2022年夏季长江流域重大干旱特征及其成因研究

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2022)-05-0733

2022年夏季长江流域重大干旱特征及其成因研究

李忆平^,¹, 张金玉¹, 岳平^,¹, 王素萍¹, 查鹏飞², 王丽娟¹, 沙莎¹, 张良¹, 曾鼎文¹, 任余龙¹, 胡蝶¹

1.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，中国气象局干旱气候变化与减灾重点实验室，甘肃兰州 730020

2.江苏省无锡市气象局，江苏无锡 214135

Study on characteristics of severe drought event over Yangtze River Basin in summer of 2022 and its causes

LI Yiping^,¹, ZHANG Jinyu¹, YUE Ping^,¹, WANG Suping¹, ZHA Pengfei², WANG Lijuan¹, SHA Sha¹, ZHANG Liang¹, ZENG Dingwen¹, REN Yulong¹, HU Die¹

1. Institute of Arid Meteorology，China Meteorological Administration，Key Laboratory of Arid Climate Change and Reducing Disaster of Gansu Province，Key Laboratory of Arid Climate Change and Disaster Reduction of CMA，Lanzhou 730020，China

2. Wuxi Meteorological Bureau of Jiangsu Province，Wuxi 214135， Jiangsu， China

通讯作者: 岳平(1974—)，男，研究员，主要从事大气湍流与大气边界层研究. E-mail:jqyueping@126.com。

责任编辑: 王涓力；校对：刘晓云

收稿日期: 2022-09-2 修回日期: 2022-09-8

基金资助:

国家自然科学基金项目(41975016)
甘肃省基础研究创新群体项目(20JR5RA121)
干旱气象科学研究基金(IAM202215)

Received: 2022-09-2 Revised: 2022-09-8

作者简介 About authors

李忆平（1981—），女，副研究员，主要从事极端气候事件的监测预测工作.E-mail:liyiping532@163.com。

摘要

干旱是影响范围最广的自然灾害之一。2022年夏季发生在长江流域的异常高温干旱事件不仅强度大，而且持续时间长，是一次罕见的重大干旱事件，对我国的社会经济造成了十分严重的影响。鉴于这次事件的极端性，本文在客观分析此次事件演变特征的基础上，揭示大气环流和外强迫异常对此次高温干旱的可能影响。研究发现，气象干旱指数及土壤湿度监测结果一致表明本次旱情从6月开始出现，7月迅速发展，进入8月后范围进一步扩展、强度进一步加剧。与此同时，流域内整体气温偏高，部分地区高温日数超过40 d。此外，夏季整个流域的蒸散量距平是1960年以来的历史第二高值（仅次于2013年高温伏旱），进一步加剧了长江流域的水分亏缺程度。从环流特征来看，夏季西太平洋副热带高压异常偏强西伸、极涡面积偏小及强度偏弱、南亚高压偏强东移，共同导致长江流域的水汽输送条件偏弱、下沉气流盛行，使得整体条件不利于降水发生。而前期拉尼娜事件的持续、印度洋偶极子负位相的出现以及春季青藏高原西北部积雪负异常的持续，可能是导致今年夏季环流异常的主要外强迫因子。

关键词： 2022年夏季; 长江流域; 高温干旱; 特征; 成因

Abstract

Drought is one of the natural disasters with the widest global impact. The anomalous drought and heatwave event that occurred in the Yangtze River Basin in summer of 2022 is not only of high intensity but also of long duration, it is a rare and significant drought event leading to very serious socioeconomic impacts in China. In view of the extreme nature of this event, this paper reveals the possible influence of atmospheric circulation and external forcing anomalies on this drought event based on an objective analysis of the evolutionary characteristics of this event. It is found that the meteorological drought index and soil moisture monitoring results consistently indicate that this drought event started to appear in June, developed rapidly in July, and further expanded and intensified in both extent and intensity in August. At the same time, the overall temperature in the basin was high, with the number of high temperature days exceeding 40 days in some areas. In addition, anomaly of evapotranspiration over the basin in summer was the second highest on record since 1960, second only to the high temperature drought event in 2013, which further exacerbated the degree of water deficit in the Yangtze River Basin. From the perspective of circulation characteristics, the abnormal intensifying and westward extension of the western Pacific subtropical high pressure, the small area and weak strength of the polar vortex and the intensifying and eastward shift of the South Asian high pressure in summer jointly led to weak water vapor transport conditions and prevailing sinking air currents in the Yangtze River Basin, making the overall conditions unfavorable for the occurrence of precipitation. The persistence of the La Niña event, the appearance of negative Indian Ocean Dipole (IOD) and the persistence of the negative snow cover anomaly in the northwestern Tibet Plateau in spring may be the main external forcing factors leading to the circulation anomaly in this summer.

