2020—2021年广东秋冬春干旱的成因分析*

伍红雨 吴 遥 郭 尧

1 广东省气候中心，广州 510641 2 中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室，广州 510641 3 重庆市气候中心，重庆 401147 4 南方电网数字电网集团有限责任公司，广州 510663

提 要： 2020年10月至2021年5月华南发生了秋冬春干旱，特别是广东发生干旱的持续时间和降水减少程度为近58年所罕见。利用广东86个国家气象观测站逐日降水、气温资料，NCEP/NCAR和NOAA再分析资料，采用相关、合成分析的方法研究了2020—2021年广东秋冬春季大气环流和海温的异常特征，并探讨其与广东秋冬春干旱的关系。结果表明，2020—2021年广东秋冬春干旱发生在降水偏少的气候背景下，与大气环流和海温的异常密切相关。在2020—2021年秋冬春季，北半球高层副热带西风急流减弱，中层东亚大槽南段明显减弱，西太平洋副热带高压脊线明显偏北，低层南支槽偏弱，影响广东的冷空气偏弱，广东处于水汽辐散区，北太平洋高压明显增强。2020年8月至2021年3月赤道中东太平洋发生中等强度的拉尼娜事件，大气对拉尼娜事件有明显响应，Walker环流增强，菲律宾附近上升运动明显，广东有下沉运动，导致在对流层低层热带西太平洋、南海、菲律宾附近存在气旋性异常环流，阻挡了孟加拉湾、南海的西南水汽向广东输送，同时气温显著偏高，温高雨少导致广东干旱发生。

引 言

广东地处低纬，属于亚热带、热带季风气候区，是我国降水最多的地区之一，但降水时空分布不均，有八成降水集中在汛期(4—9月)，干湿季分明，导致广东区域性、阶段性干旱频繁发生，其中主要发生秋冬旱、冬春旱，也会发生秋冬春连旱(简茂球等，2008；林爱兰等，2010；廖要明和张存杰，2017)。广西北部、广东西部是中国南方干旱高风险区域(刘晓云等，2015)。干旱是威胁广东水稻生产的主要气象灾害之一，对早、晚稻产量影响大(王春林等，2014；陈慧华等，2016)。干旱在广东是仅次于台风、暴雨、低温的第四大气象灾害，干旱造成广东农作物受灾面积占总气象灾害造成受灾面积的26.3%，仅次于台风(45.0%)(史丽等，2021)。干旱导致人民生产生活用水紧张、农作物受灾、江河湖库水位下降，森林火险等级高等，所以对广东干旱的研究不可忽视。

气象学者对干旱的研究主要是降水较少的北方(魏凤英和曹鸿兴，1998；马柱国，2005；马柱国等，2018；宋桂英等，2006；李新周等，2006；安莉娟等，2014；廖要明和张存杰，2017)和发生干旱频次高的华北、西南地区(晏红明等，2007；宋洁等，2011；黄荣辉等，2012；沈晓琳等，2012；王晓敏等，2012；胡学平等，2014；张顾炜等，2016；金燕等，2018)以及长江中下游等(张强等，2021)。对华南、广东干旱，气象学者也进行研究并得到一些有意义的结果，但相对北方和西南的干旱研究少很多。华南在一些年份干旱严重，如1963年华南大旱，1990—2004年间广东严重春旱的发生呈增多趋势(纪忠萍等，2007)，1998年秋季至1999年春季华南出现严重春旱(陆丹，2001)；2004—2005年华南发生严重干旱(邓玉娇等，2006；曾刚和高琳慧，2017)。华南、广东干旱的发生与大气环流和海温异常密切相关(林爱兰等，2009;2010；熊英和乔云亭，2012；范伶俐等，2013)。周明森等(2013)分析指出华南4—5月持续性干旱与东亚大槽南段减弱、华南附近异常气旋环流有关，也与冬春热带中太平洋海温正距平持续存在有关。华南冬春降水的年际变化与水汽输送密切相关(Wu et al，2013)。干旱是一种累积效应，持续性干旱的影响就会较重(晏红明等，2007)。因此跨越三季的华南或广东秋冬春干旱的影响严重，而对于这种跨三个季节的持续性干旱的成因的研究很少，有必要进一步开展研究。

