引言

三峡库区位于长江中上游，西起重庆江津，东至湖北宜昌，全长600km, 为跨长江两岸数公里的狭长区域｡三峡工程举世瞩目，三峡库区的区域气候变化及其影响日益成为人们关注的科学问题^[1]，近些年学者们在全球变暖背景下三峡库区的气候变化规律方面研究取得了一些进展，如对三峡库区基本气候特征^[2-4]、过去几十年气象灾害的变化趋势^[5-7]以及未来21世纪库区的气候变化预估^[8]等进行了分析研究，这对开展三峡库区的气候变化适应措施具有重要的借鉴意义｡但目前对三峡库区气候变化尤其是旱涝等灾害成因还缺乏深入认识｡

三峡库区位于东亚季风区，受季风活动影响，三峡库区的降水比较集中，主要分布在6-8月，夏季降水量占全年降水量的40%～50%^[6]｡由于不同年份西太平洋副热带高压等大气环流系统的活动有较大差异，三峡库区一些年份夏季异常多雨，而另一些年份异常高温干旱，库区夏季降水变率较大，容易发生旱涝灾害｡尤其是近年来，三峡库区旱涝发生的强度和频率都有加剧趋势｡1998年的特大洪涝和2006年的特大干旱给当地造成了特别严重的损失｡三峡库区的旱涝不仅影响当地人民生活和社会活动，还直接决定了长江三峡水利枢纽工程的运行及发电效益｡尽管此前许多学者对我国东部地区的旱涝变化规律及发生成因进行了研究^[9-12]，但三峡库区位于青藏高原大地形与我国东部平原的过渡区、南北气候过渡带，气候变化有其自身的特点，因此，认识该地区旱涝的变化特征并探讨其成因，对提高旱涝预测水平，进而对预防旱涝灾害提供科学决策依据具有十分重要的意义｡

本文首先分析三峡库区夏季旱涝的变化特征，并研究了严重旱涝年份异常的大气环流特征，这为深入探讨其前兆预测信号奠定基础｡

1.   资料与方法

本文所用资料主要包括:三峡库区的10个国家基准站 (奉节、巴东、梁平、万州、鄂西、五峰、宜昌、重庆、涪陵、来风)1951-2008年6-8月的逐月降水量资料；美国NCEP/NCAR再分析资料1951-2008年的逐月高度场、风场、比湿场及地表气压场格点资料，网格距为2.5°×2.5°；1979-2008年NOAA的月平均OLR资料，网格距为2.5°×2.5°｡

鞠笑生等^[13]比较了降水距平百分率、湿度指标和Z指数3种旱涝指标的优缺点，确定Z指数能较好地反映某一时段的旱涝实况｡由于某一时段的降水量一般并不服从正态分布，而用Person型分布拟合某一时段的降水量效果较好^[14]｡Z指数正是假设某时段的降水量F服从Person型分布，则可将其概率密度函数转换为以Z为变量的标准正态分布，再按照表 1进行旱涝等级的划分｡转换公式为

表  1  旱涝等级划分

Table  1.  Grades of drought and flood

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式 (1) 中，C_s为偏态系数，Φ_i为标准化变量，计算公式分别为

其中，，这里N为样本量｡

2.   三峡库区夏季旱涝演变特征

表 2为1951-2008年期间三峡库区10个站夏季降水Z指数与区域平均降水Z指数之间的相关系数，从中可以看到:所有台站的相关系数都大于0.60，都远远超过0.001显著性水平检验的临界相关系数 (R_0.001=0.42)，其中有3个台站的相关系数大于0.80，说明该地区旱涝变化具有较好的一致性，10个站区域平均的夏季降水Z指数作为三峡库区旱涝指数，能够很好地反映该地区夏季旱涝的时间演变情况｡

表  2  1951—2008年三峡地区10个台站夏季降水Z指数与区域平均降水Z指数之间的相关系数

Table  2.  The correlations between Z index of each stationin the Three Gorges area and the mean of Z index in summer rainfall from 1951 to 2008

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图 1a为1951-2008年三峡库区夏季旱涝指数的逐年变化曲线，20世纪50年代中前期旱涝指数以正值为主，说明该地区以涝为主，从50年代后期开始到70年代旱涝指数总体为负值，该地区偏旱，进入80年代旱涝指数呈明显上升趋势，三峡库区由旱转为偏涝｡而从20世纪90年代末以来，旱涝指数又呈下降趋势，2001年旱涝指数由正转负，以后进入偏旱阶段｡最近的研究^[15-16]也表明，2000年以来我国梅雨雨带有明显北移的趋势，长江流域降水减少，淮河流域降水增多｡

