ABSTRACT

In this study, summer rainfall anomalies in China in the two years are compared by using the summer rainfall dataset in the Yangtze River, NCEP/NCAR reanalysis data, NOAA sea surface temperature data and so on, revealing the characteristics and the differences in low-frequency water vapor transport of the summer low-frequency precipitation of typical flood years in the Yangtze River under the background of the different type of El Nino events. The results show that the whole basin multi-precipitation occurred in the Yangtze River in 1998 while the region of more rainfall is mainly concentrated in the middle and lower reaches of the Yangtze River in 2010. There is a significant low-frequency period of 8 - 15 d and 30 - 50 d during the phase of the summer rainfall in the Yangtze River in 1998. The southwest low-frequency water vapor transport from the Arabian Sea, the Bay of Bengal and the one from the western Pacific, South China Sea along the southwest, northwest edge of the western Pacific subtropical high play an important role in the development and maintenance of the 8 - 15 d low-frequency precipitation period in summer in the Yangtze River in 1998. In contrast, there is a significant low-frequency period of 10 - 20 d and 30 - 60 d during the phase of the summer rainfall in the Yangtze River in 2010. The east low-frequency water vapor transport from the western Pacific and the northward southeast one along the southwest edge of the western Pacific subtropical high play an important role in the development and maintenance of the 10 - 20 d low-frequency precipitation period in summer in the Yangtze River in 2010.

Keywords:El Nino, Yangtze River, Low-Frequency Precipitation, Low-Frequency Water Vapor Transport

1998年和2010年夏季长江流域降水低频变化及水汽输送特征对比分析

罗菁¹，李丽平²，孙金花¹，钟泽洲¹

¹湖南省汨罗市气象局，湖南 汨罗

²南京信息工程大学大气科学学院，江苏 南京

收稿日期：2018年6月28日；录用日期：2018年7月10日；发布日期：2018年7月17日

摘 要

利用长江流域夏季降水资料和NCEP/NCAR再分析资料、NOAA海温等资料，对比分析了1998年和2010年夏季降水异常特征，探讨了不同分布型厄尔尼诺事件背景下长江流域典型涝年夏季低频降水特征及其低频水汽输送差异。结果表明，1998年长江流域全流域性多降水，而2010年降水偏多区域主要集中在长江中下游地区。1998年夏季长江流域降水存在8~15 d和30~50 d的显著低频周期，来自阿拉伯海、孟加拉湾的西南低频水汽输送及沿着副高西南、西北边缘来自西太平洋、南海的东南低频水汽输送对该年长江流域夏季8~15 d低频降水的发生和维持有着显著的作用；而2010年长江流域夏季降水存在10~20 d和30~60 d的显著低频周期，来自西太平洋的偏东低频水汽输送和沿副高西南侧北上的东南低频水汽输送对该年夏季长江流域10~20 d低频降水的发生和维持有着显著的作用。

关键词 :厄尔尼诺，长江流域，低频降水，低频水汽输送

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1. 引言

厄尔尼诺是指在赤道中东太平洋每隔几年发生一次，持续时间长达半年以上的大范围的海表温度异常增暖现象，其对全球各地的天气气候有着巨大的影响。海温异常对我国降水也有显著影响，符淙斌等 [1] 、陈文 [2] 研究结果表明，厄尔尼诺当年夏季西太平洋副热带高压偏弱，影响我国的西南气流偏弱，江淮流域夏季降水偏多，华北和长江中游降水偏少；在厄尔尼诺次年夏季，降水异常分布相反。Huang和Wu [3] 、金祖辉和陶诗言 [4] 的研究结果与之类似。

