第171篇 |【文献推荐】水汽来源的变化导致了2017-2019年澳大利亚东南部干旱的发生和发展

01 研究背景

02 研究数据与方法

2017-2019年是MDB最干旱的时期。鉴于该盆地干旱的严重性，本研究中将其称为MDB干旱。然而，干旱从MDB以西的草原和沙漠地区一直延伸到大分水岭东侧的沿海温带地区，由于这些地区通常每年的降雨量较高，MDB干旱也被称为Tinderbox干旱。

图1 2017-2019年MDB干旱。（a）MDB年降水距平的时间序列。2017-2019年以浅棕色着色，灰线代表3年滑动平均线，虚线表示第5个百分位数。（b）澳大利亚2017-2019年三年合计的降水百分位数。白色等值线为MDB地区。（c）MDB地区的累积降水。深棕色：2017年。橙黄色：2018年。浅棕色：2019年。（d）MDB 3年降水距平直方图。棕色条柱突出显示了2017-2019年的降水量。

研究使用拉格朗日粒子扩散模型FLEXPART用于跟踪大气中的水汽路径并确定水汽的来源和汇，每个粒子沿其从该地区降水返回其蒸发源的路径上的比湿（q）变化每6小时保留一次，并表示为与每个粒子相关的水汽通量（蒸发量e减去降水p），即e−p = m（dq/dt），其中m是粒子质量。然后，通过添加（e−p）给定区域内大气柱中的所有粒子来计算总表面水汽通量（总蒸发量E − 总降水量P）。数值拉格朗日方法的主要优势包括能够确定一个区域的水汽净通量，包括向前和向后的时间，从而允许建立源-受体关系。相反，这些限制凸显了水汽通量计算对较短时间段或较小区域的数据噪声增加的敏感性。此外，在该方法中，蒸发速率通常基于计算而不是观测，并且蒸发和降水没有明确分开。

研究使用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA-Interim再分析数据（https://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysisdatasets/erainterim），包括风速和湿度，时间分辨率为6小时，空间分辨率为1×1°，时间为1980-2019年，有61个垂直大气层。

水汽源是时间倒退跟踪的粒子产生的水汽通量有利于蒸发的区域，即（E-P）> 0的区域。气团沿着它们朝向目标区域的轨迹吸收这些区域的水汽，在水汽的停留时间（即水汽通常在大气中停留的时间）内对粒子进行数天的跟踪。通常采用10天作为平均停留时间，时间因地区和季节而异。本研究的整合时间不限于10天；使用根据平均MDB计算的水汽最佳停留时间，估计为7-10天。然后生成E-P >0的全球地图，并使用超过E-P >0第95个百分位数（即蒸发量超过降水量的最高值的5%）的网格点来确定水汽来源。

降水超过蒸发量（E-P <0）的第95个百分位数的区域被确定为该地区的水汽汇。从来源进行前向分析，以估计MDB地区的水汽供应。E-P < 0 (水汽对降水的贡献)的值分别由陆地和海洋水汽源气团在时间向前追踪的大陆上计算得到。

03 主要发现

3.1 描述干旱事件及其与气候驱动因素的可能联系

MDB为混合型气候，从北亚热带到南温带均有分布，年平均降水量为517mm。2019年是有记录以来MDB最干旱的一年（图1、2），年降水量仅为271mm，约为该地区1-12月预计降水量的48%。MDB年降雨量的43%（222 mm）发生在4-9月的冬季（图2）。2017-2019年连续三个冬季的降雨量都低于平均水平（图2），这是自1900年以来前所未有的三年综合事件（图1）。MDB获得了2017-2019年冬季4-9月48%-59%的预计降雨量，即2017年降雨量为131mm，2018年为108mm，2019年为131mm。

