2022年夏季长江流域干旱特征及成因分析

周 军，任 宏 昌，王 蒙，崔 童

(1.国家气象中心，北京 100081； 2.国家气候中心，北京 100081)

0 引 言

近年来，中国极端天气事件频发，高温、干旱灾害风险加大，严重影响工农业生产和人民生活，造成了巨大的社会影响和经济损失[1-2]。ICPP AR6报告指出，随着未来全球变暖进一步加剧，极端高温干旱事件等灾害性天气比例将持续增加[3-4]。长江流域作为中国最重要的经济带，其干旱与洪涝灾害的发生对中国政治经济有着举足轻重的影响，已有大量国内外学者针对长江流域旱涝的成因和规律进行了深入研究[5-7]。

2022年夏季，长江流域发生了1961年以来最强的持续性高温天气，具有持续时间长、影响范围广、极端性强等特点。全国高温日数为有记录以来历史同期最多。自5月27日至8月30日，中央气象台共发布高温预警139期，包含高温黄色预警68期，高温橙色预警49期，高温红色预警22期。自7月21日至8月31日，连续发布高温预警81期。高温少雨天气导致长江流域干旱不断发展，土壤墒情下降，农业干旱也发生发展，对水稻、玉米等作物以及经济林果、水产养殖等造成了不利影响。此外，高温干旱天气导致水域面积锐减和水位下降，四川省、重庆市等地火灾频发，并对能源供应等造成较大影响。

大量研究表明，西太平洋副热带高压和南亚高压是影响长江流域旱涝的两个关键大气环流系统[8-11]。当西太平洋副热带高压西伸北跳，并稳定维持时，长江中下游地区往往降水偏少，出现高温酷暑天气[12-13]。南亚高压东伸加强，往往也对应着西太平洋副热带高压西进[14]。这种南亚高压和西太平洋副热带高压异常在不同层次上的叠加，可以在中国南方地区形成深厚的高压异常，这是导致该地区出现持续性降水偏少以及高温异常的直接原因[15-16]。西太平洋副热带高压的位置和强度变化对于水汽输送通道亦有着重要的影响[17-18]。此外，虽然降水偏少是引起干旱的重要原因，但蒸散发对于干旱的发生发展同样有着不可忽视的驱动作用[19-21]。

由于气象干旱情况下引发水文干旱的概率极高[22]，本文中提到的干旱主要指气象干旱。本文将从2022年夏季降水量以及水文面雨量特征出发，对长江流域的降水及干旱展开特征分析，并对其成因展开进一步讨论。

1 资料和方法

本文使用的逐日观测资料(08：00～08：00)来自中国气象局国家气象信息中心整编发布的“中国地面气象要素日值数据集(V3.0)”，包括中国2 474个基本、基准气象站、一般气象站1951年1月以来的逐日气温和降水量观测资料，上述资料均经过国家气象信息中心的质量控制和极值检验[23]。所采用的格点高度场、风场、比湿、蒸发等物理量来源于欧洲中期天气预报中心(ECMWF)发布的ECMWF Reanalysis v5(ERA-5)再分析数据集[24]，其水平分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 h。物理量场的逐日数据采用当日(北京时)24 h数据合成分析。文中计算的气候平均值，即气候平均态(简称气候态)均采用1991～2020年同期平均值。变量的距平指的是变量当前时段的数值与其气候态的差。距平百分率的计算方式为距平/气候态×100%。文中采用国家气候中心现行业务规范中的气象干旱综合指数(Meteorological Drought Composite Index，MCI)作为依据来划分气象干旱等级，其具体计算方法及划分气象干旱等级标准详见GB/T 20481-2017《气象干旱等级》。

长江流域的面雨量计算采用国家气象中心业务中长江流域720个国家站，利用泰森多边形法[25-26]，将流域内各相邻雨量站用直线相连，作各连线的垂直平分线，这些垂直平分线相交把流域划分为若干个多边形，每个多边形内都有一个雨量站。设每个雨量站都以其所在的最小多边形为控制面积，则流域面雨量为各雨量站点的雨量乘以各自的控制面积的总和除以流域的总面积。其计算公式为

Wi=Si/S

(1)

(2)

2 2022年夏季长江流域降水和面雨量特征

2022年夏季，全国平均降水量为1961年有完整气象观测记录以来历史同期第二少，且降水空间分布极为不均，北方降水量显著偏多，长江中下游及川渝地区降水量则较常年同期偏少2～8成。2022年梅雨雨季开始整体偏早，雨季整体偏长。江南地区于5月29日入梅，较常年入梅时间偏早11 d；于7月8日出梅，较常年出梅时间偏早2 d；整体时长40 d，较常年偏长9 d；梅雨季降水量为426.1 mm，较常年偏多7.9%。长江中下游地区于5月29日入梅，较常年入梅时间偏早16 d；于7月8日出梅，较常年出梅时间偏早8 d；整体时长40 d，较常年偏长8 d；梅雨季降水量为258.3 mm，较常年偏少18.8%。江淮地区于7月4日入梅，较常年入梅时间偏晚11 d；于7月31日出梅，较常年出梅时间偏晚17 d；整体时长27 d，较常年偏长6 d；梅雨季降水量为179.6 mm，较常年偏少30.2%。

