洞庭湖流域夏季降水特征及旱澇年份大氣環(huán)流分析

黎燚隆，章新平，尚程鵬

（湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410081）

降水是對社會經(jīng)濟(jì)活動和生態(tài)系統(tǒng)具有直接而且深刻影響的氣候要素，其異常變化往往使社會系統(tǒng)產(chǎn)生顯著的敏感性反應(yīng)。近百年來，伴隨著全球氣候變暖，極端天氣氣候事件的發(fā)生頻率增加［1-3］，其中最具影響力的是大范圍持續(xù)少雨干旱和流域性超強降水。在東亞季風(fēng)區(qū)，夏季風(fēng)爆發(fā)多始于4月，到7月趨于鼎盛，對應(yīng)著我國人口和經(jīng)濟(jì)密集的江淮地區(qū)梅雨期，降水的異常變化不論干旱或是區(qū)域性極端降水增多［4-6］，其影響都是嚴(yán)重的，因而其規(guī)律性和成因受到廣泛的關(guān)注。

學(xué)者對我國夏季降水的時空變化特征的研究已經(jīng)取得了不少成果［7-10］。 申樂琳［11］等人對近 50 年來中國夏季降水及水汽輸送特征的研究中發(fā)現(xiàn)，西太平洋副熱帶高壓南側(cè)的東南季風(fēng)與北方冷槽的偏北風(fēng)及其異常水汽輸送是我國東部夏季降水異常的主要成因；黃榮輝［12］等人對我國東部夏季降水異常主模態(tài)的年代際變化及其與東亞水汽輸送的關(guān)系進(jìn)行了分析，結(jié)果表明我國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的時空變化存在兩種主模態(tài)，兩種主模態(tài)的年代際變化與東亞上空夏季水汽輸送通量的時空變化密切相關(guān)；呂俊梅［13］等人對近百年來中國東部夏季降水年代際變化特征及其原因進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)太平洋年代振蕩、北極濤動和北極海冰三個因子對中國東部夏季降水年代際變化起到協(xié)同作用。我國夏季降水的影響因素除了東亞夏季風(fēng)外［14-16］，太平洋海溫異常［17-19］，西風(fēng)急流［20］，臺風(fēng)活動［21，22］也起到重要作用。

洞庭湖流域介于東經(jīng)（107°16′～114°17′）與北緯（24°38′～30°26′）之間，南起南嶺北止長江，西面武陵山東臨羅霄山脈，東南西三面環(huán)山，向北開口，構(gòu)成獨特的“馬蹄”形地形格局，地貌形態(tài)復(fù)雜多樣，流域面積總計26.2萬km2，約占整個長江流域面積的14%（圖1）。受亞熱帶季風(fēng)和地形的影響，降水時空分布不均勻，旱澇災(zāi)害頻發(fā)，尤其當(dāng)夏季異常降水發(fā)生，造成的影響甚為嚴(yán)重［23，24］。 如 1998 年夏季，短時間內(nèi)集中降雨導(dǎo)致的百年一遇的特大洪水對流域內(nèi)人民群眾生命財產(chǎn)安全造成重大損失［25］；2011年洞庭湖區(qū)遭遇50a一遇連續(xù)性季節(jié)干旱，造成直接經(jīng)濟(jì)損失近百億［26］。對洞庭湖流域現(xiàn)有的氣候變化研究［27-29］主要聚焦于大范圍降水的時空特征文以基于1961-2015年96站夏季（5-7月）降水最新資料序列，從區(qū)域氣候變化的視角，分析了洞庭湖流域降水時空變化基本特征。在此基礎(chǔ)上，探討洞庭湖流域降水與東亞季風(fēng)區(qū)水汽通量散度及可降水量場之間的相關(guān)關(guān)系，并選取典型夏澇年、夏旱年就大氣環(huán)流形勢和水汽輸送差異進(jìn)行比較分析，取得了一些新的結(jié)果，這些結(jié)果可能有助于洞庭湖流域夏季降水異常成因的認(rèn)知。

1 研究數(shù)據(jù)

本文采用的數(shù)據(jù)包括：（1）洞庭湖流域96個氣象站點的逐月降水?dāng)?shù)據(jù)，時間序列為1961-2015年。根據(jù)流域的氣候特點，本文劃定5-7月為夏季，常年平均為1961-2015年夏季降水的多年平均值；（2）NCEP/NCAR月平均再分析資料，要素有8層等壓面（1000～300hPa）上的緯向風(fēng)分量u、經(jīng)向風(fēng)分量v和比濕q，地面氣壓場、500hPa位勢高度場，水平分辨率為 2.5°×2.5°。

2 研究方法

2.1 旱澇等級劃分

本文根據(jù)洞庭湖流域各年夏季降水的分布特點，中國氣象局降水量距平百分率劃分標(biāo)準(zhǔn)及各學(xué)者的相關(guān)研究［30，31］，將旱澇程度劃分為大澇、偏澇、正常、偏旱、大旱5個等級，見表1。