Keywords： summer of 2022; the Yangtze River Basin; drought and heatwave; characteristics; causes

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本文引用格式

李忆平, 张金玉, 岳平, 王素萍, 查鹏飞, 王丽娟, 沙莎, 张良, 曾鼎文, 任余龙, 胡蝶. 2022年夏季长江流域重大干旱特征及其成因研究[J]. 干旱气象, 2022, 40(5): 733-747 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2022)-05-0733

LI Yiping, ZHANG Jinyu, YUE Ping, WANG Suping, ZHA Pengfei, WANG Lijuan, SHA Sha, ZHANG Liang, ZENG Dingwen, REN Yulong, HU Die. Study on characteristics of severe drought event over Yangtze River Basin in summer of 2022 and its causes[J]. Arid Meteorology, 2022, 40(5): 733-747 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2022)-05-0733

引言

气候变暖背景下，全球降水的极端性和时空非均匀性加剧，导致陆面蒸散发等水分平衡过程发生显著改变，干旱频率和干旱强度呈增加趋势，干旱灾害风险加大，严重威胁到全球和区域水资源安全、生态安全和粮食安全^[1]。全球每年因干旱造成的经济损失已从1980—2009年的173亿美元飙升到了2010—2017年的231亿美元，其增速远大于其他自然灾害造成的损失^[2]。因此，世界气象组织（World Meteorological Organization， WMO）和联合国粮食和农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations， FAO）等一直将干旱问题作为全球需要优先解决的问题^[3]。

国际上对干旱问题的关注由来已久，尤其是20世纪30年代北美洲发生的持续性特大干旱事件，引发了全球对干旱及其灾害问题的普遍关注^[4]。而1955年在美国新墨西哥州召开的首次国际干旱会议，明确提出要以干旱灾害为重点研究方向^[5]。20世纪60年代末发生的非洲特大干旱事件造成34个国家遭受严重旱灾，被联合国称为“非洲近代史上最大的人类灾难”，由此引发了十分严重的粮食危机、大范围饥荒，甚至社会动乱和局部战争等问题，仅1968—1973年就导致大约20万人死亡，震惊全世界^[6]。

2022年春夏季，北半球经历了史无前例的高温干旱，欧美和亚洲持续性的高温天气均伴随严重的干旱事件。根据WMO发布的最新报告，刚刚过去的7月已成为全球范围内有气象记录以来最热的前三名之一，北极圈7月最高气温甚至达到32.5 ℃（https://3g.163.com/dy/article/HDTOH8JH0514R9KQ.html）。根据美国国家抗旱中心监测数据显示，美国多地今夏遭遇了严重干旱，其西部高达70％的地区处于干旱状态，美国东北部部分地区甚至遭遇了“极度干旱”（https://baijiahao.baidu.com/s?id=1741355411733446729&wfr=spider&for=pc）。而欧洲历来是高温干旱的频发区，今年也没能幸免，位于地中海沿岸的葡萄牙和西班牙部分地区气温一度达到47 ℃，英国多地气温也突破历史极值。欧洲地区大范围、持续性的高温干旱给当地农业生产和粮食安全带来严峻挑战，其中法国和德国作为欧洲小麦主产区，受此次高温干旱影响，预计小麦产量将下降10％。

我国是干旱灾害发生频率最高、影响最严重的国家之一，每年因干旱灾害造成的直接经济损失高达440 亿元^[7]。已有研究表明，我国北方是干旱频发的主要区域，许多学者针对北方干旱灾害的特征和形成机理进行了大量研究，形成了很多有意义的成果^[8]。然而，随着气候变暖，近年来我国南方地区（包括长江流域）的干旱事件也逐渐增多。这类干旱事件爆发后陆面向大气的感热输送显著增加，促使抬升凝结高度增加，大气边界层整体变干、湿静力能降低，从而有效抑制了对流降水^[9]。并且，大气边界层整体变干将增大陆面蒸发潜力，通过大量消耗土壤含水量，加速干旱过程发展^[10]。虽然已有研究对南方地区干旱灾害的风险特征及成因进行了一些初步分析^[11⇓-13]，但由于对其科学认识仍然不足，许多问题还有待进一步了解，这严重影响了南方地区干旱减灾防灾能力的提升。值得关注的是，2022年长江流域自6月中旬开始降水偏少，中央气象台自7月21日首次发布高温预警之后，连续41 d发布高温预警信号。从此次高温干旱的影响来看，自8月11日四川、重庆、湖北、湖南、江西、安徽等6省（市）启动干旱防御四级响应以来，长江中下游受旱面积已扩展到8000多hm²。此时正值长江流域一季稻灌浆和乳熟期的关键期，是水稻对水热反应最敏感的时期，持续性高温干旱将导致水稻严重减产^[14]。随着气象干旱不断发展，不仅农业生产受到影响，也更进一步造成了水文干旱的发生及电力供应的不足。长江干流及洞庭湖、鄱阳湖水位明显下降，较常年同期偏低4.85~6.13 m，创有实测记录以来同期最低。水位下降导致水电站难以发电，一些地方采取应急措施节电，包括工厂停工、商店缩短营业时间、办公楼关闭空调等。长江沿岸大城市中，上海关闭了外滩与浦东著名的景观灯光，四川泸州更是分时段熄灭路灯，以减轻电网压力。中国水利部已启动干旱防御应急响应，实施“长江流域水库群抗旱保供水联合调度专项行动”，加大水库出库流量为下游补水。同时，财政部安排农业生产和水利救灾资金达100亿元。总之，2022年夏季长江流域高温干旱事件对水资源、生态环境和农业生产造成了严重影响，引起了政府部门和社会各界的高度关注^[15]。为揭示此次重大干旱的基本特征及其成因，本文在客观分析此次高温干旱事件演变特征的基础上，讨论了大气环流和外强迫异常对这次事件的可能影响。

