1961—2020年長江下游地區夏季降水趨勢分析

摘要 近幾十年來長江下游地區夏季（6—8月）降水量呈現出顯著上升的變化趨勢，利用1961—2020年夏季臺站降水資料，通過降水項分解法，定量分析了該降水趨勢的可能影響因素。結果表明：1）長江下游地區夏季降水的上升趨勢主要是由日降水量顯著增加造成，而日降水量顯著增加主要與整層水汽垂直梯度增大和垂直上升速度增強所導致的降水增加有關;2）長江下游地區對流層低層大氣溫度因地面升溫的加熱作用而顯著上升，高層大氣溫度受亞太振蕩相位正轉負的影響而下降，使得高、低層大氣的溫差變大，低層大氣比濕升高、高層大氣比濕降低，導致整層水汽垂直梯度增加，為局地降水的增強提供了充沛的水汽條件;低層大氣異常輻合加之顯著增長的不穩定能量為垂直上升運動的增強和對流性降水的增加提供了有利的動力和熱力條件，從而造成了長江下游地區夏季降水的顯著上升趨勢。

關鍵詞長江下游地區;夏季降水;降水項分解;比濕垂直梯度;垂直上升速度

長江下游地區經濟發達，同時也是我國夏季洪澇災害頻發區域，研究長江下游地區夏季降水的變化趨勢具有重要意義。6—7月隨著東亞夏季風的北進，長江下游地區進入梅雨期（Qian and Lee，2000），來自西太平洋、南海和孟加拉灣的水汽供應加強，為夏季降雨提供了非常有利的水汽條件（丁一匯等，2007）。

長江下游地區夏季降水存在多尺度變化（Ding et al.，2020）。東亞夏季風強度和向北推進程度的年際變化影響著長江下游地區降水的強弱，夏季風偏弱時，長江下游地區夏季降水偏多（Li et al.，2018;肖志祥和譚江紅，2018;Sun et al.，2021;雷顯輝等，2022;高佳琦等，2023;孫博等，2023）。此外，許多研究證實，長江下游地區夏季降水也存在明顯的年代際變化和季節內振蕩（白寒冰和曾剛，2018;丁一匯等，2018;黃楨等，2020;李剛等，2020）。

在全球變暖背景下，長江下游地區夏季降水變化的長期趨勢仍存在爭議。研究表明，20世紀90年代末，我國東部夏季雨帶向北移動，導致長江下游地區夏季降水減少，且亞熱帶大氣的擴張是雨帶向北移動的主要原因（司東等，2009）。梁萍和何金海（2018）采用集成經驗模態分解法（Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD）對1951—2015年以來梅雨長期趨勢進行分析，發現其在20世紀70年代末由增加轉變為減少，EEMD雖然能有效抑制模態混疊，但此時趨勢項的方差貢獻偏小。若采用線性趨勢來表征夏季降水量的長期變化，發現1960—2004年長江下游地區梅雨期降水存在顯著增加趨勢（杜銀等，2007）。丁一匯等（2007）以1885—2000年的梅雨記錄為例，也發現這一顯著的線性增加趨勢。Xue et al.（2023）通過CESM-SMILES模式對夏季降水變化進行了預估，指出全球變暖背景下長江下游地區夏季降水未來上升趨勢顯著;但孔海妹等（2020）利用典型濃度路徑（RCP8.5）高排放情景下的多模式平均預估的長江中下游地區未來夏季降水變化卻不明顯，預估結果存在很大的模式間不確定性。

