海温异常对长江流域夏季典型旱涝的影响研究

张灵 熊开国 郭广芬 张俊

摘要：为研究长江流域夏季旱涝特征及其与海温异常之间的关联性，基于中国326个气象站降水量、NCEP／NCAR再分析资料等，采用合成分析、EOF分解等方法，分析了长江流域夏季典型旱涝年的降水分布、同期大气环流及前期海温特征，并以2018年为例，初步揭示了2018年前期海温异常对大气环流的可能影响。结果表明：① 长江流域夏季典型旱年，仅嘉陵江和岷沱江会表现出局部偏涝，全国为典型的Ⅰ类雨型，多雨区位于黄河流域及以北地区。前期冬季赤道太平洋表现出类拉尼娜的东冷西暖分布，同时黑潮区海温偏低，西风漂流区海温偏暖。受多海域协同作用，同期欧亚环流场上自西北向东南呈现出“+-+”三极型分布，东亚地区为自北向南“-+-”的EAP負位相。长江流域典型涝年，全国多为典型的Ⅱ类和Ⅲ类雨型，环流及海温呈现出相反特征。② 2018年为典型的长江中下游偏旱年，仅在岷沱江降水偏多近3成，为历史第4多，与长江流域夏季降水的主模态正位相类似，解释方差达24%。③ 2018年前冬出现弱拉尼娜、春末夏初西风漂流区异常偏暖、NAT异常正位相，三者共同作用，使得东亚副热带西风急流偏北，东亚沿岸出现EAP负位相，大陆热低压明显偏强，东亚夏季风为1961年以来最强，同时副高脊线最北，造成夏季降水主雨带北推至华北、西北地区，岷沱江、嘉陵江异常多，而长江中下游异常少，为典型的Ⅰ类雨型。研究成果可为长江流域旱涝预测、水资源调度提供参考。

关键词：夏季典型旱涝； 海温异常； Ⅰ类雨型； 拉尼娜； 西风漂流区； 长江流域

中图法分类号： P426.616

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.016

0引 言

长江流域地处季风区，受季风系统影响，气候复杂多变。长江流域夏季气候既与东亚夏季风系统中多个成员的相互协同作用有关，又受热带海洋等外强迫因子的影响，同时也与中高纬冷空气的活动密切相关［1］。随着气候变暖，极端气候事件频发，旱涝等灾害性天气增多［2-3］，例如，1990年代长江流域相继发生了5次洪水，特别是1998年的洪水，受灾面积达 2 120万hm2，直接经济损失达1 700多亿元；2010年长江上游出现超1998年的罕见洪峰；2022年长江流域发生持续、极端的高温干旱事件［4-7］，给人民的生命安全造成威胁，同时给生产生活造成经济损失［8］。因此，针对长江流域夏季降水旱涝的研究，一直都为热点［9-12］。

2018年汛期，长江上游嘉陵江、岷沱江遭受多轮强降水，嘉陵江亭子口水库出现超50 a一遇的入库洪水，岷江上游出现历史最高水位洪水，而长江中下游高温持续，受高温少雨影响，部分地区出现不同程度的干旱。2018年长江流域以旱为主但局部偏涝，这种空间分布是否具有代表性需进一步研究。众所周知，2018年是一次弱拉尼娜（LaNina）事件的衰减年，针对2018年夏季的气候异常成因分析，已有研究表明，2017～2018年的拉尼娜事件对东亚夏季风强度，以及对中国降水出现“南北多，中间少”起到了重要作用［13-14］。环流异常是导致降水量时空分布不均、局地形成气候事件的原因［15］。海洋外强迫异常又通过引起环流异常，同时也作为水汽的重要源地，可影响季风环流系统等，导致强降水或持续高温少雨的发生，最终形成洪涝或干旱等气象灾害［16-17］。实际上，2018年汛期前期，除了弱LaNina事件外，北大西洋、北太平洋等海域海温也相继出现了异常，多海域的海温异常对环流的影响有待进一步研究。基于此，本文以2018年为例，探讨不同海域异常海温对长江流域典型旱涝的影响，以期为今后的流域旱涝预测提供更多的参考，同时科学服务长江流域水资源调度。

