2019年長江中下游伏秋連旱的異常特征分析

高琦 徐明

(1.武漢中心氣象臺，湖北 武漢 430074； 2.長江流域氣象中心，湖北 武漢 430074；3.中國氣象局武漢暴雨研究所暴雨監(jiān)測預警湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430205)

引言

長江中下游地區(qū)是中國重要的糧、油、棉生產(chǎn)基地，亦為人口密度大、經(jīng)濟發(fā)展最為發(fā)達的地區(qū)，因此對生態(tài)保護和水資源利用有較高的要求。由于其處于中國南北氣候過渡地帶，在復雜地形和過渡性氣候共同作用下，區(qū)域內(nèi)洪澇和干旱等災害性天氣頻發(fā)[1-2]，如何提高對這些自然災害的科學認識和有效防御一直是氣象部門面臨的難題。對于長江流域旱澇的成因和機理，專家和學者已做了大量有意義的工作[3-6]。研究表明，長江流域旱澇與東亞夏季風的關(guān)系密切，澇年多與弱夏季風有關(guān)，而強夏季風時，經(jīng)常是旱年[7-9]。張瓊和吳國雄[10]研究表明，南亞高壓強度指數(shù)與長江流域降水顯著相關(guān)，當南亞高壓由弱變強時，長江流域由相對干旱轉(zhuǎn)為相對多雨。況雪源和張耀存[11]通過診斷分析與數(shù)值模擬等方法揭示了當東亞副熱帶西風急流位置異常偏北時，南亞高壓和西太平洋副熱帶高壓偏弱，導致長江流域上空上升氣流較常年偏弱，不易降水。此外，有研究[12-13]詳細分析了長江流域干旱期間大氣環(huán)流的異常特征，認為無論是副熱帶高壓、中高緯環(huán)流及水汽輸送等均存在明顯異常。以往對于長江流域干旱的研究[14-17]，多集中在春季或夏季，而對處于梅雨季節(jié)結(jié)束之后的伏季(7月中下旬至8月)及秋季(9—11月)，由于梅雨期降水對土壤水分含量的持續(xù)影響，加之秋季氣候上常有連陰雨出現(xiàn)，因而伏秋持續(xù)干旱的個例相對較為罕見，相應的研究較少。2019年伏秋季節(jié)長江中下游地區(qū)遭受了持續(xù)的干旱，給當?shù)剞r(nóng)業(yè)造成了較為嚴重的經(jīng)濟損失[18]，入選2019年國內(nèi)十大天氣氣候事件。本文針對此次干旱的異常降水、氣溫及環(huán)流特征進行分析，以期為進一步深入研究其成因和物理機制以及前兆信號提供參考。

1 資料與方法

本文所指的長江中下游地區(qū)是指宜昌以東110°—120°E，25°—35°N范圍內(nèi)的中下游沿岸帶狀平原，涵蓋了湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、浙江、上海等省市的部分地區(qū)。所采用的資料包括1980—2019年7—11月NCEP/NCAR再分析資料，長江中下游地區(qū)701個國家站逐日降水資料。用1981—2010年的平均值作為氣候平均態(tài)。

2 結(jié)果分析

2.1 2019年長江中下游伏秋連旱特征

此次干旱發(fā)生之前的2019年6—7月梅雨季節(jié)期間，長江中下游沿江及以北的湖北中東部、湖南北部、江西北部、安徽中南部等地，降水偏少5成到一倍(圖略)；梅雨結(jié)束后的7月下旬至8月，長江中下游的湖北、湖南、江西、安徽等省份又經(jīng)歷了持續(xù)的高溫少雨天氣，旱情自湖北和安徽省交界地區(qū)逐漸向南擴展，部分地區(qū)出現(xiàn)了中到重度氣象干旱(國家氣候中心網(wǎng)站干旱監(jiān)測)；此后的9—11月中旬，上述地區(qū)基本維持氣溫偏高、降水偏少的格局，其中干旱發(fā)展最強時段在10月上中旬，湖南北部、湖北中南部、江西中北部、安徽南部、江蘇南部、浙江東部地區(qū)達重旱到特重旱(圖略)；進入11月中旬后，隨著環(huán)流調(diào)整和降水逐漸增多，上述地區(qū)的氣象干旱才逐步得到緩解。

