1961—2017年四川省夏季長周期旱澇急轉(zhuǎn)演變特征及環(huán)流影響分析

甄英 董雪峰 何靜

摘要 基于NECP/NCAR再分析資料和四川省38個站點降水資料，結(jié)合長周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)，分析了四川省夏季旱澇急轉(zhuǎn)的時間演變特征及其與典型年份大氣環(huán)流的聯(lián)系。結(jié)果表明：1）四川省夏季旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)年際變化差異較大，旱轉(zhuǎn)澇事件多于澇轉(zhuǎn)旱事件，但發(fā)生旱轉(zhuǎn)澇事件的可能性和強度降低，而澇轉(zhuǎn)旱年強度更強;2）旱轉(zhuǎn)澇年的旱期與澇轉(zhuǎn)旱的澇期相比，前者西太平洋副高位置偏西、偏強，不易將南海及西太平洋的水汽輸送到四川，降水偏少偏旱，而后者中高緯槽脊波動劇烈，在高原東南側(cè)低值系統(tǒng)與副高的配合下，有利于暖濕氣流向北輸送，在四川地區(qū)形成降水;而旱轉(zhuǎn)澇年澇期與澇轉(zhuǎn)旱年旱期相比，環(huán)流經(jīng)向運動偏強，中高緯槽脊波動明顯，有利于中高緯冷空氣南下與低緯北上的暖濕氣流相遇形成降水，降水偏多偏澇。

關(guān)鍵詞四川省;旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù);大氣環(huán)流;標準化降水量

氣候變化已成為當今世界最普遍關(guān)注的問題之一。隨著全球氣候變暖趨勢的加劇，近年來極端氣候?qū)е碌臑?zāi)害事件頻發(fā)（劉宇峰等，2017），尤其是一年內(nèi)出現(xiàn)干旱與洪澇的頻率增加，季節(jié)內(nèi)的“旱澇并存、旱澇急轉(zhuǎn)”現(xiàn)象在我國淮河流域（齊冬梅等，2011）、長江流域（齊冬梅等，2011，2017;廖光明等，2012;王黎娟和高龍龍，2017）及華南地區(qū)（韓林君和白愛娟，2019）都表現(xiàn)得很明顯。對于旱澇災(zāi)害較嚴重的西南地區(qū)，也有學(xué)者開始關(guān)注其季節(jié)內(nèi)的旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象（吳志偉等，2006，2007）。

四川地處西南內(nèi)陸，區(qū)域內(nèi)地勢起伏落差較大，年降雨量時空分布不均（程智等，2012），是我國旱澇頻發(fā)且較為嚴重的地區(qū)之一。國內(nèi)已有學(xué)者針對該區(qū)域的干旱時空分布特征（王傳輝等，2014;陳建杰和余錦華，2016）、降水量變化特征（張?zhí)煊畹龋?014;何慧等，2016）、旱澇特征變化及其與大氣環(huán)流之間的關(guān)系（溫克剛和丁一匯，2008;孫小婷等，2017）做了詳細研究，但還沒有對季節(jié)內(nèi)旱澇急轉(zhuǎn)特征及其環(huán)流形式進行過分析。分析四川區(qū)域內(nèi)的旱澇轉(zhuǎn)換及影響機制對保障人民生產(chǎn)、生活，防災(zāi)減災(zāi)有重要意義。本文初步分析了四川省夏季長周期旱澇急轉(zhuǎn)的演變及大氣環(huán)流特征，以期為夏季抗旱防洪工作提供一定科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

選取1961—2017年夏季（5—8月）四川省38個氣象臺站（圖1）日降水數(shù)據(jù)，基于NCEP/NCAR再分析資料選取同期的月平均數(shù)據(jù)，包括位勢高度場、水平緯向風(fēng)U、經(jīng)向風(fēng)V，分辨率為2.5°×2.5°。

