ABSTRACT

Based on the daily precipitation data of 225 surface stations in the Yangtze River Valley during the past 40 years from 1979 to 2017, the characteristics of drought-flood abrupt alternations in autumn are studied by defining a long-cycle drought-flood abrupt alternations index (drought-to-flood and flood-to-drought). Based on the analysis of the frequency of drought-flood rapid transition and the characteristics of circulation background, the phenomena of drought-flood abrupt alternations in the Yangtze River Valley are discussed. The results show that: 1) From the spatial distribution of autumn precipitation in the Yangtze River Basin in the past 40 years, the upper reaches of Jinsha River in the Yangtze River Basin have less precipitation, while the lower reaches of Jialing River Basin, the eastern part of Poyang Lake and Minjiang River Basin have more precipitation; 2) In the past 40 years, drought and flood in autumn occurred frequently at stations in the Yangtze River Valley, and the long-term drought and flood turned to drought events mainly; 3) In the past 40 years, the high-intensity drought-to-flood events mostly occurred in Sichuan and Chongqing, and the high-intensity flood-to-drought events mostly occurred in Hunan, that is, the Dongting Lake Valley, followed by the downstream areas.

Keywords:Long-Cycle, Drought-Flood Abrupt Alternations, the Yangtze River Valley, Autumn

近40年长江流域秋季长周期旱涝急转的变化 特征分析

王菁

成都信息工程大学大气科学学院，四川 成都

收稿日期：2019年11月16日；录用日期：2019年12月3日；发布日期：2019年12月10日

摘 要

本文利用长江流域225个地面站点1979年到2017年近40年内的日降水资料，通过定义长周期的旱涝急转指数，来研究秋季长江流域的旱涝急转的变化特征(分别为旱转涝和涝转旱这两种形式)。通过对旱涝急转频次以及环流背景的特征的分析，讨论了长江流域的显著旱涝急转的现象，结果表明：1) 从近40年长江流域秋季降水的空间分布情况上来看，长江流域中金沙江流域上游地区降水量较少，而嘉陵江流域的下游地区、鄱阳湖东部地区和岷江流域降水量较多；2) 近40年长江流域站点秋季旱涝急转的发生频次较多，长周期旱涝急转以涝转旱事件为主；3) 近40年高强度旱转涝事件多发生在川渝地区，高强度涝转旱事件多生在湖南地区，即洞庭湖流域，其次存在于下游地区。

关键词 :长周期，旱涝急转，长江流域，秋季

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1. 引言

近年来，受外界活动以及自然现象的影响，旱涝急转现象在我国有些许的增加，成为了大气研究的一个热门话题。长江流域旱涝急转异常一直都是中国汛期降水预测的重要内容。旱涝急转事件严重会影响着中国的粮食安全以及水安全 [1]，尤其是会对抗旱排涝标准相对较低的作物种植区的粮食产量造严重影响 [2]，所以降低旱涝急转现象的发生也是科学家普遍关注的问题之一。

历史上长江流域多次出现严重的洪涝现象，造成了巨大经济损失 [3]。已有不少学者对长江流域旱涝进行了深入研究。唐明等 [4] 分析了沿海淮北地区旱涝急转的气候成因，并指出暴雨频数、降水强度和短时干旱缺水概率是其成因。吴志伟等 [5] 研究了长江流域夏季旱涝急转的现象特征，并分析了大气环流对旱涝急转的影响，认为夏季旱涝急转主要受东亚季风、南海季风强度的影响。李迅等 [6] 探索了旱涝急转的原因，即海温场特征及各个纬度系统的相互作用导致了旱涝急转的发生。封国林等 [7] 研究了2011年春末夏初长江中下游地区旱涝成因。王传辉等 [8] 分析了长江流域旱涝急转前后的水汽输送变化和环流特征，认为长江流域低层在西北气流的控制，受东北冷涡以及西北干冷气流和西南暖湿气流共同影响，为洪涝的发生提供了充分的水汽条件。总体而言，研究显示长江流域秋季降水是由于东亚季风推进所产生 [9]，即旱涝异常与大尺度环流异常有着密不可分的联系 [10] [11] [12]。

值得注意的是，尽管对长江流域旱涝急转的研究已有较长历史，但大多研究主要对长江流域夏季旱涝急转机制以及其成因进行探索 [13] [14] [15]，而对秋季长江流域旱涝关注相对较少。因此，开展长江流域秋季长周期旱涝急转进行研究有重要意义，可为秋季防汛抗旱工作提供参考。