1数据资料

本文所用资料有NCEP／NCAR的2.5°×2.5°月平均再分析资料，包括海温场［18］、海平面气压场，200，500，850 hPa高度场和风场。此外，还有国家气象中心整编的中国地区326个气象站1961～2020年月降水量资料和西太平洋副热带高压（西太副高）、Nino3.4区、北大西洋三极子（NAT）海温指数、西风漂流区海温指数等。

2长江流域夏季典型旱涝年分析

通过将长江流域1961～2020年逐年夏季降水进行经验正交分解（EOF），挑选第一模态正位相异常年（EOF对应的时间系数PC1＞1，则为旱年）和负位相异常年（EOF对应的时间系数PC1＜-1，则为涝年），通过差异t检验正、负位相年的全国汛期降水、同期大气环流及前期海温，来深入了解典型旱涝年的海温、环流分布（图1）。

长江流域降水旱年，全国汛期为典型的Ⅰ类雨型，多雨区在黄河流域及以北，江淮流域大范围异常少雨，而华南沿海一带为相对多雨区，但范围和强度上均不如北边多雨区。于长江流域而言，仅在嘉陵江和岷沱江局部降水偏多。普查各相似年，除1972年全国大部少雨外，其他9年均为典型的Ⅰ类雨型。前期冬季海温在赤道中东太平洋、印度洋、黑潮区偏低，西风漂流区偏暖（图2（c）），这种状态持续至春、夏季，且西风漂流区偏暖持续增强。欧亚环流场上自西北向东南呈现出“+-+”三极型分布，西欧为正高度异常，巴湖至贝加尔湖为负高度异常，中国大陆至日本群岛南部到西太平洋为正高度异常；东亚地区为EAP负位相分布（图2（a））。以上研究结论，均与陈兴芳等［19］的研究结论一致。

长江流域涝年，全国汛期表现出Ⅱ类和Ⅲ类雨型，长江流域和东北至华北偏多，例外的是1996，1998，2020年，全国大范围多雨。前期冬季赤道中东太平洋及印度洋、黑潮区海温偏暖，西风漂流区偏冷（图2（c）），春季开始大西洋地区为弱的负位相，至夏季为明显的负位相，东亚自北向南为EAP正位相分布（图2（a））。

3典型年2018年前期海温异常对大气环流的影响

3.12018年夏季降水特征及大气环流

近5 a PC1逐年演变具有较明显的年际和年代际振荡的特征（图1（b））。1980年代以前长江流域处于偏旱时期，1980～2000年代为偏涝背景，2000年代至今PC1的年际振荡更为明显，如2016，2020年为明显负位相，为典型涝年；而2006，2013，2018年又处于明显正位相，为典型旱年。

长江流域2018年汛期降水距平百分率空间分布图（图3）显示，降水空间分布不均，主要表现为上游局部多、中下游异常少。其中岷沱江南部、嘉陵江中部偏多5成以上，而长江中游干流区间大部偏少2成以上，局部4成以上。

处在多雨中心的岷沱江和嘉陵江，7月中旬前反复遭受强降水袭击，7月上中旬发生洪水。其中岷沱江降水量为579.9 mm，较常年均值偏多近3成，为1961以来第4多年，排前3位的年份依次为1966，1961，1962年。

少雨中心位于长江中下游。处于中游的湖北省，2018年汛期降水量为320.4 mm，较常年均值偏少近4成，处于历史第4少位，仅多于1966，1972，1978年。湖北省盛夏出现大范围高温天气过程，55站破连续高温日数达极端事件标准，高温日数居于历史第3多位，大部为20～44 d。长江中下游7月中旬至8月出现大范围高温，因持续高温少雨，部分区域出现旱情。

