• CN 62-1175/P
  • ISSN 1006-7639
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干旱气象, 2026, 44(1): 37-46 DOI: 10.11755/j.issn.1006-7639-2026-01-0037

“区域干旱”专栏

1960—2024年湖北省夏季旱涝转折特征分析

张荣,1,2, 黄治勇,2, 汤兴芝1,2, 王文玉2

1.全国暴雨研究中心,湖北 武汉 430205

2.湖北省气象工程技术中心,湖北 武汉 430074

Analysis of summer drought-flood alternation characteristics in Hubei Province from 1960 to 2024

ZHANG Rong,1,2, HUANG Zhiyong,2, TANG Xingzhi1,2, WANG Wenyu2

1. Heavy Rainfall Research Center of China,Wuhan 430205,China

2. Hubei Meteorological Engineering Technology Center,Wuhan 430074,China

通讯作者: 黄治勇(1969—),男,湖北武汉人,研究员,主要从事暴雨等灾害性天气机理研究。E-mail:hzyqxj@126.com

责任编辑: 王涓力;校对:黄小燕

收稿日期: 2025-10-13   修回日期: 2026-01-4  

基金资助: 湖北省气象局科研项目(2025Y14)
2025年中国气象局气象干部学院科研项目(2025CMATCQN21)
全国暴雨研究开放基金项目(BYKJ2025Q13)

Received: 2025-10-13   Revised: 2026-01-4  

作者简介 About authors

张荣(1985—),女,湖北武汉人,高级工程师,主要从事气候变化与气候监测研究。E-mail: 594365425@qq.com

摘要

旱涝转折相较于单一旱涝灾害具有更强的破坏性,研究其演变规律与预测方法对提升防灾减灾能力具有重要意义。基于1960—2024年湖北省70个国家级气象观测站点的月降水量资料及欧洲中期天气预报中心第五代再分析数据,分析湖北省夏季旱涝转折(旱转涝、涝转旱)典型年的长周期旱涝转折指数(Long-cycle Drought-Flood Abrupt Alternation Index,LDFAI)时间演变特征,并探讨其对应的大气环流与水汽输送异常。研究表明:1)1960—2024年湖北省共发生21次夏季旱涝转折事件,其中旱转涝10次,涝转旱11次;LDFAI呈微弱上升趋势[0.03 (10 a)-1],其强度以0.07(10 a)-1速率下降,但均未通过显著性检验。2)LDFAI具有明显年代际变化特征:1960年代为旱涝转折多发期,共发生7次(旱转涝4次、涝转旱3次);1970年代涝转旱频发,达4次;1980年代后旱涝转折事件频率趋于均衡;LDFAI强度在1973年发生突变,1980年后显著下降。3)旱转涝事件高发区集中在湖北中部及西部,神农架南部与宜昌西北部为高风险区;涝转旱事件高发区遍及湖北中部、西部和东部,恩施是涝转旱高风险区。4)旱转涝年旱期西太平洋副热带高压(简称西太副高)偏南,湖北受中高纬纬向环流控制,配合下沉运动与水汽辐散,导致降水偏少;涝期则伴随中高纬经向环流发展,西太副高西北侧上升运动与水汽辐合增强,降水偏多。涝转旱年的环流与水汽异常特征与之相反。

