中西亚极端干旱特征及其与热带海温的联系

　　摘要：干旱是影响中亚和西亚的首要自然灾害，作为“一带一路”倡议的枢纽地区，开展中西亚的干旱研究对“一带一路”倡议的顺利实施具有重要价值。本文利用自矫正帕尔默干旱指数(Self-calibrating Palm‐er Drought Severity Index，scPDSI)和ERA5再分析资料，分析了中西亚干旱发生发展的主要特征。结果表明中西亚干旱发展有明显的季节特征，干旱多是从前冬开始，春季迅速加强，春末达到最强，夏季开始逐渐缓解。利用合成分析方法，本文探讨了中西亚极端干旱和湿润事件的气候系统差异，结果表明：极端干旱事件前期热带太平洋海温呈现出La Niña海温异常模态，在西南亚激发出反气旋环流，导致中西亚南部低层持续的偏北风异常，使得来自印度洋的水汽输送减少，同时在中西亚对流层中层表现为EU2型遥相关特征，导致该地区出现正的高度场异常并不断加强。高度场正异常控制下大气以下沉运动为主，加之水汽输送减少，均不利于中西亚降水的产生，从而导致了中西亚干旱的迅速发展。

　　关键词：“一带一路”;干旱;干旱指数;大气环流

　　1 引言

　　“一带一路”倡议是“新丝绸之路经济带”(以下简称“一带”)和 21世纪“海上丝绸之路”的简称，其中“一带”东起活跃的东亚经济圈，途经中西亚，西至发达的欧洲经济圈(吴绍洪等，2018)。作为“一带”倡议枢纽的中西亚，是亚洲主要的干旱-半干旱区，同时受季风系统和西风带环流影响，气候敏感且脆弱，干旱加剧了这一区域的水资源危机和地缘政治风险，因此开展该区域的干旱研究，对“一带一路”倡议的推进有重要意义(黄建平等，2013;钱正安等，2017a，2017b;杨涛等，2016)。

　　中西亚沙漠广布，绝大多数地区年降水量不足60 mm，不少学者从降水出发，探究中西亚的干旱特征。如 Yin et al(2014)分析了中亚半干旱区降水的气候态和年际变率，指出中亚降水集中在冬半年。Agrawala et al(2001)进一步总结出中西亚降水的三种机制：中亚大部冬季的西风带天气尺度降水、中亚南部的夏季季风降水以及西亚和北非暖季非洲季风/ITCZ 降水。

　　中西亚地势复杂，降水极不均匀，降水的大值区普遍位于扎格罗斯、青藏高原等山脉西侧迎风坡，平原和盆地降水稀少(Schie‐mann et al，2008)。中西亚观测站点稀少，遥感数据是有力的补充，Bai et al(2017)基于 TRMM 卫星降水数据，分析得出中亚和西亚干旱主要发生在夏季，干旱的发生有明显的季节周期性;且西亚干旱近年来呈轻微减轻趋势，而中亚则增强。还有很多研究分析了该地区干旱的气候趋势和在季节尺度上观察旱情的时空特征(李新武等，2016;胡增运等，2018;王飞等，2017)。

　　仅根据降水异常无法全面描述干旱及其影响，为了准确地监测干旱，很多学者提出了多种干旱指数，如计算台站一段时间内降水的累积概率密度函数再标准化而得到的标准化降水指数(StandardizedPrecipitation Index，SPI)(Kumar et al，2009)，以及在SPI基础上再考虑潜在蒸散影响的标准化降水蒸散发指数(Standardized Precipitation Evapotranspira‐tion Index，SPEI)(Vicente-Serrano et al，2010)。综合考虑了地表前期降水量，土壤含水量，径流和潜在蒸散发地 Palmer 干旱指数(Palmer Drought Se‐verity Index，PDSI)(Palmer，1965)。

　　根据植被的生长情况反映当地的干湿状况而提出的归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index，ND‐VI)(Wardlow et al，2012)。不同指数对于干旱的刻画会有差异，如杨庆等(2017)分析了 7种干旱指数(PDSI、 PDSI_CN、 scPDSI、 SWI、 SPI、 SPEI、CLM3. 5 模式模拟的土壤湿度)在中国区域的适用性，结果表明虽然 7 种干旱指数的界定结果一致，但在量值上存在明显差异，需对阈值进行重新划定。王素萍等(2020)分析了多个干旱指数在中国北方的适应性后也得出了相似结论。不同干旱指数的提出是出于不同的研究目的，因此应根据研究选择恰当的干旱指数。

　　对于中西亚干旱的外在强迫研究学者们也开展了大量研究，如 Hoell et al(2015)和 Barlow et al(2002)指出，发生东部型 La Niña事件时，西太-东印度洋对流增强在西南亚上空激发出正压罗斯贝波，导致印度洋的水汽输送减少，引起了西南亚的干 旱 。

