摘要：干旱是影響中亞和西亞的首要自然災(zāi)害，作為“一帶一路”倡議的樞紐地區(qū)，開展中西亞的干旱研究對(duì)“一帶一路”倡議的順利實(shí)施具有重要價(jià)值。本文利用自矯正帕爾默干旱指數(shù)(Self-calibrating Palm‐er Drought Severity Index，scPDSI)和ERA5再分析資料，分析了中西亞干旱發(fā)生發(fā)展的主要特征。結(jié)果表明中西亞干旱發(fā)展有明顯的季節(jié)特征，干旱多是從前冬開始，春季迅速加強(qiáng)，春末達(dá)到最強(qiáng)，夏季開始逐漸緩解。利用合成分析方法，本文探討了中西亞極端干旱和濕潤事件的氣候系統(tǒng)差異，結(jié)果表明：極端干旱事件前期熱帶太平洋海溫呈現(xiàn)出La Niña海溫異常模態(tài)，在西南亞激發(fā)出反氣旋環(huán)流，導(dǎo)致中西亞南部低層持續(xù)的偏北風(fēng)異常，使得來自印度洋的水汽輸送減少，同時(shí)在中西亞對(duì)流層中層表現(xiàn)為EU2型遙相關(guān)特征，導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)正的高度場(chǎng)異常并不斷加強(qiáng)。高度場(chǎng)正異�？刂葡麓髿庖韵鲁吝\(yùn)動(dòng)為主，加之水汽輸送減少，均不利于中西亞降水的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致了中西亞干旱的迅速發(fā)展。

　　關(guān)鍵詞：“一帶一路”;干旱;干旱指數(shù);大氣環(huán)流

　　1 引言

　　“一帶一路”倡議是“新絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”(以下簡稱“一帶”)和 21世紀(jì)“海上絲綢之路”的簡稱，其中“一帶”東起活躍的東亞經(jīng)濟(jì)圈，途經(jīng)中西亞，西至發(fā)達(dá)的歐洲經(jīng)濟(jì)圈(吳紹洪等，2018)。作為“一帶”倡議樞紐的中西亞，是亞洲主要的干旱-半干旱區(qū)，同時(shí)受季風(fēng)系統(tǒng)和西風(fēng)帶環(huán)流影響，氣候敏感且脆弱，干旱加劇了這一區(qū)域的水資源危機(jī)和地緣政治風(fēng)險(xiǎn)，因此開展該區(qū)域的干旱研究，對(duì)“一帶一路”倡議的推進(jìn)有重要意義(黃建平等，2013;錢正安等，2017a，2017b;楊濤等，2016)。

　　中西亞沙漠廣布，絕大多數(shù)地區(qū)年降水量不足60 mm，不少學(xué)者從降水出發(fā)，探究中西亞的干旱特征。如 Yin et al(2014)分析了中亞半干旱區(qū)降水的氣候態(tài)和年際變率，指出中亞降水集中在冬半年。Agrawala et al(2001)進(jìn)一步總結(jié)出中西亞降水的三種機(jī)制：中亞大部冬季的西風(fēng)帶天氣尺度降水、中亞南部的夏季季風(fēng)降水以及西亞和北非暖季非洲季風(fēng)/ITCZ 降水。

　　中西亞地勢(shì)復(fù)雜，降水極不均勻，降水的大值區(qū)普遍位于扎格羅斯、青藏高原等山脈西側(cè)迎風(fēng)坡，平原和盆地降水稀少(Schie‐mann et al，2008)。中西亞觀測(cè)站點(diǎn)稀少，遙感數(shù)據(jù)是有力的補(bǔ)充，Bai et al(2017)基于 TRMM 衛(wèi)星降水?dāng)?shù)據(jù)，分析得出中亞和西亞干旱主要發(fā)生在夏季，干旱的發(fā)生有明顯的季節(jié)周期性;且西亞干旱近年來呈輕微減輕趨勢(shì)，而中亞則增強(qiáng)。還有很多研究分析了該地區(qū)干旱的氣候趨勢(shì)和在季節(jié)尺度上觀察旱情的時(shí)空特征(李新武等，2016;胡增運(yùn)等，2018;王飛等，2017)。