20世纪90年代以来，一种新型的厄尔尼诺事件发生概率明显增加，不同于传统的厄尔尼诺事件，其最大海温异常变暖区位于赤道中太平洋地区，即中部型厄尔尼诺，由此，关于不同分布型厄尔尼诺事件的影响研究近些年成为热门话题 [5] [6] [7] 。1997/1998年属东部型厄尔尼诺，为传统型厄尔尼诺事件；2009/2010年属中部型厄尔尼诺，为新型的厄尔尼诺事件。但1998年和2010年夏季长江流域均发生特大洪涝灾害，降水也均具有明显的阶段性特征，1998年长江流域强降水主要发生在6月中下旬和7月中下旬这2个时段 [8] ，2010年5~7月我国南方先后出现14次强降水过程 [9] 。对于1998年和2010年长江流域典型的特大洪涝灾害的成因研究，黄荣辉等 [8] 认为，造成1998年灾害的直接原因是与ENSO衰亡位相相联系的亚洲夏季风的异常。丁一汇等 [10] 对1998年5~8月中国大洪水各时段、各区域的水汽收支作了诊断分析，指出南海地区的水汽输送情况与中国强降水密切相关。谢安等 [11] 研究指出孟加拉湾地区及南海地区对长江中下游地区水汽输送的长时间维持是造成1998年长江流域洪涝的主要原因。姚文清等 [12] 认为1998年长江流域发生特大暴雨过程是在有利的持续异常且稳定的大尺度环境场及中尺度风场的配合发生的。陶玫等 [13] 指出，西太平洋副热带高压(以下简称副高)的异常变化，是导致1998年和2010年长江流域出现洪涝灾害严重的主要原因之一。王钦等 [14] 对比分析了1998年和2010年副高位置异常及其水汽来源的差异。

长江中下游地区梅雨期降水与东亚季风活动直接相关，而季风的活动还与热带季节内振荡密切相关。季节内变化主要为30~60 d的振荡(ISO) [15] [16] ，对应夏季降水具有显著的30 d和准2周低频振荡特征，而准2周低频振荡在涝年十分活跃。陆尔等 [17] 在分析江淮特大暴雨与东亚大气低频振荡关系时发现，我国东部夏季降水与低频振荡现象有密切关系；Yang等 [18] 研究表明，持续性强降水具有显著的低频振荡特征，通常位于低频振荡的活跃位相。

关于1998年和2010年长江流域特大洪涝成因的分析主要集中于大气环流和水汽输送的气候学、厄尔尼诺的影响及个例分析，所分析的对象多为月或季平均尺度。实际上，夏季降水往往包含若干个季节内低频降水过程，与之密切联系的水汽输送也表现为季节内的低频特征 [19] 。但对这两年夏季降水过程的低频水汽输送问题研究少见。本文将从水汽输送的角度，在对比分析1998和2010年夏季长江流域降水低频特征的基础上，分析1998年和2010年夏季长江流域季节内低频降水过程的低频水汽输送对低频强降水的作用，进一步探讨1998年和2010年夏季长江流域特大洪涝的成因。

2. 资料和方法

本文所用资料包括：1) NOAA 1850年1月~2014年12月全球海温数据，网格点分辨率是1˚ × 1˚；2) NCEP/NCAR提供的全球逐日纬向风(u)、经向风(v)、绝对湿度，网格点分辨率为2.5˚ × 2.5˚；3) 国家气候中心提供的1951~2014年中国160个台站月平均降水资料；4) 国家气象信息中心提供的1950~2011年中国753站逐日降水资料。文中均采用1981~2010年的平均值作为气候平均态。

本文中厄尔尼诺次年定义为厄尔尼诺发生年的第二年。选取100˚E~124˚E，24˚N~34˚N作为研究的长江流域，剔除降水资料长度不足50年的站点，共选取114个测站代表长江流域(图1)。采用Morlet小波分析方法，分析长江流域夏季降水的优势周期，并利用Butterworth带通滤波器 [20] 对优势周期以及水汽通量进行滤波。

