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Continuous Spring and Meiyu Rainfall in the Mid-lower Reaches of the Yangtze During the Past 50 Years
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摘要: 利用1961—2009年长江中下游地区52个气象站逐日降水资料，研究了该地区春季降水与梅雨期降水的连续变化特征，划分了连续旱、连续涝、先旱后涝和先涝后旱4类连续性事件，并探讨其成因。结果表明：长江中下游地区春季降水量年际和年代际变化较为显著，其中连续旱和连续涝事件发生较多。前冬Niño3区的海温与春季和梅雨期降水量相关性超过0.05显著性水平，前冬青藏高原积雪深度与6月西太平洋季风指数与梅雨期降水量相关性均达到0.05显著性水平。当春季水汽丰富，同时春季与6月副热带高压中心位置持续偏西可能导致春季和梅雨期降水持续偏多；春季水汽丰富，但春季至6月副热带高压中心位置由偏西向偏东转变，可能造成先涝后旱；春季水汽偏少，且春季与6月副热带高压中心位置持续异常偏东，易造成持续干旱。2011年水汽突变可能是导致旱涝急转的直接原因，前冬的La Niña事件不利于春季降水而6月副热带高压位置异常西伸, 则容易引发旱涝急转。Abstract: Using the daily precipitation data from 52 meteorological stations in the mid-lower reaches of the Yangtze and NCEP/NCAR reanalysis data from 1961 to 2009, the characteristics of spring and Meiyu precipitation are analyzed. It shows that spring precipitation takes on significant inter-annual and inter-decadal variations while Meiyu precipitation doesn't. Based on the annual spring and Meiyu precipitation characteristics, it is divided into four classes: Flood-flood, flood-drought, drought-drought and drought-flood. Generally, drought-drought and flood-flood events take place frequently. The variation of circulation features affects the precipitation anomaly too. The mechanism of different type is also discussed, finding the correlation coefficient between previous winter Niño3 index and spring, Meiyu precipitation to be 0.42 and 0.30, which reach 0.01 and 0.05 levels, respectively. The previous winter snow of Tibetan Plateau and western Pacific summer monsoon index are shown both significantly correlated with Meiyu precipitation. The abundant water vapor is carried by the anomalous southerly from the South China Sea and the western Pacific, the western Pacific subtropical anticyclone strengthens, and its position leans westward in June. That would make a successive flood event. When water vapor over the reaches is abundant but insufficient in source region, position of the western Pacific subtropical anticyclone appears from west to east anomaly in spring and Meiyu periods, and that would cause the flood-drought events. When water vapor is insufficient in both areas, drought event occurs. In 2011, a sudden turn of drought and flood takes place in the mid-lower reaches of the Yangtze, leading to big economic losses of agriculture. The factors which may cause the sudden turn of drought and flood events are analyzed. The sea surface temperature anomaly of the equatorial eastern Pacific happens in precious winter and less water vapor cause spring drought, and with Meiyu occuring, the western Pacific subtropical anticyclone moving westward and precipitation increasing greatly. On the basis of preliminary analysis of related impact factors, numerical experiments are needed to evaluate the result further.
