黎燚隆，章新平，尚程鵬

（湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410081）

降水是對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和生態(tài)系統(tǒng)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(huì)系統(tǒng)產(chǎn)生顯著的敏感性反應(yīng)。近百年來(lái)，伴隨著全球氣候變暖，極端天氣氣候事件的發(fā)生頻率增加［1-3］，其中最具影響力的是大范圍持續(xù)少雨干旱和流域性超強(qiáng)降水。在東亞季風(fēng)區(qū)，夏季風(fēng)爆發(fā)多始于4月，到7月趨于鼎盛，對(duì)應(yīng)著我國(guó)人口和經(jīng)濟(jì)密集的江淮地區(qū)梅雨期，降水的異常變化不論干旱或是區(qū)域性極端降水增多［4-6］，其影響都是嚴(yán)重的，因而其規(guī)律性和成因受到廣泛的關(guān)注。

學(xué)者對(duì)我國(guó)夏季降水的時(shí)空變化特征的研究已經(jīng)取得了不少成果［7-10］。 申樂琳［11］等人對(duì)近 50 年來(lái)中國(guó)夏季降水及水汽輸送特征的研究中發(fā)現(xiàn)，西太平洋副熱帶高壓南側(cè)的東南季風(fēng)與北方冷槽的偏北風(fēng)及其異常水汽輸送是我國(guó)東部夏季降水異常的主要成因；黃榮輝［12］等人對(duì)我國(guó)東部夏季降水異常主模態(tài)的年代際變化及其與東亞水汽輸送的關(guān)系進(jìn)行了分析，結(jié)果表明我國(guó)東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的時(shí)空變化存在兩種主模態(tài)，兩種主模態(tài)的年代際變化與東亞上空夏季水汽輸送通量的時(shí)空變化密切相關(guān)；呂俊梅［13］等人對(duì)近百年來(lái)中國(guó)東部夏季降水年代際變化特征及其原因進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)太平洋年代振蕩、北極濤動(dòng)和北極海冰三個(gè)因子對(duì)中國(guó)東部夏季降水年代際變化起到協(xié)同作用。我國(guó)夏季降水的影響因素除了東亞夏季風(fēng)外［14-16］，太平洋海溫異常［17-19］，西風(fēng)急流［20］，臺(tái)風(fēng)活動(dòng)［21，22］也起到重要作用。

洞庭湖流域介于東經(jīng)（107°16′～114°17′）與北緯（24°38′～30°26′）之間，南起南嶺北止長(zhǎng)江，西面武陵山東臨羅霄山脈，東南西三面環(huán)山，向北開口，構(gòu)成獨(dú)特的“馬蹄”形地形格局，地貌形態(tài)復(fù)雜多樣，流域面積總計(jì)26.2萬(wàn)km2，約占整個(gè)長(zhǎng)江流域面積的14%（圖1）。受亞熱帶季風(fēng)和地形的影響，降水時(shí)空分布不均勻，旱澇災(zāi)害頻發(fā)，尤其當(dāng)夏季異常降水發(fā)生，造成的影響甚為嚴(yán)重［23，24］。 如 1998 年夏季，短時(shí)間內(nèi)集中降雨導(dǎo)致的百年一遇的特大洪水對(duì)流域內(nèi)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全造成重大損失［25］；2011年洞庭湖區(qū)遭遇50a一遇連續(xù)性季節(jié)干旱，造成直接經(jīng)濟(jì)損失近百億［26］。對(duì)洞庭湖流域現(xiàn)有的氣候變化研究［27-29］主要聚焦于大范圍降水的時(shí)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(qū)域氣候變化的視角，分析了洞庭湖流域降水時(shí)空變化基本特征。在此基礎(chǔ)上，探討洞庭湖流域降水與東亞季風(fēng)區(qū)水汽通量散度及可降水量場(chǎng)之間的相關(guān)關(guān)系，并選取典型夏澇年、夏旱年就大氣環(huán)流形勢(shì)和水汽輸送差異進(jìn)行比較分析，取得了一些新的結(jié)果，這些結(jié)果可能有助于洞庭湖流域夏季降水異常成因的認(rèn)知。

1 研究數(shù)據(jù)

本文采用的數(shù)據(jù)包括：（1）洞庭湖流域96個(gè)氣象站點(diǎn)的逐月降水?dāng)?shù)據(jù)，時(shí)間序列為1961-2015年。根據(jù)流域的氣候特點(diǎn)，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(fēng)分量u、經(jīng)向風(fēng)分量v和比濕q，地面氣壓場(chǎng)、500hPa位勢(shì)高度場(chǎng)，水平分辨率為 2.5°×2.5°。

2 研究方法

2.1 旱澇等級(jí)劃分

本文根據(jù)洞庭湖流域各年夏季降水的分布特點(diǎn)，中國(guó)氣象局降水量距平百分率劃分標(biāo)準(zhǔn)及各學(xué)者的相關(guān)研究［30，31］，將旱澇程度劃分為大澇、偏澇、正常、偏旱、大旱5個(gè)等級(jí)，見表1。

表1 旱澇程度等級(jí)劃分

2.2 水汽通量及水汽通量散度［32］

水汽通量指單位時(shí)間流經(jīng)某一單位截面積的水汽質(zhì)量，水汽通量散度是指單位時(shí)間內(nèi)在某區(qū)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(fù)則表示水汽輻合。緯向水汽通量Qu和經(jīng)向水汽通量Qv的計(jì)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(jì)算公式為：

