胡德強陸日宇蘇秦, 范廣洲

1成都信息工程學院大氣科學學院，成都610225

2中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室（LASG），北京100029

3中國科學院大學，北京100049

1 引言

四川盆地位于我國西南，人口眾多，夏季降水豐沛，暴雨頻發(fā)，是洪澇災害多發(fā)的區(qū)域，因而對四川盆地降水規(guī)律的研究一直受到廣泛的關注。四川盆地內夏季降水分布西多東少，大值區(qū)位于盆地西部，主要中心在雅安、樂山、眉山一帶，而且暴雨也多發(fā)于盆地西部。除了夏季降水分布不一致，降水變化在東、西部也有差異，表現為東部降水與西部降水反位相變化（邵遠坤等，2005；田俊等，2010；白瑩瑩等，2011），而且還有研究表明東、西部降水的長期趨勢也不一致（田俊等，2010；Lu and Ye，2011），因此在研究四川盆地降水時應將四川盆地東、西兩部分分開討論。四川盆地西部地區(qū)包括成都、綿陽、樂山、峨眉山、宜賓等工農業(yè)重鎮(zhèn)，是四川主要的經濟、政治、文化中心地帶，研究該區(qū)降水變化，提高對該區(qū)降水變化規(guī)律的認識具有顯著的社會、經濟意義。

眾多學者對該區(qū)域的降水變化特征進行了分析研究。一些研究表明四川盆地西部夏季降水有顯著減少的趨勢（周長艷等，2006；陳超等，2010；Lu and Ye，2011；齊冬梅等，2011；周長艷等，2011），Lu and Ye（2011）指出從20世紀50年代開始川西降水的下降趨勢為每十年減少40 mm，與華北地區(qū)降水下降趨勢相當。劉德等（2005）、彭京備等（2007）、李永華等（2009）等研究表明西南地區(qū)降水受到中高緯西風帶擾動和西太平洋副熱帶高壓、南亞高壓等的異常有關，其降水直接受大尺度環(huán)流影響。朱艷峰和宇如聰（2003）用川西地區(qū)的雅安、綿陽和成都3站1951～2000年夏季降水資料分析了川西地區(qū)的7月和8月降水的年際變化、年代際變化，及其對應的環(huán)流背景，發(fā)現在年際尺度上500 hPa兩槽一脊的環(huán)流型配合孟加拉灣低壓的加強有助于冷空氣南下，暖濕空氣北上，有利于川西地區(qū)降水增多。此外，他們還發(fā)現川西降水的年際變化并不是一個局地現象，川西地區(qū)降水和華北地區(qū)降水為顯著正相關，而與長江中下游地區(qū)降水為顯著負相關。

本文將進一步深入分析影響四川盆地西部地區(qū)降水的大尺度環(huán)流特征，此外，還將分析四川盆地西部地區(qū)與江南地區(qū)降水的相關關系所對應的環(huán)流特征，并研究這種相關關系對應的環(huán)流異常特征，對比分析其與四川盆地西部降水年際變化的環(huán)流異常之間的異同點。

2 資料

本文運用的是國家氣候中心提供的756個氣象站點資料逐日降水資料。經挑選，從1958年7月至2010年8月缺測數據較少、時間序列完整的站點有 502個。其中，本文選取四川盆地西部地區(qū)（28°N～32°N，102°E～105°E）的 11 個站點（圖1）來表示該區(qū)降水。這11個站分別是馬爾康、綿陽、都江、小金、雅安、樂山、峨眉、越西、昭覺、雷波和宜賓?？紤]到Lu and Ye（2011）一文中所使用的成都、平武兩站盛夏降水從2002年到2010年不連續(xù)，所以本文沒有挑選這兩個站點。本文采用的環(huán)流資料為 NCEP/NCAR再分析資料中的 700 hPa風場及位勢高度場月平均資料。所使用數據的時間為1958年至2010年。