1.2 研究方法

因受不同的地貌和季風(fēng)環(huán)流的交替影響，四川具有獨特的氣候類型，雨季主要集中在5—9月（周長艷等，2011）。結(jié)合《中國氣象災(zāi)害大典》（四川卷）中記錄，四川洪澇主要發(fā)生在5—10月，以7—8月為盛，7月尤盛;而干旱分春旱（3月1日—5月5日）、夏旱（4月26—7月5日）和伏旱（6月26—9月5日）。綜合上述資料，夏季發(fā)生洪澇、干旱主要集中在5—8月。同時統(tǒng)計四川近57 a日降水量，其中5—8月的降水量占全年降水的80.99%，故選取5—8月降水量代表夏季降水。

本文采用吳志偉等（2006）定義的長周期降雨旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)LDFAI進行分析，其中旱澇變化的時間尺度為2個月（楊金虎等，2015;劉宇峰等，2017）：

LDFAI=（P后-P前）（|P前|+|P后|）×1.8-|P前+P后|。 （1）

式中：P前為前汛期（5—6月）標準化降水量;P后為后汛期（7—8月）標準化降水量;|P前|+|P后|為旱澇強度項;1.8-|P前+P后|為權(quán)重系數(shù)，作用是增加長周期旱澇急轉(zhuǎn)事件所占權(quán)重，降低全旱或全澇事件權(quán)重（齊冬梅等，2012;張瑞等，2018）。LDFAI指數(shù)大于1為旱轉(zhuǎn)澇事件，小于-1為澇轉(zhuǎn)旱事件，介于-1～1的屬于正常狀態(tài)，LDFAI指數(shù)絕對值越大說明旱澇急轉(zhuǎn)事件越嚴重（邢彩盈等，2018）。

2 旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)適用性分析及典型年份選取

選取1961—2017年夏季LDFAI指數(shù)最高（低）前5 a值和標準化降水量（表1）對四川夏季旱澇轉(zhuǎn)換情況進行分析。高LDFAI指數(shù)年的5—6月標準化降水量值均小于7—8月，即降水量從5—6月到7—8月有增加趨勢。高LDFAI指數(shù)的5—6月標準化降水量均遠小于-0.5，表明降水量較多年同期偏少，顯著偏旱;高LDFAI指數(shù)的7—8月標準化降水量均大于0.5，且有3 a大于1，表明降水量較多年同期偏多，顯著偏澇。同理可得低LDFAI指數(shù)的旱澇情況。由此可見，高LDFAI指數(shù)對應(yīng)“旱轉(zhuǎn)澇”，低LDFAI指數(shù)對應(yīng)“澇轉(zhuǎn)旱”，其中絕對值大于1的最高（低）前5個年份作為典型旱澇急轉(zhuǎn)年。

圖2分別給出了典型年的旱轉(zhuǎn)澇年和澇轉(zhuǎn)旱年5—6月與7—8月的降水距平百分率合成。從圖2a中可以看出高LDFAI指數(shù)年5—6月降水距平百分率從西北向東南減少，川東北和盆地西南部分地區(qū)降水減少2成以上。7—8月（圖2b）全省降水整體偏多，其中川西北、川東和盆地中部部分地區(qū)降水較常年同期偏多3成。低LDFAI指數(shù)年反映出與高指數(shù)年不同的降水分布趨勢，5—6月（圖2c）降水距平百分率從西北向東南增多，川東降水較常年同期多3成以上;7—8月（圖2d）降水整體偏少，川東和川西北部分地區(qū)降水較常年同期減少3成以上。綜上所述，LDFAI指數(shù)基本能夠反映四川夏季旱澇轉(zhuǎn)換的變化特征。