3. 厄尔尼诺事件对长江流域次年夏季降水的影响

3.1. 厄尔尼诺事件发展盛期海温距平分布

图2为1997/1998年和2009/2010年厄尔尼诺事件发展到盛期(一般为冬季)时海温距平分布图。由图2(a)可见，1997/1998年传统型厄尔尼诺事件发展到盛期时最大海温正距平分布在赤道东太平洋及南美沿岸附近，即Nino3区域；而2009/2010年中部型厄尔尼诺事件发展到盛期时最大海温正距平则分布在赤道中太平洋日界线附近(图2(b))，即Nino4区域。

3.2. 1998年和2010年夏季长江流域降水

一般在厄尔尼诺发生的次年夏季，副高偏北偏强，长江流域降水偏多。但不同分布型厄尔尼诺事件

图1. 长江流域114个代表测站的地理分布

图2. 厄尔尼诺事件发展到盛期时的海温距平分布(单位：˚C) ((a) 1997/1998年，(b) 2009/2010年，黑色方框分别为Nino3和Nino4区)

对长江流域次年夏季降水的影响程度有所不同，1998年和2010年这两年夏季都处于厄尔尼诺事件的次年，前者对应传统的东部型厄尔尼诺，后者对应中部型厄尔尼诺。尽管这两年夏季长江流域均发生洪涝灾害，但夏季降水量及距平分布却存在着一些差异。

1998年夏季降水量大值区主要分布在四川攀枝花、湖北恩施和江西鹰潭，降水量在600~1000 mm (图3(a))，其夏季降水正距平区域基本与夏季降水量大值区相对应(图3(b))。其中，湖北东南部和江西北部的正距平达90 mm以上，说明这些地区的降水异常显著。

2010年夏季降水量大值区则主要分布在四川成都和江西上饶，降水量在500~800 mm (图4(a))，其夏季降水正距平区域也与夏季降水量大值区相对应(图4(b))。其中，位于长江中下游区域的江南地区的正距平达80 mm以上，说明该地区的降水异常很强。

图3. 1998年长江流域夏季降水量((a) 阴影区为 ≥ 600 mm的区域)和降水距平((b) 阴影区为 ≥ 30 mm的区域)空间分布(单位：mm)。黑点为10个代表站位置

图4. 2010年长江流域夏季降水量((a) 阴影区为 ≥ 500 mm的区域)和降水距平((b) 阴影区为 ≥ 0 mm的区域)空间分布(单位：mm)。黑点为10个代表站位置

以我国长江流域夏季总雨量平均在500 mm左右为参考标准来看，1998年表现为全流域性多降水，而2010年降水偏多主要发生在长江中下游。总体上，从降水量、持续时间和强度这三方面来看，1998年都较2010年要强。

4. 1998年和2010年长江流域夏季降水低频特征

4.1. 代表站的选取

由1998年和2010年长江流域夏季降水量及其距平空间分布(图3，图4)可知，降水主要集中于四川东南部和江西东北部地区。综合考虑夏季降水量大值区以及降水正距平较显著区(1998年降水正距平大于60 mm的区域，2010年降水正距平大于10 mm的区域)，并兼顾站点沿江分布的相对均一性，从114个测站中选取10个代表站作为重点研究对象，对其降水低频特征进行研究。

4.2. 降水低频特征

分别对3.1节中选取的10个代表站1998年和2010年的逐日降水序列做Morlet小波分析，借此了解长江流域夏季降水是否存在显著的低频周期。表1给出了10个代表站降水的显著低频周期统计结果，由表1可见，1998年夏季降水8~15 d和30~50 d的低频周期十分显著；而2010年夏季降水10~20 d和30~60 d的低频周期十分显著。这一结果与Lau等 [21] 指出的15~20 d低频振荡是我国东部降水主要模态基本相一致。

图5和图6分别给出了1998年和2010年夏季长江流域10个代表站的区域平均日降水序列小波分析结果。由图可见，1998年夏季8~15 d和30~50 d的低频周期在6月中下旬和7月中下旬十分显著。而2010年夏季10~20 d和30~60 d的低频周期在7月中上旬更显著。计算可知，1998年夏季降水8~15 d和30~50 d振荡的均方差与其夏季降水距平方差的比值分别为13.0%和17.1%，说明30~50 d的低频降水对该年夏季降水异常的影响较为突出。而2010年夏季降水10~20 d和30~60 d振荡的均方差与其夏季降水距平方差的比值分别为12.8%和12.1%，说明这两个周期的低频降水对该年夏季降水异常的影响基本相同。同时

