江西省2019年夏季澇旱急轉成因分析與對棉花生產的影響

邵明陽，周妍，吳昊，馬鋒敏，彭賽華，林月強

(1.九江市氣象局，江西 九江 332000；2.江西省氣象局，江西 南昌 330096；3.彭澤縣農業農村局，江西 彭澤 332700)

2019年6月至7月前半月，江西省遭遇多輪暴雨過程，平均降水量較常年同期偏多7成，創歷史同期新高。7月1～15日全省平均降水量達314.3 mm，單站最大降水量達617.7 mm；7月16日開始全省轉為干旱少雨天氣，至12月31日全省平均降水量較常年同期偏少6成以上，創1961年以來歷史同期新低，為典型的澇旱急轉天氣。前期大范圍嚴重雨澇，加上后期大面積、持續性干旱，對經濟社會發展及城鄉居民生活造成了較大損失，全省農業受災面積達到1116.6 khm。

旱澇(或澇旱)急轉是旱、澇異常在時間上的非均勻分布形式，指某一時期內旱澇交替發生的現象，受全球氣候變暖及人類活動等因素影響，旱、澇發生頻率、強度不斷增加，在我國長江中下游、華南、華北、西南等地時有發生。對于旱、澇急轉天氣的成因，很多學者開展了相關的研究。陶詩言的研究表明我國夏季江淮流域持久性旱澇現象與中緯和副熱帶地區大氣環流的異常有密切聯系。婁小芬，等對2011年長江中下游的梅雨特征及成因分析得出梅雨期間，西太平洋副熱帶高壓和高空西風急流穩定偏強，強盛的季風涌、中高緯度冷空氣和青藏高原對流擾動東傳的有利配置導致了2011年梅雨總量異常偏多。鄭志海，等對夏季北半球環流進行分析，得出西太平洋副熱帶高壓的年代際增強和赤道中東太平洋由冷水向暖水發展是多雨帶偏南的重要原因。吳拓，等研究發現江西共青城地區冬季氣溫及降水因子與汛期降水量存在著一定程度的相關性。袁媛，等通過對MJO分析得出副熱帶高壓發生斷裂，西北太平洋對流層低層轉為異常氣旋性環流控制，水汽輸送異常輻散區會導致我國東部大部地區，長江流域持續高溫少雨，同時異常的MJO活動也是8月熱帶和副熱帶大氣發生轉折的重要原因。高輝，等對夏季降水研究發現夏季尤其是夏季前期西太平洋副熱帶高壓強度異常偏強，位置明顯偏西，東亞副熱帶夏季風強度弱，這些都直接造成長江中下游地區降水明顯偏多。

一般年份，江西澇旱急轉天氣出現的時間，與棉花花鈴期較為接近，而棉花在這一時期處于營養生長與生殖生長并進的階段，是需水需肥的關鍵期。

本研究一方面從澇旱急轉天氣發生前后的環流和水汽特征分析其成因，另一方面以彭澤縣為例，比較分析2019年與前3年雨旱轉換期不同天氣條件對棉花產量形成的影響，以期為江西澇旱夏季短期氣候預測提供科學依據，同時更好地保障棉花生產趨利避害。

1 材料和方法

1.1 資料來源

所用降水量資料來自CIMISS數據中心的江西省87個國家氣象觀測站的逐日降水資料，大氣環流資料為美國國家環境預報中心和國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)逐日再分析資料中的位勢高度、緯向風、經向風、比濕和地面氣壓場，資料水平分辨率為2.5°×2.5°。

彭澤縣棉花“三桃”調查數據來源于彭澤縣農業農村局，棉花單產數據來源于九江市統計年鑒。

1.2 方法

計算取 1981～2010 年 共30 年平均為氣候態，分析過程中對降水作日、候(1 年 72 候，每月 6 候)平均處理，也用到非限定時段的平均值。

2 結果分析

2.1 降水異常的時間演變特征

從圖1可以看出，1到6月江西省平均降水量普遍偏多。第37、38、39候比常年同期異常偏多，其中38、39候比常年同期偏多3.5倍和3.3倍。從逐候降水距平百分率的變化特征來看，雨澇時段和干旱時段均比較明顯。39候到69候，降水距平百分率均為負值，降水持續偏少，澇旱兩者轉變在短時間內實現，呈現澇旱急轉的特征。2019 年澇旱急轉的時間節點為第40候首日，即7 月 16日開始轉為干旱。

