2011年春夏長(zhǎng)江中下游旱澇急轉(zhuǎn)特征及原因分析*

王 鳳，孫即霖，吳德星

（中國(guó)海洋大學(xué)1.海洋環(huán)境學(xué)院；2.物理海洋實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266100；3.廣州中心氣象臺(tái)，廣東 廣州510080）

2011年長(zhǎng)江中下游地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)被列為2011年中國(guó)十大天氣氣候事件之一。旱澇急轉(zhuǎn)包含兩層含義［1］：一是由干旱轉(zhuǎn)向洪澇的一種自然現(xiàn)象，屬于客觀的范疇，通常表現(xiàn)為從一段持續(xù)干旱的天氣突然轉(zhuǎn)為易澇的暴雨天氣；二是指由抗旱轉(zhuǎn)向排澇的一種人類行為方式的變化，屬于主觀的范疇，表現(xiàn)為某一區(qū)域正在抗旱，在一場(chǎng)突如其來的大暴雨或持續(xù)強(qiáng)降雨之后，工作重心必須立即從抗旱轉(zhuǎn)移到排澇上。旱澇異常是國(guó)內(nèi)外大氣科學(xué)研究的熱點(diǎn)問題［2－8］，按照時(shí)間尺度一般可以分為季節(jié)平均和季節(jié)內(nèi)降水異常變化兩種類型［9］，以 往 的 研 究 多 關(guān) 注 季 節(jié) 平 均 降 水 異 常［10－11］。1990年代以來，鑒于季節(jié)內(nèi)降水異常所造成災(zāi)害的嚴(yán)重性，對(duì)該異?，F(xiàn)象的研究也越來越受到關(guān)注。旱澇急轉(zhuǎn)是季節(jié)內(nèi)降水異常的典型代表，在夏季中國(guó)華南、長(zhǎng)江中下游及西南等地區(qū)時(shí)有發(fā)生。有學(xué)者［12－13］從降水特征方面對(duì)旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象進(jìn)行了分析，指出旱澇急轉(zhuǎn)是由強(qiáng)降水或雨量較大的連陰雨使某一地區(qū)迅速由旱轉(zhuǎn)澇的天氣過程。

2011年1～5月，長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水連續(xù)偏少，出現(xiàn)了近60年來最嚴(yán)重的干旱。5月下旬江南等地出現(xiàn)較大范圍降雨，使長(zhǎng)江中下游地區(qū)的旱情有所緩和，然而隨后長(zhǎng)江中下游地區(qū)以晴熱少雨天氣為主，導(dǎo)致部分地區(qū)旱情持續(xù)或進(jìn)一步加劇。6月3～20日，出現(xiàn)5次強(qiáng)降雨過程，長(zhǎng)江中下游地區(qū)六省一市（湖南、湖北、江西、安徽、江蘇、浙江、上海）區(qū)域平均降水量247.9mm，較常年同期（153.2mm）偏多62%，為近56年歷史同期最多，“旱澇急轉(zhuǎn)”特征凸顯。這樣急劇的旱澇急轉(zhuǎn)很大可能是由區(qū)域大氣環(huán)流的異常變化引起的。近年來的研究表明，區(qū)域大氣環(huán)流的異常不僅是由該區(qū)域的大氣的動(dòng)力、熱力異常造成的，也可能是別的區(qū)域環(huán)流異常造成的［14－15］，并且海洋環(huán)流的異常也會(huì)對(duì)大氣環(huán)流產(chǎn)生影響［16］。本文研究的目的是分析2011年旱澇急轉(zhuǎn)發(fā)生的原因，并試圖發(fā)現(xiàn)與其密切相關(guān)的前期信號(hào)，以便對(duì)該領(lǐng)域的研究和預(yù)報(bào)工作提供有價(jià)值的參考。

本文所用資料為美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）和國(guó)家大氣科學(xué)研究中心（NCAR）共同完成的再分析資料（1981—2011年），其每日資料水平分辨率為2.5（°）×2.5（°），垂直方向?yàn)閘7個(gè)等壓面層，資料要素包括風(fēng)、位勢(shì)高度、溫度、濕度等。高度和溫度場(chǎng)使用的是美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）提供的FNL（Final Analyses data of Global Forecast System）再分析格點(diǎn)數(shù)據(jù)，每6h更新一次，空間分辨率為1（°）×1（°）。海表面溫度SST（Sea Surface Temperature）使用的是NOAA（National Oceanic and atmospheric administration）的 NOAA High－resolution Blended Analysis日平均SST（1985—2011年），空間水平分辨率為0.25（°）×0.25（°）。