　　僅根據(jù)降水異常無法全面描述干旱及其影響，為了準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)干旱，很多學(xué)者提出了多種干旱指數(shù)，如計(jì)算臺(tái)站一段時(shí)間內(nèi)降水的累積概率密度函數(shù)再標(biāo)準(zhǔn)化而得到的標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(StandardizedPrecipitation Index，SPI)(Kumar et al，2009)，以及在SPI基礎(chǔ)上再考慮潛在蒸散影響的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散發(fā)指數(shù)(Standardized Precipitation Evapotranspira‐tion Index，SPEI)(Vicente-Serrano et al，2010)。綜合考慮了地表前期降水量，土壤含水量，徑流和潛在蒸散發(fā)地 Palmer 干旱指數(shù)(Palmer Drought Se‐verity Index，PDSI)(Palmer，1965)。

　　根據(jù)植被的生長情況反映當(dāng)?shù)氐母蓾駹顩r而提出的歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，ND‐VI)(Wardlow et al，2012)。不同指數(shù)對(duì)于干旱的刻畫會(huì)有差異，如楊慶等(2017)分析了 7種干旱指數(shù)(PDSI、 PDSI_CN、 scPDSI、 SWI、 SPI、 SPEI、CLM3. 5 模式模擬的土壤濕度)在中國區(qū)域的適用性，結(jié)果表明雖然 7 種干旱指數(shù)的界定結(jié)果一致，但在量值上存在明顯差異，需對(duì)閾值進(jìn)行重新劃定。王素萍等(2020)分析了多個(gè)干旱指數(shù)在中國北方的適應(yīng)性后也得出了相似結(jié)論。不同干旱指數(shù)的提出是出于不同的研究目的，因此應(yīng)根據(jù)研究選擇恰當(dāng)?shù)母珊抵笖?shù)。

　　對(duì)于中西亞干旱的外在強(qiáng)迫研究學(xué)者們也開展了大量研究，如 Hoell et al(2015)和 Barlow et al(2002)指出，發(fā)生東部型 La Niña事件時(shí)，西太-東印度洋對(duì)流增強(qiáng)在西南亞上空激發(fā)出正壓羅斯貝波，導(dǎo)致印度洋的水汽輸送減少，引起了西南亞的干 旱 。

　　Wang and Rui (1990)以 及 Barlow et al(2005)研究證實(shí) Madden-Julian Oscillation(MJO)借助東印度洋對(duì)流活動(dòng)來調(diào)控西亞冬季日降水，MJO增強(qiáng)(抑制)東印度洋對(duì)流時(shí)，西亞平均日降水減少(增多)。Chakraborty et al(2006)則指出，阿拉伯半島的水汽通量明顯地受到ENSO和印度洋偶極子(IOD)的調(diào)控，在暖 ENSO 和正 IOD 事件發(fā)生時(shí)，阿拉伯半島上空凈水汽輸送增加，冬季降水也增加。已被證實(shí)與中西亞部分地區(qū)降水相關(guān)聯(lián)的外強(qiáng)迫數(shù)量繁多，但對(duì)于席卷整個(gè)中西亞的極端干旱的外強(qiáng)迫還有待深入地探究。極端干旱強(qiáng)度強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間長，影響范圍廣。

　　本文從極端干旱著手，選用合適的干旱指數(shù)刻畫中西亞的干旱狀況，在逐月時(shí)間尺度上分析中西亞極端干旱發(fā)生發(fā)展特征，再探究導(dǎo)致該地區(qū)干旱發(fā)生發(fā)展的主要天氣系統(tǒng)異常，嘗試找到引發(fā)該區(qū)域干旱發(fā)展的物理機(jī)制，從而為中西亞地區(qū)干旱的預(yù)測(cè)提供借鑒。