对于长江流域整体而言(见图1)，2022年夏季长江流域720站总降水量为241 843.4 mm，较常年同期偏少34.1%，为1961年以来历史最低。长江流域夏季总面雨量为14 208.4 mm，较常年同期偏少33.7%，为1961年以来历史第二低，仅次于1978年夏季(偏少34.2%)从面雨量的时间序列可以发现，2022年长江中下游雨季开始偏早，但降水强度整体偏弱，且降水持续性较差(见图2)，6月上中旬副热带高压位置与常年同期基本相当。随着6月下旬副热带高压北跳，长江流域降水亦随之减弱，仅7月上旬和中旬各出现一次降水过程。7月下旬起至8月，副热带高压稳定偏北，降水量北多南少，长江流域几乎没有较大降水过程，且受副高下沉气流控制，干旱迅速发展。由图3可见，2022年夏季长江流域面雨量几乎全流域均呈现为负距平，即全流域面雨量均呈现偏少状况，流域大部面雨量偏少20%以上。其中面雨量偏少最严重的区域有沱江流域、向家坝-寸滩区间、吴江下游、清江、灃水、丹江口-皇庄区间、资水、抚河以及鄱阳湖湖区及其下游，降水较多年平均值偏少40%以上。

图1 长江流域历年夏季降水量、面雨量及站点分布Fig.1 Annual summer precipitation,annual summer areal precipitation anomalies and stations distribution in the Yangtze River Basin

图2 2022年夏季西太平洋副热带高压脊线位置与长江流域面雨量时间演变Fig.2 Time series of the Western Pacific Subtropical ridge and areal precipitation over the Yangtze River Basin in summer 2022

图3 2022年夏季长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年夏季长江流域高温干旱特征

长江中下游为2022年夏高温过程的重点区域之一，共出现两次过程性高温。2022年7月5～17日，中国中东部地区出现大面积高温天气，其中长江流域以四川盆地、江浙地区高温最为显著，高温日数达到10 d以上。7月20日至8月30日的大范围高温过程中，四川盆地及其以东的长江流域均处于高温控制下，且此次过程中气温缓慢持续攀升，干热特征尤为明显，流域大部分地区高温日数达到30 d以上，多站突破历史极值，重庆北碚单日气温极大值达到45 ℃以上。整个夏季而言(见图4)，长江中下游大部分区域高温日数均达到35 d以上，其中长江中下游部分区域高温日数达40 d以上。2022年夏季，中央气象台35 ℃以上高温预警产品的TS评分达到0.73，为近7 a来最高值，且预报员的主观预报产品对高温的预报相比主流数值模式有明显的优势。

图4 长江流域夏季(6～8月)高温(大于35 ℃)日数Fig.4 The number of days with high temperature (greater than 35 ℃)in the Yangtze River Basin in summer(June to August)

高温与干旱的发生往往密切相关。高温主要是长时间高压环流控制造成的，高压控制区域的下沉运动则成为降水的不利条件。通过对比分析图3和图4可见，高温发展严重区域与面雨量偏少区域高度重合。在少雨、高温等有利于气象干旱的因子综合作用下，长江流域气象干旱快速发展，流域大部分区域中旱及以上日数普遍达到20 d以上，其中，岷江、嘉陵江、丹江口等地区中旱及以上的日数达到40 d以上(见图5)。长江流域10省(市)中旱及以上站数比例达94.6%，为1961年以来历史同期最多；10省(市)平均中旱及以上干旱日数(27.9 d)为1961年以来历史同期第二多，仅次于1978年[27]。流域自7月中旬起呈现轻度-中度干旱状态，8月上旬流域大部以中度干旱为主，部分区域为重度干旱。自8月中旬起，长江流域大部呈现重度干旱，且干旱面积和干旱程度逐步增大、增强，至8月下旬，长江流域大部分区域呈现重度以上干旱，部分区域达到特旱。

