2021年漢江上游秋雨異常偏多及成因分析

范 維 丁洪亮 董付強(qiáng) 邱 輝

（1.漢江水利水電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，武漢 430048；2.長江水利委員會(huì)水文局，武漢 430010）

0 引 言

華西秋雨是指我國四川、重慶、貴州、甘肅東南部、陜西南部、湖南湖北西部、云南東北部一帶秋季多雨的特殊天氣現(xiàn)象[1]。秋季南下的冷空氣與上述地區(qū)暖濕氣流持續(xù)交匯，造成渭河、漢江、岷沱江、嘉陵江、烏江、沅江等流域出現(xiàn)持續(xù)強(qiáng)降雨，水文上則表現(xiàn)為明顯的秋汛。按照中國氣象局南北秋雨的地理劃分標(biāo)準(zhǔn)，漢江上游位于我國南北秋雨交界地帶，包括陜西南部和湖北中西部地區(qū)[2-4]，秋季持續(xù)性強(qiáng)降雨通常造成漢江流域發(fā)生嚴(yán)重洪水災(zāi)害，以及城市內(nèi)澇、滑坡、泥石流等次生災(zāi)害[5-7]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，華西秋雨呈明顯增加趨勢[8-14]，特別是2010年以來，漢江上游在2010年、2011年、2014年、2017年和2021年發(fā)生明顯秋汛，秋雨周期縮短為3～4年。

2021 年，漢江上游降雨持續(xù)偏多，尤其是8 月下旬開始，漢江上游接連發(fā)生持續(xù)性強(qiáng)降雨；漢江中游支流白河發(fā)生超歷史記錄特大洪水，鴨河口水庫入庫洪峰流量超歷史極值（18 200 m3/s），漢江中下游皇莊站以下干流水位全線持續(xù)超警戒。2021年秋汛期（8月21日至10月31日），丹江口水庫累計(jì)來水量401億m3，為1973年建庫以來秋汛期洪量歷史最大值，屬來水異常偏豐年份。本文通過分析秋季環(huán)流及外強(qiáng)迫信號(hào)特征，揭示秋雨異常偏多成因[15-19]，有助于為漢江上游秋雨預(yù)測提供參考依據(jù)，對漢江流域秋季防洪及丹江口水庫汛末提前蓄水具有十分重要的意義，也有利于積極應(yīng)對氣候變化、推動(dòng)長期降雨預(yù)測工作更好地服務(wù)于國家南水北調(diào)戰(zhàn)略。

1 資料與方法

本文使用了1960-2021 年漢江上游逐日分區(qū)面雨量資料、1981-2020 年氣候平均值資料。副熱帶高壓指數(shù)及Nino3.4 區(qū)指數(shù)來自國家氣候中心，文中部分圖形出自國家氣候中心大氣環(huán)流交互分析網(wǎng)站，作圖數(shù)據(jù)為美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）提供的水平分辨率為2.5°×2.5°的逐日大氣環(huán)流資料，氣候場資料來自于NCEP提供的1981-2010年數(shù)據(jù)。

漢江上游秋雨的起止時(shí)間和強(qiáng)度指標(biāo)，參照中華人民共和國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《中國雨季監(jiān)測指標(biāo)-華西秋雨》（QX/T 496-2019）[20]確定。漢江上游分區(qū)面雨量采用流域內(nèi)各分區(qū)雨量站點(diǎn)使用泰森多邊形計(jì)算方法求得。受資料限制，采用漢江上游3個(gè)分區(qū)日面雨量（08-08時(shí)）作為判定漢江上游秋雨的降水資料，當(dāng)分區(qū)面雨量≥1.0 mm即視為流域分區(qū)內(nèi)各站點(diǎn)降雨量不為0。秋雨區(qū)域、秋雨日、秋雨起止日、秋雨日數(shù)、秋雨量和秋雨強(qiáng)度指數(shù)采用以下方法確定。

（1）秋雨區(qū)域。以丹江口水庫壩址以上為漢江上游秋雨區(qū)，為便于分析將漢江上游劃分為石泉站以上、石泉站至白河站、白河站至丹江口壩址3個(gè)分區(qū)。

（2）秋雨日的確定。自8 月21 日開始至10 月31 日，當(dāng)漢江上游流域3 個(gè)分區(qū)中有兩個(gè)分區(qū)的面雨量≥1.0 mm時(shí)為1個(gè)秋雨日，否則為非秋雨日。

