海溫異常對長江流域夏季典型旱澇的影響研究

張靈 熊開國 郭廣芬 張俊

摘要：為研究長江流域夏季旱澇特征及其與海溫異常之間的關聯(lián)性，基于中國326個氣象站降水量、NCEP／NCAR再分析資料等，采用合成分析、EOF分解等方法，分析了長江流域夏季典型旱澇年的降水分布、同期大氣環(huán)流及前期海溫特征，并以2018年為例，初步揭示了2018年前期海溫異常對大氣環(huán)流的可能影響。結果表明：① 長江流域夏季典型旱年，僅嘉陵江和岷沱江會表現(xiàn)出局部偏澇，全國為典型的Ⅰ類雨型，多雨區(qū)位于黃河流域及以北地區(qū)。前期冬季赤道太平洋表現(xiàn)出類拉尼娜的東冷西暖分布，同時黑潮區(qū)海溫偏低，西風漂流區(qū)海溫偏暖。受多海域協(xié)同作用，同期歐亞環(huán)流場上自西北向東南呈現(xiàn)出“+-+”三極型分布，東亞地區(qū)為自北向南“-+-”的EAP負位相。長江流域典型澇年，全國多為典型的Ⅱ類和Ⅲ類雨型，環(huán)流及海溫呈現(xiàn)出相反特征。② 2018年為典型的長江中下游偏旱年，僅在岷沱江降水偏多近3成，為歷史第4多，與長江流域夏季降水的主模態(tài)正位相類似，解釋方差達24%。③ 2018年前冬出現(xiàn)弱拉尼娜、春末夏初西風漂流區(qū)異常偏暖、NAT異常正位相，三者共同作用，使得東亞副熱帶西風急流偏北，東亞沿岸出現(xiàn)EAP負位相，大陸熱低壓明顯偏強，東亞夏季風為1961年以來最強，同時副高脊線最北，造成夏季降水主雨帶北推至華北、西北地區(qū)，岷沱江、嘉陵江異常多，而長江中下游異常少，為典型的Ⅰ類雨型。研究成果可為長江流域旱澇預測、水資源調度提供參考。

關鍵詞：夏季典型旱澇； 海溫異常； Ⅰ類雨型； 拉尼娜； 西風漂流區(qū)； 長江流域

中圖法分類號： P426.616

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.016

0引 言

長江流域地處季風區(qū)，受季風系統(tǒng)影響，氣候復雜多變。長江流域夏季氣候既與東亞夏季風系統(tǒng)中多個成員的相互協(xié)同作用有關，又受熱帶海洋等外強迫因子的影響，同時也與中高緯冷空氣的活動密切相關［1］。隨著氣候變暖，極端氣候事件頻發(fā)，旱澇等災害性天氣增多［2-3］，例如，1990年代長江流域相繼發(fā)生了5次洪水，特別是1998年的洪水，受災面積達 2 120萬hm2，直接經濟損失達1 700多億元；2010年長江上游出現(xiàn)超1998年的罕見洪峰；2022年長江流域發(fā)生持續(xù)、極端的高溫干旱事件［4-7］，給人民的生命安全造成威脅，同時給生產生活造成經濟損失［8］。因此，針對長江流域夏季降水旱澇的研究，一直都為熱點［9-12］。

2018年汛期，長江上游嘉陵江、岷沱江遭受多輪強降水，嘉陵江亭子口水庫出現(xiàn)超50 a一遇的入庫洪水，岷江上游出現(xiàn)歷史最高水位洪水，而長江中下游高溫持續(xù)，受高溫少雨影響，部分地區(qū)出現(xiàn)不同程度的干旱。2018年長江流域以旱為主但局部偏澇，這種空間分布是否具有代表性需進一步研究。眾所周知，2018年是一次弱拉尼娜（LaNina）事件的衰減年，針對2018年夏季的氣候異常成因分析，已有研究表明，2017～2018年的拉尼娜事件對東亞夏季風強度，以及對中國降水出現(xiàn)“南北多，中間少”起到了重要作用［13-14］。環(huán)流異常是導致降水量時空分布不均、局地形成氣候事件的原因［15］。海洋外強迫異常又通過引起環(huán)流異常，同時也作為水汽的重要源地，可影響季風環(huán)流系統(tǒng)等，導致強降水或持續(xù)高溫少雨的發(fā)生，最終形成洪澇或干旱等氣象災害［16-17］。實際上，2018年汛期前期，除了弱LaNina事件外，北大西洋、北太平洋等海域海溫也相繼出現(xiàn)了異常，多海域的海溫異常對環(huán)流的影響有待進一步研究。基于此，本文以2018年為例，探討不同海域異常海溫對長江流域典型旱澇的影響，以期為今后的流域旱澇預測提供更多的參考，同時科學服務長江流域水資源調度。