2.1.1 干旱期間降水異常

從長江流域701個國家站在2019年7月20日至11月15日降水距平分布可見(圖1a)，宜昌以東的整個長江中下游地區(qū)，降水明顯偏少。湖北、湖南、江西、安徽等地降水偏少達到-40%～-60%，湖北東北部、江西中北部、安徽南部等地部分地區(qū)降水偏少甚至達到-80%以上。干旱期間長江中下游地區(qū)無雨日普遍達到了80 d以上(圖略)，其中湖北東部、安徽南部、江蘇南部、江西北部等地無雨日達到了100 d以上，無雨日數(shù)較歷史同期偏多15—30 d，其中有145站無雨日數(shù)位列1981年以來第1位(圖1b)。

鑒于2019年長江中下游干旱最為嚴重的地區(qū)發(fā)生在湖北、湖南、江西、安徽四省，因而本文將上述四省視為同一區(qū)域(區(qū)域內(nèi)有317個站點)來研究干旱的特征。1981—2019年的7月20日至11月15日(合計119 d)時段內(nèi)站點平均累計降水距平百分率的逐年演變特征表明(圖2)，近40 a來長江中下游地區(qū)降水呈現(xiàn)較為明顯的年際變化，大部分年份以降水偏多為主，約有三分之一的年份降水偏少，降水偏少時段分別發(fā)生在20世紀80年代中期、90年代中前期、20世紀末至21世紀初和最近的21世紀10年代末。從變化幅度來看，降水偏少振幅要明顯強于偏多振幅，證明干旱對于伏秋季節(jié)的長江流域影響更為明顯。進一步分析發(fā)現(xiàn)，2019年伏秋季節(jié)的累計降水距平百分率達到了-46%，僅次于1992年(-65%)、2003年(-55%)，居于1981年以來的歷史第3位。

圖2 1981—2019年的7月20日至11月15日中國長江中下游四省平均降水距平百分率的年際變化Fig.2 Interannual variation of rainfall anomaly percentages over the four provinces in middle and lower reaches of the Yangtze River from July 20 to November 15 during 1981-2019

2.1.2 干旱期間氣溫異常

2019年7月20日至11月15日平均氣溫的距平分布表明(圖略)，長江中下游大部地區(qū)平均氣溫較歷史同期偏高1 ℃以上，部分地區(qū)偏高幅度達2—3 ℃。從干旱期間超過35 ℃的高溫日數(shù)的距平分布來看(圖3a)，長江中下游的湖北、湖南、江西、安徽四省大部地區(qū)超過35 ℃的高溫日數(shù)較歷史同期偏多10 d以上，其中湖北中東部、江西西部及南部偏多達30 d以上。干旱期間超過35 ℃日數(shù)歷史排名表明(圖3b)，湖北中東部、湖南、江西大部站點超過35 ℃的高溫日數(shù)居1981年以來的第3位以上，其中有162站達到了歷史第1位。

圖a填色為≥35 ℃高溫日數(shù)距平，單位為d；圖b填色為≥35 ℃高溫日數(shù)歷史排名圖3 2019年7月20日至11月15日≥35 ℃高溫日數(shù)距平(a)和≥35 ℃高溫日數(shù)歷史排名(b)Fig.3 High temperature ≥35 ℃ days anomaly (a) and historical ranking (b) in the Yangtze river basin from July 20 to November 15,2019

持續(xù)的高溫少雨，使得干旱得以迅速發(fā)展?？偨Y(jié)此次長江中下游地區(qū)干旱的特征：一是干旱持續(xù)時間偏長，從2019年7月下旬開始一直延續(xù)到11月中旬，發(fā)生了伏、秋兩季的持續(xù)干旱；二是無雨日多、降水嚴重偏少，湖北東北部、江西中北部、安徽南部等地部分地區(qū)降水偏少達到-80%以上，湖北、湖南、江西、安徽四省有145站無雨日居歷史第1位；三是氣溫較歷史同期明顯偏高，部分地區(qū)偏高幅度達2—3 ℃；四是高溫日數(shù)明顯偏多、極端性強，湖北中東部、湖南、江西等地超35 ℃高溫日數(shù)較歷史同期偏多30 d以上，有162站高溫日數(shù)居1981年以來的第1位。