長江下游地區夏季降水的變化趨勢與降水強度密切相關。梁萍和何金海（2008）通過分析1885—2000年長江下游地區夏季降水強度的變化，發現強降水日數（日降水量≥25 mm／d）增加;丁一匯等（2007）發現20世紀下半葉長江下游地區發生強降水的概率（20％）是20世紀上半葉（10％）的兩倍，所以長江下游地區夏季降水的變化趨勢主要是由降雨強度增加造成（金煒昕等，2015）。Ma and Zhang（2015）通過數值模擬實驗發現，長三角地區的城市擴張會改變地面能量平衡，導致上空大氣出現異常上升運動，從而使得強降水增加;城市化效應對夏季降水有放大效應，中心城區的降水量均大于郊區，呈現出明顯的城市雨島特征（Liang and Ding，2017）;進一步研究發現，城市化加劇了暴雨量（日降水量≥50 mm／d）的上升，且城市化對降水趨勢的方差貢獻達到10.59％（胡慶芳等，2018;姚飛等，2023）。另外，夏季降水強度與登陸我國熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC）頻數也存在著顯著的正相關（卓嘎等，2000;劉希等，2023），TC能直接在長江下游地區造成局地短時強降水過程（叢春華等，2012）;Tang et al.（2021）利用環流聚類方法，發現登陸的TC對長江下游地區降水趨勢的方差貢獻為19％。雖然城市化效應和登陸TC的增多都能導致長江下游地區夏季降水增多，但兩者方差貢獻偏小，可見長江下游地區降水變化趨勢還受其他因素影響。

IPCC（2021）第六次評估報告指出，氣候變暖導致全球降水強度的增強。在全球變暖的背景下，一方面溫度升高有利于大氣保持水分能力的增強;另一方面，地表蒸發加劇，加速水分循環。溫度每升高1 ℃，大氣中水汽含量大約會增加7％（周天軍等，2018）。由于大氣中水分供應增加，全球變暖預計將推動未來降水強度進一步增強（Chen，2013;Kharin et al.，2013）。雖然氣溫升高使大氣中的水汽含量增加，全球范圍內降雨強度往往偏大（Zhai et al.，1999），但降水的局地變化卻存在明顯的區域差異（劉博等，2023;潘留杰等，2023;朱連華等，2023）。

綜上所述，目前對長江下游地區夏季降水趨勢的研究，缺少由水汽含量和地表蒸發等變量導致的降水變化的定量分析。本文利用降水項分解的辦法，定量計算長江下游地區垂直速度、水平平流、水汽含量和地表蒸發改變導致的降水變化，探究導致水汽變化和垂直速度異常變化的主要原因，這對于認識長江下游地區夏季降水變化規律及防災減災都具有十分重要的意義。

1 資料和方法

1.1 資料

所用資料包括：1）1961—2020年中國東部夏季（6—8月）臺站逐日降水資料;2）歐洲中期天氣預報中心（ERA5）的逐小時再分析資料，空間分辨率0.25°×0.25°，包括風場、位勢高度場、比濕、溫度、相對濕度、蒸發和降水等要素，以1961—2020年氣象要素的平均作為氣候態，變化和異常為相對于氣候態的距平;3）使用中國氣象局提供的熱帶氣旋（Tropical Cyclone，TC）資料分析TC路徑變化，定義經過長江下游地區周圍5個經緯度以內的TC為影響長江下游地區的TC，受TC影響時間段內的降水作為TC降水。

1.2 雨日數的計算

依據國家氣象局發布的《梅雨監測指標》（GB／T 33671—2017）中區域雨日的定義標準，以監測區域中有1／3以上站點出現大于或等于0.1 mm的降水，且區域內日平均降水量大于或等于2.0 mm為一個雨日，據此計算長江下游地區夏季降水雨日數。

1.3 亞太振蕩指數

亞太振蕩（Asian-Pacific Oscillation，APO）指數是北半球夏季亞洲-北太平洋（30°E～120°W，0°～60°N）范圍內200 hPa溫度場經驗正交函數分解得到的第一特征向量場對應的時間序列。APO呈現出東亞和東北太平洋高空大氣溫度異常反位相振蕩的特征（Zhou et al.，2008），能一定程度反映東亞高空大氣溫度的整體變化。APO指數顯著下降（上升）時東亞高空大氣溫度顯著降低（升高），本文使用該指數來分析東亞區域高空大氣溫度的變化。

1.4 降水項分解法

采用降水項分解法分析日降水強度（Chou et al.，2009;孔海妹等，2020）：

1.5 K指數

K指數是反映中低層大氣層結穩定狀況和飽和程度的綜合指標（劉曉燕等，2018;王毅等，2020;董春卿等，2021），計算公式如下：

K=（T850-T500）+Td850-（T700-Td700）。 （2）

其中：T為氣溫;Td為露點溫度;850、700和500分別代表850 hPa、700 hPa和500 hPa等壓面。單位均為℃。K指數通常用來表征顯著增長的不穩定能量，一般K指數越大，對流性越強，大氣層結越不穩定。