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Keywords:
- the mid-lower reaches of the Yangtze /
- spring precipitation /
- Meiyu
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引言
长江中下游地区是我国重要的工业、农业、高科技基地, 因此该地区的旱涝灾害极易造成重大经济和人民生命财产损失。气象工作者对长江中下游地区降水的研究开展较早并取得了丰硕成果，有研究表明：长江中下游地区夏季降水总体上呈现出东南多、西北少的格局，整体上夏季降水变化比较稳定[1]。赵平等[2]发现20世纪60—70年代为全球地面气温相对偏冷，而80—90年代相对偏暖，在相对暖期长江流域年降水量明显增加。平凡等[3]认为ENSO的年代际变化对长江中下游地区夏季降水有重要影响。魏凤英[4]则将影响长江中下游地区夏季降水的因子分为年代际因子与年际因子两类：第1类中太阳黑子的作用最为明显；第2类中前秋、同期赤道东太平洋海温与前冬、春季北极涛动对降水年际变化贡献显著。张礼平等[5]提出太平洋暖池向外长波辐射低值区4月、7月偏南是长江中游地区夏季降水的重要信号。黄荣辉等[6]通过研究东亚夏季风雨带与西太平洋暖池的关系发现，当暖池增暖，长江流域夏季降水偏少。对于梅雨的研究也已取得了大量进展。魏凤英等[7]从不同时间尺度考察近百年来长江中下游梅雨突变，认为在20世纪40年代梅雨发生了由强变弱的突变。黑潮、南海、赤道印度洋地区海温上升易导致长江流域梅雨期降水偏多，而北太平洋海温偏高易导致江淮梅雨偏多[8]。葛全胜等[9]通过分析重建的1973年以来长江中下游地区梅雨雨量变化序列发现，梅雨期的长短与东亚夏季风变化较为一致，夏季风偏弱 (强) 时期梅雨期偏短 (长)。王跃男等[10]发现青藏高原东部大气季节内振荡对长江中下游降水有显著关系。吴志伟等[11]研究表明：春季SAM (Southern-hemisphere Annual Mode) 指数与长江中下游梅雨呈显著正相关关系，当春季SAM偏强时后期东亚夏季风偏弱，副热带高压加强西伸，长江中下游地区上空有较强的上升运动，这些都有利于梅雨增加。艾孑兑秀等[12]定义澳大利亚季风指数认为，冬季风低值年的夏季长江中下游地区降水偏多。刘芸芸等[13]详细讨论了印度季风爆发与长江梅雨的遥相关关系，提出在印度季风爆发后的两周左右，长江梅雨开始。万日金等[14]通过敏感性试验发现，山脉地形对西南季风气流有强迫抬升作用导致降水增加，对梅雨雨带的形成有重要作用。
对我国夏季及梅雨期降水的研究已经有了大量成果，但是对春季降水的认识相对较为缺乏。张洁等[15]对我国春季降水分布特征分析表明，长江中下游地区春季降水的水汽主要来源于赤道西太平洋，赤道印度洋的西风水汽为辅。Wang等[16]认为，副热带高压、海温、西风急流和极涡对江南春雨均有重要作用。白旭旭等[17]研究表明，当MJO (Madden-Julian Oscillation) 传播到中东印度洋时，长江中下游春季降水偏多，当进一步东传到中南半岛时，则华南春季降水偏多，而在其他位相则不利于我国东部降水。
2011年长江中下游地区春季发生严重干旱，梅雨期强降水又引起了旱涝急转。结合2011年旱涝急转事件，开展长江中下游地区春季和梅雨期降水连续性特征的研究将有助于加深人们对长江流域降水的认识。
1. 资料及方法
本文所选用的资料时间段均为1961—2009年, 包括NOAA提供的海温逐月再分析资料，水平分辨率为2°×2°；NCEP/NACR逐月再分析资料 (水平风场、比湿、位势高度)，Niño3区逐月海温指数；国家气象信息中心提供的逐日积雪资料；国家气候中心提供的我国756站逐日观测资料, 上海、南京、芜湖、九江和汉口5个站的梅雨监测资料；西太平洋夏季风资料来自于IPRC (http://iprc.soest.hawaii.edu/users/ykaji/monsoon/seasonal-monidx.html)，定义详见文献[18]。
从地理分区的角度研究长江中下游地区降水，首先需要进行区域划分。因此，参考地理标准以宜昌站为分界点，宜昌站以西为上游地区，以东地区为中下游地区 (图 1)。
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图 1 长江中下游地区气象站点分布Figure 1. Location of the selected stations in the mid-lower reaches of the Yangtze对梅雨期降水的监测只使用了上海、南京、芜湖、九江和汉口5个站梅雨期降水量。图 2表明，以上海等5个站梅雨期降水可以很好地反应出长江中下游地区的降水特征，梅雨期降水与长江中下游地区6月和6—7月降水量相关系数分别达到0.38和0.67，均超过0.01显著性水平。由此认为，使用上海等5个站的梅雨监测资料来表征整个研究流域梅雨期降水是可行的。
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图 2 1961—2009年长江中下游地区梅雨期降水与6月、6—7月降水量的变化趋势Figure 2. The variations of Meiyu period, June and June—July precipitation in the mid-lower reaches of the Yangtze during 1961—20092. 长江中下游地区春季与梅雨期降水
