(guān)。從圖2a的風(fēng)場(chǎng)分布可知，川渝地區(qū)7—8月降水的水汽供應(yīng)主要是由來(lái)自孟加拉灣和南海的西南氣流輸送的水汽。2006年7—8月水汽通量散度垂直積分（250～1000 hPa）在川渝地區(qū)表現(xiàn)為水汽通量輻散異常（圖5），同時(shí)700 hPa出現(xiàn)異常的偏北風(fēng)水汽通量，不利于南方西南暖濕氣流的輸送。

圖2 2007—2011年7—8月700 hPa年平均風(fēng)場(chǎng)（矢量，單位：m/s）與年平均位勢(shì)高度場(chǎng)（等值線，單位：gpm）（a）及2006年7—8月700 hPa平均風(fēng)場(chǎng)與2007—2011年同期平均風(fēng)場(chǎng)的矢量差（矢量，單位：m/s）與平均位勢(shì)高度（等值線，單位：gpm）（b）

4 渦度擬能和位渦診斷分析

此次干旱事件主要是由西太平洋副熱帶高壓的位置異常所致。西太平洋副熱帶高壓位置變化不僅與動(dòng)力因子有關(guān)，也受非絕熱加熱的影響，而位渦又是一個(gè)可以綜合表征大氣動(dòng)力狀態(tài)和熱力狀態(tài)的物理量[8，18]，所以分析此次環(huán)流異常期間濕位渦的變化特征。吳志彥等[16]指出：高空為正位渦異常時(shí)（渦度和靜力穩(wěn)定度大值區(qū)），正位渦異常區(qū)內(nèi)等位溫面向正位渦異常中心收攏，造成與正位渦異常中心上方和下方相鄰的等熵面距離增大，導(dǎo)致那里的靜力穩(wěn)定度減??；高空為負(fù)位渦異常時(shí)則相反，會(huì)導(dǎo)致靜力穩(wěn)定度增大。 從 30°N 上 70°～140°E范圍內(nèi) 300 hPa位渦逐日演變過(guò)程可以看出（圖6），7月1日—9月14日期間位渦主要呈緯向分布且變化特征的階段性非常明顯，呈現(xiàn)“正—負(fù)—正”的變化特征。7月1—31 日沿 30°N，在 70°～140°E 之間為正位渦，此后至9月1日主要為負(fù)位渦，9月2—14日則為正位渦。其中，7月10日左右位渦達(dá)到最大（約為6 PVU），此后正位渦緩慢減小，在8月1日達(dá)到零值；至9月1日期間主要呈弱的負(fù)位渦特征，9月2日左右位渦出現(xiàn)快速增長(zhǎng)，至6日出現(xiàn)最大正位渦（8 PVU）。由于高層位渦主要反映干冷空氣的活動(dòng)，位渦減小表示副高加強(qiáng)后冷空氣勢(shì)力減弱，環(huán)流穩(wěn)定度增大，所以位渦的這種變化特征與西太平洋副熱帶高壓進(jìn)入川渝地區(qū)（圖7c，7d）和退出川渝地區(qū)（圖7g，7h）的階段有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)副高退出川渝地區(qū)后，干旱過(guò)程結(jié)束。

圖3 2007—2011年7—8月500 hPa年平均風(fēng)場(chǎng)（矢量，單位：m/s）與年平均位勢(shì)高度場(chǎng)（等值線，單位：gpm）（a）及2006年7—8月500 hPa平均風(fēng)場(chǎng)與2007—2011年同期平均風(fēng)場(chǎng)的矢量差（矢量，單位：m/s）與平均位勢(shì)高度（等值線，單位：gpm）（b）

圖4 2007—2011年7—8月300 hPa年平均風(fēng)場(chǎng)（矢量，單位：m/s）與年平均位勢(shì)高度場(chǎng)（等值線，單位：gpm）（a）及2006年7—8月300 hPa平均風(fēng)場(chǎng)與2007—2011年同期平均風(fēng)場(chǎng)的矢量差（矢量，單位：m/s）與平均位勢(shì)高度（等值線，單位：gpm）（b）

圖5 2006年7—8月700 hPa水汽通量（矢量，單位：kg·m·s-1·kg-1）及水汽通量散度垂直積分（250～1000 hPa）（陰影，單位：10-6kg·s-1·kg-1）

干旱過(guò)程形成和發(fā)展演變的預(yù)測(cè)對(duì)于減少干旱帶來(lái)的損失有重要意義。一般而言，持續(xù)干旱是一種大尺度環(huán)流異常維持的結(jié)果，而大尺度運(yùn)動(dòng)是一種緩慢變化的渦旋運(yùn)動(dòng)。P坐標(biāo)系中的渦度方程[15]為：

圖6 2006年7月1日—9月14日30°N，70°～140°E 300 hPa位渦逐日變化（單位：10-6K·m2·kg-1·s-1）

式中，F(xiàn)為摩擦力，其他符號(hào)為氣象學(xué)中常用物理量符號(hào)。對(duì)于大尺度大氣運(yùn)動(dòng)而言，不考慮摩擦作用和輻散項(xiàng)的渦度方程可簡(jiǎn)化為：