1 2011年春夏長(zhǎng)江中下游降水概況

圖1是長(zhǎng)江中下游地區(qū)（110°E～122.5°E，25°N～30°N）從1月開始到6月30日的氣候平均日降水量和2011年的相應(yīng)時(shí)期的日平均降水量。從圖1中可看出，長(zhǎng)江中下游地區(qū)，主要是長(zhǎng)江以南地區(qū)在2011年1～5月整體呈現(xiàn)干旱，降水長(zhǎng)期少于氣候平均降水量。而在5月1～16日期間出現(xiàn)了幾次較強(qiáng)的降水過程，5月下旬降水與往年相比減少很多，之前的降水對(duì)于緩解旱情沒有很大幫助，直到6月2日再次出現(xiàn)強(qiáng)降水過程，這一段時(shí)間的降水給長(zhǎng)江中下游的部分地區(qū)造成的洪澇災(zāi)害。5月上旬的降水過程由于出現(xiàn)在長(zhǎng)期干旱的情況下，并沒有給降水地區(qū)造成洪澇災(zāi)害。此次過程發(fā)生在南海夏季風(fēng)爆發(fā)之前，與6月上旬的那次降水過程的季節(jié)大氣環(huán)流特征屬于不同的類型［17］。本文分析的重點(diǎn)放在發(fā)生明顯旱澇急轉(zhuǎn)并且造成災(zāi)情的第二次降水過程上，試圖找出旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生的原因，并嘗試發(fā)現(xiàn)影響其產(chǎn)生的前期信號(hào)。

圖1 2011年長(zhǎng)江中下游地區(qū)（110°E～122.5°E，25°N～30°N）日平均（實(shí)線）降水量及氣候日平均（虛線）降水量（1981年—2010年）Fig.1 The daily precipitation in 2011（solid line）and the climatic daily mean（dashed line）precipitation（from 1981to 2010）over the study area（110°E～122.5°E，25°N～30°N）

根據(jù)降水異常程度，選取4個(gè)時(shí)間段來分析這次旱澇急轉(zhuǎn)過程：階段一（P1）是4月16～30日，在這期間，長(zhǎng)江中下游地區(qū)的降水量遠(yuǎn)小于氣候平均值代表春季干旱的情況；階段二（P2）是5月1～15日，在這段時(shí)間內(nèi)長(zhǎng)江中下游部分地區(qū)出現(xiàn)來幾次較強(qiáng)的連續(xù)降水過程；階段三（P3）是5月16日～6月2日，長(zhǎng)江中下游地區(qū)的平均降水量較小，與氣候平均態(tài)相差甚遠(yuǎn)，由于P2階段的降水不足以緩解該地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間的旱情，多數(shù)長(zhǎng)江中下游地區(qū)仍處于干旱缺水的狀態(tài)；階段四（P4）是6月2～20日，長(zhǎng)江以南的中下游地區(qū)的持續(xù)降水造成了部分地區(qū)的洪澇災(zāi)害。由于P2和P4的降水機(jī)制并不類似，所以沒有使用合成分析而是將2次旱澇轉(zhuǎn)換分別進(jìn)行分析。

2 大氣環(huán)流背景場(chǎng)特征

2.1 大氣環(huán)流在旱澇時(shí)期的變化

200hPa高度場(chǎng)（圖略）上可以看到南亞高壓在P2時(shí)期強(qiáng)度和范圍相對(duì)較小，位于中南半島上空；到P3時(shí)期其中心位置向北移動(dòng)，雖然主體還在中南半島上空，但范圍有所擴(kuò)大；P4時(shí)期南亞高壓加強(qiáng)，分裂成2個(gè)中心，西部的中心位于阿拉伯海北部，東部的中心位于高原北部緬甸和中國(guó)云南地區(qū)上空。隨著南亞高壓5月逐漸加強(qiáng)北上，6月之后跳上高原，大氣環(huán)流型由冬季型轉(zhuǎn)為夏季型［18］，由于大氣環(huán)流型的改變，高空急流軸的位置也向北移動(dòng)。

