2015年广东开汛前后旱涝急转特征及成因分析

于玲玲，麦健华，纪忠萍，张东

（1. 广东省气象台，广东 广州 510641；2. 中山市气象局，广东 中山 528400）

1 引 言

长久以来，旱涝异常都是气象工作者研究的重点问题之一[1-2]。旱涝急转是旱涝异常的其中一种表现形式，指的是干旱与洪、涝灾害在相对较短的时间内发生转换的现象。大量的研究表明，旱涝急转与大气环流异常密切相关[3-4]。封国林等[5]在对中国长江中下游地区旱涝急转的降水异常事件及其影响机制进行了初步分析的基础上，建立了天气学概念模型。童金等[6]从多尺度低频角度对长江中下游旱涝急转进行分析，得出转折前后大气环流场存在显著差异，副高短期活动、孟加拉湾低槽及中高纬度槽脊对旱涝急转具有重要影响。吴志伟等[7-8]定义了长周期旱涝急转指数(LDFAI)，并对长江中下游及华南地区的旱涝急转的气候特征与大尺度大气环流异常的关系进行研究，分析了异常年的同期和前期的大尺度大气环流异常特征。也有学者对旱涝急转前后的水汽特征进行了研究。王传辉等[9]分析了长江中下游地区旱涝急转前后的环流特征及水汽条件，指出旱涝急转前后在东北冷涡的作用下，长江中下游地区受西北干冷气流和西南暖湿气流共同影响，为洪涝的发生提供有利的水汽条件。李丽平等[10]分析了华南前汛期9 个典型涝年的低频降水特征及其与低频水汽输送的关系，探讨了低频水汽输送通道及源地，并且指出水汽信号参考源地和模拟源地，可作为华南前汛期提前2～6 d 延伸期预报的重点考察地区。孙小婷等[11]定义了西南地区夏季长周期旱涝急转指数，选取旱涝急转典型年，分别分析了旱转涝年和涝转旱年的旱期和涝期大气环流和水汽输送特征，指出来自孟加拉湾和南海的水汽输送对旱涝急转的发生具有重要作用。

以上研究主要针对长江中下游、华南和西南地区，也有学者对湖南、山东等地的旱涝急转进行了分析[12-13]，而针对广东地区多为旱或者涝单方面特征的研究[14-15]，对广东前汛期旱涝急转的研究几乎空白。因此，本文以广东2015 年开汛前后一次极端的旱涝急转事件为研究对象，利用广东省86站逐日降水资料、NCEP/NCAR 一天四次的FNL再分析资料和NOAA 发布的逐6 h Hysplit 后向轨迹模式资料和日平均海温资料，对旱涝急转前、后两候的大气环流和水汽条件进行研究，并从海气相互作用方面探讨旱涝急转的成因。

2 资料与方法

使用资料：(1) 1981—2015 年广东省 86 站逐日降水量资料(北京时 08—08 时)；(2) NCEP/NCAR 发布的一天四次的FNL 再分析资料，水平分辨率 1 °×1 °；(3) NOAA 发布逐 6 h 的 GDAS 资料，水平分辨率1 °×1 °，用以驱动后向轨迹模式Hysplit；(4) NOAA发布的1981—2015年日平均海温资料，水平分辨率为0.25 °×0.25 °。

研究方法：本文使用《中华人民共和国国家标准GB/T 20481-2017》制定的，用以表征某时段降水量出现概率多少，适用于不同地区不同时间尺度干旱的监测与评估的指标——逐月标准化降水指数(SPI_1)及逐月降水距平百分率(逐月PA)，初步分析2015 年3—5 月逐月降水异常分布；用逐候降水距平百分率(逐候PA)划分旱涝急转前、后两候，从而进行旱涝急转前后大气环流和水汽条件的对比分析，其中水汽输送贡献率和水汽收支的计算均采用江志红等[16]的方法；用相关分析研究海气相互作用与旱涝急转的关系。本文中的距平均相对1981—2010年的历史平均进行计算。

3 2015 年广东开汛前后降水特征分析

图1 2015年3月(a)、4月(b)、5月(c)广东86站逐月PA(%)