1 数据和方法

1.1 数据来源

使用的数据主要有：（1）气象站点观测数据，来源于国家气候中心提供的中国区域内699个气象台站的逐日观测资料，主要为最高气温、最低气温、平均风速、平均相对湿度和日照时数；（2）逐日气象干旱综合指数（MCI），来源于国家气候中心；（3）遥感数据，来源于GCOM-W1/AMSR-2逐日升轨和降轨的土壤体积含水量数据，空间分辨率为10 km×10 km；（4）逐月土壤湿度再分析数据，来源于欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）提供的全球气候第五代大气再分析数据集ERA5^[16]；（5）逐日再分析数据，来源于美国国家环境预报中心/国家大气研究中心（National Centers for Environmental Prediction /National Center for Atmospheric Research， NCEP/NCAR），包括高度场、风场、温度等要素，水平分辨率为2.5°×2.5°，垂直方向为17层^[17]；（6）海表温度（简称“海温”）数据，来自美国国家海洋和大气管理局重建的海表面温度第五版本NOAA ERSST.v5，空间分辨率为2.0°×2.0°^[18]；（7）Nino3.4指数，来源于NOAA Climate Prediction Center（CPC）的官方网站；（8）高原积雪数据，来源于美国国家冰雪数据中心（National Snow and Ice Data Center， https://nsidc.org）提供的2000—2022年 MODIS/Terra 8-Day合成积雪产品MODIS/Terra Snow Cover 8-Day L3 Global 500-m Grid （MOD10A2）和MODIS/Terra Snow Cover 8-Day L3 Global 0.05 Degree CMG（MOD10C2）^[19-20]，MOD10C2 数据分辨率为0.05°×0.05°；（9）西太平洋副热带高压的面积指数及强度指数均来源于国家气候中心。文中气候基准期为1991—2020年。

文中附图（除图4以外）所涉及地图均基于国家测绘地理信息局审图号为GS（2016）2556号的标准地图制作，底图无修改。

1.2 研究区域

本文研究区域为长江流域，使用的站点为长江流域173个气象站点（图1），主要分布在四川省、重庆市、贵州省、湖北省、湖南省、江西省、安徽省、江苏省、浙江省以及上海市。

图1

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图1 长江流域气象站点分布

Fig.1 Distribution of stations in the Yangtze River Basin

1.3 研究方法

1.3.1 极涡面积和强度指数

极涡的各相关指数计算方法详见文献[21]。极涡面积指数（ $S$ ）定义：北半球500 hPa位势高度场上，取接近最大西风轴线的等高线为极涡南界，将南界特征等高线以北所包围的扇形面积定义为极涡面积。计算公式如下：

（1）

S = \int_{φ}^{\frac{π}{2}} \int_{λ_{1}}^{λ_{2}} R^{2} c o s φ d φ d λ = R^{2} (1 - s i n φ) (λ_{2} - λ_{1})

式中： $λ_{1}$ 和 $λ_{2}$ （rad）分别为相邻格点经度值； $φ$ 为极涡南界纬度； $R$ 为地球半径（取为6378 km）。

极涡强度指数（ $Q$ ）是指500 hPa等压面与极涡南界特征等高线所在的等高面之间的空气总质量。计算公式如下：

（2）

Q = ρ R^{2} Δ φ Δ λ \sum_{i} \sum_{j} (H_{0} - H_{i j}) c o s φ_{i}

式中： $ρ$ 为大气密度； $Δ φ$ 和 $Δ λ$ 分别为相邻格点的纬度差和经度差，文中为2.5°； $H_{0}$ 为极涡南界特征等高线位势高度值； $H_{i j}$ 为在特征等高线以北格点上的位势高度值； $ρ R^{2}$ 可视为常数（本文取值为1）。其中亚洲区为60°E—150°E区域范围。

1.3.2 蒸散量

采用目前广泛使用的Penman-Monteith公式，此公式以水汽扩散理论和能量平衡为基础，1998年FAO推荐将其作为计算参考作物蒸散量的唯一标准方法，其具体计算公式详见文献[22]。

1.4 CABLE陆面模式简介

CABLE（community atmosphere biosphere land exchange）模式最初是澳大利亚发展并建立的陆面模式，随着其版本的不断更新，该模式也进行了一系列改进^[23]。CABLE模式的主要作用是真实地描述全球天气和气候系统中的水、地表能量和碳循环。该模式主要由5个模块组成，包括：土壤模块、辐射模块、地表通量模块、冠层微气象模块和生态系统呼吸模块^[24]。有关CABLE模式的主要特点、发展历史以及模拟效果的检验详见文献[25]。因其模拟效果较好，CABLE模式已经在我国业务工作中用于干旱的实时监测^[24,26]。

