2022年夏季長江流域氣象干旱特征及成因初探

馮 寶 飛，邱 輝，紀 國 良

(1.長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430010； 2.中國長江三峽集團有限公司，湖北 宜昌 443100)

0 引 言

政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第六次評估報告指出，在全球氣候變暖的背景下，全球干旱事件的頻率和強度均呈增加態(tài)勢，極端干旱事件的發(fā)生更加頻繁[1-2]。中國是干旱事件發(fā)生頻率高且影響嚴重的國家之一[3]，20世紀70年代以來，東亞大氣環(huán)流系統(tǒng)從對流層到平流層都發(fā)生了明顯的年代際轉(zhuǎn)折[4]，中國氣候格局呈現(xiàn)出北方易遭旱災、南方旱澇并發(fā)的特征，大范圍的干旱災害連年頻發(fā)[5]。長江流域是中國第一大流域，面積約180萬km2，約占全國國土面積的1/5，流域儲備有全國約1/3的水資源量，在中國經(jīng)濟和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。然而，近幾十年來長江流域極端干旱事件發(fā)生的頻率和強度均有所增強[6-9]；有研究發(fā)現(xiàn)，1979～2012年間，長江流域約發(fā)生了29次干旱事件[10]；近20 a來，長江流域出現(xiàn)了2006年夏季、2011年冬春季、2013年夏季、2019年秋季等多次嚴重的干旱事件[11-13]，對國家糧食安全、社會經(jīng)濟發(fā)展、人民生活生產(chǎn)造成極大的威脅。

國內(nèi)外學者對干旱問題進行了大量的研究，由對干旱的定性和表象認知，發(fā)展到對干旱客觀特征的定量認識和形成機理的深入揭示[4]。黃榮輝等[14]研究了2009年秋至2010年春中國西南地區(qū)嚴重干旱的成因，認為冷空氣偏弱和孟加拉灣水汽輸送偏弱是主因，而人為因素加劇了旱情的發(fā)生與發(fā)展[15]。陶云等[16]認為印緬槽不活躍或偏弱導致了云南省2009～2012年4 a連旱；陶詩言等[17]研究認為中國大陸長時期處于東亞大槽槽后西北氣流控制，導致2008，2009年秋冬季中國東部嚴重干旱。而2006年川渝高溫干旱的原因除了大氣環(huán)流異常以外[18-19]，前冬青藏高原積雪偏少也是高溫干旱產(chǎn)生的原因之一[20]。劉詩夢等[21]從能量演變特征分析發(fā)現(xiàn)，初夏歐洲關(guān)鍵區(qū)高層動能變率與中國江淮流域干旱為顯著正相關(guān)。而赤道中東太平洋海面異常偏低可加劇長江中下游的干旱[22-23]。

干旱事件是地球系統(tǒng)各大圈層之間物質(zhì)和能量長期交換累計效應導致的復雜現(xiàn)象，其發(fā)生和發(fā)展還往往表現(xiàn)為不同的時間和空間尺度以及尺度之間的交叉耦合，使得干旱的形成機制變得更加復雜[24-25]。2022年夏季，長江流域又發(fā)生了嚴重的高溫干旱事件，出現(xiàn)了100 a一遇罕見的枯水現(xiàn)象，中下游沿線各地區(qū)用水主體的保供需求面臨著嚴重挑戰(zhàn)，且干旱發(fā)展過程中出現(xiàn)了許多獨特性。本文通過分析2022年長江流域夏季干旱的演變特征，分析流域性干旱產(chǎn)生的大氣環(huán)流背景，探討干旱事件產(chǎn)生的主要原因，為流域開展干旱預測預警提供一定的參考。