　　Wang and Rui (1990)以 及 Barlow et al(2005)研究证实 Madden-Julian Oscillation(MJO)借助东印度洋对流活动来调控西亚冬季日降水，MJO增强(抑制)东印度洋对流时，西亚平均日降水减少(增多)。Chakraborty et al(2006)则指出，阿拉伯半岛的水汽通量明显地受到ENSO和印度洋偶极子(IOD)的调控，在暖 ENSO 和正 IOD 事件发生时，阿拉伯半岛上空净水汽输送增加，冬季降水也增加。已被证实与中西亚部分地区降水相关联的外强迫数量繁多，但对于席卷整个中西亚的极端干旱的外强迫还有待深入地探究。极端干旱强度强，持续时间长，影响范围广。

　　本文从极端干旱着手，选用合适的干旱指数刻画中西亚的干旱状况，在逐月时间尺度上分析中西亚极端干旱发生发展特征，再探究导致该地区干旱发生发展的主要天气系统异常，尝试找到引发该区域干旱发展的物理机制，从而为中西亚地区干旱的预测提供借鉴。

　　2 资料来源

　　本文选用自矫正帕尔默干旱指数(Self-calibrat‐ing Palmer Drought Severity Index，scPDSI)指数来监测干旱。Palmer(1965)提出了PDSI，该指数定义干旱是基于某地区维持数月/年时段内，实际的水分供给量持续低于统计的，与该地区气候类型相符合的水分供给量。但该指数中的多个权重系数和持续因子的确定是基于美国历史数据，所以在其他地区使用时会存在适应性问题。

　　为了改进这一点，Wells et al(2004)提出了 scPDSI，它是基于每一个台站的历史观测资料，来计算出该台站所对应的权重系数和持续因子，因此 scPDSI相比于 PDSI具有更好的空间可比较性(Dai，2011a，2011b)。该指数资 料 的 水 平 空 间 范 围 为 178. 75° W -178. 75° E，58. 75°S-76. 25°N，经纬分辨率为2. 5°×2. 5°，选取的时间范围为 1979-2014 年。

　　给出了 scPDSI干湿等级分级标准。本文还使用了欧洲中期天气预报中心(ECWMF)建立的再分析数据(ERA5)中的海表面温度、高度场、风场和水汽数据，再分析数据的水平分辨率为 0. 25°×0. 25°。文中涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为 GS(2016)2556 号的中国地图(世界地图)制作，底图无修改。

　　3 结果和分析

　　3. 1 极端干旱个例分析

　　Barlow et al(2016)在回顾中东及西南亚干旱研究进展时，指出该地区在 1999-2001 年和 2007-2008年遭受了两次最为严重的极端干旱事件，前一次事件中部分地区受灾时间甚至长达 5年，在那次事件中中西亚干旱最为严重的时段为2000年。图1给出了该年中西亚1-6月scPDSI分布状况(仅显示scPDSI 为负的区域，即干旱受灾区)。

　　从 中可看出中西亚干旱发展表现出明显的季节变化特征，前冬为干旱发展之初，1月仅有阿拉伯半岛和北欧为严重或极端干旱，西南亚、印度半岛西北部为轻微或中度干旱。其后干旱逐步向中亚扩张，3月阿拉伯半岛、两伊和阿富汗遭受极端干旱的肆虐，干旱扩张至中亚大部分地区。大约在4月份旱情迅速升级，两伊地区极端干旱迅速地向东北扩张，极端干旱几乎遍及整个中西亚。其后干旱强度继续增强，6月旱情开始缓解。可见干旱的强度和范围在春季升级迅速，仅一两个月的时间，极端干旱就从阿拉伯半岛扩张至整个西亚和中亚南部，在春末达到干旱最强阶段。

　　旱情最强的春季，强的干旱灾害基本集中在中亚大部及西南亚(25°N-50°N，40°E-70°E)，为进一步确认关键区内旱情空间特征的一致性， 分别给出了 2001 年和 2008 年旱情最强阶段—春季平均的 scPDSI 分布状况，也可看出两次事件中极端干旱均主要集中于关键区内。且 Hoell et al(2017)分析结果也表明这一区域干旱特征具有很好的空间一致性，所以下文将重点关注这一区域内旱情的发展。为了解这一区域逐月旱情的气候状况，给出了多年平均的中西亚区域平均逐月 scPDSI 指数变化图，可以看到前述干旱发展的季节特征。干旱从前冬开始缓慢发展，春季发展明显加快，春末达到旱情的最强阶段，随后的夏季旱情开始缓慢减弱，秋末旱情最弱。

　　3. 2 合成分析

　　检验为进一步探究研究区干旱的发展过程及机理，下文将选取更多的极端干旱事件进行合成分析。黑线(右纵轴)则给出了关键区内严重及以上干旱(scPDSI<-3)格点的数量标准化序列，可看出关键区内旱情月际及年际差异大，明显存在多次区域平均的 scPDSI 显著偏低，严重干旱格点明显偏多的极端干旱事件，如 2000，2001 和 2008 年，而且这些极端干旱事件中都存在相邻的两个月区域平均 scPDSI 值相差很大的陡峭变化过程，即表明旱情在后一个月迅速地发展，如 2000 年 3-4 月、2008 年 2-3 月。