图  1  1951—2008年三峡库区夏季旱涝指数演变 (a) 及其滑动t检验曲线 (b)

Figure  1.  The change (a) and its moving t-statistic curve (b) of the flood and drought indexes of the Three Gorges area in summer from 1951 to 2008

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图 1b是旱涝指数的滑动t检验结果 (取子序列n₁=n₂=10年)，可以看到三峡库区在20世纪70年代末发生过一次明显的年代际转变，在年代际时间尺度上从干旱期转入洪涝期，且以1979年为序列的突变点｡

由1951-2008年三峡库区夏季旱涝等级的逐年变化图 (图 2) 可以看到，库区旱涝变化存在明显的年代际变化和年际变化｡20世纪50年代到70年代后期，三峡库区总体处于以旱为主的年代际背景，但其间也出现4个涝年的相反年际变化｡在1951-1978年期间三峡库区干旱频发，出现1个特旱年、3个大旱年和4个偏旱年，发生干旱有8年，发生频率为29%，即平均大约每3年就会发生1次干旱｡而在此期间，三峡库区还出现了2个大涝年和2个偏涝年，涝年发生频率为14%，旱年发生频率是涝年的2倍｡1979年以后三峡库区由干旱期转入洪涝期，1979-2000年期间，三峡库区只出现3个偏旱年，而出现1个特涝年、3个大涝年和2个偏涝年，涝年发生频率为旱年的2倍，而且洪涝的强度较强｡进入2001年以来，随着梅雨带的北移^[15-16]，三峡库区进入偏旱阶段，严重干旱频发，2001年和2006年分别发生了大旱和特旱｡尤其是2006年，西太平洋副热带高压处于西伸加强的状态，其与东伸的伊朗高压及异常的青藏高压一起构成一条高压带，使得四川东部到三峡库区处于高压控制之下，造成三峡库区出现特旱^[17]｡

图  2  1951—2008年三峡库区夏季旱涝等级演变

Figure  2.  The change of the flood and drought grades of the Three Gorges area in summer from 1951 to 2008

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3.   三峡库区严重旱涝年环流异常特征

大气环流和水汽输送是造成降水变化最重要和最直接的因子，其变化规律是认识旱涝分布的关键｡将旱涝等级为1，2级的年份定为严重涝年，6，7级的年份定为严重旱年，这样确定出1951-2008年的58年中出现6个严重涝年 (1954，1956，1980，1982，1983年和1998年)，6个严重旱年 (1959，1966，1972，1976，2001年和2006年)，对上述严重旱年和严重涝年的环流形势进行合成分析，并利用t统计量进行显著性水平检验^[18]，以此分析该地区旱涝的形成原因｡

3.1   100 hPa高度场

南亚高压是夏季北半球100 hPa等压面上强大而稳定的大气活动中心，对我国夏季降水影响很大^[19]｡为研究南亚高压对三峡库区旱涝异常的影响，分别对严重旱涝年的100 hPa位势高度距平场进行合成分析｡严重涝年 (图 3a)，东亚地区为正距平控制，伊朗高原东部及南亚次大陆北部地区上空100 hPa高度场异常偏高20gpm以上，表明南亚高压异常强大，加强了高空辐散，有利于三峡库区降水产生｡而严重旱年 (图 3b)，东亚地区100 hPa高度距平场被负距平控制，南亚地区100 hPa高度场比常年偏低12gpm以上，说明南亚高压偏弱，高空辐散减弱，不利于三峡库区降水产生｡严重涝年和旱年的100 hPa高度差值场 (图 3c) 进一步表明，三峡库区严重涝年相对于旱年的东亚地区100 hPa高度场偏高，尤其是印度半岛北部地区上空偏高明显，南亚高压异常偏强｡

图  3  三峡库区夏季严重涝年和旱年同期100 hPa高度距平合成场和差值场 (单位:gpm)

(阴影区为通过0.1显著性水平检验; 矩形框为三峡库区)(a) 严重涝年, (b) 严重旱年, (c) 严重涝年与旱年的差值场

Figure  3.  The composite anomaly fields of 100 hPa height in summer of the Three Gorges area (unit:gpm)

(shaded areas denote passing the test of 0.1 level; the square frame is the Three Gorges area) (a) severe flood years, (b) severe drought years, (c) difference between severe flood and drought years