对主要变率模式状态进一步观察可得，2017-2019年冬季期间中太平洋海面温度（Sea Surface Temperature）大致为中性（图3）。2016-2017年和2017-2018年的南半球夏季均出现了微弱的双底拉尼娜现象，这与干旱发生的可能性相反（图3a）。拉尼娜现象通常与MDB上空降雨量增加有关，本应有助于缓解干旱状况，但2017年发生干旱，并在2018年加剧。然后，2018-2019年出现了一次微弱而短暂的中太平洋厄尔尼诺现象，这一现象被认为加剧了干旱。然而，厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）在南方的秋冬季节（起止阶段）通常很弱，事实上，其在冬季没有出现，因为这三年的降雨量异常低。因此，这次特殊的干旱不能归咎于ENSO。

南半球环状模（Southern Hemisphere Annular Mode）在2017年后转为中性事件，直到2019年春末转为强负事件，这是由极涡减弱和平流层突然变暖事件引起的，虽然负SAM加剧了2019年末的炎热和干燥天气，但其强度和迹象与冬季MDB地区大部分地区的干燥状况并不一致。

一系列正印度洋偶极子（IOD）事件最有可能促成干旱条件，尤其是在2019年下半年，2019年6月中旬至2020年1月降雨不足尤为严重。但是，这些气候驱动因素在一年中处于成熟阶段的时间并不完全与整个冬季相吻合。

综上可得，ENSO、IOD和SAM都不能单独解释干旱的发生及演变。除远程变率模式外，很可能把其他因素归咎于2017-2019年干旱的主要原因。

3.2 2017-2019干旱期间的水汽贡献

9月-次年2月，水汽对MDB降水的贡献较大（图4），这与南半球夏季水汽来源的增加一致。其次，澳大利亚季风在该时段活跃，陆地水汽对MDB降水的贡献大致相等，且超过了海洋水汽的贡献（图4）。然而，在3-8月，海洋来源的贡献超过了陆地来源（图4），这是2017-2019年该地区降雨量较少的月份。4-9月，即降雨量低于平均水平的月份（图2），陆地来源的贡献为27.17 mm，而海洋来源则为44.03 mm。这一结果再次支撑了2017-2019年冬季降雨量下降与海洋水汽来源减少有关的观点。

在2017年和2018年的冬季，塔斯曼海地区为MDB降水提供了最重要的水汽来源（图4）。水汽来源的异常下降在2017年冬季尤为明显，4-9月期间，从海洋和陆地吸收的水汽分别减少了23%和21%（图5）。这种下降趋势在2018年冬季持续存在，海洋和陆地来源的下降速度相似，约为22%。这表明MDB水汽供应减少在干旱的发生和加剧中起主要作用。2019年，异常水汽来源混合，有正值和负值。从2019年4月到7月，来自海洋来源的预期水汽来源总体下降了11%。然而，陆地来源比正常的陆地水汽供应大致低了26%，这也导致了该时期的降雨不足。2017-2019年4-7月期间，连续三个冬季的平均水汽源减少了约20%，导致MDB干旱事件的发生（图5）。

3.3 2017-2019年冬季期间从MDB输送的水汽

以海洋来源为主的水汽汇在MDB区域以北的昆士兰州上显示出正异常（图5），这表明附近海洋的水汽供应偏离了澳大利亚北部。垂直积分水汽异常的正值总体分布在热带和中纬度地区，在南大洋上空从西到东、从珊瑚海到印度尼西亚海和东印度洋为逆时针的水汽平流模式出现（图6）。这种异常模式表明，通常供应给MDB地区的水汽偏离了澳大利亚热带地区，并为昆士兰州和该国北部地区的降水提供了有利条件。

珊瑚海和塔斯曼海的水汽源在2017年和2018年异常低，但蒸发情况并非如此，与预期相反，附近海洋总体上表现出正异常（图7）。塔斯曼海和珊瑚海的正蒸发异常也是由高于正常的潜热通量检测到的，这是大气环流变化导致风速增快的结果。2019年，异常反气旋环流结合高于平均水平的海面温度（图7）导致珊瑚海（图7）至西太平洋低纬度地区（图6）的蒸发量增加。在陆地上，蒸发量异常低（图7），这与MDB上降雨循环的下降结果一致。在三个冬季期间，尤其是2017年和2019年，MDB上的海平面气压异常特别高，地转风异常也与印度尼西亚海的水汽平流一致。

04 研究结论

05  引发思考