拉尼娜事件對長江中下游旱澇的影響

榮艷淑，石丹丹，呂星玥，吳福婷

(河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210098)

海氣相互作用是全球氣候異常的主要影響因子[1-3]，可導致全球多地極端天氣氣候和極端水文事件發生[4]，特別是El Nio-Southern Oscillation(ENSO)現象，已成為各地氣候異常的強信號。2015—2016年赤道東太平洋超強ENSO事件，引發華南前汛期降水和長江中下游梅雨期降水顯著增多，云南和世界多地高溫干旱[5-6]。2000—2011年赤道東太平洋較強的拉尼娜事件，造成美國48個州、歐洲中南部、非洲東部、中國華北、黃淮地區、長江中下游出現嚴重干旱[7-8]。

ENSO事件持續期長達半年到數年，其發展期、成熟期和衰退期對各地氣候有不同的影響。在ENSO成熟期，我國北部和云南降水顯著減少，長江流域、內蒙古降水增多，在ENSO衰退期，云南夏季降水分布呈東多西少[9-10]；并且ENSO發生的次年，我國絕大部分地區都出現降水顯著偏多的現象[11-12]。在拉尼娜的成熟期，我國長江流域降水減少；拉尼娜衰退期，云南和陜西夏季降水顯著偏少[13]。拉尼娜發生年的秋冬季，江南和華南等地區降水顯著增多，并且事件結束后的8個月，對旱澇氣候產生影響依然存在[14-15]。長江中下游位于亞熱帶地區，屬季風氣候，是受海氣相互作用影響非常顯著的地區，同時有著極高的生態經濟地位，有關ENSO事件對長江流域的影響也一直是研究的熱點。眾多研究表明，ENSO事件對長江流域的影響非常強烈[16-19]。但在長江上、中、下流域存在時間和空間上的差異[20]，長江中下游受ENSO事件的影響明顯強于長江上游，不同等級的ENSO事件帶來的氣候影響也明顯不同[21-22]。

ENSO事件通常發展迅速，給各地氣候帶來很大的影響，以往的研究也更多地關注ENSO事件，卻少有針對拉尼娜事件的研究。有關長江中下游旱澇急轉事件的研究發現，夏季旱澇急轉事件發生頻率空間分布不均，并且在發生時間上與拉尼娜事件有一定的關系，近一半的旱澇急轉事件都發生在拉尼娜現象衰亡期或事件結束后8個月內[15]。本文針對拉尼娜現象，討論不同等級的事件對長江中下游地區旱澇頻率和強度的影響，以期為長江中下游旱澇形勢預測預報和防汛抗旱工作提供科學依據。

1 資料來源和研究方法

1.1 資料來源

使用的數據包括氣象站點的觀測數據、MEI(multivariate ENSO index)指數和NCAR/NCEP的再分析數據。數據起止時間為1961—2014年。氣象站點數據是長江中下游流域70個氣象站點(圖1)的逐月氣溫及降水資料，該數據由中國氣象局氣象信息中心提供，對部分站點缺測的年月數據進行插補處理，以保證數據的連續性。

圖1 長江中下游流域位置分區及70個氣象站點分布

MEI指數是基于海平面氣壓、緯向風分量、經向風分量、海平面溫度、海表氣溫以及云量而構建的綜合性ENSO指標[23-24]。MEI指數有兩種數據類型：一是原值，二是標準化數值。本文采用的是標準化數值，以0.5為臨界值，判定連續5個月MEI指數IME≤-0.5為1次拉尼娜事件，共提取出12次拉尼娜事件(表1)。有些拉尼娜事件雖然峰值強度不是很高，但持續時間很長，同樣會產生很大影響，采用峰值強度作為事件強度不能很好地反映此類事件的影響。所以本研究對每個事件選取了3個特征值：極端值、平均值和持續月數，構建綜合值以判斷事件強度。12次事件的平均長度為14個月，權重設為0.1時，持續月數的值與平均值和極端值的大小相當，較為合理。由于極端值僅是個別月份達到的指標，平均強度和持續月數是整個過程的指標，因此，取平均強度的權重為0.6，極端值的權重為0.3，將特征參數按權重累加求和，得到綜合MEI值(IMEz)。綜合MEI值的等級劃分見表2。根據表2劃分1961—2014年出現的12次拉尼娜事件強度，這種劃分方法充分考慮了長歷時事件的影響，與其他學者的等級劃分結果在長歷時事件上有所差異，但整體相近[25-26]。

