王 鳳，孫即霖，吳德星

（中國海洋大學(xué)1.海洋環(huán)境學(xué)院；2.物理海洋實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266100；3.廣州中心氣象臺，廣東 廣州510080）

2011年長江中下游地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)被列為2011年中國十大天氣氣候事件之一。旱澇急轉(zhuǎn)包含兩層含義［1］：一是由干旱轉(zhuǎn)向洪澇的一種自然現(xiàn)象，屬于客觀的范疇，通常表現(xiàn)為從一段持續(xù)干旱的天氣突然轉(zhuǎn)為易澇的暴雨天氣；二是指由抗旱轉(zhuǎn)向排澇的一種人類行為方式的變化，屬于主觀的范疇，表現(xiàn)為某一區(qū)域正在抗旱，在一場突如其來的大暴雨或持續(xù)強(qiáng)降雨之后，工作重心必須立即從抗旱轉(zhuǎn)移到排澇上。旱澇異常是國內(nèi)外大氣科學(xué)研究的熱點(diǎn)問題［2－8］，按照時(shí)間尺度一般可以分為季節(jié)平均和季節(jié)內(nèi)降水異常變化兩種類型［9］，以 往 的 研 究 多 關(guān) 注 季 節(jié) 平 均 降 水 異 常［10－11］。1990年代以來，鑒于季節(jié)內(nèi)降水異常所造成災(zāi)害的嚴(yán)重性，對該異?，F(xiàn)象的研究也越來越受到關(guān)注。旱澇急轉(zhuǎn)是季節(jié)內(nèi)降水異常的典型代表，在夏季中國華南、長江中下游及西南等地區(qū)時(shí)有發(fā)生。有學(xué)者［12－13］從降水特征方面對旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象進(jìn)行了分析，指出旱澇急轉(zhuǎn)是由強(qiáng)降水或雨量較大的連陰雨使某一地區(qū)迅速由旱轉(zhuǎn)澇的天氣過程。

2011年1～5月，長江中下游地區(qū)降水連續(xù)偏少，出現(xiàn)了近60年來最嚴(yán)重的干旱。5月下旬江南等地出現(xiàn)較大范圍降雨，使長江中下游地區(qū)的旱情有所緩和，然而隨后長江中下游地區(qū)以晴熱少雨天氣為主，導(dǎo)致部分地區(qū)旱情持續(xù)或進(jìn)一步加劇。6月3～20日，出現(xiàn)5次強(qiáng)降雨過程，長江中下游地區(qū)六省一市（湖南、湖北、江西、安徽、江蘇、浙江、上海）區(qū)域平均降水量247.9mm，較常年同期（153.2mm）偏多62%，為近56年歷史同期最多，“旱澇急轉(zhuǎn)”特征凸顯。這樣急劇的旱澇急轉(zhuǎn)很大可能是由區(qū)域大氣環(huán)流的異常變化引起的。近年來的研究表明，區(qū)域大氣環(huán)流的異常不僅是由該區(qū)域的大氣的動力、熱力異常造成的，也可能是別的區(qū)域環(huán)流異常造成的［14－15］，并且海洋環(huán)流的異常也會對大氣環(huán)流產(chǎn)生影響［16］。本文研究的目的是分析2011年旱澇急轉(zhuǎn)發(fā)生的原因，并試圖發(fā)現(xiàn)與其密切相關(guān)的前期信號，以便對該領(lǐng)域的研究和預(yù)報(bào)工作提供有價(jià)值的參考。

本文所用資料為美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）和國家大氣科學(xué)研究中心（NCAR）共同完成的再分析資料（1981—2011年），其每日資料水平分辨率為2.5（°）×2.5（°），垂直方向?yàn)閘7個(gè)等壓面層，資料要素包括風(fēng)、位勢高度、溫度、濕度等。高度和溫度場使用的是美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）提供的FNL（Final Analyses data of Global Forecast System）再分析格點(diǎn)數(shù)據(jù)，每6h更新一次，空間分辨率為1（°）×1（°）。海表面溫度SST（Sea Surface Temperature）使用的是NOAA（National Oceanic and atmospheric administration）的 NOAA High－resolution Blended Analysis日平均SST（1985—2011年），空間水平分辨率為0.25（°）×0.25（°）。