P3時(shí)期高緯環(huán)流形勢(shì)（圖略）大體為兩槽一脊形勢(shì)，極渦中心靠近北極，其主體在歐洲上空與P4時(shí)期相比偏西，偏西的低槽位于烏拉爾山地區(qū)，這樣的高空配置有利于冷空氣南下，但由于位置偏西，難以影響長(zhǎng)江中下游地區(qū)。貝加爾湖以東存在切斷低壓中心，東部槽為橫槽，不利于冷空氣南下影響中國(guó)南部地區(qū)，同時(shí)西北太平洋上未出現(xiàn)副熱帶高壓（5 880gpm線）閉合中心，東南方向水汽輸送較弱，孟加拉灣北部有一較為平緩的低槽，不利于西南暖濕氣流的輸送。冷暖空氣交匯條件和水汽條件的不足不利于長(zhǎng)江流域及中國(guó)南方降水發(fā)生。P4時(shí)期同樣也是兩槽一脊形勢(shì)，與P3時(shí)期相比，西部的槽有所偏西，東部的槽由橫轉(zhuǎn)豎，極渦向東移到貝加爾湖北部的西伯利亞地區(qū)，東亞大槽位于130°E附近為東北－西南走向，環(huán)流形勢(shì)為穩(wěn)定的經(jīng)向型環(huán)流，這樣的環(huán)流形勢(shì)有利于冷空氣南下。同時(shí)西北太平洋副熱帶高壓有所加強(qiáng)，副熱帶高壓脊西伸到120°E以西地區(qū)，有利于太平洋上的暖濕氣流輸送。東亞大槽的收縮及穩(wěn)定維持，匹配中低緯度西太平洋副熱帶高壓的突然西伸并維持，為此次旱澇急轉(zhuǎn)事件提供冷空氣和充足的水汽，使得冷暖空氣在長(zhǎng)江中下游地區(qū)持續(xù)交匯，為該區(qū)域的集中、持續(xù)強(qiáng)降水提供有利的動(dòng)力和水汽條件。

P2時(shí)期的降水屬于冬季風(fēng)環(huán)流情況下的降水過程。從圖2（a）中看出，在降水時(shí)期，長(zhǎng)江中下游地區(qū)的水汽通量較大并且對(duì)應(yīng)著上升運(yùn)動(dòng)，P2階段水汽來自孟加拉灣地區(qū)，主要是西南氣流的輸送。P3時(shí)期雖然長(zhǎng)江以南的中下游地區(qū)有上升運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)，但是此時(shí)沒有偏南的水汽輸送，不利于降水產(chǎn)生（圖略）。P4時(shí)期水汽來源則較多，如圖2（b）除了來自印度洋、孟加拉灣的西南向的水汽輸送，還有來自西北太平洋和中國(guó)南海的水汽。此時(shí)西南夏季風(fēng)已經(jīng)爆發(fā)，南亞高壓也跳上高原，環(huán)流轉(zhuǎn)為夏季風(fēng)環(huán)流形勢(shì)［18］。從水汽量來看，6月上旬的降水量較大，持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)，旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象明顯。為重點(diǎn)分析P3－P4時(shí)期的旱澇急轉(zhuǎn)過程，用P3階段表征干旱時(shí)期，P4階段表征洪澇時(shí)期。

圖2 P3（2011年5月16日～6月2日）時(shí)期（a）和P4（2011年6月2日～6月20日）時(shí)期（b）的水汽通量（箭頭，單位：g／（s· m））及上升運(yùn)動(dòng)（陰影，單位：Pa／s）Fig.2 Water vapor flux of P3（a）and P4（b）period（arrow，unit：g／（s· m））and upward movement（shaded，unit：Pa／s）

P4階段與P3相比，500hPa高度場(chǎng)（見圖3）上最明顯的不同是在降水期間，西北太平洋副熱帶高壓有顯著加強(qiáng)西伸，長(zhǎng)江中下游地區(qū)位于條狀副熱帶高壓的西北側(cè)，副熱帶高壓脊的位置由菲律賓以東的10°N～20°N北移到20°N左右臺(tái)灣島以東的海上，這種環(huán)流形勢(shì)將太平洋和南海的暖濕空氣輸送的降水地區(qū)，配合北方南下的冷空氣利于持續(xù)性降水的產(chǎn)生。同時(shí)孟加拉灣地區(qū)上空的低槽得以加深發(fā)展，將孟加拉灣地區(qū)的水汽向長(zhǎng)江中下游輸送。副熱帶高壓的變化趨勢(shì)在500hPa高度異常場(chǎng)上更為明顯。從圖3的對(duì)比中可以看出，P3時(shí)期中國(guó)大部分地區(qū)氣壓異常偏高，南海和西北太平洋地區(qū)處于氣壓負(fù)異常狀態(tài)，導(dǎo)致陸地上偏北風(fēng)加強(qiáng)，不利于降水的產(chǎn)生。到P4階段，太平洋副熱帶高壓突然加強(qiáng)西伸，孟加拉灣地區(qū)則為低壓異常，這使得長(zhǎng)江中下游地區(qū)的風(fēng)向偏南，大量水汽被輸送到長(zhǎng)江以南地區(qū)，為降水提供了有利的水汽條件。

