于文金，周鴻漸，占達(dá)穎，邵明陽，李北群，江志紅

(南京信息工程大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044)

在全球氣候變暖的背景下，極端氣候事件的發(fā)生頻率增加，極端天氣災(zāi)害的研究已經(jīng)成為國際研究的熱點(diǎn)問題［1－6］。由于我國降水時空分布不均，旱、澇成為我國最重要的氣象災(zāi)害，“旱澇并存、旱澇急轉(zhuǎn)”現(xiàn)象在長江中下游地區(qū)表現(xiàn)明顯，對長江流域的旱澇進(jìn)行研究具有非常重要的意義，對此我國科學(xué)工作者也做了大量的研究并取得了一定的成果［5－15］，現(xiàn)有的研究主要在旱澇的特征、類型、頻率的研究，而對長江流域旱澇急轉(zhuǎn)的內(nèi)在機(jī)理和震蕩規(guī)律研究較少，氣候變暖與區(qū)域極端天氣災(zāi)害之間的內(nèi)在關(guān)系尚不清晰。本文以我國長江流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，重點(diǎn)分析春季和夏季的降水特征，在前人研究基礎(chǔ)上分析我國長江流域春夏旱澇時空分布特征，探討區(qū)域極端氣候變化對氣候變化的響應(yīng)規(guī)律。

1 資料和方法

1.1 資料

選用國家氣候中心整理的1956－2007年我國754站中的長江流域148個測站全年逐日降水量為基本資料。對資料進(jìn)行距平化和標(biāo)準(zhǔn)化處理，在確定旱澇等級時，利用單站Z指數(shù)判別法劃分旱澇等級。

1.2 方法

1.2.1 旱澇指標(biāo)類別

(1)降水距平百分率，反映的是某時段降水量相對于同期平均狀態(tài)的偏離程度，不同地區(qū)不同時期有不同的平均降水量，因此它是一個具有時空對比性的相對指標(biāo)。降水距平百分率計算公式為:

式中:Mi為降水距平百分率;Ri為某時段降水量;R為同期降水量的多年平均值。

(2)Z指數(shù)

1.2.2 旱澇等級劃分方法

由于修正后的降水量Z指數(shù)旱澇等級劃分標(biāo)準(zhǔn)更符合實(shí)際情況，區(qū)域旱澇災(zāi)害的研究，常以單站Z指數(shù)值作為旱澇指標(biāo)。因此，我們先把各站降水量換算成標(biāo)準(zhǔn)化距平值，然后進(jìn)行Z變換，逐站逐年求出單站Z指數(shù)值，得到長江流域148個站春季(3－5月)和夏季(6－8月)的Z指數(shù)，從而確定相應(yīng)的旱澇等級。根據(jù)Z變量的正態(tài)分布曲線，劃分為7個等級并確定其相應(yīng)的Z界限值，作為各級旱澇指標(biāo)(表1)。根據(jù)旱澇指標(biāo)Z指數(shù)方法，繪出Z指數(shù)旱澇等級直方演變旱澇等級變化圖。

表1 Z指數(shù)旱澇等級

2 長江流域地區(qū)旱澇特征分析

2.1 長江流域降水量的年代變化

長江流域降水年內(nèi)分配很不均，一般年份，4月即進(jìn)入雨季，6月中旬至7月上旬長江中下游為梅雨季節(jié)，雨帶徘徊于干流兩岸，成東西向分布;7月中旬到8月，雨帶移至四川和漢江流域，成東北西南向分布，長江中下游和川東出現(xiàn)伏旱;9月，雨帶又南旋回至長江中下游，多雨區(qū)從川西移到川東北至漢江上游，俗稱華西秋雨;10月，全流域雨季先后結(jié)束。年內(nèi)的降水量分配不均，年代的降水量也會隨著變化。根據(jù)原始降水量繪出1956－2007年年總降水量、春夏季降水距平及其趨勢圖，明顯看出其變化的總體趨勢。