四川盆地西部地區(qū)位于青藏高原的東麓，處于海拔高度急劇下降的區(qū)域。從圖1中可以看到，本文所選取的這些站點有一部分位于川西高原上，如峨眉（海拔高度：3047.4 m）、馬爾康（2664.4 m）、小金（2369.2 m）、昭覺（2132.4 m）、越西（1659.5 m）、雷波（1255.8 m）。其中，峨眉站點設在山頂附近，周圍只有很小的地方海拔超過3000 m，因而圖1中沒能顯示該站點附近的3000 m等值線。其他站點的海拔高度在300 m到700 m之間。

圖1 本文使用的四川盆地西部地區(qū)站點。等值線為地形海拔高度（單位：m），方框表示本文界定的四川盆地西部區(qū)域Fig.1 The stations in the western Sichuan Basin used in this study.Contour shows the elevation (m).The box indicates the western Sichuan Basin region defined in this study

考慮到這些站點的地形高度，本文使用700 hPa風場去分析與降水量有關的環(huán)流異常。選擇該等壓面，可以使得我們所關注區(qū)域的地形基本上處于該等壓面之下，因而該層的數據更為可信。此外，該層的水汽含量較大，因而環(huán)流異?？梢暂^好地代表水汽輸送異常。

3 四川盆地西部降水年際變化的研究

3.1 四川盆地西部地區(qū)降水年際變化特征

圖 2為四川盆地西部地區(qū) 11個站點平均的 5月到9月53年平均（1958～2010年）降水量及其方差的逐月變化。從圖中可以看出，四川盆地西部地區(qū)8月降水量最多，平均降水量為235.1 mm，標準差也最大，為57.8 mm；其次為7月，平均降水為229.8 mm，標準差為45.8 mm。其他月份四川盆地西部地區(qū)的降水量和降水量的標準差遠小于7月和8月。

另外，從5月1日到9月27日候降水分布上看（圖3），自第1候開始，降水量逐漸增加；從第11候（6月25日至6月29日）到第12候（6月30日至7月4日），降水量迅速增多，并維持在30 mm/候以上，直至第26候（9月3日至9月7日）；第26候至27候，降水急劇減少至30 mm/候以下，之后繼續(xù)逐漸減少。第12候至第26候候降水量平均約為37.1 mm，遠比其他時段的降水多，其中第18候降水量最大，為47.0 mm。四川盆地西部地區(qū)降水在6月底、7月初迅速增加，在9月初迅速減少，因此正好7月和8月兩個月的降水遠多于其他月份，所以在本文我們將7月和8月降水合并為盛夏降水一起研究。

圖2 四川盆地西部地區(qū)5～9月各月降水量平均（柱狀線）及其標準差（折線）。單位：mm/月Fig.2 Monthly mean precipitation (bars) and its standard deviation (line)from May to September over the western Sichuan Basin.Unit: mm/month

圖3 四川盆地西部地區(qū)5月1日至9月27日候降水。單位：mm/候Fig.3 Pentad precipitation from May 1 to September 27 over the western Sichuan Basin.Unit: mm/pentad

圖4 盛夏（7、8月）四川盆地西部降水距平（折線）及高通濾波后的年際變化分量（柱）。單位：mmFig.4 The precipitation anomaly in mid-summer (July and August) over the western Sichuan Basin (line) and its interannual variation after highpass filtering (bars).Unit: mm

圖4中線形圖是1958年至2010年的四川盆地西部地區(qū)盛夏多年降水量距平，柱狀圖為其濾波后的年際變化。本工作主要針對四川盆地西部地區(qū)盛夏降水量的年際變化進行分析，所以對原始降水序列進行9年高通濾波以提取其年際信號。本文采用的濾波方法為高斯濾波。四川盆地西部地區(qū)盛夏降水量多年平均為465.0 mm，且有明顯的減少趨勢，其趨勢系數為－1.8 mm/a。本文給出的四川盆地西部降水量減少趨勢明顯少于Lu and Ye（2011）的結果，其原因除了采用站點稍有些不同之外，更為主要的原因在于本文只分析了 7、8月降水量，而Lu and Ye（2011）分析的是6～9月降水量。高通濾波后的年際變化時間分量中，最大值是在1966年，為171.0 mm，最小值是在1982年，為－129.7 mm，最大值年與最小值年降水相差300.7 mm，變化范圍超過多年平均值的60%，可以看出盛夏四川盆地西部地區(qū)降水量的年際變化幅度非常大。

