周 軍，任 宏 昌，王 蒙，崔 童

(1.國家氣象中心，北京 100081； 2.國家氣候中心，北京 100081)

0 引 言

近年來，中國極端天氣事件頻發(fā)，高溫、干旱災害風險加大，嚴重影響工農業(yè)生產和人民生活，造成了巨大的社會影響和經濟損失[1-2]。ICPP AR6報告指出，隨著未來全球變暖進一步加劇，極端高溫干旱事件等災害性天氣比例將持續(xù)增加[3-4]。長江流域作為中國最重要的經濟帶，其干旱與洪澇災害的發(fā)生對中國政治經濟有著舉足輕重的影響，已有大量國內外學者針對長江流域旱澇的成因和規(guī)律進行了深入研究[5-7]。

2022年夏季，長江流域發(fā)生了1961年以來最強的持續(xù)性高溫天氣，具有持續(xù)時間長、影響范圍廣、極端性強等特點。全國高溫日數(shù)為有記錄以來歷史同期最多。自5月27日至8月30日，中央氣象臺共發(fā)布高溫預警139期，包含高溫黃色預警68期，高溫橙色預警49期，高溫紅色預警22期。自7月21日至8月31日，連續(xù)發(fā)布高溫預警81期。高溫少雨天氣導致長江流域干旱不斷發(fā)展，土壤墑情下降，農業(yè)干旱也發(fā)生發(fā)展，對水稻、玉米等作物以及經濟林果、水產養(yǎng)殖等造成了不利影響。此外，高溫干旱天氣導致水域面積銳減和水位下降，四川省、重慶市等地火災頻發(fā)，并對能源供應等造成較大影響。

大量研究表明，西太平洋副熱帶高壓和南亞高壓是影響長江流域旱澇的兩個關鍵大氣環(huán)流系統(tǒng)[8-11]。當西太平洋副熱帶高壓西伸北跳，并穩(wěn)定維持時，長江中下游地區(qū)往往降水偏少，出現(xiàn)高溫酷暑天氣[12-13]。南亞高壓東伸加強，往往也對應著西太平洋副熱帶高壓西進[14]。這種南亞高壓和西太平洋副熱帶高壓異常在不同層次上的疊加，可以在中國南方地區(qū)形成深厚的高壓異常，這是導致該地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)性降水偏少以及高溫異常的直接原因[15-16]。西太平洋副熱帶高壓的位置和強度變化對于水汽輸送通道亦有著重要的影響[17-18]。此外，雖然降水偏少是引起干旱的重要原因，但蒸散發(fā)對于干旱的發(fā)生發(fā)展同樣有著不可忽視的驅動作用[19-21]。

由于氣象干旱情況下引發(fā)水文干旱的概率極高[22]，本文中提到的干旱主要指氣象干旱。本文將從2022年夏季降水量以及水文面雨量特征出發(fā)，對長江流域的降水及干旱展開特征分析，并對其成因展開進一步討論。

1 資料和方法

本文使用的逐日觀測資料(08：00～08：00)來自中國氣象局國家氣象信息中心整編發(fā)布的“中國地面氣象要素日值數(shù)據(jù)集(V3.0)”，包括中國2 474個基本、基準氣象站、一般氣象站1951年1月以來的逐日氣溫和降水量觀測資料，上述資料均經過國家氣象信息中心的質量控制和極值檢驗[23]。所采用的格點高度場、風場、比濕、蒸發(fā)等物理量來源于歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)發(fā)布的ECMWF Reanalysis v5(ERA-5)再分析數(shù)據(jù)集[24]，其水平分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為1 h。物理量場的逐日數(shù)據(jù)采用當日(北京時)24 h數(shù)據(jù)合成分析。文中計算的氣候平均值，即氣候平均態(tài)(簡稱氣候態(tài))均采用1991～2020年同期平均值。變量的距平指的是變量當前時段的數(shù)值與其氣候態(tài)的差。距平百分率的計算方式為距平/氣候態(tài)×100%。文中采用國家氣候中心現(xiàn)行業(yè)務規(guī)范中的氣象干旱綜合指數(shù)(Meteorological Drought Composite Index，MCI)作為依據(jù)來劃分氣象干旱等級，其具體計算方法及劃分氣象干旱等級標準詳見GB/T 20481-2017《氣象干旱等級》。