長江流域地區(qū)春夏季降水具有正負(fù)距平振蕩，①在春季，在1970年代中期之前，以正值為主，降水普遍偏多，其中1973年達(dá)到極大值，其次是1956年和1975年，1962年到1966年間都是負(fù)距平;1972－1986年間正負(fù)距平交替出現(xiàn)，相當(dāng)于過渡時期。1980年代中期以后，以負(fù)值為主，該時段內(nèi)降水偏少，從1993年到1997年連續(xù)5年出現(xiàn)負(fù)距平，且在2000年和2001年連續(xù)兩年降水距平達(dá)到負(fù)50 mm以上?？傮w來說，春季降水量呈遞減的趨勢，但這種趨勢不明顯，年際變化較明顯。②在夏季，在1980年代之前，以負(fù)值為主，降水普遍偏少，其中1978年達(dá)到負(fù)距平極大值，其次是1967年和1972年，且1956－1961連續(xù)6年負(fù)距平;1980年代以后，以正值為主，說明該時段降水偏多，1993－2000年連續(xù)8年出現(xiàn)正距平，且在1998年和1999年降水正距平達(dá)到100 mm以上?？傮w來說，夏季降水量呈增加的趨勢，且這種趨勢很明顯，年代際變化也較明顯。

年降水量也有著明顯的年代際尺度振蕩，1966年，1971年和1978年為降水最明顯的3個低谷，降水的高峰出現(xiàn)在1983年。從1961年到1971年，雖然降水量時高時低，相對1961年年降水量(1 150 mm)來說，年降水量還是處于減少的階段;1978、1983年的年降水量之差達(dá)到了370 mm。1980年代以前，年降水量的差距很大，1980年代后期以后相對較小些，如1989～1997年間。但降水未出現(xiàn)顯著的突變，年際變化與夏季降水量的變化趨勢基本一致(圖1)。

圖1 降水年際分布圖及趨勢線

綜上所述，長江流域的春季降水量呈減少趨勢，夏季降水量呈增加趨勢，年降水量也呈增加趨勢;且兩者的增加趨勢一致，沒有明顯的突變現(xiàn)象。在1980年代以前，春季降水量偏多，而夏季偏少;1980年代后則相反。出現(xiàn)旱澇災(zāi)害的可能性與降水量的多少有關(guān)，預(yù)計春季發(fā)生干旱災(zāi)害趨勢性大，夏季發(fā)生洪澇的趨勢性大。

2.2 長江流域春夏季降水量的空間分布

長江流域春季降水量自東向西遞減，呈階梯狀，有一極大值中心，中心位置大致位于浙江與江西的交界處，主要還是位于江西的東部地區(qū)，且其降水量達(dá)到800 mm。自中心向周圍遞減，其次是在安徽，湖南，福建等省份。從等值線來看，在中下游流域降水等值線比較密集，變率最大，等值線自東向西逐漸稀疏，這樣也說明春季的降水量主要分布在長江中下游地區(qū)，在長江上游地區(qū)，降水量普遍少，就只有100 mm左右，甚至在青海的南部和西藏的中部的部分地區(qū)存在零降水量的情況，降水量呈東南多，西北少的趨勢。夏季降水量也存在著明顯的區(qū)域性差異，大致說就是東部大于西部，存在兩個高值中心，形狀呈啞鈴狀，以湖北省的襄樊、荊門、荊州一帶為中心線，高值中心位于此線的兩邊，大致分別位于江蘇和安徽，四川的東部地區(qū)，自中心向周圍遞減，在廣西中部地也是高值區(qū)，從等值線密集度來看，在安徽到江西一帶，四川的西部部分地區(qū)，變率比較大，表現(xiàn)為等值線較密集。在湖南、湖北一帶，降水量也可達(dá)到500 mm左右(圖2)。

圖2 長江流域春夏季降水分布

綜上所述，我國長江流域春季降水的高值區(qū)主要集中在東南沿海、江西、湖南，這與我國春季降水的分布特征相吻合。夏季降水量的高值區(qū)主要集中在安徽與江蘇交界地區(qū)、四川東部、廣西中部地區(qū)。長江中下游地區(qū)春夏季降水量比上游地區(qū)明顯多，且該地區(qū)大面積降水，加重該地區(qū)洪澇發(fā)生的機(jī)率，從而影響旱澇的頻率分布。

2.3 旱澇的特性分析

2.3.1 旱澇的年代變化

根據(jù)計算得出1956－2007年長江中下游流域具有代表性的站點(diǎn)春季和夏季Z的值，根據(jù)Z指數(shù)的旱澇等級表(表1)，求出每年的旱澇等級，繪制Z指數(shù)旱澇等級直方演變旱澇等級變化圖。

