2019年长江中下游伏秋连旱的异常特征分析

高琦 徐明

(1.武汉中心气象台，湖北 武汉 430074； 2.长江流域气象中心，湖北 武汉 430074；3.中国气象局武汉暴雨研究所暴雨监测预警湖北省重点实验室，湖北 武汉 430205)

引言

长江中下游地区是中国重要的粮、油、棉生产基地，亦为人口密度大、经济发展最为发达的地区，因此对生态保护和水资源利用有较高的要求。由于其处于中国南北气候过渡地带，在复杂地形和过渡性气候共同作用下，区域内洪涝和干旱等灾害性天气频发[1-2]，如何提高对这些自然灾害的科学认识和有效防御一直是气象部门面临的难题。对于长江流域旱涝的成因和机理，专家和学者已做了大量有意义的工作[3-6]。研究表明，长江流域旱涝与东亚夏季风的关系密切，涝年多与弱夏季风有关，而强夏季风时，经常是旱年[7-9]。张琼和吴国雄[10]研究表明，南亚高压强度指数与长江流域降水显著相关，当南亚高压由弱变强时，长江流域由相对干旱转为相对多雨。况雪源和张耀存[11]通过诊断分析与数值模拟等方法揭示了当东亚副热带西风急流位置异常偏北时，南亚高压和西太平洋副热带高压偏弱，导致长江流域上空上升气流较常年偏弱，不易降水。此外，有研究[12-13]详细分析了长江流域干旱期间大气环流的异常特征，认为无论是副热带高压、中高纬环流及水汽输送等均存在明显异常。以往对于长江流域干旱的研究[14-17]，多集中在春季或夏季，而对处于梅雨季节结束之后的伏季(7月中下旬至8月)及秋季(9—11月)，由于梅雨期降水对土壤水分含量的持续影响，加之秋季气候上常有连阴雨出现，因而伏秋持续干旱的个例相对较为罕见，相应的研究较少。2019年伏秋季节长江中下游地区遭受了持续的干旱，给当地农业造成了较为严重的经济损失[18]，入选2019年国内十大天气气候事件。本文针对此次干旱的异常降水、气温及环流特征进行分析，以期为进一步深入研究其成因和物理机制以及前兆信号提供参考。

1 资料与方法

本文所指的长江中下游地区是指宜昌以东110°—120°E，25°—35°N范围内的中下游沿岸带状平原，涵盖了湖北、湖南、江西、安徽、江苏、浙江、上海等省市的部分地区。所采用的资料包括1980—2019年7—11月NCEP/NCAR再分析资料，长江中下游地区701个国家站逐日降水资料。用1981—2010年的平均值作为气候平均态。

2 结果分析

2.1 2019年长江中下游伏秋连旱特征

此次干旱发生之前的2019年6—7月梅雨季节期间，长江中下游沿江及以北的湖北中东部、湖南北部、江西北部、安徽中南部等地，降水偏少5成到一倍(图略)；梅雨结束后的7月下旬至8月，长江中下游的湖北、湖南、江西、安徽等省份又经历了持续的高温少雨天气，旱情自湖北和安徽省交界地区逐渐向南扩展，部分地区出现了中到重度气象干旱(国家气候中心网站干旱监测)；此后的9—11月中旬，上述地区基本维持气温偏高、降水偏少的格局，其中干旱发展最强时段在10月上中旬，湖南北部、湖北中南部、江西中北部、安徽南部、江苏南部、浙江东部地区达重旱到特重旱(图略)；进入11月中旬后，随着环流调整和降水逐渐增多，上述地区的气象干旱才逐步得到缓解。

2.1.1 干旱期间降水异常

从长江流域701个国家站在2019年7月20日至11月15日降水距平分布可见(图1a)，宜昌以东的整个长江中下游地区，降水明显偏少。湖北、湖南、江西、安徽等地降水偏少达到-40%～-60%，湖北东北部、江西中北部、安徽南部等地部分地区降水偏少甚至达到-80%以上。干旱期间长江中下游地区无雨日普遍达到了80 d以上(图略)，其中湖北东部、安徽南部、江苏南部、江西北部等地无雨日达到了100 d以上，无雨日数较历史同期偏多15—30 d，其中有145站无雨日数位列1981年以来第1位(图1b)。