1 2011年春夏長江中下游降水概況

圖1是長江中下游地區(qū)（110°E～122.5°E，25°N～30°N）從1月開始到6月30日的氣候平均日降水量和2011年的相應(yīng)時(shí)期的日平均降水量。從圖1中可看出，長江中下游地區(qū)，主要是長江以南地區(qū)在2011年1～5月整體呈現(xiàn)干旱，降水長期少于氣候平均降水量。而在5月1～16日期間出現(xiàn)了幾次較強(qiáng)的降水過程，5月下旬降水與往年相比減少很多，之前的降水對于緩解旱情沒有很大幫助，直到6月2日再次出現(xiàn)強(qiáng)降水過程，這一段時(shí)間的降水給長江中下游的部分地區(qū)造成的洪澇災(zāi)害。5月上旬的降水過程由于出現(xiàn)在長期干旱的情況下，并沒有給降水地區(qū)造成洪澇災(zāi)害。此次過程發(fā)生在南海夏季風(fēng)爆發(fā)之前，與6月上旬的那次降水過程的季節(jié)大氣環(huán)流特征屬于不同的類型［17］。本文分析的重點(diǎn)放在發(fā)生明顯旱澇急轉(zhuǎn)并且造成災(zāi)情的第二次降水過程上，試圖找出旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生的原因，并嘗試發(fā)現(xiàn)影響其產(chǎn)生的前期信號。

圖1 2011年長江中下游地區(qū)（110°E～122.5°E，25°N～30°N）日平均（實(shí)線）降水量及氣候日平均（虛線）降水量（1981年—2010年）Fig.1 The daily precipitation in 2011（solid line）and the climatic daily mean（dashed line）precipitation（from 1981to 2010）over the study area（110°E～122.5°E，25°N～30°N）

根據(jù)降水異常程度，選取4個(gè)時(shí)間段來分析這次旱澇急轉(zhuǎn)過程：階段一（P1）是4月16～30日，在這期間，長江中下游地區(qū)的降水量遠(yuǎn)小于氣候平均值代表春季干旱的情況；階段二（P2）是5月1～15日，在這段時(shí)間內(nèi)長江中下游部分地區(qū)出現(xiàn)來幾次較強(qiáng)的連續(xù)降水過程；階段三（P3）是5月16日～6月2日，長江中下游地區(qū)的平均降水量較小，與氣候平均態(tài)相差甚遠(yuǎn)，由于P2階段的降水不足以緩解該地區(qū)長時(shí)間的旱情，多數(shù)長江中下游地區(qū)仍處于干旱缺水的狀態(tài)；階段四（P4）是6月2～20日，長江以南的中下游地區(qū)的持續(xù)降水造成了部分地區(qū)的洪澇災(zāi)害。由于P2和P4的降水機(jī)制并不類似，所以沒有使用合成分析而是將2次旱澇轉(zhuǎn)換分別進(jìn)行分析。

2 大氣環(huán)流背景場特征

2.1 大氣環(huán)流在旱澇時(shí)期的變化

200hPa高度場（圖略）上可以看到南亞高壓在P2時(shí)期強(qiáng)度和范圍相對較小，位于中南半島上空；到P3時(shí)期其中心位置向北移動，雖然主體還在中南半島上空，但范圍有所擴(kuò)大；P4時(shí)期南亞高壓加強(qiáng)，分裂成2個(gè)中心，西部的中心位于阿拉伯海北部，東部的中心位于高原北部緬甸和中國云南地區(qū)上空。隨著南亞高壓5月逐漸加強(qiáng)北上，6月之后跳上高原，大氣環(huán)流型由冬季型轉(zhuǎn)為夏季型［18］，由于大氣環(huán)流型的改變，高空急流軸的位置也向北移動。