表1 1961—2014拉尼娜事件

NCAR/NCEP的再分析數據包括降水、氣溫、風矢量、比濕、垂直速度等多層要素，其中降水數據的水平分辨率為1°×1°，其余數據水平分辨率為2.5°×2.5°。

標準化降水蒸散指數(standardized precipitation evapotranspiration index，SPEI)是Vicente-Serrano等[27]提出的干旱評價指標。SPEI指數值(ISPE)需要輸入月平均氣溫、月降水量，通過計算月降水與潛在蒸散量的差值并進行正態標準化處理得到，其旱澇等級劃分見表2。

表2 綜合MEI值和SPEI等級劃分

1.2 研究方法

選取旋轉經驗正交函數(rotated empirical orthogonal function，REOF)和合成分析方法作為研究方法。經驗正交函數(empirical orthogonal function，EOF)是目前應用非常廣泛的一種氣象要素場分析方法，其基本原理是對包含多個空間點的場隨時間變化進行分解，得到的前幾個特征向量可以最大限度地表征原變量場整個區域的變率結構，但不能清晰表現局域相關特征。REOF是在傳統EOF的基礎上再做旋轉，克服了傳統EOF方法的局限性。旋轉后的典型空間分布結構清晰，可以較好地表現局域變化和相關分布狀況，因此很多學者采用這種方法進行區域劃分[28-31]。根據研究時段內長江中下游70個站點的SPEI值，采用最大方差正交旋轉法進行REOF分析，在此基礎上，對長江中下游進行分區，劃分出旱澇響應較為一致的區域，從而進一步研究不同分區對拉尼娜事件的響應特征。合成分析法可以突出研究對象的綜合特性。將拉尼娜事件發生年記為Year-0，事件發生的次年和第二年分別記為Year-1和Year-2。對長江中下游各分區在不同等級拉尼娜事件下Year-0、Year-1和Year-2的SPEI指標進行合成，可以突出事件中旱澇轉變的特性，以分析不同區域旱澇響應的時空變化特征。

2 結果與討論

2.1 長江中下游分區

對長江中下游70個站點的SPEI值做REOF展開。前4個模態(REOF1、REOF2、REOF3、REOF4)的方差貢獻率分別為22%、17%、14%、12%，其累積方差貢獻率分別為22%、39%、53%、65%。圖2為4個主要模態荷載的空間分布。前4個模態的方差貢獻率均在10%以上，其累積方差貢獻率達到了65%，4個模態的高載荷區基本布滿全區。故根據4個荷載場的空間分布特征，將長江中下游分為4個區域，并根據地理位置對遺漏和重復的站點進行處理，劃分到合理區域。長江中下游氣象站點的劃分結果見表3，各區的邊界見圖1。

2.2 拉尼娜事件對長江中下游旱澇的影響

為了細化長江中下游不同分區對拉尼娜事件的響應差異，按照表2中拉尼娜事件的強弱等級分別進行分析。由于拉尼娜事件結束之后仍能對氣候產生影響，因此，在分析拉尼娜事件影響時，取事件開始月到事件結束月，再加上結束之后的8個月，視之為拉尼娜影響時段。

2.2.1強拉尼娜事件的影響

1961—2014年一共出現了4次強拉尼娜事件。按照拉尼娜影響時段，將長江中下游4個分區的SPEI值提取出來，繪制綜合MEI值與SPEI值的散點圖(圖3)。按拉尼娜事件持續期和事件結束后兩個時段進行統計，可以得到旱月、澇月和正常月的數量見表4。