1數(shù)據(jù)資料

本文所用資料有NCEP／NCAR的2.5°×2.5°月平均再分析資料，包括海溫場［18］、海平面氣壓場，200，500，850 hPa高度場和風場。此外，還有國家氣象中心整編的中國地區(qū)326個氣象站1961～2020年月降水量資料和西太平洋副熱帶高壓（西太副高）、Nino3.4區(qū)、北大西洋三極子（NAT）海溫指數(shù)、西風漂流區(qū)海溫指數(shù)等。

2長江流域夏季典型旱澇年分析

通過將長江流域1961～2020年逐年夏季降水進行經驗正交分解（EOF），挑選第一模態(tài)正位相異常年（EOF對應的時間系數(shù)PC1＞1，則為旱年）和負位相異常年（EOF對應的時間系數(shù)PC1＜-1，則為澇年），通過差異t檢驗正、負位相年的全國汛期降水、同期大氣環(huán)流及前期海溫，來深入了解典型旱澇年的海溫、環(huán)流分布（圖1）。

長江流域降水旱年，全國汛期為典型的Ⅰ類雨型，多雨區(qū)在黃河流域及以北，江淮流域大范圍異常少雨，而華南沿海一帶為相對多雨區(qū)，但范圍和強度上均不如北邊多雨區(qū)。于長江流域而言，僅在嘉陵江和岷沱江局部降水偏多。普查各相似年，除1972年全國大部少雨外，其他9年均為典型的Ⅰ類雨型。前期冬季海溫在赤道中東太平洋、印度洋、黑潮區(qū)偏低，西風漂流區(qū)偏暖（圖2（c）），這種狀態(tài)持續(xù)至春、夏季，且西風漂流區(qū)偏暖持續(xù)增強。歐亞環(huán)流場上自西北向東南呈現(xiàn)出“+-+”三極型分布，西歐為正高度異常，巴湖至貝加爾湖為負高度異常，中國大陸至日本群島南部到西太平洋為正高度異常；東亞地區(qū)為EAP負位相分布（圖2（a））。以上研究結論，均與陳興芳等［19］的研究結論一致。

長江流域澇年，全國汛期表現(xiàn)出Ⅱ類和Ⅲ類雨型，長江流域和東北至華北偏多，例外的是1996，1998，2020年，全國大范圍多雨。前期冬季赤道中東太平洋及印度洋、黑潮區(qū)海溫偏暖，西風漂流區(qū)偏冷（圖2（c）），春季開始大西洋地區(qū)為弱的負位相，至夏季為明顯的負位相，東亞自北向南為EAP正位相分布（圖2（a））。

3典型年2018年前期海溫異常對大氣環(huán)流的影響

3.12018年夏季降水特征及大氣環(huán)流

近5 a PC1逐年演變具有較明顯的年際和年代際振蕩的特征（圖1（b））。1980年代以前長江流域處于偏旱時期，1980～2000年代為偏澇背景，2000年代至今PC1的年際振蕩更為明顯，如2016，2020年為明顯負位相，為典型澇年；而2006，2013，2018年又處于明顯正位相，為典型旱年。

長江流域2018年汛期降水距平百分率空間分布圖（圖3）顯示，降水空間分布不均，主要表現(xiàn)為上游局部多、中下游異常少。其中岷沱江南部、嘉陵江中部偏多5成以上，而長江中游干流區(qū)間大部偏少2成以上，局部4成以上。

處在多雨中心的岷沱江和嘉陵江，7月中旬前反復遭受強降水襲擊，7月上中旬發(fā)生洪水。其中岷沱江降水量為579.9 mm，較常年均值偏多近3成，為1961以來第4多年，排前3位的年份依次為1966，1961，1962年。

少雨中心位于長江中下游。處于中游的湖北省，2018年汛期降水量為320.4 mm，較常年均值偏少近4成，處于歷史第4少位，僅多于1966，1972，1978年。湖北省盛夏出現(xiàn)大范圍高溫天氣過程，55站破連續(xù)高溫日數(shù)達極端事件標準，高溫日數(shù)居于歷史第3多位，大部為20～44 d。長江中下游7月中旬至8月出現(xiàn)大范圍高溫，因持續(xù)高溫少雨，部分區(qū)域出現(xiàn)旱情。