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

4 2022年夏季长江流域气候异常成因分析

对流层高层的南亚高压以及中层的副热带高压是影响中国夏季降水的重要系统，其强度、位置变化能够直接影响长江流域的旱涝。图6给出了南亚高压面积和强度指数的逐日演变。从图6可以看到，南亚高压强度自2022年6月25日后开始显著偏强，7月上中旬和8月上中旬环流形势相比6月有着明显的转变，南亚高压迅速增强并开始经向扩展，其强度显著高于历史平均值(见图6(a))。南亚高压面积同样在6月25日起迅速扩大，主体占据中国35°N以南地区，稳定并控制中国上空(见图6(b))。如前文所述，南亚高压与副热带高压有着明显的相向而行、相背而去的关联效应。随着南亚高压显著偏强并东伸，西太平洋副热带高压同样存在显著的西伸和增强。

图6 2022年夏季南亚高压强度和面积指数以及副热带高压强度指数和西伸脊点指数Fig.6 Intensity and area index of South Asian High；intensity and west ridge point index of Northwest Pacific Subtropical High in summer 2002

由图6(c)和图6(d)可见，副热带高压6月份强度与常年同期基本相当。自7月10日起，开始逐渐增强，7月中下旬达到较高强度，并在整个后夏持续维持偏强状况。副热带高压偏强的同时也在向西扩展，7月中旬起即扩展至90°E以西，并与发展到强盛状态的伊朗高压连通，控制着整个长江流域。

中高纬地区的冷空气活动是长江流域降水的重要条件。从2022年夏季500 hPa位势高度场的标准化距平分别可以看出，6月份中高纬呈现“负正负”的高度距平分布，巴尔喀什湖以北地区为高度场负距平，正距平主要位于贝加尔湖以东至日本北部(见图7(a))。此种环流形势不利于冷空气南下，中国华北地区受到高压脊控制，出现大面积高温过程。来自低纬的水汽输送是长江流域旱涝的另一个重要条件[17]。从低纬度来看，副热带高压北跳较早，相较往年同期略为偏西且偏强，将其西北侧的水汽向中国长江及其以南地区输送，江南和长江中下游梅雨开始时间亦相对偏早。从7～8月的500 hPa环流形势(见图7(b))中可见，中高纬呈现显著“正负正”型距平场，有利于引导冷空气南下。然而值得注意的是，随着6月下旬副热带高压的再次北跳，其北界持续偏北，且主体显著加强并西伸。随着伊朗高压的发展，副热带高压与其西侧的大陆高压和伊朗高压打通，形成稳定的副热带高压带。从标准化距平场可以看到，长江流域处于副热带高压控制下，高度场偏高达到2个标准差以上，具有较强的极端性。副热带高压区域内整层均存在深厚、强烈的下沉运动，以晴好天气为主。高压内部的降水不利条件以及强烈的晴空辐射是异常高温干旱形成的重要原因。

注：图中蓝色实线表示5 880位势米夏季气候平均；红色实线表示2022年夏季平均位置。图7 夏季500 hPa高度场标准化距平Fig.7 Standardized anomaly of geopotential height at 500 hPa in summer

低纬水汽的向北输送是流域降水的必要条件。从气候平均来看(见图8)，流域的水汽来源主要有以下通道：来自孟加拉湾的水汽在青藏高原南侧辐合，部分在西南气流的输送下经陆地向流域输送；另一部分孟加拉湾向东的水汽在南海地区辐合之后向北输送至长江流域；此外，来自西北太平洋的水汽经副热带高压边缘，同样输送至长江流域。上述三条水汽输送通道在长江流域产生水汽辐合，使得长江流域降水较为充沛。然而，由于今年南亚高压和副热带高压的显著增强，副热带高压控制了整个长江流域，使得来自孟加拉湾的西南气流明显减弱。此外，虽然来自南海和西太平洋的水汽有所增强，但由于冷空气活动的缺乏和副高内下沉运动的盛行，水汽并未在长江流域辐合并产生降水，而是进一步向北输送，在华北和东北地区产生水汽辐合，使得辽河流域和海河流域降水明显偏多，降水量较常年同期分别偏多37.6%和30.5%。

图8 整层积分水汽通量及其量级Fig.8 Water vapor flux and its magnitude integrated in the whole layert

如前文所述，蒸散发对干旱的发生发展同样具有驱动作用[20]。由于对流层上层南亚高压的偏强东伸以及对流层中层副热带高压的偏强西伸，长江流域长时间处于上述两大高压系统控制，下沉气流盛行，流域内以晴热天气为主，陆面蒸发过程极为明显，进一步加速了干旱过程的发展。由图9可见，长江流域除四川盆地、两湖流域外，大部分地区蒸发量均高于历年平均。长江上游由于海拔等因素，其高温日数相对较少，大部分区域蒸发量高于同期平均值15%以上，部分地区高于25%以上。长江中下游除两湖流域以外，大部分地区蒸发量高于同期平均15%～20%之间。降水量匮乏的基础上，晴热天气的高蒸发量进一步加剧了长江流域夏季干旱的发生和发展。

