【文章內(nèi)容簡介】 究中也有使用相對簡單實用的降水距平百分率（Willeke，1994）〔23〕、標準化降水指數(shù)SPI( McKee,1993）〔24，25〕等干旱指標的趨勢；John Keyantash等〔26〕通過對各種氣象干旱指標的普適性（能否廣泛適用于各種自然環(huán)境）、實用性（資料是否易于獲取、計算是否有效可行）、理論性（是否包含明確的物理機制）等關(guān)鍵特性進行綜合分析、評估后也認為，在眾多干旱指數(shù)中，降水成數(shù)仍是最有價值的干旱衡量標準。進入21世紀以來，在發(fā)達國家的干旱監(jiān)測業(yè)務中還有將多種指標綜合在一起、通過一定權(quán)重組合成一個相對客觀的復合干旱指標投入實際應用的趨勢〔27〕。由于目前各國、各地區(qū)在業(yè)務科研中應用的干旱指標還很不統(tǒng)一，每種評定方法既有其優(yōu)點、又有其不足之處；當立足于不同的研究著眼點、選用不同指標進行分析時，對同一干旱事件可能會得出不同的干旱期或干旱強度等級劃分結(jié)果，這往往會對相關(guān)學術(shù)研究造成一些困擾。 其次，由于干旱與其它短期突發(fā)性氣象災害不同，具有多發(fā)性、漸進性、持續(xù)性、累積性、滯后性等特點〔3,23〕，旱情的開始、發(fā)展和結(jié)束以及其嚴重程度、對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟造成的影響等往往得不到及時準確的判斷和評估；加之各種干旱指標均無法合理地反映干旱過程中非氣象因素（如區(qū)域農(nóng)業(yè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、人口和社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、人類的抗災減災行為等）的響應和反饋作用，這也造成了干旱分析難以客觀定量化、無法滿足監(jiān)測預報的時效要求、各種干旱研究成果也難以相互比對借鑒等許多現(xiàn)實的困難。 最后，鑒于干旱是氣候系統(tǒng)、外源強迫以及人類活動等幾方面因素的非線性相互作用結(jié)果〔3,4，28〕；除了不同氣候基本態(tài)之間的轉(zhuǎn)換以及外源強迫（太陽輻射）的循環(huán)演變會對干旱的形成有重要影響外，人類的生產(chǎn)生活也會在相當程度上影響和改變干旱的時空分布和進程〔29～31〕?；跉v史氣候監(jiān)測數(shù)據(jù)和災情統(tǒng)計資料研究得出的干旱演變規(guī)律，往往因為受到人類大規(guī)模砍伐、耕作以及灌溉等行為的持續(xù)影響，已不能作為現(xiàn)今干旱監(jiān)測和預測預報的依據(jù)。因此，及時根據(jù)客觀形勢發(fā)展對干旱評估標準進行更新調(diào)整，并結(jié)合遙感監(jiān)測、區(qū)域社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)分析等其它手段來綜合分析區(qū)域干旱的最新格局，才會有更現(xiàn)實的意義〔32〕。 關(guān)于干旱成因的研究關(guān)于干旱的成因研究，一般分為兩大部分。一是針對區(qū)域性常年降水偏少的“干旱區(qū)”或“干旱氣候”的成因研究，另一方面是針對氣候異常導致的某個時期或時段內(nèi)出現(xiàn)干旱現(xiàn)象的研究。對于“干旱區(qū)”的形成，一般解釋為：或受因副熱帶Hadley環(huán)流的下沉運動（副熱帶高壓）影響；或因山脈地形背風坡下沉運動影響；或因遠離海洋、水汽難以達到所致；或受海洋（海溫）直接影響以及類似青藏高原等大地形的影響等〔33～41〕。而對于氣候異常引起的區(qū)域性干旱事件的成因，研究熱點多集中于作為水汽輸送主要載體的季風環(huán)流活動異常、導致大尺度水汽的輸送和輻合過程出現(xiàn)明顯的改變，進而引起局地旱澇災害發(fā)生的情況：大尺度環(huán)流型的異常、夏季風載體的建立和遲早強弱變化、海洋等水汽源地的特點等都是相關(guān)研究關(guān)注的焦點――由于廣西區(qū)域發(fā)生的干旱就屬于這種情形，它也是本文關(guān)注的重點。