2. 资料与方法

2.1. 资料

降水选取中国气象局提供的长江流域225个站点逐日降水资料数据。对于降水资料的缺测，在使用资料前对站点数据进行简单缺测处理，即对各站点缺测记录使用前后两年同日记录均值进行插补。

2.2. 方法

旱涝急转采用长周期指数LDFAI (Long-cycle Drought-Flood Abrupt Alternation Index)进行表征，其公式如下：

$\text{LDFAI}=\left({\text{R}}_{前}+{\text{R}}_{后}\right)\cdot \left(\left|{\text{R}}_{前}\right|+\left|{\text{R}}_{后}\right|\right)\cdot {18}^{-\left|{\text{R}}_{前}\right|+\left|{\text{R}}_{后}\right|}$ (1)

其中第一项为旱涝急转强度项、第二项为旱涝强度项、第三项为权重系数，作用是增加长周期旱涝急转事件所占权重，降低全旱或全涝事件权重。因为长周期旱涝急转指数时间尺度为两个月，将秋季8~11月分为两个时间区域，前秋定义为8、9月，后秋定义为10、11月，R前为前秋标准化降水量，则R后为后秋标准化降水量。长周期旱涝急转事件评判标准为：LDFAI大于1的定义是旱转涝现象，小于−1是涝转旱现象。LDFAI的绝对值越大，旱涝急转现象越严重，LDFAI的绝对值越小，旱涝急转现象越微弱。

3. 近40年长江流域旱涝急转的变化特征分析

3.1. 长江流域各站点旱涝急转的变化特征

根据前文定义计算了长江流域各个站点逐年秋季旱涝急转指数，以指数大于1为标准筛选了出近40年各站点旱转涝的发生频次(图1(a))，以指数小于−1为标准筛选了出近40年各站点涝转旱的发生频次(图1(b))，以及近40年各站点旱涝急转的总次数(图1(c))。从图1(a)可知，陕西安康地区旱转涝次数最小，近40年仅有2次旱涝急转事件，湖南邵阳市、陕西大部分地区旱转涝次数均较小，平均3~5次旱涝急转事件。湖北秭归、湖北大悟、贵州仁怀、贵州松桃、重庆黔江、湖北钟祥地区旱转涝次数最大，近40年发生超过了10次旱涝急转事件。总体来看，长江流域站点的旱转涝发生频次较多的主要集中在川渝、贵州、湖北等地。

从图1(b)可知，陕西镇坪地区涝转旱次数最小，近40年仅有2次旱涝急转事件，湖南、陕西大部分地区次数均较小，平均为3~5次旱涝急转事件。安徽巢湖、四川会理、四川遂宁、陕西商县、重庆黔江、湖北南漳、江苏昆山涝转旱次数最大，近40年发生超过了10次旱涝急转事件。总体来看，长江流域站点的涝转旱发生频次较多的集中川渝地区、江苏下游地区等地。

从图1(c)可知，发生旱涝急转总次数最小在陕西、湖南部分地区，近40年发生了6~7次旱涝急转事件。发生旱涝急转总次数最大在重庆黔江，近40年发生了20次旱涝急转事件，其次是江苏、湖北、四川近40年发生了17~19次旱涝急转事件，次数也较多。

图2为长江流域旱涝急转强度空间分布。图2(a)给出了长江流域旱转涝强度分布。由图可知，湖北武汉一带、湖南芷江一带、陕西等地旱转涝强度较小，即乌江流域附近，强度在1~2之间，代表旱涝急转程度偏弱，致灾性低。而在四川乐山、贵州都匀等地旱转涝强度较大，最大在四川小金一带，即岷、沱江流域附近，强度均值在5左右，代表旱涝急转程度偏强，致灾性高。图2(b)为长江流域涝转旱强度空间分布。由图可见，云南丽江一带涝转旱的强度较小，即金沙江流域南部附近，强度在2~3之间，代表旱涝急转程度偏弱，致灾性低。湖南、贵州、下游地区浙江附近等地的涝转旱的强度较大，最大在湖南通道一带，即乌江流域附近，强度均值在5左右，代表旱涝急转程度偏强，致灾性高。图2(c)为长江流域旱涝急转总强度空间分布。由图可知，云南一带涝转旱总强度较小，即金沙江流域南部附近强度在1~2之间，代表旱涝急转程度偏弱，致灾性低。四川地区、湖南地区等地的旱涝急转总强度较大，尤其是乌江流域附近强度均值在4左右，旱涝急转事件较为严重，代表旱涝急转程度偏强，致灾性高。总体而言，川渝地区和江苏、湖北等长江流域中下游地区旱涝急转总数较多，强度较高。由此可以将长江流域分为两个区域，即川渝区域和长江中下游区域，川渝区域包括四川、重庆，长江中下游区域主要包括安徽、湖北、江苏、江西和浙江等省。