圖1 2019年江西省較常年同期降水距平百分率時間序列圖(候平均)

2.2 環流分析

2.2.1南亞高壓及西風急流特征與降水的關系

南亞高壓是夏季對流層高層上最強大、最穩定的控制性環流系統，它對亞洲乃至整個半球的大氣環流異常都有重要影響，影響著我國廣大地區夏季的旱澇分布，因此為了研究 2019年夏季澇旱急轉的成因，有必要對南亞高壓特征進行分析。

7月6日～15日東亞地區200 hPa南亞高壓呈帶狀分布(圖2a)，脊線位于25°N附近，比常年(28°N)南亞高壓的脊線位置略偏南，強度較常年(1256 dagpm)偏強，江西處于南亞高壓東南側。從風速平均場看(圖3)，該兩候副熱帶西風急流南緣位于 30°N 附近，江西位于高空輻散區，偏強的西風急流使得對流層高層的輻散增強，從而加強高低空急流耦合形成的抽吸作用，促進上升運動發展，降水得到加強。7月16日～25日，中國西部槽加深，高空東風急流所控制，中高緯地區基本維持“西低東高”的偏緯向型環流，冷空氣活動不活躍。整個長江中下游處于強大的反氣旋環流控制中，輻散和下沉運動加強，負渦度發展，有利于維持高溫晴熱天氣。

圖2 200 hPa平均位勢高度(a為7月6～15日，b為7月16～25日；單位為dagpm)

圖3 200 hPa平均風場(a為7月6～15日，b為7月16～25日；單位為m/s)

2.2.2 中低層環流特征

在中層 500 hPa位勢高度場上，2019年第38候588 dagpm 等高線較氣候平均持平 (圖4a)，江西處于副熱帶高壓西北側，受西南氣流控制。第39候(圖4b)相比上一候副熱帶高壓有西進。第40候(圖4c)西太平洋副熱帶高壓略有東退，第41候(圖4d) 西太平洋副熱帶高壓西進北跳，分為東西兩段，我國東部及近海地區對應低層的異常氣旋性環流。江西省被強盛的副熱帶高壓系統控制，天氣晴熱高溫，干旱開始。

圖4 2019年第38～41候500 hPa平均位勢高度場(單位為dagpm)

從38～39候500 hPa 風場(如圖5a)可以看到，沿西太平洋副熱帶高壓邊緣的西南風與在東北冷渦主導下的西北風，在江淮上空形成交匯，切變線沿長江呈東西走向。長江中下游為西南氣流控制。這與丁一匯，等指出的低空急流左側正渦度有利于降水發生的結論相符合。劉蕓蕓，等研究表明，副熱帶高壓異常偏南、偏西，在長江以南地區形成異常偏強的偏南風水汽輸送，使得長江流域成為南、北距平風的異常匯合區，有利于長江流域出現降水。40～41候(如圖5b)來自孟加拉灣向北的水汽輸送路徑偏西，西南氣流減弱，導致長江中下游地區成為顯著的水汽輻散區，降水停止。隨著環流形勢的改變，在強盛的副熱帶高壓系統控制下高溫天氣持續，干旱持續發展。

圖5 500 hPa平均風場圖(a為38～39候，b為40～41候；單位為m/s)

在第38候(圖6a)中，從低層850 hPa風場上可以看到，來自孟加拉灣的西南氣流，在江西省有一個大的風速值區，同時在江西省北部形成強的風速切變 。第39候(圖6b)相比于上一候，北部的風速切變更加明顯，更加有利于強降水的發生。

圖6 2019年第38～41候850 hPa平均風場(單位：m/s)

第40候(圖6c)來自孟加拉灣的西南氣流明顯減弱，長江中下游風場方向轉變，處在弱的風速輻合區，整個江西省被廣大的氣旋所控制。第41候(圖6d)相比于上一候西南氣流加強，風速切變在沿江地區。