表1 2015年3—5月广东86站平均月降水量及月尺度标准化降水指数SPI_1

为了进一步划分旱涝急转前后的时间点，图2给出了2015年3—5月广东86站平均逐候PA和降水量。可见，3—4月逐候PA 仅在3月第3候为正，其余均为负，对应逐候降水量均在25 mm 以下；5月第1候开始转为正值，对应全省平均候降水量超过60 mm，且5 月仅有第3 候为负，候降水量不到40 mm，第 4 候、第 5 候 PA 分别高达 207.14% 和135.78%，候降水量均超过100 mm，加重了洪涝程度，因此本文将4月第5候、第6候作为旱涝急转前两候，分别代表旱涝急转前和由旱转涝的过渡阶段，5 月第 1 候、第 2 候作为旱涝急转后两候，代表旱涝急转后阶段。

图2 2015年3—5月广东86站平均逐候PA(%)及逐候降水量(mm)

4 旱涝急转前后大气环流和水汽变化特征分析

4.1 大气环流变化特征分析

4.1.1 500 hPa环流形势的转变

赵世发等[18]对历史资料分析发现：不同的稳定大气环流形势对应着不同的异常天气过程。旱涝急转的发生必然对应着干旱、稳定的环流形势的崩溃和调整，因而，大尺度环流背景的转变是天气发生转折的重要因素。一系列的研究结果表明：500 hPa 中高纬度大尺度环流对暴雨的发生具有一定的指示意义[19-20]。

图3 给出了旱涝急转前、后两候500 hPa 高度及距平合成场。旱涝急转前，4 月第5 候(图3a)中高纬度为两槽两脊形势，即30～60 °E的欧洲地区和鄂霍次克海附近为高空槽，鄂霍次克海以北为冷涡，其南侧的东亚大槽偏东，槽底偏北；乌拉尔山以东至贝加尔湖附近和160 °E～180 °的西太平洋北部为高压脊。距平场来看，中高纬度的槽脊都较历史气候态偏强，这使我国大部地区处于西北气流的控制之下，易导致降水偏少[21-22]。南海区域副高接近气候态。4月第6候(图3b)中高纬度二槽二脊东移，南海区域副高加强西伸，副高范围及强度明显比气候态偏大、偏强。

5 月第1 候(图3c)由旱转涝，中高纬度为二脊一槽形势，5月第2候(图3d)为两槽一脊型[23]，这两种形势的共同点在于，中高纬度乌拉尔山至巴尔喀什湖附近均为高压脊，贝加尔湖附近为冷涡或低槽区，5 月第1 候冷涡随高度向后倾斜(图5c 和图6c)，有利于其东移发展[24]，而其强度与华南降水存在显著的正相关[25]。低纬度南海副高先持续加强西伸，后有所减弱，但均较气候态偏强。这两种环流形势之下，乌拉尔山附近的冷空气由贝加尔湖附近的低槽引导南下，与低纬副高北侧的西南气流相遇，极易造成暴雨发生，副高的稳定增强使广东地区长时间处于副高北侧不稳定区域，有利于降水的维持[26-27]。

图3 2015年4月第5候（a）、第6候（b）、5月第1候（c）和第2候（d）500 hPa位势高度和距平合成场(填色部分)

4.1.2 高低空垂直耦合的转变

例如：We love our country, we hope she’ll be stronger and stronger.

高低空垂直耦合是暴雨发生和维持的有利条件[28]。图4、图5 分别给出了旱涝急转前后的200 hPa 风场及散度场和850 hPa 风场及涡度场。图4a 可见，4 月第5 候南亚高压位于中南半岛南部，中心偏南，强度较弱，高空急流中心位于长江中下游地区到日本一带，广东处于偏西气流中。散度场可见，辐散大值中心位于孟加拉湾至青藏高原一带，广东地区高空辐散非常弱，结合图5a 同时段低层850 hPa风场和涡度场，孟加拉湾的西到西南风与中南半岛的东南风在青藏高原辐合，对应涡度的大值区，广东至南海北部为北风控制，低层辐合和高层辐散均不明显。4 月第6 候(图4b) 200 hPa 南亚高压加强北移，高空急流中心移至浙江、福建一带，广东处于急流南侧的偏西气流中，辐散大值中心东移至湖南一带，广东高空辐散开始增强。结合图5b 低层850 hPa 中南半岛转为西南风，与来自孟加拉湾的西南风叠加且持续东传，副高西伸加强，南海南部转为东到东南风，广东转受西南风控制，高低层配置向有利于降水的方向转变。