　　本文将着重关注这种旱情存在急剧变化的极端干旱事件。图 5 给出了关键区内区域平均 scPDSI 和严重及以上干旱格点数量的年平均箱线图，其中方框包含了从小到大排列的 25%~75% 的数据，方框的上下边即为上下四分位点，我们在四分位点外选取了严重及以上干旱格点数最多/最少的 5 年为极端干旱/湿润事件，在极端干旱年中选取相比上月区域平均scPDSI减小最多的月份为旱情迅速发展月，而后一类事件中，选取区域平均 scPDSI 最大的月份为最湿润月。

　　最终我们选出的 5 个极端干旱年-月分别是：1984-01、2000-04，2001-03，2008-03，2010-12;选出的5个湿润年-月分别是：1981-07、1982-11、199-06，1998-02，2005-01，在 1992-1993 这次湿润事件中，最湿润月在 1993 年，因此仅选了1993年。为了进一步验证指数确定的极端干旱年份的准确性，我们根据美国国外灾害援助办公室/流行病研究中心(The Office of U. S. Foreign Disaster As‐sistance/Centre for Research on the Epidemiology ofDisasters;OFDA/CRED)提供的国际灾害数据集(EM-DAT disaster database)( Barlow et al，2015)，整理出发生在 1979-2014 年中西亚的干旱灾害年份。

　　3. 3 极端干旱地区的水汽分布特征

　　水汽输送异常是影响干旱的直接因素。图7给出了极端干旱事件旱情迅速发展月及其前两个月和后一个月的 850 hPa 风场异常和比湿异常合成图。在旱情迅速发展月的前 2个月，西南亚及印度洋北部有异常反气旋环流，使得研究区 40°N 以南有偏北风异常，北印度洋洋面有偏西风异常，来自印度洋的水汽输送减少。在前一月，位于关键区北部的异常反气旋环流加强且逐渐南压，来自大西洋的水汽输送增强使得中亚北部为弱的比湿正异常。

　　西南亚反气旋环流也增强，使得研究区 40°N 以南异常偏北风增强，水汽输送进一步减弱，中亚南部和西亚比湿负异常也显著增强，且均通过了显著性检验。在旱情迅速发展月，中亚北部的异常反气旋环流移动到大西洋，强的偏西风增强了大西洋的水汽输送，使得关键区的西北部有显著比湿正异常。而西南亚的异常反气旋环流维持，显著比湿负异常范围稍有收缩。其后中亚北部转为异常气旋环流，西南亚的异常反气旋环流逐渐减弱，中亚南部和西亚的比湿显著负异常也减弱。

　　4 结论与讨论

　　干旱是中、西亚地区的主要自然灾害之一，开展该地区的干旱研究对“一带一路”倡议的顺利推进有重要价值。本文从 scPDSI 指数出发，分析了中、西亚极端干旱的发生发展特征，并通过合成和对比分析，探讨了中西亚地区极端干旱发展的可能物理机制，得到以下几点结论：

　　(1) 中、西亚极端干旱具有明显的季节性特征，干旱基本从前一个冬季开始缓慢发展，到了春季旱情发展十分迅速，春末达到最强，夏季开始缓解，秋末最弱。

　　(2) 对比极端干旱和极端湿润年水汽和高度场的空间分布特征，发现中、西亚地区极端干旱发生时，往往伴随着南部印度洋的水汽输送减少，同时在中西亚北部出现了高度场正异常，中西亚地区以下沉气流为主，在水汽输送持续减少和高度场异常持续加深的共同作用下，地面干旱迅速地发展成强度强、范围广的极端干旱。湿润年的水汽分布特征与干旱年相反。(3) 机理分析结果表明 La Niña型海温异常与中西亚极端干旱发展有显著相关关系，在这一异常海温模态下，热带西太平洋和东印度洋的对流增强，在西南亚激发出暖的反气旋异常，是干旱区来自印度洋水汽输送减少的重要原因。

　　(4) 同时 EU/WR 遥相关型与中西亚高度场异常也有很好的对应关系，且前冬的 EU 指数和春季中西亚旱情有明显负相关，表明该遥相关型对中西亚干旱有重要影响，但是这一遥相关与海温异常的共同影响机制还需要进一步探讨。需要指出的是，本文选取的 5个极端干旱事件中，有 4 个事件发生在近 20 年，事件的分散度不足，在后续的研究中，我们将选取更多的干旱事件，进一步研究 EU 遥相关型这一超前信号是如何影响中西亚极端干旱的发生发展，以及与太平洋海温异常的协同作用，最终尝试根据这些关键系统的前期信号，来监测甚至预报亚洲中西部的旱情发展。

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　　作者：吴志文1，秦正坤1，林朝晖2