首先给出1961—2009年长江中下游地区春季和梅雨期降水标准化序列 (图 3)。由图 3a可以看到，长江中下游地区逐年春季降水有明显的年际和年代际变化，20世纪70年代降水偏多，80年代年际波动较小，近20年来降水波动较大且呈现显著减少的趋势，总体上长江中下游地区年平均降水量呈下降趋势，但线性趋势系数 (R=-0.21) 未达到0.05显著性水平，即线性下降趋势不显著。由图 3b可以看到，长江中下游地区梅雨期降水量，从20世纪60年代开始略有上升，90年代年际波动较为突出且降水量明显偏多，最近10年进入一个相对枯雨期，由于线性趋势系数接近于0，故无显著的线性趋势。
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图 3 1961—2009年长江中下游地区春季 (a) 和梅雨期 (b) 降水量变化趋势Figure 3. The trend of spring (a) and Meiyu (b) precipitation in the mid-lower reaches of the Yangtze during 1961—2009通过以上对比发现, 长江中下游地区春季降水波动较大，梅雨期降水从20世纪60年代初开始到90年代末均略有上升，但在最近10年内两者呈减少趋势，这可能会导致长江中下游地区干旱事件频发。为了更好地体现该地区春季与梅雨期降水连续性变化，利用两者标准化序列构造春季与梅雨期的降水散点分布 (图 4)。图 4中第一象限代表春季与梅雨期降水均偏多，第二象限代表春季降水少、梅雨期降水多，第三象限代表春季与梅雨期降水均偏少，第四象限代表春季降水多、梅雨期降水少。1961—2009年的49个样本主要分布在第一、第三象限内，也就是以春季与梅雨期降水连续偏多或者偏少事件为主，而第二、第四象限内的春季与梅雨期降水量发生逆转的事件发生频率相对较小。20世纪60，70，80年代在第三象限中均有4个样本，说明这30年中春季和梅雨期降水连续偏少事件较多；20世纪90年代在第一象限内有4个样本，春季和梅雨期降水连续偏多事件易发生；2001—2009年在第三象限有7个样本，即春季与梅雨期降水连续偏少事件在该时段极易发生。综上所述，样本中多数为降水连续偏多和降水连续偏少事件，但不同年代略有区别。
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图 4 1961—2009年长江中下游地区春季与梅雨期降水变化散点分布Figure 4. The quadrant pattern of spring and Meiyu precipitation anomaly in the mid-lower reaches of the Yangtze during 1961—2009为了具体分析形成各类事件的原因，根据图 4以±0.5倍标准差划分出典型年份 (表 1)。
表 1 连续性降水事件分类表Table 1. The classification of common abnormal precipitation event事件 春季 梅雨期 年份 连续涝 ≥+0.5倍标准差 ≥+0.5倍标准差 1975，1980，1983，1991，1995，1998，1999 先旱后涝 ≤-0.5倍标准差 ≥+0.5倍标准差 连续旱 ≤-0.5倍标准差 ≤-0.5倍标准差 1965，1971，1978，1985，2000，2001，2005 先涝后旱 ≥+0.5倍标准差 ≤+0.5倍标准差 1967，1973，1977，1992，2002 3. 成因分析
已有研究指出, 太平洋和印度洋海表温度对长江流域降水有重要影响[19-21]。首先给出春季与和梅雨期降水与前冬海温的相关分布 (图 5)，春季降水与赤道东太平洋海温正相关而与赤道西太平洋呈反相关，呈现出很好的ENSO形分布，而梅雨期降水与赤道东太平洋和北太平洋区域有较好的正相关 (图 5a)。为了更好地反映前冬赤道太平洋海温对春季及梅雨期降水影响的信号，再给出Niño3区海温指数与春季、梅雨期降水的相关性 (图略)，相关系数为0.42和0.30，分别达到0.01和0.05显著性水平，可见前冬赤道东太平洋海温对春季降水有很重要的影响。随着时间的推移春季海温信号对梅雨期降水反映有所变化，春季赤道太平洋海温信号消失，仅在孟加拉湾一小块区域有较好的正相关 (图略)。这可能是由于东亚夏季风发生使得影响梅雨的原因变得更加复杂，因此只考虑海温的影响还不够。
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图 5 前冬海温与春季 (a)、梅雨期 (b) 降水相关系数分布(阴影区表示达到0.05显著性水平)Figure 5. The distribution of correlation coefficients between previous winter SST and spring (a), Meiyu (b) precipitation, respectively(shaded areas represent passing the test of 0.05 level)大量研究指出，青藏高原积雪、季风、副热带高压和南方涛动等因子对长江流域夏季降水也有重要影响[22-25]。图 6给出前冬青藏高原积雪深度和6月西太平洋夏季风指数与梅雨期降水量的标准化时间序列。图 6中，前冬青藏高原积雪深度与6月西太平洋夏季风和梅雨降水量的相关系数分别为0.29和-0.30，均达到0.05显著性水平，相关性较好。从总体来看，当前冬青藏高原积雪较深，6月西太平洋夏季风偏弱易造成长江中下游地区梅雨期降水较多，反之亦然。但在某些特殊年份，如1970年梅雨期降水量很大而青藏高原积雪深度较浅、西太平洋夏季风也并不偏弱，这说明在某些特殊年份梅雨期降水量异常成因十分复杂。
