洞庭湖流域夏季降水特征及旱涝年份大气环流分析

黎燚隆，章新平，尚程鹏

（湖南师范大学资源与环境科学学院，湖南 长沙 410081）

降水是对社会经济活动和生态系统具有直接而且深刻影响的气候要素，其异常变化往往使社会系统产生显著的敏感性反应。近百年来，伴随着全球气候变暖，极端天气气候事件的发生频率增加［1-3］，其中最具影响力的是大范围持续少雨干旱和流域性超强降水。在东亚季风区，夏季风爆发多始于4月，到7月趋于鼎盛，对应着我国人口和经济密集的江淮地区梅雨期，降水的异常变化不论干旱或是区域性极端降水增多［4-6］，其影响都是严重的，因而其规律性和成因受到广泛的关注。

学者对我国夏季降水的时空变化特征的研究已经取得了不少成果［7-10］。 申乐琳［11］等人对近 50 年来中国夏季降水及水汽输送特征的研究中发现，西太平洋副热带高压南侧的东南季风与北方冷槽的偏北风及其异常水汽输送是我国东部夏季降水异常的主要成因；黄荣辉［12］等人对我国东部夏季降水异常主模态的年代际变化及其与东亚水汽输送的关系进行了分析，结果表明我国东部季风区夏季降水的时空变化存在两种主模态，两种主模态的年代际变化与东亚上空夏季水汽输送通量的时空变化密切相关；吕俊梅［13］等人对近百年来中国东部夏季降水年代际变化特征及其原因进行了探究，发现太平洋年代振荡、北极涛动和北极海冰三个因子对中国东部夏季降水年代际变化起到协同作用。我国夏季降水的影响因素除了东亚夏季风外［14-16］，太平洋海温异常［17-19］，西风急流［20］，台风活动［21，22］也起到重要作用。

洞庭湖流域介于东经（107°16′～114°17′）与北纬（24°38′～30°26′）之间，南起南岭北止长江，西面武陵山东临罗霄山脉，东南西三面环山，向北开口，构成独特的“马蹄”形地形格局，地貌形态复杂多样，流域面积总计26.2万km2，约占整个长江流域面积的14%（图1）。受亚热带季风和地形的影响，降水时空分布不均匀，旱涝灾害频发，尤其当夏季异常降水发生，造成的影响甚为严重［23，24］。 如 1998 年夏季，短时间内集中降雨导致的百年一遇的特大洪水对流域内人民群众生命财产安全造成重大损失［25］；2011年洞庭湖区遭遇50a一遇连续性季节干旱，造成直接经济损失近百亿［26］。对洞庭湖流域现有的气候变化研究［27-29］主要聚焦于大范围降水的时空特征文以基于1961-2015年96站夏季（5-7月）降水最新资料序列，从区域气候变化的视角，分析了洞庭湖流域降水时空变化基本特征。在此基础上，探讨洞庭湖流域降水与东亚季风区水汽通量散度及可降水量场之间的相关关系，并选取典型夏涝年、夏旱年就大气环流形势和水汽输送差异进行比较分析，取得了一些新的结果，这些结果可能有助于洞庭湖流域夏季降水异常成因的认知。

1 研究数据

本文采用的数据包括：（1）洞庭湖流域96个气象站点的逐月降水数据，时间序列为1961-2015年。根据流域的气候特点，本文划定5-7月为夏季，常年平均为1961-2015年夏季降水的多年平均值；（2）NCEP/NCAR月平均再分析资料，要素有8层等压面（1000～300hPa）上的纬向风分量u、经向风分量v和比湿q，地面气压场、500hPa位势高度场，水平分辨率为 2.5°×2.5°。

2 研究方法

2.1 旱涝等级划分

本文根据洞庭湖流域各年夏季降水的分布特点，中国气象局降水量距平百分率划分标准及各学者的相关研究［30，31］，将旱涝程度划分为大涝、偏涝、正常、偏旱、大旱5个等级，见表1。

