摘要：干旱是影響中亞和西亞的首要自然災害，作為“一帶一路”倡議的樞紐地區，開展中西亞的干旱研究對“一帶一路”倡議的順利實施具有重要價值。本文利用自矯正帕爾默干旱指數(Self-calibrating Palm‐er Drought Severity Index，scPDSI)和ERA5再分析資料，分析了中西亞干旱發生發展的主要特征。結果表明中西亞干旱發展有明顯的季節特征，干旱多是從前冬開始，春季迅速加強，春末達到最強，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差異，結果表明：極端干旱事件前期熱帶太平洋海溫呈現出La Niña海溫異常模態，在西南亞激發出反氣旋環流，導致中西亞南部低層持續的偏北風異常，使得來自印度洋的水汽輸送減少，同時在中西亞對流層中層表現為EU2型遙相關特征，導致該地區出現正的高度場異常并不斷加強。高度場正異常控制下大氣以下沉運動為主，加之水汽輸送減少，均不利于中西亞降水的產生，從而導致了中西亞干旱的迅速發展。

　　關鍵詞：“一帶一路”;干旱;干旱指數;大氣環流

　　1 引言

　　“一帶一路”倡議是“新絲綢之路經濟帶”(以下簡稱“一帶”)和 21世紀“海上絲綢之路”的簡稱，其中“一帶”東起活躍的東亞經濟圈，途經中西亞，西至發達的歐洲經濟圈(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，同時受季風系統和西風帶環流影響，氣候敏感且脆弱，干旱加劇了這一區域的水資源危機和地緣政治風險，因此開展該區域的干旱研究，對“一帶一路”倡議的推進有重要意義(黃建平等，2013;錢正安等，2017a，2017b;楊濤等，2016)。

　　中西亞沙漠廣布，絕大多數地區年降水量不足60 mm，不少學者從降水出發，探究中西亞的干旱特征。如 Yin et al(2014)分析了中亞半干旱區降水的氣候態和年際變率，指出中亞降水集中在冬半年。Agrawala et al(2001)進一步總結出中西亞降水的三種機制：中亞大部冬季的西風帶天氣尺度降水、中亞南部的夏季季風降水以及西亞和北非暖季非洲季風/ITCZ 降水。

　　中西亞地勢復雜，降水極不均勻，降水的大值區普遍位于扎格羅斯、青藏高原等山脈西側迎風坡，平原和盆地降水稀少(Schie‐mann et al，2008)。中西亞觀測站點稀少，遙感數據是有力的補充，Bai et al(2017)基于 TRMM 衛星降水數據，分析得出中亞和西亞干旱主要發生在夏季，干旱的發生有明顯的季節周期性;且西亞干旱近年來呈輕微減輕趨勢，而中亞則增強。還有很多研究分析了該地區干旱的氣候趨勢和在季節尺度上觀察旱情的時空特征(李新武等，2016;胡增運等，2018;王飛等，2017)。

　　僅根據降水異常無法全面描述干旱及其影響，為了準確地監測干旱，很多學者提出了多種干旱指數，如計算臺站一段時間內降水的累積概率密度函數再標準化而得到的標準化降水指數(StandardizedPrecipitation Index，SPI)(Kumar et al，2009)，以及在SPI基礎上再考慮潛在蒸散影響的標準化降水蒸散發指數(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，徑流和潛在蒸散發地 Palmer 干旱指數(Palmer Drought Se‐verity Index，PDSI)(Palmer，1965)。

　　根據植被的生長情況反映當地的干濕狀況而提出的歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index，ND‐VI)(Wardlow et al，2012)。不同指數對于干旱的刻畫會有差異，如楊慶等(2017)分析了 7種干旱指數(PDSI、 PDSI_CN、 scPDSI、 SWI、 SPI、 SPEI、CLM3. 5 模式模擬的土壤濕度)在中國區域的適用性，結果表明雖然 7 種干旱指數的界定結果一致，但在量值上存在明顯差異，需對閾值進行重新劃定。王素萍等(2020)分析了多個干旱指數在中國北方的適應性后也得出了相似結論。不同干旱指數的提出是出于不同的研究目的，因此應根據研究選擇恰當的干旱指數。