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图 6 前冬青藏高原积雪深度、6月西太平洋夏季风指数与梅雨期降水量的变化趋势Figure 6. The trends of previous winter snow depth of Tibetan Plateau, western Pacific summer monsoon index of June and Meiyu precipitation根据表 1分析3种典型年份的环流特征, 首先给出典型年份对流层中低层风场和比湿的气候平均态和异常分布 (图 7)。从气候平均态 (图 7a) 来看，春季长江中下游地区上空为偏南风，其水汽主要来自于孟加拉湾、南海和西太平洋3个通道。由先涝后旱和连续涝事件 (图 7b，7d) 的春季850 hPa纬向风和比湿的距平场来看，长江中下游地区上空有加强的偏南风并伴随比湿的正距平中心，但两者也略有差别，在连续涝事件中 (图 7d) 长江中下游地区上空比湿的正异常中心较先涝后旱事件 (图 7b) 偏强且覆盖流域的范围更广；从风场来看，后者中3条水汽通道有更为异常的偏南风。图 7c则给出连续旱事件时春季异常的风场和比湿，与图 7b，7d明显不同的是长江中下游地区有显著的异常偏北风，水汽含量也偏少，易导致春季降水偏少发生干旱。由500 hPa副热带高压差异 (图 8) 可知，在连续涝和先涝后旱事件 (图 8a，8b) 中，春季副热带高压的主体位置均较气候平均态偏北偏西，这有利于西太平洋水汽输送的加强，而区别在于前者的副热带高压中心与气候态比较不仅位置更为偏西且强度更强，后者则只表现为位置偏西；与之相反的连续旱事件 (图 8c) 中副热带高压位置偏东，中心位置已经退到了菲律宾以东洋面，这不利于将西太平洋的水汽输送到长江中下游地区。
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图 7 春季850 hPa风场 (矢量) 及比湿分布 (阴影)(a) 气候平均场，(b) 先涝后旱年距平，(c) 连续旱年距平，(d) 连续涝年距平Figure 7. The spatial distribution of wind (vector) and specific humidity (shaded) at 850 hPa in spring(a) climate mean, (b) anomaly in flood-drought events, (c) anomaly in drought-drought events, (d) anomaly in flood-flood events![]()
图 8 春季500 hPa副热带高压 (实线：气候平均态；虚线：典型年份；单位：gpm )(a) 连续涝年, (b) 先涝后旱年, (c) 连续旱年Figure 8. 500 hPa WPSH in the climate mean (solid line) and average of abnormal years (dotted line) in spring (unit:gpm)(a) flood-flood events, (b) flood-drought events, (c) drought-drought events我国夏季雨带分布与副热带高压位置、强度关系密切。图 9分别给出6月副热带高压在不同事件的分布情况。连续涝年 (图 9c), 西太平洋副热带高压位置较气候平均态偏西，5880 gpm线最西端已经到达我国台湾上空，该形势有利于将西太平洋的水汽输送到长江中下游地区。图 9b，9c给出先涝后旱和连续旱事件的500 hPa气压场，两者的副热带高压形势有类似特点：主体位置均较为偏东。两者不同的是先涝后旱年 (图 9b)，副热带高压中心 (5880 gpm) 较气候平均态偏东；而连续旱年 (图 9c), 副热带高压中心位置与气候平均态差异不大。
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图 9 6月500 hPa副热带高压 (实线：气候平均态；虚线：典型年份；单位：gpm)(a) 连续涝年, (b) 先涝后旱年, (c) 连续旱年Figure 9. 500 hPa WPSH in the climate mean (solid line) and average of abnormal years (dotted line) in June (unit:gpm)(a) flood-flood events, (b) flood-drought events, (c) drought-drought events根据上述分析总结各类型降水事件的可能原因：春季长江中下游地区上空水汽丰富，850 hPa存在偏南风异常，春季至6月副热带高压中心位置持续偏西可能导致春季和梅雨期降水连续偏多；春季长江中下游地区上空水汽含量偏多，850 hPa存在偏南风异常，春季至6月副热带高压中心位置由异常偏西向偏东的转变可能会造成春季降水偏多而梅雨期降水偏少的先涝后旱事件；春季长江中下游地区上空的水汽含量偏少，850 hPa存在偏北风异常，春季与6月副热带高压中心位置连续偏东易造成持续干旱。具体的物理机制还需在后续工作进行分析。
4. 2011年旱涝急转的初步分析