表1 旱澇程度等級劃分

2.2 水汽通量及水汽通量散度［32］

水汽通量指單位時間流經(jīng)某一單位截面積的水汽質(zhì)量，水汽通量散度是指單位時間內(nèi)在某區(qū)域輻合或輻散的水汽含量，散度為正表示該地水汽輻散，散度為負(fù)則表示水汽輻合。緯向水汽通量Qu和經(jīng)向水汽通量Qv的計算公式分別為：

式中：q為比濕，單位g·kg-1；g為重力加速度，單位m.s-2；ps為地面氣壓，單位hPa；pt為氣柱頂氣壓，本文取300hPa。水汽通量散度D的計算公式為：

式中：a為地球半徑；φ和λ分別表示經(jīng)度和緯度。

2.3 功率譜分析［33］

功率譜是功率譜密度函數(shù)的簡稱，它定義為單位頻帶內(nèi)的信號功率。它表示了信號功率隨著頻率的變化情況，即信號功率在頻域的分布狀況。功率譜表示了信號功率隨著頻率的變化關(guān)系。功率譜表達(dá)式如下

其中An是周期信號中頻率為nΩ0諧波分量的幅值，Pn＝An2·2-1的頻率是 nΩ0諧波分量的功率。

3 結(jié)果與分析

3.1 洞庭湖流域夏季降水的空間分布特征

3.1.1 夏季平均降水量和夏季降水標(biāo)準(zhǔn)差的空間分布

通過對流域各站點55a的逐年夏季降水量的統(tǒng)計，得到洞庭湖流域夏季平均降水量和夏季降水標(biāo)準(zhǔn)差的空間分布（圖1）。

圖1 洞庭湖流域夏季平均降水量距平等值線圖（單位：mm）

從夏季降水量的空間分布來看，降水量的低值中心位于流域中部一帶，高值中心則主要出現(xiàn)在西北部山區(qū)地帶與西南部丘陵地區(qū)。夏季平均降水量的最大值出現(xiàn)在五峰站，達(dá)到1245.3mm，這與該站高海拔的地形抬升作用有關(guān)；夏季平均降水量的最小值位于流域中部的衡南站，僅470.7mm，該站地處流域中部平原地區(qū)，夏季較難難發(fā)生冷暖氣流交匯，因此降水量相對偏少。夏季平均降水量主要分布在540～640mm，站點數(shù)約占流域總站點數(shù)的46%。

從夏季降水量的離散程度來看，流域內(nèi)各站點降水量標(biāo)準(zhǔn)差的空間分布大致從西北向東南方向遞減。全流域的平均標(biāo)準(zhǔn)差為238mm，流域西北部來鳳站降水的標(biāo)準(zhǔn)差最大，達(dá)353mm；流域中部部的武岡站的標(biāo)準(zhǔn)差最小為119.7mm。整體上看，夏季降水標(biāo)準(zhǔn)差的空間分布和夏季平均降水量的空間分布相似，即降水偏多的地方，標(biāo)準(zhǔn)差值偏大，發(fā)生旱澇災(zāi)害可能性較大，而降水偏少的地方，標(biāo)準(zhǔn)差值偏小，發(fā)生旱澇災(zāi)害可能性較小。

3.1.2 洞庭湖流域夏季降水的時間變化特征

洞庭湖流域夏季的平均降水量具有明顯的年代際變化特征，通過對流域內(nèi)各站點每10a降水距平百分率的統(tǒng)計，分別得到洞庭湖流域夏季不同年代際降水距平百分率的空間分布 （圖2）和站點統(tǒng)計（表 2）。

圖2 洞庭湖流域夏季不同年代際降水距平百分率的空間分布

表2 洞庭湖流域夏季不同年代際降水距平百分率的站點統(tǒng)計（站數(shù)（占總站數(shù)的百分率））

由圖2和表2可知，按年代劃分，流域夏季降水量呈現(xiàn)偏少與偏多相間出現(xiàn)的特征，1990年代是夏季降水量最多的年代。

圖3給出了洞庭湖流域平均55a夏季降水距平百分率的年際和年代際變化。從年際變化來看，夏季降水年際變化大其中，2002年夏季降水異常偏多，流域平均降水量達(dá)803.96mm，比常年平均偏多34.59%，為近55a來降水最多的年份，而1985年夏季降水為歷年最少，降水量只有416.2mm，比常年平均偏少30.32%。根據(jù)旱澇標(biāo)準(zhǔn)表1，55a中夏季降水共出現(xiàn)偏澇及大澇年份共5a，偏旱及大旱年份共6a。從年代際變化來看，自20世紀(jì)80年代后，洞庭湖流域夏季降水波動增大，結(jié)合圖4的功率譜分析結(jié)果表明，洞庭湖流域夏季降水存在一個準(zhǔn)20a周期的變化與一個準(zhǔn)3a周期，通過0.05置信度檢驗。