式中：a為地球半徑；φ和λ分別表示經(jīng)度和緯度。

2.3 功率譜分析［33］

功率譜是功率譜密度函數(shù)的簡(jiǎn)稱，它定義為單位頻帶內(nèi)的信號(hào)功率。它表示了信號(hào)功率隨著頻率的變化情況，即信號(hào)功率在頻域的分布狀況。功率譜表示了信號(hào)功率隨著頻率的變化關(guān)系。功率譜表達(dá)式如下

其中An是周期信號(hào)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(jié)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(biāo)準(zhǔn)差的空間分布

通過(guò)對(duì)流域各站點(diǎn)55a的逐年夏季降水量的統(tǒng)計(jì)，得到洞庭湖流域夏季平均降水量和夏季降水標(biāo)準(zhǔn)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(lái)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(xiàn)在西北部山區(qū)地帶與西南部丘陵地區(qū)。夏季平均降水量的最大值出現(xiàn)在五峰站，達(dá)到1245.3mm，這與該站高海拔的地形抬升作用有關(guān)；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(qū)，夏季較難難發(fā)生冷暖氣流交匯，因此降水量相對(duì)偏少。夏季平均降水量主要分布在540～640mm，站點(diǎn)數(shù)約占流域總站點(diǎn)數(shù)的46%。

從夏季降水量的離散程度來(lái)看，流域內(nèi)各站點(diǎn)降水量標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)差為238mm，流域西北部來(lái)鳳站降水的標(biāo)準(zhǔn)差最大，達(dá)353mm；流域中部部的武岡站的標(biāo)準(zhǔn)差最小為119.7mm。整體上看，夏季降水標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)差值偏大，發(fā)生旱澇災(zāi)害可能性較大，而降水偏少的地方，標(biāo)準(zhǔn)差值偏小，發(fā)生旱澇災(zāi)害可能性較小。

3.1.2 洞庭湖流域夏季降水的時(shí)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(guò)對(duì)流域內(nèi)各站點(diǎn)每10a降水距平百分率的統(tǒng)計(jì)，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(diǎn)統(tǒng)計(jì)（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(diǎn)統(tǒng)計(jì)（站數(shù)（占總站數(shù)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(xiàn)偏少與偏多相間出現(xiàn)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(lái)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(dá)803.96mm，比常年平均偏多34.59%，為近55a來(lái)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(jù)旱澇標(biāo)準(zhǔn)表1，55a中夏季降水共出現(xiàn)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(lái)看，自20世紀(jì)80年代后，洞庭湖流域夏季降水波動(dòng)增大，結(jié)合圖4的功率譜分析結(jié)果表明，洞庭湖流域夏季降水存在一個(gè)準(zhǔn)20a周期的變化與一個(gè)準(zhǔn)3a周期，通過(guò)0.05置信度檢驗(yàn)。

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(huán)流

為了分析典型夏旱澇年和夏旱年大氣環(huán)流背景， 根據(jù)旱澇標(biāo)準(zhǔn)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(huán)流形勢(shì)。

從圖5（見彩頁(yè)）可以看出，在典型夏澇年，500hPa高度距平場(chǎng)上，中高緯地區(qū)存在著3個(gè)正距平中心和3個(gè)正距平中心，為3波型；在典型夏旱年，基本為1波長(zhǎng)波形，東半球中高緯基本為負(fù)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(shì)距平分布具有相反特征，在澇年，歐亞地區(qū)和低緯度熱帶海洋地區(qū)為顯著的正距平控制，氣壓高度偏高，而在旱年，歐亞地區(qū)和低緯度熱帶海洋地區(qū)被顯著的負(fù)距平控制，氣壓高度偏低，反應(yīng)歐亞大陸高壓強(qiáng)度在澇（旱）年偏弱（強(qiáng)），中高緯冷空氣偏弱（強(qiáng)）。

對(duì)應(yīng)的500hPa高度場(chǎng)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(qiáng)度強(qiáng)，，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(yīng)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(qiáng)度指數(shù)與面積指數(shù)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，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(shù)、強(qiáng)度指數(shù)在顯著相關(guān)（圖6），相關(guān)性分別達(dá)到0.28，0.32通過(guò)過(guò)信度95%的顯著性檢驗(yàn)。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(qiáng)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(qiáng)度偏低。

綜上，夏季流域降水偏多（偏少）年份，對(duì)應(yīng)西北太平洋副熱帶高壓偏強(qiáng)（偏弱）。

3.3 典型夏澇、夏旱年的平均水汽輸送特征

降水的產(chǎn)生需水汽條件和水汽發(fā)生凝結(jié)的動(dòng)力條件。圖7（見彩頁(yè)）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(yè)），流域內(nèi)具有明顯的水汽輻合（輻散）異常，水汽通量散度距平可達(dá)-（＋）2×10-5kg·（m2·s）-1以上，當(dāng)水汽輻合時(shí)，水汽來(lái)源于西北太平洋副熱帶高壓西側(cè)東南偏南氣流，與孟加拉灣到南海地區(qū)上空西南氣流的匯合。

4 結(jié)論

利用逐月降水?dāng)?shù)據(jù)和NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)，研究了洞庭湖流域近55a來(lái)夏季降水的時(shí)空分布特征，分析了典型夏季降水異常年份平均的大氣環(huán)流形勢(shì)和水汽輸送特征，得到以下主要結(jié)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)3a和準(zhǔn)20a周期。20世紀(jì)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(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)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(qū)上空大氣環(huán)流形勢(shì)的關(guān)系密切。典型夏澇（旱）年時(shí)，歐亞大陸高壓偏弱，冷空氣偏弱，西北太平洋副高偏強(qiáng)（弱），形勢(shì)有利于冷暖氣流在30N附近區(qū)域匯合。

（3）洞庭湖流域夏季水汽輸送主要來(lái)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(nèi)出現(xiàn)顯著的水汽輻合（輻散）。

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