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海溫異常對(duì)長江流域夏季典型旱澇的影響研究

2024-05-14 12:27:03張靈熊開國郭廣芬張俊
人民長江 2024年4期
關(guān)鍵詞:長江流域

張靈 熊開國 郭廣芬 張俊

摘要:為研究長江流域夏季旱澇特征及其與海溫異常之間的關(guān)聯(lián)性,基于中國326個(gè)氣象站降水量、NCEP/NCAR再分析資料等,采用合成分析、EOF分解等方法,分析了長江流域夏季典型旱澇年的降水分布、同期大氣環(huán)流及前期海溫特征,并以2018年為例,初步揭示了2018年前期海溫異常對(duì)大氣環(huán)流的可能影響。結(jié)果表明:① 長江流域夏季典型旱年,僅嘉陵江和岷沱江會(huì)表現(xiàn)出局部偏澇,全國為典型的Ⅰ類雨型,多雨區(qū)位于黃河流域及以北地區(qū)。前期冬季赤道太平洋表現(xiàn)出類拉尼娜的東冷西暖分布,同時(shí)黑潮區(qū)海溫偏低,西風(fēng)漂流區(qū)海溫偏暖。受多海域協(xié)同作用,同期歐亞環(huán)流場(chǎng)上自西北向東南呈現(xiàn)出“+-+”三極型分布,東亞地區(qū)為自北向南“-+-”的EAP負(fù)位相。長江流域典型澇年,全國多為典型的Ⅱ類和Ⅲ類雨型,環(huán)流及海溫呈現(xiàn)出相反特征。② 2018年為典型的長江中下游偏旱年,僅在岷沱江降水偏多近3成,為歷史第4多,與長江流域夏季降水的主模態(tài)正位相類似,解釋方差達(dá)24%。③ 2018年前冬出現(xiàn)弱拉尼娜、春末夏初西風(fēng)漂流區(qū)異常偏暖、NAT異常正位相,三者共同作用,使得東亞副熱帶西風(fēng)急流偏北,東亞沿岸出現(xiàn)EAP負(fù)位相,大陸熱低壓明顯偏強(qiáng),東亞夏季風(fēng)為1961年以來最強(qiáng),同時(shí)副高脊線最北,造成夏季降水主雨帶北推至華北、西北地區(qū),岷沱江、嘉陵江異常多,而長江中下游異常少,為典型的Ⅰ類雨型。研究成果可為長江流域旱澇預(yù)測(cè)、水資源調(diào)度提供參考。

關(guān)鍵詞:夏季典型旱澇; 海溫異常; Ⅰ類雨型; 拉尼娜; 西風(fēng)漂流區(qū); 長江流域

中圖法分類號(hào): P426.616

文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.04.016

0引 言

長江流域地處季風(fēng)區(qū),受季風(fēng)系統(tǒng)影響,氣候復(fù)雜多變。長江流域夏季氣候既與東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)中多個(gè)成員的相互協(xié)同作用有關(guān),又受熱帶海洋等外強(qiáng)迫因子的影響,同時(shí)也與中高緯冷空氣的活動(dòng)密切相關(guān)[1]。隨著氣候變暖,極端氣候事件頻發(fā),旱澇等災(zāi)害性天氣增多[2-3],例如,1990年代長江流域相繼發(fā)生了5次洪水,特別是1998年的洪水,受災(zāi)面積達(dá) 2 120萬hm2,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1 700多億元;2010年長江上游出現(xiàn)超1998年的罕見洪峰;2022年長江流域發(fā)生持續(xù)、極端的高溫干旱事件[4-7],給人民的生命安全造成威脅,同時(shí)給生產(chǎn)生活造成經(jīng)濟(jì)損失[8]。因此,針對(duì)長江流域夏季降水旱澇的研究,一直都為熱點(diǎn)[9-12]。