3 夏季長周期旱澇轉(zhuǎn)換演變特征

夏季LDFAI指數(shù)可以反映研究區(qū)旱澇轉(zhuǎn)換的過程，但卻不能反映旱澇轉(zhuǎn)換的強度，因此對LDFAI指數(shù)取絕對值，分別繪出LDFAI指數(shù)和強度時間序列（圖3）。由圖3a可見，57 a來LDFAI指數(shù)年際變化存在較大差異，其中1967年指數(shù)值最低（-8.11），1988年指數(shù)值最高（5.82），整體旱澇急轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換強度下降，即發(fā)生旱轉(zhuǎn)澇事件的可能性略減小。LDFAI指數(shù)具有階段性特點，1961—1970年間指數(shù)高值較多（旱轉(zhuǎn)澇3次，澇轉(zhuǎn)旱1次），旱轉(zhuǎn)澇年偏多;1971—1980年間指數(shù)低值較多（旱轉(zhuǎn)澇2次，澇轉(zhuǎn)旱3次），澇轉(zhuǎn)旱年偏多;1981—2000年間指數(shù)高值較多（旱轉(zhuǎn)澇5次，澇轉(zhuǎn)旱2次），旱轉(zhuǎn)澇年偏多;2000年以來，指數(shù)振幅相對其他時期較小，說明未出現(xiàn)極端夏季旱澇轉(zhuǎn)換事件，并且指數(shù)低值較多（旱轉(zhuǎn)澇2次，澇轉(zhuǎn)旱4次），澇轉(zhuǎn)旱年偏多。整體來看，在57 a中四川夏季旱澇轉(zhuǎn)換事件中發(fā)生旱轉(zhuǎn)澇情況略多，這與孫小婷等（2017）研究西南地區(qū)夏季長周期旱澇急轉(zhuǎn)結(jié)論基本一致。

從LDFAI強度（圖3b）來看，四川夏季旱澇轉(zhuǎn)換強度整體略降低。近57 a，LDFAI強度也存在顯著階段性，1961—1964年與1980—1987年為相對偏弱期;1965—1979年和1988—2017年為相對偏強期，1967、1988、2002年旱澇轉(zhuǎn)換較強。結(jié)合表1分析結(jié)果，表明四川澇轉(zhuǎn)旱年強度比旱轉(zhuǎn)澇年強度更強。

4 旱澇轉(zhuǎn)換典型事件環(huán)流形勢分析

異常環(huán)流形勢是旱澇轉(zhuǎn)換事件的主要成因之一，了解大氣環(huán)流背景的變化是認識區(qū)域降水變化的關(guān)鍵（陳權(quán)亮等，2010）。為分析影響四川省夏季LDFAI旱澇轉(zhuǎn)換的環(huán)流因素，根據(jù)前文中選出的旱轉(zhuǎn)澇典型年（1966、1979、1988、1993、2005年）和澇轉(zhuǎn)旱典型年（1967、1971、1992、2002、2016年），從500 hPa高度場、200 hPa風(fēng)場、700 hPa垂直速度場和水汽輸送場這四個方面討論旱澇轉(zhuǎn)換期間的大氣環(huán)流特征。

4.1 500 hPa高度場

夏季西太平洋副高是影響四川地區(qū)降水最主要的天氣尺度系統(tǒng)（鄧國衛(wèi)等，2017）。

從四川夏季LDFAI指數(shù)典型年的500 hPa合成高度場可見，旱轉(zhuǎn)澇年的旱期（5—6月;圖4a）與澇轉(zhuǎn)旱的澇期（5—6月;圖4c）相比，前者西太平洋副高位置偏西、偏強（圖4中加粗的5 860和5 880 gpm等值線，下同），南海及西太平洋的水汽輸送不易到達四川，不利于產(chǎn)生降水。與此同時，四川地區(qū)處于正值區(qū)，說明受高壓脊控制較多，無法與中國南部的暖濕空氣相遇形成降水。后者在烏拉爾山附近有大面積負距平區(qū)，歐洲和東西伯利亞地區(qū)為正距平區(qū)，槽脊波動明顯，有利于中高緯冷空氣沿西路路徑經(jīng)我國新疆、青海和青藏高原東南側(cè)輸送至四川地區(qū)，而此時副高的范圍較前者略偏東，四川位于副高的西北側(cè)，副高西側(cè)的偏南氣流引導(dǎo)南海及西太平洋的暖濕空氣輸送到四川，給四川地區(qū)帶來充沛的水汽，四川西部存在一低值系統(tǒng)，低值系統(tǒng)前部偏南風(fēng)引導(dǎo)孟加拉灣水汽向北輸送，有利于降水的產(chǎn)生。