1 資料和方法

降雨數(shù)據(jù)：本研究所用的降雨資料為長江水利委員會水文局和湖北省氣象局聯(lián)合制作的長江流域670站1960～2022年逐日(北京時間08∶00至次日08∶00)雨量資料(站點分布如圖1所示)，所有雨量數(shù)據(jù)均通過系統(tǒng)的質(zhì)量控制和均一性檢驗，保證了資料的連續(xù)性和完整性，其中長江源區(qū)缺少雨量站點長序列歷史資料，故本文主要分析長江源區(qū)以下的干旱特征。文中均值和計算距平的均值均為1991～2020年30 a均值。

圖1 長江流域雨量站點分布

環(huán)流數(shù)據(jù)：本研究采用美國國家環(huán)境預報中心(National Centers for Environmental Prediction，NCEP)的全球再分析數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時間長度為1979年1月至2022年8月的逐日數(shù)據(jù)，網(wǎng)格分辨率為2.5°×2.5°。

本文采用標準化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index，SPI)來反映氣象干旱的程度，它是表征某一時間尺度降水量出現(xiàn)概率多少的指標之一[26-28]。SPI指數(shù)具有無量綱、標準化、多時間尺度的特點，可以反映長時間尺度的降水演變狀況，受到廣泛應用。長江流域及各分區(qū)SPI指數(shù)為該區(qū)域所有站點的SPI指數(shù)的算術(shù)平均。

基于SPI指數(shù)的干旱等級劃分參照國家標準GB/T 20481-2017《氣象干旱等級》[28]，見表1。

表1 基于SPI指數(shù)的干旱等級劃分

本文引入旱澇站次比作為表征區(qū)域旱澇特征的評估指標。旱澇站次比(Pj)為研究區(qū)內(nèi)發(fā)生旱(澇)站次占全部站數(shù)的比例，主要用于評估旱澇發(fā)生的范圍。利用Pj可定義不同旱澇事件范圍，劃分標準[26]為：Pj≥50%為全區(qū)域旱(澇)；50%>Pj≥33%為區(qū)域性旱(澇)；33%>Pj≥25%為部分地區(qū)旱(澇)；25%>Pj≥10%為局部地區(qū)旱(澇)；Pj<10%則表示無明顯旱(澇)。

2 2022年夏季長江流域干旱時空分布特征

2.1 總體特征

2022年夏季，長江流域累計面雨量341.6 mm，為1960年以來歷史同期最少，較30 a均值(1991～2020年，下同)偏少30%，其中，7～8月長江流域累計面雨量174.8 mm，為歷史同期最少，較均值偏少44%，且較歷史同期第二少(1972年213.2 mm)偏少38.4 mm，見圖2。

圖2 1960～2022年夏季長江流域面雨量變化

從2022年6月中旬開始，長江流域面雨量轉(zhuǎn)為偏少狀態(tài)，出現(xiàn)澇旱轉(zhuǎn)折的現(xiàn)象。6月長江流域降水偏少6%，7月偏少34%，8月偏少56%，偏少程度逐漸加?。?月除金沙江及鄱陽湖水系偏多外，長江流域其余各分區(qū)均偏少，7～8月長江流域各分區(qū)均偏少，偏少范圍擴大至幾乎整個流域，見圖3及表2。隨著降水快速轉(zhuǎn)為偏少，長江流域高溫熱浪天氣隨之開始，8月18日和19日，重慶市北碚區(qū)出現(xiàn)45 ℃的高溫，成為長江流域今年最高氣溫，且北碚區(qū)日最高氣溫達40 ℃以上的高溫日數(shù)持續(xù)最久，長達29 d。長江流域發(fā)生了嚴重的高溫干旱事件，具有持續(xù)時間長、范圍廣、強度大的特征。

圖3 2022年6～8月長江流域降水距平

表2 2022年6～8月長江流域及各分區(qū)降水量統(tǒng)計

2.2 演變過程

圖4給出了2022年6～8月長江上游、中下游以及流域逐旬面雨量距平變化特征。由圖4可知，從6月中旬開始，長江流域面雨量轉(zhuǎn)為偏少，出現(xiàn)澇旱轉(zhuǎn)折的現(xiàn)象，至8月底持續(xù)偏少。從整體上看，6～8月面雨量偏少的趨勢逐漸加劇。