2.2 長江中下游伏秋連旱的大氣環(huán)流異常

2.2.1 西太平洋副熱帶高壓的異常

干旱一般與西太平洋副熱帶高壓、大陸高壓等天氣系統(tǒng)直接相關(guān)。由圖4a可見，2019年7月20日至11月15日長江中下游干旱期間，西太平洋副熱帶高壓呈現(xiàn)強度偏強、脊線偏北的特征，其強度偏強、脊線偏北的日數(shù)分別達到了總?cè)諗?shù)的75%和64%。7月20日至11月15日500 hPa西太平洋副熱帶高壓西伸脊點及其多年平均的逐日演變表明(圖4b)，西太平洋副熱帶高壓的西脊點僅有不到16%的日數(shù)(19 d)，由于熱帶系統(tǒng)活動出現(xiàn)了階段性東退，其余時段西脊點可達到90°—100°E，即整個長江中下游大部分時間處于副熱帶高壓的控制范圍內(nèi)。強度偏強、位置偏西、偏北的副熱帶高壓在長江中下游長期維持，是此次干旱形成的主要原因。

圖4 2019年7月20日至11月15日逐日500 hPa西太平洋副熱帶高脊線和強度指數(shù)距平(a)及西伸脊點(b)Fig.4 The temporal variations of subtropical high ridge and anomaly of intensity index (a) at 500 hPa as well as western extension ridge point (b) from July 20 to November 15,2019

2.2.2 南亞高壓活動

南亞高壓是對流層中上層重要的環(huán)流系統(tǒng)，它的進退活動與中低層西太平洋副熱帶高壓進退及長江流域的旱澇關(guān)系十分密切。從2019年夏季200 hPa南亞高壓的演變可以看出(圖5a)，在干旱發(fā)展的大部分時段內(nèi)，南亞高壓的伸展異常偏東，強度偏強，1256 dagpm的等高線可以達到140°E以東，從7月中旬到10月上旬共有5次明顯的東伸過程，每一次東伸都伴隨著負渦度平流向東輸送。研究表明[19]，如高層有負渦度平流，其下有下沉運動發(fā)展，有利于中低空的輻散及負渦度發(fā)展。由圖5b可見，與高層對應的西太平洋副熱帶高壓也有5次明顯的西伸過程，且也都伴隨著負渦度的向西輸送。長江中下游正好處于對流層中高層200 hPa、500 hPa負渦度輸送共同作用的區(qū)域，使得該區(qū)域垂直方向上輻散下沉運動得到顯著加強。從沿30°N的垂直速度距平場可知(圖6)，長江中下游地區(qū)從對流層低層850 hPa到對流層頂均為異常的正距平所控制，表明該區(qū)域中高層的下沉運動要比歷史同期明顯增強。

等值線為位勢高度，單位為dagpm；填色為渦度,單位為s-1；白色點線為長江中下游地區(qū)經(jīng)度范圍；白色箭頭指示負渦度西伸(東伸)過程圖5 2019年7月20日至11月15日200 hPa(a)和500 hPa(b)沿30 °N的經(jīng)度—時間剖面Fig.5 Time-longitude cross-sections along 30°N at 200 hPa (a) and 500 hPa (b) from July 20 to November 15,2019

填色為垂直速度距平，單位為10-2 Pa·s-1;黑色區(qū)域為地形高度圖6 2019年7月20日至11月15日沿30°N垂直速度距平垂直剖面Fig.6 The vertical cross-section of vertical velocity anomaly along 30°N from July 20 to November 15,2019

2.2.3 中高緯度系統(tǒng)異常

由2019年長江中下游地區(qū)干旱期間500 hPa平均高度場及其距平可知(圖7a)，在亞歐中高緯地區(qū)，呈現(xiàn)明顯的“-+-”的波列分布，烏拉爾山至貝加爾湖有高壓脊發(fā)展，在距平場上，80°—140°E、35°—50°N的區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)顯著正距平，位勢高度偏高3—5 dagpm。烏拉爾山至貝加爾湖高壓脊形成了“高壓壩”效應，其阻擋了西風帶上游的低壓擾動向東南方向傳播，同時季風槽偏弱，不利于水汽向長江中下游的輸送，使降水難以形成。此外，東亞大槽所在區(qū)域高度距平場上表現(xiàn)為正距平，溫度距平場上表現(xiàn)為正異常(圖略)，這表明東亞大槽及槽后冷空氣勢力整體偏弱，西風帶中的氣旋性擾動不易影響到副熱帶地區(qū)，有利于西太平洋副熱帶高壓在長江中下游地區(qū)穩(wěn)定維持。