在旱轉(zhuǎn)澇年澇期（7—8月;圖4b）與澇轉(zhuǎn)旱年旱期（7—8月;圖4d）相比較可見，前者環(huán)流經(jīng)向運動較強，烏拉爾山為正值區(qū)，貝加爾湖以西為負值區(qū)，阻塞形勢明顯，有利于烏拉爾山冷空氣南下。西太平洋副高整體偏北，強度增強，此時四川地區(qū)位于副高西北側(cè)，副高西側(cè)的偏南氣流引導(dǎo)南海和西太平洋的暖濕空氣向北輸送至四川地區(qū)，與冷空氣相遇形成降水。后者中高緯度環(huán)流緯向運動明顯，大范圍的正距平區(qū)不利于冷空氣南下，此時副高位置偏東、偏弱，不利于水汽輸送至四川，因缺乏水汽的補充與冷暖空氣的對流，四川地區(qū)難以產(chǎn)生降水。

4.2 200 hPa緯向風(fēng)場

降水的形成與高空風(fēng)場有很大的關(guān)系，圖5為四川夏季旱澇急轉(zhuǎn)典型年200 hPa合成緯向風(fēng)場差值圖。5—6月（圖5a）西風(fēng)帶影響范圍更廣，蒙古國和貝加爾湖地區(qū)呈正差值區(qū)，表明此處在旱轉(zhuǎn)澇年前期緯向環(huán)流較強，這樣的環(huán)流形勢不利于高緯地區(qū)冷空氣南下至四川地區(qū)產(chǎn)生降水。7—8月（圖5b）中高緯度地區(qū)西風(fēng)帶為負差值區(qū)，表明旱轉(zhuǎn)澇年后期較澇轉(zhuǎn)旱年后期西風(fēng)帶強度偏弱，對應(yīng)經(jīng)向環(huán)流加強，更有利于高緯度地區(qū)冷空氣的南下，從而形成降水。

4.3 700 hPa垂直速度場

從四川夏季旱澇急轉(zhuǎn)典型年700 hPa垂直速度差值場來看，5—6月（圖6a）除四川北部、西部地區(qū)為弱負差值區(qū)外其余地區(qū)處于正差值控制區(qū)，上升氣流較弱，對應(yīng)下沉氣流較強，不利于降水的產(chǎn)生，說明旱轉(zhuǎn)澇年旱期相較于澇轉(zhuǎn)旱年澇期，降水偏少。7—8月（圖6b）四川處于強負差值區(qū)，強烈的垂直上升運動有利于降水的生成，說明旱轉(zhuǎn)澇年澇期對較于澇轉(zhuǎn)旱年旱期，降水偏多。

4.4 水汽輸送場

圖7為四川夏季旱澇急轉(zhuǎn)典型年東亞地區(qū)整層水汽通量矢量合成差值場（旱轉(zhuǎn)澇年減去澇轉(zhuǎn)旱年）。5—6月（圖7a），四川地區(qū)水汽通量差值較小，孟加拉灣和中南半島南部水汽向西輸送，由西南方向進入四川水汽減少，且四川處于水汽輻散區(qū)（四川地區(qū)雖有水汽輻合現(xiàn)象，但輻合運動較?。?，不利于產(chǎn)生降水。7—8月（圖7b），四川被負值區(qū)所控制，南海及附近西太平洋為差值偏東南的水汽輸送，加之經(jīng)中南半島北部到達四川的水汽明顯增多，與高原南側(cè)向東北方向的水汽輸送相配合，此時四川處于水汽輻合區(qū)，有利于產(chǎn)生降水，故而降水充沛。

