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长江中下游流域旱涝急转事件特征分析及其与ENSO的关系

闪丽洁¹，张利平^1,2，宋季云^3,4，张艳军¹，佘敦先¹，夏 军¹

1.武汉大学水利水电工程科学国家重点实验室，武汉430072;

2.黄冈师范学院旅游文化与地理科学学院，湖北黄冈438000;

3.英国剑桥大学数学科学中心应用数学和理论物理系，威尔伯福斯路，剑桥，CB3 0WA;

4.剑桥大学建筑系，1-5 Scroope Terrace, Cambridge, CB2 1PX, UK

摘要：近几十年来，由于全球气候变化和密集的人类活动，我国的旱涝急转事件的发生越来越频繁，对水和粮食安全造成了重大影响。为了更好的识别旱涝急转的特征，基于1960-2015年夏季75个雨量站的日降水观测记录，提出了一种改进后的日尺度旱涝急转指数（DWAAI）并将其运用到长江中下游地区（YRB-ML），分析此地区旱涝急转事件的长期时空特征。自1960年以来，流域内发生旱涝急转事件的频率和强度逐年增长。其中，旱涝急转事件主要发生在五月和六月的长江中下游流域的西北部，包括汉江流域、长江中游、洞庭湖北部和鄱阳湖西北部。此外，分析了ENSO对长江中下游流域旱涝急转事件的影响。结果显示，约41.04%的旱涝急转事件发生在拉尼娜现象减弱阶段或拉尼娜现象发生后8个月内，这意味着拉尼娜事件可能是旱涝急转事件的预测信号。在旱涝急转事件发生前6个月，尤其是鄱阳湖流域和黄河中游地区，所有雨量站的修正日尺度旱涝急转指数与Nino3.4地区的海面温度异常之间存在显著的负相关关系。研究结果对长江中下游流域在未来气候变化的挑战下的防汛抗旱和水资源保护具有重要意义。

关键词:干湿突变;长江流域中下游;时空特征;拉尼娜

1引言

在过去的十几年里，全球气候变化和过度的人类活动引起了更强烈和更频繁的夏季干旱和洪涝现象(Dai et al., 1998; Frich et al., 2002; May, 2004; Djebou et al., 2014; Li et al., 2015; Song et al., 2016)。自从20世纪90年代以来，短时间湿期和干期的交替，即旱涝急转事件，在我国尤其是长江中下游地区以及南方地区和西南地区频繁的发生 (Wang et al., 2009; Feng et al.,2012; She et al., 2013; He and Lu, 2014; He et al., 2016)。旱涝急转事件作为夏季旱涝异常的一种新特征和新趋势，对我国的水和粮食安全产生了重大影响，如抗旱性较差的农田的粮食产量将大幅下降(Dickin and Wright, 2008; Yu et al., 2012; Akhtar and Nazir, 2013)。为了解决旱涝异常引起的环境问题，人们进行了大量的研究，以确定降水的长期特征，分析降水异常与大尺度海气特征之间的关系(Wu et al., 2006a; Tang et al., 2007; Sun et al., 2012; Turner and Annamalai, 2012; Agnese et al., 2013; Gitau et al., 2013; Luo et al., 2013; Yang et al., 2013; Langousis and Kaleris, 2014; Huang, 2015)。特别是在长江中下游地区,夏季旱涝事件呈上升趋势，通常伴有高南半球年型、西太平洋副热带高压季节内异常振荡、跨赤道风异常、东亚气旋、亚洲极涡、亚洲经圈环流以及由于厄尔尼诺引起的海面温度异常 (Wu et al., 2006b; Yang et al., 2013; Ji and Shan, 2015)。由于大规模气候影响，极端旱涝事件发生的频率和强度不断增加，可能导致更多的旱涝急转事件 (Tang et al., 2007)。

为了更好的识别和量化旱涝急转事件，学者们提出了许多量化方法。Wu等（2006）通过对比5-6月和7-8月降水量的差异，定义了一个长周期旱涝突变指数(LDFAI)，并分析了长江中下游的旱涝急转事件与大尺度大气环流异常的相关性。Zhang等(2008)通过计算十天异常降水事件的百分比，分析了长江中下游中一个城市的旱涝急转事件的特征。但这些方法存在局限性，包括时间尺度较粗糙（季节性或10天）、旱涝交替时间点固定、缺乏对旱涝交替持续时间的考虑，这些局限性可能导致对旱涝急转事件识别不准确。为了克服这些局限性，本文对Wu等提出的长周期旱涝突变指数进行了修正，并提出了一个新的日尺度旱涝急转指数，通过考虑旱涝前后的条件以及旱涝交替持续时间，更好地研究长江中下游的旱涝急转事件的时空特征。