分析發(fā)現(xiàn)，長江上游的岷沱江降水量排名前3位的年份（1966，1961，1962年），和長江中游降水量異常少的前3 a（1966，1972，1978年），均與2018年類似，即與長江流域1961～2020年汛期降水EOF分解的第一模態(tài)正位相相似，長江流域整體以少為主，異常少雨中心位于長江中、下游沿江地區(qū)，異常多雨中心位于岷沱江、嘉陵江，這一模態(tài)的解釋方差為24.0%（圖1（a））。

持續(xù)的大氣環(huán)流異常是降水異常最為直接的原因，導致2018年強降水集中在長江上游局部地區(qū)，而長江中下游大部高溫干旱，對應的大氣環(huán)流形勢為偏東氣流型［20］。500 hPa高度場上，東亞中高緯呈兩槽一脊型分布（圖4（a）），巴爾克什湖和日本東北部為槽區(qū)，貝加爾湖至中國東北部為高壓脊，同時東亞沿岸由北至南為“-+-”的高度距平分布，呈現(xiàn)出東亞-太平洋型遙相關（EAP）負位相的特征。海平面氣壓場上，東亞地區(qū)偏低，尤其是西太平洋至中國東南沿海偏低明顯，表現(xiàn)出夏季大陸熱低壓明顯偏強（圖4（b））。

3.2海溫對大氣環(huán)流的可能影響

有研究指出2018年汛期氣候趨勢預測的先兆信號是拉尼娜事件和熱帶印度洋全區(qū)一致模態(tài)（IOBW）偏冷。自2017年10月開始，至2018年４月，赤道中東太平洋發(fā)生了一次弱的東部型拉尼娜事件，該事件在2018年1月達到峰值，整個冬季為1981年以來歷史第7低位（圖5（a））。至春季，赤道太平洋仍保持中東部偏冷而西部偏暖，印度洋呈現(xiàn)出西暖東冷，北大西洋自北向南呈現(xiàn)出明顯的“-+-”三極型分布（NAT正位相）（圖5（b））。從印度洋、大西洋、太平洋各項指數(shù)上看，春季最為異常的是NAT，在2018年春季及春末夏初 （5～6月）NAT處于歷史第2高位；次異常的為西風漂流區(qū)，海溫異常偏暖，在春季及4～5月的偏暖程度均居歷史第4和第5位（圖6）。

3.2.1拉尼娜對環(huán)流的影響

眾多學者研究表明，ENSO事件對于東亞夏季氣候有著重要的影響［21-22］。厄爾尼諾次年，夏季風易偏弱，長江流域降水偏多；而拉尼娜次年，東亞夏季風偏強，長江流域降水偏少［23-24］。

差異診斷分析赤道中東太平洋暖、冷異常年自中高層至低層的大氣環(huán)流，結果顯示：前冬中東太平洋偏冷年，200 hPa上東亞上空中國東北為明顯的反氣旋性環(huán)流，以南為明顯的氣旋環(huán)流，在40°N以北為偏西風，以南為明顯的偏東風，表明東亞副熱帶高空急流位置較常年同期偏北（圖7（a））。500 hPa東亞沿岸EAP為負位相分布，在30°N以北的高度場正異常中心，對應的反氣旋環(huán)流明顯，即副高脊線位置較常年同期偏北（圖7（b））。850 hPa矢量風上最顯著的特征為菲律賓附近為異常氣旋式環(huán)流，東亞沿岸由北至南為“氣旋-反氣旋-氣旋”。海平面氣壓場上，東亞大陸上空為明顯的負氣壓異常分布，表明東亞大陸熱低壓明顯偏強。

前冬中東太平洋偏暖年，環(huán)流呈現(xiàn)出相反的分布，東亞副熱帶高空急流位置偏南，EAP為正位相，東亞大陸熱低壓明顯偏弱。

綜合來看，前冬赤道中東太平洋異常冷時，對流層自高層至低層體現(xiàn)出東亞夏季風偏強、副高偏北的特征。從季風指數(shù)和副高脊線位置來看，2018年汛期東亞夏季風指數(shù)是1961年以來最強的一年，同時副高脊線位置偏北3.8°，為1961年以來最北的一年（圖8）。這一結論也符合趙振國［25］提出的觀點，在東亞夏季風偏強時，夏季出現(xiàn)Ⅰ類雨型的概率最大這一結論。

3.2.2北大西洋海溫三極子模態(tài)對大氣環(huán)流的影響

2017年秋季北大西洋海溫自北向南為冷-暖-冷的負位相分布，至2018年1月開始反轉，且負位相轉為正位相的速度較快，至2月指數(shù)達到1，至5月和6月NAT指數(shù)已超2，居于歷史同期前列（圖6）。