結合圖3和表4可以發現，在強拉尼娜事件影響的兩個時段，4個分區的洪澇和干旱月份分布存在著規律。如果只比較旱澇的月數，可以發現，在強拉尼娜事件持續期中，洪澇出現的月份更多，而事件結束后，干旱出現的月份更多。以二區為例，事件持續期，出現55個洪澇月份，10個干旱月份，而正常月份僅為20個。在事件結束后，沒有出現洪澇，出現15個干旱月份，13個正常月份。這種現象表明了強拉尼娜事件對長江中下游影響在時間尺度上有一個明顯的由澇轉旱的過程。同時，也可發現4個分區的SPEI值對強拉尼娜事件響應的程度存在差異：在一區，雖然干旱事件在數量上不占優勢，但干旱等級較高，出現了2個極旱和2個重旱月份，反觀洪澇等級均為輕澇；在二、三、四區，洪澇月份在次數和等級均強于多于干旱月份。這表明，長江中下游地區旱澇對拉尼娜事件響應存在明顯的區域特征。為進一步分析長江中下游各區旱澇對拉尼娜事件時間尺度響應上的特征變化，對同等級的拉尼娜事件Year-0、Year-1和Year-2的SPEI值進行合成分析。圖4為4次強拉尼娜事件中長江中下游各區SPEI值和綜合MEI值均值隨時間的變化情況，橫坐標為事件發生Year-0、Year-1、Year-2的月份。強拉尼娜事件持續期較長，平均持續21個月。由圖4可見，在強拉尼娜事件的Year-0，長江中下游地區偏澇，其中二區和三區程度最重；在強拉尼娜的Year-1(也可稱為拉尼娜減弱期)夏季，二區正常，其他區域出現輕旱；在強拉尼娜事件的Year-2，三區和四區出現輕澇，一區和二區正常。

圖2 REOF前4個主要模態荷載的空間分布

表3 長江中下游各分區包含的氣象站點

表4 強拉尼娜事件4個區域旱澇月份統計

圖3 強拉尼娜事件影響時段綜合MEI值與4個區域SPEI值

圖4 強拉尼娜事件4個區域SPEI值和綜合MEI值均值隨時間變化

在強拉尼娜事件的Year-0和Year-1，4個分區有相似的旱澇特征，而到強拉尼娜事件的Year-2，4個分區有不一致的變化特征，但是旱澇程度均很小。將圖4與圖3相比較可以發現，盡管合成后削弱了旱或澇的程度，沒有出現嚴重的旱澇月份，但是，長江中下游地區在強拉尼娜事件發生時易發洪澇，結束后易發干旱的現象仍然顯現出來，這是非常值得重視的現象。

2.2.2中等拉尼娜事件的影響

1961—2014年共有5次中等拉尼娜事件，平均持續時間是13個月左右。圖5為中等拉尼娜事件長江中下游4個分區SPEI值與綜合MEI值的散點圖，表5為中等拉尼娜事件旱澇月數的統計，圖6為5次中等拉尼娜事件中長江中下游各區SPEI值和綜合MEI值均值隨時間的變化情況，橫坐標為事件發生Year-0、Year-1的月份。長江中下游4個區的SPEI值對中等拉尼娜的響應特征既存在空間上的差異，也存在時間上的差異。無論是事件持續期還是結束后，一區的洪澇月數和強度都強于干旱，二、三、四區則是干旱的月數和強度都強于洪澇。雖然二、三、四區的旱澇分布特征相近，但在強度上存在差別，三、四區的旱澇等級都高于二區，出現多個重度旱澇月份。在中等拉尼娜事件中，還有一個現象值得關注、在事件結束后，二、三、四區干旱月份出現的頻率很高，三區甚至達到55.6%，并且出現多個重旱極旱月份。

由圖6可見，長江中下游在中等強度拉尼娜事件發生期間，SPEI指數在正常范圍內波動，在事件結束后表現出不同的旱澇趨勢。一區在拉尼娜事件結束后有偏澇的趨勢；二、三、四區有偏旱趨勢，個別月份干旱等級達到輕旱。圖6表現出的特征與圖5吻合，在中等強度拉尼娜事件結束后，一區更容易出現洪澇，其他地區更容易出現干旱，這是一個值得警惕的現象。雖然中等拉尼娜事件對長江中下游旱澇的影響不及強事件，但也有著自己的特點。