2 夏季长江流域干旱特征

2.1 干旱指数监测结果

2022年夏季（6—8月），长江流域发生了严重的高温干旱事件。6月开始，长江流域北部部分地区出现不同程度的气象干旱，湖北、安徽、江苏的部分区域有中到重旱，流域北部局地有特旱。进入7月，伴随着持续性高温天气的出现，长江流域旱情迅速发展，四川、重庆、湖北、湖南、安徽、江西6省（市）旱情严重。国家气候中心MCI干旱监测指数显示，7月，长江流域接近一半的台站存在不同程度的气象干旱，重到特旱的站次比为9.3%。进入8月，流域内74.7%的台站存在旱情，重到特旱站次比达33.0%。8月20日，流域内92%的站点存在旱情，重到特旱站次比甚至达到54%，全流域一半台站有重到特旱（图2）。

图2

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图2 2022年6月1日至8月20日长江流域干旱站次比演变

Fig.2 The evolution of percentage of stations occurring drought in the Yangtze River Basin from June 1 to August 20， 2022

2.2 高温及蒸散量特征

2022年夏季，长江流域出现高温天气。6月1日至8月20日，长江流域及其周围大部分地区高温日数（大于等于35 ℃）均超过10 d，局部地区甚至超过40 d[图3（a）]。其中，陕西东南部、湖北西北部、浙江大部以及江西东北部为高温日数的高值区。从夏季最高气温来看，长江流域大部分区域最高气温都在35 ℃以上，尤其是川渝地区、湖南、湖北、江苏及浙江，最高气温甚至超过40 ℃ [图3（b）]。

图3

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图3 2022年6月1日至8月20日全国高温日数（a，单位：d）、最高气温（b，单位：℃）、蒸散量距平百分率（c，单位：%）分布及1960—2022年长江流域蒸散量距平百分率的逐年变化（d）

Fig.3 The distribution of high temperature days (a, Unit: d), maximum air temperature (b, Unit: ℃), percentage of evapotranspiration anomalies (c, Unit: %) from June 1 to August 20, 2022 in China and evolution of percentage of evapotranspiration anomalies in the Yangtze River Basin during 1960-2022 (d)

蒸散量能够通过改变水分平衡而对干旱过程产生重要影响。从蒸散的监测结果来看，2022年6月1日至8月20日，长江流域大部分区域参考作物蒸散量较常年同期偏大，四川盆地和重庆偏大30%以上[图3（c）]。2022年夏季长江流域蒸散量距平百分率是1960年以来仅次于2013年高温伏旱的历史第二大值，该区域总体偏大16%[图3（d）]。

2.3 土壤湿度异常特征

土壤湿度是反映农作物受旱程度的重要指标，也是分析旱情演变规律和开展抗旱灌溉的重要依据。但与气象干旱相比，土壤湿度的变化往往具有一定的延时现象。

基于GCOM-W1/AMSR-2逐日升轨和降轨的遥感土壤水分产品[图4，审图号为GS（2020）4773号]分析表明，从2022年6月下旬开始，四川和重庆交接地带干旱突然开始显现。7月上旬，长江流域整体表现为土壤干旱状况，8月中旬最为严重，土壤体积含水量减少高达0.20 m³·m^-3。图5为2022年夏季长江流域旱情最严重的6省（市）（四川、重庆、贵州、湖北、湖南、江西）自然植被（草地、热带稀树草原）土壤体积含水量变化。可以看出，除7月中旬外，该区域从6月中旬开始土壤体积含水量基本保持在较低状态，均低于去年同期土壤体积含水量，尤其在8月中旬，土壤体积含水量较同期偏低的程度最严重[图5（a）]。此外，从2022年逐旬土壤体积含水量盈亏（当前旬减前一旬）[图5（b）]来看，从6月上旬开始该区域土壤体积含水量都表现为亏损状态。至7月下旬，水分亏损达最大值，连续的水分亏损导致长江流域出现大面积严重干旱。到8月上旬，土壤水分虽然有所补偿，但与前期连续亏损造成的土壤严重失墒相比，还不足以缓解土壤的干旱状况。从以往来看，夏季通常是长江流域土壤水分的重要补充时段，但2022年夏季由于出现高温干旱事件，导致该区域土壤水分补充存在明显异常。从近9 a（2014—2022年）该区域夏季土壤水分增量（每年7—8月平均值减当年5月土壤体积含水量）的演变情况[图5（c）]来看，此次高温干旱导致土壤体积含水量的补偿量处于负距平，是近年来亏损最为严重的一年。

图4

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图4 2022年与2021年夏季同期土壤体积含水量差值空间分布（单位：m³·m^-3）

Fig.4 Spatial distribution of difference between the volumetric soil water content in summer 2022 and the same period of 2021 （Unit： m³·m^-3）

图5

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图5 2022年夏季长江流域旱情最严重区自然植被逐旬土壤体积含水量与2021年同期差值（a）、2022年夏季逐旬土壤水分增量（当前旬减前一旬）（b）及2014—2022年7—8月土壤水分增量（每年7—8月平均值减当年5月土壤体积含水量）的年际变化（c）