圖4 2022年6～8月長江流域旬雨量距平百分率變化

對于長江上游，從6月中旬開始降雨一直持續(xù)偏少，7月上旬和8月中旬出現(xiàn)兩次極少峰值，均偏少6成以上；對于長江中下游，從6月下旬開始降雨一直持續(xù)偏少，偏少程度呈現(xiàn)逐步增加的趨勢，于8月中旬達到極值，8月中旬面雨量僅5.2 mm，偏少了9成，兩湖流域(洞庭湖和鄱陽湖)基本無有效降雨。

圖5給出了2022年6～8月長江流域緯向剖面的日雨量演變特征，由圖5可知，6月上旬至7月中旬，長江上游出現(xiàn)4次較大降雨過程，分別在6月下旬初、6月下旬中期、7月中旬初、7月中旬末，降雨過程主要集中在105°E～110°E范圍內(nèi)，即嘉岷流域、長江上游干流附近，降雨過程間歇期長；長江中下游流域出現(xiàn)7次較大降雨過程，均出現(xiàn)在7月下旬之前，降雨范圍集中在110°E～120°E范圍內(nèi)，即兩湖水系和長江下游附近，降雨過程間歇期明顯，除6月中旬末降雨過程強度明顯偏強外，其余均以中至大雨為主；7月中旬以后，整個流域降雨過程明顯減少，除8月底嘉陵江流域附近有一次降雨過程外，其他時間流域基本無明顯降雨過程，進一步凸顯了長江流域8月降雨顯著偏少的特征。

圖5 2022年6～8月長江流域緯向剖面日雨量演變特征

2.3 SPI指數(shù)分析

受獨特地形和氣候的影響，長江流域旱澇空間分布差異顯著。圖6給出了2022年6～8月長江流域逐月和夏季SPI指數(shù)空間分布，表3給出了2022年夏季長江流域不同分區(qū)的SPI指數(shù)。

表3 2022年6～8月長江流域不同分區(qū)SPI指數(shù)

圖6 2022年6～8月長江流域逐月和夏季SPI指數(shù)分布

2022年6月，長江流域SPI指數(shù)為-0.08，整體表現(xiàn)為正常；從空間分布來看(見圖6)，金沙江上游、鄱陽湖水系北部、兩湖水系南部SPI指數(shù)大于1，呈現(xiàn)出澇的特征，長江流域其余大部分地區(qū)SPI指數(shù)為負值，呈現(xiàn)出正常到輕旱的特征。7月，長江流域SPI指數(shù)為-0.62，表現(xiàn)為輕旱，上游為-1.08，表現(xiàn)為中旱，中下游為-0.33，表現(xiàn)為正常；從空間分布上看，長江上游西部大部分地區(qū)SPI指數(shù)在-1.5以下，呈現(xiàn)出重旱的特征，漢江上游、鄱陽湖水系、長江下游表現(xiàn)為輕旱的特征，洞庭湖水系表現(xiàn)為正常到澇的特征。8月，長江流域SPI指數(shù)為-1.54，表現(xiàn)為重旱，上游為-1.26，表現(xiàn)為中旱，中下游為-1.72，表現(xiàn)為重旱；從空間分布上看，除嘉陵江上游、漢江上游部分地區(qū)SPI指數(shù)大于-1外，流域大部地區(qū)的SPI指數(shù)多在-1以下，表現(xiàn)為中旱，尤其是烏江、兩湖水系呈現(xiàn)重旱到特旱的特征。對于整個夏季而言，長江流域SPI指數(shù)為-1.04，表現(xiàn)為中旱，上游為-1.34，表現(xiàn)為中旱，中下游為-0.84，表現(xiàn)為輕旱；從空間分布上看，岷沱江、長江上游干流SPI指數(shù)小于-1.5，表現(xiàn)為重旱，上游其他地區(qū)SPI指數(shù)小于-1，表現(xiàn)為中旱；中下游各分區(qū)SPI指數(shù)在-1.5～-0.5之間，為輕旱至中旱。