2020年10月到2021年5月，广东发生秋冬春干旱。粤东、粤北旱情严重，生产生活用水受到影响，各地采取拉管、打井、送水等供水措施，并适时实施人工降雨。广东全省水库蓄水普遍减少，到2021年4月12日，广东大中型水库的总蓄水量为115.8亿m3，比常年减少44.8亿m3。广东投入抗旱69.67 万人次，抗旱资金3.3亿元。这次干旱持续到5月底，随着南海夏季风爆发，降水使得华南大部地区干旱得到缓解。那么2020—2021年广东秋冬春干旱有何特点？造成这次干旱的主要原因是什么？此干旱与气象学者以往对广东干旱成因的研究存在哪些异同？因此本文拟从大气环流和海温异常的变化来分析这次广东秋冬春干旱的成因，以期为相关的业务和服务提供参考依据。

1 资料和方法

1.1 资 料

所用的资料如下：①1961—2021年广东86个国家气象观测站逐日气温、降水资料；美国国家环境预测中心/美国国家大气研究中心(NCEP/NCAR)月尺度风场、高度场、海平面气压场的大气环流再分析资料(Kalnay et al，1996)，CMAP降水资料等，水平分辨率为2.5°×2.5°。美国海洋和大气管理局(NOAA)扩建重建的月尺度海表温度资料(ERSST V5)，水平分辨率为2°×2°(Huang et al，2017)；大气射出长波辐射资料(OLR)，水平分辨率为2.5°×2.5°。②采用NCEP/NCAR月尺度再分析资料，对2020年10月至2021年5月这8个月广东干旱期间的同期大气环流场，包括高层200 hPa风场、中层500 hPa高度场、低层850 hPa风场、海平面气压场以及整层水汽输送的平均场和距平场进行合成分析。

1.2 方 法

①采用逐日气象干旱指数(daily dry index，DI)来确定站点干旱的等级。单站逐日气象干旱指数DI定义为：

(1)

式中:SAPI(i)是第i日前期降水指数API的标准化变量，SAPI标准化计算方法参见《气象干旱等级》国家标准(GB/T 20481—2006)(张强等，2006)。M(i)为本站第i日常年同期平均相对湿润度指数，变化范围为-1～1，M(i)计算方法详见参考文献(王春林等，2014；陈慧华等，2016)。广东省气候中心根据逐日气象干旱指数(DI)按照表1定义的阈值监测干旱等级。

②根据2020—2021年广东秋冬春干旱的特征，定义秋冬春连旱的标准。若上一年秋季(本文仅指10—11月，下同)、冬季(前一年12月至当年2月)、春季(当年3—5月)，这三季广东全省平均降水量较常年同期均偏少，就定义为一次秋冬春连旱。如1966—1967年的秋冬春连旱就是1966年秋季、1966—1967年冬季和1967年春季的干旱。

表1 气象干旱等级标准Table 1 Meteorological drought grade standard

2 2020—2021年广东秋冬春干旱特征

2.1 总体特征

广东在2020年10月至2021年5月发生的秋冬春干旱有以下3个特点：①持续时间长，跨越秋冬春3个季节，历时8个月。②降水显著偏少。干旱期间广东全省平均降水量为449.5 mm，较常年同期(799.9 mm)偏少44%，仅次于1962年10月至1963年5月(309.2 mm)，为历史同期第二少。粤东在2020年10月1日至2021年5月30日降水量为137.9 mm，较常年同期偏少80%，为历史同期最少。③平均气温为历史同期最高。干旱期间广东全省平均气温为20.3 ℃，较常年同期(18.9℃)偏高1.4℃，为有气象记录以来同期最高。气象干旱阶段性发展，其中2020年11月1日至12月31日全省平均降水量较常年同期偏少85%，根据12月31日广东省气象干旱监测(采用DI指数)，广东47个站点重旱、12个站点特旱。2021年4—5月气象干旱最重，据4月7日气象干旱监测显示，广东大部出现中旱—特旱，气象干旱站点占48%，其中29个站点重旱、33个站点特旱；5月23日全省出现中—特重气象干旱的站点占44%，其中10个站点重旱、12个站点特旱。