當春末夏初的NAT正位相時，激發(fā)北半球大西洋自北向南呈“-+-”的波列，從而引起歐亞遙相關分布，使得東亞中高緯為“-+-”，表現(xiàn)出兩脊一槽，異常中心分別位于烏拉爾山、貝加爾湖、鄂霍次克海地，風場上對應“氣旋-反氣旋-氣旋”，其中中國東北以北至鄂霍次克海為明顯的氣旋性環(huán)流，以南為反氣旋環(huán)流，在40°N為界，以南為偏西風，以北為偏東風，東亞副熱帶西風急流偏北；自高層200 hPa、中層500 hPa至低層850 hPa上表現(xiàn)出類似特征，環(huán)流系統(tǒng)相對深厚，同時東亞地區(qū)自北向南呈現(xiàn)出“-+-”的EAP負位相（圖9）。

海平面氣壓場在東亞地區(qū)為異常低，尤其是30°N以南為顯著的低異常，而在高緯度地區(qū)為正異常，也即大陸熱低壓明顯偏強，使得海陸熱力差異增大，促進東亞夏季風北推，進一步使得來自北邊的冷空氣勢力減弱。差異顯著區(qū)域主要位于烏拉爾山、西太平洋副熱帶地區(qū)以及西北半球的北大西洋地區(qū)，正對應著烏拉爾山阻塞、西太平洋副熱帶高壓等系統(tǒng)。

當春末夏初的NAT負位相時，環(huán)流則相反。

3.2.3西風漂流區(qū)海溫對大氣環(huán)流的影響

2017年9月開始，西風漂流區(qū)海溫持續(xù)增暖，隨時間推移，偏暖區(qū)西擴，至2018年5月，西風漂流區(qū)的海溫指數(shù)超1℃，居于歷史前五位（圖6）。

當春末（4～5月）西風漂流區(qū)海溫偏暖時，夏季500 hPa高度距平場在東亞中高緯度自西向東為“ -+-”的分布，整體呈現(xiàn)出兩槽一脊的分布，槽脊分布與春末夏初NAT正位相年較為相似。

從西風漂流區(qū)暖、冷年500 hPa高度差值場來看，存在顯著差異區(qū)域位于烏拉爾山、貝加爾湖、日本群島以東。矢量風差值場顯著區(qū)顯示（圖10），西風漂流區(qū)海溫與西太平洋副熱帶高壓有著密切的關系，尤其是脊線南北位置，前者在春末夏初時，與夏季西太副高脊線的相關系數(shù)為0.3，通過5%的顯著性檢驗。由此可見西風漂流區(qū)通過影響西太副高南北位置，來最終影響長江流域汛期降水。

4結 論

本文分析了長江流域歷年來夏季典型旱澇年的大氣、海洋特征，并以2018年為例，揭示前期海溫異常對造成降水異常的大氣環(huán)流的影響，得出以下結論：

（1） 長江流域降水偏旱年，全國為典型的Ⅰ類雨型。歐亞地區(qū)自西向東為“+-+”三極型分布，同時東亞自北向南“-+-”遙相關波列式分布。前期冬季至春、夏季，海溫在赤道中東太平洋、印度洋、黑潮區(qū)海溫偏低，西風漂流區(qū)海溫偏暖。

（2） 2000年代至今，長江流域旱澇的年際振蕩明顯。長江流域2018年夏季降水空間分布不均，上游局部多、中下游大部異常少。其中岷沱江南部、嘉陵江中部偏多5成以上，受強降水反復襲擊，嘉、岷兩江形成洪水事件；而長江中游干流區(qū)間大部偏少2成以上，局部4成以上，高溫持續(xù)疊加少雨，長江中下游出現(xiàn)旱情。類似2018年降水長江上游東北部多、長江中下游異常少的相反分布，歷史年份占比為24%。

（3） 2018年前期冬季為弱拉尼娜，春末夏初西風漂流區(qū)為歷史第4暖，NAT正位相為歷史第2。在前冬赤道中東太平洋異常冷背景下，疊加春末夏初的NAT正位相，激發(fā)出北半球大西洋地區(qū)自北向南呈“-+-”的波列，引起歐亞遙相關分布，進而使得東亞出現(xiàn)EAP負位相，東亞副熱帶西風急流偏北，大陸熱低壓明顯偏強，助力東亞夏季風北推。西風漂流區(qū)的偏暖，進一步促進西太副高脊線北移。前期海溫異常共同作用，使得2018年夏季風為1961年以來最強副高脊線為1961年以來最北，EAP為負位相，夏季降水主雨帶北推至華北、西北地區(qū)，長江中下游降水異常少，為典型的Ⅰ類雨型。

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（編輯：謝玲嫻）