表5 中等拉尼娜事件4個區域旱澇月份統計

圖5 中等拉尼娜事件影響時段的綜合MEI指數與4個區域SPEI指數

圖6 5次中等強度拉尼娜事件4個區域SPEI值和綜合MEI值均值隨時間變化

2.2.3弱拉尼娜事件的影響

1961—2014年共有3次弱拉尼娜事件。圖7為弱拉尼娜事件長江中下游4個分區SPEI值與綜合MEI值的散點圖，表6為弱拉尼娜事件旱澇月數的統計，圖8為3次弱拉尼娜事件中長江中下游各區SPEI值和綜合MEI值均值隨時間的變化情況，橫坐標為事件發Year-0、Year-1的月份。無論是弱拉尼娜事件持續期還是結束后，對長江中下游的影響都比較小，表現為，除了三區，其他區域正常的月份比例都達到50%以上。但是，各區域偏旱或偏澇的趨勢更一致了。在圖7中，一區和四區的分布特征比較相似，二區和三區的分布特征比較相似。一區和四區在弱拉尼娜事件持續期和結束后均易發生輕度洪澇，而二區和三區易發生輕到中度干旱，特別是在弱拉尼娜持續期，干旱程度較重，有數月達到了重度干旱程度。

圖7 弱拉尼娜事件影響時段的綜合MEI值與4個區域SPEI值

表6 弱拉尼娜事件4個區域旱澇月份統計

由圖8可見，弱拉尼娜持續時間更短，平均在6個月左右。可以看出，在弱拉尼娜事件發展期間，二區和三區有明顯的出現；而事件減弱期和結束后，一區和四區有輕微的洪澇。可見，弱拉尼娜事件更容易引起長江中下游南部(二和三區)出現干旱，引起北部(一區和四區)出現洪澇。

圖8 3次弱拉尼娜事件4個區域SPEI值和綜合MEI值均值隨時間變化

2.3 研究區對拉尼娜事件的響應

長江中下游4個分區對不同等級拉尼娜事件的響應各有特點，并沒有表現出完全一致的變化。為了剖析長江中下游對拉尼娜響應差異的原因，選取典型強(1998年9月至2000年4月)、中等(1964年4月至1965年1月)和弱(1984年12月至1985年5月)拉尼娜事件為例，研究長江中下游區域對不同等級拉尼娜事件旱澇響應差異的原因。這3次事件中，4個區域的旱澇分布特征和前文所述相近，是出現極端旱澇月份的事件，具有代表性。分析將從降水、水汽條件和垂直運動3個角度出發。長江中下游一區和四區緯度接近，經度不同，而二區和三區，經度范圍大致相同，緯度差異較大。因此，對于一區和四區用經度-時間剖面圖(對30°N～35°N取平均)分析降水、水汽條件和垂直運動的差異，對于二區和三區用緯度-時間剖面圖(對107.5°E～117.5°E取平均)進行分析。距平是對1981—2010年基準期進行的，用a、b、c、d 4個紅色方框分別表示一區、四區、三區和二區的大致位置。

2.3.1研究區對強拉尼娜事件的響應

圖9為1998年9月至2000年12月強拉尼娜事件中降水距平、水汽通量距平和垂直速度距平的剖面圖。因為水汽主要集中在對流層中低層，忽略300 hPa以上大氣中的水汽，整層大氣水汽輸送通量由地面積分到300 hPa高度得到，垂直運動則以850 hPa垂直速度為代表。