2 長江下游地區夏季降水趨勢

1961—2020年長江下游地區（圖1a中黑色方框：116°～123°E，28°～33°N）夏季降水存在顯著增加的趨勢（圖1a）。在1961—2020年期間長江下游地區夏季平均降水量為548.7 mm，平均年降水增量達到3.54 mm／a，增長幅度達到38.1％，線性趨勢的方差貢獻占夏季降水總方差貢獻的20.7％（圖1b），長江下游地區夏季降水量存在顯著上升趨勢（P<0.05）。

為了分析長江下游地區1961—2020年夏季降水量顯著上升的原因，計算了長江下游地區夏季降水雨日數和日降水量。如圖2所示，夏季雨日數平均約52 d，每年增加0.13 d，趨勢不顯著（P>0.1）;而日降水量平均約10.5 mm／d，日降水量增加趨勢達到0.04 mm／d，有顯著上升趨勢（P<0.05），表明長江下游地區夏季降水增加與其日降水強度增強密切相關。

3 降水項分解

通過降水項分解法，把日降水變化量分解為垂直速度項、水平平流項、水汽項和蒸發項導致的降水變化。根據公式（1）計算得到上述四項導致的降水增加趨勢分別為0.019、-0.007、0.039和0.004 mm／d（圖3），殘差項導致降水減少趨勢為0.015 mm／d。其中，水汽項導致的降水變化上升趨勢最顯著（P<0.01）（圖3c），垂直速度項導致的降水變化也存在上升趨勢（P<0.05）（圖3a），這兩項對實際降水變化趨勢的貢獻比為67.2％∶32.8％，因此，日降水量顯著增加主要與整層水汽垂直梯度增大和垂直上升速度增強所導致的降水增加有關。

4 水汽變化

4.1 水汽垂直梯度的增加

從長江下游地區上空對流層大氣各高度層的比濕分布來看，高度越高，氣候態的比濕越小（圖4）。低層比濕近60年來有顯著上升趨勢（P<0.05）（圖4a、b），而中高層比濕則存在顯著下降趨勢（P<0.05）（圖4c、d）。所以，高低層的水汽差距越來越大，上層變干下層變濕的特征明顯。

1961年以來，長江下游地區上空大氣比濕的時間-高度剖面圖也顯示低層大氣比濕顯著上升，而中高層大氣比濕顯著下降（圖5a）。

圖5b中比濕異常垂直梯度的整層積分存在著顯著上升趨勢（P<0.05）。因此，整層比濕異常垂直梯度的增加可能是水汽改變導致的降水增加的重要原因。

4.2 溫度垂直梯度對水汽垂直梯度的影響

根據Clapeyron-Clausius方程，大氣的比濕和氣溫為正相關關系，氣溫每升高1 K，大氣中水汽含量大約會增加7％（周天軍等，2018），全球降水增加1％～3％（姚世博等，2018）。1961年以來，長江下游地區上空對流層低層850 hPa氣溫存在顯著上升趨勢（P<0.05）（圖6a），而其高層300 hPa氣溫則有下降趨勢（圖6b），與之對應，長江下游地區上空對流層低層850 hPa比濕顯著上升，高層300 hPa比濕則顯著下降。

由于大氣中溫室氣體含量的迅速增加（Li et al.，2021），地表溫度顯著上升，850 hPa大氣溫度因地面升溫的加熱作用而顯著上升，兩者的相關系數達到0.93（P<0.01）。長江下游地區上空低層大氣溫度顯著升高（圖6a），導致其低層比濕顯著上升（圖6c）。在對流層高層，APO表現為東亞-北太平洋溫度異常反位向分布（Zhou et al.，2008），其在20世紀90年代初由正相位轉為負相位，且存在顯著的下降趨勢（P<0.05），表明近年來高層大氣存在降溫趨勢，這可能與東亞上空的臭氧減少導致其對流層上部逐漸冷卻有關（Duan，2007）。長江下游地區上空高層大氣溫度顯著降低（圖6b），導致其高層比濕顯著下降（圖6d）。因此，高、低層大氣的溫差變大，造成了整層水汽垂直梯度的增加。