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3.2   500 hPa高度场

图 4a是三峡库区严重洪涝年的同期夏季500 hPa高度距平场，50°N以北的欧亚高纬度地区自西向东呈“-+-"距平波列分布，形成正的欧亚-太平洋 (EUP) 遥相关型^[20]，其中乌拉尔山至鄂霍次克海为正距平，尤其是雅库茨克-鄂霍次克海地区高度场异常偏高，中心强度偏高达30gpm, 这表明乌拉尔山高压脊和鄂霍次克海阻塞高压强度增强｡而以往的研究也表明，夏季欧亚中高纬阻塞形势异常对我国梅雨期暴雨的维持和强度具有重要影响，鄂霍次克海高压建立并稳定时，往往造成东亚梅雨期降水增多^[21-22]｡同时日本群岛高度场异常偏低，中心强度低至-10gpm, 而在低纬度地区为正距平，尤其是南海北部异常偏高10gpm, 在东亚沿海地区形成南北向的“+-+"距平波列，类似负的东亚遥相关型 (EAP) 波列^[23]，西太平洋副热带高压位置偏南，造成三峡库区降水偏多｡

图  4  三峡库区夏季严重涝年和旱年同期500 hPa高度距平合成场和差值场 (单位:gpm)

(阴影区为通过0.1显著性水平检验; 矩形框为三峡库区)(a) 严重涝年, (b) 严重旱年, (c) 严重涝年与旱年的差值场

Figure  4.  The composite fields of 500 hPa height anomaly in summer of the Three Gorges area (unit:gpm)

(shaded areas denote passing the test of 0.1 level; the square frame is the Three Gorges area) (a) severe flood years, (b) severe drought years, (c) difference between severe flood and drought years

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三峡库区严重旱年的500 hPa高度距平场 (图 4b) 与严重涝年呈基本相反的分布形势，欧亚高纬度距平自西向东呈“+-+"距平波列形式，为负的欧亚-太平洋遥相关型^[22]，北欧地区高度场异常偏高，这种距平分布特征反映出夏季北欧有高压脊建立，乌拉尔山高压脊和鄂霍次克海阻塞高压减弱，长江流域不容易出现持续性降水，易造成三峡库区干旱｡

三峡库区严重涝年与旱年的500 hPa高度差值场 (图 4c) 进一步表明，三峡库区严重涝年相对于旱年在北欧地区高度场异常偏低，在乌拉尔山到鄂霍次克海及南海北部地区的高度场异常偏高，乌拉尔山阻塞高压和鄂霍次克海阻塞高压是影响三峡库区夏季旱涝的重要因子｡需要指出的是，三峡库区与长江中下游地区夏季旱涝年的500 hPa高度距平场分布在贝加尔湖地区不一致^[22]，这也体现了三峡库区旱涝的区域特征｡

3.3   水汽输送

水汽输送特别是垂直积分的整层水汽输送及其辐合的变化直接影响到旱涝的发生，Ninomiya^[24]指出南海地区是输入中国大陆的重要水汽通道，刘晓冉等^[17]也指出川渝地区的水汽输送主要来自孟加拉湾和南海的西南季风的水汽输送带｡图 5给出了三峡库区严重旱涝年的夏季整层水汽通量矢量距平合成场，图 5a和5b显示了两种明显不同的水汽输送形势｡三峡库区严重涝年 (图 5a)，东亚中低纬地区存在着一个异常的反气旋式距平水汽输送，与弱东亚季风年份的水汽异常输送特征类似^[25]，尤其是三峡库区以南经中南半岛到南海地区为显著西南距平水汽输送，这也就大大增强了来自热带地区的暖湿水汽输送，有利于该库区降水的产生，容易产生洪涝｡

图  5  三峡库区夏季严重涝年和旱年同期整层水汽通量距平流场的合成场和差值场

(阴影区为通过0.1显著性水平检验; 矩形框为三峡库区) (a) 严重涝年, (b) 严重旱年, (c) 严重涝年与旱年的差值场

Figure  5.  The composite anomaly fields of the water vapour flux of total layers stream vector in summer of the Three Gorges area

(shade dareas denote passing the test of 0.1 level; the square frame is the Three Gorges area) (a) severe flood years, (b) severe drought years, (c) difference between severe flood and drought years