5 月第 1 候(图 4c)200 hPa 南亚高压中心北移至中南半岛中部，强度增强，高空急流加强且西移至长江中上游一带，广东位于南亚高压东北侧、高空急流南侧的西北到偏西风喇叭形流场和辐散中心区域，高空抽吸作用有利于上升运动的加强[29]，结合图5c 副高持续加强西伸，其西北侧低空急流加强，广东位于低空急流左侧，正涡度的增加有利于低层辐合的加强，广东地区高低空急流达到很好的垂直耦合，强烈的低层辐合和上升运动为广东由旱转涝提供充足的动力条件。5 月第2 候(图4d)广东高空辐散和低层辐合均增强，更有利于降水的产生。

图4 同图3，但为200 hPa风场(m/s)及散度场(填色部分，10-5·s-1)

4.1.3 地面气压场的转变

梁建茵等[14]指出，前汛期降水主要为北方冷空气侵入，冷暖空气相互作用的结果。为了研究冷空气在此次旱涝急转前后的作用，图6给出了旱涝急转前、后两候的地面气压及距平合成场。4月第5 候(图6a)，冷高压中心位于长江入海口处，贝加尔湖以南以及青藏高原为较强的正距平，地面冷空气偏强，偏北风控制中国大部地区及南海北部海面，结合图5a，南海北部无暖湿气流，因此不利于降水的产生。4 月第6 候(图6b)冷高压移走，贝加尔湖及中国东北地区为负距平，广东处于均压场中。5 月第 1 候(图 6c) 至第 2 候(图 6d)中高纬度乌拉尔山至贝加尔湖及青藏高原为正距平，同时东北冷涡强烈发展，华南大部为负距平，广东地区等压线呈南北走向，有利于暖湿空气的输送，冷暖空气均偏强易产生强烈的对峙，有利于暴雨的产生。这与李宏毅等[30]得到的华南西北部存在海平面气压场的正异常中心，该正异常中心的南部出现负异常，华南易涝的结论一致。

图5 同图3，但为 850 hPa风场(m/s)及涡度场(填色部分，10-5·s-1)

图6 同图3，但为海平面气压和距平合成场(填色部分)(hPa)

4.2 水汽条件变化特征分析

4.2.1 水汽输送通道的转变

充足的水汽供应是大范围长时间降水发生和维持的必要条件。为了揭示此次广东旱涝急转前、后水汽输送通道的转变，本文利用NOAA 的Hysplit后向轨迹模式进行模拟。选取旱涝急转前后降水差异较大的广州站为代表站，模拟时段为旱涝急转前4 月第5 候、第6 候和旱涝急转后的5月第 1 候、第 2 候，选取接近 850 hPa 的 1 500 m 为模拟高度，模拟气块后向5 d的运动轨迹。分别将两个时段模拟的若干条轨迹进行聚类分析，得到广州站在旱涝急转前、后的水汽输送通道和水汽贡献率如图7所示。

旱涝急转前到达广州站1 500 m 高度的水汽输送通道有6条(图7a)，通道1、2、3、4来源于陆地，总水汽贡献率为59%，其中又以通道2、4的贡献率为最大，分别为29%、21%；通道5、6来源于海上，分别为北部湾和孟加拉湾，两者总水汽贡献率为41%，其中，孟加拉湾通道的水汽贡献率仅占6%，北部湾通道的水汽贡献率高达35%，因此旱涝急转前广东的水汽主要来自通道2长江中下游一带，以及来自通道5北部湾一带，但这两条通道的长度相当短，说明气流非常弱，对降水的产生不利。因此，旱涝急转前的水汽来源分散且气流轨迹不利于水汽输送和降水的形成。图7b 可见，旱涝急转后水汽通道发生了显著的变化，三支通道均来源于海上，通道1来源于孟加拉湾，经中南半岛北部和北部湾到达广州，水汽贡献率为10%；通道2来源于中南半岛南部近海海面，经中南半岛中部和海南到达广州，水汽贡献率为35%；通道3来源于南海南部，水汽贡献率为55%，说明旱涝急转后的水汽主要来自南海南部以及中南半岛南部近海海面，强劲的西南到偏南风带来充足的水汽，有利于降水的产生。

图7 广州站旱涝急转前(a)、后(b)向后5 d的1 500 m高度水汽输送通道

4.2.2 整层水汽通量积分和散度的转变

水汽输送通道的转变使水汽通量随之改变。图8 给出了旱涝急转前后整层水汽通量积分及散度。4月第5候(图8a)水汽通量积分大值区及水汽辐合区位于孟加拉湾至青藏高原一带，广东水汽输送弱，且位于水汽辐散区；4月第6候(图8b)来自孟加拉湾与西太副高西侧的水汽在中南半岛北部辐合，并向湖南-江西-福建一带输送，此处为整层水汽通量积分和辐合大值区，广东北部地区处于水汽辐合大值区的边缘，水汽条件较前一候有所改善；5月第1候(图8c)西太副高西伸北抬，来自西太副高西北侧、孟加拉湾及南海的水汽均向广东地区输送，整层水汽通量积分及水汽辐合显著增强，最大水汽通量散度超过-2.1×10-7g/(cm2·hPa·s)，为旱涝急转提供充足的水汽供应；5 月第2 候(图8d)水汽辐合中心移至长江流域和台湾以北，广东水汽辐合仍较强，有利于降水的产生。