圖5 盛夏四川盆地西部降水量與全國降水量的相關關系。實心圓表示與四川盆地西部降水量正相關的站點，空心圓表示負相關的站點，大的空心圓及實心圓表示通過95%信度t檢驗的站點Fig.5 Correlation of rainfall over the western Sichuan Basin with rainfall in China.The solid dots represent positive correlation, while the hollow circles represent negative correlation.The big dots and circles show correlations significant at the 95% confidence level by Student’s t–test

3.2 四川盆地西部地區(qū)降水與全國降水的關系

在年際變化時間尺度上，盛夏四川盆地西部地區(qū)降水量與我國中西部、西北部、內蒙古中部地區(qū)降水量呈顯著的正相關關系，而與長江中下游和華南大范圍地區(qū)降水量負相關（圖5）。朱艷峰和宇如聰（2003）的分析結果也表明四川盆地西部地區(qū)降水量與河套地區(qū)、華北呈顯著的正相關，而與長江中下游呈負相關。然而，在他們的結果中，西北和華南并沒有出現與四川盆地西部地區(qū)降水量的顯著相關。本文與朱艷峰和宇如聰（2003）結果之間的差異可能主要來源于分析方法的不同：本文分析的是年際變化，而朱艷峰和宇如聰（2003）采用原始序列。為了定量分析負相關區(qū)域的降水量變化情況，本文劃定（21°N～32°N，110°E～125°E）內的區(qū)域，以圖5中虛框表示，并稱之為江南地區(qū)。逐站檢查可以發(fā)現江南地區(qū)大部分站點降水量都與川西降水量負相關，其中有10個站點通過了95%的信度檢驗，且這些站點分布比較均勻。少數幾個站點可能由于局地影響，與川西降水量呈正相關關系，但這些正相關關系較弱，而且站點數量非常少，因而不影響整個江南地區(qū)與川西降水量的負相關關系。我們將在第四部分進一步討論這種負相關關系以及對應的大尺度環(huán)流背景。

3.3 四川盆地西部地區(qū)多雨年和少雨年的風場特征

為分析四川盆地西部地區(qū)盛夏降水對應的環(huán)流異常，我們根據降水量的年際變化（圖4），將標準化降水異常大于1的年份定義為多雨年，標準化降水異常小于－1的年份定義為少雨年，從而在1958～2010年中選出8年為多雨年，11年為少雨年（表1）。本文中的這些多雨年、少雨年與朱艷峰和宇如聰（2003）一文中的有一些差異。產生這些差異的原因主要來自如下兩點。首先，本文根據降水變化的年際分量挑選年份，而朱艷峰和宇如聰（2003）采用的是降水量原始序列，因而 1958～1961年作為多雨年出現在朱艷峰和宇如聰（2003），而在本文則為正常年。此外，本文降水資料延伸到2010年，因而2000年以后多出2個多雨年和1個少雨年。

表1 盛夏四川盆地西部地區(qū)多雨年和少雨年Table 1 The years with more and less mid-summer rainfall over the western Sichuan Basin

