江 颖，隆 霄，邹小松，周国兵，孟晓文，杨子凡

（1.福州市气象局，福建 福州350008；2.兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州730000；3.福州市闽清县气象局，福建 闽清350800；4.重庆市气象台 重庆401147；5.中国人民解放军95810部队气象台，北京100076；6.酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉735000）

在气象灾害中，干旱是一种温度异常偏高且持续时间较长、影响范围较大的气象灾害事件，占气象总灾害的50%以上[1]。它对农业生产、生态环境和社会经济发展产生严重影响。

中国是世界上受干旱影响最为严重的国家之一，我国西北地区远离海洋，加之因地形对湿润气流的阻挡作用，形成了典型的干旱和半干旱气候特征。进入21世纪以来我国南方和东部地区也受到旱灾的影响，不过这种旱灾的持续时间稍短，一般维持几个月。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灾，云南大部、贵州西部和广西西北部地区已达特大干旱等级，其持续时间之长为历史罕见，对工农业生产和人民生活造成极大影响[2]。2006年夏季川渝大旱是该地区自1951年有气象记录以来最为严重的特大伏旱过程，对于此次川渝地区的干旱事件已有部分学者进行了研究。如李永华等[3]对2006年夏季西南地区东部特大干旱期间大气环流的异常特征分析指出，西太平洋副高异常偏北且偏西和副高异常偏弱且偏东时，西南地区东部均可能出现严重干旱。刘晓冉[4]对2006年盛夏期间850 hPa流场分析发现，南海附近的气旋性异常环流的维持和发展及西南地区持续盛行东北异常气流，抑制了来自南海的西南气流的北上，这可能也是造成我国西南地区水汽输送减少的主要原因。齐冬梅[14]利用2006年西南地区东部37个测站逐日降水量、气温资料和NCEP再分析日平均资料，通过相关分析和合成分析表明：当高原夏季风偏强（弱）时，南亚高压、中高纬度环流、西太副高、西风带环流、低层流场以及垂直运动等均有显著变化，进而影响到西南地区东部夏季气候。这些研究主要关注的是干旱极端天气过程中环流异常和水汽输送异常特征，然而干旱过程常常是某种状态的异常环流型持续发展和长期维持的结果[5-6]。环流异常又与大气动力学特征的异常变化相伴，因此利用大气动力学变量可以有效地捕捉到环流异常变化信息。赵兵科等[7]通过位涡诊断对2003年夏季梅雨期间一次强江淮气旋的发展过程进行了研究。赵亮等[8]通过多时间尺度分析方法，得到表征夏季风时期冷空气活动的最优指标——位涡。此外，Hussian等[9]对2004年8月阿拉斯加湾阻塞形势导致的热浪过程分析表明，涡度拟能的变化可以用来判断阻塞形势的变化特征。从可预报性角度来考虑，干旱过程的形成、发展到消亡与环流形势的变化密切相关。Jensen等[10]指出局地涡度拟能积分和涡度拟能的变化不仅能精确地预报阻塞事件，对环流的变化也能起到预报作用。因此，本文将以2006年川渝特大伏旱事件为研究对象，分析位涡、涡度拟能等动力热力学变量在此次干旱发展演变过程中异常分布及其变化特征。

1 资料和方法

文中所用资料包括欧洲数值预报中心（ECMWF）提供的再分析数据ERA-interim资料（以下简称“ERA”）和重庆市气象局提供的重庆地区常规观测资料。ERA-interim是欧洲中心ECMWF继ERA40后推出的一套新的再分析资料，该资料在数据处理上由三维同化系统（3DVAR）发展成12 h分析窗的四维同化系统（4DVAR），水平分辨率提高到约80 km（T255谱截断），同时修改了模式的有关参数，并融合了更多的卫星资料和地面资料[17]。其水平分辨率为 0.25°×0.25°，垂直 28层，时间分辨率为每6 h一次。选取时段为2006—2011年7—9月，选取物理量包括位涡、位势高度、风和相对涡度等。重庆地区常规观测资料经过质量控制，站点数据无缺失，观测数据整体质量良好。本文选取2006—2011年7—9月重庆站的降水和气温数据。

