引言

我国是典型季风性气候国家，气候复杂，湿润区和半湿润区降水变率大，干旱灾害和洪涝灾害分别占气象灾害比例的53%和28%，气象灾害频发。我国大陆性气候明显，在全球变暖背景下，夏季高温现象更加突出。防汛抗旱是我国气象决策服务的重点，而主汛期七大江河流域的降水活动和汛情情况及其变化特征是关注的核心。

2011年7月全国大部温度较常年同期偏高，降水较常年同期偏少，呈干热天气特征。雨情、水情、汛情和旱情的特点为：一是降水偏少，干旱为主旋律；二是局部暴雨强度大，引发洪水灾害；三是主要江河水位正常，汛情总体平稳。目前全国七大江河流域基础性地形数据已初步建立^[1]，但由于流域气候的差异性和复杂性，目前系统性地分析流域气候的工作相对较少^[2-3]。由于流域气候监测、预测、服务需求迫切，而影响夏季降水的因素复杂，如来自大气外强迫等^[4]。为此，本文从长江流域、淮河流域、黄河流域、珠江流域、海河流域、辽河流域和松嫩流域七大江河流域气候分析出发，分析东亚季风活动与流域降水异常及气候变化特征，开展2011年7月长江流域气候异常可能机理的成因研究。

1 资料和方法

本文降水和气温观测资料来自国家气候中心气候监测系统，再分析资料分别取自JRA-25高分辨数据集^[5]和NCEP/NCAR I数据集。海温资料来自NOAA气候预测中心，气候态为1971－2000年平均值。分析方法包括线性趋势等统计技术、动力诊断、相关分析和小波分析。水汽收支采用文献[6]方法，整层积分由表面到300 hPa。东亚南风环流指数I_ES定义为区域平均经向风距平垂直切变；南海南风环流指数I_SS为区域平均的经向风距平垂直切变^[7]; 同时，给出了东亚夏季风指数I_Z^[8]和国家气候中心南海夏季风业务监测强度指数(I_scs)¹⁾。南风环流指数与传统指数的差异主要体现在季风涌上，实际计算公式为：

$ \begin{array}{l} {I_{{\rm{ES}}}}{\rm{ = }}{{V'}_{850}}{\rm{ - }}{{V'}_{200}}\left( {{{10}^ \circ }{\rm{S}} \sim {{25}^ \circ }{\rm{N}}, {{100}^ \circ } \sim {{125}^ \circ }{\rm{E}}} \right);\\ {I_{{\rm{SS}}}}{\rm{ = }}{{V'}_{850}}{\rm{ - }}{{V'}_{200}}\left( {{{10}^ \circ }{\rm{S}} \sim {{10}^ \circ }{\rm{N}}, {{100}^ \circ } \sim {{140}^ \circ }{\rm{E}}} \right){\rm{。}} \end{array} $

¹⁾http://ncc.cma.gov.cn/Monitoring/monsoon.htm

本文选用常用的Morlet小波，角频率ω₀＝6。小波功率谱E_{a, b}定义为：

$ {E_{a, b}} = {\left| {{W_f}\left( {a, b} \right)} \right|^2} $

全域小波功率谱E_a表征不同尺度a对应的能量密度，定义为：

$ {E_a} = \frac{1}{N}\sum\limits_{b = 1}^N {{{\left| {{W_f}\left( {a, b} \right)} \right|}^2}} $

根据Torrence^[9]导出的关系，尺度a和周期T的对应关系：

$ T = \frac{{4{\rm{\pi }}a}}{{{\omega _0} + \sqrt {2 + \omega _0^2} }} \approx 1.033a $

小波功率谱是否显著，用红噪声或白燥声标准谱进行检验，本文采用红噪声检验。

2 七大江河流域气候特点 2.1 流域降水特点及变化趋势

我国七大江河流域的面积相差较大，因此选定的流域气象观测站数也不同。从2011年7月七大江河流域降水特点及变化趋势的分析结果可以看到：主汛期流域面积降水量总体偏少，降水距平百分率除海河流域正常略偏多外(4.4%)，淮河流域(-0.6%)、黄河流域(-5.4%)、珠江流域(-17.9%)、辽河流域(-16.0%)及松嫩流域(-4.4%)正常略偏少，而长江流域降水属异常偏少(-26.0%)，是均方根差的1.3倍。流域降水量的气候特征分析发现，珠江流域7月降水量为221.9 mm，在七个流域中最多；黄河流域由于主要区域位置偏西，月降水量仅为99.5 mm。淮河流域、长江流域、海河流域和辽河流域的降水量一般在165~185 mm附近。