長江流域的面雨量計算采用國家氣象中心業(yè)務中長江流域720個國家站，利用泰森多邊形法[25-26]，將流域內各相鄰雨量站用直線相連，作各連線的垂直平分線，這些垂直平分線相交把流域劃分為若干個多邊形，每個多邊形內都有一個雨量站。設每個雨量站都以其所在的最小多邊形為控制面積，則流域面雨量為各雨量站點的雨量乘以各自的控制面積的總和除以流域的總面積。其計算公式為

Wi=Si/S

(1)

(2)

2 2022年夏季長江流域降水和面雨量特征

2022年夏季，全國平均降水量為1961年有完整氣象觀測記錄以來歷史同期第二少，且降水空間分布極為不均，北方降水量顯著偏多，長江中下游及川渝地區(qū)降水量則較常年同期偏少2～8成。2022年梅雨雨季開始整體偏早，雨季整體偏長。江南地區(qū)于5月29日入梅，較常年入梅時間偏早11 d；于7月8日出梅，較常年出梅時間偏早2 d；整體時長40 d，較常年偏長9 d；梅雨季降水量為426.1 mm，較常年偏多7.9%。長江中下游地區(qū)于5月29日入梅，較常年入梅時間偏早16 d；于7月8日出梅，較常年出梅時間偏早8 d；整體時長40 d，較常年偏長8 d；梅雨季降水量為258.3 mm，較常年偏少18.8%。江淮地區(qū)于7月4日入梅，較常年入梅時間偏晚11 d；于7月31日出梅，較常年出梅時間偏晚17 d；整體時長27 d，較常年偏長6 d；梅雨季降水量為179.6 mm，較常年偏少30.2%。

對于長江流域整體而言(見圖1)，2022年夏季長江流域720站總降水量為241 843.4 mm，較常年同期偏少34.1%，為1961年以來歷史最低。長江流域夏季總面雨量為14 208.4 mm，較常年同期偏少33.7%，為1961年以來歷史第二低，僅次于1978年夏季(偏少34.2%)從面雨量的時間序列可以發(fā)現(xiàn)，2022年長江中下游雨季開始偏早，但降水強度整體偏弱，且降水持續(xù)性較差(見圖2)，6月上中旬副熱帶高壓位置與常年同期基本相當。隨著6月下旬副熱帶高壓北跳，長江流域降水亦隨之減弱，僅7月上旬和中旬各出現(xiàn)一次降水過程。7月下旬起至8月，副熱帶高壓穩(wěn)定偏北，降水量北多南少，長江流域幾乎沒有較大降水過程，且受副高下沉氣流控制，干旱迅速發(fā)展。由圖3可見，2022年夏季長江流域面雨量幾乎全流域均呈現(xiàn)為負距平，即全流域面雨量均呈現(xiàn)偏少狀況，流域大部面雨量偏少20%以上。其中面雨量偏少最嚴重的區(qū)域有沱江流域、向家壩-寸灘區(qū)間、吳江下游、清江、灃水、丹江口-皇莊區(qū)間、資水、撫河以及鄱陽湖湖區(qū)及其下游，降水較多年平均值偏少40%以上。

圖1 長江流域歷年夏季降水量、面雨量及站點分布Fig.1 Annual summer precipitation,annual summer areal precipitation anomalies and stations distribution in the Yangtze River Basin

圖2 2022年夏季西太平洋副熱帶高壓脊線位置與長江流域面雨量時間演變Fig.2 Time series of the Western Pacific Subtropical ridge and areal precipitation over the Yangtze River Basin in summer 2022

圖3 2022年夏季長江流域面雨量距平百分率Fig.3 Percentage of areal precipitation anomaly in the Yangtze River Basin in summer 2022

3 2022年夏季長江流域高溫干旱特征

長江中下游為2022年夏高溫過程的重點區(qū)域之一，共出現(xiàn)兩次過程性高溫。2022年7月5～17日，中國中東部地區(qū)出現(xiàn)大面積高溫天氣，其中長江流域以四川盆地、江浙地區(qū)高溫最為顯著，高溫日數(shù)達到10 d以上。7月20日至8月30日的大范圍高溫過程中，四川盆地及其以東的長江流域均處于高溫控制下，且此次過程中氣溫緩慢持續(xù)攀升，干熱特征尤為明顯，流域大部分地區(qū)高溫日數(shù)達到30 d以上，多站突破歷史極值，重慶北碚單日氣溫極大值達到45 ℃以上。整個夏季而言(見圖4)，長江中下游大部分區(qū)域高溫日數(shù)均達到35 d以上，其中長江中下游部分區(qū)域高溫日數(shù)達40 d以上。2022年夏季，中央氣象臺35 ℃以上高溫預警產品的TS評分達到0.73，為近7 a來最高值，且預報員的主觀預報產品對高溫的預報相比主流數(shù)值模式有明顯的優(yōu)勢。