5 垂直速度變化

5.1 整層垂直上升速度異常的增加

1961年以來，長江下游地區低空大氣由下沉逐漸轉為上升運動，上升層大氣的深度越來越深厚，垂直上升速度也越來越大（圖7a）。整層大氣的垂直速度存在顯著的下降趨勢（P<0.01），表明近年來整層大氣垂直上升運動顯著加強（圖7b），上升運動增強會導致降水強度的增加。

5.2 中小尺度系統對垂直上升運動的影響

從1961—2020年東亞上空環流場線性趨勢分布來看，在200 hPa等壓面上，長江以南和蒙古上空存在位勢高度異常偶極子分布，其中長江中下游上空存在顯著位勢高度負異常，正渦度顯著，有利于大尺度環流氣旋式輻合下沉（圖8a）。在850 hPa等壓面上，我國東部位勢高度呈現出整體正異常，存在反氣旋式環流，有利于下沉氣流輻散（圖8b），這樣的高低空配置說明大尺度環流不利于上升運動的加強。

中小尺度系統中大氣運動以輻合輻散運動和浮力效應為主（高守亭和周玉淑，2019;高守亭等，2023），本文通過計算散度積分和K指數來反映輻合輻散運動和浮力積累的不穩定能量。結果顯示，長江下游地區對流層低層散度平均值為正值，但其存在顯著下降的趨勢（P<0.01）（圖9a），而高層散度積分趨勢變化卻不明顯（P>0.1）（圖9b），這有利于整層大氣垂直上升運動的加強。同時，圖9c表明長江下游地區上空大氣的K指數存在顯著上升趨勢（P<0.05），這說明大氣層結越來越不穩定，有利于對流的發生，為垂直上升速度的增強提供了有利的熱力條件（俞海洋等，2018）。

短時強降水一般由對流降水形成，且為典型的中小尺度系統驅動，參考尹承美等（2010）的研究，定義小時降水量大于等于15 mm為短時強降水，且長江下游區域內只要有一個格點降水量滿足該條件即認為有一次短時強降水事件發生，一個格點多次出現短時強降水時頻次累加。結果表明，1961—2020年以來長江下游區域內短時強降水頻次增多，區域平均的短時強降水增量達到0.23 mm／a（圖10a），增長趨勢顯著（P<0.1）。另外，登陸我國的熱帶氣旋能直接在長江下游地區造成局地強對流天氣（叢春華等，2012），定義經過長江下游地區周圍5個經緯度以內區域的TC為影響長江下游地區的TC，受TC影響時間段內的降水作為TC降水，統計發現1961—2020年平均TC降水量趨勢不顯著（P>0.1）（圖10b）。綜上，短時強降水的變化可能是導致對流性降水增加的主要原因。

6 結論

利用1961—2020年長江下游地區（116°～123°E，28°～33°N）夏季（6—8月）臺站降水資料，分析了長江下游地區夏季降水變化的長期趨勢及其原因，主要結論如下。

1） 長江下游地區夏季降水量存在顯著上升趨勢，在1961—2020年期間平均年降水增量達到3.54 mm／a，增長幅度達到38.1％，線性趨勢的方差貢獻占夏季降水總方差貢獻的20.7％。其中，日降水量增加趨勢達到0.04 mm／d，日降水強度增強是長江下游地區夏季降水顯著增加的重要原因。

2） 通過降水項分解法，把日降水量變化分解為垂直速度改變、水平平流改變、水汽改變和蒸發改變導致的降水變化。其中，水汽改變和垂直速度改變導致的降水變化存在顯著上升趨勢，這兩項導致的降水增量分別達到0.039和0.019 mm／d，這與整層水汽垂直梯度增大和垂直上升速度增強導致的降水增加有關。

