2021年汉江上游秋雨异常偏多及成因分析

范 维 丁洪亮 董付强 邱 辉

（1.汉江水利水电（集团）有限责任公司，武汉 430048；2.长江水利委员会水文局，武汉 430010）

0 引 言

华西秋雨是指我国四川、重庆、贵州、甘肃东南部、陕西南部、湖南湖北西部、云南东北部一带秋季多雨的特殊天气现象[1]。秋季南下的冷空气与上述地区暖湿气流持续交汇，造成渭河、汉江、岷沱江、嘉陵江、乌江、沅江等流域出现持续强降雨，水文上则表现为明显的秋汛。按照中国气象局南北秋雨的地理划分标准，汉江上游位于我国南北秋雨交界地带，包括陕西南部和湖北中西部地区[2-4]，秋季持续性强降雨通常造成汉江流域发生严重洪水灾害，以及城市内涝、滑坡、泥石流等次生灾害[5-7]。进入21世纪以来，华西秋雨呈明显增加趋势[8-14]，特别是2010年以来，汉江上游在2010年、2011年、2014年、2017年和2021年发生明显秋汛，秋雨周期缩短为3～4年。

2021 年，汉江上游降雨持续偏多，尤其是8 月下旬开始，汉江上游接连发生持续性强降雨；汉江中游支流白河发生超历史记录特大洪水，鸭河口水库入库洪峰流量超历史极值（18 200 m3/s），汉江中下游皇庄站以下干流水位全线持续超警戒。2021年秋汛期（8月21日至10月31日），丹江口水库累计来水量401亿m3，为1973年建库以来秋汛期洪量历史最大值，属来水异常偏丰年份。本文通过分析秋季环流及外强迫信号特征，揭示秋雨异常偏多成因[15-19]，有助于为汉江上游秋雨预测提供参考依据，对汉江流域秋季防洪及丹江口水库汛末提前蓄水具有十分重要的意义，也有利于积极应对气候变化、推动长期降雨预测工作更好地服务于国家南水北调战略。

1 资料与方法

本文使用了1960-2021 年汉江上游逐日分区面雨量资料、1981-2020 年气候平均值资料。副热带高压指数及Nino3.4 区指数来自国家气候中心，文中部分图形出自国家气候中心大气环流交互分析网站，作图数据为美国国家环境预报中心（NCEP）提供的水平分辨率为2.5°×2.5°的逐日大气环流资料，气候场资料来自于NCEP提供的1981-2010年数据。

汉江上游秋雨的起止时间和强度指标，参照中华人民共和国气象行业标准《中国雨季监测指标-华西秋雨》（QX/T 496-2019）[20]确定。汉江上游分区面雨量采用流域内各分区雨量站点使用泰森多边形计算方法求得。受资料限制，采用汉江上游3个分区日面雨量（08-08时）作为判定汉江上游秋雨的降水资料，当分区面雨量≥1.0 mm即视为流域分区内各站点降雨量不为0。秋雨区域、秋雨日、秋雨起止日、秋雨日数、秋雨量和秋雨强度指数采用以下方法确定。

（1）秋雨区域。以丹江口水库坝址以上为汉江上游秋雨区，为便于分析将汉江上游划分为石泉站以上、石泉站至白河站、白河站至丹江口坝址3个分区。

（2）秋雨日的确定。自8 月21 日开始至10 月31 日，当汉江上游流域3 个分区中有两个分区的面雨量≥1.0 mm时为1个秋雨日，否则为非秋雨日。

（3）秋雨起止日的确定。自8 月21 日起，若连续出现5 个秋雨日，或连续5 d 中只在第2～4 d 中出现1 个非雨日，则判定秋雨开始，并将第1个雨日定义为汉江上游秋雨开始日期；如果8月21日至9月下旬均没有连续秋雨日，则将9月出现的第1场区域性大雨以上过程的开始日定为秋雨开始日期。秋雨开始后，至10 月31 日前（包括10 月31日）为止的最后5个秋雨日（或连续5 d中只在第2～4 d中出现1个非雨日），则将最后一个连续5 d的秋雨日后一日，定为汉江上游秋雨结束日期；如果10月没有连续秋雨日，则将9月下旬至10月出现的最后一个大雨以上过程的最后一个雨日定为秋雨结束日期。

（4）秋雨日数和秋雨量。秋雨日数为秋雨起止日之间的总日数，秋雨量为秋雨期间汉江上游面雨量的累计值。

（5）秋雨强度指数。采用秋雨日数和秋雨量两个指标综合衡量秋雨强度，计算公式如下：

式中：I为秋雨强度；D、R分别为流域内某年秋雨日数（d）和秋雨量（mm），D0和R0分别为流域内秋雨日数和秋雨量的气候平均值；SD和SR分别为流域内秋雨日数和秋雨量的气候标准差。将秋雨综合强度指数作为划分依据，把秋雨强度划分为5个等级，见表1。