表1. 长江流域10个代表站夏季(6~8月)降水的主要低频振荡周期

图5. 1998年长江流域区域平均逐日降水序列小波分析((a) 阴影区通过a = 0.05的显著性检验)和6~8月逐日降水序列(柱状图)及其8~15 d(实线)、30~50 d(虚线)的滤波曲线(b) (单位：mm)

图6. 2010年长江流域区域平均逐日降水序列小波分析((a) 阴影区通过a = 0.05的显著性检验)和6~8月逐日降水序列(柱状图)及其10~20 d (实线)、30~60 d (虚线)的滤波曲线(b) (单位：mm)

注意到，1998年夏季降水30~50 d低频分量和2010年夏季降水30~60 d低频分量对应各自的夏季降水过程，1998年夏季降水8~15 d低频分量和2010年夏季降水10~20 d低频分量则分别反映出其间降水强度的变化。当1998年夏季降水8~15 d和30~50 d低频分量的波峰叠加时降水量偏多，波谷叠加时降水中断，反位相叠加时降水减弱。2010年夏季降水10~20 d和30~60 d低频分量的位相叠加情况亦然。

5. 低频水汽通量对低频降水的影响

水汽通量既能反映水平风场的特征，又能反映降水的水汽来源。为了解1998年和2010年夏季低频水汽输送对低频降水强度的影响，首先分别对这两年夏季的水汽通量进行8~15 d和10~20 d的滤波，得到1998年8~15 d和2010年10~20 d的低频水汽通量。然后，参照文献 [22] [23] [24] ，选取超过0.5个标准差的5个循环并将每一个循环分成8个连续位相，对每个循环中的各个位相做合成来进行分析。8个连续位相的定义如下：位相1表示振荡由中断向活跃的过渡期，位相3表示活跃期的波峰，位相5表示振荡由活跃向中断的过渡期，中断期的波谷对应位相7，一个周期循环结束后又重新回到位相1。图7和图8在第1个循环中标出了1、3、5、7位相，位相2和位相4对应低频振荡的振幅值达到该循环的最大

图7. 1998年6~8月逐日降水8~15 d低频滤波曲线(单位：mm) (点线表示低频降水序列0.5个标准差，数字1、3、5、7表示低频振荡的位相)

图8. 2010年6~8月逐日降水10~20 d低频滤波曲线(单位：mm)，其余同图7

值一半的时间，而位相6和位相8则对应低频振荡的振幅值达到该循环的最小值一半的时间。其余4个循环的各个位相的定义也同上，由此通过8位相的演变来了解低频水汽输送变化对1998年和2010年夏季长江流域低频降水的影响和作用。

5.1. 1998年850 hPa的8~15 d低频水汽通量位相合成场

图9为1998年夏季8~15 d低频降水5次循环合成的8个位相850 hPa的低频水汽通量场。强降水开始前(图9(a)，位相1)，随着南海夏季风的爆发，与之对应，西南季风逐步增强，从孟加拉湾经中南半岛向南海中南部地区及中国长江以南的低频水汽输送开始加强，孟加拉湾和南海上空大量的水汽被带入到长江中下游地区，有利于长江流域低频降水加强。其后在第2位相(图9(b))，在南海夏季风爆发之后，自阿拉伯海偏强的西南气流爬越高原转为偏西气流, 在中国南部上空到西太平洋上空形成一支不同于常年的强且稳定的偏西水汽输送通道；孟加拉湾经中南半岛输入南海地区的水汽明显增强，并在南海地区形成一个明显的反气旋式的水汽输送环流，环流中心位于南海北部，使得在此积累的大量水汽再进一步折向北输送到长江流域，成为长江中下游及以南地区主要的低频降水水汽来源，有利于长江中下游地区的低频降水增多。