以上分析表明，急轉前水汽條件得到明顯改善，西南急流加強，同時長江中下游地區為水汽輻合區，有利于連續性暴雨的產生，急轉后長江中下游低層水汽輸送減弱，輻散和下沉運動加強，負渦度發展，干旱由此開始。

2.2.3

600 hPa垂直速度的空間分布，38～39候(圖7a)江西省處于負的垂直速度區，中心值最大達-0.0001 Pa/s，上升運動強勁，為此時的降水提供了動力條件。到了40～41候(圖7b)，上升速度減弱，大氣層結開始穩定，相應的降水強度也減弱了。

圖7 600 hpa垂直速度平均場(單位：10-3 Pa/s)

充沛的水汽供應和強烈的上升運動是大型降水的兩個必要條件。前面分析得知，前2候高空急流和低空急流在長江中下游地區很好的達到垂直耦合，有利于降水區域的上升運動 。

2.2.4水汽條件

持續和穩定的水汽輸送是持續降水的必要條件，圖8給出了整層水汽輸送通量及其散度的空間分布。第38～39候長江中下游的水汽輸送非常明顯，Xu et al認為，中國區域南邊界的水汽輸送對長江流域較大降水的形成均具有重要的作用。來自孟加拉灣的水汽，越過中南半島轉為西南急流，穿過華南向長江中下游地區輸送。主要的輻合區也位于長江中下游地區，強烈的輻合運動為水汽的動力抬升創造了有利條件，有利于這一地區降水的發生。

圖8 水汽通量散度(單位：10-5 kg/m 2/s)

第40～41候長江中下游的水汽輸送明顯減弱，來自孟加拉灣的水汽分成兩股，主要水汽向西，水汽輸送大值區位于西北太平洋上空。整個中國東部地區的水汽輸送非常弱，無明顯的水汽輸送。以上分析表明，急轉前水汽條件充沛，西南急流強勁，同時長江中下游地區處于水汽輻合區，急轉后長江中下游地區無明顯水汽輸送，且處在水汽輻散區。

2.3 對棉花的影響

表1列出了彭澤站及全省2016～2019年的雨季結束日期，圖9列出了2016～2019年江西省雨季末期降水距平分布。分析表1與圖9可知，2016～2019年澇旱急轉現象在江西均有出現，只是每年的時間、范圍與強度不同。其中2016～2017年主要出現在九江及周邊地區，2018年主要出現在贛中及贛東北的部分地區，2019年出現在贛北北部與贛南南部以外的全省大部分地區。

表1 2016～2020年雨季結束期對照表(月/日)

圖9 2016～2019年江西省雨季末期降水距平分布圖(%)

資料分析表明，2016～2019年九江地區雨季結束后均出現了20 天以上的程度不等的干旱少雨天氣。棉花伏前桃、伏桃以及單株成鈴數，澇旱急轉明顯的年份(2016年和2017年)少于前期澇害不明顯的年份(2018年和2019年)，單產前者也低于后者(如表2)。可見，雨季末期雨水過多，出現明顯的澇旱急轉，對棉花生產不利。

表2 2016～2019年彭澤縣棉花“三桃”調查及全縣平均皮棉產量

3 結論與討論

研究表明，江西省夏季澇旱急轉前(澇期)，東亞地區200 hPa南亞高壓呈帶狀分布，其脊線偏南、偏強，江西位于南亞高壓東南側；500 hPa江西省位于副熱帶高壓外圍，副熱帶西風急流高空帶來的輻散和來自孟加拉灣的西南氣流帶來的豐富的水汽，配合中層強烈的垂直上升運動，形成持續性降水，引發洪澇。急轉后(旱期)，高低空環流形式發生改變，中高緯地區基本維持“西低東高”的偏緯向型環流，中國西部槽加深，江西省被副熱帶高壓控制，西南氣流快速減弱，強大而穩定的高壓系統控制，干旱得以持續發展。對棉花“三桃”及單產比較分析結果表明，澇旱急轉天氣，澇害越嚴重，對棉花生產的影響越明顯。

事實上，導致澇旱急轉的更深層次的原因十分復雜，如垂直速度往往和降水是關聯的，垂直運動會影響降水，降水也會影響垂直運動，這種反饋機制有待進一步研究。