鉴于2019年长江中下游干旱最为严重的地区发生在湖北、湖南、江西、安徽四省，因而本文将上述四省视为同一区域(区域内有317个站点)来研究干旱的特征。1981—2019年的7月20日至11月15日(合计119 d)时段内站点平均累计降水距平百分率的逐年演变特征表明(图2)，近40 a来长江中下游地区降水呈现较为明显的年际变化，大部分年份以降水偏多为主，约有三分之一的年份降水偏少，降水偏少时段分别发生在20世纪80年代中期、90年代中前期、20世纪末至21世纪初和最近的21世纪10年代末。从变化幅度来看，降水偏少振幅要明显强于偏多振幅，证明干旱对于伏秋季节的长江流域影响更为明显。进一步分析发现，2019年伏秋季节的累计降水距平百分率达到了-46%，仅次于1992年(-65%)、2003年(-55%)，居于1981年以来的历史第3位。

图2 1981—2019年的7月20日至11月15日中国长江中下游四省平均降水距平百分率的年际变化Fig.2 Interannual variation of rainfall anomaly percentages over the four provinces in middle and lower reaches of the Yangtze River from July 20 to November 15 during 1981-2019

2.1.2 干旱期间气温异常

2019年7月20日至11月15日平均气温的距平分布表明(图略)，长江中下游大部地区平均气温较历史同期偏高1 ℃以上，部分地区偏高幅度达2—3 ℃。从干旱期间超过35 ℃的高温日数的距平分布来看(图3a)，长江中下游的湖北、湖南、江西、安徽四省大部地区超过35 ℃的高温日数较历史同期偏多10 d以上，其中湖北中东部、江西西部及南部偏多达30 d以上。干旱期间超过35 ℃日数历史排名表明(图3b)，湖北中东部、湖南、江西大部站点超过35 ℃的高温日数居1981年以来的第3位以上，其中有162站达到了历史第1位。

图a填色为≥35 ℃高温日数距平，单位为d；图b填色为≥35 ℃高温日数历史排名图3 2019年7月20日至11月15日≥35 ℃高温日数距平(a)和≥35 ℃高温日数历史排名(b)Fig.3 High temperature ≥35 ℃ days anomaly (a) and historical ranking (b) in the Yangtze river basin from July 20 to November 15,2019

持续的高温少雨，使得干旱得以迅速发展。总结此次长江中下游地区干旱的特征：一是干旱持续时间偏长，从2019年7月下旬开始一直延续到11月中旬，发生了伏、秋两季的持续干旱；二是无雨日多、降水严重偏少，湖北东北部、江西中北部、安徽南部等地部分地区降水偏少达到-80%以上，湖北、湖南、江西、安徽四省有145站无雨日居历史第1位；三是气温较历史同期明显偏高，部分地区偏高幅度达2—3 ℃；四是高温日数明显偏多、极端性强，湖北中东部、湖南、江西等地超35 ℃高温日数较历史同期偏多30 d以上，有162站高温日数居1981年以来的第1位。

2.2 长江中下游伏秋连旱的大气环流异常

2.2.1 西太平洋副热带高压的异常

干旱一般与西太平洋副热带高压、大陆高压等天气系统直接相关。由图4a可见，2019年7月20日至11月15日长江中下游干旱期间，西太平洋副热带高压呈现强度偏强、脊线偏北的特征，其强度偏强、脊线偏北的日数分别达到了总日数的75%和64%。7月20日至11月15日500 hPa西太平洋副热带高压西伸脊点及其多年平均的逐日演变表明(图4b)，西太平洋副热带高压的西脊点仅有不到16%的日数(19 d)，由于热带系统活动出现了阶段性东退，其余时段西脊点可达到90°—100°E，即整个长江中下游大部分时间处于副热带高压的控制范围内。强度偏强、位置偏西、偏北的副热带高压在长江中下游长期维持，是此次干旱形成的主要原因。

图4 2019年7月20日至11月15日逐日500 hPa西太平洋副热带高脊线和强度指数距平(a)及西伸脊点(b)Fig.4 The temporal variations of subtropical high ridge and anomaly of intensity index (a) at 500 hPa as well as western extension ridge point (b) from July 20 to November 15,2019

2.2.2 南亚高压活动

南亚高压是对流层中上层重要的环流系统，它的进退活动与中低层西太平洋副热带高压进退及长江流域的旱涝关系十分密切。从2019年夏季200 hPa南亚高压的演变可以看出(图5a)，在干旱发展的大部分时段内，南亚高压的伸展异常偏东，强度偏强，1256 dagpm的等高线可以达到140°E以东，从7月中旬到10月上旬共有5次明显的东伸过程，每一次东伸都伴随着负涡度平流向东输送。研究表明[19]，如高层有负涡度平流，其下有下沉运动发展，有利于中低空的辐散及负涡度发展。由图5b可见，与高层对应的西太平洋副热带高压也有5次明显的西伸过程，且也都伴随着负涡度的向西输送。长江中下游正好处于对流层中高层200 hPa、500 hPa负涡度输送共同作用的区域，使得该区域垂直方向上辐散下沉运动得到显著加强。从沿30°N的垂直速度距平场可知(图6)，长江中下游地区从对流层低层850 hPa到对流层顶均为异常的正距平所控制，表明该区域中高层的下沉运动要比历史同期明显增强。