2018年汛期,長江上游嘉陵江、岷沱江遭受多輪強(qiáng)降水,嘉陵江亭子口水庫出現(xiàn)超50 a一遇的入庫洪水,岷江上游出現(xiàn)歷史最高水位洪水,而長江中下游高溫持續(xù),受高溫少雨影響,部分地區(qū)出現(xiàn)不同程度的干旱。2018年長江流域以旱為主但局部偏澇,這種空間分布是否具有代表性需進(jìn)一步研究。眾所周知,2018年是一次弱拉尼娜(LaNina)事件的衰減年,針對(duì)2018年夏季的氣候異常成因分析,已有研究表明,2017~2018年的拉尼娜事件對(duì)東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度,以及對(duì)中國降水出現(xiàn)“南北多,中間少”起到了重要作用[13-14]。環(huán)流異常是導(dǎo)致降水量時(shí)空分布不均、局地形成氣候事件的原因[15]。海洋外強(qiáng)迫異常又通過引起環(huán)流異常,同時(shí)也作為水汽的重要源地,可影響季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)等,導(dǎo)致強(qiáng)降水或持續(xù)高溫少雨的發(fā)生,最終形成洪澇或干旱等氣象災(zāi)害[16-17]。實(shí)際上,2018年汛期前期,除了弱LaNina事件外,北大西洋、北太平洋等海域海溫也相繼出現(xiàn)了異常,多海域的海溫異常對(duì)環(huán)流的影響有待進(jìn)一步研究?;诖耍疚囊?018年為例,探討不同海域異常海溫對(duì)長江流域典型旱澇的影響,以期為今后的流域旱澇預(yù)測(cè)提供更多的參考,同時(shí)科學(xué)服務(wù)長江流域水資源調(diào)度。

1數(shù)據(jù)資料

本文所用資料有NCEP/NCAR的2.5°×2.5°月平均再分析資料,包括海溫場(chǎng)[18]、海平面氣壓場(chǎng),200,500,850 hPa高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)。此外,還有國家氣象中心整編的中國地區(qū)326個(gè)氣象站1961~2020年月降水量資料和西太平洋副熱帶高壓(西太副高)、Nino3.4區(qū)、北大西洋三極子(NAT)海溫指數(shù)、西風(fēng)漂流區(qū)海溫指數(shù)等。

2長江流域夏季典型旱澇年分析

通過將長江流域1961~2020年逐年夏季降水進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交分解(EOF),挑選第一模態(tài)正位相異常年(EOF對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)PC1>1,則為旱年)和負(fù)位相異常年(EOF對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)PC1<-1,則為澇年),通過差異t檢驗(yàn)正、負(fù)位相年的全國汛期降水、同期大氣環(huán)流及前期海溫,來深入了解典型旱澇年的海溫、環(huán)流分布(圖1)。

長江流域降水旱年,全國汛期為典型的Ⅰ類雨型,多雨區(qū)在黃河流域及以北,江淮流域大范圍異常少雨,而華南沿海一帶為相對(duì)多雨區(qū),但范圍和強(qiáng)度上均不如北邊多雨區(qū)。于長江流域而言,僅在嘉陵江和岷沱江局部降水偏多。普查各相似年,除1972年全國大部少雨外,其他9年均為典型的Ⅰ類雨型。前期冬季海溫在赤道中東太平洋、印度洋、黑潮區(qū)偏低,西風(fēng)漂流區(qū)偏暖(圖2(c)),這種狀態(tài)持續(xù)至春、夏季,且西風(fēng)漂流區(qū)偏暖持續(xù)增強(qiáng)。歐亞環(huán)流場(chǎng)上自西北向東南呈現(xiàn)出“+-+”三極型分布,西歐為正高度異常,巴湖至貝加爾湖為負(fù)高度異常,中國大陸至日本群島南部到西太平洋為正高度異常;東亞地區(qū)為EAP負(fù)位相分布(圖2(a))。以上研究結(jié)論,均與陳興芳等[19]的研究結(jié)論一致。

長江流域澇年,全國汛期表現(xiàn)出Ⅱ類和Ⅲ類雨型,長江流域和東北至華北偏多,例外的是1996,1998,2020年,全國大范圍多雨。前期冬季赤道中東太平洋及印度洋、黑潮區(qū)海溫偏暖,西風(fēng)漂流區(qū)偏冷(圖2(c)),春季開始大西洋地區(qū)為弱的負(fù)位相,至夏季為明顯的負(fù)位相,東亞自北向南為EAP正位相分布(圖2(a))。