（3）秋雨起止日的確定。自8 月21 日起，若連續(xù)出現(xiàn)5 個(gè)秋雨日，或連續(xù)5 d 中只在第2～4 d 中出現(xiàn)1 個(gè)非雨日，則判定秋雨開始，并將第1個(gè)雨日定義為漢江上游秋雨開始日期；如果8月21日至9月下旬均沒有連續(xù)秋雨日，則將9月出現(xiàn)的第1場區(qū)域性大雨以上過程的開始日定為秋雨開始日期。秋雨開始后，至10 月31 日前（包括10 月31日）為止的最后5個(gè)秋雨日（或連續(xù)5 d中只在第2～4 d中出現(xiàn)1個(gè)非雨日），則將最后一個(gè)連續(xù)5 d的秋雨日后一日，定為漢江上游秋雨結(jié)束日期；如果10月沒有連續(xù)秋雨日，則將9月下旬至10月出現(xiàn)的最后一個(gè)大雨以上過程的最后一個(gè)雨日定為秋雨結(jié)束日期。

（4）秋雨日數(shù)和秋雨量。秋雨日數(shù)為秋雨起止日之間的總?cè)諗?shù)，秋雨量為秋雨期間漢江上游面雨量的累計(jì)值。

（5）秋雨強(qiáng)度指數(shù)。采用秋雨日數(shù)和秋雨量兩個(gè)指標(biāo)綜合衡量秋雨強(qiáng)度，計(jì)算公式如下：

式中：I為秋雨強(qiáng)度；D、R分別為流域內(nèi)某年秋雨日數(shù)（d）和秋雨量（mm），D0和R0分別為流域內(nèi)秋雨日數(shù)和秋雨量的氣候平均值；SD和SR分別為流域內(nèi)秋雨日數(shù)和秋雨量的氣候標(biāo)準(zhǔn)差。將秋雨綜合強(qiáng)度指數(shù)作為劃分依據(jù)，把秋雨強(qiáng)度劃分為5個(gè)等級，見表1。

表1 華西秋雨強(qiáng)度等級劃分

2 2021年漢江上游秋汛特點(diǎn)

2.1 秋雨開始早、歷時(shí)長、秋雨量顯著偏多

2021 年漢江上游秋雨開始早、歷時(shí)長，按照秋雨綜合強(qiáng)度指數(shù)評價(jià)，2021年漢江上游秋雨強(qiáng)度指數(shù)為1.5，屬顯著偏強(qiáng)年份。2021 年漢江上游秋雨期開始于8 月21 日，較常年平均開始日期（9月2日）偏早12 d；結(jié)束于10月16日，較常年平均結(jié)束日期（10月11日）略偏晚；秋雨期共計(jì)57 d，較多年平均秋雨期日數(shù)35 d顯著偏多22 d。

秋汛期，漢江上游累計(jì)面雨量543.5 mm，較多年平均秋雨量195.6 mm 顯著偏多1.8 倍（圖1），3 個(gè)分區(qū)中石泉站以上、石泉站至白河站區(qū)間面雨量分別為664 mm、630 mm，均為建庫以來同期最大值。秋汛期，安康站以上大部地區(qū)降雨量為500～700 mm，其干流南岸部分地區(qū)700～900 mm，最大降雨量出現(xiàn)在渚河觀音堂站1126.8mm。秋雨主要集中在8 月下旬至9 月，其中8 月下旬（21-31 日）漢江上游累計(jì)面雨量168.8 mm，較多年均值偏多3.1 倍，為1960 年以來同期最大值；9 月面雨量316.6 mm，列歷史同期第2位，僅次于1984年（331 mm）。

圖1 漢江流域2021年秋汛期降雨量實(shí)況及距平圖

2.2 暴雨頻繁、降雨強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長

8 月中旬開始，漢江上游暴雨頻發(fā)，進(jìn)入秋汛期后，接連發(fā)生8 次強(qiáng)降雨天氣過程（表2），部分支流出現(xiàn)大暴雨，降雨中心多站累計(jì)過程降雨量超過200 mm。秋雨期間，漢江上游面雨量大于1.0 mm 的雨日數(shù)39 d，其中暴雨日5 d，大雨日9 d，中雨日13 d，暴雨日數(shù)多。8 月25 日至9 月7 日、9 月15-20 日、22-29 日、10 月3-8 日發(fā)生了6 次強(qiáng)降雨天氣，過程持續(xù)6-14 d，其中8 月25 日至9 月7 日的降水過程持續(xù)14 d，連續(xù)發(fā)生3 次流域性大到暴雨天氣過程，累計(jì)降雨量193.4 mm，降雨基本無間歇。

表2 2021年秋汛期漢江上游強(qiáng)降雨過程統(tǒng)計(jì)