等值线为位势高度，单位为dagpm；填色为涡度,单位为s-1；白色点线为长江中下游地区经度范围；白色箭头指示负涡度西伸(东伸)过程图5 2019年7月20日至11月15日200 hPa(a)和500 hPa(b)沿30 °N的经度—时间剖面Fig.5 Time-longitude cross-sections along 30°N at 200 hPa (a) and 500 hPa (b) from July 20 to November 15,2019

填色为垂直速度距平，单位为10-2 Pa·s-1;黑色区域为地形高度图6 2019年7月20日至11月15日沿30°N垂直速度距平垂直剖面Fig.6 The vertical cross-section of vertical velocity anomaly along 30°N from July 20 to November 15,2019

2.2.3 中高纬度系统异常

由2019年长江中下游地区干旱期间500 hPa平均高度场及其距平可知(图7a)，在亚欧中高纬地区，呈现明显的“-+-”的波列分布，乌拉尔山至贝加尔湖有高压脊发展，在距平场上，80°—140°E、35°—50°N的区域内呈现显著正距平，位势高度偏高3—5 dagpm。乌拉尔山至贝加尔湖高压脊形成了“高压坝”效应，其阻挡了西风带上游的低压扰动向东南方向传播，同时季风槽偏弱，不利于水汽向长江中下游的输送，使降水难以形成。此外，东亚大槽所在区域高度距平场上表现为正距平，温度距平场上表现为正异常(图略)，这表明东亚大槽及槽后冷空气势力整体偏弱，西风带中的气旋性扰动不易影响到副热带地区，有利于西太平洋副热带高压在长江中下游地区稳定维持。

对历史典型干旱年份(1992年、2003年、2019年)进行合成分析，表明(图7b)，长江中下游典型的伏秋连旱年份，存在以下几个特征：一是在亚洲中高纬，存在位势高度场正异常区，长江中下游地区多受槽后偏北气流控制，不利于降水的形成；二是在西北太平洋热带地区菲律宾以东洋面存在位势高度场负异常区，热带系统相对较为活跃。对比2019年与1992年、2003年环流场差异表明，1992年、2003年亚洲中高纬的位势高度正异常区较2019年更为偏北(图略)，基本位于60°—70°N范围内；极涡在2019年是偏弱的，但在1992年、2003年均以偏强为主，表明极涡强弱与长江中下游干旱无明显的一致性变化。

图中填色为位势高度距平，等值线为平均位势高度，单位均为dagpm图7 2019年7月20日至11月15日500 hPa平均位势高度场及其距平(a)和典型干旱年位势高度合成场及其距平(b)Fig.7 Geopotential height fields at 500 hPa and their anomalies from July 20 to November 15,2019 (a) and those in a typical drought year (b)

陶诗言等[20]研究表明，东亚副热带西风急流的南侧会出现辐合上升，而在北面则出现下沉。从历史上1981—2010年7月20日至11月15日期间200 hPa平均纬向风的气候态分布特征可知(图8a)，东亚副热带西风急流轴(u≥30 m·s-1)呈准东西向带状分布，覆盖了83°—160°E、40°—43°N的区域，长江中下游地区位于急流轴的南侧，有利于该区域辐合上升运动和对流活动的发生。而从2019年7月20日至11月15日干旱期间的200 hPa平均纬向风分布可知(图8b)，副热带西风急流断裂为东西两支，在105°—128°E、40°—43°N的区域，副热带西风急流活动明显偏弱，不利于其南侧长江中下游地区辐合上升运动的发展，且长江中下游地区处于西支高空急流出口区的东南侧，总体利于下沉运动的发展和西太平洋副热带高压的稳定维持。

等值线为纬向风，单位为m·s-1；填色为≥30 m·s-1图8 1981—2010年的7月20日至11月15日200 hPa纬向风气候平均(a)及2019年7月20日至11月15日200 hPa平均纬向风(b)Fig.8 The climatic mean during 1981-2010 (a) and the average value in 2019 (b) for the U-wind field at 200 hPa from July 20 to November 15