流域降水距平百分率空间分布(图 1)的特征分析发现，2011年7月长江流域异常偏少的区域主要集中在湖南大部、流域的贵州和云南一带、重庆中南部等附近，其中部分地区降水偏少3~8成；而降水偏多的区域相对较小，分布在长江下游的江北附近和流域上游的四川北部、甘肃南部、陕西西南部一带, 局部偏多5成至2倍(图 1a)；淮河流域降水偏多的区域主要集中在东南沿线的苏北与皖东附近，山东半岛中部和南部降水偏多2~5成，其中，7月25日乳山青山路南日降雨量270.9 mm，造成严重地质灾害。但淮河流域降水总体接近正常略偏少(图 1b)；黄河流域降水偏多区出现在河套中东部、流域上游的南部地区，整体正常略偏少(-5.4%)；珠江流域西南地区段、广西大部、广东西部和东部降水异常偏少，整体偏少近2成；流域降水偏多区主要分布在流域西部，与东北冷涡的活动密切相关，7月26日辽宁铁岭遭受特大暴雨袭击、27日内蒙古扎鲁特旗遭罕见大暴雨，7小时降雨量达到100 mm，但整体偏少1~2成；松嫩流域的降水量接近正常略偏少。七大流域中唯一接近正常略偏多的海河流域(图 1c)，偏多区分布在流域的中东部和中西部，局部偏多5成至1倍。

2.2 流域气温特点及变化趋势

表 1给出了七大江河流域气温特点及变化趋势。不难发现，七大江河流域气温均持续气候变暖特征，表现为一致的正距平，尤以松嫩流域异常最为显著(1.1℃)，是均方根差值的1.25倍；其他地区距平低于全国平均值(0.7℃)。七大江河流域气温变化线性趋势均表现出增温特征，除长江流域和淮河流域增温幅度较小外，其他流域增温幅度接近或高于1.5℃·(100 a)^-1，其中松嫩流域和黄河流域线性增暖趋势最为显著。不同流域气温年际变率大，年代际变化特征显著，流域差异大，与全球变暖背景有关。

3 东亚季风活动与降水异常分析

大气环流监测表明：欧亚中高纬地区2011年7月主要为两脊一槽的环流形势，且槽脊均偏强。西太平洋副热带高压与常年同期相比，西伸脊点位置明显偏东，脊线持续偏北。副热带高压与常年同期相比，7月中旬中期之前脊线位置明显持续偏北，之后则显著偏南(图 2)，西伸脊点位置明显偏西。

我国北方季风区汛期降水在7月下旬强度达到盛期，随后东部季风区主要雨带开始南撤，40°N附近降水从6月中旬一直持续到8月中旬末(图 3)，直接导致海河流域出现持续较长时间的降水。南海季风监测表明：南海夏季风强度7月具有阶段性偏强特点。

图 4a和4b给出了东亚南风环流指数I_ES和南海南风环流指数I_SS的年际变化，2011年7月，I_ES指数偏弱，导致长江流域降水偏少(图 4c)，两者具有正相关性；I_SS指数为正，南风强度偏强。作为比较，2010年7月，I_ES指数偏强，长江流域降水偏多；I_SS指数为负，南风强度偏弱。图 4c还可以看到：长江流域在20世纪90年代为相对湿阶段，而50年代和70年代为相对干阶段。

图 5为7月降水与同期不同类别季风强度指数及超前3个月Nino3.4海表温度指数的相关分布特征。可以看到：在降水的空间场上，东亚南风环流指数I_ES与长江流域中游及江南一带为一致的正相关区，且能通过0.05的显著性水平检验, 另一个显著正相关区在东北北部(图 5a)。7月降水与东亚夏季风指数I_Z^[8]的相关性主要表现在长江下游和中游的局部区域，且为负相关(图 5b)。南海夏季风强度指数I_scs与我国降水的正相关集中在华南东部，长江流域为不显著的负相关区(图 5c)。盛夏不同流域降水与海温同期或超前和滞后的赤道中东太平洋Nino3.4区海温指数的相关表明，对长江流域而言，海温超前3个月的情况相关性最好，随后迅速下降。7月降水与超前3个月Nino3.4海表温度指数相关结果表明，与东亚南风环流指数I_ES类似，长江流域中部为显著的正相关区，即春季El Nino事件有利于该地区7月降水偏多；La Nina事件, 则反之(图 5d)。