該拉尼娜事件開始于1998年9月，止于2000年4月，事件持續期間出現兩個峰值，第一和第二個峰值分別出現在1999年2月和2000年2月，2個峰值綜合MEI值比較接近，第二個峰值稍稍大于第一個。由圖9(a)(b)可見，在強拉尼娜事件持續期(2000年4月之前)，一區(a框)降水異常，多為負距平，正距平月數較少。降水減少最強烈的時間出現強拉尼娜事件第一個峰值之后(1999年8—9月)，降水負距平達到了-100～-80 mm，對應的旱澇等級是極旱等級。在強拉尼娜事件結束后，一區則以降水正距平為主，表明降水增多。這與一區旱澇頻率較低，但事件持續期易發嚴重干旱，事件結束后易發輕度洪澇的現象吻合。其他區域在強拉尼娜事件持續期降水距平常的月份多于一區，尤其是1999年7月左右，降水正距平可高達100 mm，其中二區(d框)持續時間最長，四區(b框)持續時間最短。這與表4和圖3中3個區域所表現出的特征相同，四區洪澇頻率和強度是3個區域中最弱的，而二區是最強的。在事件結束后(2000年4月之后)，3個區域降水負距平明顯增強，其中二區(d框)降水減少最明顯，同時它也是3個區域中干旱頻率和等級最高的分區。降水是影響旱澇的主要因素，降水距平時間剖面圖中各區降水的變化特征和前文分析的旱澇變化特征基本吻合。

圖9 1998年9月至2000年12月降水距平、水汽通量距平和垂直速度距平的剖面

降水的多寡與水汽條件和垂直運動密切相關，水汽輸送強勁有利于降水。垂直速度負值為上升，正值為下降，負距平表明上升運動加強，下沉運動減弱，有利于降水，正距平則相反。由圖9(c)～(f)可以看出，一區(a框)在事件持續期整層水汽通量的正負距平分布大致與降水相同，在水汽通量正距平出現的時段，垂直運動基本為正距平，這意味著水汽量少的地方，垂直運動大多是下沉運動或上升運動很微弱，導致水汽不能被輸送到高空。這也說明水汽輸送和垂直運動的變化共同導致了降水的多寡。而強拉尼娜事件結束后，水汽輸送變化不明顯，而垂直速度距平顯示上升運動增強而下沉運動減弱，說明此時降水增多是由于受垂直運動增強的影響。在二、三、四區，事件持續期和結束后降水的距平演變與垂直速度距平演變更相近，這說明其他區域降水增多或減少主要受垂直運動的影響，即使水汽條件尚可，但是，無好的水汽輻合條件，仍無法形成有效降水。因此，長江中下游4個分區在強拉尼娜事件中旱澇特征不一致，是由于水汽輸送強度不同、氣流的輻合上升運動不同而導致降水變化和旱澇特征不同。

2.3.2研究區對中等拉尼娜事件的響應

圖10為1964年4月至1965年9月中等拉尼娜事件中降水距平、水汽通量距平和垂直速度距平的剖面圖。該事件開始于1964年4月，終止于1965年1月，持續時間為10個月，在1964年8月達到峰值。

由圖10(a)(b)可見，在此次中等拉尼娜事件開始期，一區(a框)降水出現負距平，在事件達到峰值前后，降水明顯偏多，最大降水正距平可達100 mm，在事件結束后，降水轉為正常，但是，在第二年的夏季開始降水減少很明顯。而二、三、四區降水負距平的月份很多，尤其是四區(b框)降水負距平的月數不僅多，而且數值很大，多個月份降水負距平達到-100 mm。降水的變化特征與圖5和圖6反映的旱澇響應特征類似。

由圖10(c)(d)可見，4個區域的水汽輸送強弱變化趨勢一致，在中等拉尼娜事件發展期水汽輸送明顯增強，事件衰弱期和結束后5個月內水汽輸送略有減弱，而事件結束后6～8個月，水汽輸送又略有增強。不同之處在于，一區的水汽輸送增多明顯多于其他區域。在中等事件中，雖然4個區域水汽通量增減的數值不同，但趨勢是大體一致的，所以各區降水的差異主要取決于垂直運動的差異。在事件發生時，一區水汽輸送增強，同時上升運動加強或下沉運動減弱(圖10(e)(f))，導致一區降水明顯增多。而事件結束后，水汽輸送減少時，上升運動加強，下沉運動減弱，降水未有明顯異常；水汽輸送增多時，上升運動減弱，下沉運動加強，降水有多有少。而其他區域在事件持續期和結束后，水汽輸送增多或減少時，垂直運動大多上升運動減弱，下沉運動加強，不利于降水，降水也就以偏少為主。可見，在中等拉尼娜事件中，長江中下游4個區域水汽通量的變化相近，主要是垂直運動的差異導致了長江中下游不同分區降水的多寡，進而造成旱澇分布特征出現差異。

