洞庭湖流域夏季降水特征及旱澇年份大氣環流分析

黎燚隆，章新平，尚程鵬

（湖南師范大學資源與環境科學學院，湖南 長沙 410081）

降水是對社會經濟活動和生態系統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產生顯著的敏感性反應。近百年來，伴隨著全球氣候變暖，極端天氣氣候事件的發生頻率增加［1-3］，其中最具影響力的是大范圍持續少雨干旱和流域性超強降水。在東亞季風區，夏季風爆發多始于4月，到7月趨于鼎盛，對應著我國人口和經濟密集的江淮地區梅雨期，降水的異常變化不論干旱或是區域性極端降水增多［4-6］，其影響都是嚴重的，因而其規律性和成因受到廣泛的關注。

學者對我國夏季降水的時空變化特征的研究已經取得了不少成果［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現，西太平洋副熱帶高壓南側的東南季風與北方冷槽的偏北風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的年代際變化及其與東亞水汽輸送的關系進行了分析，結果表明我國東部季風區夏季降水的時空變化存在兩種主模態，兩種主模態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；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行了探究，發現太平洋年代振蕩、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同作用。我國夏季降水的影響因素除了東亞夏季風外［14-16］，太平洋海溫異常［17-19］，西風急流［20］，臺風活動［21，22］也起到重要作用。

洞庭湖流域介于東經（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，東南西三面環山，向北開口，構成獨特的“馬蹄”形地形格局，地貌形態復雜多樣，流域面積總計26.2萬km2，約占整個長江流域面積的14%（圖1）。受亞熱帶季風和地形的影響，降水時空分布不均勻，旱澇災害頻發，尤其當夏季異常降水發生，造成的影響甚為嚴重［23，24］。 如 1998 年夏季，短時間內集中降雨導致的百年一遇的特大洪水對流域內人民群眾生命財產安全造成重大損失［25］；2011年洞庭湖區遭遇50a一遇連續性季節干旱，造成直接經濟損失近百億［26］。對洞庭湖流域現有的氣候變化研究［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。在此基礎上，探討洞庭湖流域降水與東亞季風區水汽通量散度及可降水量場之間的相關關系，并選取典型夏澇年、夏旱年就大氣環流形勢和水汽輸送差異進行比較分析，取得了一些新的結果，這些結果可能有助于洞庭湖流域夏季降水異常成因的認知。

1 研究數據

本文采用的數據包括：（1）洞庭湖流域96個氣象站點的逐月降水數據，時間序列為1961-2015年。根據流域的氣候特點，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）上的緯向風分量u、經向風分量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準及各學者的相關研究［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某一單位截面積的水汽質量，水汽通量散度是指單位時間內在某區域輻合或輻散的水汽含量，散度為正表示該地水汽輻散，散度為負則表示水汽輻合。緯向水汽通量Qu和經向水汽通量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分別表示經度和緯度。

2.3 功率譜分析［33］

功率譜是功率譜密度函數的簡稱，它定義為單位頻帶內的信號功率。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系。功率譜表達式如下

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準差的空間分布

通過對流域各站點55a的逐年夏季降水量的統計，得到洞庭湖流域夏季平均降水量和夏季降水標準差的空間分布（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在西北部山區地帶與西南部丘陵地區。夏季平均降水量的最大值出現在五峰站，達到1245.3mm，這與該站高海拔的地形抬升作用有關；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，夏季較難難發生冷暖氣流交匯，因此降水量相對偏少。夏季平均降水量主要分布在540～640mm，站點數約占流域總站點數的46%。

從夏季降水量的離散程度來看，流域內各站點降水量標準差的空間分布大致從西北向東南方向遞減。全流域的平均標準差為238mm，流域西北部來鳳站降水的標準差最大，達353mm；流域中部部的武岡站的標準差最小為119.7mm。整體上看，夏季降水標準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，標準差值偏大，發生旱澇災害可能性較大，而降水偏少的地方，標準差值偏小，發生旱澇災害可能性較小。

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，通過對流域內各站點每10a降水距平百分率的統計，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計（站數（占總站數的百分率））

由圖2和表2可知，按年代劃分，流域夏季降水量呈現偏少與偏多相間出現的特征，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%。根據旱澇標準表1，55a中夏季降水共出現偏澇及大澇年份共5a，偏旱及大旱年份共6a。從年代際變化來看，自20世紀80年代后，洞庭湖流域夏季降水波動增大，結合圖4的功率譜分析結果表明，洞庭湖流域夏季降水存在一個準20a周期的變化與一個準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流

為了分析典型夏旱澇年和夏旱年大氣環流背景， 根據旱澇標準選擇 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，歐亞地區和低緯度熱帶海洋地區為顯著的正距平控制，氣壓高度偏高，而在旱年，歐亞地區和低緯度熱帶海洋地區被顯著的負距平控制，氣壓高度偏低，反應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與面積指數

經統計，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、強度指數在顯著相關（圖6），相關性分別達到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

降水的產生需水汽條件和水汽發生凝結的動力條件。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），流域內具有明顯的水汽輻合（輻散）異常，水汽通量散度距平可達-（＋）2×10-5kg·（m2·s）-1以上，當水汽輻合時，水汽來源于西北太平洋副熱帶高壓西側東南偏南氣流，與孟加拉灣到南海地區上空西南氣流的匯合。

4 結論

利用逐月降水數據和NCEP/NCAR再分析數據，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流形勢和水汽輸送特征，得到以下主要結論：

（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，夏季降水標準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3a和準20a周期。20世紀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，進入21世紀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上空大氣環流形勢的關系密切。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，流域內出現顯著的水汽輻合（輻散）。

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