表1 华西秋雨强度等级划分

2 2021年汉江上游秋汛特点

2.1 秋雨开始早、历时长、秋雨量显著偏多

2021 年汉江上游秋雨开始早、历时长，按照秋雨综合强度指数评价，2021年汉江上游秋雨强度指数为1.5，属显著偏强年份。2021 年汉江上游秋雨期开始于8 月21 日，较常年平均开始日期（9月2日）偏早12 d；结束于10月16日，较常年平均结束日期（10月11日）略偏晚；秋雨期共计57 d，较多年平均秋雨期日数35 d显著偏多22 d。

秋汛期，汉江上游累计面雨量543.5 mm，较多年平均秋雨量195.6 mm 显著偏多1.8 倍（图1），3 个分区中石泉站以上、石泉站至白河站区间面雨量分别为664 mm、630 mm，均为建库以来同期最大值。秋汛期，安康站以上大部地区降雨量为500～700 mm，其干流南岸部分地区700～900 mm，最大降雨量出现在渚河观音堂站1126.8mm。秋雨主要集中在8 月下旬至9 月，其中8 月下旬（21-31 日）汉江上游累计面雨量168.8 mm，较多年均值偏多3.1 倍，为1960 年以来同期最大值；9 月面雨量316.6 mm，列历史同期第2位，仅次于1984年（331 mm）。

图1 汉江流域2021年秋汛期降雨量实况及距平图

2.2 暴雨频繁、降雨强度大、持续时间长

8 月中旬开始，汉江上游暴雨频发，进入秋汛期后，接连发生8 次强降雨天气过程（表2），部分支流出现大暴雨，降雨中心多站累计过程降雨量超过200 mm。秋雨期间，汉江上游面雨量大于1.0 mm 的雨日数39 d，其中暴雨日5 d，大雨日9 d，中雨日13 d，暴雨日数多。8 月25 日至9 月7 日、9 月15-20 日、22-29 日、10 月3-8 日发生了6 次强降雨天气，过程持续6-14 d，其中8 月25 日至9 月7 日的降水过程持续14 d，连续发生3 次流域性大到暴雨天气过程，累计降雨量193.4 mm，降雨基本无间歇。

表2 2021年秋汛期汉江上游强降雨过程统计

2.3 洪水次数多、多轮洪水过程重叠、来水量大

2021 年秋汛期，丹江口水库累计来水约401 亿m3，较常年同期偏多4 倍，来水异常偏多时段集中在8 月下旬至9 月。分月看，8 月下旬平均入库流量8 440 m3/s，较常年同期偏多3.7倍；9月平均入库流量8 467 m3/s，较常年同期偏多3.6 倍，均为1973 年水库建成以来同期最大值；10 月上旬平均入库流量5 210 m3/s，较常年同期偏多3.1倍。

秋汛期，丹江口水库共发生入库洪峰流量大于5 000 m3/s 的洪水8 场（表3），洪水场次超过1983 年，其中入库洪峰流量超过10 000 m3/s 的洪水7 场，入库洪峰流量超过20 000 m3/s 的洪水3场，最大入库洪峰达24 900 m3/s（9月29日03时），为2011年以来最大洪水量级。

表3 2021年秋汛期丹江口水库入库洪水对比

3 2021年环流特征分析

3.1 北半球环流异常特征对比

通常情况下，随着季节演变大气环流随之调整，秋季西风带系统逐渐增强，副热带系统逐渐减弱南退。汉江上游地处秦巴山区，是南北气候的过渡带，秋季冷空气沿河西走廊南下，与停滞在该地区的暖湿气流持续交汇，加剧锋面活动形成连阴雨天气。

2021年秋汛期，200 hPa纬向风距平在40°N-45°N附近为明显的正距平带，我国华北北部至东北地区为明显的正距平中心，汉江流域处于正距平中心南侧（图2），表明高空西风偏强，且于40°N附近稳定维持，急流中心位于华北地区，汉江上游处于高空急流南侧的高空辐散区，对应中低层辐合上升，有利于汉江上游降水产生和维持。

图2 2021年秋汛期200 hPa纬向风距平场

500 hPa 高空距平图上，欧亚中高纬自西北向东南呈“+-+”的典型异常波列分布，乌拉尔山及西西伯利亚为明显正距平，巴尔喀什湖至贝加尔湖以及蒙古地区是宽广的槽区，为明显的负距平，雅库茨克及我国东北至东部沿海为正距平，双阻型环流形势利于冷空气在巴尔喀什湖和贝加尔湖地区堆积，西北地区多短波槽引导冷空气从西北和蒙古地区南下影响我国中东部地区；低纬度印度半岛至南亚东部为正距平，说明印缅槽偏弱，配合印缅槽的秋季逐日监测看，印缅槽秋季整体偏弱，9 月偏弱，10月前期有阶段性增强；西太平洋副热带高压较常年气候态异常偏强偏西，588 dagpm脊线位于长江干流沿线30°N-33°N 附近，较常年偏北约5°，西伸脊点到达长江中游100°E 附近，较常年偏西约30°（图3），利于副高西南侧暖湿气流向西北地区输送。