2011年长江中下游地区发生了罕见的旱涝急转事件。图 10给出2011年春季和6月的850 hPa风场和比湿的距平分布。由图 10可以发现，春季长江长江中下游地区上空 (图 10a) 均为异常的东北风，同时存在大面积的比湿负异常。即2011年春季该地区水汽较常年明显不足，而6月长江中下游地区上空转变为了异常西南风，比湿也变为正距平 (图 10b)。水汽条件的突然转变可能直接导致了2011年旱涝急转的发生。
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图 10 2011年850 hPa风场距平 (矢量) 及比湿距平分布 (阴影) (a) 春季，(b)6月Figure 10. The spatial distribution of wind anomaly (vector) and specific humidity anomaly (shaded) at 850 hPa in 2011(a) spring, (b) June图 11给出了2011年春季、6月副热带高压位置与气候平均态的比较。图 11a表明，2011年春季副热带高压位置略偏北，中心强度有所增加。图 11b表明，2011年6月副热带高压较气候平均态明显西伸。即2011年春季副热带高压对春季干旱的影响不是十分显著，但6月副热带高压异常西伸有利于梅雨期降水突然增加，从而形成旱涝急转的格局。为了探寻2011春季干旱的原因，还考虑了前期海温的作用。从海温来看 (图略)，2010年冬季 (12月—次年2月) 赤道东太平洋有负的海温异常存在，表明在此期间发生了La Niña事件，也不利于我国东部地区降水的发生, 前期海温偏低是导致春季干旱的可能因素。因此，2011年旱涝急转的成因十分复杂，是众多因素相互叠加的结果。
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图 11 500 hPa副热带高压气候平均态及2011年位置比较 (实线：气候平均态；虚线：2011年；单位：gpm )(a) 春季, (b)6月Figure 11. The comparison of WPSH between climate state and 2011(solid line: climate state; dotted line: 2011; unit: gpm)(a) spring, (b) June5. 结论
1) 上海等5个站的梅雨期降水与长江中下游地区6月、6—7月的降水的相关系数分别为0.39，0.67，均达到0.01显著性水平，说明这5个站的梅雨期降水资料可以用来表征长江中下游地区梅雨期降水。
2) 春季降水有显著的年际和年代际变化，20世纪70年代降水偏多，而80年代年际波动则较小，最近20年降水波动较大且呈现显著减少的趋势。总体上看，有线性上升趋势，但并不显著；梅雨期降水从20世纪60年代开始略有上升，90年代年际波动较为突出且降水明显偏多，最近10年降水开始减少，进入一个相对枯雨期。
3) 20世纪60—80年代春季和梅雨期降水连续偏少事件较多；90年代春季与梅雨期降水连续偏多事件易发生。2001—2009年春季与梅雨期降水连续偏少事件异常频发。
4) 当春季水汽丰富，且春季与6月副热带高压中心位置持续偏西，导致长江中下游地区春季和梅雨期降水持续偏多; 虽然春季水汽条件较强，但春季与6月副热带高压中心位置由异常偏西向偏东的转变可能导致由涝转旱；春季水汽不足，且春季与6月副热带高压中心位置持续异常偏东可能诱发持续干旱。
5) 水汽条件突变可导致2011年旱涝急转，前冬的La Niña现象也不利于春季降水发生，而6月副热带高压位置向西的异常移动则可能触发了降水。
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图 1 长江中下游地区气象站点分布
Figure 1. Location of the selected stations in the mid-lower reaches of the Yangtze
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图 2 1961—2009年长江中下游地区梅雨期降水与6月、6—7月降水量的变化趋势
Figure 2. The variations of Meiyu period, June and June—July precipitation in the mid-lower reaches of the Yangtze during 1961—2009
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图 3 1961—2009年长江中下游地区春季 (a) 和梅雨期 (b) 降水量变化趋势
Figure 3. The trend of spring (a) and Meiyu (b) precipitation in the mid-lower reaches of the Yangtze during 1961—2009
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图 4 1961—2009年长江中下游地区春季与梅雨期降水变化散点分布
Figure 4. The quadrant pattern of spring and Meiyu precipitation anomaly in the mid-lower reaches of the Yangtze during 1961—2009