圖3 洞庭湖流域夏季降水距平百分率的年際和年代際變化

圖4 洞庭湖流域夏季降水的頻率譜分析

3.2 典型夏澇、夏旱年的平均大氣環(huán)流

為了分析典型夏旱澇年和夏旱年大氣環(huán)流背景， 根據(jù)旱澇標(biāo)準(zhǔn)選擇 1993、1996、1998、1999、2002 年作為典型夏澇年及 1963、1965、1972、1985、2011、2013年作為典型夏旱年。圖5給出了典型夏澇年和夏旱年的平均大氣環(huán)流形勢。

從圖5（見彩頁）可以看出，在典型夏澇年，500hPa高度距平場上，中高緯地區(qū)存在著3個正距平中心和3個正距平中心，為3波型；在典型夏旱年，基本為1波長波形，東半球中高緯基本為負(fù)距平控制，西半球則為正距平控制。可以看出夏澇年和夏旱年位勢距平分布具有相反特征，在澇年，歐亞地區(qū)和低緯度熱帶海洋地區(qū)為顯著的正距平控制，氣壓高度偏高，而在旱年，歐亞地區(qū)和低緯度熱帶海洋地區(qū)被顯著的負(fù)距平控制，氣壓高度偏低，反應(yīng)歐亞大陸高壓強度在澇（旱）年偏弱（強），中高緯冷空氣偏弱（強）。

對應(yīng)的500hPa高度場上，在典型夏澇年，588hgpm高度線表示西北太平洋副熱帶高壓控制面積大，強度強，，副高中心約位于 130°E，25°N。 歐亞大陸高壓脊偏弱，而典型旱年，不存在588hgpm高度線，反應(yīng)了西北太平洋副熱帶高壓偏弱。

圖6 洞庭湖流域夏季降水與同期西太平洋副熱帶高壓強度指數(shù)與面積指數(shù)

經(jīng)統(tǒng)計，洞庭湖流域夏季降水量與西北太平洋副熱帶高壓面積指數(shù)、強度指數(shù)在顯著相關(guān)（圖6），相關(guān)性分別達(dá)到0.28，0.32通過過信度95%的顯著性檢驗。流域夏季降水偏多的年份，西太平洋副熱帶高壓面積偏大，強度偏高；流域夏季降水偏少的年份，西太平洋副熱帶高壓面積偏小，強度偏低。

綜上，夏季流域降水偏多（偏少）年份，對應(yīng)西北太平洋副熱帶高壓偏強（偏弱）。

3.3 典型夏澇、夏旱年的平均水汽輸送特征

降水的產(chǎn)生需水汽條件和水汽發(fā)生凝結(jié)的動力條件。圖7（見彩頁）出了流域典型夏澇年、夏旱年整層水汽通量和水汽通量散度距平的分布。

在典型夏澇（旱）年（圖7，見彩頁），流域內(nèi)具有明顯的水汽輻合（輻散）異常，水汽通量散度距平可達(dá)-（＋）2×10-5kg·（m2·s）-1以上，當(dāng)水汽輻合時，水汽來源于西北太平洋副熱帶高壓西側(cè)東南偏南氣流，與孟加拉灣到南海地區(qū)上空西南氣流的匯合。

4 結(jié)論

利用逐月降水?dāng)?shù)據(jù)和NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)，研究了洞庭湖流域近55a來夏季降水的時空分布特征，分析了典型夏季降水異常年份平均的大氣環(huán)流形勢和水汽輸送特征，得到以下主要結(jié)論：

（1）洞庭湖流域夏季降水量自湘江中游一帶向東南和西北逐漸遞增，夏季降水標(biāo)準(zhǔn)差和夏季平均降水量有著基本一致的空間分布。洞庭湖流域夏季降水量存在準(zhǔn)3a和準(zhǔn)20a周期。20世紀(jì)60年代降水偏少，70年代較60年代降水增多，80年代夏季降水最少，90年代是55a間夏季降水最多的十年，進(jìn)入21世紀(jì)以來夏季降水又呈減少。

（2）洞庭湖流域夏季降水異常與歐亞地區(qū)上空大氣環(huán)流形勢的關(guān)系密切。典型夏澇（旱）年時，歐亞大陸高壓偏弱，冷空氣偏弱，西北太平洋副高偏強（弱），形勢有利于冷暖氣流在30N附近區(qū)域匯合。

（3）洞庭湖流域夏季水汽輸送主要來自西南水汽通道及西太平洋暖濕氣流，在典型夏澇（旱）年，流域內(nèi)出現(xiàn)顯著的水汽輻合（輻散）。

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