图8 同图3，但为整层(1 000～300 hPa)水汽通量积分(矢量，10-3 g/(cm·s))及散度(填色部分，10-7 g/(cm2·hPa·s))

4.2.3 水汽收支的转变

为了研究此次旱涝急转前后水汽收支的转变，本文取广东省旱涝急转最显著的区域(111～117 °E，22～25 °N)进行水汽通量差的计算，图 9给出了旱涝急转前后水汽通量差的垂直变化。4月第5 候低层925 hPa 以下水汽通量差基本为正，水汽净流出，850 hPa 及以上为弱负值，为弱的净流入；4 月第6 候为由旱转涝的过渡阶段，600 hPa高度及以下水汽转为弱的净流入，500 hPa 高度附近为弱的净流出；旱涝急转后的5 月第1 候，700 hPa 高度及以下水汽净流入，且在925 hPa 高度达最大，约-4.5×106kg/s，700 hPa 以上高度水汽为净流出；5 月第2 候低层净流入及中层净流出稍有减弱，仍有利于降水。

图9 广东地区（111～117 °E，22～25 °N）平均水汽通量差的垂直变化(106 kg/s)

综上所述，无论旱涝急转前、后，水汽净流入最大层都在行星边界层高度，但旱涝急转前整层水汽流入和流出都很弱，旱涝急转后低层水汽流入明显增强。

为进一步观察旱涝急转前后各边界水汽的收支情况，对区域 111～117 °E，22～25 °N 四个边界分别进行水汽收支的计算，水汽主要集中在低层，因此取地面到850 hPa高度的水汽通量做平均，分别计算东、西、南、北边界的水汽通量(正负号表示水汽的来向，即风的方向，正的为南风西风，负的为北风东风)如表2所示，可见4月第5候四个边界的水汽通量均为负，平均值较小，为-0.71×106kg/s，表明此时水汽是由北风和东风带来的，以北边界和东边界的水汽流入为主，且水汽不足。4 月第6 候开始，四个边界的水汽通量转为正值，且有所增加，平均值为0.99×106kg/s，表明水汽转为弱南风西风输送，且水汽输送增加。5月第1到第2候，四边界平均水汽通量持续增加至2.05×106kg/s，表明南风、西风输送水汽显著增加。且从旱涝急转后南、北边界的水汽通量来看，南边界水汽通量为最大，表明水汽输送以南边界输入为主；东、西边界中则以东边界输出为主。

同时，表2 给出了南、北方向的水汽收支，东、西方向的水汽收支和总净水汽收支，以研究整个区域内水汽的净收支情况。其中：

表2 4月第5候—5月第2候广东地区(111～117 °E，22～25 °N)各边界低层平均(1 000～850 hPa)逐候水汽收支(106 kg/s)

水汽收支的正负表示水汽的净流出和净流入。可见，旱涝急转前，4 月第 5 候、第 6 候的总净水汽收支分别为-0.24×106kg/s 和-0.40×106kg/s，水汽净流入较弱。5 月第 1 候、第 2 候，北-南向与东-西向水汽净收支的绝对值均增大，其中北-南向水汽净收支分别为-2.88×106kg/s 和-2.45×106kg/s，水汽净流入，东-西向水汽净收支分别为0.51×106kg/s 和 0.88×106kg/s，水汽净流出，北-南向的净流入远大于东-西向的净流出，总净水汽收支为净流入，这为旱涝急转提供了充足的水汽供应。

5 海气相互作用对旱涝急转的影响

相关研究指出，黑潮区(130～155 °E，15～35 °N)、北太平洋中部(170 °E～165 °W，15～30 °N)、赤道中东太平洋(Niño3 区(150～90 °W，5 °S～5 °N)，Niño4 区(160 °E～150 °W，5 °S～5 °N)) 、印度洋及南海的海温与华南降水密切相关[31-33]。