　　2 資料來源

　　本文選用自矯正帕爾默干旱指數(shù)(Self-calibrat‐ing Palmer Drought Severity Index，scPDSI)指數(shù)來監(jiān)測(cè)干旱。Palmer(1965)提出了PDSI，該指數(shù)定義干旱是基于某地區(qū)維持?jǐn)?shù)月/年時(shí)段內(nèi)，實(shí)際的水分供給量持續(xù)低于統(tǒng)計(jì)的，與該地區(qū)氣候類型相符合的水分供給量。但該指數(shù)中的多個(gè)權(quán)重系數(shù)和持續(xù)因子的確定是基于美國歷史數(shù)據(jù)，所以在其他地區(qū)使用時(shí)會(huì)存在適應(yīng)性問題。

　　為了改進(jìn)這一點(diǎn)，Wells et al(2004)提出了 scPDSI，它是基于每一個(gè)臺(tái)站的歷史觀測(cè)資料，來計(jì)算出該臺(tái)站所對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)和持續(xù)因子，因此 scPDSI相比于 PDSI具有更好的空間可比較性(Dai，2011a，2011b)。該指數(shù)資 料 的 水 平 空 間 范 圍 為 178. 75° W -178. 75° E，58. 75°S-76. 25°N，經(jīng)緯分辨率為2. 5°×2. 5°，選取的時(shí)間范圍為 1979-2014 年。

　　給出了 scPDSI干濕等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。本文還使用了歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECWMF)建立的再分析數(shù)據(jù)(ERA5)中的海表面溫度、高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)和水汽數(shù)據(jù)，再分析數(shù)據(jù)的水平分辨率為 0. 25°×0. 25°。文中涉及的地圖是基于國家測(cè)繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號(hào)為 GS(2016)2556 號(hào)的中國地圖(世界地圖)制作，底圖無修改。

　　3 結(jié)果和分析

　　3. 1 極端干旱個(gè)例分析

　　Barlow et al(2016)在回顧中東及西南亞干旱研究進(jìn)展時(shí)，指出該地區(qū)在 1999-2001 年和 2007-2008年遭受了兩次最為嚴(yán)重的極端干旱事件，前一次事件中部分地區(qū)受災(zāi)時(shí)間甚至長達(dá) 5年，在那次事件中中西亞干旱最為嚴(yán)重的時(shí)段為2000年。圖1給出了該年中西亞1-6月scPDSI分布狀況(僅顯示scPDSI 為負(fù)的區(qū)域，即干旱受災(zāi)區(qū))。

　　從 中可看出中西亞干旱發(fā)展表現(xiàn)出明顯的季節(jié)變化特征，前冬為干旱發(fā)展之初，1月僅有阿拉伯半島和北歐為嚴(yán)重或極端干旱，西南亞、印度半島西北部為輕微或中度干旱。其后干旱逐步向中亞擴(kuò)張，3月阿拉伯半島、兩伊和阿富汗遭受極端干旱的肆虐，干旱擴(kuò)張至中亞大部分地區(qū)。大約在4月份旱情迅速升級(jí)，兩伊地區(qū)極端干旱迅速地向東北擴(kuò)張，極端干旱幾乎遍及整個(gè)中西亞。其后干旱強(qiáng)度繼續(xù)增強(qiáng)，6月旱情開始緩解�？梢姼珊档膹�(qiáng)度和范圍在春季升級(jí)迅速，僅一兩個(gè)月的時(shí)間，極端干旱就從阿拉伯半島擴(kuò)張至整個(gè)西亞和中亞南部，在春末達(dá)到干旱最強(qiáng)階段。