蔡英等〔40〕對華北、西北兩區(qū)干、濕年(月)的水汽場及夏季風狀況作了對比分析后認為，近50a以來我國華北和西北東部區(qū)域的明顯干旱化可能與同期東亞夏季風趨于減弱、改變了大尺度水汽輸送及輻合、導致這兩區(qū)域大氣可降水量持續(xù)減少有關(guān)；王寶鑒等〔41〕對西北區(qū)降水異常特征進行分析，并與同期西北區(qū)水汽通量場特征進行了對比，發(fā)現(xiàn)夏季風的強弱與西北地區(qū)降水的多寡有很好的對應關(guān)系；周長艷等〔42〕對東亞地區(qū)秋季的水汽輸送特征和水汽源地進行了研究，指出秋季亞洲季風區(qū)范圍內(nèi)的最大水汽源地位于南海和西太平洋地區(qū)，而2004年秋季這兩個源地對華南地區(qū)的水汽輸送顯著偏少是導致該地區(qū)出現(xiàn)異常干旱的重要原因。鑒于干旱并非簡單地作為洪澇的相反過程、而是與之間存在復雜非線性相互作用的各個氣候系統(tǒng)都有著密切關(guān)系，因此也有學者先后從遙相關(guān)型、大氣熱源變化以及海氣通量交換等氣候系統(tǒng)因子的角度，來研究旱澇災害的成因、機理及其前期強信號特征等重要問題。衛(wèi)捷等〔444〕發(fā)現(xiàn)華北夏季典型干旱年的前期(冬季和春季) 及同期環(huán)流特征是北半球中高緯度500 hPa 高度距平場出現(xiàn)EU 型遙相關(guān)分布，揭示出該遙相關(guān)型在華北夏季干旱發(fā)生與維持時期所起的作用；藍光東〔45〕、簡茂球等[46〕對大氣熱源的時空變化規(guī)律及其與季風環(huán)流的關(guān)系進行了研究，發(fā)現(xiàn)夏季風的建立時間與季風區(qū)對流層中上層非絕熱加熱的變化有非常密切的聯(lián)系，由此引申出從大氣熱源變化的角度來探討我國旱澇災害的成因和機理是有科學依據(jù)的。鑒于海洋與大氣的熱量交換是影響全球氣候變化的重要因素之一，而熱帶太平洋（特別是西太平洋暖池）作為大氣最強大的熱源〔47〕，在全球氣候變化中起著重要作用，因此，從海氣交換、海氣相互作用的角度來探討旱澇的成因機制一直以來都是國際干旱研究的熱點：Hoerlin等〔48〕用大氣環(huán)流模式（GCMs）對1998～2002年間全球中緯度地區(qū)大范圍干旱現(xiàn)象的成因進行了分析和模擬，指出海溫異常與這些干旱事件的形成密切相關(guān)；Barlow等〔49〕就太平洋海溫變化的三個基本模態(tài)（ENSO、PDO和NP型）與美國夏季旱澇之間的關(guān)系進行了研究，指出這三種海溫變化模態(tài)在美國長期干旱事件中起著重要的作用。溫敏等〔50〕對我國旱、澇年太平洋海溫場分布型式的差異進行了研究； Shabbar〔51〕等分析了海溫變化對加拿大夏季干旱形成所起重要作用，并以此為基礎(chǔ)提出了利用海洋或海氣耦合模式來提高干旱預報時效的潛在可能性；吳迪生等〔52〕發(fā)現(xiàn)海氣相互作用對廣東旱澇的影響明顯，秋冬季南海海氣熱量交換較常年增強（或減弱）時，廣東降水將偏多（或偏少）；此外，ENSO事件對全球大氣環(huán)流、海洋環(huán)流和氣候年際變化的重要影響已為眾人所熟知：作為目前為止唯一已經(jīng)確認的真實的全球尺度振蕩、也是迄今為止人類所觀測到的全球大氣和海洋相互耦合的最強信號之一，ENSO事件的發(fā)生是引起全球大氣環(huán)流和水分循環(huán)異常以及短期氣候變化的重要原因〔47〕。國外對ENSO與區(qū)域性干旱的關(guān)系作了多方面的探討：〔53〕分析了1998～2001年間ENSO事件到致的氣候異常在中亞、西南亞持續(xù)干旱事件的重要作用；Goodrich〔54〕就近期ENSO事件對美國西部冬季干旱（降水）的影響進行了細致地分析，指出ENSO冷事件對應著降水偏少、暖事件對應著降水偏多；在國內(nèi)，有關(guān)ENSO事件與各地旱澇之間的關(guān)系也有大量篇幅討論，這里就不過多贅述。 