長江流域大部分年份都有不同程度的災(zāi)害發(fā)生，旱澇災(zāi)害呈現(xiàn)出階段性特點(diǎn)。在春季，52年中正常年31年，而非正常年達(dá)到21年，占總數(shù)的40.4%。大的洪澇災(zāi)害出現(xiàn)在1956年、1973年、1975年。較大的旱災(zāi)出現(xiàn)在1971年、1986年、2007年。在夏季，52年中正常年28年，而非正常年達(dá)到24年，相對春季減少。1980年代以前，春季發(fā)生雨澇的機(jī)率相對較高，夏季發(fā)生干旱的機(jī)率較高;1980年代后，夏季發(fā)生雨澇的機(jī)率較高。但總的來說，正常年份還是占重要地位(圖3)。

圖3 Z指數(shù)旱澇等級直方演變旱澇等級變化圖

研究發(fā)現(xiàn)，時段內(nèi)旱澇災(zāi)害和降水量基本呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，幾乎年年都有旱或澇。1980年代前，春季降水量較多，屬于相對的多雨期;夏季降水量較少，屬于相對的干旱期，1980年代后則相反。春季，1979－1983年期間旱澇情況較為緩和，旱澇交替明顯，1998－1999年連續(xù)雨澇，2000－2001年連旱，1971年、1986年、2007年為降水量最少的年份，是重旱年;降水量的趨勢是逐漸減少的，預(yù)計以后春季發(fā)生干旱的機(jī)率會上升。夏季，在1957－1958，1966－1967，1971－1972，1986－1987四個階段連旱，1957－1958相對較弱些;1994－2002年雨澇情況較為嚴(yán)重，且還連續(xù)兩年發(fā)生重澇，1996，1998，1999年為重澇年。1980年代前期旱澇交替明顯;1990年代是近年來降水最多的10年，并且多雨期持續(xù)出現(xiàn)，1990年代澇災(zāi)增加趨勢明顯(圖3)。

2.3.2 旱澇的空間分布

長江流域存在一定的地區(qū)性差異:在春季，干旱分布趨勢是北部高于南部、西部高于東部?？偟膩碚f，干旱頻率分布呈馬鞍狀，有兩個高值中心，以大致分別位于湖北、湖南和四川的西南部，發(fā)生的頻率達(dá)到了44%。洪澇分布趨勢是南部重于北部、東部重于西部，形狀同干旱的分布相似，有兩個低中心，位置大致與干旱的高值中心一致。干旱頻率等值線在云南和四川交界處變率最大，表現(xiàn)為等值線的間隔密集，在湖南、江西一帶等值線次之。洪澇頻率等值線密集分布和干旱的類似，但從發(fā)生的頻率來看，春季發(fā)生干旱的機(jī)率比洪澇的要大些。夏季干旱的分布比較復(fù)雜，存在多個中心，其中在云南的西部和湖北的武漢、鄂州、黃岡一帶發(fā)生干旱的機(jī)率最大，達(dá)到了44%，在江蘇發(fā)生干旱的機(jī)率最小，其次是湖南等地區(qū)，中下游地區(qū)的分布較上游復(fù)雜;洪澇的分布也具有復(fù)雜性，其中在江蘇、安徽、湖南三個省份發(fā)生的頻率最大，在湖北的東部地區(qū)發(fā)生洪澇的頻率相對小，在長江中游發(fā)生的機(jī)率也可達(dá)到10.5%左右。從等值線方面來看，干旱和洪澇頻率等值線在江蘇、安徽、湖南一帶密集。變率大，向西逐漸稀疏(圖4)。

圖4 長江流域旱澇頻率分布圖

綜上所述，我國長江流域春、夏季發(fā)生旱澇的地區(qū)多。每個季節(jié)發(fā)生旱澇的地區(qū)又各不相同。春季發(fā)生干旱的頻率大值區(qū)主要集中在華中地區(qū)和四川的西南部，其中華中地區(qū)以湖南、湖北為干旱高發(fā)區(qū);春季以華南沿海、云南為洪澇高發(fā)區(qū)。夏季，四川、重慶、云南、兩廣與湖南的交界處，湖北為干旱的高發(fā)區(qū);貴州、安徽、江蘇、廣東湖南江西的交界處出現(xiàn)洪澇災(zāi)害的頻率較高，達(dá)到了11%以上。