此外，本文还研究了大规模气候动力学，特别是厄尔尼诺南方振荡（ENSO）对长江中下游的旱涝急转事件的影响。ENSO是全球海洋-大气耦合系统中最强的年际变率信号之一，对海洋表面温度（SST）有着重要的影响。以往的研究主要集中在ENSO对夏季降水格局的影响上，发现赤道东太平洋冬季海温升高、赤道印度洋夏季海温升高、东澳大利亚海流和南海海温异常以及西太平洋暖池会导致长江中下游地区夏季降水量异常升高 (Luo et al., 1985; Sun and Ma, 2003; Gong and He, 2006; Hartmann et al., 2008；Liu et al., 2008; Li et al., 2009; Li, 2013; Dong, 2016)。最近几年，学者们试图研究ENSO对旱涝急转事件的影响(Li et al., 2014; Ma et al., 2014; Wang et al., 2014)。例如，Feng等人（2012）发现2011年初夏长江中下游的一次旱涝急转事件主要归因于2010年7月至2011年4月的拉尼娜事件和印度洋相应的异常冷海温。Li等（2013）发现，2011年春季一次旱涝急转事件之前的持续干旱条件是由于2011年1-5月的拉尼娜事件导致西北太平洋冷流向东偏转和副热带高压位置变化造成的，而随后的洪涝条件是由于6月拉尼娜的增强衰变和青藏高原感热通量增加造成的。然而，这些研究仅针对2011年6月的旱涝急转事件，较少对历史上所有发生的旱涝急转事件进行全面的统计分析。

在本研究中，我们将分析1960年至2015年夏季季风期间（5月至8月）长江中下游流域长期历史旱涝急转事件的时空特征，并对ENSO对旱涝急转事件的影响做长期评估。第2节介绍了长江中下游地区的降水数据和新的日尺度旱涝急转指数方法，第3节验证了新的日尺度旱涝急转方法。第4节和第5节讨论了旱涝急转事件的时空特征、太平洋海温异常的空间分布、旱涝急转事件前厄尔尼诺现象或拉尼娜现象的统计以及Nino3.4区域的日尺度旱涝急转事件和海温异常之间的相关性。本研究结果可为今后长江中下游中流域的旱涝急转事件预测提供重要线索，为此地区的旱涝防治提供重要指导。

2数据和方法

2.1数据

长江中下游流域（YRB-ML）位于东亚季风区，流域面积80万平方公里。受季风的强烈影响，降水时空变化很大，每年超过50%的年降水处于季风季节（5-8月）。该地区有春季降雨短缺导致的前期干旱期，夏季季风导致的后续潮湿期以及夏季冷暖空气混合增强的时期，这些时期容易发生旱涝急转事件。长江中下游流域已经遭受过一些

图1 长江中下游流域分布

（黑点表示气象站，黑线表示二级分区边界，蓝线表示河流）

严重的旱涝急转灾害。然而，

由于其地理范围较大，流域内不同地区的旱涝急转现象的空间分布存在很大的差异。如果根据整个流域的平均降水量进行分析，会平滑掉区域性的旱涝急转事件。为了克服这一限制，本文按照二级水资源分区将长江中下游流域分为汉江水系、中游干流区间、洞庭湖水系、鄱阳湖水系、下游干流区间和三角洲平原区共6个分区，空间分布如图1 所示。资料包括：国家气候中心提供的长江中下游流域75个雨量站1960-2015年逐日降水资料；海表温度资料来自NOAA官方网站（www.esrl.noaa.gov）下载的1951-2015年全球月平均SST，空间分辨率为2°times;2°。

2.2 方法论

为了定量和定性的描述旱涝急转事件，吴志伟等[21]定义了长周期降雨旱涝急转指数LDFAI（Long-cycle Drought-Flood Abrupt Alternation Index）

式中：R₅₆为5-6月标准化降水量；R₇₈为7-8月标准化降水量；(R₇₈-R₅₆）为旱涝急转强度项；(|R₅₆| |R₇₈|）为旱涝强度项；1.8^{-|R56 R78|} 为权重系数，作用是增加长周期旱涝急转事件所占权重，降低全旱或全涝事件的权重。