图9 长江流域夏季(6～8月)蒸发量距平百分率Fig.9 Percentage of evaporation anomaly in the Yangtze River Basin in summer(June～August)

5 结论与讨论

本文从降水量和面雨量角度对2022年夏季长江流域干旱的基本特征进行了回归分析，并从环流异常、水汽输送以及蒸发等角度分析了异常干旱事件发生的成因。主要结论如下：

(1) 2022年夏季，长江流域降水和面雨量均显著偏少，分别达到或接近1961年以来历史最低值，长江全流域的面雨量均较常年同期偏少，部分子流域偏少4成以上。流域降水随着6月上中旬副高的第一次北跳而开始，在下旬副高第二次北跳后降水偏少，旱情开始发生。7～8月随着降水的持续偏少，高温过程持续增强，四川盆地及其以东的长江流域均处于高温区域控制。在少雨及高温的共同作用下，流域旱情的范围和强度迅速增大，至8月下旬，长江流域大部分区域呈现重度以上干旱，部分区域达到特旱。流域10省(市)中旱及以上站数比例达94.6%，为1961年以来历史同期最多；10省(市)平均中旱及以上干旱日数(27.9 d)为1961年以来历史同期第二多。

(2) 2022年6月份，中高纬地区环流形势不利于冷空气南下，且副高北跳偏早，使得长江流域降水偏少。7～8月虽然中高纬环流有利于冷空气活动，但过于强盛的南亚高压和副热带高压控制下的长江流域将冷空气阻挡在长江流域以北，两个高压叠加下，流域盛行的下沉运动不利于降水发生。从水汽输送的角度来看，7～8月源自孟加拉湾的西南水汽通道被阻断，来自南海和西太平洋的水汽被输送到了长江流域以北地区，使得流域降水显著偏少。此外，流域内高温晴热天气使得蒸发量较往年同期明显偏多，进一步促进了长江流域干旱的发展。

中国夏季降水受到诸多外强迫信号的影响，包括海温异常、土壤湿度异常，积雪覆盖异常、极冰异常等。其中，ENSO作为年际气候变化的最强信号，通过大气环流以遥相关的方式影响东亚季风系统的关键成因，成为中国夏季的旱涝预测的关键因素。2022年前期冬季，La Nia(ENSO负位相)事件再次发展加强，Nio4区海温持续偏低，抑制了局地的对流活动，并激发向西传播的Rossby波，有利于西太平洋副热带高压的增强[28]，这可能是导致长江流域干旱的重要原因。印度洋海温异常同样对长江流域降水有着重要的影响。2022年4～5月，印度洋海温呈现一致偏暖，进入6～7月印度洋偶极子呈现强的负位相。这种海温异常有利于激发西北太平洋异常反气旋性环流，显著加强西太平洋副热带高压和南亚高压，抑制南海地区的水汽输送，不利于长江流域的夏季降水[29-31]。北大西洋三极子型海温异常同样可以激发出一支跨越欧亚大陆的纬向遥相关波列，影响夏季梅雨锋的强度。2022年春季和夏季，北大西洋海温呈较强的正三极子型海温异常，有利于长江中下游梅雨降水量偏少[32]。春季青藏高原积雪异常同样是长江流域降水异常的重要先兆因子之一，春季青藏高原西北部积雪与长江流域降水呈显著正相关[33]。2022年春末夏初，青藏高原积雪偏少，有利于后夏长江流域降水偏少。此外，影响长江流域降水的外强迫因子还有土壤湿度、极冰异常等。总体来看，显著影响长江流域夏季降水的外强迫因子基本都呈现有利于干旱发生发展的状态，这可能是此次长江流域干旱极端性较强的原因之一。从2022年冬季的海温异常监测来看，赤道中东太平洋海水表面温度仍然持续偏冷，将可能形成21世纪首次三重La Nia现象。然而，长江流域夏季降水往往是各外强迫因子共同作用的结果，在气候变暖的背景下，仍需进一步深入探索并认识各外强迫因子对的协同影响机制。

值得注意的是，在气候变暖背景下，极端灾害性天气事件频发，对水资源分布、交通运输、能源调度等带来了严峻挑战，中国的旱涝分布格局也正在发生转变。近年来，北方的强降水和南方地区干旱事件也呈现增多趋势[34]，自然灾害的风险防控以及防灾减灾工作面临更加严峻的挑战，也对气象预报的精准服务提出了更高的要求。虽然总体来看，中央气象台对2022年夏季高温预报效果较为理想，TS评分达到近7 a来最高值，且预报员的主观预报产品对高温的预报相比主流数值模式有明显的优势。但是对于极端高温仍然存在一定程度的漏报，部分数值模式对于40 ℃以上的高温天气基本没有预报能力。高温和干旱的预报能力仍亟待进一步提升。