2.3 洪水次數(shù)多、多輪洪水過程重疊、來水量大

2021 年秋汛期，丹江口水庫累計(jì)來水約401 億m3，較常年同期偏多4 倍，來水異常偏多時(shí)段集中在8 月下旬至9 月。分月看，8 月下旬平均入庫流量8 440 m3/s，較常年同期偏多3.7倍；9月平均入庫流量8 467 m3/s，較常年同期偏多3.6 倍，均為1973 年水庫建成以來同期最大值；10 月上旬平均入庫流量5 210 m3/s，較常年同期偏多3.1倍。

秋汛期，丹江口水庫共發(fā)生入庫洪峰流量大于5 000 m3/s 的洪水8 場（表3），洪水場次超過1983 年，其中入庫洪峰流量超過10 000 m3/s 的洪水7 場，入庫洪峰流量超過20 000 m3/s 的洪水3場，最大入庫洪峰達(dá)24 900 m3/s（9月29日03時(shí)），為2011年以來最大洪水量級。

表3 2021年秋汛期丹江口水庫入庫洪水對比

3 2021年環(huán)流特征分析

3.1 北半球環(huán)流異常特征對比

通常情況下，隨著季節(jié)演變大氣環(huán)流隨之調(diào)整，秋季西風(fēng)帶系統(tǒng)逐漸增強(qiáng)，副熱帶系統(tǒng)逐漸減弱南退。漢江上游地處秦巴山區(qū)，是南北氣候的過渡帶，秋季冷空氣沿河西走廊南下，與停滯在該地區(qū)的暖濕氣流持續(xù)交匯，加劇鋒面活動(dòng)形成連陰雨天氣。

2021年秋汛期，200 hPa緯向風(fēng)距平在40°N-45°N附近為明顯的正距平帶，我國華北北部至東北地區(qū)為明顯的正距平中心，漢江流域處于正距平中心南側(cè)（圖2），表明高空西風(fēng)偏強(qiáng)，且于40°N附近穩(wěn)定維持，急流中心位于華北地區(qū)，漢江上游處于高空急流南側(cè)的高空輻散區(qū)，對應(yīng)中低層輻合上升，有利于漢江上游降水產(chǎn)生和維持。

圖2 2021年秋汛期200 hPa緯向風(fēng)距平場

500 hPa 高空距平圖上，歐亞中高緯自西北向東南呈“+-+”的典型異常波列分布，烏拉爾山及西西伯利亞為明顯正距平，巴爾喀什湖至貝加爾湖以及蒙古地區(qū)是寬廣的槽區(qū)，為明顯的負(fù)距平，雅庫茨克及我國東北至東部沿海為正距平，雙阻型環(huán)流形勢利于冷空氣在巴爾喀什湖和貝加爾湖地區(qū)堆積，西北地區(qū)多短波槽引導(dǎo)冷空氣從西北和蒙古地區(qū)南下影響我國中東部地區(qū)；低緯度印度半島至南亞東部為正距平，說明印緬槽偏弱，配合印緬槽的秋季逐日監(jiān)測看，印緬槽秋季整體偏弱，9 月偏弱，10月前期有階段性增強(qiáng)；西太平洋副熱帶高壓較常年氣候態(tài)異常偏強(qiáng)偏西，588 dagpm脊線位于長江干流沿線30°N-33°N 附近，較常年偏北約5°，西伸脊點(diǎn)到達(dá)長江中游100°E 附近，較常年偏西約30°（圖3），利于副高西南側(cè)暖濕氣流向西北地區(qū)輸送。

圖3 2021年秋汛期500 hPa平均位勢高度及距平場

700 hPa矢量風(fēng)距平場看，2021年秋汛期，我國東部至日本西部為穩(wěn)定的反氣旋式環(huán)流，川渝經(jīng)華北至東北上空為環(huán)流西側(cè)強(qiáng)盛的西南暖濕氣流，攜帶大量水汽直達(dá)川陜至華北地區(qū)。同時(shí)西北地區(qū)至蒙古為氣旋環(huán)流，氣旋南側(cè)的西風(fēng)和西北風(fēng)利于北方冷空氣沿河西走廊和高原東部向東傳輸（圖4（a））。從地面到300 hPa 整層積分的水汽輸送可見，西北地區(qū)東傳的干冷空氣和川渝至華北的西南暖濕氣流在漢江上游至華北東北交匯（圖4（b）），造成2021年北方秋雨的顯著偏多，我國東部沿海的反氣旋環(huán)流與西北地區(qū)東部氣旋環(huán)流的穩(wěn)定維持為漢江上游秋雨的異常偏多提供了必要水汽條件。