2.4 長江流域春夏季降水量異常的小波分析

對長江流域1956－2007年52年的春季和夏季降水時間序列，運(yùn)用Morlet小波分析不同時間尺度的變化特征。研究結(jié)果表明，長江流域春季降水量存在5～10年、10～15年、15～20年的振蕩周期，其中15－20年的年代際周期振蕩表現(xiàn)較穩(wěn)定，近52年來始終存在;5～10年的振蕩周期明顯主要發(fā)生在1960－1990年代，在1970－1980年代還存在10～15年的振蕩周期，但不明顯。從周期的小波方差曲線來看，也存在明顯的兩個峰值，分別位于5～9年和15～21年，這也和由圖5a得出的結(jié)論相符合，說明春季降水周期主要以5～10年和15～20年為主。同時夏季降水量存在5～10年、10～15年，15～20年的振蕩周期，其中10～15年振蕩周期穩(wěn)定些，發(fā)生在1970年代后。其中5～10年的振蕩周期明顯主要發(fā)生在1960年代－1970年代，在1980年代－1990年代也存在，但不明顯。15～20年的振蕩周期發(fā)生在1970年代后期到1990年代。從周期的小波方差曲線來看，存在明顯的兩個峰值，分別位于5～9年和10～15年，但后者明顯些，說明夏季降水周期主要以10～15年為主?？偟膩碚f，春季降水較夏季具有明顯的周期性(圖5)。

2.5 長江流域暴雨成因及頻度

暴雨是我國夏季風(fēng)盛行期的一種常見的天氣現(xiàn)象，它帶來充沛的降水，可以緩解干旱災(zāi)害和滿足人類對水資源的需求;但同時又是山洪、滑坡、泥石流、洪水澇漬等災(zāi)害的主要原因，尤其是大范圍持續(xù)性暴雨是產(chǎn)生長江流域特大洪水災(zāi)害的重要因素。長江流域暴雨具有季節(jié)性變化。4月份以后江南最早進(jìn)入雨季并形成多雨區(qū)。5月暴雨區(qū)主要在湘贛水系。6月中旬長江中下游的梅雨季節(jié)開始，7月上旬后期多雨區(qū)北移到四川盆地及黃淮地區(qū)，長江上游暴雨明顯增加。8月中旬川北、陜西一帶，漢江上游形成暴雨區(qū)。

由于長江流域地勢由西北向東南傾斜，夏季，東南季風(fēng)可以長驅(qū)直下，暖濕氣流在山地丘陵的迎風(fēng)坡受阻礙，產(chǎn)生抬升作用，使一些地區(qū)的暴雨日數(shù)增多或暴雨量增加，甚至出現(xiàn)暴雨極值，這些地區(qū)的海拔高程普遍較高。

暴雨的產(chǎn)生不僅需要大氣本身水汽含量高，同時還要求有源源不斷的水氣供應(yīng)。水汽輸送的季節(jié)變化:進(jìn)入春季，中低空盛行偏南風(fēng)，從海洋來的水汽隨氣流源源不斷地輸向陸地，隨著水汽輸送的加強(qiáng)，大氣水汽含量不斷增加，降水量逐漸增加;到夏季，水汽輻合達(dá)到最強(qiáng)盛，輸入量為最盛，大氣水汽含量、降水量約為全年最大;立秋后，中低空盛行偏北風(fēng)。來自蒙古、西伯利亞的冷空氣入侵長江流域，大氣的水汽含量相對減少，降水相對減少;冬季輸入量達(dá)最少，降水量也最小。長江流域的水汽來源不同，低空急流是水汽輸送的主要機(jī)制。在郴縣、長沙、安慶、南京一線存在一條西南風(fēng)的強(qiáng)水汽輸送帶，其通道與西南風(fēng)的低空急流位置一致，使西南偏南的水汽直接輸向長江中下游;四川盆地上空受地形的影響，水汽由東南風(fēng)輸送。因此，夏季長江中下游的水汽來源是來自南海北部灣，其次是孟加拉灣和西太平洋，沿途也有華南上空的水汽輸入;長江上游的水汽主要來自孟加拉灣，其次是南海。冬季的水汽以西風(fēng)輸送為主，主要來自印度洋和孟加拉灣。