图1为利用CMAP资料制作的2020年10月至2021年5月我国南方降水距平分布。可见，华南地区2020—2021年的秋冬春降水显著偏少1.0 mm·d-1的区域主要位于广东。从广东国家气象观测站资料统计，2020年10月至2021年5月，广东平均降水量连续8个月较常年同期偏少14%～93%，其中有5个月偏少50%以上。因此本文把这次广东秋冬春干旱作为一个整体，分析其大气环流和海温异常的特征，探讨降水异常的成因。

图1 2020年10月至2021年5月南方降水距平分布(单位：mm·d-1) Fig.1 Distribution of precipitation anomaly in Guangdong from October 2020 to May 2021 (unit：mm·d-1)

2.2 广东秋冬春连旱特征

根据1.2节秋冬春连旱的定义，统计1961—2021年达到标准的广东秋冬春连旱降水情况(表2)。可见，近61年来广东共发生秋冬春连旱共有10次，年均发生概率为16.4%。发生的次数具有显著的年代际变化特征。20世纪60年代出现3次，80年代出现1次，21世纪00年代出现3次，10年代以来出现3次，而20世纪70年代、90年代没有发生。其中在1966—1970年这5年、2019—2021年这3年广东出现连续的秋冬春连旱。可见，秋冬春连旱在20世纪60年代、21世纪00年代以来出现的次数多。从秋冬春连旱期间广东降水距平百分率可见，2020—2021年最少为-44%；其次是2001—2002年，为-40%；第三少是2010—2011年，为-37%。可见，2020—2021年的秋冬春连旱为1961年以来秋冬春连旱期间降水最少，且在2019—2021年连续3年出现秋冬春连旱，导致广东2020—2021年秋冬春的旱情严重。

表2 1961—2021年广东秋冬春连旱降水统计Table 2 Statistics of continuous drought precipitation in autumn， winter and spring in Guangdong from 1961 to 2021

这次广东秋冬春干旱的发生与气候背景关系密切。图2为1961—2021年广东秋冬春干旱期间(上一年10月至当年5月)降水距平百分率的历年变化。可见年代际变化明显。1961—1970年偏少，1971—1990年偏多，1991—2010年偏少，21世纪10年代前中期偏多，其后降水以偏少为主。也进一步说明2020—2021广东的秋冬春连旱发生在降水偏少的气候背景下。

3 广东秋冬春降水与大气环流的关系

3.1 广东秋冬春降水与大气环流的相关分析

广东秋冬春降水与同期对流层各层大气环流场的相关系数分布(图3)可见，高层200 hPa相关风场在东亚低纬度与广东秋冬春降水有密切联系，从图3a可见青藏高原南侧、中南半岛、南海的南风减弱(加强)，广东上空的西风急流加强(减弱)，有利于广东秋冬春降水偏多(少)。低层850 hPa相关风场上(图3b)，在菲律宾以东的西太平洋上空存在一个显著相关反气旋环流，而阿拉伯海、孟加拉湾到广东有显著相关的偏西气流，南海为显著相关偏南气流，广东处于显著相关的偏南风、偏北风、偏西风的交汇地，冷空气强，暖湿气流加强，副热带高压偏强，在这种配置下有利于广东秋冬春降水的偏多，反之降水偏少。同时在孟加拉湾北部(18°N、90°E)附近地区存在一显著相关的南支槽，其槽前的西南气流是南方水汽的主要来源之一(何溪澄等，2006)，说明南支槽加强，有利于广东秋冬春降水增加，反之降水减少。中层500 hPa位势高度相关场上(图3c)，降水与日本以东的北太平洋高度场存在大范围显著负相关区，而热带印度洋到热带西太平洋均为显著正相关，说明在秋冬春季，冷空气强，北太平洋高度场北低南高的异常分布有利于广东秋冬春降水偏多，反之偏少。与海平面气压场的相关系数分布(图3d)可见，广东秋冬春降水与40°N以北的海平面气压存在负相关，显著负相关中心位于贝加尔湖附近，与北半球热带海平面气压存在显著正相关，说明北半球低纬与高纬度的海平面气压反位相变化，及北低南高的分布，有利于广东秋冬春降水偏多(少)。