P3時(shí)期高緯環(huán)流形勢（圖略）大體為兩槽一脊形勢，極渦中心靠近北極，其主體在歐洲上空與P4時(shí)期相比偏西，偏西的低槽位于烏拉爾山地區(qū)，這樣的高空配置有利于冷空氣南下，但由于位置偏西，難以影響長江中下游地區(qū)。貝加爾湖以東存在切斷低壓中心，東部槽為橫槽，不利于冷空氣南下影響中國南部地區(qū)，同時(shí)西北太平洋上未出現(xiàn)副熱帶高壓（5 880gpm線）閉合中心，東南方向水汽輸送較弱，孟加拉灣北部有一較為平緩的低槽，不利于西南暖濕氣流的輸送。冷暖空氣交匯條件和水汽條件的不足不利于長江流域及中國南方降水發(fā)生。P4時(shí)期同樣也是兩槽一脊形勢，與P3時(shí)期相比，西部的槽有所偏西，東部的槽由橫轉(zhuǎn)豎，極渦向東移到貝加爾湖北部的西伯利亞地區(qū)，東亞大槽位于130°E附近為東北－西南走向，環(huán)流形勢為穩(wěn)定的經(jīng)向型環(huán)流，這樣的環(huán)流形勢有利于冷空氣南下。同時(shí)西北太平洋副熱帶高壓有所加強(qiáng)，副熱帶高壓脊西伸到120°E以西地區(qū)，有利于太平洋上的暖濕氣流輸送。東亞大槽的收縮及穩(wěn)定維持，匹配中低緯度西太平洋副熱帶高壓的突然西伸并維持，為此次旱澇急轉(zhuǎn)事件提供冷空氣和充足的水汽，使得冷暖空氣在長江中下游地區(qū)持續(xù)交匯，為該區(qū)域的集中、持續(xù)強(qiáng)降水提供有利的動力和水汽條件。

P2時(shí)期的降水屬于冬季風(fēng)環(huán)流情況下的降水過程。從圖2（a）中看出，在降水時(shí)期，長江中下游地區(qū)的水汽通量較大并且對應(yīng)著上升運(yùn)動，P2階段水汽來自孟加拉灣地區(qū)，主要是西南氣流的輸送。P3時(shí)期雖然長江以南的中下游地區(qū)有上升運(yùn)動對應(yīng)，但是此時(shí)沒有偏南的水汽輸送，不利于降水產(chǎn)生（圖略）。P4時(shí)期水汽來源則較多，如圖2（b）除了來自印度洋、孟加拉灣的西南向的水汽輸送，還有來自西北太平洋和中國南海的水汽。此時(shí)西南夏季風(fēng)已經(jīng)爆發(fā)，南亞高壓也跳上高原，環(huán)流轉(zhuǎn)為夏季風(fēng)環(huán)流形勢［18］。從水汽量來看，6月上旬的降水量較大，持續(xù)時(shí)間也較長，旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象明顯。為重點(diǎn)分析P3－P4時(shí)期的旱澇急轉(zhuǎn)過程，用P3階段表征干旱時(shí)期，P4階段表征洪澇時(shí)期。

圖2 P3（2011年5月16日～6月2日）時(shí)期（a）和P4（2011年6月2日～6月20日）時(shí)期（b）的水汽通量（箭頭，單位：g／（s· m））及上升運(yùn)動（陰影，單位：Pa／s）Fig.2 Water vapor flux of P3（a）and P4（b）period（arrow，unit：g／（s· m））and upward movement（shaded，unit：Pa／s）

P4階段與P3相比，500hPa高度場（見圖3）上最明顯的不同是在降水期間，西北太平洋副熱帶高壓有顯著加強(qiáng)西伸，長江中下游地區(qū)位于條狀副熱帶高壓的西北側(cè)，副熱帶高壓脊的位置由菲律賓以東的10°N～20°N北移到20°N左右臺灣島以東的海上，這種環(huán)流形勢將太平洋和南海的暖濕空氣輸送的降水地區(qū)，配合北方南下的冷空氣利于持續(xù)性降水的產(chǎn)生。同時(shí)孟加拉灣地區(qū)上空的低槽得以加深發(fā)展，將孟加拉灣地區(qū)的水汽向長江中下游輸送。副熱帶高壓的變化趨勢在500hPa高度異常場上更為明顯。從圖3的對比中可以看出，P3時(shí)期中國大部分地區(qū)氣壓異常偏高，南海和西北太平洋地區(qū)處于氣壓負(fù)異常狀態(tài)，導(dǎo)致陸地上偏北風(fēng)加強(qiáng)，不利于降水的產(chǎn)生。到P4階段，太平洋副熱帶高壓突然加強(qiáng)西伸，孟加拉灣地區(qū)則為低壓異常，這使得長江中下游地區(qū)的風(fēng)向偏南，大量水汽被輸送到長江以南地區(qū)，為降水提供了有利的水汽條件。