圖 6為四川盆地西部地區(qū)盛夏的多雨年和少雨年分別合成的700 hPa風場、位勢高度場和相對渦度場異常。在進行合成之前，已對風場和位勢高度場資料同樣進行了 9年高通濾波以提取其年際信號。多雨年，在青藏高原的東北側，即四川盆地上空，存在顯著的南風異常，說明西南渦較常年活躍（圖 6a）。該南風異常繼續(xù)向北延伸，以東南風異常出現在西北地區(qū)，而以西南風異常出現在華北地區(qū)。這些風場異?？梢园雅瘽窨諝廨斔偷轿鞅焙腿A北地區(qū)，有利于這些地區(qū)降水量偏多。因而，對流層低層風場異?？梢越忉屗拇ㄅ璧匚鞑康貐^(qū)降水量年際變化和西北、華北廣大地區(qū)的降水量呈明顯的正相關關系（圖5）的原因。圖6c是四川盆地西部地區(qū)多雨年的700 hPa異常位勢高度場圖，可以看到在青藏高原為負異常，并延伸到四川西部地區(qū)，說明高原渦和西南渦較常年活躍。但需要說明的是在青藏高原的大部分地區(qū) 700 hPa處于地下，因而可能會受到資料外插帶來誤差的影響。此外，在四川盆地西部地區(qū)的南面，只有極其微弱的南風異常，說明四川盆地西部地區(qū)降水量偏多與南方水汽輸送偏多沒有顯著關系。這或許是因為四川盆地西部在盛夏已經具備充沛的水汽，降水的產生只與局地環(huán)流有關，而不依賴于水汽的多少。我們的這一結果與以往的研究（如，朱艷峰和宇如聰，2003；李永華等，2009）不同。以往的研究多認為西南風異常將輸送更多的暖濕水汽并引起四川地區(qū)降水量偏多。

圖6 四川盆地西部多雨年和少雨年合成的700 hPa風場（單位：m/s）、位勢高度場（單位：gpm）和相對渦度場（單位：10?6 s?1）異常。（a）多雨年風場；（b）少雨年風場；（c）多雨年高度場；（d）少雨年高度場；（e）多雨年渦度場；（f）少雨年渦度場。陰影部分表示風場（緯向風或經向風）異常、高度場異常、渦度場異常通過95%信度t檢驗的區(qū)域Fig.6 Composite (a, b) wind anomalies, (c, d) geopotential height anomalies (unit: gpm), and (e, f) relative vorticity anomalies (10?6 s?1) at 700 hPa in (a, c,e) wet years and (b, d, f) dry years.The shading denotes that wind (zonal or meridional wind) anomalies, geopotential height anomalies, and relative vorticity anomalies are significant at the 95% confidence level by Student’s t–test

在少雨年，四川盆地西部地區(qū)為顯著的東北風異常，該異常從山東半島一直延伸至中南半島北部，并在青藏高原南麓折為東風異常（圖 6b）。這些風場異常不利于南方暖濕空氣向四川盆地西部地區(qū)的輸送，因此不利于降水的產生。上述結果表明四川盆地西部少雨年和多雨年對應的環(huán)流異常具有明顯的差異，沒有明顯的反對稱關系，這可能與該地區(qū)盛夏獨特的水汽近飽和特征有關：水汽進一步增加無助于降水量增加，而水汽降低卻會減少降水。四川盆地西部的北風異常說明西南渦活動弱于常年。圖 6d是四川盆地西部地區(qū)少雨年的 700 hPa位勢高度異常合成圖，可以看到在青藏高原東麓和川西地區(qū)為顯著的正異常，因而西南渦不如常年活躍。我們還分析了降水量多寡年合成的渦度異常（圖6e、f）。多雨年對應的正渦度異常顯現的位置除了青藏高原之外，大值區(qū)均局限在川西地區(qū)（圖6e），和西南渦的氣候位置一致。而在少雨年，川西地區(qū)為明顯的負渦度異常，該異常大值區(qū)還向東有較明顯的拓展。渦度異常的結果也說明降水量多寡對應著西南渦活躍與否。

從圖6中可以看到，四川盆地西部降水異常還與一些大尺度環(huán)流異常有關。首先，是沿青藏高原南面的東西風異常，該東西風異常與四川盆地上空的南風或東北風異常連在一起。其次，四川盆地西部降水量多寡在西北太平洋上空分別對應著氣旋、反氣旋異常，表明盛夏期間副高分別偏北、偏南，這一點也可以從我國渤海、黃海上空位勢高度場在降水量多寡時分別顯現出的正負異常中看出（圖6c、d）。但這些氣旋和反氣旋異常是否能夠對四川盆地降水產生影響、如何產生影響，還應進一步研究。此外，四川盆地西部降水量多寡在赤道太平洋上分別對應著東、西風異常。