广东秋冬春降水异常是高中低层大气环流共同作用的结果，特别是在低层850 hPa距平场上广东存在异常强的南风、北风交汇。如在干旱重的1962—1963年秋冬春850 hPa我国东部为异常南风控制(图略)，南海为弱的异常偏北气流，广东不存在异常南北风的交汇，导致降水显著偏少。

图2 1961—2021年广东秋冬春平均降水距平百分率的年际变化Fig.2 Interannual variation of the average precipitation anomaly percentage in Guangdong from 1961 to 2021 during the drought period of autumn, winter and spring

图3 1961—2021年在上年10月至当年5月广东平均降水标准化序列与同期大气环流的相关系数分布(a)200 hPa风场，(b)850 hPa风场，(c)500 hPa高度场，(d)海平面气压场(填色区表示通过了0.05显著性水平检验)Fig.3 Correlation between the standardized series of average precipitation in Guangdong and atmospheric circulation in the same period from October of the previous year to May of the very year in 1961-2021 (a) 200 hPa wind field， (b) 850 hPa wind field， (c) 500 hPa height field， (d) sea level pressure field(Colored area indicates passing the significance level test above 0.05)

3.2 2020—2021年广东秋冬春干旱的大气环流异常特征

为了了解2020—2021年广东秋冬春干旱的大气环流的特征，分析广东干旱期间的高中低层大气环流及异常，以及对流层整层积分水汽通量和水汽通量散度距平分布。从200 hPa纬向风场及其距平(图4a)可见，在北半球副热带地区存在西风急流， 30°N以南风速明显减弱，而30°N以北明显加强，说明干旱期间副热带西风急流强度明显减弱且位置偏北。从500 hPa 高度及距平场(图4b)可见，欧亚中高纬度为一槽一脊的形势，东亚大槽位于鄂霍次克海到日本，高压脊位于乌拉尔山附近。中纬度地区气流较平直。菲律宾以东洋面存在5 880 gpm 等值线闭合中心。在北半球50°N以南的中低纬地区位势高度正距平，距平中心位于日本及其以东的北太平洋区域，而在贝加尔湖到鄂霍次克海存在位势高度负距平，中心位于贝加尔湖、鄂霍次克海附近。说明在干旱期间，中层东亚大槽北段加强，南段明显减弱，西太平洋副热带高压强度偏强，脊线位置较常年明显偏北，同时南支槽明显减弱，亚洲中高纬位势高度场上呈“北低南高”的异常分布，不利于极地冷空气南下，导致影响广东的冷空气偏弱。同时2020秋至2021年春中低纬度东亚大陆和北太平洋高度场偏高，这与陆丹(2001)分析指出1998年秋至1999年春广东干旱与500 hPa 上北太平洋亚洲大陆和北太平洋中低纬度大部高度偏高的结论一致。

从海平面气压及其距平场(图4c)可见，巴尔喀什湖到贝加尔湖之间存在一高压中心，北太平洋也存在一高压中心，中心位于日本东南部；北半球海平面气压呈北高南低的分布。北半球海平面气压正距平中心有两个，分别位于巴尔喀什湖附近和日本东南部太平洋上，而30°N以南的中低纬为负距平。说明干旱期间大陆高压和北太平洋高压都明显加强，海平面气压在东亚中高纬度呈北负南正的分布，中低纬呈西低东高的气压分布，都不利于北方系统和西风系统的南压和东移影响，不利于广东秋冬春降水的发生。

从低层850 hPa距平风场上(图4d)可见，菲律宾以东存在一异常气旋环流中心，南海北部到广东为异常气旋环流后部的东北下沉气流控制，阻挡孟加拉湾、南海的西南水汽向广东输送，同时南支槽偏弱，冷空气活动偏弱，均不利于冷暖空气在广东交汇，易出现干旱。