圖3 P3階段500hPa位勢高度異常場（等值線），P4階段500hPa位勢高度異常場（陰影區(qū)，單位：gpm），加粗綠虛線和紅實(shí)線分別為P3和P4階段500hPa位勢高度場（單位：gpm）Fig.3 Anomalous 500hPa geopotential height at stage of P3 （contour line）and at P4（shaded），green dashed line and red solid line are 500hPa geopotential height at stage P3and P4，respectively

2.2 高空急流與上升運(yùn)動的關(guān)系

高空200hPa急流位置對于降水會有很大影響［19－20］。從圖4（b）中可以看出，P3 階段急流中心風(fēng)速最大的區(qū)域分裂成兩段，東段位于日本以東的太平洋地區(qū)上空，西段則位于中國北部地區(qū)內(nèi)蒙一帶上空。急流中心下方對應(yīng)溫度水平梯度較大的鋒區(qū)，急流中心附近上方對流層頂斷裂。根據(jù)熱成風(fēng)原理，急流軸下方的鋒區(qū)中地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度增加最快，急流中心的上方由于溫度水平梯度與下方相反，地轉(zhuǎn)風(fēng)隨高度減小，因此急流區(qū)的斜壓性最強(qiáng)。圖4（a）是行星鋒區(qū)兩側(cè)的溫差，從5月下旬開始行星鋒區(qū)強(qiáng)度有所減弱，而日本以南海域親潮與黑潮之間的溫差加大（見圖4（c）），使得海洋上空對應(yīng)的鋒區(qū)加強(qiáng)，急流也隨之發(fā)生變化［20］。圖4（b）顯示P4階段急流軸的位置發(fā)生變化恢復(fù)為一個(gè)中心，中心風(fēng)速加強(qiáng)位置有所西移。此時(shí)長江中下游地區(qū)處于急流入口區(qū)的右側(cè)，高空對應(yīng)強(qiáng)的反氣旋式切變，負(fù)渦度增加，高空強(qiáng)輻散將下層的氣流向上抽吸引起較強(qiáng)的上升運(yùn)動［20］，為降水提供了另外一個(gè)有利的條件。

圖4 （a）2011年4～6月700hPa層上急流南北兩側(cè)的溫差（單位：K）Fig.4 （a）Air temperature differences between south and north of the jet stream on the level of 700hPa（unit：K）

圖4 （b）P3（陰影）和P4（等值線是等風(fēng)速線）時(shí)期對應(yīng)的急流（單位：m／s），F(xiàn)ig.4 （b）Jet stream of P3and P4period（unit：m／s）

圖4 （c）2011年4～6月親潮與黑潮之間的溫差（單位：°C）Fig.4 （c）SST anomaly differences of Oyashio and Kuroshio（unit：°C）

2.3 副熱帶高壓加強(qiáng)原因的分析

從風(fēng)場異常場（見圖5（a））上能夠看到，在孟加拉灣地區(qū)上空有個(gè)異常氣旋存在，與OLR場的對流活動（圖略）相對應(yīng)。根據(jù)Gill的加熱理論，當(dāng)熱源呈關(guān)于赤道反對稱的情況下，異常潛熱加熱區(qū)即異常氣旋的東側(cè)會強(qiáng)迫出異常的反氣旋環(huán)流［21］。這個(gè)異常的氣旋對應(yīng)的就是赤道北部的異常加熱，而其強(qiáng)迫出的異常反氣旋環(huán)流則與洪澇期間西伸的副熱帶高壓脊相對應(yīng)。副熱帶高壓的加強(qiáng)西伸使得長江中下游地區(qū)位于副熱帶高壓脊的北部，氣流沿著副熱帶高壓邊緣從東南向變?yōu)槲髂舷?，將太平洋和南海的水汽輸送到長江中下游地區(qū)，為持續(xù)性降水提供了充足的水汽供應(yīng)。降水期間北半球大氣是低指數(shù)環(huán)流型［22］，穩(wěn)定的環(huán)流形勢配合水汽和上升運(yùn)動造成了長江中下游地區(qū)異常多的降水。