圖6還顯示出四川盆地西部降水量多時，對應的環(huán)流異?？傮w較弱，統(tǒng)計信度也不是很明顯；而降水少時對應的環(huán)流異常較強，信度明顯。這種強度和信度上的差別在四川盆地、青藏高原南面、西北太平洋、赤道太平洋均有明顯體現。

4 四川多雨、江南少雨年與四川少雨、江南多雨年的降水分布和風場特征

圖5中表明四川盆地西部地區(qū)降水量年際變化與江南地區(qū)顯著負相關。我們以圖5虛線框內各站點平均的降水量來代表江南地區(qū)的降水量，并與四川盆地西部地區(qū)降水量變化進行比較（圖7）。如圖所示，四川盆地西部降水量與江南降水量基本呈現反位相的變化。經過計算，二者之間的相關系數為－0.37，通過95%的信度檢驗，即四川盆地西部和江南地區(qū)降水量呈現顯著的負相關關系。此外，江南地區(qū)盛夏降水量多年平均為344.4 mm，少于四川盆地西部地區(qū)的降水量。濾波后江南地區(qū)盛夏降水最大值出現在1980年，為111.1 mm，最小值出現在2003年，為－118.2 mm，最大值與最小值相差229.3 mm，占歷年平均的60%左右。

圖7 盛夏四川盆地西部降水量（柱）和江南降水量（折線）的年際變化，單位：mm/aFig.7 The interannual variations of mid-summer precipitation (unit:mm/a) over western Sichuan Basin (bars) and Jiangnan (the regions south of the lower reaches of the Changjiang River) (line)

為便于研究四川盆地西部與江南降水量年際變化之間的聯(lián)系所對應的大氣環(huán)流特征，同上一部分類似，我們選取一些年份進行合成分析，但為了獲取較充足的分析樣本，我們這里定義標準化降水異常大于0.5的年份為多雨年，而小于－0.5的為少雨年。表2列出了四川盆地西部多雨同時江南少雨的有8年（1979、1984、1990、1995、1998、2003、2005、2007年）；而四川盆地西部少雨同時江南多雨的有 7年（1969、1980、1987、1994、1997、2002、2006年）。

表2 盛夏四川盆地西部地區(qū)與江南降水反相關顯著的年份Table 2 The years in which mid-summer rainfall has a negative and significant correlation over the western Sichuan Basin with that in Jiangnan

圖8為根據表2中的兩種典型情況對降水異常進行的合成分析結果。從中可以看出，降水異常在這兩種典型情況呈現相似的分布特征，只不過符號相反。在我國東部地區(qū)，降水異常呈現南北分布特征，在江南和黃淮地區(qū)降水異常符號相反，而黃淮降水異常與四川盆地西部降水異常符號一致。江南降水異常出現在長江中下游和華南廣大區(qū)域，其大值區(qū)位于廣西。

圖9給出上述兩種典型情況對應的700 hPa風場異常。當四川多雨、江南少雨時（圖 9a），四川地區(qū)東南方為顯著的西南風異常，該西南風異常向東北方向伸展，經黃淮流域一直到朝鮮半島，這將有利于黃淮地區(qū)降水量的增加（圖 8a）。此外，該西南風異常與位于江南和東海地區(qū)的反氣旋異常相關聯(lián)，而在該反氣旋異常的控制下，江南降水量減少（圖 8a）。與單純的四川盆地西部降水量偏多時對應的環(huán)流異常不同，江南地區(qū)同時降水量偏少時在青藏高原東北側沒有南風異常，而且西南風異常明顯偏向東部。當四川少雨而江南多雨時（圖9b），四川盆地上空為顯著的東北風異常，該東北風異常一直延伸到云南地區(qū)，并在青藏高原南麓折向成為東風異常，這將不利于水汽輸送至四川盆地，并導致川西地區(qū)降水減少。此外，江南地區(qū)處于氣旋式異常的控制之下，可能會有助于該地區(qū)降水量偏多。上述這些風場異常與單純的四川盆地西部地區(qū)降水量偏少時對應的環(huán)流異常（圖6b）很相似。圖9b與圖6b不同之處在于前者在華南沿海地區(qū)出現顯著的西南風異常，該西南風異常與印度洋北部的西風異常相連，有益于水汽輸送至江南地區(qū)，也可能有利于降水量增多。此外，與圖 9a相比，圖 9b中顯示的環(huán)流異常較強，信度也更加明顯，這一結果和圖6的結果一致。