長江流域春季出現(xiàn)暴雨頻度具有區(qū)域性，自東向西呈階梯狀遞減，存在一個中心，大致位置在我國東部沿海一帶，等值線自中心向西稀疏，在長江下游等值線密集，變率大，在這52年間，中心處出現(xiàn)暴雨的次數(shù)達(dá)到500左右，但在上游地區(qū)還有沒出現(xiàn)暴雨，如在四川和青海的交界處。夏季暴雨出現(xiàn)的頻率在區(qū)域上相對來說，具有南部多于北部，東部多于西部。等值線自南向北稀疏，自東向西稀疏。在長江中下游地區(qū)大部分地區(qū)，出現(xiàn)暴雨頻數(shù)為在400～500之間的占大部分，在廣東和福建的交界處也可達(dá)800左右。春夏季長江中下游地區(qū)大部分區(qū)域出現(xiàn)暴雨，上游地區(qū)幾乎沒有，這會加劇旱澇的空間分布和程度。春季降水量的空間分布和暴雨頻數(shù)分布基本一致，再結(jié)合春季旱澇頻率分布圖可以看出，降水量和暴雨的空間分布影響著地區(qū)旱澇的空間分布，兩者緊密相關(guān)(圖6)。

綜上所述，夏季出現(xiàn)暴雨的頻數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于春季，且發(fā)生暴雨的區(qū)域覆蓋面積也較大，這也有可能是夏季比春季更容易發(fā)生洪澇的原因之一。無論在春季還是夏季，東部沿海地區(qū)發(fā)生的頻數(shù)較多，這可能與其地理位置有關(guān)，該地區(qū)是典型的季風(fēng)氣候區(qū)，夏季盛行偏南風(fēng)，水汽比較充足。長江流域的旱澇災(zāi)害主要發(fā)生在夏季，由于每年6－7月份，在長江中下游、淮河流域至日本南部這一近似東西帶狀地區(qū)，都會出現(xiàn)出現(xiàn)一段降雨非常集中的特殊連陰雨天氣，降雨范圍廣、強(qiáng)度大和持續(xù)時間長，經(jīng)常出現(xiàn)暴雨天氣。能否發(fā)生洪澇主要取決于梅雨期的長短和梅雨期降水的強(qiáng)度，歷次長江流域出現(xiàn)大澇的主要原因是大氣環(huán)流異常引起的梅雨期偏長以及集中性的暴雨所致。

圖5 春夏季降水周期的小波分析圖

圖6 長江流域春夏季暴雨頻數(shù)圖

3 結(jié)論與討論

(1)長江流域夏季降水量年際變率大，春季和年降水量變率相對不明顯，但夏季和年降水量的變化趨勢一致;春季的降水周期較夏季具有明顯的周期性，周期為17～21年。

(2)旱澇災(zāi)害發(fā)生的頻率和降水量、暴雨呈現(xiàn)正相關(guān)，春季容易發(fā)生干旱，夏季發(fā)生洪澇;長江流域旱澇更多地取決于流域下游，特別是澇年，造成長江流域洪澇的強(qiáng)降水集中在夏季。

(3)旱澇分布存在一定的結(jié)構(gòu)性。我國長江流域春、夏季發(fā)生旱澇的地區(qū)多。然而，每個季節(jié)發(fā)生旱澇的地區(qū)又各不相同。春季發(fā)生干旱的頻率大值區(qū)主要集中在華中地區(qū)和四川的西南部，其中華中地區(qū)以湖南、湖北為干旱高發(fā)區(qū);春季以華南沿海、云南為洪澇高發(fā)區(qū)。夏季，四川、重慶、云南、兩廣與湖南的交界處，湖北為干旱的高發(fā)區(qū);貴州、安徽、江蘇、廣東湖南江西的交界處出現(xiàn)洪澇災(zāi)害的頻率較高。無論春夏季，中下游出現(xiàn)暴雨頻率高，但長江流域出現(xiàn)旱澇是多方面原因共同導(dǎo)致的結(jié)果。

長江流域旱澇急轉(zhuǎn)的原因是多方面的，具體分析原因要從海溫、高度場、大尺度環(huán)流場、降水時空變化、旱澇頻率、暴雨量及日數(shù)的變化等方面來分析，綜合以上因素研究長江流域旱澇的歸因是今后研究的方向。

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