图10a~10c 给出了 2015 年 3 月、4 月、5 月的海温距平场，3—5月，Niño3、Niño4区海温距平达1.0～1.5 ℃，El Niño 事件显著。3—4 月黑潮区-北太平洋中部的海温负距平超过-1.0 ℃，局部达-1.5 ℃，5 月两海区海温距平由负转正，达1.0～1.5 ℃，局部超过了2.0 ℃。且5 月降水量与3—4月平均降水量的差与这两个时段内黑潮区、北太平洋中部以及 Niño3、Niño4 区海温距平差的相关系数(图略)均超过了0.05 的显著性水平检验，因此，将以上四个海区5 月的海温距平场分别与500 hPa 位势高度场求相关(图略)，四个海区的海温距平均与巴尔喀什湖附近环流呈正相关，与贝加尔湖附近的环流呈显著的负相关；另外，黑潮区与广东地区和印度半岛的环流呈负相关，北太平洋中部与广东地区的环流、Niño3区与印度半岛的环流均呈负相关，且以上相关系数均通过0.002 的显著性水平检验，由图11可见，四个海区5月与3—4月平均的海温距平差均为正，因此，四个海区5 月海温异常增暖分别可使巴尔喀什湖附近高压脊、贝加尔湖附近低槽、印度半岛低槽和广东地区低槽加强，大气环流转为有利降水的形势。

图10 2015年3月(a)、4月(b)、5月(c)海温距平场(℃)

图11 2015年5月海温距平与3—4月平均海温距平的差值场

综上所述，黑潮区、北太平洋中部以及Niño3、Niño4 区海温在5 月异常增暖的剧烈变化与此次旱涝急转前后大气环流的转折密切相关。

另外，图10 还可见，印度洋3 月海温距平为负，4 月转为正，且5 月增加到1 ℃以上，南海海温距平由3 月、4 月的负距平转为5 月的正距平。研究表明[34]，印度洋海温正异常有利于南海海温正异常的发生。而南海海温增暖，有利于华南地区低层水汽辐合(见4.2节)，加上较强的上升运动，使该地区的降水增加[32]。

6 结论与讨论

旱涝急转的发生必然伴随着大气环流和多种气象因子的迅速转变，本文分析2015 年广东开汛前后旱涝急转前、后两候的大气环流和水汽条件的转变，从海气相互作用方面寻找旱涝急转成因，得到以下结论。

(1) 2015年5月第1候广东发生了严重的旱涝急转事件，旱涝急转前，广东全省处于严重干旱状态，旱涝急转后除湛江南部外，其余地区降水异常偏多。

(2) 旱涝急转前后大气环流和水汽条件产生了急剧转变。大气环流方面，500 hPa 中高纬度由“两槽两脊”转为“两脊一槽”和“两槽一脊”，南海区域副高持续加强，200 hPa 南亚高压北移加强，广东高空辐散加强，高、低空急流的垂直耦合使上升运动加强，地面由冷空气控制广东转为冷暖气流在广东交汇。水汽条件方面，到达广东的水汽输送通道由北部湾和长江中下游地区转为南海南部和中南半岛南部近海，气流输送由弱转强；垂直方向上低层水汽由东风、北风输送转为西风、南风输送，低层水汽净流入显著增加。

(3) 旱涝急转前后海温场发生了剧烈的变化。黑潮区、北太平洋中部及Niño3、Niño4区海温的异常增暖有利于中高纬度巴尔喀什湖附近的高压脊和贝加尔湖附近的高空槽的加强；黑潮区海温异常增暖有利于中低纬度广东地区和印度半岛的低槽加强，另外，北太平洋中部和Niño3 区的海温异常增暖分别有利于广东地区低槽和印度半岛低槽的加强，大气环流转变为有利于降水的形势。印度洋和南海的海温异常增暖有利于华南地区低层水汽辐合。

另外，以往的研究表明，广东前汛期降水具有明显的周期振荡特征，对2015 年1—9 月广东地区逐日降水进行小波分析和谱分析可知，旱涝急转前后，4—5 月广东降水具有4～8 d 的准单周振荡及10～20 d 和60～90 d 的季节内振荡特征，对降水距平进行 4～8 d 、10～20 d 和 60～90 d 滤波后的三个时间尺度降水分量的方差贡献率进行计算，分别为21.8%、21.2%和7.2%，可见以上三个时间尺度降水分量是此次旱涝急转前后广东降水的重要组成部分，其中更以4～8 d 和10～20 d 尺度的降水分量为主。影响此次旱涝急转的主要低频系统如何，本文未做探讨，其低频成因有待进一步深入研究。