關(guān)于廣西干旱的研究蒙遠文等〔8,55，56〕使用統(tǒng)計分析方法較早地對廣西干旱的分布特征和發(fā)生頻率進行了研究，指出：廣西干旱發(fā)生頻繁，但以局部性居多，約占總年數(shù)的70%；大旱年（即異常干旱年）有10年一周期、且連續(xù)發(fā)生的趨勢；涂方旭等〔57〕對廣西近百年來的降水量序列進行整理、統(tǒng)計后指出，廣西秋季存在著“雨期－干旱期”交替的階段性變化特征，每個雨（旱）期持續(xù)7a～27a不等；黃雪松等〔12〕對廣西境內(nèi)不同區(qū)域的干旱頻數(shù)進行了研究，結(jié)果表明：廣西各地在不同季節(jié)發(fā)生干旱的頻數(shù)是不相同的：其中秋旱發(fā)生的頻數(shù)為五到八成、由西南部向東北部遞增，東北部出現(xiàn)秋旱的頻率最大。在廣西干旱的影響因子和成因機制的研究方面，李耀先等〔56，58〕認為：西風帶系統(tǒng)、熱帶氣旋和ENSO事件對廣西干旱的發(fā)生有著重要影響；他對ENSO事件造成廣西氣候異常的物理機制進行了討論，認為厄爾尼諾事件發(fā)生時Walker環(huán)流和Hadley環(huán)流的變化引起副熱帶高壓增強、臺風生成數(shù)減少，導致廣西前汛期偏澇，后汛期偏旱。李秀存等〔59,60〕也發(fā)現(xiàn)：El Nino事件使廣西使秋季降水偏多、La Nina事件則使之偏少，持續(xù)一年以上長時間的ENSO事件容易造成廣西的異常干旱；黃雪松等〔12〕進一步指出，廣西的地形、地貌特點和一些人為因素也是廣西干旱頻繁發(fā)生的重要原因。陸丹〔61〕使用SVD方法對1998～1999秋冬春季華南特大干旱期間廣西區(qū)域的降水情況與前期、同期北半球500hPa 高度場以及熱帶太平洋（水汽源地）的海溫場進行了統(tǒng)計相關(guān)分析，得出了500hPa 高度場和海溫場關(guān)鍵區(qū)與華南區(qū)降水的對應關(guān)系，并據(jù)此對后期廣西區(qū)域的降水趨勢作出了成功的預報。另外，趙運峰等〔62〕也從冷空氣活動、副高強度以及ENSO事件等方面對2004年廣西異常秋旱的氣候特征作了初步的探討。 存在的問題以及本論文的研究內(nèi)容從上述已有的分析論述中可以看出，盡管學者們從各個角度對廣西干旱災害所做的研究較多，但專門針對秋季干旱所做的專題研究、系統(tǒng)地討論廣西秋季降水變化特征及其成因機制方面的文獻還不多見；對干旱事件的定義和干旱指標應用方面還停留在“連續(xù)少雨日數(shù)”等早期干旱指標定義的基礎(chǔ)上——類似指標美國早在二十世紀初期就已開始使用（Munger〔13〕，1916；Kincer〔14〕，1919）、大量實踐表明這些指標有一定的片面性和局限性；相關(guān)研究也多采用傳統(tǒng)的頻數(shù)統(tǒng)計等方法；從天氣氣候背景的角度來分析討論廣西干旱成因機制等方面的工作還很不系統(tǒng)；對秋季干旱（降水）的年際和年代際變化特征方面及其影響因子等內(nèi)容還有待進一步發(fā)掘；作為瀕臨南海、受海洋因素影響較為直接的區(qū)域，針對秋季降水與海氣相互作用的關(guān)系方面的研究還不多見；對海氣相互作用異常如何引發(fā)大氣環(huán)流的異常、進而造成廣西秋季氣候異常的過程機制等內(nèi)容，也有待進一步深入探討。針對上述問題，本文將利用廣西地區(qū)（即廣西壯族自治區(qū)境內(nèi)）89個氣象觀測站1961年～2006 年的逐日降水資料，結(jié)合同期NCEP/176。176。