2.2.4 热带系统活动与低层流场及水汽输送的异常

在热带系统对流加热区以北的负涡度作用下有利于西太平洋副热带高压的加强西伸。2019年秋季台风异常偏多，干旱期间仅在副热带高压南侧的110°—140°E、0°—30°N有13个台风生成[21]，频繁的热带系统活动为西太平洋副热带高压的维持提拱了有利条件。

从2019年7月20日至11月15日干旱期间850 hPa平均流场特征可见(图9a)，整个长江中下游地区处于明显的反气旋环流控制之下，在副热带高压南侧的110°—140°E、0°—30°N地区，可以看到有明显的与热带系统活动相关的气旋性环流，西南气流、越赤道气流和东南气流在向北输送的途中，出现绕气旋中心的运动。这三支气流形成的混合气流进入内陆后，由于西太平洋副热带高压在中低层形成的反气旋环流的阻挡，转而在长江中下游地区(110°—120°E、25°—35°N)形成一支异常的偏北辐散气流(图9b)，进一步加剧了干旱的发展。

图9 2019年7月20日至11月15日850 hPa平均流场(a)及其距平场(b)Fig.9 The mean streamline field at 850 hPa (a) and its anomaly (b) from July 20 to November 15,2019

从7月20日至11月15日700 hPa水汽通量及水汽通量散度的气候平均态分布(1981—2010年)可以看出(图10a)，长江中下游地区伏秋季节的水汽主要来源有三支：一支自孟加拉湾经云贵地区进入长江中下游地区；第二支来自南海，经副热带高压外围绕流进入长江中下游地区；第三支来自中纬度西风带的水汽输送。三支水汽中，以第一支即孟加拉湾的水汽为其最主要的水汽来源。但从2019年伏秋干旱期的700 hPa水汽通量及水汽通量散度场可以看出(图10b)，长江中下游地区的水汽辐合明显偏弱，中心强度仅为历史平均的一半，辐合区域的范围也较历史同期明显偏小。从水汽的输送路径来看，主要来自孟加拉湾和西风带，来自东南沿海的水汽在进入大陆之前转而折向西南方向，未能进入到长江中下游地区。由于水汽输送路径改变以及水汽辐合偏弱，不利于该地区降水形成。

矢量为水汽通量，单位为g·cm-2·s-1；填色为水汽通量散度，单位为10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1图10 1981—2010年的7月20日至11月15日气候态(a)及2019年7月20日至11月15日(b)700 hPa水汽通量及水汽通量散度Fig.10 The 700 hPa moisture flux and their divergence fields from July 20 to November 15 in the climate mean during 1981-2010 (a) and in 2019 (b)

3 结论与讨论

(1)2019年中国长江中下游伏秋连旱具有持续时间长、无雨日数多、降水偏少严重、气温较历史同期明显偏高、高温日数明显偏多等极端性特点，有145站无雨日居历史第1位，气温偏高幅度达2—3 ℃，湖北中东部、湖南、江西等地超35 ℃高温日数较历史同期偏多30 d以上，162站高温日数居历史第1位。

(2)西太平洋副热带高压在干旱期间强度异常偏强，位置偏西偏北，稳定维持在长江中下游地区。对流层高层南亚高压的东伸及负涡度平流的东输，有利于西太平洋副热带高压西伸。在对流层中、高层负涡度共同作用下，长江中下游地区辐散下沉运动得到显著加强。乌拉尔山至贝加尔湖的高压脊形成的“高压坝”，偏弱的极涡和东亚大槽等系统共同作用下，中高纬低槽和冷空气的活动偏弱，为西太平洋副热带高压稳定维持提供了有利的环流背景。东亚副热带西风急流的异常使得长江中下游地区处于高空急流轴出口区的南侧，异常下沉运动对副热带高压的发展和加强有利。热带系统活动频繁，有利于副热带高压在热带对流加热区以北的负涡度作用下得以进一步加强。

(3)对流层低层副热带高压南侧异常气旋性环流导致了西南气流、越赤道气流和东南气流等三支气流在向北的输送路径上发生了改变，加强了长江中下游地区对流层中低层的偏北辐散气流，并导致了东南沿海的水汽在进入大陆之前转向，使得长江中下游地区水汽辐合偏弱。

(4)本文分析表明，2019年长江中下游地区伏秋连旱是在多种环流系统异常组合配置的基础上形成、发展以及维持的。而关于干旱形成的深层机制及其他影响系统，如遥相关作用、夏季风强度、ENSO等尚未涉及，拟在下一步工作中，对干旱形成的物理机制开展进一步研究。