图3 2021年秋汛期500 hPa平均位势高度及距平场

700 hPa矢量风距平场看，2021年秋汛期，我国东部至日本西部为稳定的反气旋式环流，川渝经华北至东北上空为环流西侧强盛的西南暖湿气流，携带大量水汽直达川陕至华北地区。同时西北地区至蒙古为气旋环流，气旋南侧的西风和西北风利于北方冷空气沿河西走廊和高原东部向东传输（图4（a））。从地面到300 hPa 整层积分的水汽输送可见，西北地区东传的干冷空气和川渝至华北的西南暖湿气流在汉江上游至华北东北交汇（图4（b）），造成2021年北方秋雨的显著偏多，我国东部沿海的反气旋环流与西北地区东部气旋环流的稳定维持为汉江上游秋雨的异常偏多提供了必要水汽条件。

图4 2021年秋汛期700 hPa矢量风距平场和地面至300 hPa整层积分的水汽输送距平及水汽通量散度距平

3.2 副热带高压异常特征

分析2021 年逐日西太副高的纬度-时间剖面图发现，8 月中旬开始110°E-130°E 范围内西太副高异常强盛，588 dagpm 平均位于30°N-35°N 附近，其北界的位置进退与秋汛期降雨持续时段有很好的对应关系（图5）。8月下旬，588 dagpm 线第一次越过30°N，持续到9 月上旬末，对应8月25日至9月7日较长时间的持续强降雨，9月中、下旬和10 月上旬分别有3 次进退过程，与9 月15-20 日、22-29日、10月3-8日3次降雨过程时间非常一致。由此可见，副高强度偏强，脊点偏西、脊线稳定偏北是汉江上游秋汛期出现4次阶段性持续强降雨的主要原因之一。

图5 2021年秋汛期逐日西太副高的纬度-时间剖面图

3.3 海温异常特征

赤道中东太平洋海温异常是造成大气环流异常的主要外强迫因子，海温分布状态对我国夏、秋季降雨多寡和雨带分布有明显影响。有研究表明，厄尔尼诺年我国秋季降水南多北少的概率较大，而拉尼娜年西北地区秋季降雨易偏多[11-12，18-19]。

国家气候中心监测显示，2020年8月至2021年3月形成一次中等强度的东部型拉尼娜事件，之后赤道中东太平洋海温短暂回暖，7月开始海温持续下降，并于10月再次进入拉尼娜状态，形成“双峰型”拉尼娜年（图6（a））。Walker环流秋季9-10 月表现为海洋性大陆强烈的上升支和印度洋西部、赤道太平洋东部的强烈下沉支（图6（b）），显示Walker 环流明显增强，呈典型的拉尼娜状态特点，有利于秋季西太副高维持偏强偏西偏北。

图6 Nino3.4区逐侯指数和9-10月Walker环流距平场

4 结 论

2021 年，汉江上游秋雨异常偏多，导致流域发生多场较大洪水，出现超20年一遇秋汛洪水。通过分析秋汛期的降雨、来水特征，探究秋雨异常的环流特征及外强迫信号，得出以下结论：

（1）2021 年汉江上游秋季降雨和来水异常偏多，秋雨期具有开始早、历时长、雨日多、雨量大、阶段性强降雨显著等特点，丹江口水库来水相应呈现洪水次数多、量级大、场次重叠、来水量大等特点。

（2）200 hPa 纬向风在40°N-45°N 附近同为正距平带，华北有明显的正距平中心，高空西风急流稳定于40°N附近，汉江上游处于高空急流南侧的高空辐散区，对应低空辐合上升运动，利于汉江上游降水的维持。500 hPa欧亚中高纬呈“+-+”的波列分布，利于西风带低槽引导冷空气东传影响。西太平洋副热带高压主体异常偏强偏西，脊线北段位于30°N 附近及以北地区，利于西南暖湿气流向汉江及华北输送，副高脊线的进退和稳定维持与汉江上游强降雨起止时间具有较好对应关系。

（3）2021年赤道中东太平洋海温在拉尼娜事件结束后再次进入拉尼娜状态，汉江上游秋雨偏多属对该区冷海温的响应，与华西秋雨异常偏多年赤道中东太平洋拉尼娜型海温异常具有较好的一致性。

通过2021年秋雨异常的成因探究，分析异常气候事件及高相关因子演变趋势，对预判汉江上游秋汛期降雨异常偏多具有较好指示意义，可以此建立流域灾害性异常气候预测预警机制，使汉江流域防洪减灾更有针对性，丹江口水利枢纽调度决策更精准精细。