3典型年2018年前期海溫異常對(duì)大氣環(huán)流的影響

3.12018年夏季降水特征及大氣環(huán)流

近5 a PC1逐年演變具有較明顯的年際和年代際振蕩的特征(圖1(b))。1980年代以前長江流域處于偏旱時(shí)期,1980~2000年代為偏澇背景,2000年代至今PC1的年際振蕩更為明顯,如2016,2020年為明顯負(fù)位相,為典型澇年;而2006,2013,2018年又處于明顯正位相,為典型旱年。

長江流域2018年汛期降水距平百分率空間分布圖(圖3)顯示,降水空間分布不均,主要表現(xiàn)為上游局部多、中下游異常少。其中岷沱江南部、嘉陵江中部偏多5成以上,而長江中游干流區(qū)間大部偏少2成以上,局部4成以上。

處在多雨中心的岷沱江和嘉陵江,7月中旬前反復(fù)遭受強(qiáng)降水襲擊,7月上中旬發(fā)生洪水。其中岷沱江降水量為579.9 mm,較常年均值偏多近3成,為1961以來第4多年,排前3位的年份依次為1966,1961,1962年。

少雨中心位于長江中下游。處于中游的湖北省,2018年汛期降水量為320.4 mm,較常年均值偏少近4成,處于歷史第4少位,僅多于1966,1972,1978年。湖北省盛夏出現(xiàn)大范圍高溫天氣過程,55站破連續(xù)高溫日數(shù)達(dá)極端事件標(biāo)準(zhǔn),高溫日數(shù)居于歷史第3多位,大部為20~44 d。長江中下游7月中旬至8月出現(xiàn)大范圍高溫,因持續(xù)高溫少雨,部分區(qū)域出現(xiàn)旱情。

分析發(fā)現(xiàn),長江上游的岷沱江降水量排名前3位的年份(1966,1961,1962年),和長江中游降水量異常少的前3 a(1966,1972,1978年),均與2018年類似,即與長江流域1961~2020年汛期降水EOF分解的第一模態(tài)正位相相似,長江流域整體以少為主,異常少雨中心位于長江中、下游沿江地區(qū),異常多雨中心位于岷沱江、嘉陵江,這一模態(tài)的解釋方差為24.0%(圖1(a))。

持續(xù)的大氣環(huán)流異常是降水異常最為直接的原因,導(dǎo)致2018年強(qiáng)降水集中在長江上游局部地區(qū),而長江中下游大部高溫干旱,對(duì)應(yīng)的大氣環(huán)流形勢(shì)為偏東氣流型[20]。500 hPa高度場(chǎng)上,東亞中高緯呈兩槽一脊型分布(圖4(a)),巴爾克什湖和日本東北部為槽區(qū),貝加爾湖至中國東北部為高壓脊,同時(shí)東亞沿岸由北至南為“-+-”的高度距平分布,呈現(xiàn)出東亞-太平洋型遙相關(guān)(EAP)負(fù)位相的特征。海平面氣壓場(chǎng)上,東亞地區(qū)偏低,尤其是西太平洋至中國東南沿海偏低明顯,表現(xiàn)出夏季大陸熱低壓明顯偏強(qiáng)(圖4(b))。

3.2海溫對(duì)大氣環(huán)流的可能影響

有研究指出2018年汛期氣候趨勢(shì)預(yù)測(cè)的先兆信號(hào)是拉尼娜事件和熱帶印度洋全區(qū)一致模態(tài)(IOBW)偏冷。自2017年10月開始,至2018年4月,赤道中東太平洋發(fā)生了一次弱的東部型拉尼娜事件,該事件在2018年1月達(dá)到峰值,整個(gè)冬季為1981年以來歷史第7低位(圖5(a))。至春季,赤道太平洋仍保持中東部偏冷而西部偏暖,印度洋呈現(xiàn)出西暖東冷,北大西洋自北向南呈現(xiàn)出明顯的“-+-”三極型分布(NAT正位相)(圖5(b))。從印度洋、大西洋、太平洋各項(xiàng)指數(shù)上看,春季最為異常的是NAT,在2018年春季及春末夏初 (5~6月)NAT處于歷史第2高位;次異常的為西風(fēng)漂流區(qū),海溫異常偏暖,在春季及4~5月的偏暖程度均居歷史第4和第5位(圖6)。