图1. 旱涝急转次数统计分布图

图2. 旱涝急转强度统计分布图

3.2. 不同地区区域性旱涝急转变化特征

进一步对川渝地区和中下游地区旱涝急转指数年际变化进行分析(图3)。由图3(a)可知，川渝地区在1979~2017年间共发生了6次旱转涝事件，其中2011年最为严重，其强度达到6.99，其次是2006年、1994年、1990年、2016年和1999年，5次旱转涝平均强度值为3.99。另有8年发生涝转旱事件，其中1998年最为严重，最大强度达到4.95，其次是1988年、2015年、1979年、1987年、1981年、1985年和1984年，8次涝转旱事件平均强度值为2.65，即该地区旱转涝事件次数少于涝转旱事件，但在强度上前者却明显大于后者。由中下游地区旱涝急转指数分布(图3(b))可知，长江中下游地区在1979~2017年间共发生了3次旱转涝事件，其中1981年最为严重，最大强度达到5.68，其次是1983年和1982年，3次旱转涝事件平均强度值为2.78。另有5年发生涝转旱事件，其中1988年最为严重，最大强度达到3.85，其次是1999年、1980年、1984年和2017年5次涝转旱事件平均强度值为2.82，即该地区旱转涝事件次数少于涝转旱事件，且在强度上前者略微小于后者。进一步对两个区域近40年来旱涝急转强度进行对比分析(图3(c))可知，川渝地区在1988年、1990年、1994年、1998年、2006年、2011年、2015年和2016年旱涝急转事件异常偏强；与之对应的在中下游地区在1980年、1988年和1999年旱涝急转事件异常偏强。

图3. 旱涝急转指数年际变化曲线

4. 结论

本文利用长江流域主要气象站观测得到的降水量数据分析了近40年来长江流域秋季长周期旱涝急转发生次数与平均强度，得到如下主要结论：

1) 从近40年长江流域秋季降水的空间分布可知，金沙江流域上游地区降水量最少，而嘉陵江流域的下游地区、鄱阳湖东部地区和岷江流域降水量最多。从整个流域尺度上可以看出，长江流域整体呈负趋势状况，湖南南部、江西南部等下游地区降水逐月增加最为明显。

2) 近40年来长江流域秋季旱涝急转发生频次较多。发生旱涝急转总次数最多在重庆黔江，共计20次旱涝急转事件，其次是江苏、湖北和四川，分别发生17~19次旱涝急转事件。旱涝急转发生总次数最少为陕西和湖南部分地区，共计6~7次旱涝急转事件。空间分布上，近40年秋季长江流域站点旱转涝事件多发生在川渝地区，涝转旱事件多发生在川渝地区和江苏下游地区等地。

3) 长江川渝地区区域性旱涝急转中，发生旱转涝的年份有6年，其中2011年旱转涝程度最严重；发生涝转旱的年份有8年，其中1998年涝转旱最显著。长江中下游地区区域性旱涝急转中，发生旱转涝的年份有3年，其中1981年旱转涝事件最强；涝转旱的年份有5年，其中1988年涝转旱最强。

基金项目

成都信息工程大学本科教学工程项目(BKJX2019007，BKJX2019013，BKJX2019042，BKJX2019056，BKJX2019062，BKJX2019081，BKJX2019089，BKJX2019120和JY2018012)支持。

文章引用

王 菁. 近40年长江流域秋季长周期旱涝急转的变化特征分析
Variations of Autumn Long-Cycle Drought-Flood Abrupt Alternations during Recent 40 Years in Yangtze River[J]. 环境保护前沿, 2019, 09(06): 825-832. https://doi.org/10.12677/AEP.2019.96108

参考文献