本文主要从位涡和涡度拟能等物理量的演变来分析此次干旱事件。已有研究证明，在有限边界地区内的涡度拟能（涡度的平方）积分（IRE=∫∫ζ2）约等于正的局地Lyapunov指数（LLE）[11-12]，因此涡度拟能可以作为判断环流稳定性的因子。用涡度拟能积分（IRE）可来诊断环流的稳定度（可预报性）：当IRE为低值时，表明流场稳定，高值则表示流场不稳定。IRE从高值到低值的变化可表征流场从不稳定到稳定的变化；反之，当IRE的值从低到高变化时，流场则表现为从稳定流型到不稳定流型的演变。

图1 重庆地区2006年7月1日—9月10日日最高气温（蓝实线）、日平均气温（绿虚线）时间变化（a，单位：℃）及同期降水随时间的变化（b，单位：mm）

2 旱情特征

2006年夏季川渝地区的特大干旱事件是该地区有气象记录以来最为严重的干旱事件。期间四川省先后有125县（市）发生伏旱，主旱区分布在四川盆地的东部、中部和南部等地区。其中26县（市）旱期达50 d以上，中江、南充、遂宁等地的高温时间最长达到70～71 d。全省农作物受灾20 000 km2以上，成灾10 000 km2以上，绝收3000 km2以上，损失粮食481.4万t，造成农业经济损失79.6亿元[13]。以重庆为例，根据重庆站观测的地面气温时间演变显示，从7月11日重庆地区进入高温期，9月5日高温结束。在此期间日最高气温绝大多数在35℃以上，最高达到42℃，平均为31.2℃左右，日最低气温在30℃左右（图1a）。地面气温的统计分析表明，重庆地区高于35、38℃和40℃的天数分别为48、21 d和9 d（表1），高温持续时间长（重庆地区将日最高气温≥35℃作为高温日、≥38℃作为重高温日、≥40℃作为严重高温日）。同期重庆站的降水变化显示，从7月7日降水过程之后7月11日重庆地区进入高温时期，8月20日有一次弱降水过程（过程降水量仅为8.8 mm），但降水过后仍维持高温天气直至9月5日开始的持续4 d降水过程后高温天气结束。一般7—9月是川渝地区主要降水季节，统计重庆站2007—2011年7—8月累计平均降水量为106.80 mm，2006年同期降水量仅为 47.45 mm，不到2007—2011年平均降水量的一半（图1b）。

以上分析表明，2006年川渝大旱主要表现为高温持续时间长，降水量明显偏少。这种异常的天气现象与大气环流异常密切相关。本文将2007—2011年7—8月平均环流状态作为参考态，对比分析2006年大气环流及动力学场的异常分布特征。

表1 重庆地区2006年7月1日—9月10日高温日、重高温日及严重高温日的统计

3 2006年川渝地区环流及动力学异常特征分析

2007—2011年7 —8月平均 700 hPa风场显示，川渝地区在东亚季风的影响下，主要为西南风控制（图2a）。而2006年同期700 hPa风场与2007—2011年平均风场的矢量差表明，相对于平均风场分布而言，2006年川渝地区出现弱的反气旋式异常环流（图 2b）。

对流层中层500 hPa，2007—2011年夏季川渝地区位于西太平洋副高西侧边缘及东亚大槽底部处（图3a）。而2006年西太副高位置偏西偏北，强度明显偏强。脊线（588线）位于28°N附近，586线西伸更明显，川渝地区为西太平洋副热带高压控制。受西太平洋副热带高压西伸北抬的影响，东亚大槽明显减弱，川渝地区出现弱的异常偏东气流（图3b）。

夏季南亚高压是对流层上部强大的大气活动中心，它对北半球大气环流和中国天气气候，尤其是对中国夏季大范围旱涝分布及亚洲的天气气候，均有重要影响。2007—2011年平均的300 hPa环流特征为南亚高压闭合中心在 28°N 附近，75°～100°E。其反气旋性环流则控制中国大部分地区，川渝地区位于南亚高压闭合中心的东侧高空急流的出口区附近，主要为偏北气流所控制（图4a）。与平均环流相比，2006年川渝地区在300 hPa出现明显异常偏东南风，且在西侧和北侧分别出现明显的气旋式异常环流和反气旋式异常环流（图4b）。