圖4 2021年秋汛期700 hPa矢量風(fēng)距平場和地面至300 hPa整層積分的水汽輸送距平及水汽通量散度距平

3.2 副熱帶高壓異常特征

分析2021 年逐日西太副高的緯度-時(shí)間剖面圖發(fā)現(xiàn)，8 月中旬開始110°E-130°E 范圍內(nèi)西太副高異常強(qiáng)盛，588 dagpm 平均位于30°N-35°N 附近，其北界的位置進(jìn)退與秋汛期降雨持續(xù)時(shí)段有很好的對應(yīng)關(guān)系（圖5）。8月下旬，588 dagpm 線第一次越過30°N，持續(xù)到9 月上旬末，對應(yīng)8月25日至9月7日較長時(shí)間的持續(xù)強(qiáng)降雨，9月中、下旬和10 月上旬分別有3 次進(jìn)退過程，與9 月15-20 日、22-29日、10月3-8日3次降雨過程時(shí)間非常一致。由此可見，副高強(qiáng)度偏強(qiáng)，脊點(diǎn)偏西、脊線穩(wěn)定偏北是漢江上游秋汛期出現(xiàn)4次階段性持續(xù)強(qiáng)降雨的主要原因之一。

圖5 2021年秋汛期逐日西太副高的緯度-時(shí)間剖面圖

3.3 海溫異常特征

赤道中東太平洋海溫異常是造成大氣環(huán)流異常的主要外強(qiáng)迫因子，海溫分布狀態(tài)對我國夏、秋季降雨多寡和雨帶分布有明顯影響。有研究表明，厄爾尼諾年我國秋季降水南多北少的概率較大，而拉尼娜年西北地區(qū)秋季降雨易偏多[11-12，18-19]。

國家氣候中心監(jiān)測顯示，2020年8月至2021年3月形成一次中等強(qiáng)度的東部型拉尼娜事件，之后赤道中東太平洋海溫短暫回暖，7月開始海溫持續(xù)下降，并于10月再次進(jìn)入拉尼娜狀態(tài)，形成“雙峰型”拉尼娜年（圖6（a））。Walker環(huán)流秋季9-10 月表現(xiàn)為海洋性大陸強(qiáng)烈的上升支和印度洋西部、赤道太平洋東部的強(qiáng)烈下沉支（圖6（b）），顯示W(wǎng)alker 環(huán)流明顯增強(qiáng)，呈典型的拉尼娜狀態(tài)特點(diǎn)，有利于秋季西太副高維持偏強(qiáng)偏西偏北。

圖6 Nino3.4區(qū)逐侯指數(shù)和9-10月Walker環(huán)流距平場

4 結(jié) 論

2021 年，漢江上游秋雨異常偏多，導(dǎo)致流域發(fā)生多場較大洪水，出現(xiàn)超20年一遇秋汛洪水。通過分析秋汛期的降雨、來水特征，探究秋雨異常的環(huán)流特征及外強(qiáng)迫信號(hào)，得出以下結(jié)論：

（1）2021 年漢江上游秋季降雨和來水異常偏多，秋雨期具有開始早、歷時(shí)長、雨日多、雨量大、階段性強(qiáng)降雨顯著等特點(diǎn)，丹江口水庫來水相應(yīng)呈現(xiàn)洪水次數(shù)多、量級大、場次重疊、來水量大等特點(diǎn)。

（2）200 hPa 緯向風(fēng)在40°N-45°N 附近同為正距平帶，華北有明顯的正距平中心，高空西風(fēng)急流穩(wěn)定于40°N附近，漢江上游處于高空急流南側(cè)的高空輻散區(qū)，對應(yīng)低空輻合上升運(yùn)動(dòng)，利于漢江上游降水的維持。500 hPa歐亞中高緯呈“+-+”的波列分布，利于西風(fēng)帶低槽引導(dǎo)冷空氣東傳影響。西太平洋副熱帶高壓主體異常偏強(qiáng)偏西，脊線北段位于30°N 附近及以北地區(qū)，利于西南暖濕氣流向漢江及華北輸送，副高脊線的進(jìn)退和穩(wěn)定維持與漢江上游強(qiáng)降雨起止時(shí)間具有較好對應(yīng)關(guān)系。

（3）2021年赤道中東太平洋海溫在拉尼娜事件結(jié)束后再次進(jìn)入拉尼娜狀態(tài)，漢江上游秋雨偏多屬對該區(qū)冷海溫的響應(yīng)，與華西秋雨異常偏多年赤道中東太平洋拉尼娜型海溫異常具有較好的一致性。

通過2021年秋雨異常的成因探究，分析異常氣候事件及高相關(guān)因子演變趨勢，對預(yù)判漢江上游秋汛期降雨異常偏多具有較好指示意義，可以此建立流域?yàn)?zāi)害性異常氣候預(yù)測預(yù)警機(jī)制，使?jié)h江流域防洪減災(zāi)更有針對性，丹江口水利樞紐調(diào)度決策更精準(zhǔn)精細(xì)。