　　對于中西亞干旱的外在強迫研究學者們也開展了大量研究，如 Hoell et al(2015)和 Barlow et al(2002)指出，發生東部型 La Niña事件時，西太-東印度洋對流增強在西南亞上空激發出正壓羅斯貝波，導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 Madden-Julian Oscillation(MJO)借助東印度洋對流活動來調控西亞冬季日降水，MJO增強(抑制)東印度洋對流時，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)的調控，在暖 ENSO 和正 IOD 事件發生時，阿拉伯半島上空凈水汽輸送增加，冬季降水也增加。已被證實與中西亞部分地區降水相關聯的外強迫數量繁多，但對于席卷整個中西亞的極端干旱的外強迫還有待深入地探究。極端干旱強度強，持續時間長，影響范圍廣。

　　本文從極端干旱著手，選用合適的干旱指數刻畫中西亞的干旱狀況，在逐月時間尺度上分析中西亞極端干旱發生發展特征，再探究導致該地區干旱發生發展的主要天氣系統異常，嘗試找到引發該區域干旱發展的物理機制，從而為中西亞地區干旱的預測提供借鑒。

　　2 資料來源

　　本文選用自矯正帕爾默干旱指數(Self-calibrat‐ing Palmer Drought Severity Index，scPDSI)指數來監測干旱。Palmer(1965)提出了PDSI，該指數定義干旱是基于某地區維持數月/年時段內，實際的水分供給量持續低于統計的，與該地區氣候類型相符合的水分供給量。但該指數中的多個權重系數和持續因子的確定是基于美國歷史數據，所以在其他地區使用時會存在適應性問題。

　　為了改進這一點，Wells et al(2004)提出了 scPDSI，它是基于每一個臺站的歷史觀測資料，來計算出該臺站所對應的權重系數和持續因子，因此 scPDSI相比于 PDSI具有更好的空間可比較性(Dai，2011a，2011b)。該指數資 料 的 水 平 空 間 范 圍 為 178. 75° W -178. 75° E，58. 75°S-76. 25°N，經緯分辨率為2. 5°×2. 5°，選取的時間范圍為 1979-2014 年。

　　給出了 scPDSI干濕等級分級標準。本文還使用了歐洲中期天氣預報中心(ECWMF)建立的再分析數據(ERA5)中的海表面溫度、高度場、風場和水汽數據，再分析數據的水平分辨率為 0. 25°×0. 25°。文中涉及的地圖是基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為 GS(2016)2556 號的中國地圖(世界地圖)制作，底圖無修改。

　　3 結果和分析

　　3. 1 極端干旱個例分析

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

　　從 中可看出中西亞干旱發展表現出明顯的季節變化特征，前冬為干旱發展之初，1月僅有阿拉伯半島和北歐為嚴重或極端干旱，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，干旱擴張至中亞大部分地區。大約在4月份旱情迅速升級，兩伊地區極端干旱迅速地向東北擴張，極端干旱幾乎遍及整個中西亞。其后干旱強度繼續增強，6月旱情開始緩解。可見干旱的強度和范圍在春季升級迅速，僅一兩個月的時間，極端干旱就從阿拉伯半島擴張至整個西亞和中亞南部，在春末達到干旱最強階段。

　　旱情最強的春季，強的干旱災害基本集中在中亞大部及西南亞(25°N-50°N，40°E-70°E)，為進一步確認關鍵區內旱情空間特征的一致性， 分別給出了 2001 年和 2008 年旱情最強階段—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鍵區內。且 Hoell et al(2017)分析結果也表明這一區域干旱特征具有很好的空間一致性，所以下文將重點關注這一區域內旱情的發展。為了解這一區域逐月旱情的氣候狀況，給出了多年平均的中西亞區域平均逐月 scPDSI 指數變化圖，可以看到前述干旱發展的季節特征。干旱從前冬開始緩慢發展，春季發展明顯加快，春末達到旱情的最強階段，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

　　檢驗為進一步探究研究區干旱的發展過程及機理，下文將選取更多的極端干旱事件進行合成分析。黑線(右縱軸)則給出了關鍵區內嚴重及以上干旱(scPDSI<-3)格點的數量標準化序列，可看出關鍵區內旱情月際及年際差異大，明顯存在多次區域平均的 scPDSI 顯著偏低，嚴重干旱格點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月區域平均 scPDSI 值相差很大的陡峭變化過程，即表明旱情在后一個月迅速地發展，如 2000 年 3-4 月、2008 年 2-3 月。