對歷史典型干旱年份(1992年、2003年、2019年)進行合成分析，表明(圖7b)，長江中下游典型的伏秋連旱年份，存在以下幾個特征：一是在亞洲中高緯，存在位勢高度場正異常區(qū)，長江中下游地區(qū)多受槽后偏北氣流控制，不利于降水的形成；二是在西北太平洋熱帶地區(qū)菲律賓以東洋面存在位勢高度場負異常區(qū)，熱帶系統(tǒng)相對較為活躍。對比2019年與1992年、2003年環(huán)流場差異表明，1992年、2003年亞洲中高緯的位勢高度正異常區(qū)較2019年更為偏北(圖略)，基本位于60°—70°N范圍內(nèi)；極渦在2019年是偏弱的，但在1992年、2003年均以偏強為主，表明極渦強弱與長江中下游干旱無明顯的一致性變化。

圖中填色為位勢高度距平，等值線為平均位勢高度，單位均為dagpm圖7 2019年7月20日至11月15日500 hPa平均位勢高度場及其距平(a)和典型干旱年位勢高度合成場及其距平(b)Fig.7 Geopotential height fields at 500 hPa and their anomalies from July 20 to November 15,2019 (a) and those in a typical drought year (b)

陶詩言等[20]研究表明，東亞副熱帶西風急流的南側(cè)會出現(xiàn)輻合上升，而在北面則出現(xiàn)下沉。從歷史上1981—2010年7月20日至11月15日期間200 hPa平均緯向風的氣候態(tài)分布特征可知(圖8a)，東亞副熱帶西風急流軸(u≥30 m·s-1)呈準東西向帶狀分布，覆蓋了83°—160°E、40°—43°N的區(qū)域，長江中下游地區(qū)位于急流軸的南側(cè)，有利于該區(qū)域輻合上升運動和對流活動的發(fā)生。而從2019年7月20日至11月15日干旱期間的200 hPa平均緯向風分布可知(圖8b)，副熱帶西風急流斷裂為東西兩支，在105°—128°E、40°—43°N的區(qū)域，副熱帶西風急流活動明顯偏弱，不利于其南側(cè)長江中下游地區(qū)輻合上升運動的發(fā)展，且長江中下游地區(qū)處于西支高空急流出口區(qū)的東南側(cè)，總體利于下沉運動的發(fā)展和西太平洋副熱帶高壓的穩(wěn)定維持。

等值線為緯向風，單位為m·s-1；填色為≥30 m·s-1圖8 1981—2010年的7月20日至11月15日200 hPa緯向風氣候平均(a)及2019年7月20日至11月15日200 hPa平均緯向風(b)Fig.8 The climatic mean during 1981-2010 (a) and the average value in 2019 (b) for the U-wind field at 200 hPa from July 20 to November 15

2.2.4 熱帶系統(tǒng)活動與低層流場及水汽輸送的異常

在熱帶系統(tǒng)對流加熱區(qū)以北的負渦度作用下有利于西太平洋副熱帶高壓的加強西伸。2019年秋季臺風異常偏多，干旱期間僅在副熱帶高壓南側(cè)的110°—140°E、0°—30°N有13個臺風生成[21]，頻繁的熱帶系統(tǒng)活動為西太平洋副熱帶高壓的維持提拱了有利條件。

從2019年7月20日至11月15日干旱期間850 hPa平均流場特征可見(圖9a)，整個長江中下游地區(qū)處于明顯的反氣旋環(huán)流控制之下，在副熱帶高壓南側(cè)的110°—140°E、0°—30°N地區(qū)，可以看到有明顯的與熱帶系統(tǒng)活動相關(guān)的氣旋性環(huán)流，西南氣流、越赤道氣流和東南氣流在向北輸送的途中，出現(xiàn)繞氣旋中心的運動。這三支氣流形成的混合氣流進入內(nèi)陸后，由于西太平洋副熱帶高壓在中低層形成的反氣旋環(huán)流的阻擋，轉(zhuǎn)而在長江中下游地區(qū)(110°—120°E、25°—35°N)形成一支異常的偏北輻散氣流(圖9b)，進一步加劇了干旱的發(fā)展。