在极端活跃位相(图9(c)，位相3)，由于南海夏季风较弱，在30˚N长江流域附近,热带西太平洋的暖湿气流经副高南侧的东南气流向西输送，在南海地区同从孟加拉湾经中南半岛向东输送的西南暖湿气流汇合后，两支气流沿着副高的西南、西北边缘将大量水汽向北输送到长江中下游地区，致使该地区出现了极强的水汽辐合。而在中高纬地区，沿河西走廊东移南下的冷空气影响长江中下游地区，冷暖空气在长江中下游地区交汇，致使长江流域易形成低频强降水。闫之辉等 [25] 研究也指出该年长江流域洪涝的发生与来自孟加拉湾的西南气流及副高北侧西南风引起的向东输送长时间维持在长江流域密切相关。在第4位相(图9(d))，来自孟加拉湾地区的西南季风在南方形成的西南—东北向水汽输送仍使得长江中下游地区为一水汽辐合区，有利于长江流域维持低频强降水。第5位相(图9(e))，由活跃向中断过渡期,其水汽环流形式几乎与位相1相反，位相6至位相8 (图9(f)~(h))的演变也类似于位相2至位相4的情况，但低频水汽输送方向相反。特别地，在中断期(位相7，图9(g))，副高脊线到达30˚N附近，来自西太平洋的东南季风成为我国东部降水的水汽输送者，使西太平洋的低频水汽成为长江中下游地区最重要的水汽来源。随后，它同中高纬度系统相互作用，使中国北方进入雨季，而长江流域地区成为水汽的辐散区，低频降水减弱中断。可见，来自阿拉伯海、孟加拉湾的西南低频水汽输送及沿着副高西南、西北边缘来自西太平洋、南海的东南低频水汽输送对1998年夏季长江流域低频降水的发生和维持有着显著的作用。

5.2. 2010年850 hPa的10~20 d低频水汽通量位相合成场

图10是2010年夏季10~20 d低频降水5次循环合成的8个位相850 hPa的低频水汽通量场。强降水开始前(图10(a)，位相1)，阿拉伯海经印度半岛到孟加拉湾有一个反气旋式的水汽输送环流，它同北上的105˚E的越赤道气流在中南半岛附近汇合，并在南海中部地区形成一个水汽辐合中心，然后向北输送大量水汽到长江流域，致使该地区有较强的低频水汽通量梯度。但副高异常偏南偏西，其中心在15˚N~20˚N之间南北移动，主雨带基本位于华南地区，不利于长江流域低频降水发生，从而使长江流域入梅偏晚 [26] 。其后(图10(b)，位相2)，随着季风的爆发，索马里附近的越赤道气流变得强盛, 它先汇入孟加拉湾地区的西南季风气流中, 然后在中南半岛与孟加拉湾的西南暖湿气流汇合,经南海向北输送,为长江流域之后的强降水阶段提供了充沛的水汽供应，有利于该地区低频降水增多。同时，受中纬度西北太平洋的异常反气旋环流其南侧异常东风的影响，由西太平洋向内陆的水汽输送增加，也有利于长江流域的低频降水增多。在极端活跃位相(图10(c)，位相3)，105˚E越赤道气流与孟加拉湾的西南气流汇合后，

图9. 合成的850 hPa的1~8位相(参见图7) (a)-(h) 8~15 d低频水汽通量场(单位：kg/(m·s))。阴影区通过a = 0.05的显著性检验

图10. 合成的850 hPa的1~8位相(参见图8) (a)-(h) 10~20 d低频水汽通量场(单位：kg/(m∙s))。阴影区通过a = 0.05的显著性检验