图4 2020年10月至2021年5月(a)200 hPa纬向风场(等值线，单位：m·s-1)及距平(填色)，(b)500 hPa的高度场(等值线，单位：dagpm)及距平(填色)，(c)海平面气压场(等值线，单位：hPa)及距平(填色)，(d) 850 hPa 距平风场，以及(e)对流层整层积分水汽通量(矢量，单位：kg·m-1·s-1)和水汽通量散度距平(填色，单位：10-7 kg·m-2·s-1)Fig.4 (a) The 200 hPa zonal wind field (contour, unit: m·s-1) and anomaly (colored)， (b) 500 hPa height field (contour, unit: dagpm) and anomaly (colored)， (c) sea level pressure field (contour, unit: hPa) and anomaly (colored)， (d) 850 hPa anomaly wind field， as well as (e) tropospheric integrated water vapor flux (vector， unit： kg·m-1·s-1) and water vapor flux divergence anomaly (colored，unit: 10-7 kg·m-2·s-1) from October 2020 to May 2021

图4e为广东干旱期间对流层整层(1 000～300 hPa)积分水汽通量和水汽通量散度距平分布。可见广东南部和南海北部处于水汽辐散区。广东、南海北部和台湾海峡为异常东北下沉气流控制，水汽辐散明显加强，特别是广东处于异常水汽辐散的高值区，不利于降水的发生。牛宁和李建平(2007)指出2004年长江以南地区严重秋旱的发生对应东南亚上空整层水汽输送出现显著的负异常。2020—2021年的广东秋冬春干旱期间，广东、南海北部和台湾海峡水汽辐散明显偏强，导致降水显著偏少，可见水汽输送异常是直接引起广东秋冬春降水异常的关键因素。2020年秋季、2020/2021年冬季、2021年春季我国气候异常与大气环流密切相关(杨明珠和陈丽娟，2021；韩荣青等，2021；代潭龙等，2021；刘芸芸和高辉，2021)。

4 广东秋冬春降水与拉尼娜事件的关系

广东地处低纬，南临南海，海表温度对其降水变化具有重要影响(林爱兰等，2009；简茂球和乔云亭，2012)，因为降水对海温的响应具有滞后性。从1961—2021年广东秋冬春降水(上年10月至当年5月)年际变化的标准化距平序列与提前1个月的上年9月至当年4月SST的相关系数分布(图5a)可见，广东秋冬春降水与热带中东太平洋、海洋性大陆的SST显著正相关，与北太平洋中低纬的SST显著负相关，热带太平洋从西到东呈“+ - +”SST距平分布，类似厄尔尼诺事件的海温分布，说明秋冬春赤道中东太平洋发生厄尔尼诺(拉尼娜)事件有利于广东秋冬春降水偏多(少)。从2020年9月至2021年4月SST距平分布(图5b)可见，热带太平洋SST从西向东呈“- + -”的距平分布，负距平中心位于赤道中东太平洋，海洋性大陆为SST负距平，而北太平洋中低纬地区(20°～50°N)均为SST正距平，呈现出拉尼娜事件的海温分布，这与国家气候中心监测结果一致(刘芸芸和高辉，2021)，这暗示拉尼娜事件有利于广东秋冬春降水偏少。

图5 (a)1961—2021年在上年10月至当年5月广东平均降水标准化序列与上年9月至当年4月SST的相关系数分布，(b)2020年9月至2021年4月SST距平分布Fig.5 (a) Correlation coefficient distribution between the standardized series of average precipitation in Guangdong from October of the previous year to May of the very year and SST from September of the previous year to April of the very year from 1961 to 2021， (b) SST anomaly distribution from September 2020 to April 2021

从2020年10月至2021年5月Walker环流(图6a)看，在赤道西太平洋有较强上升运动，高度可达对流层高层200 hPa，赤道中东太平洋有下沉运动，可见大气对拉尼娜事件有明显响应，Walker环流增强。在15°～25°N区域的经度-高度剖面(图6b)可见在菲律宾附近上升运动明显，高度可达对流层的中层500 hPa，而广东有下沉运动。这从同期OLR距平场(图7)也可得到印证，阿拉伯海、孟加拉湾以及海洋性大陆地区的对流较常年偏强，其中菲律宾附近地区OLR距平异常偏低，对流活动异常活跃。而中低纬度东亚沿岸对流较常年偏弱，广东处于正异常中心，对流活动不活跃，不利于降水的发生。由于菲律宾附近地区对流活动的强度和范围均较常年同期明显加强，导致在对流层中低层热带西太平洋和南海、菲律宾附近存在气旋性异常环流，南海为异常偏东或东北气流影响，下沉气流阻挡了孟加拉湾、南海的西南水汽向广东输送。同时2020—2021年的秋冬春冷空气总体偏弱，广东大部，处于水汽气流距平辐散区，不利于降水的发生。显然，大气环流对拉尼娜事件的响应是导致广东2020—2021年秋冬春降水偏少的重要因子之一。