3.2.1拉尼娜對(duì)環(huán)流的影響

眾多學(xué)者研究表明,ENSO事件對(duì)于東亞夏季氣候有著重要的影響[21-22]。厄爾尼諾次年,夏季風(fēng)易偏弱,長江流域降水偏多;而拉尼娜次年,東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng),長江流域降水偏少[23-24]。

差異診斷分析赤道中東太平洋暖、冷異常年自中高層至低層的大氣環(huán)流,結(jié)果顯示:前冬中東太平洋偏冷年,200 hPa上東亞上空中國東北為明顯的反氣旋性環(huán)流,以南為明顯的氣旋環(huán)流,在40°N以北為偏西風(fēng),以南為明顯的偏東風(fēng),表明東亞副熱帶高空急流位置較常年同期偏北(圖7(a))。500 hPa東亞沿岸EAP為負(fù)位相分布,在30°N以北的高度場(chǎng)正異常中心,對(duì)應(yīng)的反氣旋環(huán)流明顯,即副高脊線位置較常年同期偏北(圖7(b))。850 hPa矢量風(fēng)上最顯著的特征為菲律賓附近為異常氣旋式環(huán)流,東亞沿岸由北至南為“氣旋-反氣旋-氣旋”。海平面氣壓場(chǎng)上,東亞大陸上空為明顯的負(fù)氣壓異常分布,表明東亞大陸熱低壓明顯偏強(qiáng)。

前冬中東太平洋偏暖年,環(huán)流呈現(xiàn)出相反的分布,東亞副熱帶高空急流位置偏南,EAP為正位相,東亞大陸熱低壓明顯偏弱。

綜合來看,前冬赤道中東太平洋異常冷時(shí),對(duì)流層自高層至低層體現(xiàn)出東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng)、副高偏北的特征。從季風(fēng)指數(shù)和副高脊線位置來看,2018年汛期東亞夏季風(fēng)指數(shù)是1961年以來最強(qiáng)的一年,同時(shí)副高脊線位置偏北3.8°,為1961年以來最北的一年(圖8)。這一結(jié)論也符合趙振國[25]提出的觀點(diǎn),在東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng)時(shí),夏季出現(xiàn)Ⅰ類雨型的概率最大這一結(jié)論。

3.2.2北大西洋海溫三極子模態(tài)對(duì)大氣環(huán)流的影響

2017年秋季北大西洋海溫自北向南為冷-暖-冷的負(fù)位相分布,至2018年1月開始反轉(zhuǎn),且負(fù)位相轉(zhuǎn)為正位相的速度較快,至2月指數(shù)達(dá)到1,至5月和6月NAT指數(shù)已超2,居于歷史同期前列(圖6)。

當(dāng)春末夏初的NAT正位相時(shí),激發(fā)北半球大西洋自北向南呈“-+-”的波列,從而引起歐亞遙相關(guān)分布,使得東亞中高緯為“-+-”,表現(xiàn)出兩脊一槽,異常中心分別位于烏拉爾山、貝加爾湖、鄂霍次克海地,風(fēng)場(chǎng)上對(duì)應(yīng)“氣旋-反氣旋-氣旋”,其中中國東北以北至鄂霍次克海為明顯的氣旋性環(huán)流,以南為反氣旋環(huán)流,在40°N為界,以南為偏西風(fēng),以北為偏東風(fēng),東亞副熱帶西風(fēng)急流偏北;自高層200 hPa、中層500 hPa至低層850 hPa上表現(xiàn)出類似特征,環(huán)流系統(tǒng)相對(duì)深厚,同時(shí)東亞地區(qū)自北向南呈現(xiàn)出“-+-”的EAP負(fù)位相(圖9)。