圖3 P3階段500hPa位勢(shì)高度異常場(chǎng)（等值線），P4階段500hPa位勢(shì)高度異常場(chǎng)（陰影區(qū)，單位：gpm），加粗綠虛線和紅實(shí)線分別為P3和P4階段500hPa位勢(shì)高度場(chǎng)（單位：gpm）Fig.3 Anomalous 500hPa geopotential height at stage of P3 （contour line）and at P4（shaded），green dashed line and red solid line are 500hPa geopotential height at stage P3and P4，respectively

2.2 高空急流與上升運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

高空200hPa急流位置對(duì)于降水會(huì)有很大影響［19－20］。從圖4（b）中可以看出，P3 階段急流中心風(fēng)速最大的區(qū)域分裂成兩段，東段位于日本以東的太平洋地區(qū)上空，西段則位于中國(guó)北部地區(qū)內(nèi)蒙一帶上空。急流中心下方對(duì)應(yīng)溫度水平梯度較大的鋒區(qū)，急流中心附近上方對(duì)流層頂斷裂。根據(jù)熱成風(fēng)原理，急流軸下方的鋒區(qū)中地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度增加最快，急流中心的上方由于溫度水平梯度與下方相反，地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度減小，因此急流區(qū)的斜壓性最強(qiáng)。圖4（a）是行星鋒區(qū)兩側(cè)的溫差，從5月下旬開始行星鋒區(qū)強(qiáng)度有所減弱，而日本以南海域親潮與黑潮之間的溫差加大（見圖4（c）），使得海洋上空對(duì)應(yīng)的鋒區(qū)加強(qiáng)，急流也隨之發(fā)生變化［20］。圖4（b）顯示P4階段急流軸的位置發(fā)生變化恢復(fù)為一個(gè)中心，中心風(fēng)速加強(qiáng)位置有所西移。此時(shí)長(zhǎng)江中下游地區(qū)處于急流入口區(qū)的右側(cè)，高空對(duì)應(yīng)強(qiáng)的反氣旋式切變，負(fù)渦度增加，高空強(qiáng)輻散將下層的氣流向上抽吸引起較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)［20］，為降水提供了另外一個(gè)有利的條件。

圖4 （a）2011年4～6月700hPa層上急流南北兩側(cè)的溫差（單位：K）Fig.4 （a）Air temperature differences between south and north of the jet stream on the level of 700hPa（unit：K）

圖4 （b）P3（陰影）和P4（等值線是等風(fēng)速線）時(shí)期對(duì)應(yīng)的急流（單位：m／s），F(xiàn)ig.4 （b）Jet stream of P3and P4period（unit：m／s）

圖4 （c）2011年4～6月親潮與黑潮之間的溫差（單位：°C）Fig.4 （c）SST anomaly differences of Oyashio and Kuroshio（unit：°C）

2.3 副熱帶高壓加強(qiáng)原因的分析

從風(fēng)場(chǎng)異常場(chǎng)（見圖5（a））上能夠看到，在孟加拉灣地區(qū)上空有個(gè)異常氣旋存在，與OLR場(chǎng)的對(duì)流活動(dòng)（圖略）相對(duì)應(yīng)。根據(jù)Gill的加熱理論，當(dāng)熱源呈關(guān)于赤道反對(duì)稱的情況下，異常潛熱加熱區(qū)即異常氣旋的東側(cè)會(huì)強(qiáng)迫出異常的反氣旋環(huán)流［21］。這個(gè)異常的氣旋對(duì)應(yīng)的就是赤道北部的異常加熱，而其強(qiáng)迫出的異常反氣旋環(huán)流則與洪澇期間西伸的副熱帶高壓脊相對(duì)應(yīng)。副熱帶高壓的加強(qiáng)西伸使得長(zhǎng)江中下游地區(qū)位于副熱帶高壓脊的北部，氣流沿著副熱帶高壓邊緣從東南向變?yōu)槲髂舷?，將太平洋和南海的水汽輸送到長(zhǎng)江中下游地區(qū)，為持續(xù)性降水提供了充足的水汽供應(yīng)。降水期間北半球大氣是低指數(shù)環(huán)流型［22］，穩(wěn)定的環(huán)流形勢(shì)配合水汽和上升運(yùn)動(dòng)造成了長(zhǎng)江中下游地區(qū)異常多的降水。