LDFAI是首个被定义用来量化旱涝急转事件的指标，计算过程简单，不需要人为筛选，为研究旱涝急转事件的基本特征和物理成因奠定了基础，但其中也存在着一些问题。首先，LDFAI包括4个月，其中2个月为旱季，2个月为雨季。因此，从旱季到雨季的转折点固定在6月底或七月初。旱涝急转事件可能在任何时候发生，如果事件发生在5月-6月期间，由于干旱期和雨季降水的平均效应，可以认为前期降水是正常的，难免导致一些旱涝急转事件的遗漏。其次，LDFAI仅反映了两个阶段的平均降水量之间的差异，而没有明确考虑干湿交替的持续时间。例如前后期降水量相同的两个旱涝急转事件，后期降水集中在前几日的事件强度必定强于后期降水平均分布的事件，所带来的危害也较为严重，利用LDFAI量化事件时却无法区分二者，即未考虑“急”的程度，有失准确性。

针对以上问题，本文在LDFAI的基础之上，构建了改进的日尺度旱涝急转指数（DWAAI）（Dry-Wet Abrupt Alternation Index），即：

式中：SPA_前、SPA_后分别为前期、后期标准化降水异常值 （Standardized Precipitation Anomaly）；SAPI_i、SAPI₀分别为后期第i天和前期最后一天的标准化前期降水指数异 常值，即分别对后期第i天和前期最后一天的前期降水指数API（Antecedent Precipitation Index）取标准化；n为后期天数。本文考虑旱涝急转事件仅为由旱急转为涝的过程， 即前期为旱期，后期为涝期。由于旱、涝事件对于时间的响应不同，需分开考虑旱、涝期的时间长度。Lu指出当日旱涝程度受当日降水和前期降水的影响，但前期逐日降水 对当日旱涝程度的影响呈指数衰减趋势，前期第44天对当日旱涝作用减少至1permil;，因此 本文选取旱期为44天。选取涝期为10天。

在指数的定义中，表示“急”的程度。

表示“转”的程度，为权重系数。

为了更好地理解参数a的物理意义，对不同事件由旱期向涝期“转”的程度进行对比计算（见表1).我们选择了8个事件进行比较，其中旱涝急转事件分为(No.1-6) 6个不同

强度和2个非旱涝急转事件，即一个全旱事件(7号)和一个全涝事件(8号)，已知1-6号“转”程度的顺序如下:3号gt; 2号 gt; 1号,6号gt; 5号gt;4号,且No.1-6 gt; No.7-8。从表1可以看出

当参数alt;1时，No.8的“转”程度大于1号;当参数agt;1.4时，6号的“转”程度小于5号。根据已知条件，这两种情况都是不合理的。因此，我们认为参数a的合理取值范围为1.0 - 1.4，在本文中将参数a的值设置为1.3。

表1 参数a不同取值时事件“转”的程度

3改进的日尺度旱涝急转指数DWAAI方法的验证

在本节中，选取武汉站作为测试案例，比较1960-2015年期间的长周期旱涝急转指数与日尺度旱涝急转指数之间的差异，并讨论改进后的日尺度旱涝急转指数是否能更好地识别长江中下游流域的旱涝急转事件。在每年的5-8月中选取DWAAI最大的一天作为由旱转涝最“急”的一天，且该天的前44天和后10天发生旱涝急转事件最严重的时期。表2列出了1不同年份中最严重的10个旱涝急转事件及其DWAAI或LDFAI。表3列出其旱、涝期标准化降水量分布情况。对比可知，两种指数排名前十的年份中，仅有两个年份相同（1994年和1998年）。但例如2011年6月的严重旱涝急转事件只能通过日尺度旱涝急转指数来识别。这主要是因为DWAAI在旱涝急转点的选择上更为灵活，而LDFAI方法在1期（5-6月）和2期（7-8月）之间有固定的急转点。具体地说，由DWAAI方法确定的急转点偶尔会在1994年至1998年LDFAI方法的5-6月至7-8月之间的固定时间段内，而在其他年份则不在LDFAI方法的固定时间段内。

表2 长周期旱涝急转指数排位前10的年份及其标准化降水量分布

 从表三可以看出，8个高DWAAI的年份中前期SPA指数均小于-1.其中有五年的SPA指数小于-0.5，均为中度或重度干旱年份。10年的后期SPA指数均大于2，其中5年的SPA指数超过3，均为中度或重度洪涝年份。高DWAAI值与高绝对SPA值相对应，准确对应旱涝急转事件的发生。为了更好的阐明DWAAI的意义，图2显示了高DWAAI对应的降水过程，可以看出旱期和涝期的差异。例如，通过比较图2a和图2c中的降水过程，2011年的雨季和旱季的降水差异比1984年高54.1%，表明2011年的旱涝急转事件比1984年更严重。比较1984年（15.70）与2011年（20.15）的DWAAI值，也可以得出同样的结论.由此可证，DWAA

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