Fig.5 Differences of ten-day’s soil volumetric water content of natural vegetation in area with the most severe drought over the Yangtze River Basin between the summer of 2022 and the same period of 2021 （a）， the incremental soil moisture in summer of 2022 （the difference of volumetric soil water content between the right now ten-day and the former one）（b）， the yearly variation of the incremental soil moisture in July-August （the difference between the average of the volumetric soil water content in July-August each year and the value in May of the current year） during 2014-2022 （c）

图6是ERA5再分析资料得到的我国2022年夏季0~100 cm土壤湿度距平分布。6月，长江中下游北侧开始出现土壤湿度异常[图6（a）]。7月，土壤湿度异常区域明显扩大，长江流域负异常最显著的区域主要在四川、重庆、贵州一带。与之对应的是我国南方大范围的异常高温天气，导致蒸发潜力增大，浅层至深层土壤整体变干[图6（b）]。8月，土壤湿度负异常范围进一步扩大增强，我国36°N以南区域均为明显的负距平区，异常中心主要位于四川东部、重庆、贵州北部，异常值高达-0.30 m³·m^-3[图6（c）]。总体来看，卫星遥感资料中夏季土壤水分状况与去年相比，亏缺明显。同时，长江流域7—8月土壤水分增量也是近9 a中负异常最明显的一年。此外，ERA5再分析资料的结果也表明2022年夏季长江流域的土壤湿度与历年相比明显偏低，这些结果都从不同方面表明了2022年夏季长江流域土壤水分状况的明显亏损程度。

图6

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图6 2022年夏季ERA5再分析资料的0~100 cm土壤湿度距平（单位：m³·m^-3）

（a）6月，（b）7月，（c）8月，（d）夏季平均值

Fig.6 The 0-100 cm soil moisture anomaly from ERA5 reanalysis data in summer of 2022 （Unit： m³·m^-3）

（a） June，（b） July，（c） August，（d） mean value of summer 2022

从CABLE陆面模式模拟的土壤湿度百分位数分布（图略）来看，6月上旬至8月中旬长江流域旱情迅速发展。6月下旬，长江中下游地区旱情发展，湖北与四川东部出现轻到中旱，安徽南部有小范围重旱发生；7月上旬，四川中部—江苏南部与浙江北部有连片旱情，重庆发生重旱；8月上旬，旱情进一步发展，范围与强度均有增加。从CABLE模式模拟的2022年夏季长江流域旱情最严重区的区域平均逐旬土壤湿度百分位数距平（图7）来看，除6月上旬与7月中旬以外，6—8月其余各旬均低于其气候平均值，表明长江流域夏季整体均有旱情发生，且8月中旬旱情最为严峻。CABLE模式的模拟结果与遥感监测及再分析资料结果都具有较好的一致性。

图7

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图7 CABLE模式模拟的2022年夏季长江流域旱情最严重区的区域平均逐旬土壤湿度百分位数距平

Fig.7 The ten-day soil moisture percentile anomaly averaged in area with the most severe drought over the Yangtze River Basin in summer of 2022 simulated by CABLE model

3 夏季大气环流及外强迫场的异常

3.1 大气环流特征

3.1.1 南亚高压与极涡

研究表明，我国南方持续高温与极涡有密切联系，南亚高压作为夏季主要的大气环流成员，其位置、强度变化同样会影响高温干旱过程^[27-28]。100 hPa高度场可以有效反映极涡和南亚高压的演变特征，图8是2022年7月上旬至8月下旬100 hPa高度场及其距平的逐旬演变。6月下旬，极涡中心偏于东半球，南亚高压呈带状分布，其位置和面积与历史气候态相比，没有明显异常，主要分布于45°E—115°E区域（图略）；7月上旬，环流形势发生明显转变，亚洲东北部有强盛高压脊发展，此时极涡中心退至极点，南亚高压开始经向扩展[图8（a）]；至7月中旬，极涡2个弱中心位于加拿大外海岸巴芬岛和北美地区，分别为弱正异常和负异常[图8（b）]。此时南亚高压的经向范围达到最大，向北伸展至40°N附近；7月下旬，南亚高压纬向范围达到夏季最大，东、西脊点分别位于135°E和0°，此时南亚高压占据的区域表现为较强正异常，主要在我国35°N以南地区[图8（c）]；8月，极涡中心在西半球，南亚高压的范围东移，控制着青藏高原至长江流域的大部分区域，其正异常中心高达180 gpm，高压异常强大。

图8

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图8 2022年7月上旬至8月下旬100 hPa高度场（黑色等值线）及其距平（填色区）的逐旬演变（单位：gpm）

（红线为16 800 gpm线，绿线为其气候态）

（a）7月上旬，（b）7月中旬，（c）7月下旬，（d）8月上旬，（e）8月中旬，（f）8月下旬

Fig.8 Ten-day evolution of 100 hPa geopotential height field （black contours） and its anomaly （the color shaded） from early July to late August in 2022 （Unit： gpm）

（The red line is the 16 800 gpm contour， and the green line is its climatological state）

（a） the first ten-day of July，（b） the middle ten-day of July，（c） the last ten-day of July，（d） the first ten-day of August，（e） the middle ten-day of August，（f） the last ten-day of August