圖4 長江流域夏季(6～8月)高溫(大于35 ℃)日數(shù)Fig.4 The number of days with high temperature (greater than 35 ℃)in the Yangtze River Basin in summer(June to August)

高溫與干旱的發(fā)生往往密切相關。高溫主要是長時間高壓環(huán)流控制造成的，高壓控制區(qū)域的下沉運動則成為降水的不利條件。通過對比分析圖3和圖4可見，高溫發(fā)展嚴重區(qū)域與面雨量偏少區(qū)域高度重合。在少雨、高溫等有利于氣象干旱的因子綜合作用下，長江流域氣象干旱快速發(fā)展，流域大部分區(qū)域中旱及以上日數(shù)普遍達到20 d以上，其中，岷江、嘉陵江、丹江口等地區(qū)中旱及以上的日數(shù)達到40 d以上(見圖5)。長江流域10省(市)中旱及以上站數(shù)比例達94.6%，為1961年以來歷史同期最多；10省(市)平均中旱及以上干旱日數(shù)(27.9 d)為1961年以來歷史同期第二多，僅次于1978年[27]。流域自7月中旬起呈現(xiàn)輕度-中度干旱狀態(tài)，8月上旬流域大部以中度干旱為主，部分區(qū)域為重度干旱。自8月中旬起，長江流域大部呈現(xiàn)重度干旱，且干旱面積和干旱程度逐步增大、增強，至8月下旬，長江流域大部分區(qū)域呈現(xiàn)重度以上干旱，部分區(qū)域達到特旱。

圖5 長江流域夏季(6～8月)中旱及以上日數(shù)Fig.5 The number of days with moderate drought or above in summer in the Yangtze River Basin(June to August)

4 2022年夏季長江流域氣候異常成因分析

對流層高層的南亞高壓以及中層的副熱帶高壓是影響中國夏季降水的重要系統(tǒng)，其強度、位置變化能夠直接影響長江流域的旱澇。圖6給出了南亞高壓面積和強度指數(shù)的逐日演變。從圖6可以看到，南亞高壓強度自2022年6月25日后開始顯著偏強，7月上中旬和8月上中旬環(huán)流形勢相比6月有著明顯的轉變，南亞高壓迅速增強并開始經向擴展，其強度顯著高于歷史平均值(見圖6(a))。南亞高壓面積同樣在6月25日起迅速擴大，主體占據(jù)中國35°N以南地區(qū)，穩(wěn)定并控制中國上空(見圖6(b))。如前文所述，南亞高壓與副熱帶高壓有著明顯的相向而行、相背而去的關聯(lián)效應。隨著南亞高壓顯著偏強并東伸，西太平洋副熱帶高壓同樣存在顯著的西伸和增強。

圖6 2022年夏季南亞高壓強度和面積指數(shù)以及副熱帶高壓強度指數(shù)和西伸脊點指數(shù)Fig.6 Intensity and area index of South Asian High；intensity and west ridge point index of Northwest Pacific Subtropical High in summer 2002

由圖6(c)和圖6(d)可見，副熱帶高壓6月份強度與常年同期基本相當。自7月10日起，開始逐漸增強，7月中下旬達到較高強度，并在整個后夏持續(xù)維持偏強狀況。副熱帶高壓偏強的同時也在向西擴展，7月中旬起即擴展至90°E以西，并與發(fā)展到強盛狀態(tài)的伊朗高壓連通，控制著整個長江流域。