海平面氣壓場(chǎng)在東亞地區(qū)為異常低,尤其是30°N以南為顯著的低異常,而在高緯度地區(qū)為正異常,也即大陸熱低壓明顯偏強(qiáng),使得海陸熱力差異增大,促進(jìn)東亞夏季風(fēng)北推,進(jìn)一步使得來自北邊的冷空氣勢(shì)力減弱。差異顯著區(qū)域主要位于烏拉爾山、西太平洋副熱帶地區(qū)以及西北半球的北大西洋地區(qū),正對(duì)應(yīng)著烏拉爾山阻塞、西太平洋副熱帶高壓等系統(tǒng)。

當(dāng)春末夏初的NAT負(fù)位相時(shí),環(huán)流則相反。

3.2.3西風(fēng)漂流區(qū)海溫對(duì)大氣環(huán)流的影響

2017年9月開始,西風(fēng)漂流區(qū)海溫持續(xù)增暖,隨時(shí)間推移,偏暖區(qū)西擴(kuò),至2018年5月,西風(fēng)漂流區(qū)的海溫指數(shù)超1℃,居于歷史前五位(圖6)。

當(dāng)春末(4~5月)西風(fēng)漂流區(qū)海溫偏暖時(shí),夏季500 hPa高度距平場(chǎng)在東亞中高緯度自西向東為“ -+-”的分布,整體呈現(xiàn)出兩槽一脊的分布,槽脊分布與春末夏初NAT正位相年較為相似。

從西風(fēng)漂流區(qū)暖、冷年500 hPa高度差值場(chǎng)來看,存在顯著差異區(qū)域位于烏拉爾山、貝加爾湖、日本群島以東。矢量風(fēng)差值場(chǎng)顯著區(qū)顯示(圖10),西風(fēng)漂流區(qū)海溫與西太平洋副熱帶高壓有著密切的關(guān)系,尤其是脊線南北位置,前者在春末夏初時(shí),與夏季西太副高脊線的相關(guān)系數(shù)為0.3,通過5%的顯著性檢驗(yàn)。由此可見西風(fēng)漂流區(qū)通過影響西太副高南北位置,來最終影響長江流域汛期降水。

4結(jié) 論

本文分析了長江流域歷年來夏季典型旱澇年的大氣、海洋特征,并以2018年為例,揭示前期海溫異常對(duì)造成降水異常的大氣環(huán)流的影響,得出以下結(jié)論:

(1) 長江流域降水偏旱年,全國為典型的Ⅰ類雨型。歐亞地區(qū)自西向東為“+-+”三極型分布,同時(shí)東亞自北向南“-+-”遙相關(guān)波列式分布。前期冬季至春、夏季,海溫在赤道中東太平洋、印度洋、黑潮區(qū)海溫偏低,西風(fēng)漂流區(qū)海溫偏暖。

(2) 2000年代至今,長江流域旱澇的年際振蕩明顯。長江流域2018年夏季降水空間分布不均,上游局部多、中下游大部異常少。其中岷沱江南部、嘉陵江中部偏多5成以上,受強(qiáng)降水反復(fù)襲擊,嘉、岷兩江形成洪水事件;而長江中游干流區(qū)間大部偏少2成以上,局部4成以上,高溫持續(xù)疊加少雨,長江中下游出現(xiàn)旱情。類似2018年降水長江上游東北部多、長江中下游異常少的相反分布,歷史年份占比為24%。

(3) 2018年前期冬季為弱拉尼娜,春末夏初西風(fēng)漂流區(qū)為歷史第4暖,NAT正位相為歷史第2。在前冬赤道中東太平洋異常冷背景下,疊加春末夏初的NAT正位相,激發(fā)出北半球大西洋地區(qū)自北向南呈“-+-”的波列,引起歐亞遙相關(guān)分布,進(jìn)而使得東亞出現(xiàn)EAP負(fù)位相,東亞副熱帶西風(fēng)急流偏北,大陸熱低壓明顯偏強(qiáng),助力東亞夏季風(fēng)北推。西風(fēng)漂流區(qū)的偏暖,進(jìn)一步促進(jìn)西太副高脊線北移。前期海溫異常共同作用,使得2018年夏季風(fēng)為1961年以來最強(qiáng)副高脊線為1961年以來最北,EAP為負(fù)位相,夏季降水主雨帶北推至華北、西北地區(qū),長江中下游降水異常少,為典型的Ⅰ類雨型。

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(編輯:謝玲嫻)

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