图9为2022年6—8月对流层极涡的面积和强度逐日演变。对北半球极涡来说，其面积在6月14日之后一直较历史同期偏小，尤其至8月，其面积较气候态偏小约100×10⁵ km²[图9（a）]。而北半球极涡强度在夏季有3个明显的减弱阶段，分别为6月上旬、6月下旬、7月中旬至8月上旬，尤其是7月中旬至下旬，极涡强度偏弱更明显[图9（b）]。从亚洲区极涡的逐日变化来看，虽然其面积的距平值在整个夏季一直处于波动状态，但可以明显看出极涡面积在6月下旬至8月上旬总体上还是较历史同期偏小[图9（c）]。亚洲区极涡强度与北半球极涡强度的演变情况类似，都呈现出阶段性异常变化的状态。夏季主要有2个明显减弱阶段，分别为6月上旬至中旬和7月中旬至8月上旬，其中，第二阶段极涡强度的减弱程度十分明显[图9（d）]。总体而言，2022年夏季极涡面积偏小、强度偏弱，这一特征在7—8月更加明显。已有研究表明，亚洲区极涡面积指数与南亚高压面积指数呈较强的负相关关系，并且相关系数在夏季达到最强^[27-28]。当极涡收缩时，对应南亚高压面积的扩张。2022年夏季的环流变化特征与以上研究结果相吻合。

图9

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图9 2022年夏季500 hPa北半球（a、b）与亚洲区（c、d）极涡面积（a、c）和强度（b、d）的逐日演变

Fig.9 Daily evolution of area （a， c） and intensity （b， d） of the northern hemisphere polar vortex （a， b） and the Asian zone polar vortex （c， d） at 500 hPa in summer of 2022

3.1.2 西太平洋副热带高压

研究发现，南亚高压和极涡的异常同样会引起对流层中层副热带高压的变化^[29⇓-31]。夏季北半球极涡面积指数与西太平洋副热带高压（简称“西太副高”）面积和强度均呈显著的负相关关系，即当极涡异常收缩减弱时，其南界特征线偏北，而5880 gpm线主体偏大，西太副高明显扩大、增强^[29]。当南亚高压东移至120°E以东时，高空负涡度平流的动力强迫作用使得这一区域出现强烈的下沉运动，有利于副热带高压的发展^[30-31]。从2022年夏季7—8月500 hPa环流场（图10）可以看出，在极涡显著偏弱和南亚高压异常偏强东伸的状态下，西太副高发展强盛。7月上旬，乌拉尔山和鄂霍次克海区域有高压脊发展，我国大陆北部处于两个高压脊之间，主要为平直的西风气流，南支槽减弱，西太副高和伊朗高压均开始纬向扩展。至7月下旬，高纬度地区主要为明显的正异常，极涡偏弱，同时我国东北部高压脊进一步增强，西太副高与伊朗高压发展到强盛状态并东西连通，控制着青藏高原至长江流域。此时青藏高原上空的气压系统表现为正压结构。在强大的高压系统控制下，我国长江流域主要为强烈的下沉运动，产生大气非绝热加热，引发高温。此后，伊朗高压开始西退，西太副高略有北抬，我国仍处于东西高压脊之间。虽然在贝加尔湖区域有冷涡形成，但是受西太副高北侧平直西风影响，冷涡难以南下到达我国，冷暖空气对流较弱，导致我国南方大部分区域维持高温干旱状态。此外，南支槽较弱，强大的伊朗高压阻挡了水汽的向北输送，造成长江流域西侧水汽条件不利，引发干旱。

图10

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图10 2022年7月上旬至8月下旬500 hPa高度场（黑色等值线）及其距平（填色区）的逐旬演变（单位：gpm）

（红线为5880 gpm等值线，绿线为其气候态）

（a）7月上旬，（b）7月中旬，（c）7月下旬，（d）8月上旬，（e）8月中旬，（f）8月下旬

Fig.10 Ten-day evolution of 500 hPa geopotential height field （black contours） and its anomaly （the color shaded） from early July to late August in 2022

（The red line is the 5880 gpm contour， and the green line is it’s climatological state）

从2022年夏季各月西太副高指数的异常状况（图略）来看，不论是其强度还是面积，都一致表现出从6月到8月显著增强的变化特征。具体来看，6月，西太副高的强度和面积虽然都是正异常，但其距平值相对较弱。7月开始，强度和面积的距平进一步增强，到8月之后，强度和面积都表现出明显异常，其中，面积异常值位居历史同期第4位，而强度距平则打破历史记录，为1950年来最强值。上述分析表明，2022年7—8月西太副高面积总体偏大、强度偏强，并且长时间控制长江流域，导致该地区主要受下沉气流影响。因此，西太副高是造成今年夏季长江流域大范围高温干旱的重要环流因子之一^[32]。