月平均氣壓場、位勢高度場、溫度場、風場、比濕和相對濕度場等再分析資料，、WHOI的全球海氣潛熱和感熱通量分析資料（OAFlux），比利時皇家觀象臺太陽活動分析中心發(fā)布的1961～2006年月度太陽黑子活動數(shù)據(jù)等資料，運用客觀定量化的小波分析、趨勢（突變）分析、合成分析、相關(guān)分析、水汽通量分析計算等多種方法，對該區(qū)域秋季異常干旱（降水）事件的時空異常分布和變化特征、天氣氣候背景以及可能成因機制等方面的內(nèi)容進行綜合分析研究；并以此為基礎(chǔ)來探討對相關(guān)事件的可能影響因素，為提高相關(guān)事件的長期預報以及短期氣候預測水平提供更多的參考思路。 第2章 資料和方法 資料來源（1） 廣西自治區(qū)氣象臺整編1961～2006年共46a的89個氣象觀測臺站逐日降水資料；（2） NCEP/NCAR 1948～176。176。月平均氣壓場、月平均位勢高度場、月平均風場、月平均溫度場、月平均風場、月平均比濕和相對濕度場等再分析資料；（3） NOAA/NCEP/CPC 1950～2006年的ONI指數(shù) (Oceanic Nino Index)資料；（4） ，地理覆蓋面為：緯度88176。S~ 88176。N；經(jīng)度0176。E~180176。E~176。W；空間分辨率（格距）176。176。（5） 比利時皇家觀象臺（Royal Observatory of Belgium）太陽活動分析中心（SIDC，Solar Influences Data Analysis Center）發(fā)布的1961～2006年月度太陽黑子（sunspot）活動數(shù)據(jù)資料。（6） 美國WHOI(Woods Hole Oceanographic Institution)新近發(fā)布的OAFlux全球海氣潛熱和感熱通量月平均資料，其格點精度為1o1o，時間跨度為1961～2006年共46a（ o之間區(qū)域的海洋上的數(shù)據(jù)較為完整）；資料的詳細說明見參考文獻[63]。 主要概念定義和研究方法簡介 有關(guān)概念定義 “秋季”時段的劃分標準：如果按照氣候因素來劃分季節(jié)（簡茂球〔64〕，1994），用不同參考因子計算出的華南區(qū)域的秋季時段將有所不同；為方便起見，這里仍采用天文上的以太陽輻射變化為參考因子的“等距四季”劃分結(jié)果，即秋季為9～11月份，這與華南區(qū)域的氣候季節(jié)劃分結(jié)果也是大致相同的。降水偏多、偏少年的劃分標準：根據(jù)我國氣象干旱等級標準（GB/T 204812006）〔15〕，以降水量距平百分率（Pa）作為干旱等級劃分參考時，在季節(jié)尺度上Pa≤－25即為“輕旱”等級以上的氣象干旱。為突出異常年景，本文以季節(jié)降水量距平絕對值超過常年平均值的30％（即Pa≥30或Pa≤－30）為異常偏多（或偏少）的標準，從46a中共篩選出9個降水偏多年和9個偏少年（表21）。區(qū)域季節(jié)降水量的計算標準：以均勻分布在廣西境內(nèi)的89個氣象觀測站歷年秋季單站平均累計降水量（即，其中Ri為單個觀測站季節(jié)累計降水量）來代表該區(qū)域的季節(jié)總降水量，其中，因個別臺站的建站時間晚于1961年，在進行資料整編時，這些站所缺年份的秋季降水量通過附近臺站的插值來補足。表21 廣西秋季降水偏多年和偏少年列表廣西秋季降水偏多年196519721976198119821983198519952002偏多比率%%%%%%%%%廣西秋季降水偏少年197119791989199119921996199820042005偏少比率%%%%%%%%%秋旱指標：本文在計算單站秋季干旱頻數(shù)時，為便于對比，分別采用了中國氣象局降水量距平百分率（Pa）干旱等級劃分指標〔15〕（GB/T 204812006）和目前廣西氣候中心業(yè)務使用的“持續(xù)少雨日”氣象干旱指標〔9〕；其中，后者是根據(jù)廣西區(qū)域作物受旱狀況與降水之間關(guān)系的有關(guān)試驗研究結(jié)果（即：日降水量＜5mm時土壤有效水分貯存減少、土壤水分表現(xiàn)為入不敷出；持續(xù)日數(shù)越長,作物缺水越嚴重〔65〕）制定的。兩種指標的詳細內(nèi)容參見表22 。