3 南半球冷空氣活動(dòng)的影響

南半球的冬季高壓加強(qiáng)通常伴隨著冷空氣的活動(dòng)，而冷空氣的活動(dòng)則會(huì)引起越赤道氣流的加強(qiáng)［23－24］。當(dāng)90°E～180°E之間的南半球500hPa環(huán)流出現(xiàn)經(jīng)向型時(shí)，往往在澳洲至印度洋東部地區(qū)有較強(qiáng)的冷空氣活動(dòng)，強(qiáng)冷空氣可以影響到南半球低緯地帶［25］。由于經(jīng)向環(huán)流型中穩(wěn)定的長(zhǎng)波槽位置不同，低層越赤道氣流的主要路徑所在經(jīng)度也不相同，夏季氣候態(tài)低層的越赤道氣流的通道［26］主要在45°E、105°E、150°E 和70°E。如圖5（c）從5月30日～6月4日，75°E至90°E地區(qū)的越赤道氣流是逐漸加強(qiáng)的，與澳大利亞冷空氣的活動(dòng)對(duì)應(yīng)（見圖5（b））。F在5月底的一次更強(qiáng)的冷空氣活動(dòng)也在這一地區(qū)對(duì)應(yīng)越赤道氣流的加強(qiáng)。數(shù)值模擬試驗(yàn)［23］表明，澳大利亞冷空氣的活動(dòng)對(duì)越赤道氣流的影響有提前10～15d的指示意義。并且在氣候平均上，140°E附近地區(qū)越赤道氣流受澳大利亞冷空氣的影響程度較大。圖5（b）所示500hPa澳大利亞地區(qū)4～6月的冷空氣活動(dòng)，在5月25日左右到6月7日左右有一次強(qiáng)冷空氣活動(dòng)，這次冷空氣過程的2～3候時(shí)間之后越赤道氣流在赤道印度洋地區(qū)有顯著增加，使得氣流在印度洋孟加拉灣地區(qū)輻合，如圖5（d）從6月1日起孟加拉灣地區(qū)的氣流是逐日增加的，氣流在該地輻合上升，激發(fā)其上空的對(duì)流異常加強(qiáng)。同時(shí)加深了印緬槽，促使更多的水汽從孟加拉灣地區(qū)被輸送到長(zhǎng)江中下游地區(qū)，為降水提供有利條件。

圖5 （a）P4時(shí)期850hPa風(fēng)場(chǎng)異常場(chǎng)（單位：m／s）Fig.5 （a）Wind anomaly on the level of 850hPa during P4period（unit：m／s）

圖5 （b）105°E～120°E剖面上500hPa氣溫（單位：°C）Fig.5 （b）The temperature of 500hPa from 105°E to 120°E（unit：°C）

圖5 （c）850hPa沿赤道剖面的風(fēng)場(chǎng)隨時(shí)間變化 （單位：m／s）Fig.5 （c）Wind of 850hPa on equator（unit：m／s）

圖5 （d）850hPa沿15°N剖面的風(fēng)場(chǎng)隨時(shí)間變化 （單位：m／s）Fig.5 （d）Wind of 850hPa on 15°N （unit：m／s）

4 結(jié)論

（1）2011年春末夏初長(zhǎng)江中下游地區(qū)的旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象與大氣環(huán)流異常變化有密切的關(guān)系，尤其西北太平洋副熱帶高壓的加強(qiáng)為降水提供充足的水汽輸送。

（2）洪澇時(shí)期長(zhǎng)江中下游位于高空西風(fēng)急流軸入口區(qū)右側(cè)，陸地經(jīng)向溫度梯度的減小是形成長(zhǎng)江下游附近成為高空西風(fēng)急流入口區(qū)域的重要原因。高空負(fù)渦度的加強(qiáng)有利于上升運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，急流軸的變化與海面親潮與黑潮間的溫度梯度增大有密切聯(lián)系。

（3）副熱帶高壓的增強(qiáng)與印度洋孟加拉灣上空的異常對(duì)流加強(qiáng)有關(guān)。南半球冷空氣活動(dòng)導(dǎo)致向北越赤道氣流加強(qiáng)，激發(fā)孟加拉灣上空的對(duì)流異常增強(qiáng)。

（3）2011年初夏長(zhǎng)江中下游地區(qū)的旱澇急轉(zhuǎn)是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果。海洋對(duì)大氣環(huán)流的影響不可忽視，陸地季節(jié)性熱力效應(yīng)的變化（經(jīng)向溫度梯度減?。?duì)暴雨區(qū)上升運(yùn)動(dòng)的影響也很重要。兩半球間大氣運(yùn)動(dòng)的相互影響對(duì)對(duì)流和西太平洋副熱帶高壓的影響不容忽視。從中期天氣預(yù)報(bào)的角度，可以提前得出一些有參考價(jià)值的預(yù)報(bào)信號(hào)。

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