圖10 1964年4月至1965年9月降水距平、水汽通量距平和垂直速度距平的剖面

2.3.3研究區對弱拉尼娜事件的響應

圖11為1984年12月至1986年1月弱拉尼娜事件中降水距平、水汽通量距平和垂直速度距平的剖面圖，該事件開始于1984年12月，止于1985年5月，事件持續了6個月，峰值出現在1985年3月。

由圖11(a)(b)可見，在弱拉尼娜事件持續期和結束后，一區(a框)和四區(b框)降水變化趨勢比較一致，只是一區的降水異常輕微一些，無論降水正距平還是負距平，幾乎都不超過±40 mm；四區降水正負距平的強度略大于一區。二區(d框)和三區(c框)降水變化趨勢比較相似，只是二區在弱拉尼娜事件初期和結束期，降水正距平的持續時間和數值略大于三區。

圖11 1984年12月至1985年5月降水距平、水汽通量距平和垂直速度距平的剖面

水汽輸送(圖11(c)(d))和垂直運動(圖11(e)(f))互相配合，共同作用導致降水的增多或減少。在降水增多的時段，水汽輸送增多，上升運動加強或下沉運動減弱，在降水減少時，正好相反。因此，在弱拉尼娜事件中，二、三區降水偏少導致其易發干旱，一、四區(特別是四區)在事件后期降水略偏多，出現洪澇。

3 結 論

a. 不同強度等級的拉尼娜事件持續期和結束后，4個區域旱澇發生的頻率和強度等級存在明顯差異，旱澇空間分布也存在差異。

b. 強拉尼娜事件下，在時間尺度上，長江中下游存在明顯的旱澇轉變趨勢，在事件持續期易發生洪澇，事件結束后易發生干旱，且洪澇發生的頻率大于干旱。在空間尺度上，4個分區的旱澇響應程度也存在差異。在一區，旱和澇的頻率均小于二、三、四區，洪澇程度多為輕澇，但是，干旱程度常常達到重旱和極旱，非常值得警惕。在二、三、四區，洪澇的頻率和等級都強于干旱，特別是二區和三區易發嚴重洪澇，出現多個重澇月份。

c. 中等拉尼娜事件下，在時間尺度上，長江中下游沒有明顯的旱澇轉變趨勢，但在空間尺度上，一區和二、三、四區表現出完全相反的特征。整個拉尼娜事件影響時段，一區洪澇發生的頻率和等級都明顯高于干旱，出現了多個重澇月份，尤其在事件結束后，極易發生中等以上級別的洪澇。而二、三、四區發生干旱的頻率和強度都大于洪澇，特別事件結束后，極易發生干旱，其中三區干旱等級最高，出現多個極旱和重旱月份。

d. 弱拉尼娜事件對長江中下游各區的影響要小很多，少有重旱重澇出現，但是，存在明顯的南北區域差異。北部兩個區(一區和四區)一致偏澇；南部兩個區(二區和三區)一致偏旱，而且南部區域干旱頻率更高，程度更重。

e. 對典型事件的分析表明，拉尼娜事件可通過影響水汽輸送強度和輻合上升運動，影響長江中下游的降水，進而影響旱澇。1998—2000年的強拉尼娜事件中，一區干旱程度偏強，與水汽通量偏少，導致降水減少有關；二、三、四區洪澇月數偏多，與上升運動增強，降水增多有關。1964—1965年中等拉尼娜事件中，一區洪澇月份偏多，與水汽輸送較多，上升運動強烈，導致降水偏多有關；二、三、四區在拉尼娜結束后干旱程度較重，與水汽輸送偏少、下沉運動增強，導致降水偏少有關。1984—1985年弱拉尼娜事件中，一區和四區易發洪澇，與水汽通量略偏大，上升運動較強，降水略偏多有關；二區和三區干旱偏強，與水汽通量偏小，下沉運動較強，而上升運動不足，降水偏少有關。