　　旱情最強(qiáng)的春季，強(qiáng)的干旱災(zāi)害基本集中在中亞大部及西南亞(25°N-50°N，40°E-70°E)，為進(jìn)一步確認(rèn)關(guān)鍵區(qū)內(nèi)旱情空間特征的一致性， 分別給出了 2001 年和 2008 年旱情最強(qiáng)階段—春季平均的 scPDSI 分布狀況，也可看出兩次事件中極端干旱均主要集中于關(guān)鍵區(qū)內(nèi)。且 Hoell et al(2017)分析結(jié)果也表明這一區(qū)域干旱特征具有很好的空間一致性，所以下文將重點(diǎn)關(guān)注這一區(qū)域內(nèi)旱情的發(fā)展。為了解這一區(qū)域逐月旱情的氣候狀況，給出了多年平均的中西亞區(qū)域平均逐月 scPDSI 指數(shù)變化圖，可以看到前述干旱發(fā)展的季節(jié)特征。干旱從前冬開始緩慢發(fā)展，春季發(fā)展明顯加快，春末達(dá)到旱情的最強(qiáng)階段，隨后的夏季旱情開始緩慢減弱，秋末旱情最弱。

　　3. 2 合成分析

　　檢驗(yàn)為進(jìn)一步探究研究區(qū)干旱的發(fā)展過程及機(jī)理，下文將選取更多的極端干旱事件進(jìn)行合成分析。黑線(右縱軸)則給出了關(guān)鍵區(qū)內(nèi)嚴(yán)重及以上干旱(scPDSI<-3)格點(diǎn)的數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)化序列，可看出關(guān)鍵區(qū)內(nèi)旱情月際及年際差異大，明顯存在多次區(qū)域平均的 scPDSI 顯著偏低，嚴(yán)重干旱格點(diǎn)明顯偏多的極端干旱事件，如 2000，2001 和 2008 年，而且這些極端干旱事件中都存在相鄰的兩個(gè)月區(qū)域平均 scPDSI 值相差很大的陡峭變化過程，即表明旱情在后一個(gè)月迅速地發(fā)展，如 2000 年 3-4 月、2008 年 2-3 月。

　　本文將著重關(guān)注這種旱情存在急劇變化的極端干旱事件。圖 5 給出了關(guān)鍵區(qū)內(nèi)區(qū)域平均 scPDSI 和嚴(yán)重及以上干旱格點(diǎn)數(shù)量的年平均箱線圖，其中方框包含了從小到大排列的 25%~75% 的數(shù)據(jù)，方框的上下邊即為上下四分位點(diǎn)，我們?cè)谒姆治稽c(diǎn)外選取了嚴(yán)重及以上干旱格點(diǎn)數(shù)最多/最少的 5 年為極端干旱/濕潤事件，在極端干旱年中選取相比上月區(qū)域平均scPDSI減小最多的月份為旱情迅速發(fā)展月，而后一類事件中，選取區(qū)域平均 scPDSI 最大的月份為最濕潤月。

　　最終我們選出的 5 個(gè)極端干旱年-月分別是：1984-01、2000-04，2001-03，2008-03，2010-12;選出的5個(gè)濕潤年-月分別是：1981-07、1982-11、199-06，1998-02，2005-01，在 1992-1993 這次濕潤事件中，最濕潤月在 1993 年，因此僅選了1993年。為了進(jìn)一步驗(yàn)證指數(shù)確定的極端干旱年份的準(zhǔn)確性，我們根據(jù)美國國外災(zāi)害援助辦公室/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)提供的國際災(zāi)害數(shù)據(jù)集(EM-DAT disaster database)( Barlow et al，2015)，整理出發(fā)生在 1979-2014 年中西亞的干旱災(zāi)害年份。

　　3. 3 極端干旱地區(qū)的水汽分布特征

　　水汽輸送異常是影響干旱的直接因素。圖7給出了極端干旱事件旱情迅速發(fā)展月及其前兩個(gè)月和后一個(gè)月的 850 hPa 風(fēng)場(chǎng)異常和比濕異常合成圖。在旱情迅速發(fā)展月的前 2個(gè)月，西南亞及印度洋北部有異常反氣旋環(huán)流，使得研究區(qū) 40°N 以南有偏北風(fēng)異常，北印度洋洋面有偏西風(fēng)異常，來自印度洋的水汽輸送減少。在前一月，位于關(guān)鍵區(qū)北部的異常反氣旋環(huán)流加強(qiáng)且逐漸南壓，來自大西洋的水汽輸送增強(qiáng)使得中亞北部為弱的比濕正異常。