图6 2020年10月至2021年5月(a)Walker环流和(b)在15°～25°N区域的经度-高度剖面(矢量：ω与u风场距平合成，阴影：ω距平)Fig.6 Cross-sections of (a) Walker circulation and (b) longitude-height profile of 15°-25°N from October 2020 to May 2021(vector：anomaly composition of ω and u winds; shaded：anomaly of ω)

图7 2020年10月至2021年5月OLR距平场(单位：W·m-2)Fig.7 OLR anomaly field (unit: W·m-2) from October 2020 to May 2021

5 结论与讨论

(1)利用观测资料和CMAP降水资料，首先分析了2020—2021年华南发生秋冬春干旱的气候特征。这次广东秋冬春干旱历时8个月，降水偏少的中心位于广东，旱情最重出现在粤东、粤北。1961—2021年广东共发生秋冬春连旱有10次，年均发生概率为16.4%。2020—2021年的秋冬春连旱为1961年以来秋冬春连旱同期降水最少，且广东平均气温为历史同期最高，雨少温高是这次秋冬春干旱的直接原因。

(2) 2020—2021年广东秋冬春大气环流异常特征分析表明，在高层200 hPa距平风场上，副热带西风急流减弱；中层500 hPa 位势高度距平场上，东亚大槽南段明显减弱；低层850 hPa距平风场上，影响广东的冷空气偏弱，菲律宾以东异常气旋环流的存在导致南海北部为异常东北气流影响，均不利于冷暖空气在广东交汇；地面北太平洋高压明显加强，东亚中高纬度呈北负南正，中低纬西低东高的气压距平分布，不利于北方系统和西风系统的南压和东移影响，且南支槽偏弱，冷空气活动偏弱，这些环流和水汽异常的配置造成广东降水显著偏少，干旱发生。

(3)2020年8月到2021年3月，赤道中东太平洋发生一次中等强度的拉尼娜事件，大气对拉尼娜事件有明显响应，Walker环流增强，菲律宾附近上升运动明显，而广东有下沉运动，导致在对流层低层热带西太平洋、南海、菲律宾附近存在气旋性异常环流，阻挡了孟加拉湾、南海的西南水汽向广东输送，广东处于水汽辐散区，同时气温显著偏高，温高雨少导致干旱发生。

按本文定义的秋冬春连旱的标准，统计得到1961—2021年广东共发生秋冬春连旱有10次，其中有6次发生在拉尼娜事件或弱冷水背景下，3次发生在厄尔尼诺或弱暖水背景下，1次秋冬季弱冷水，春季弱暖水。可见，在拉尼娜事件或弱冷水背景下、广东秋冬春连旱发生的可能性大，但拉尼娜事件与广东秋冬春连旱并非一一对应的关系。干旱的发生主要受东亚气候系统变化影响。对于大气圈，包括东亚季风、副热带高压、中纬度扰动；对于海洋圈，包括热带太平洋的ENSO循环、热带西太平洋暖池和印度洋等以及外强迫北冰洋海冰、欧亚积雪、北极海冰等(王林等，2011；左志燕和张人禾，2012；陈红，2017；张强等，2020)，因此是多种因素协同影响的结果。所以广东秋冬春连旱的发生，除了低纬度热带太平洋海温异常的影响外，还与中高纬的大气环流、欧亚大陆积雪、北极海冰等有关，也与台风登陆带来降水有关。当海洋上为弱冷水情况，海温影响不明显，但当中高纬大气环流不利于降水发生时，也会发生秋冬春连旱。