为了分析不同流域7月降水不同尺度周期变化特征，对20世纪50年代以来长江流域、淮河流域、海河流域、黄河流域、珠江流域、辽河流域、松嫩流域等七大江河流域降水距平序列进行Morlet小波变换。长江流域降水功率谱在不同年代表现出不同的特征，70年代前后以4~6 a周期最为显著，并通过10%的红噪声检验(图 6阴影区黑色实线)；90年代后主要有2~4和6~8 a的周期；全域功率谱方差信度检验结果显示10~12 a周期能通过10%的红噪声检验(图 6右侧)，表明长江流域7月降水年代际变化显著。目前该流域降水处于年代际偏少阶段。淮河流域降水全域功率谱方差信度检验结果2、8和16~20 a三个显著的变化周期；海淮河流域降水全域功率谱方差通过5%的红噪声检验的周期有2、12~16 a；黄河流域具有2~6 a的周期和16 a左右的显著周期(图略)。

4 2011年7月长江流域气候异常成因分析

分析表明，2011年7月我国七大流域气候异常主要集中在长江流域，具体表现为降水显著偏少、气温明显偏暖，流域上游及湖南等地气象干旱发展，而其他流域降水基本接近正常。造成上述异常的主要原因大致有以下三个因素：即大气对外强迫响应、大气环流系统与东亚季风异常、长江流域整层水汽条件与降水效率。

图 7为7月850 hPa距平流场分布，可以看到热带西太平洋为一气旋性距平，南方涛动指数一直为正值，在海温超前3个月的曲线变化上尤为明显，表明大气对赤道中东太平洋海温状况的响应依然存在2010/2011年La Nina特征，统计分析表明La Nina年会导致于长江流域降水偏少。850 hPa距平流场进一步表明长江流域为北风距平与发散气流，不利于冷暖空气的交汇；同时，热带孟加拉湾为反气旋性距平流场，印度西风气流偏弱，来自索马里越赤道西南转向的气流偏弱。因此，大气对外强迫La Nina特征的响应是长江流域降水偏少的气候背景原因。东亚南风环流指数I_ES即副热带季风强度指数偏弱(图 4a)和长江流域副热带地区正高度场距平(图 8)是长江流域降水偏少的直接原因。可以看到，赤道西太平洋副热带高压异常偏弱，鄂霍次克海阻塞高压异常强大，导致贝加尔湖一带冷空气向低压槽侵袭，7月下旬华北和东北强降水频繁发生，我国东部雨带明显北抬。国家气候中心对长江中下游梅雨监测结果²⁾表明，2011年出梅时间为6月26日，较常年偏早12天。

²⁾国家气候中心重要气候信息，2011(87)

长江流域降水偏少的根本原因是该域降水效率低，整层水汽条件为亏损。根据资料条件，图 9a给出了25°~35°N、97.5°~117.5°N范围(大致相当于长江流域)平均降水与气柱可降水量比值的逐日分布，可以看到流域降水效率在10%~20%左右，月平均降水效率为12.7%。造成降水效率偏低的直接因素是流域内水汽收支为显著亏损(图 9b)，进一步分析诊断表明，总体亏损主要是由经向水汽输送为负贡献而造成。由于长江流域范围内对流活动减弱，降水过程异常偏少，降水强度异常偏弱。

5 结论

综上分析所述，关于2011年7月我国七大江河流域气候特点、气候变化特征及长江流域降水异常成因分析，可以得到以下结论：

(1) 2011年7月七大江河流域降水量总体偏少，除海河流域正常略偏多外，淮河流域、黄河流域、珠江流域、辽河流域和松嫩流域正常略偏少，而长江流域降水属异常偏少(-26.0%)；流域气温继续维持变暖特征，松嫩流域正距平最为显著(1.1℃)，为均方根差值的1.25倍。

(2) 七大江河流域近60年降水变化线性趋势可分为三种类型：即珠江流域和长江流域的线性增加型；淮河流域的基本不变型；辽河流域、海河流域、黄河流域和松嫩流域的线性减少型；流域气温变化线性趋势均表现出增温特征，除长江流域和淮河流域增温幅度较小，而松嫩流域和黄河流域线性增暖趋势最为显著。

(3) 不同流域降水年际变化和年代际变化显著。长江流域降水全域功率谱方差信度检验结果显示10~12 a周期能通过10%的红噪声检验，目前处于降水年代际偏少阶段。淮河流域、海河流域和黄河流域等具有显著年代际变化特征。

(4) 东亚南风环流指数I_ES与长江流域中游及江南一带为一致的正相关，且能通过0.05显著性水平检验；7月降水与超前3个月Nino3.4海表温度指数为显著的正相关区，表明春季La Nina事件不利于长江流域降水偏多。

(5) 2011年7月长江流域降水异常偏少的主要原因：一是大气对赤道中东太平洋外强迫的响应持续着La Nina的形态；二是东亚大气环流系统异常与东亚副热带季风偏弱，副热带高压脊线位置阶段性先偏北后偏南，梅雨提前结束，雨带长时间北抬；三是长江流域整层水汽条件差，水汽收支显著亏损，同时，流域降水效率低。