表4給出了2022年夏季長江流域的干旱站次比。可以看到，對于6月，長江流域總的干旱站次比為31.0%，總體呈現(xiàn)出部分地區(qū)輕旱的特征。7月，流域干旱范圍、級別增加，輕旱及以上站次比為50.2%，中旱及以上占次比為29.9%，重旱及以上占次比為17.8%，總體呈現(xiàn)出全區(qū)域輕旱、部分地區(qū)中旱、局部地區(qū)重旱的特征。8月，流域干旱進一步發(fā)展，流域輕旱及以上站次比高達83.7%，中旱及以上占次比為70.7%，重旱及以上占次比為51.2%，總體呈現(xiàn)出全區(qū)域重旱、部分地區(qū)特旱的特征。對于整個夏季而言，長江流域內(nèi)輕旱及以上站次比為74.9%，中旱及以上占次比為53.8%，重旱及以上占次比為28.8%，總體呈現(xiàn)出全區(qū)域中旱、部分地區(qū)重旱、局部地區(qū)特旱的特征。

表4 2022年6～8月長江流域干旱站次比

綜合以上分析，從降水特征、SPI指數(shù)空間分布、分區(qū)SPI指數(shù)、干旱站次比等多角度分析，可以認為2022年夏季6～8月長江流域出現(xiàn)全流域中旱、部分地區(qū)重旱、局部地區(qū)特旱。其中6月以部分地區(qū)輕旱為主，7月為區(qū)域性輕旱、部分地區(qū)中旱，8月為流域性重旱、部分地區(qū)特旱。

新《高等學校英語專業(yè)英語教學大綱》指出，“課堂教學應以學生為主體而以教師為主導，改變以教師為中心的教學模式”[10]。因此，筆者的視聽說課堂教學將課前學習任務(wù)作為課堂學習認知活動的中心，以組織及激勵學生進行學習認知活動的教學方法為主。

3 大氣環(huán)流異常狀況分析

3.1 西太平洋副熱帶高壓

利用國家氣候中心發(fā)布的西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)面積、強度、脊線、西伸脊點逐日數(shù)據(jù)，分析長江流域夏季副高的特征(見圖7)。2022年6月上旬，副高面積及強度偏小、西伸脊點偏東、脊線位置偏南，此時長江中下游已入梅，長江中下游干流以南降水偏多；6月中旬到7月上旬，副高面積、強度和西伸脊點呈現(xiàn)波動狀態(tài)，西伸脊點整體偏西，此時長江流域多雨區(qū)和少雨區(qū)南北擺動，但整體以偏少為主；7月中旬到8月底，副高的平均面積指數(shù)比氣候平均偏高約50個格點，強度指數(shù)偏高約250 dagpm，西伸脊點偏西約17個經(jīng)度，此時長江流域降水總體偏少，尤其是洞庭湖水系和鄱陽湖水系8月面雨量僅為19.7 mm和27.0 mm，較常年偏少了8成多(見圖8)。

圖7 2022年6～8月西太平洋副熱帶高壓指數(shù)逐日變化

圖8 2022年6～8月長江流域旬雨量距平百分率空間變化

副高從6月中旬開始處于西伸加強的狀態(tài)，較常年同期明顯偏強，7～8月幾乎一直控制整個長江流域，受強大的副熱帶高壓控制，長江流域大部分地區(qū)盛行下沉氣流有利于地面增溫，加之在大范圍高壓帶作用下，空氣較為干燥，不易形成云，也使得太陽輻射更容易到達地面，導致高溫頻發(fā)，進而造成流域出現(xiàn)持續(xù)高溫干旱事件[29]。