3.1.3 水汽输送及垂直运动

干旱的形成主要受水汽条件影响。从2022年7月上旬至8月下旬对流层整层水汽输送通量及其散度的距平场逐旬变化（图11）来看，7月上旬，随着西太副高的扩展，我国北部地区主要为西风，偏北风减弱，高纬度的水汽难以南下。此外，南支槽偏弱，孟加拉湾地区为气旋式异常，气旋北侧的偏东气流不利于向长江流域西侧输送水汽。同时，长江流域的高低层均为强烈的下沉运动（图略），水汽辐散，难以形成降水。南海地区主要为气旋式异常，受西太副高南界影响，偏东气流离长江流域较远，水汽无法到达我国内陆地区。8月上旬，虽然偏南风向长江流域输送了暖湿气流，但与西太副高相联系的异常反气旋环流加速了该区域上空的水汽辐散，使得水汽含量减少，到达地面的太阳短波辐射增加，导致高温进一步加强。同时下沉运动中心位于长江流域附近，对流活动受到抑制。此外，中高纬西风不利于冷空气南下，使得冷暖空气交汇条件较弱，难以形成降水，因而导致了长江流域旱灾发生。8月中旬，长江流域水汽辐散进一步增强，范围也达到最大，对应整个夏季旱情最严重阶段。

图11

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图11 2022年7月上旬至8月下旬对流层整层（1000~300 hPa）水汽输送通量（矢量，单位：kg·m^-1·s^-1）及其散度距平场（填色区，单位：10^-5 kg·m^-2·s^-1）的逐旬变化

（a）7月上旬，（b）7月中旬，（c）7月下旬，（d）8月上旬，（e）8月中旬，（f）8月下旬

Fig.11 Ten-day variation of integrated water vapor flux （vectors， Unit： kg·m^-1·s^-1） and water vapor flux divergence anomaly （the color shaded， Unit： 10^-5kg·m^-2·s^-1） in the whole troposphere （1000-300 hPa） from early July to late August in 2022

3.2 外强迫场特征

3.2.1 海温

海温的异常变化可以通过海气相互作用来间接影响大气环流的异常演变。在此次大范围干旱过程前期，印度洋和太平洋海温均出现明显的异常。5月，热带印度洋海温基本上处于一致增温状态（除西部的局部区域偏冷外）[图12（a）]。6月，西印度洋海温转为负异常，而东印度洋为偏暖状态，对应印度洋偶极子（Indian Ocean Dipole，IOD）负位相模态。7月，IOD指数达到历史极值（-1.018）。李崇银等^[33]指出，IOD可以通过影响对流层流场、上层南亚高压以及西太副高而对亚洲夏季风有明显影响。从700 hPa风场距平（图略）可以看出，5月热带印度洋至中国南海主要为西风异常。IOD负位相形成后，在热带印度洋东侧和西侧分别激发了一个气旋和反气旋性异常环流，中国南部边界地区为弱的西风异常。随着7—8月印度洋东西海温反相变化的增强以及副热带高压的扩展，我国南海至印度洋区域表现为明显的东风异常。这是因为在IOD负位相期间，热带大气季节内振荡（Madden Julian Oscillation， MJO）沿纬向可传播至150°E，受到Walker 环流下沉支影响，对流活动受到抑制，沿赤道非对称的对流加热使得东风强烈。我国南部东风异常与副热带高压南缘的东风协同作用，压制了南海的水汽输送，使得中国长江流域及附近区域降水减少^[34-35]。此外，受气旋式环流北侧偏东风影响，孟加拉湾水汽难以输送至我国长江流域西侧，从而引发这一区域的干旱。

图12

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图12 2022年5（a）、6（b）、7（c）月海温距平场（单位：°C）及2021年1月至2022年7月Nino3.4指数的时间演变（d）

Fig.12 The SST anomaly （Unit： °C） in May （a）， June （b）， July （c） of 2022 and temporal evolution of Nino3.4 index from January 2021 to July 2022 （d）

研究表明，长江中下游地区汛期降水与同期赤道西太平洋海温呈负相关关系^[36]。2022年5月开始，西太平洋海温明显偏暖，且在6—7月持续偏暖。因此，西太平洋异常增暖可能和长江流域西部地区夏季干旱事件的发生有关。此外，热带中太平洋海表温度偏低会导致该区域对流活动被抑制，激发一个向西传的Rossby波列，进而增强西太副高。同时，拉尼娜事件会通过增加西北太平洋地区反气旋的频率来增强西太副高，进而影响到长江中下游降水^[37-38]。从2022年夏季前期的太平洋海温来看，Nino3.4指数一直持续在-0.5 ℃以下，表明此时段处于拉尼娜阶段。因此，前期拉尼娜事件也可能是导致长江流域夏季高温干旱的原因之一。

3.2.2 高原积雪

春季青藏高原积雪异常与夏季长江流域降水存在密切联系，并且两者之间的关系发生了明显的年代际转变，在20世纪90年代之后，它们之间表现为显著的正相关关系^[39]。已有研究^[39]表明，春季高原西北部积雪正异常热源强迫会引发该区域的扰动异常，由于异常扰动偏离西风急流，使得急流的波导效应消失，高原积雪异常激发的异常气旋随时间演化而东移，初夏主体位于中国东北地区，其南侧西风异常造成副热带西风急流的加速，从而导致长江流域的垂直上升运动和低层辐合加强，引发长江流域降水偏多。因此，春季高原积雪可作为长江流域降水的重要先兆因子之一。从2022年5—7月的青藏高原积雪变化（图13）来看，5月开始，高原西北部就出现了积雪负异常，并且这一异常一直持续到7月，这正好与以上研究成果的负位相情况相对应。因此，2022年5—7月青藏高原积雪的负异常也可能是导致长江流域降水偏少的原因之一。