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而三峡库区严重旱年 (图 5b) 的水汽输送形势与严重涝年正好相反，在东亚中低纬地区存在着一个气旋式距平水汽输送，与强东亚季风年份的水汽异常输送特征类似^[25]，其西侧从三峡库区到中南半岛被偏北水汽输送距平控制，这减弱了来自热带的水汽输送，使三峡库区容易出现干旱｡严重涝年和旱年的水汽输送差值场 (图 5c) 同样表明，三峡库区严重涝年相对于旱年在中南半岛及南海地区的偏南热带水汽输送异常增强｡

水汽通量散度是表征水汽在一个地区聚集程度的物理量｡三峡库区严重涝年 (图 6a)，从三峡库区到江淮流域的我国东部25°～30°N一带的水汽通量散度为负距平，说明三峡库区整层水汽通量辐合加强，有利于降水产生，而华南沿海地区为异常的水汽通量散度正距平｡而严重旱年 (图 6b) 与洪涝年基本呈相反形式，我国三峡库区到江淮流域的水汽通量散度距平全部为正，说明干旱年三峡库区整层水汽通量辐合减弱｡严重涝年和旱年的水汽输送通量差值场 (图 6c) 表明，三峡库区严重涝年相对于旱年，南海地区水汽输送增强，水汽不易在华南沿海地区汇聚，而易在三峡库区汇聚增强｡

图  6  三峡库区夏季严重涝年和旱年同期整层水汽通量散度距平合成场和差值场 (单位:10^-6kg·m^-2·s^-1)

(阴影区为通过0.1显著性水平检验; 矩形框为三峡库区) (a) 严重涝年, (b) 严重旱年, (c) 严重涝年与旱年的差值场

Figure  6.  The composite anomaly fields of the water vapour flux divergence of total layers in summer of the Three Gorges area (unit:10^-6 kg·m^-2·s^-1)

(shaded areas denote passing the test of 0.1 level; the square frame is the Three Gorges area) (a) severef lood years, (b) severe drought years, (c) difference between severef lood and drought years

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4.   热带对流活动与三峡库区旱涝的关系

图 7给出了1979-2008年三峡库区夏季旱涝指数和同期OLR场的相关分布｡从图 7可以看出，三峡库区夏季洪涝和OLR场有很好的相关关系，其中最明显的是西太平洋暖池上空呈显著正相关，相关系数达到0.6以上，而在三峡库区及长江中下游地区呈显著负相关，相关系数也达到0.6，通过了0.05的显著性水平检验｡黄荣辉等指出，西太平洋暖池上空对流异常能激发从赤道向极低传播的大气Rossby波列，即东亚遥相关型波列，造成东亚夏季降水异常^[26-27]｡当西太平洋暖池上空OLR异常增大时，即对流异常减弱时，容易造成西太平洋副热带高压偏南，三峡库区夏季降水偏多，容易发生洪涝｡反之，如果西太平洋暖池上空对流异常偏强时，三峡库区容易干旱｡

图  7  三峡库区夏季旱涝指数与同期东亚地区OLR场的相关分布 (阴影区为通过0.05显著性水平检验; 矩形框为三峡库区)

Figure  7.  The correlation distribution between the flood, drought indexes of the Three Gorges area in summer and the OLR over East Asian in summer (shaded areas denote passing the test of 0.05 level; the square frame is the Three Gorges area)

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5.   小结

通过分析近58年 (1951-2008年) 三峡库区夏季洪涝的变化特征及严重旱涝年份的大气环流异常特征，可以得到以下几点主要结论:

1) 三峡库区夏季旱涝变化具有较好的一致性，并在1979年存在明显的年代际转变｡

2) 在1951-1978年期间，三峡库区处于干旱期，干旱频发，1979年经历了由旱到涝的年代际转变，1979-2000年以涝为主，洪涝强度较强，2001年后，三峡库区进入偏旱阶段，严重干旱频发｡

3) 三峡库区夏季严重涝年和旱年的环流形势存在明显差异，可以归纳出影响三峡库区旱涝的基本物理图像:夏季，当高层100 hPa上南亚高压较强 (弱)，则三峡库区高空辐散加强 (减弱)；中层500 hPa高度距平场上欧亚高纬度地区从自西向东呈“-+-"(“+-+") 距平波列，表明乌拉尔山和鄂霍次克海地区有 (无) 持续性阻塞高压发展；而在低纬度地区，西太平洋暖池对流偏弱 (强)，使得西太平洋副热带高压位置偏南 (北)，三峡库区以南的西南水汽输送增强 (减弱)，使得三峡库区的水汽辐合增强 (减弱)，这种环流形势配合有利于三峡库区洪涝 (干旱) 的发生｡