中高緯地區(qū)的冷空氣活動是長江流域降水的重要條件。從2022年夏季500 hPa位勢高度場的標準化距平分別可以看出，6月份中高緯呈現(xiàn)“負正負”的高度距平分布，巴爾喀什湖以北地區(qū)為高度場負距平，正距平主要位于貝加爾湖以東至日本北部(見圖7(a))。此種環(huán)流形勢不利于冷空氣南下，中國華北地區(qū)受到高壓脊控制，出現(xiàn)大面積高溫過程。來自低緯的水汽輸送是長江流域旱澇的另一個重要條件[17]。從低緯度來看，副熱帶高壓北跳較早，相較往年同期略為偏西且偏強，將其西北側的水汽向中國長江及其以南地區(qū)輸送，江南和長江中下游梅雨開始時間亦相對偏早。從7～8月的500 hPa環(huán)流形勢(見圖7(b))中可見，中高緯呈現(xiàn)顯著“正負正”型距平場，有利于引導冷空氣南下。然而值得注意的是，隨著6月下旬副熱帶高壓的再次北跳，其北界持續(xù)偏北，且主體顯著加強并西伸。隨著伊朗高壓的發(fā)展，副熱帶高壓與其西側的大陸高壓和伊朗高壓打通，形成穩(wěn)定的副熱帶高壓帶。從標準化距平場可以看到，長江流域處于副熱帶高壓控制下，高度場偏高達到2個標準差以上，具有較強的極端性。副熱帶高壓區(qū)域內整層均存在深厚、強烈的下沉運動，以晴好天氣為主。高壓內部的降水不利條件以及強烈的晴空輻射是異常高溫干旱形成的重要原因。

注：圖中藍色實線表示5 880位勢米夏季氣候平均；紅色實線表示2022年夏季平均位置。圖7 夏季500 hPa高度場標準化距平Fig.7 Standardized anomaly of geopotential height at 500 hPa in summer

低緯水汽的向北輸送是流域降水的必要條件。從氣候平均來看(見圖8)，流域的水汽來源主要有以下通道：來自孟加拉灣的水汽在青藏高原南側輻合，部分在西南氣流的輸送下經陸地向流域輸送；另一部分孟加拉灣向東的水汽在南海地區(qū)輻合之后向北輸送至長江流域；此外，來自西北太平洋的水汽經副熱帶高壓邊緣，同樣輸送至長江流域。上述三條水汽輸送通道在長江流域產生水汽輻合，使得長江流域降水較為充沛。然而，由于今年南亞高壓和副熱帶高壓的顯著增強，副熱帶高壓控制了整個長江流域，使得來自孟加拉灣的西南氣流明顯減弱。此外，雖然來自南海和西太平洋的水汽有所增強，但由于冷空氣活動的缺乏和副高內下沉運動的盛行，水汽并未在長江流域輻合并產生降水，而是進一步向北輸送，在華北和東北地區(qū)產生水汽輻合，使得遼河流域和海河流域降水明顯偏多，降水量較常年同期分別偏多37.6%和30.5%。

圖8 整層積分水汽通量及其量級Fig.8 Water vapor flux and its magnitude integrated in the whole layert

如前文所述，蒸散發(fā)對干旱的發(fā)生發(fā)展同樣具有驅動作用[20]。由于對流層上層南亞高壓的偏強東伸以及對流層中層副熱帶高壓的偏強西伸，長江流域長時間處于上述兩大高壓系統(tǒng)控制，下沉氣流盛行，流域內以晴熱天氣為主，陸面蒸發(fā)過程極為明顯，進一步加速了干旱過程的發(fā)展。由圖9可見，長江流域除四川盆地、兩湖流域外，大部分地區(qū)蒸發(fā)量均高于歷年平均。長江上游由于海拔等因素，其高溫日數(shù)相對較少，大部分區(qū)域蒸發(fā)量高于同期平均值15%以上，部分地區(qū)高于25%以上。長江中下游除兩湖流域以外，大部分地區(qū)蒸發(fā)量高于同期平均15%～20%之間。降水量匱乏的基礎上，晴熱天氣的高蒸發(fā)量進一步加劇了長江流域夏季干旱的發(fā)生和發(fā)展。

圖9 長江流域夏季(6～8月)蒸發(fā)量距平百分率Fig.9 Percentage of evaporation anomaly in the Yangtze River Basin in summer(June～August)

5 結論與討論

本文從降水量和面雨量角度對2022年夏季長江流域干旱的基本特征進行了回歸分析，并從環(huán)流異常、水汽輸送以及蒸發(fā)等角度分析了異常干旱事件發(fā)生的成因。主要結論如下：

(1) 2022年夏季，長江流域降水和面雨量均顯著偏少，分別達到或接近1961年以來歷史最低值，長江全流域的面雨量均較常年同期偏少，部分子流域偏少4成以上。流域降水隨著6月上中旬副高的第一次北跳而開始，在下旬副高第二次北跳后降水偏少，旱情開始發(fā)生。7～8月隨著降水的持續(xù)偏少，高溫過程持續(xù)增強，四川盆地及其以東的長江流域均處于高溫區(qū)域控制。在少雨及高溫的共同作用下，流域旱情的范圍和強度迅速增大，至8月下旬，長江流域大部分區(qū)域呈現(xiàn)重度以上干旱，部分區(qū)域達到特旱。流域10省(市)中旱及以上站數(shù)比例達94.6%，為1961年以來歷史同期最多；10省(市)平均中旱及以上干旱日數(shù)(27.9 d)為1961年以來歷史同期第二多。