分析发现，长江上游的岷沱江降水量排名前3位的年份（1966，1961，1962年），和长江中游降水量异常少的前3 a（1966，1972，1978年），均与2018年类似，即与长江流域1961～2020年汛期降水EOF分解的第一模态正位相相似，长江流域整体以少为主，异常少雨中心位于长江中、下游沿江地区，异常多雨中心位于岷沱江、嘉陵江，这一模态的解释方差为24.0%（图1（a））。

持续的大气环流异常是降水异常最为直接的原因，导致2018年强降水集中在长江上游局部地区，而长江中下游大部高温干旱，对应的大气环流形势为偏东气流型［20］。500 hPa高度场上，东亚中高纬呈两槽一脊型分布（图4（a）），巴尔克什湖和日本东北部为槽区，贝加尔湖至中国东北部为高压脊，同时东亚沿岸由北至南为“-+-”的高度距平分布，呈现出东亚-太平洋型遥相关（EAP）负位相的特征。海平面气压场上，东亚地区偏低，尤其是西太平洋至中国东南沿海偏低明显，表现出夏季大陆热低压明显偏强（图4（b））。

3.2海温对大气环流的可能影响

有研究指出2018年汛期气候趋势预测的先兆信号是拉尼娜事件和热带印度洋全区一致模态（IOBW）偏冷。自2017年10月开始，至2018年４月，赤道中东太平洋发生了一次弱的东部型拉尼娜事件，该事件在2018年1月达到峰值，整个冬季为1981年以来历史第7低位（图5（a））。至春季，赤道太平洋仍保持中东部偏冷而西部偏暖，印度洋呈现出西暖东冷，北大西洋自北向南呈现出明显的“-+-”三极型分布（NAT正位相）（圖5（b））。从印度洋、大西洋、太平洋各项指数上看，春季最为异常的是NAT，在2018年春季及春末夏初 （5～6月）NAT处于历史第2高位；次异常的为西风漂流区，海温异常偏暖，在春季及4～5月的偏暖程度均居历史第4和第5位（图6）。

3.2.1拉尼娜对环流的影响

众多学者研究表明，ENSO事件对于东亚夏季气候有着重要的影响［21-22］。厄尔尼诺次年，夏季风易偏弱，长江流域降水偏多；而拉尼娜次年，东亚夏季风偏强，长江流域降水偏少［23-24］。

差异诊断分析赤道中东太平洋暖、冷异常年自中高层至低层的大气环流，结果显示：前冬中东太平洋偏冷年，200 hPa上东亚上空中国东北为明显的反气旋性环流，以南为明显的气旋环流，在40°N以北为偏西风，以南为明显的偏东风，表明东亚副热带高空急流位置较常年同期偏北（图7（a））。500 hPa东亚沿岸EAP为负位相分布，在30°N以北的高度场正异常中心，对应的反气旋环流明显，即副高脊线位置较常年同期偏北（图7（b））。850 hPa矢量风上最显著的特征为菲律宾附近为异常气旋式环流，东亚沿岸由北至南为“气旋-反气旋-气旋”。海平面气压场上，东亚大陆上空为明显的负气压异常分布，表明东亚大陆热低压明显偏强。

前冬中东太平洋偏暖年，环流呈现出相反的分布，东亚副热带高空急流位置偏南，EAP为正位相，东亚大陆热低压明显偏弱。

综合来看，前冬赤道中东太平洋异常冷时，对流层自高层至低层体现出东亚夏季风偏强、副高偏北的特征。从季风指数和副高脊线位置来看，2018年汛期东亚夏季风指数是1961年以来最强的一年，同时副高脊线位置偏北3.8°，为1961年以来最北的一年（图8）。这一结论也符合赵振国［25］提出的观点，在东亚夏季风偏强时，夏季出现Ⅰ类雨型的概率最大这一结论。

3.2.2北大西洋海温三极子模态对大气环流的影响

2017年秋季北大西洋海温自北向南为冷-暖-冷的负位相分布，至2018年1月开始反转，且负位相转为正位相的速度较快，至2月指数达到1，至5月和6月NAT指数已超2，居于历史同期前列（图6）。