5 結(jié)論與討論

通過計算1961—2017年四川省夏季旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)，分析了其旱澇轉(zhuǎn)換演變特征及其與大氣環(huán)流的聯(lián)系，得到如下幾點結(jié)論：

1）四川省夏季LDFAI指數(shù)存在較大的年際差異，且具有階段性特點。1961—1970年和1981—2000年夏季旱轉(zhuǎn)澇多于澇轉(zhuǎn)旱;1971—1980年和2001—2017年澇轉(zhuǎn)旱多于旱轉(zhuǎn)澇。LDFAI強度逐漸降低，其階段性特點為：1961—1964年與1980—1987年為強度相對偏弱期;1965—1979年和1988—2017年為強度相對偏強期。

2）四川省夏季長周期旱澇急轉(zhuǎn)典型年份的旱轉(zhuǎn)澇年的旱期與澇轉(zhuǎn)旱年的澇期對比結(jié)果顯示，前者西太平洋副高偏西，影響范圍更大，輸送至四川的水汽較少，不利于將低緯度的暖濕氣流向北輸送，中高緯度地區(qū)緯向環(huán)流較強，難以使中高緯度冷空氣南下，上升氣流較弱，降水偏少，而后者中高緯槽脊波動劇烈，引導(dǎo)冷空氣南下，在高原東南側(cè)低值系統(tǒng)與副高的配合下，有利于暖濕氣流向北輸送，在四川地區(qū)形成降水;而旱轉(zhuǎn)澇年的澇期與澇轉(zhuǎn)旱年的旱期相比顯示，前者西太平洋副高偏東，強度增加，加之東南季風(fēng)的影響，有利于暖濕氣流向四川地區(qū)輸送，西風(fēng)帶影響減弱，經(jīng)向環(huán)流加強，中高位冷空氣南下，在四川與暖濕氣流匯合，上升氣流較強，水汽輸送較多，降水偏多。

本文從降水和大氣環(huán)流角度分析了四川夏季旱澇轉(zhuǎn)換的特征，未考慮氣溫、海溫等因素對事件的影響機制，未考慮更長或更短時間尺度下旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)的特征，這些問題有待做進一步深入研究。

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Evolution characteristics of long-term drought and flood alternation in summer and analysis of the circulation influence in Sichuan Province from 1961 to 2017

ZHEN Ying1，Dong Xuefeng2，HE Jing2

1School of Geography & Resource Science，Neijiang Normal University，NeiJiang 641199，China;

2School of Atmospheric Sciences，Chengdu University of Information Technology，ChenDu 610225，China

In this study，based on the NECP/NCAR reanalysis data and statistical data from 38 stations located in Sichuan Province，and combined with the Long-term Drought and Flood alternative index （LDFAI），the relationship between the time evolution characteristics of long-term drought and flood alternative in summer and atmospheric circulation of typical years in Sichuan Province was analyzed.The results show the following：1） The interannual variation of summer drought and flood alternative index in Sichuan Province differs greatly，the occurrence of the drought to flood being greater than that of flood to drought;however，the drought to flood alternative is declining，while the intensity for flood to drought is quite high.2） Comparing the drought season of drought to flood with flood season of flood to drought，the western Pacific subtropical high is located westward，and is quite strong.The water vapor transport in the South China Sea and western Pacific cannot easily reach Sichuan，and the precipitation level is lower，with more frequent drought.Comparing the flood season of drought to flood with drought season of flood to drought，the circulation warp direction movement is stronger，while the mid-high latitudes ridges are clearly fluctuating，which is conducive to the formation of precipitation when the cold air in the middle and high latitudes traveling south meets the warm and humid air in the low latitude going north，thereby resulting in greater precipitation and increased floods.

Sichuan Province;summer LDFAI;atmospheric circulation;standardized precipitation

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20191218002

（責(zé)任編輯：袁東敏）