描述中国云贵高原地区一次干旱事件的云特性

《Atmospheric Research》:Characterizing the cloud properties of a drought event over the Yunnan–Guizhou Plateau of China

【字体: 时间:2026年03月13日 来源:Atmospheric Research 4.4

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  该研究基于MODIS、GPM和ERA5数据,揭示2009-2010年云南-贵州高原跨季节超级干旱期间云特征演变规律,利用综合多尺度指数(CMI)划分发展期、严重期和缓解期,发现云顶高度降低、冰水含量减少及混合相云比例下降抑制降水,而后期云顶升高、混合相云增加及水含量回升促进缓解。

  
李云杰|李莉|王飞|卢春松|陈景华
中国气象局气候系统预测与风险管理国家重点实验室,南京信息科技大学气溶胶-云与降水重点实验室,南京210044,中国

摘要

本研究基于MODIS云产品、GPM降水数据和ERA5再分析,研究了2009年秋季至2010年春季期间滇黔高原(YGP)发生的跨季节性特大干旱事件中的云特征。采用综合多尺度指数(CMI)来衡量干旱强度。根据YGP的CMI和降水异常情况,可将此次干旱事件分为发展阶段、严重阶段和缓解阶段。在发展阶段,云层垂直生长受到抑制,云顶高度(CTH)从5公里降至3-5公里,同时冰水路径(IWP)也持续下降。此外,只有24.6%的云为混合相云,这种状态阻碍了Bergeron过程和凝结尾现象,从而减少了降水。在严重阶段,云光厚度(COT)下降了12.9%,平均混合相云水路径降至294.5克/平方米,进一步限制了降水。在缓解阶段,CTH上升至6-9公里,混合相云的比例增加到83.0%,冰水路径和液态水路径的同步增加为降水创造了有利条件,从而缓解了干旱。

引言

干旱是一种复杂且频繁的极端天气事件,可能发生在任何地理区域和季节。无论是降水量丰富还是稀缺的气候带,湿润或干燥的月份都可能遭受干旱的影响(Dai, 2011; Sheffield et al., 2012; Schwalm et al., 2012, Schwalm et al., 2017; Sun et al., 2019)。干旱对农业、经济和社会各个领域的影响可能是灾难性的(Li et al., 2020; Ukkola et al., 2020; Leng et al., 2022)。据估计,21世纪全球因干旱造成的经济损失每年在60亿至80亿美元之间,超过了其他任何气候灾害(Sun et al., 2022; Kiem et al., 2016; Wang et al., 2021)。
干旱也是中国的主要自然灾害之一,尤其是在农业领域造成了巨大的社会经济损失。从20世纪50年代到21世纪初,由于干旱导致的年均农作物减产从435万吨增加到3490万吨(Wang et al., 2020)。值得注意的是,位于中国西南部的滇黔高原(YGP)是一个典型的季风湿润区(图1)。其复杂的地形和气候条件使该地区成为干旱敏感区(Yang et al., 2012; Li et al., 2012; Cheng and Wang, 2018)。自20世纪90年代以来,西南地区的气候从湿润转向干旱(Wang et al., 2018)。该地区的干旱事件呈明显增加趋势,例如2006年的夏季干旱、2009-2010年的跨季节性特大干旱以及2013年的春季干旱,这些事件造成了巨大的经济损失(Li et al., 2011; Lu et al., 2011; Wang et al., 2024; Hu et al., 2015)。
当前研究表明,大尺度海气相互作用和大气环流异常是滇黔高原干旱的重要驱动因素。Zhang(2020)对2006年和2011年中国西南部的极端夏季干旱事件进行了比较分析,发现副热带高压向西扩展是引发干旱的关键机制。这种扩展改变了水汽输送路径并降低了输送效率。Lu等人(2011)指出,在2009-2010年的跨季节性特大干旱期间,异常的高压和低层环流模式抑制了水汽汇聚,同时高温异常加剧了蒸发需求,形成了降雨减少和变暖加剧的正反馈循环。进一步的研究揭示了中国西南地区干旱原因的时空异质性,2009年和2011年主要是降水不足,而2010年则是降水减少和蒸发增强共同导致了干旱(Sun et al., 2019)。这些研究强调了环流异常和水汽输送在气候变化背景下的关键作用。然而,云的作用尚未得到充分重视,而这非常重要,因为云将降水生成与大气动力学和水汽相变联系起来。
云作为水循环的关键环节,通过其时空特征(如云分数、云顶高度和云水路径)直接影响干旱的发生和发展,这些特征调节了辐射强迫和降水效率(Stephens, 2005; Li et al., 2024)。在地形复杂的地区,如滇黔高原,季风环流与山地地形的耦合导致云物理过程的显著异质性(Gao et al., 2011)。由于地形复杂,云在位置和高度上存在很大差异(Shi et al., 2017)。此外,滇黔准静止锋是寒冷季节经常出现在YGP上的一种独特天气系统,其两侧的天气条件截然不同:贵州一侧多云多雨,而云南一侧晴朗(Cai et al., 2022)。这反映了寒冷季节滇黔高原云特征的明显区域差异。锋面西侧,云南的云通常较高、较薄,云粒子有效半径较大,云分数在20%到30%之间;而锋面东侧,贵州的云较低、较厚,云粒子有效半径较小,云分数可超过95%(Yu et al., 2023)。
目前的研究主要关注干旱期间YGP的大气环流模式和水汽输送,同时也揭示了云特征的区域分布模式。然而,对于干旱事件期间云属性的变化(如云顶高度、光厚度和含水量)及其在干旱发展和加剧中的作用关注不足。重要的是,识别云的物理特征不仅有助于揭示干旱的微观物理机制,还为天气修改操作提供了关键的科学支持。通过明确不同干旱阶段的云垂直结构、相组成和水汽路径的变化,可以更准确地判断适合人工增雨或云播撒的时间和区域,从而提高操作效率并增强干旱缓解能力。因此,本研究旨在系统探讨2009-2010年滇黔高原干旱事件期间云的时空演变特征,为基于云物理的干旱过程分析和天气修改决策提供依据。

部分摘录

案例回顾与数据

2009年9月至2010年4月,中国西南地区经历了自1951年以来最严重的跨季节性特大干旱。干旱最初出现在云南和贵州两省,随后迅速蔓延至四川南部、重庆西南部和广西西北部,最终形成了覆盖云南、贵州、四川、广西和重庆五个省级地区的连续干旱区。其中,云南东部的喀斯特地貌...

2009年9月至2010年4月滇黔高原的干旱事件

根据2009年7月至2010年6月滇黔高原降水异常百分比的空间分布特征(图2、表2),结合统计显著性测试的结果以及图3所示的CMI演变,可将这一时期的干旱过程定量划分为三个阶段:发展阶段、严重阶段和缓解阶段。
发展阶段(2009年9月至11月),8月份滇黔高原已经出现负降水异常

结论与讨论

本研究基于多源观测数据,研究了2009年秋季至2010年春季影响滇黔高原的特大干旱过程中云特征的变化。干旱的特征是700百帕层持续的西北风异常和500百帕层增强的下沉气流,这些因素共同形成了不利于区域降水的宏观环境条件。

CRediT作者贡献声明

李云杰:撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 原稿。李莉:调查,数据管理。王飞:资源提供,数据管理。卢春松:撰写 – 审稿与编辑,资源提供。陈景华:撰写 – 审稿与编辑,概念构思。

未引用的参考文献

Bruno et al., 2021
Goy et al., 2018

利益冲突声明

所有作者均声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划(编号:2023YFC3007504)和国家自然科学基金(编号:42075067)的支持。
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