(2) 2022年6月份，中高緯地區(qū)環(huán)流形勢不利于冷空氣南下，且副高北跳偏早，使得長江流域降水偏少。7～8月雖然中高緯環(huán)流有利于冷空氣活動，但過于強盛的南亞高壓和副熱帶高壓控制下的長江流域將冷空氣阻擋在長江流域以北，兩個高壓疊加下，流域盛行的下沉運動不利于降水發(fā)生。從水汽輸送的角度來看，7～8月源自孟加拉灣的西南水汽通道被阻斷，來自南海和西太平洋的水汽被輸送到了長江流域以北地區(qū)，使得流域降水顯著偏少。此外，流域內高溫晴熱天氣使得蒸發(fā)量較往年同期明顯偏多，進一步促進了長江流域干旱的發(fā)展。

中國夏季降水受到諸多外強迫信號的影響，包括海溫異常、土壤濕度異常，積雪覆蓋異常、極冰異常等。其中，ENSO作為年際氣候變化的最強信號，通過大氣環(huán)流以遙相關的方式影響東亞季風系統(tǒng)的關鍵成因，成為中國夏季的旱澇預測的關鍵因素。2022年前期冬季，La Nia(ENSO負位相)事件再次發(fā)展加強，Nio4區(qū)海溫持續(xù)偏低，抑制了局地的對流活動，并激發(fā)向西傳播的Rossby波，有利于西太平洋副熱帶高壓的增強[28]，這可能是導致長江流域干旱的重要原因。印度洋海溫異常同樣對長江流域降水有著重要的影響。2022年4～5月，印度洋海溫呈現(xiàn)一致偏暖，進入6～7月印度洋偶極子呈現(xiàn)強的負位相。這種海溫異常有利于激發(fā)西北太平洋異常反氣旋性環(huán)流，顯著加強西太平洋副熱帶高壓和南亞高壓，抑制南海地區(qū)的水汽輸送，不利于長江流域的夏季降水[29-31]。北大西洋三極子型海溫異常同樣可以激發(fā)出一支跨越歐亞大陸的緯向遙相關波列，影響夏季梅雨鋒的強度。2022年春季和夏季，北大西洋海溫呈較強的正三極子型海溫異常，有利于長江中下游梅雨降水量偏少[32]。春季青藏高原積雪異常同樣是長江流域降水異常的重要先兆因子之一，春季青藏高原西北部積雪與長江流域降水呈顯著正相關[33]。2022年春末夏初，青藏高原積雪偏少，有利于后夏長江流域降水偏少。此外，影響長江流域降水的外強迫因子還有土壤濕度、極冰異常等?？傮w來看，顯著影響長江流域夏季降水的外強迫因子基本都呈現(xiàn)有利于干旱發(fā)生發(fā)展的狀態(tài)，這可能是此次長江流域干旱極端性較強的原因之一。從2022年冬季的海溫異常監(jiān)測來看，赤道中東太平洋海水表面溫度仍然持續(xù)偏冷，將可能形成21世紀首次三重La Nia現(xiàn)象。然而，長江流域夏季降水往往是各外強迫因子共同作用的結果，在氣候變暖的背景下，仍需進一步深入探索并認識各外強迫因子對的協(xié)同影響機制。

值得注意的是，在氣候變暖背景下，極端災害性天氣事件頻發(fā)，對水資源分布、交通運輸、能源調度等帶來了嚴峻挑戰(zhàn)，中國的旱澇分布格局也正在發(fā)生轉變。近年來，北方的強降水和南方地區(qū)干旱事件也呈現(xiàn)增多趨勢[34]，自然災害的風險防控以及防災減災工作面臨更加嚴峻的挑戰(zhàn)，也對氣象預報的精準服務提出了更高的要求。雖然總體來看，中央氣象臺對2022年夏季高溫預報效果較為理想，TS評分達到近7 a來最高值，且預報員的主觀預報產品對高溫的預報相比主流數(shù)值模式有明顯的優(yōu)勢。但是對于極端高溫仍然存在一定程度的漏報，部分數(shù)值模式對于40 ℃以上的高溫天氣基本沒有預報能力。高溫和干旱的預報能力仍亟待進一步提升。