表1 旱涝程度等级划分

2.2 水汽通量及水汽通量散度［32］

水汽通量指单位时间流经某一单位截面积的水汽质量，水汽通量散度是指单位时间内在某区域辐合或辐散的水汽含量，散度为正表示该地水汽辐散，散度为负则表示水汽辐合。纬向水汽通量Qu和经向水汽通量Qv的计算公式分别为：

式中：q为比湿，单位g·kg-1；g为重力加速度，单位m.s-2；ps为地面气压，单位hPa；pt为气柱顶气压，本文取300hPa。水汽通量散度D的计算公式为：

式中：a为地球半径；φ和λ分别表示经度和纬度。

2.3 功率谱分析［33］

功率谱是功率谱密度函数的简称，它定义为单位频带内的信号功率。它表示了信号功率随着频率的变化情况，即信号功率在频域的分布状况。功率谱表示了信号功率随着频率的变化关系。功率谱表达式如下

其中An是周期信号中频率为nΩ0谐波分量的幅值，Pn＝An2·2-1的频率是 nΩ0谐波分量的功率。

3 结果与分析

3.1 洞庭湖流域夏季降水的空间分布特征

3.1.1 夏季平均降水量和夏季降水标准差的空间分布

通过对流域各站点55a的逐年夏季降水量的统计，得到洞庭湖流域夏季平均降水量和夏季降水标准差的空间分布（图1）。

图1 洞庭湖流域夏季平均降水量距平等值线图（单位：mm）

从夏季降水量的空间分布来看，降水量的低值中心位于流域中部一带，高值中心则主要出现在西北部山区地带与西南部丘陵地区。夏季平均降水量的最大值出现在五峰站，达到1245.3mm，这与该站高海拔的地形抬升作用有关；夏季平均降水量的最小值位于流域中部的衡南站，仅470.7mm，该站地处流域中部平原地区，夏季较难难发生冷暖气流交汇，因此降水量相对偏少。夏季平均降水量主要分布在540～640mm，站点数约占流域总站点数的46%。

从夏季降水量的离散程度来看，流域内各站点降水量标准差的空间分布大致从西北向东南方向递减。全流域的平均标准差为238mm，流域西北部来凤站降水的标准差最大，达353mm；流域中部部的武冈站的标准差最小为119.7mm。整体上看，夏季降水标准差的空间分布和夏季平均降水量的空间分布相似，即降水偏多的地方，标准差值偏大，发生旱涝灾害可能性较大，而降水偏少的地方，标准差值偏小，发生旱涝灾害可能性较小。

3.1.2 洞庭湖流域夏季降水的时间变化特征

洞庭湖流域夏季的平均降水量具有明显的年代际变化特征，通过对流域内各站点每10a降水距平百分率的统计，分别得到洞庭湖流域夏季不同年代际降水距平百分率的空间分布 （图2）和站点统计（表 2）。

图2 洞庭湖流域夏季不同年代际降水距平百分率的空间分布

表2 洞庭湖流域夏季不同年代际降水距平百分率的站点统计（站数（占总站数的百分率））

由图2和表2可知，按年代划分，流域夏季降水量呈现偏少与偏多相间出现的特征，1990年代是夏季降水量最多的年代。

图3给出了洞庭湖流域平均55a夏季降水距平百分率的年际和年代际变化。从年际变化来看，夏季降水年际变化大其中，2002年夏季降水异常偏多，流域平均降水量达803.96mm，比常年平均偏多34.59%，为近55a来降水最多的年份，而1985年夏季降水为历年最少，降水量只有416.2mm，比常年平均偏少30.32%。根据旱涝标准表1，55a中夏季降水共出现偏涝及大涝年份共5a，偏旱及大旱年份共6a。从年代际变化来看，自20世纪80年代后，洞庭湖流域夏季降水波动增大，结合图4的功率谱分析结果表明，洞庭湖流域夏季降水存在一个准20a周期的变化与一个准3a周期，通过0.05置信度检验。