关键词: 湖北省; 异常; 长周期; 旱涝转折指数; 大气环流

Abstract

The alternation between drought and flood is more destructive than a single drought or flood disaster. Studying its evolution patterns and prediction methods is of great significance for enhancing disaster prevention and mitigation capabilities. Based on monthly precipitation data from 70 national meteorological stations in Hubei Province from 1960 to 2024, and the fifth-generation reanalysis data from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, this study analyzes the temporal evolution characteristics of the Long-cycle Drought-Flood Abrupt Alternation Index (LDFAI) in typical years of summer drought-flood alternation (drought-to-flood and flood-to-drought) in Hubei Province, and explores the corresponding atmospheric circulation and water vapor transport anomalies. The results are as follows: 1) From 1960 to 2024, a total of 21 summer drought-flood alternation events occurred in Hubei Province, including 10 drought-to-flood events and 11 flood-to-drought events. The LDFAI showed a weak upward trend at a rate of 0.03 per decade, while its intensity decreased at a rate of 0.07 per decade, but both didn’t pass the significance test. 2) The LDFAI exhibits distinct decadal variation characteristics: the 1960s was a period with frequent drought-flood alternation, a total of 7 events occurrence (4 drought-to-flood and 3 flood-to-drought); in the 1970s, there was frequent flood-to-drought events, reaching 4 times; after the 1980s, the frequency of drought-flood alternation events tended to be balanced. The intensity of LDFAI experienced an abrupt change in 1973, and significantly decreased after 1980. 3) High-incidence areas for drought-to-flood events were concentrated in central and western Hubei, with the southern part of Shennongjia and the northwestern part of Yichang being high-risk regions. High-incidence areas for flood-to-drought events were widespread in central, western, and eastern Hubei, with Enshi being a high-risk region for flood-to-drought events. 4) During the drought period of drought-to-flood years, it was controlled by a southerly Western Pacific Subtropical High (referred to as “the subtropical high”) and mid-to-high latitude zonal circulation in Hubei Province, coupled with subsidence motion and water vapor divergence, leading to less precipitation. During the flood period, a mid-high latitude meridional circulation developed, and the ascending movement and water vapor convergence on the northwest side of the subtropical high increased, leading to more precipitation. The circulation and water vapor anomalies in flood-to-drought years were opposite to these.

Keywords: Hubei Province; anomaly; long-cycle; drought-flood alternation index; atmospheric circulation

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本文引用格式

张荣, 黄治勇, 汤兴芝, 王文玉. 1960—2024年湖北省夏季旱涝转折特征分析[J]. 干旱气象, 2026, 44(1): 37-46 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639-2026-01-0037

ZHANG Rong, HUANG Zhiyong, TANG Xingzhi, WANG Wenyu. Analysis of summer drought-flood alternation characteristics in Hubei Province from 1960 to 2024[J]. Arid Meteorology, 2026, 44(1): 37-46 DOI:10.11755/j.issn.1006-7639-2026-01-0037

0 引言

随着气候变暖和人类活动加剧,干旱、洪涝事件发生的强度和频率不断增大,如2020年和2022年在长江流域发生的流域性大洪水和罕见夏秋冬连旱(张强,2022;段欣妤等,2024)。在极端旱涝事件频发背景下,旱涝转折事件也日益增多。旱涝转折是旱涝异常在时间上的非均匀分布形式,指某一时期内旱涝交替发生的现象,该现象在我国长江中下游、华南、华北、西南等地时有发生(Yang et al.,2022; Bi et al.,2023;商林等,2025)。研究表明,旱涝转折事件对人类社会及自然环境造成的影响远大于单一干旱或洪涝灾害,不仅会导致粮食减产、威胁区域粮食安全,还会影响生态系统的服务功能(Bi et al.,2019)。如2011年1—5月,长江中下游地区出现重度干旱,湖北、湖南、江西等省329万人饮水困难,但进入6月后,湖北、江西、浙江等省突降暴雨,在极短时间内从大旱转向大涝(刘凤丽和黄国兵,2012),该旱涝转折事件由于持续时间更长、影响范围更广、经济和财产损失更大,被列入当年我国十大天气气候事件之一。

旱涝转折是我国典型的极端气候事件,其成因与大气环流的异常调整密切相关。相关研究表明:长江中下游地区,旱涝转折常与西太平洋副热带高压(简称西太副高)的季节内变化、中高纬槽脊系统、冷暖空气交汇及季风活动异常有关(吴志伟等,2006);西北地区,旱涝转折则受到北极极涡、乌拉尔山脊、蒙古低压及西太副高强度与位置变化的显著影响(杨金虎等,2015);西南地区的旱涝转折亦与西太副高、西风带、水汽输送及垂直运动的转变密切相关(孙小婷等,2017)。说明我国旱涝转折事件受多尺度环流系统协同作用,其机理具有明显的区域性和季节性特征。