　　西南亞反氣旋環(huán)流也增強(qiáng)，使得研究區(qū) 40°N 以南異常偏北風(fēng)增強(qiáng)，水汽輸送進(jìn)一步減弱，中亞南部和西亞比濕負(fù)異常也顯著增強(qiáng)，且均通過了顯著性檢驗(yàn)。在旱情迅速發(fā)展月，中亞北部的異常反氣旋環(huán)流移動(dòng)到大西洋，強(qiáng)的偏西風(fēng)增強(qiáng)了大西洋的水汽輸送，使得關(guān)鍵區(qū)的西北部有顯著比濕正異常。而西南亞的異常反氣旋環(huán)流維持，顯著比濕負(fù)異常范圍稍有收縮。其后中亞北部轉(zhuǎn)為異常氣旋環(huán)流，西南亞的異常反氣旋環(huán)流逐漸減弱，中亞南部和西亞的比濕顯著負(fù)異常也減弱。

　　4 結(jié)論與討論

　　干旱是中、西亞地區(qū)的主要自然災(zāi)害之一，開展該地區(qū)的干旱研究對(duì)“一帶一路”倡議的順利推進(jìn)有重要價(jià)值。本文從 scPDSI 指數(shù)出發(fā)，分析了中、西亞極端干旱的發(fā)生發(fā)展特征，并通過合成和對(duì)比分析，探討了中西亞地區(qū)極端干旱發(fā)展的可能物理機(jī)制，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

　　(1) 中、西亞極端干旱具有明顯的季節(jié)性特征，干旱基本從前一個(gè)冬季開始緩慢發(fā)展，到了春季旱情發(fā)展十分迅速，春末達(dá)到最強(qiáng)，夏季開始緩解，秋末最弱。

　　(2) 對(duì)比極端干旱和極端濕潤年水汽和高度場(chǎng)的空間分布特征，發(fā)現(xiàn)中、西亞地區(qū)極端干旱發(fā)生時(shí)，往往伴隨著南部印度洋的水汽輸送減少，同時(shí)在中西亞北部出現(xiàn)了高度場(chǎng)正異常，中西亞地區(qū)以下沉氣流為主，在水汽輸送持續(xù)減少和高度場(chǎng)異常持續(xù)加深的共同作用下，地面干旱迅速地發(fā)展成強(qiáng)度強(qiáng)、范圍廣的極端干旱。濕潤年的水汽分布特征與干旱年相反。(3) 機(jī)理分析結(jié)果表明 La Niña型海溫異常與中西亞極端干旱發(fā)展有顯著相關(guān)關(guān)系，在這一異常海溫模態(tài)下，熱帶西太平洋和東印度洋的對(duì)流增強(qiáng)，在西南亞激發(fā)出暖的反氣旋異常，是干旱區(qū)來自印度洋水汽輸送減少的重要原因。

　　(4) 同時(shí) EU/WR 遙相關(guān)型與中西亞高度場(chǎng)異常也有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，且前冬的 EU 指數(shù)和春季中西亞旱情有明顯負(fù)相關(guān)，表明該遙相關(guān)型對(duì)中西亞干旱有重要影響，但是這一遙相關(guān)與海溫異常的共同影響機(jī)制還需要進(jìn)一步探討。需要指出的是，本文選取的 5個(gè)極端干旱事件中，有 4 個(gè)事件發(fā)生在近 20 年，事件的分散度不足，在后續(xù)的研究中，我們將選取更多的干旱事件，進(jìn)一步研究 EU 遙相關(guān)型這一超前信號(hào)是如何影響中西亞極端干旱的發(fā)生發(fā)展，以及與太平洋海溫異常的協(xié)同作用，最終嘗試根據(jù)這些關(guān)鍵系統(tǒng)的前期信號(hào)，來監(jiān)測(cè)甚至預(yù)報(bào)亞洲中西部的旱情發(fā)展。

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　　作者：吳志文1，秦正坤1，林朝暉2