图3 洞庭湖流域夏季降水距平百分率的年际和年代际变化

图4 洞庭湖流域夏季降水的频率谱分析

3.2 典型夏涝、夏旱年的平均大气环流

为了分析典型夏旱涝年和夏旱年大气环流背景， 根据旱涝标准选择 1993、1996、1998、1999、2002 年作为典型夏涝年及 1963、1965、1972、1985、2011、2013年作为典型夏旱年。图5给出了典型夏涝年和夏旱年的平均大气环流形势。

从图5（见彩页）可以看出，在典型夏涝年，500hPa高度距平场上，中高纬地区存在着3个正距平中心和3个正距平中心，为3波型；在典型夏旱年，基本为1波长波形，东半球中高纬基本为负距平控制，西半球则为正距平控制。可以看出夏涝年和夏旱年位势距平分布具有相反特征，在涝年，欧亚地区和低纬度热带海洋地区为显著的正距平控制，气压高度偏高，而在旱年，欧亚地区和低纬度热带海洋地区被显著的负距平控制，气压高度偏低，反应欧亚大陆高压强度在涝（旱）年偏弱（强），中高纬冷空气偏弱（强）。

对应的500hPa高度场上，在典型夏涝年，588hgpm高度线表示西北太平洋副热带高压控制面积大，强度强，，副高中心约位于 130°E，25°N。 欧亚大陆高压脊偏弱，而典型旱年，不存在588hgpm高度线，反应了西北太平洋副热带高压偏弱。

图6 洞庭湖流域夏季降水与同期西太平洋副热带高压强度指数与面积指数

经统计，洞庭湖流域夏季降水量与西北太平洋副热带高压面积指数、强度指数在显著相关（图6），相关性分别达到0.28，0.32通过过信度95%的显著性检验。流域夏季降水偏多的年份，西太平洋副热带高压面积偏大，强度偏高；流域夏季降水偏少的年份，西太平洋副热带高压面积偏小，强度偏低。

综上，夏季流域降水偏多（偏少）年份，对应西北太平洋副热带高压偏强（偏弱）。

3.3 典型夏涝、夏旱年的平均水汽输送特征

降水的产生需水汽条件和水汽发生凝结的动力条件。图7（见彩页）出了流域典型夏涝年、夏旱年整层水汽通量和水汽通量散度距平的分布。

在典型夏涝（旱）年（图7，见彩页），流域内具有明显的水汽辐合（辐散）异常，水汽通量散度距平可达-（＋）2×10-5kg·（m2·s）-1以上，当水汽辐合时，水汽来源于西北太平洋副热带高压西侧东南偏南气流，与孟加拉湾到南海地区上空西南气流的汇合。

4 结论

利用逐月降水数据和NCEP/NCAR再分析数据，研究了洞庭湖流域近55a来夏季降水的时空分布特征，分析了典型夏季降水异常年份平均的大气环流形势和水汽输送特征，得到以下主要结论：

（1）洞庭湖流域夏季降水量自湘江中游一带向东南和西北逐渐递增，夏季降水标准差和夏季平均降水量有着基本一致的空间分布。洞庭湖流域夏季降水量存在准3a和准20a周期。20世纪60年代降水偏少，70年代较60年代降水增多，80年代夏季降水最少，90年代是55a间夏季降水最多的十年，进入21世纪以来夏季降水又呈减少。

（2）洞庭湖流域夏季降水异常与欧亚地区上空大气环流形势的关系密切。典型夏涝（旱）年时，欧亚大陆高压偏弱，冷空气偏弱，西北太平洋副高偏强（弱），形势有利于冷暖气流在30N附近区域汇合。

（3）洞庭湖流域夏季水汽输送主要来自西南水汽通道及西太平洋暖湿气流，在典型夏涝（旱）年，流域内出现显著的水汽辐合（辐散）。

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