湖北地处长江中游,是我国经济较为发达的区域之一,大部属亚热带季风性湿润气候,受东亚季风影响显著,区域内年降水量时空分布不均,旱涝灾害频发,是长江流域旱涝灾害最为严重的地区之一(张玉翠等,2024)。研究表明,20世纪80年代以来,湖北省干旱发生的频率与强度均呈明显增加趋势(郑治斌和刘可群,2020),且干旱空间分布差异显著:西北部干旱日数偏多,属于常年易旱区域;中东部则以季节性干旱为主,旱情多集中在7—10月的伏秋季(刘可群等,2012)。湖北省暴雨存在明显的高值高频中心,其中鄂东南和鄂东北为两大暴雨集中区域(许莉莉等,2011),洪涝高值中心则主要集中在鄂东南的通山、赤壁和崇阳等地(周悦等,2016)。此外,夏季暴雨洪涝与伏旱交替出现,是鄂西南、江汉平原等区域最为典型的气候特征(贺程程等,2024)。这种旱涝灾害频发、空间分布不均且交替出现的气候背景,使得湖北省成为研究旱涝转折事件的典型区域。

本文以湖北省旱涝转折事件为对象,分析其时间演变规律、空间分布格局及强度变化特征。在此基础上,选取典型旱涝转折年份,从大气环流异常与水汽输送演变的角度,揭示旱涝转折发生的关键环流条件与物理机制,为进一步认识区域旱涝转变规律、提升短期气候预测能力提供科学参考。

1 资料与方法

1.1 资料

所用降水资料取自湖北省气象信息与技术保障中心,为湖北省70个国家级气象台站(图1)1960—2024年夏季(5—8月)的逐月降水观测数据。同期配套使用的再分析资料,包括高度场、风场、比湿场、温度场及垂直速度场等,来源于欧洲中期天气预报中心提供的第五代再分析数据集,该数据集的水平分辨率为0.25°×0.25°。

图1

图1   湖北省地形高度(填色,单位:m)及国家级气象站点分布

Fig.1   The topography height (the color shaded,Unit: m) and distribution of national meteorological stations


1.2 方法

以5—8月降水量代表湖北省夏季降水,将旱涝变化的时间尺度划定为2个月:“旱转涝”指5—6月旱,7—8月涝;“涝转旱”指5—6月涝,7—8月旱。为定量表征湖北省夏季长周期旱涝转折特征,首先对降水量进行标准化处理(魏凤英,2007),以消除站点间气候背景差异对旱涝判定的影响,标准化公式如下:

Ri*=Ri-R¯1ni=1nRi-R¯2

式中:Ri*为第i年某时段(5—6月或7—8月)的标准化降水量;Ri为第i年该时段的实际降水量,R¯为该时段1960—2024年的平均降水量,单位均为mm;n为样本量(n=65)。

参考吴志伟等(2006)的研究思路,结合湖北省夏季降水节律(5—6月为梅雨关键期、7—8月为伏旱期),构建长周期旱涝转折指数(Long-cycle Drought-Flood Abrupt Alternation Index,LDFAI),用于定量描述5—6月与7—8月的旱涝转换强度与方向,公式如下:

LDFAI=R78*-R56*×R56*+R78*×1.8-R56*+R78*

式中:R56*56;R78*为7—8月标准化降水量;R78*-R56*为旱涝转折强度差分项;R56*+R78*为旱涝累积项;1.8-R56*+R78*是权重修正项,用于抑制“全旱”“全涝”或弱转折事件的干扰(齐冬梅等,2012;张瑞等,2018)。根据LDFAI的物理意义及湖北省气候特征,设定判定阈值:LDFAI大于1判定为“旱转涝”事件,小于-1为“涝转旱”事件,介于两者之间则属于正常降水状态,LDFAI绝对值越大说明旱涝转折事件越严重(邢彩盈等,2018)。

首先计算湖北省70个站点逐年夏季LDFAI序列,再对所有站点的LDFAI进行空间平均并标准化处理,得到湖北省区域平均夏季LDFAI时间序列,用于分析全省旱涝转折的时间演变特征。该方法既保留了单站旱涝转换的细节差异,又能反映区域整体的转折规律,且无需调整参数即可适配湖北省夏季梅雨-伏旱的降水节律特征。