　　本文將著重關注這種旱情存在急劇變化的極端干旱事件。圖 5 給出了關鍵區內區域平均 scPDSI 和嚴重及以上干旱格點數量的年平均箱線圖，其中方框包含了從小到大排列的 25%~75% 的數據，方框的上下邊即為上下四分位點，我們在四分位點外選取了嚴重及以上干旱格點數最多/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域平均scPDSI減小最多的月份為旱情迅速發展月，而后一類事件中，選取區域平均 scPDSI 最大的月份為最濕潤月。

　　最終我們選出的 5 個極端干旱年-月分別是：1984-01、2000-04，2001-03，2008-03，2010-12;選出的5個濕潤年-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。為了進一步驗證指數確定的極端干旱年份的準確性，我們根據美國國外災害援助辦公室/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)提供的國際災害數據集(EM-DAT disaster database)( Barlow et al，2015)，整理出發生在 1979-2014 年中西亞的干旱災害年份。

　　3. 3 極端干旱地區的水汽分布特征

　　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展月及其前兩個月和后一個月的 850 hPa 風場異常和比濕異常合成圖。在旱情迅速發展月的前 2個月，西南亞及印度洋北部有異常反氣旋環流，使得研究區 40°N 以南有偏北風異常，北印度洋洋面有偏西風異常，來自印度洋的水汽輸送減少。在前一月，位于關鍵區北部的異常反氣旋環流加強且逐漸南壓，來自大西洋的水汽輸送增強使得中亞北部為弱的比濕正異常。

　　西南亞反氣旋環流也增強，使得研究區 40°N 以南異常偏北風增強，水汽輸送進一步減弱，中亞南部和西亞比濕負異常也顯著增強，且均通過了顯著性檢驗。在旱情迅速發展月，中亞北部的異常反氣旋環流移動到大西洋，強的偏西風增強了大西洋的水汽輸送，使得關鍵區的西北部有顯著比濕正異常。而西南亞的異常反氣旋環流維持，顯著比濕負異常范圍稍有收縮。其后中亞北部轉為異常氣旋環流，西南亞的異常反氣旋環流逐漸減弱，中亞南部和西亞的比濕顯著負異常也減弱。

　　4 結論與討論

　　干旱是中、西亞地區的主要自然災害之一，開展該地區的干旱研究對“一帶一路”倡議的順利推進有重要價值。本文從 scPDSI 指數出發，分析了中、西亞極端干旱的發生發展特征，并通過合成和對比分析，探討了中西亞地區極端干旱發展的可能物理機制，得到以下幾點結論：

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

　　(2) 對比極端干旱和極端濕潤年水汽和高度場的空間分布特征，發現中、西亞地區極端干旱發生時，往往伴隨著南部印度洋的水汽輸送減少，同時在中西亞北部出現了高度場正異常，中西亞地區以下沉氣流為主，在水汽輸送持續減少和高度場異常持續加深的共同作用下，地面干旱迅速地發展成強度強、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) 機理分析結果表明 La Niña型海溫異常與中西亞極端干旱發展有顯著相關關系，在這一異常海溫模態下，熱帶西太平洋和東印度洋的對流增強，在西南亞激發出暖的反氣旋異常，是干旱區來自印度洋水汽輸送減少的重要原因。

　　(4) 同時 EU/WR 遙相關型與中西亞高度場異常也有很好的對應關系，且前冬的 EU 指數和春季中西亞旱情有明顯負相關，表明該遙相關型對中西亞干旱有重要影響，但是這一遙相關與海溫異常的共同影響機制還需要進一步探討。需要指出的是，本文選取的 5個極端干旱事件中，有 4 個事件發生在近 20 年，事件的分散度不足，在后續的研究中，我們將選取更多的干旱事件，進一步研究 EU 遙相關型這一超前信號是如何影響中西亞極端干旱的發生發展，以及與太平洋海溫異常的協同作用，最終嘗試根據這些關鍵系統的前期信號，來監測甚至預報亞洲中西部的旱情發展。

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　　作者：吳志文1，秦正坤1，林朝暉2