当春末夏初的NAT正位相时，激发北半球大西洋自北向南呈“-+-”的波列，从而引起欧亚遥相关分布，使得东亚中高纬为“-+-”，表现出两脊一槽，异常中心分别位于乌拉尔山、贝加尔湖、鄂霍次克海地，风场上对应“气旋-反气旋-气旋”，其中中国东北以北至鄂霍次克海为明显的气旋性环流，以南为反气旋环流，在40°N为界，以南为偏西风，以北为偏东风，东亚副热带西风急流偏北；自高层200 hPa、中层500 hPa至低层850 hPa上表现出类似特征，环流系统相对深厚，同时东亚地区自北向南呈现出“-+-”的EAP负位相（图9）。

海平面气压场在东亚地区为异常低，尤其是30°N以南为显著的低异常，而在高纬度地区为正异常，也即大陆热低压明显偏强，使得海陆热力差异增大，促进东亚夏季风北推，进一步使得来自北边的冷空气势力减弱。差异显著区域主要位于乌拉尔山、西太平洋副热带地区以及西北半球的北大西洋地区，正对应着乌拉尔山阻塞、西太平洋副热带高压等系统。

当春末夏初的NAT负位相时，环流则相反。

3.2.3西风漂流区海温对大气环流的影响

2017年9月开始，西风漂流区海温持续增暖，随时间推移，偏暖区西扩，至2018年5月，西风漂流区的海温指数超1℃，居于历史前五位（图6）。

当春末（4～5月）西风漂流区海温偏暖时，夏季500 hPa高度距平场在东亚中高纬度自西向东为“ -+-”的分布，整体呈现出两槽一脊的分布，槽脊分布与春末夏初NAT正位相年较为相似。

从西风漂流区暖、冷年500 hPa高度差值场来看，存在显著差异区域位于乌拉尔山、贝加尔湖、日本群岛以东。矢量风差值场显著区显示（图10），西风漂流区海温与西太平洋副热带高压有着密切的关系，尤其是脊线南北位置，前者在春末夏初时，与夏季西太副高脊线的相关系数为0.3，通过5%的显著性检验。由此可见西风漂流区通过影响西太副高南北位置，来最终影响长江流域汛期降水。

4结 论

本文分析了长江流域历年来夏季典型旱涝年的大气、海洋特征，并以2018年为例，揭示前期海温异常对造成降水异常的大气环流的影响，得出以下结论：

（1） 长江流域降水偏旱年，全国为典型的Ⅰ类雨型。欧亚地区自西向东为“+-+”三极型分布，同时东亚自北向南“-+-”遥相关波列式分布。前期冬季至春、夏季，海温在赤道中东太平洋、印度洋、黑潮区海温偏低，西风漂流区海温偏暖。

（2） 2000年代至今，长江流域旱涝的年际振荡明显。长江流域2018年夏季降水空间分布不均，上游局部多、中下游大部异常少。其中岷沱江南部、嘉陵江中部偏多5成以上，受强降水反复袭击，嘉、岷两江形成洪水事件；而长江中游干流区间大部偏少2成以上，局部4成以上，高温持续叠加少雨，长江中下游出现旱情。类似2018年降水长江上游东北部多、长江中下游异常少的相反分布，历史年份占比为24%。

（3） 2018年前期冬季为弱拉尼娜，春末夏初西风漂流区为历史第4暖，NAT正位相为历史第2。在前冬赤道中东太平洋异常冷背景下，叠加春末夏初的NAT正位相，激发出北半球大西洋地区自北向南呈“-+-”的波列，引起欧亚遥相关分布，进而使得东亚出现EAP负位相，东亚副热带西风急流偏北，大陆热低压明显偏强，助力东亚夏季风北推。西风漂流区的偏暖，进一步促进西太副高脊线北移。前期海温异常共同作用，使得2018年夏季风为1961年以来最强副高脊线为1961年以来最北，EAP为负位相，夏季降水主雨带北推至华北、西北地区，长江中下游降水异常少，为典型的Ⅰ类雨型。

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（编辑：谢玲娴）