圖8 （a）四川多雨、江南少雨年份和（b）四川少雨、江南多雨年份降水異常合成圖。等值線間隔為30 mm/a（零線略去）。陰影部分表示通過95%信度t 檢驗的區(qū)域。單位：mm/aFig.8 Composite precipitation anomalies (unit: mm/a) in (a) the wet years over the western Sichuan Basin and the dry years over Jiangnan, and (b) the dry years over the western Sichuan Basin and the wet years over Jiangnan.The contour interval is 30 mm/aand the contour line of zero is omitted.The shading indicates significance at the 95% confidence level by Student’s t–test

圖9 （a）四川多雨、江南少雨年和（b）四川少雨、江南多雨年700 hPa風場異常合成圖。陰影部分為緯向風或經向風通過95%信度t檢驗的區(qū)域Fig.9 Composite 700-hPa wind anomalies in (a) the wet years over the western Sichuan Basin and the dry years over Jiangnan, and (b) the dry years over the western Sichuan Basin and the wet years over Jiangnan.The shading indicates significance at the 95% confidence level by Student’s t-test for either zonal or meridional wind anomalies

5 結論與討論

本文利用全國 756站逐日降水資料和 NCEP/NCAR再分析資料分析了四川盆地西部地區(qū)盛夏降水量的年際變化特征及其對應的對流層下層（以700 hPa代表）環(huán)流異常特征。由于盛夏川西降水量與江南地區(qū)降水量呈顯著負相關關系，我們還分析了導致四川盆地西部地區(qū)與江南地區(qū)降水量負相關的環(huán)流異常特征，并將這種負相關關系對應的環(huán)流異常與四川盆地西部地區(qū)降水異常對應的環(huán)流異常進行了對比。得到如下主要的結果：

四川盆地西部地區(qū)盛夏降水量偏多年，四川盆地上空為顯著的南風異常，對應西南渦較常年活躍；而降水量偏少時，盆地上空為明顯的北風異常，對應西南渦明顯弱于常年。此外，四川盆地西部地區(qū)盛夏降水量偏多年和偏少年所合成的風場異常表現出明顯的非對稱性：降水量偏多時，四川盆地南部沒有明顯的風場異常；而降水偏少量時，四川盆地南側出現明顯的東北風異常，并在青藏高原南麓折向成東風異常，導致輸送到四川盆地的水汽減少。我們認為環(huán)流異常的這種非對稱性可能和四川盆地盛夏獨特的水汽近飽和特征有關：水汽進一步增加無助于降水增加，而水汽降低卻會減少降水。此外，四川盆地西部降水多寡還分別對應著副高偏北、偏南以及赤道太平洋上的東、西風異常。

四川盆地西部盛夏降水量年際變化和我國西北、華北地區(qū)降水量呈明顯的正相關關系。這與對流層低層環(huán)流異常有關：四川盆地西部降水量偏多時，在北部廣大的區(qū)域則出現東南風異常（西北地區(qū)）和西南風異常（華北地區(qū)）；而在降水量偏少時，東北風異常出現在自山東半島一直西南向延伸到中南半島北部。

除了我國北方地區(qū)，四川盆地西部盛夏降水量還與江南地區(qū)降水量有明顯的關系，但為負相關關系，兩者之間的相關系數為－0.37。四川和江南降水量之間的這種負相關關系主要與位于江南和東海的氣旋/反氣旋環(huán)流異常有關。一方面，這一氣旋/反氣旋異常西北側的風場異?？梢杂绊懰拇ń邓?；另一方面，在氣旋/反氣旋異常的直接控制下，江南地區(qū)出現降水增加/減少。

致謝 兩位審稿人詳細地指出了文稿中存在的不足之處和修改建議，在此表示感謝。

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