圖9 2019年7月20日至11月15日850 hPa平均流場(a)及其距平場(b)Fig.9 The mean streamline field at 850 hPa (a) and its anomaly (b) from July 20 to November 15,2019

從7月20日至11月15日700 hPa水汽通量及水汽通量散度的氣候平均態(tài)分布(1981—2010年)可以看出(圖10a)，長江中下游地區(qū)伏秋季節(jié)的水汽主要來源有三支：一支自孟加拉灣經(jīng)云貴地區(qū)進入長江中下游地區(qū)；第二支來自南海，經(jīng)副熱帶高壓外圍繞流進入長江中下游地區(qū)；第三支來自中緯度西風帶的水汽輸送。三支水汽中，以第一支即孟加拉灣的水汽為其最主要的水汽來源。但從2019年伏秋干旱期的700 hPa水汽通量及水汽通量散度場可以看出(圖10b)，長江中下游地區(qū)的水汽輻合明顯偏弱，中心強度僅為歷史平均的一半，輻合區(qū)域的范圍也較歷史同期明顯偏小。從水汽的輸送路徑來看，主要來自孟加拉灣和西風帶，來自東南沿海的水汽在進入大陸之前轉(zhuǎn)而折向西南方向，未能進入到長江中下游地區(qū)。由于水汽輸送路徑改變以及水汽輻合偏弱，不利于該地區(qū)降水形成。

矢量為水汽通量，單位為g·cm-2·s-1；填色為水汽通量散度，單位為10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1圖10 1981—2010年的7月20日至11月15日氣候態(tài)(a)及2019年7月20日至11月15日(b)700 hPa水汽通量及水汽通量散度Fig.10 The 700 hPa moisture flux and their divergence fields from July 20 to November 15 in the climate mean during 1981-2010 (a) and in 2019 (b)

3 結(jié)論與討論

(1)2019年中國長江中下游伏秋連旱具有持續(xù)時間長、無雨日數(shù)多、降水偏少嚴重、氣溫較歷史同期明顯偏高、高溫日數(shù)明顯偏多等極端性特點，有145站無雨日居歷史第1位，氣溫偏高幅度達2—3 ℃，湖北中東部、湖南、江西等地超35 ℃高溫日數(shù)較歷史同期偏多30 d以上，162站高溫日數(shù)居歷史第1位。

(2)西太平洋副熱帶高壓在干旱期間強度異常偏強，位置偏西偏北，穩(wěn)定維持在長江中下游地區(qū)。對流層高層南亞高壓的東伸及負渦度平流的東輸，有利于西太平洋副熱帶高壓西伸。在對流層中、高層負渦度共同作用下，長江中下游地區(qū)輻散下沉運動得到顯著加強。烏拉爾山至貝加爾湖的高壓脊形成的“高壓壩”，偏弱的極渦和東亞大槽等系統(tǒng)共同作用下，中高緯低槽和冷空氣的活動偏弱，為西太平洋副熱帶高壓穩(wěn)定維持提供了有利的環(huán)流背景。東亞副熱帶西風急流的異常使得長江中下游地區(qū)處于高空急流軸出口區(qū)的南側(cè)，異常下沉運動對副熱帶高壓的發(fā)展和加強有利。熱帶系統(tǒng)活動頻繁，有利于副熱帶高壓在熱帶對流加熱區(qū)以北的負渦度作用下得以進一步加強。

(3)對流層低層副熱帶高壓南側(cè)異常氣旋性環(huán)流導致了西南氣流、越赤道氣流和東南氣流等三支氣流在向北的輸送路徑上發(fā)生了改變，加強了長江中下游地區(qū)對流層中低層的偏北輻散氣流，并導致了東南沿海的水汽在進入大陸之前轉(zhuǎn)向，使得長江中下游地區(qū)水汽輻合偏弱。

(4)本文分析表明，2019年長江中下游地區(qū)伏秋連旱是在多種環(huán)流系統(tǒng)異常組合配置的基礎(chǔ)上形成、發(fā)展以及維持的。而關(guān)于干旱形成的深層機制及其他影響系統(tǒng)，如遙相關(guān)作用、夏季風強度、ENSO等尚未涉及，擬在下一步工作中，對干旱形成的物理機制開展進一步研究。