图13

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图13 2022年5（a）、6（b）、7（c）月青藏高原积雪异常分布（单位：%）

（打点区域表示超过1倍标准差）

Fig.13 The distribution of snow cover anomalies on the Tibetan Plateau in May （a）， June （b） and July （c） 2022 （Unit： %）

（The dotted areas are more than 1 times standard deviation）

4 结论与讨论

2022年夏季，我国长江流域出现了异常干旱事件。由于此次事件的强度和持续时间比较极端，对农业生产、水文及电力造成严重影响，我国南方地区的社会经济遭受严重损失。为了更好地了解这次干旱事件，本文首先分析此次事件的基本气象特征，然后进一步研究大气环流和外强迫异常对此次事件的可能影响。主要结论如下：

（1）2022年长江流域的干旱事件伴随着持续高温和异常蒸发量，是一次多要素共同导致的异常干旱事件。气象干旱指数以及不同来源的土壤湿度资料都一致表明，本次旱情从6月开始出现，7月迅速发展，进入8月后范围进一步扩展、强度进一步加强。与此同时，流域内整体气温偏高，大部分区域的最高气温都在35 ℃以上，局部地区甚至超过40 ℃，并且部分地区的高温日数超过了40 d。此外，夏季整个流域的蒸散量距平是1960年以来的历史第二大值，这进一步加剧了整个区域的水分亏缺状况，导致高温干旱急剧发展。

（2）与7—8月强高温干旱过程相对应，这一时段内西太副高面积偏大、强度偏强，并长时间控制着我国长江流域。同时，极涡面积偏小、强度偏弱，南亚高压面积偏大并加强、东移，这些因子共同影响整个环流形态，导致长江流域的水汽输送条件偏弱并盛行下沉气流，从而发生严重的高温干旱事件。

（3）前期海温和积雪异常可能是导致长江流域高温干旱的部分原因。2022年夏季前期，Nino3.4指数一直表现为明显的负异常。此外，6—7月，印度洋海温处于较强的IOD负位相模态，而5—7月西太平洋海温持续偏暖，这些海温异常对长江流域降水有一定影响。不仅如此，前期春季青藏高原西北部的积雪负异常也是导致长江流域干旱的先兆因子之一。

总体来看，本次长江流域的异常干旱事件特征明显，本文的研究仅从主要的环流特征和外强迫因子方面进行了初步分析。对比已有的研究成果，发现2022年夏季长江流域干旱事件的空间分布特征与这一区域夏季降水的EOF第一模态（表现为流域一致型变化）相对应，这一模态的时间系数具有显著的年际变化特征，对应着长江流域典型旱涝年份。例如，EOF1 时间系数能够体现出1966、1971和2006年等典型旱年及1980、1983和1998年等典型涝年^[40]。同时，研究也指出，第一主模态的异常变化受到ENSO、青藏高原冬春积雪及南亚高压等诸多因子的影响^[40]。本文的研究结论与以上结果基本一致，说明本次事件是一次典型的长江流域重大干旱事件。

实际上，影响夏季长江流域干旱的外强迫因素还有很多，例如：澳大利亚周边的海温^[41-42]、青藏高原的土壤湿度^[43]以及欧亚大陆的春季融雪量^[44]等。不仅如此，南半球的因子也对长江流域的干旱事件有着重要影响。研究表明，春季南半球环状模（SAM）与夏季长江中下游降水之间存在显著的正相关关系，而印度洋、南海海温是春季SAM影响夏季长江中下游降水的一个“桥梁”。具体来看，春季弱SAM可以引起南印度洋中高纬海域海温的偏低；南印度洋中高纬海域偏低的海温从春季持续到夏季并且传播到阿拉伯海、孟加拉湾、南海海域；这些海区偏低的海温可以导致东亚夏季风加强，而东亚夏季风加强是造成长江中下游干旱的一种有利条件^[45-46]。当然，以上这些外强迫因子对2022年夏季长江流域旱情起到了多大的作用，还有待进一步探讨。

随着近年来干旱研究成果的大量涌现，我们注意到干旱的形成是多因子协同作用的结果。我国干旱形成和发展不仅受季风环流和西风带环流的共同影响，也有季风环流系统本身的东亚季风和印度季风等季风分支的各自不同影响及其相互协同作用。不仅如此，还存在副热带高压与南亚高压之间“相向而行”和“相背而去”的关联效应、西风环流与季风环流的跷跷板效应以及中高纬度系统与低纬度系统相互影响等大气环流因子相互联动作用问题。然而，目前大多数研究更多地是从特定外强迫因子认识干旱的形成机理。因此，多因子协同作用对干旱形成的影响也有待进一步深入研究，这对于掌握干旱发生发展规律有重要的科学意义。

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文中引用次数倒序

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