一部分向东越过中南半岛，汇入南海的偏南风气流中，继续形成一个强大的气旋式水汽输送环流，其低频水汽含量逐渐向中国东南部北移。由于南海夏季风和东亚夏季风都异常偏弱，副高西伸北进明显，其西南侧的东南风水汽输送相对比较强盛，成为该阶段长江中下游区域低频降水的主要水汽和能量来源。此外，在850 hPa上中纬度异常反气旋式环流的影响下，中国东部沿海受强的异常南风控制，使得西太平洋向西的低频水汽输送明显增加，长江中下游及东部沿海地区有一较强的水汽辐合，而冷暖空气在副高的西北缘脊线处交汇，致使长江流域易发生低频强降水。第4位相(图10(d))，在长江以南地区有一强烈的水汽辐合，即明显的气旋式水汽输送环流，这是由来自西太平洋的水汽输送以及受副高西北侧异常偏强的偏南风影响的水汽输送增加所导致，南部的低频水汽通过这两者不断地被带入到长江以南地区，从而维持长江流域的低频强降水。之后，来自低纬的大量水汽被进一步输送到我国偏北的位置，而中南半岛一带受孟加拉湾—南海西南风减弱的影响，且105˚E越赤道气流明显减弱，低频水汽输送主要进入南海中南部地区，导致印度洋及南海向中国内陆的水汽输送减少，致使长江流域低频降水减弱。位相5到位相8 (图10(e)~(h))的演变则与之前的水汽环流形式几乎相反。特别地，在中断期(图10(g)，位相7)，受南海北部异常反气旋西侧的异常西南风影响，此时夏季风到达长江流域以北的黄淮地区。在这种环流形势下，水汽辐合区位于长江中上游以北，水汽辐散区则位于其南侧。同时，副高脊线的位置较常年平均偏北，随着副高的进一步北抬，我国雨带基本北移至华北地区，长江流域低频降水中断。

可见，对2010年长江流域夏季低频降水的发生和维持总体上有着显著影响的是来自西太平洋的偏东低频水汽输送和沿副高西南侧北上的东南低频水汽输送。在强降水时段，这两者到长江中下游的水汽输送都偏强。而来自阿拉伯海、孟加拉湾的西南低频水汽输送则是主要在前期作为一个供应充沛水汽的提供源。

6. 结论

利用海温和降水资料，对比分析了1998年和2010年夏季长江流域降水低频变化及水汽输送对低频降水的影响，得到如下结论：

1) 1998年和2010年的夏季尽管都处于厄尔尼诺事件的次年，且都发生了明显的洪涝，但其总降水量和异常分布却存在一定差异，1998年夏季，长江流域全流域性多降水；2010年夏季，降水偏多区域则主要集中在长江中下游地区。总体上，1998年长江流域的降水量、持续时间和强度均较2010年强。

2) 1998年夏季长江流域降水存在8~15 d和30~50 d的显著低频周期，2010年夏季长江流域降水存在10~20 d和30~60 d的显著低频周期。1998年夏季降水30~50 d低频分量和2010年夏季降水30~60 d低频分量对应各自的降水过程，1998年夏季降水8~15 d低频分量和2010年夏季降水10~20 d低频分量则分别反映其间降水强度的变化。两个低频分量的波峰叠加时降水量偏多，波谷叠加时降水中断，反位相叠加时降水减弱。

3) 1998年来自阿拉伯海、孟加拉湾的西南低频水汽输送及来自西太平洋、南海的东南低频水汽输送对该年夏季长江流域8~15 d低频降水的发生和维持有着显著的作用，而对2010年夏季长江流域10~20 d低频降水的发生和维持有着显著作用的则是来自西太平洋的偏东低频水汽输送和沿副高西南侧北上的东南低频水汽输送。

文章引用

罗 菁,李丽平,孙金花,钟泽洲. 1998年和2010年夏季长江流域降水低频变化及水汽输送特征对比分析
Comparative Analysis of the Characteristics of the Low-Frequency Precipitation and Low-Frequency Water Vapor Transport over Yangtze River during Summer in 1998 and 2010[J]. 气候变化研究快报, 2018, 07(04): 232-244. https://doi.org/10.12677/CCRL.2018.74026

参考文献