通過(guò)渦度擬能的變化來(lái)判斷流型變化，由（2）式的渦度方程可以推導(dǎo)出如下的渦度擬能局地變化方程：

當(dāng)-渦度擬能的局地變化減弱，流型將趨于更加穩(wěn)定；反之，渦度擬能的局地變化增強(qiáng)，流型將趨于不穩(wěn)定。因此有限區(qū)域內(nèi)符號(hào)發(fā)生變號(hào)時(shí)，意味著局地大氣環(huán)流將發(fā)生調(diào)整。

圖7 7月1日—9月14日500 hPa渦度擬能平流（a，單位：10-15·s-3）、渦度擬能積分（b，單位：10-10·s-2）隨時(shí)間變化及 7月 9日（c）、7月 11日（d）、8月 19日（e）、8月20日（f）、9月5日（g）和9月6日（h）500 hPa的位勢(shì)高度

下面將主要分析川渝地區(qū)特大干旱事件期間的渦度擬能平流和渦度擬能的變化特征。進(jìn)行渦度擬能和渦度擬能平流的區(qū)域?yàn)?103°～112°E，28°～35°N。川渝地區(qū)500 hPa的大氣環(huán)流在7月10日前后發(fā)生顯著變化：7月9日川渝地區(qū)為兩個(gè)高壓系統(tǒng)之間的低值區(qū)，7月11日西太平洋副熱帶高壓明顯西伸，川渝地區(qū)轉(zhuǎn)為高壓環(huán)流控制（圖7c，7d）。在此期間，渦度擬能（IRE）突然上升（圖7b），渦度擬能平流發(fā)生突變，在7月11日出現(xiàn)正的最大正平流（圖7a）。此后渦度擬能平流迅速減小為負(fù)平流，這種負(fù)平流的特征一直維持至9月6日（圖7a），渦度擬能也在這日由低值突變到高值（圖7b）。該階段川渝地區(qū)的大氣環(huán)流也出現(xiàn)明顯調(diào)整，9月5日川渝地區(qū)為閉合高壓系統(tǒng)所控制，至6日高壓系統(tǒng)明顯減弱，該地區(qū)為低壓槽系統(tǒng)所控制（圖7g，7h）。這說(shuō)明在川渝地區(qū)干旱的形成階段和結(jié)束階段，渦度擬能平流均發(fā)生明顯變化。在干旱事件維持期間，渦度擬能在8月20日（圖7b）發(fā)生一次顯著的突變，這與川渝地區(qū)出現(xiàn)一次降水過(guò)程相對(duì)應(yīng)，此次降水過(guò)程與倒槽向東北方向伸展至川渝區(qū)有關(guān)（圖7e，7f），這說(shuō)明渦度擬能較好地對(duì)應(yīng)環(huán)流調(diào)整的關(guān)系，對(duì)川渝地區(qū)干旱事件的形成和發(fā)展有一定的表征能力。

5 結(jié)論和討論

利用歐洲中心ERA-interim資料，以2007—2011年7—8月的5 a平均作為參考態(tài)，對(duì)比分析了2006年川渝大旱期間的環(huán)流及有關(guān)物理量的異常分布特征，進(jìn)一步診斷分析了干旱事件期間位渦、渦度擬能（IRE）和渦度擬能平流的演變特征，得到以下結(jié)論：

（1）與2007—2011年7—8月的平均環(huán)流分布特征相比，2006年同期700 hPa風(fēng)場(chǎng)在川渝地區(qū)表現(xiàn)為異常反氣旋環(huán)流；500 hPa西太平洋副熱帶高壓異常偏西偏北，川渝地區(qū)在高壓控制之下，且出現(xiàn)異常的偏東氣流；300 hPa風(fēng)場(chǎng)在川渝地區(qū)西側(cè)和北側(cè)分別出現(xiàn)明顯的氣旋式和反氣旋式異常環(huán)流。與2007—2011年7—8月的水汽通量散度相比，2006年同期250～1000 hPa水汽通量散度垂直積分在川渝地區(qū)出現(xiàn)異常的水汽通量輻散區(qū)。這種環(huán)流及水汽通量散度異常分布特征表明，2006年川渝大旱期間受環(huán)流異常配置及水汽輸送異常分布導(dǎo)致該地區(qū)水汽供給不足，下沉氣流明顯，有利于川渝地區(qū)干旱異常事件的維持和發(fā)展。

（2）2006年7月1日—9月15日300 hPa位渦在30°N隨時(shí)間的變化顯示，位渦的緯向分布特征明顯，呈現(xiàn)“正—負(fù)—正”的變化特征，與西太平洋副熱帶高壓進(jìn)入和退出川渝地區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（3）500 hPa平均渦度擬能積分與渦度擬能平流隨時(shí)間的變化分析表明，當(dāng)環(huán)流進(jìn)行調(diào)整時(shí)，局地渦度擬能積分會(huì)突然增大，渦度擬能平流發(fā)生由負(fù)到正的變化，根據(jù)渦度擬能和位渦能很好地判斷出干旱異常事件開始和結(jié)束時(shí)間。

本文的分析主要針對(duì)持續(xù)時(shí)間為幾個(gè)月尺度的干旱事件，對(duì)于持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的（年）干旱過(guò)程（比如非洲幾年的干旱過(guò)程和云南跨年尺度的干旱過(guò)程），由于大氣環(huán)流的冬夏季及年際的變化特征可能更明顯，渦度擬能、渦度擬能平流和位渦來(lái)診斷可能存在明顯的不足，文中僅就2006年的川渝干旱事件進(jìn)行了分析，更多的過(guò)程分析則是下一步的工作。