2006年川渝大旱期间降水明显偏少，这与水汽的输送特征异常有关。从图2a的风场分布可知，川渝地区7—8月降水的水汽供应主要是由来自孟加拉湾和南海的西南气流输送的水汽。2006年7—8月水汽通量散度垂直积分（250～1000 hPa）在川渝地区表现为水汽通量辐散异常（图5），同时700 hPa出现异常的偏北风水汽通量，不利于南方西南暖湿气流的输送。

图2 2007—2011年7—8月700 hPa年平均风场（矢量，单位：m/s）与年平均位势高度场（等值线，单位：gpm）（a）及2006年7—8月700 hPa平均风场与2007—2011年同期平均风场的矢量差（矢量，单位：m/s）与平均位势高度（等值线，单位：gpm）（b）

4 涡度拟能和位涡诊断分析

此次干旱事件主要是由西太平洋副热带高压的位置异常所致。西太平洋副热带高压位置变化不仅与动力因子有关，也受非绝热加热的影响，而位涡又是一个可以综合表征大气动力状态和热力状态的物理量[8，18]，所以分析此次环流异常期间湿位涡的变化特征。吴志彦等[16]指出：高空为正位涡异常时（涡度和静力稳定度大值区），正位涡异常区内等位温面向正位涡异常中心收拢，造成与正位涡异常中心上方和下方相邻的等熵面距离增大，导致那里的静力稳定度减小；高空为负位涡异常时则相反，会导致静力稳定度增大。 从 30°N 上 70°～140°E范围内 300 hPa位涡逐日演变过程可以看出（图6），7月1日—9月14日期间位涡主要呈纬向分布且变化特征的阶段性非常明显，呈现“正—负—正”的变化特征。7月1—31 日沿 30°N，在 70°～140°E 之间为正位涡，此后至9月1日主要为负位涡，9月2—14日则为正位涡。其中，7月10日左右位涡达到最大（约为6 PVU），此后正位涡缓慢减小，在8月1日达到零值；至9月1日期间主要呈弱的负位涡特征，9月2日左右位涡出现快速增长，至6日出现最大正位涡（8 PVU）。由于高层位涡主要反映干冷空气的活动，位涡减小表示副高加强后冷空气势力减弱，环流稳定度增大，所以位涡的这种变化特征与西太平洋副热带高压进入川渝地区（图7c，7d）和退出川渝地区（图7g，7h）的阶段有较好的对应关系。当副高退出川渝地区后，干旱过程结束。

图3 2007—2011年7—8月500 hPa年平均风场（矢量，单位：m/s）与年平均位势高度场（等值线，单位：gpm）（a）及2006年7—8月500 hPa平均风场与2007—2011年同期平均风场的矢量差（矢量，单位：m/s）与平均位势高度（等值线，单位：gpm）（b）

图4 2007—2011年7—8月300 hPa年平均风场（矢量，单位：m/s）与年平均位势高度场（等值线，单位：gpm）（a）及2006年7—8月300 hPa平均风场与2007—2011年同期平均风场的矢量差（矢量，单位：m/s）与平均位势高度（等值线，单位：gpm）（b）

图5 2006年7—8月700 hPa水汽通量（矢量，单位：kg·m·s-1·kg-1）及水汽通量散度垂直积分（250～1000 hPa）（阴影，单位：10-6kg·s-1·kg-1）

干旱过程形成和发展演变的预测对于减少干旱带来的损失有重要意义。一般而言，持续干旱是一种大尺度环流异常维持的结果，而大尺度运动是一种缓慢变化的涡旋运动。P坐标系中的涡度方程[15]为：