3.2 西風帶環(huán)流

中高緯度環(huán)流對長江流域夏季降水影響很大，圖9對500 hPa上的位勢高度特征進行了逐旬分析。由圖可知，2022年6月上旬歐亞高緯呈“兩脊一槽”型，青藏高原附近有弱槽脊波動，副高主體位于西太平洋洋面上，漢江上游附近的位勢高度距平偏高，流域干流南部位勢高度距平偏低，東亞大槽及青藏高原小槽在隨西風帶東移的過程中給長江流域帶來降水。6月中旬東亞大槽明顯東移，長江流域大部分地區(qū)位勢高度偏低，蒙古有高壓脊出現(xiàn)，長江流域處于槽后脊前氣流下沉區(qū)，不利于降水發(fā)生，流域降水開始轉(zhuǎn)為偏少。6月下旬副高及大陸高壓相向而行，副高主體西伸靠近大陸，大陸高壓開始東伸，長江流域位勢高度均為正距平，流域北部受高空槽影響有降水產(chǎn)生，其余大部分地區(qū)降水偏少。7月上旬大陸高壓控制長江上游西部，副高西伸控制長江中下游，西風帶偏北且較平直，長江流域降水明顯減少。7月中旬，副高控制長江流域大部分地區(qū)，西風帶環(huán)流較平直，流域大部分地區(qū)降水明顯偏少，但東亞大槽槽底有少許冷空氣下滲至長江流域北部，給嘉陵江及漢江上游帶來一些降水。7月下旬，大陸高壓與副高徹底打通，形成大范圍的暖高壓帶，受強大的副高控制，干燥的下沉氣流控制長江流域大部分地區(qū)。8月上中旬，貝加爾湖北部有低槽發(fā)展，下旬在東移的過程中攜帶冷空氣下滲，嘉陵江及漢江上游出現(xiàn)一次降雨過程，長江中下游地區(qū)仍被副高控制，中緯度西風帶較平直，中下游干旱進一步加劇。

圖10是中層700 hPa旬平均位勢高度場及距平場。6月上中旬，青藏高原位勢高度基本正常，長江下游有高空槽移過，青藏高原上有低值系統(tǒng)生成。6月下旬開始，青藏高原位勢高度轉(zhuǎn)為正距平，高原生成的低值系統(tǒng)東移至長江上游。7～8月，青藏高原及流域大部地區(qū)位勢高度為正距平，低槽位置偏北，基本位于黃河流域及以北，長江流域無明顯低值系統(tǒng)影響，導致流域無明顯降水過程。由于青藏高原的地形作用和熱力的不均勻性，夏季高原主體和高原東側(cè)會頻繁產(chǎn)生低渦系統(tǒng)，高原低渦東移可造成高原以東地區(qū)出現(xiàn)強降水。但6月下旬開始，青藏高原位勢高度轉(zhuǎn)為正距平，高原低渦活動減少，強度偏弱，不利于長江流域的降水。

圖10 2022年6～8月700 hPa旬位勢高度平均場和距平場

3.3 水汽輸送

長江流域的水汽主要源自北印度洋、南海及西太平洋，圖11給出了2022年夏季對流層整層積分水汽輸送距平及水汽通量散度距平場。由圖11可知，2022年夏季，來自印度洋的水汽輸送較常年偏弱，來自副高外圍的西太平洋水汽輸送較強，但水汽主要輸送至長江中下游和華北地區(qū)。從水汽通量散度距平場來看，2022年夏季長江上游及長江中下游大部分地區(qū)的水汽輸送通量散度表現(xiàn)為正值，表明以上區(qū)域水汽呈輻散狀態(tài)，即長江流域的水汽為凈失去狀態(tài)，不利于長江流域產(chǎn)生降水。

注：箭頭為整層水汽輸送距平，kg/(s·m)；填色區(qū)為水汽輸送輻合輻散距平場，10-5 kg/(s·m2)。

3.4 熱帶低值系統(tǒng)