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图 5 前冬海温与春季 (a)、梅雨期 (b) 降水相关系数分布
(阴影区表示达到0.05显著性水平)
Figure 5. The distribution of correlation coefficients between previous winter SST and spring (a), Meiyu (b) precipitation, respectively
(shaded areas represent passing the test of 0.05 level)
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图 6 前冬青藏高原积雪深度、6月西太平洋夏季风指数与梅雨期降水量的变化趋势
Figure 6. The trends of previous winter snow depth of Tibetan Plateau, western Pacific summer monsoon index of June and Meiyu precipitation
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图 7 春季850 hPa风场 (矢量) 及比湿分布 (阴影)
(a) 气候平均场，(b) 先涝后旱年距平，(c) 连续旱年距平，(d) 连续涝年距平
Figure 7. The spatial distribution of wind (vector) and specific humidity (shaded) at 850 hPa in spring
(a) climate mean, (b) anomaly in flood-drought events, (c) anomaly in drought-drought events, (d) anomaly in flood-flood events
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图 8 春季500 hPa副热带高压 (实线：气候平均态；虚线：典型年份；单位：gpm )
(a) 连续涝年, (b) 先涝后旱年, (c) 连续旱年
Figure 8. 500 hPa WPSH in the climate mean (solid line) and average of abnormal years (dotted line) in spring (unit:gpm)
(a) flood-flood events, (b) flood-drought events, (c) drought-drought events
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图 9 6月500 hPa副热带高压 (实线：气候平均态；虚线：典型年份；单位：gpm)
(a) 连续涝年, (b) 先涝后旱年, (c) 连续旱年
Figure 9. 500 hPa WPSH in the climate mean (solid line) and average of abnormal years (dotted line) in June (unit:gpm)
(a) flood-flood events, (b) flood-drought events, (c) drought-drought events
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图 10 2011年850 hPa风场距平 (矢量) 及比湿距平分布 (阴影) (a) 春季，(b)6月
Figure 10. The spatial distribution of wind anomaly (vector) and specific humidity anomaly (shaded) at 850 hPa in 2011(a) spring, (b) June
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图 11 500 hPa副热带高压气候平均态及2011年位置比较 (实线：气候平均态；虚线：2011年；单位：gpm )
(a) 春季, (b)6月
Figure 11. The comparison of WPSH between climate state and 2011(solid line: climate state; dotted line: 2011; unit: gpm)(a) spring, (b) June
表 1 连续性降水事件分类表
Table 1 The classification of common abnormal precipitation event
事件 春季 梅雨期 年份 连续涝 ≥+0.5倍标准差 ≥+0.5倍标准差 1975，1980，1983，1991，1995，1998，1999 先旱后涝 ≤-0.5倍标准差 ≥+0.5倍标准差 连续旱 ≤-0.5倍标准差 ≤-0.5倍标准差 1965，1971，1978，1985，2000，2001，2005 先涝后旱 ≥+0.5倍标准差 ≤+0.5倍标准差 1967，1973，1977，1992，2002 
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