图6 2006年7月1日—9月14日30°N，70°～140°E 300 hPa位涡逐日变化（单位：10-6K·m2·kg-1·s-1）

式中，F为摩擦力，其他符号为气象学中常用物理量符号。对于大尺度大气运动而言，不考虑摩擦作用和辐散项的涡度方程可简化为：

通过涡度拟能的变化来判断流型变化，由（2）式的涡度方程可以推导出如下的涡度拟能局地变化方程：

当-涡度拟能的局地变化减弱，流型将趋于更加稳定；反之，涡度拟能的局地变化增强，流型将趋于不稳定。因此有限区域内符号发生变号时，意味着局地大气环流将发生调整。

图7 7月1日—9月14日500 hPa涡度拟能平流（a，单位：10-15·s-3）、涡度拟能积分（b，单位：10-10·s-2）随时间变化及 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的位势高度

下面将主要分析川渝地区特大干旱事件期间的涡度拟能平流和涡度拟能的变化特征。进行涡度拟能和涡度拟能平流的区域为 103°～112°E，28°～35°N。川渝地区500 hPa的大气环流在7月10日前后发生显著变化：7月9日川渝地区为两个高压系统之间的低值区，7月11日西太平洋副热带高压明显西伸，川渝地区转为高压环流控制（图7c，7d）。在此期间，涡度拟能（IRE）突然上升（图7b），涡度拟能平流发生突变，在7月11日出现正的最大正平流（图7a）。此后涡度拟能平流迅速减小为负平流，这种负平流的特征一直维持至9月6日（图7a），涡度拟能也在这日由低值突变到高值（图7b）。该阶段川渝地区的大气环流也出现明显调整，9月5日川渝地区为闭合高压系统所控制，至6日高压系统明显减弱，该地区为低压槽系统所控制（图7g，7h）。这说明在川渝地区干旱的形成阶段和结束阶段，涡度拟能平流均发生明显变化。在干旱事件维持期间，涡度拟能在8月20日（图7b）发生一次显著的突变，这与川渝地区出现一次降水过程相对应，此次降水过程与倒槽向东北方向伸展至川渝区有关（图7e，7f），这说明涡度拟能较好地对应环流调整的关系，对川渝地区干旱事件的形成和发展有一定的表征能力。

5 结论和讨论

利用欧洲中心ERA-interim资料，以2007—2011年7—8月的5 a平均作为参考态，对比分析了2006年川渝大旱期间的环流及有关物理量的异常分布特征，进一步诊断分析了干旱事件期间位涡、涡度拟能（IRE）和涡度拟能平流的演变特征，得到以下结论：

（1）与2007—2011年7—8月的平均环流分布特征相比，2006年同期700 hPa风场在川渝地区表现为异常反气旋环流；500 hPa西太平洋副热带高压异常偏西偏北，川渝地区在高压控制之下，且出现异常的偏东气流；300 hPa风场在川渝地区西侧和北侧分别出现明显的气旋式和反气旋式异常环流。与2007—2011年7—8月的水汽通量散度相比，2006年同期250～1000 hPa水汽通量散度垂直积分在川渝地区出现异常的水汽通量辐散区。这种环流及水汽通量散度异常分布特征表明，2006年川渝大旱期间受环流异常配置及水汽输送异常分布导致该地区水汽供给不足，下沉气流明显，有利于川渝地区干旱异常事件的维持和发展。

（2）2006年7月1日—9月15日300 hPa位涡在30°N随时间的变化显示，位涡的纬向分布特征明显，呈现“正—负—正”的变化特征，与西太平洋副热带高压进入和退出川渝地区有较好的对应关系。

（3）500 hPa平均涡度拟能积分与涡度拟能平流随时间的变化分析表明，当环流进行调整时，局地涡度拟能积分会突然增大，涡度拟能平流发生由负到正的变化，根据涡度拟能和位涡能很好地判断出干旱异常事件开始和结束时间。

本文的分析主要针对持续时间为几个月尺度的干旱事件，对于持续时间更长的（年）干旱过程（比如非洲几年的干旱过程和云南跨年尺度的干旱过程），由于大气环流的冬夏季及年际的变化特征可能更明显，涡度拟能、涡度拟能平流和位涡来诊断可能存在明显的不足，文中仅就2006年的川渝干旱事件进行了分析，更多的过程分析则是下一步的工作。