2022年夏季，西北太平洋和南海共有9個編號臺風生成，其中3個臺風登陸中國，編號臺風及登陸中國臺風個數(shù)均偏少，尤其7月份登陸中國的臺風個數(shù)為0，較均值偏少2個(見圖12)。夏季影響中國的臺風強度整體較弱，主要影響區(qū)域為南海及華南一帶，影響范圍偏南。臺風活動偏少不利于副熱帶高壓的撤退和斷裂，也是造成流域高溫少雨天氣的原因之一。這也與臺風與中國西部降水統(tǒng)計特征相符[30]。

圖12 2022年夏季編號臺風及登陸中國臺風個數(shù)統(tǒng)計

4 水資源綜合利用的思考

在全球氣候變暖的背景下，中國極端氣候事件增加，特別是干旱災害發(fā)生頻率和強度呈明顯上升的態(tài)勢。旱災由于持續(xù)時間長、波及范圍廣，對國民經(jīng)濟特別是農(nóng)業(yè)產(chǎn)生嚴重影響，隨著經(jīng)濟社會的持續(xù)發(fā)展，因干旱缺水造成的損失越來越嚴重，干旱災害的日益嚴重決定了中國的抗旱減災任務(wù)也將日益艱巨而繁重。

在改革開放前，中國一年中電力季節(jié)性高峰負荷大都出現(xiàn)在冬季，改革開放后，隨著生活水平的提高，家用電器的普及，特別是空調(diào)、降溫負荷的發(fā)展，不少地區(qū)一年中季節(jié)性高峰負荷已經(jīng)轉(zhuǎn)移到夏季[35]。當夏季長江流域出現(xiàn)持續(xù)高溫天氣，空調(diào)降溫負荷劇增，電力需求加大，水庫在保水和供電上常存在矛盾的情況，2022年夏季則尤為突出。在不降低水庫防洪標準、也基本不增加長江中下游防洪壓力的前提下，以大洪水來臨前將水庫水位預泄至汛限水位為條件，由防汛部門根據(jù)防洪形勢、實際來水及預測預報情況進行機動控制，提前攔蓄洪水資源，適當抬高運行水位，可提高抗旱、供水等保障能力，同時增加發(fā)電效益，使水庫發(fā)揮更大的綜合效益。

5 結(jié) 論

本文從干旱總體特征、演變過程、SPI指數(shù)、天氣氣候成因的角度出發(fā)，分析了2022年夏季長江流域干旱的時空演變特征和成因，并探討了水庫水資源綜合利用對抗旱的作用，結(jié)果表明：

(1)2022年夏季，長江流域出現(xiàn)全流域中旱、部分地區(qū)重旱、局部地區(qū)特旱。流域旱情的發(fā)展逐步加?。?月部分地區(qū)以輕旱為主，7月為區(qū)域性輕旱、部分地區(qū)中旱，8月為流域性重旱、部分地區(qū)特旱，流域內(nèi)多站高溫、降水量突破歷史極值。

(2)2022年6月中旬起西太平洋副熱帶高壓加強西伸，7～8月幾乎一直控制整個長江流域，流域大部分地區(qū)盛行下沉氣流；同時歐亞大陸中高緯西風帶環(huán)流較平直，槽脊活動偏弱，導致影響長江流域的冷空氣明顯偏少偏弱；6月下旬起青藏高原位勢高度轉(zhuǎn)為正距平，造成高原低渦活動減少，強度偏弱，同時夏季長江流域大部分水汽通量以輻散為主；西太平洋洋面大部分被強盛的副高下沉氣流控制，臺風活動明顯偏少；上述天氣氣候形勢共同導致了2022年夏季長江流域出現(xiàn)持續(xù)性高溫少雨天氣。

(3)在全球變暖的背景下，極端天氣氣候事件發(fā)生頻率明顯上升，如何有效地利用水利工程應對極端天氣氣候事件，已成為重要的科學與應用問題。實踐表明：采用工程措施與非工程措施結(jié)合的方式，科學動態(tài)控制水庫群的運行水位，可提高抗旱、供水、發(fā)電的保證率，更好地發(fā)揮水利工程綜合效益是應對極端干旱事件的有效手段之一。