表22 兩種秋季干旱指標的比較指標名稱指標描述指標適用時段備注降水量距平百分率季尺度50＜Pa≤25為輕旱；70＜Pa≤50為中旱；80＜Pa≤70為重旱；Pa≤80為特旱月、季、全年國家氣象干旱標準GB/T 204812006，適用于半濕潤、半干旱地區(qū)的平均溫度高于10攝氏度的時段。廣西氣候中心“持續(xù)少雨日”干旱指標日降水量＜5mm連續(xù)日數(shù)≥20天為一次干旱過程。8月21日～10月31日如果出現(xiàn)以下兩種情況,仍作為秋旱統(tǒng)計:≥7天, 并且兩段旱期總和≥25天,允許兩段旱期之間有1天降水量為5～10mm；≥13天,允許兩段旱期之間有1天降水量為10～15mm. 主要研究方法（1）小波分析方法本文使用常用的Morlet復小波分析技術(shù)〔66〕來分析降水量時間序列演變的多時空尺度特征。該小波基函數(shù)的表達式為： （21）這是一個波矢為并用單位寬度的Gaussian包線來調(diào)整的平面波。對信號f(t)進行小波變換的離散形式為： （22）其中，為取樣間隔，n為樣本量，為頻率參數(shù)，b為時間參數(shù)。本文采用將尺度（頻率）部分進行二進制離散、而對位移（時間）部分進行均勻離散的離散化方案，其頻率參數(shù)?。? （23） 考慮到尺度參數(shù)與周期T有對應關(guān)系： （24）于是有： （25）一般為計算方便，可取一個合適的（即＝6）使得： （26）于是尺度參數(shù)與周期T的對應關(guān)系可簡化為：周期T＝尺度因子a 。進一步分析小波系數(shù)可以得到信號不同的周期成份特征：信號f(t)的小波方差為： （27）分析小波方差可以了解波動能量隨尺度的分布情況，可以此來確定一個時間序列中各種尺度擾動的相對強度。（2）水汽通量的計算水汽通量的一般計算公式參見文獻[42]。對單位氣柱整層大氣水汽輸送通量Q的計算公式如下： （28）其中，矢量Q可以分解成緯向水汽輸送通量Qλ和經(jīng)向水汽輸送通量Qφ： （29） （210）單位為kg/(m?s)。式中，V（u，v）為該單位氣柱內(nèi)各層大氣的風速矢量，q是各層大氣的比濕，Ps、Pt分別為大氣柱下界氣壓和上界氣壓，g是重力加速度。本文在實際計算時，大氣下界等壓面氣壓取近地面層（即NECP/NCAR再分析資料中的995層）氣壓、上界等壓面氣壓取300hpa，地形（近地面層）以下的等壓面值不作梯形累加；標準等壓面上的比濕值直接從NECP/NCAR 的shum資料中獲取，近地面層比濕值則利用該層上的相對濕度rhum、溫度T、氣壓p這三個要素通過氣體狀態(tài)方程、馬格奴斯（Magnus）經(jīng)驗公式等相關(guān)公式〔67〕計算得出： （211）其中： T為氣體溫度（開氏溫度），下標d、v分別表示干、濕空氣狀態(tài)，R為比氣體常數(shù)，e為實際水汽壓；實際水汽壓e與相對濕度％RH有如下關(guān)系： （212）其中：E為同溫度下的飽和水氣壓，可用馬格奴斯（Magnus）經(jīng)驗公式〔67〕求得：（水面，即t0℃時） （213）（冰面，即t≤0℃時） （214）這樣，利用NECP/NCAR近地面層處的溫度t、氣壓p和相對濕度rhum分別代入上式，就可求得近地面層處的比濕值；從近地面層到300hpa等壓面層進行水汽輸送通量的垂直積分，即可求出整層大氣的水汽輸送通量。（3）海氣交換感熱通量和潛熱通量的計算公式為：潛熱通量： （215）感熱通量： （216）這里為空氣密度，= Jg1 K1 為空氣定壓比熱，為蒸發(fā)潛熱；和分別為海面水溫和氣溫， 和分別為海面空氣比濕和對應的空氣飽和比濕，為海面風速（標量），、分別為潛熱和感熱的傳輸系數(shù)，受風速和海面空氣穩(wěn)定性影響；上述兩式計算結(jié)果的正方向為海洋指向大氣，如果定義從大氣傳輸至海洋是正方向則應在上述兩式的等號右邊乘上（－1）。海氣通量的單位為瓦特每平方米（W/m^2）。 （4）MannKendell統(tǒng)計檢驗方法MannKendell方法是一種無需假定樣本遵從某種變量分布的非參數(shù)化