3）長江下游地區夏季降水顯著增加的影響機制如圖11所示。全球變暖背景下，長江下游地區上空對流層低層大氣溫度因地面持續升溫的加熱作用而顯著上升，使得低層大氣比濕顯著升高;亞太振蕩由正相位轉為負相位，使得對流層高層大氣存在降溫趨勢，高層大氣比濕也對應降低，進而導致整層水汽垂直梯度增加，有利于長江下游地區降水量顯著增加。長江下游地區高空正渦度異常、低空負渦度異常的高低空配置說明了大尺度環流不利于上升運動的加強，而可能是中小尺度系統的異常變化造成了長江下游地區對流層低層異常輻合，加上顯著增長的不穩定能量，使得垂直上升運動顯著增強，對流性短時強降水增加。

已有研究缺少對影響長江下游地區夏季降水趨勢的動力和熱力因子的定量分析，而本文量化了水汽改變和垂直速度改變對長江下游地區夏季降水變化趨勢的貢獻，為研究全球變暖背景下的降水變化提供了一定的理論依據。已有結果表明，城市化會改變地面能量平衡，導致低層大氣出現異常上升運動，使得強降水增加（姚飛等，2023），但城市化對水汽項和垂直速度項等因子的影響還需進一步研究。另外，用ERA5資料進行短時強降水識別時，與實際站點觀測資料識別的短時強降水偏差較大，且降水越強偏差越大（劉婷婷等，2022），因此實際短時強降水的趨勢可能比本文基于ERA5資料計算的短時強降水趨勢更加顯著。

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Analysis of summer precipitation trends in the lower reaches of the Yangtze River from 1961 to 2020

Abstract The lower reaches of the Yangtze River （28°—33°N，116°—123°E） are economically developed and prone to frequent summer （June-August） flooding disasters.Studying the variability of summer precipitation in this region is of great significance.In recent decades，summer precipitation in this area has increased significantly.This study quantitatively analyzes the factors influencing this trend using precipitation term decomposition，based on observed summer precipitation from 1961 to 2020，TC best track datasets，and hourly mean reanalysis data from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts Reanalysis Version 5 （ERA5）.The results show that：（1） From 1961 to 2020，the average annual precipitation increase reaches 3.54 mm／year （passing the 95％ significance test），with a growth rate of 38.1％.The variance contribution of the linear trend accounts for 20.7％ of the total variance of summer precipitation.The increasing trend of daily precipitation reached 0.04 mm／day （passing the 95％ significance test），which is the primary for the significant increase in summer precipitation in this region.（2） Precipitation term decomposition reveals that the variability of summer precipitation is influenced by vertical velocity，horizontal motion，water vapor，and evaporation.Among these，significant upward trends in water vapor and vertical velocity contribute to the increase in daily precipitation by 0.039 mm／day （passing the 99％ significance test） and 0.019 mm／day （passing the 95％ significance test），respectively.This is primarily related to the increased vertical gradient of water vapor and the enhancement of vertical rise velocity.（3） The temperature of the lower atmosphere has risen due to the ground warming，while the upper atmosphere has cooled due to the phase change of the Asia-Pacific Oscillation （from a positive phase to a negative phase）.The ability of the atmosphere to retain moisture is directly proportional to temperature.The intensified temperature difference between the upper and lower levels of the atmosphere increases the vertical gradient of water vapor，providing abundant moisture for increased precipitation.Additionally，abnormal positive vorticity in the upper atmosphere （200 hPa） and abnormal negative vorticity in the lower atmosphere （850 hPa） indicate that large-scale circulation does not favor the strengthening of upward motion.However，the anomalous convergence in the lower atmosphere，combined with increased instability energy due to mesoscale system variations，offers favorable dynamic and thermodynamic conditions for enhanced vertical rise velocity and increased convective precipitation in the summer.Previous studies have lacked quantitative analysis of the dynamic and thermodynamic factors affecting summer precipitation trends in the lower reaches of the Yangtze River.This paper quantifies the contributions of water vapor and vertical velocity variability to the summer precipitation trend，providing a theoretical basis for understanding precipitation changes in the context of global warming.

Keywords lower reaches of the Yangtze River;summer precipitation;precipitation-term decomposition;specific humidity vertical gradient;vertical velocity