3 南半球冷空氣活動的影響

南半球的冬季高壓加強(qiáng)通常伴隨著冷空氣的活動，而冷空氣的活動則會引起越赤道氣流的加強(qiáng)［23－24］。當(dāng)90°E～180°E之間的南半球500hPa環(huán)流出現(xiàn)經(jīng)向型時(shí)，往往在澳洲至印度洋東部地區(qū)有較強(qiáng)的冷空氣活動，強(qiáng)冷空氣可以影響到南半球低緯地帶［25］。由于經(jīng)向環(huán)流型中穩(wěn)定的長波槽位置不同，低層越赤道氣流的主要路徑所在經(jīng)度也不相同，夏季氣候態(tài)低層的越赤道氣流的通道［26］主要在45°E、105°E、150°E 和70°E。如圖5（c）從5月30日～6月4日，75°E至90°E地區(qū)的越赤道氣流是逐漸加強(qiáng)的，與澳大利亞冷空氣的活動對應(yīng)（見圖5（b））。F在5月底的一次更強(qiáng)的冷空氣活動也在這一地區(qū)對應(yīng)越赤道氣流的加強(qiáng)。數(shù)值模擬試驗(yàn)［23］表明，澳大利亞冷空氣的活動對越赤道氣流的影響有提前10～15d的指示意義。并且在氣候平均上，140°E附近地區(qū)越赤道氣流受澳大利亞冷空氣的影響程度較大。圖5（b）所示500hPa澳大利亞地區(qū)4～6月的冷空氣活動，在5月25日左右到6月7日左右有一次強(qiáng)冷空氣活動，這次冷空氣過程的2～3候時(shí)間之后越赤道氣流在赤道印度洋地區(qū)有顯著增加，使得氣流在印度洋孟加拉灣地區(qū)輻合，如圖5（d）從6月1日起孟加拉灣地區(qū)的氣流是逐日增加的，氣流在該地輻合上升，激發(fā)其上空的對流異常加強(qiáng)。同時(shí)加深了印緬槽，促使更多的水汽從孟加拉灣地區(qū)被輸送到長江中下游地區(qū)，為降水提供有利條件。

圖5 （a）P4時(shí)期850hPa風(fēng)場異常場（單位：m／s）Fig.5 （a）Wind anomaly on the level of 850hPa during P4period（unit：m／s）

圖5 （b）105°E～120°E剖面上500hPa氣溫（單位：°C）Fig.5 （b）The temperature of 500hPa from 105°E to 120°E（unit：°C）

圖5 （c）850hPa沿赤道剖面的風(fēng)場隨時(shí)間變化 （單位：m／s）Fig.5 （c）Wind of 850hPa on equator（unit：m／s）

圖5 （d）850hPa沿15°N剖面的風(fēng)場隨時(shí)間變化 （單位：m／s）Fig.5 （d）Wind of 850hPa on 15°N （unit：m／s）

4 結(jié)論

（1）2011年春末夏初長江中下游地區(qū)的旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象與大氣環(huán)流異常變化有密切的關(guān)系，尤其西北太平洋副熱帶高壓的加強(qiáng)為降水提供充足的水汽輸送。

（2）洪澇時(shí)期長江中下游位于高空西風(fēng)急流軸入口區(qū)右側(cè)，陸地經(jīng)向溫度梯度的減小是形成長江下游附近成為高空西風(fēng)急流入口區(qū)域的重要原因。高空負(fù)渦度的加強(qiáng)有利于上升運(yùn)動的增強(qiáng)，急流軸的變化與海面親潮與黑潮間的溫度梯度增大有密切聯(lián)系。

（3）副熱帶高壓的增強(qiáng)與印度洋孟加拉灣上空的異常對流加強(qiáng)有關(guān)。南半球冷空氣活動導(dǎo)致向北越赤道氣流加強(qiáng)，激發(fā)孟加拉灣上空的對流異常增強(qiáng)。

（3）2011年初夏長江中下游地區(qū)的旱澇急轉(zhuǎn)是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果。海洋對大氣環(huán)流的影響不可忽視，陸地季節(jié)性熱力效應(yīng)的變化（經(jīng)向溫度梯度減?。Ρ┯陞^(qū)上升運(yùn)動的影響也很重要。兩半球間大氣運(yùn)動的相互影響對對流和西太平洋副熱帶高壓的影響不容忽視。從中期天氣預(yù)報(bào)的角度，可以提前得出一些有參考價(jià)值的預(yù)報(bào)信號。

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