2 旱涝转折指数适用性验证

长周期旱涝转折指数(LDFAI)在长江中下游、西南等区域的旱涝交替研究中已得到有效应用,其核心原理与计算逻辑具备区域适配性(吴志伟等,2006;王映思等,2021;甄英等,2021)。为精准验证该指数对湖北省夏季(5—8月)旱涝转折事件的表征能力,结合《中国气象灾害大典·湖北卷》《中国气象灾害年鉴》等权威灾情记录,通过实况比对和空间佐证,系统评估其适用性。基于1960—2024年湖北省70个站点夏季降水数据,计算逐年LDFAI序列,筛选出LDFAI值最高的6个潜在旱转涝年和最低的6个潜在涝转旱年(表1)。从表1可见,潜在旱转涝年与涝转旱年的实际旱涝演变均呈现明显的“转折特征”,与LDFAI的识别结果高度吻合。潜在旱转涝年表现为5—6月均记录有明确旱情,7—8月转为显著涝情,旱涝转换过程清晰。典型如2008年,5—6月鄂西北北部及鄂北岗地降水偏少4~8成,襄樊、随州等无透墒雨;7—8月出现3次大范围强降水,覆盖广、强度大(中国气象局,2009)。1968年5月24日起江汉平原进入少雨期,江陵县6月雨量仅19 mm;7月13—20日全省连降大到暴雨,89个县次出现暴雨,13个县次达大暴雨(姜海如,2007)。潜在涝转旱年表现为5—6月均出现明显涝情,7—8月转为持续旱情,与旱转涝过程呈反向格局。典型如1971年,6月24—25日荆州、襄阳地区暴雨引发山洪;7—8月鄂东旱期长达40~57 d,雨量较常年偏少7~10成,旱情严重(姜海如,2007)。2009年5月24—28日、6月27—30日出现强降水过程,其中6月下旬过程强度最大、损失最重;8月1—28日全省大部降雨偏少40%~90%(中国气象局,2010)。

表1   夏季典型旱涝转折年及当年降水及灾情特征

Tab.1  The typical summer drought-flood alternation years and precipitation as well as disaster characteristics in those years

类型年份LDFAI旱涝演变特征
旱转涝20082.85—6月鄂西北北部及鄂北岗地降水偏少4~8成,襄樊、随州等无透墒雨;7—8月出现3次大范围强降水,覆盖广、强度大(中国气象局,2009
20102.15—6月鄂西北出现明显旱情;7月8—16日遭遇1991年以来持续时间最长强降水,英山、广水日降水量超百年一遇(中国气象局,2011
19681.95月24日起江汉平原进入少雨期,江陵县6月雨量仅19 mm;7月13—20日全省连降大到暴雨,89个县次出现暴雨,13个县次达大暴雨(姜海如,2007
19821.85—6月鄂西北近半数县雨量偏少4~6成;7月10—27日发生6次区域性暴雨、3次大雨过程,累积雨量大(姜海如,2007
19691.86月鄂西北地区雨量较常年偏少4~5成;7月12—13日英山、罗田、恩施等多县暴发山洪,强降水引发次生灾害(姜海如,2007
19631.66月鄂东南、江汉平原旱情较重;8月16—23日强降水自鄂西南向鄂东北推进,累计22个县次出现暴雨(姜海如,2007
涝转旱1971-1.76月24—25日荆州、襄阳地区暴雨引发山洪;7—8月鄂东旱期长达40~57 d,雨量较常年偏少7~10成,旱情严重(姜海如,2007
1964-1.76月23—30日除鄂西北外,全省出现大范围强降水,105个县次降暴雨、37个县次达大暴雨;7—8月鄂北、鄂东部分县出现30~60 d夏旱(姜海如,2007
2009-1.65月24—28日、6月27—30日出现强降水过程,其中6月下旬过程强度最大、损失最重;8月1—28日全省大部降雨偏少40%~90%(中国气象局,2010
2015-1.65—6月多次出现暴雨,英山、监利、洪湖等站降水量突破阈值;7—8月襄阳、十堰等鄂西北地区出现明显旱情(中国气象局,2016
1992-1.56月长江两岸多雨,3场暴雨导致雨量较常年偏多4~7成;7—8月全省71个县市遭受不同程度干旱,影响范围广(姜海如,2007
1960-1.56月下旬全省大部连降暴雨,部分县出现大暴雨;7月中旬至8月,除鄂西及黄石以东外,大部地区雨量偏少5~8成,40个县出现30~50 d伏旱(姜海如,2007

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此外,通过典型旱转涝、涝转旱年降水距平百分率空间分布(图2)可进一步验证LDFAI对湖北省夏季旱涝转折特征的识别有效性。旱转涝典型年的降水距平分布均呈现5—6月降水偏少、7—8月降水偏多的转折特征,如:2008年5—6月湖北北部降水偏少约60%,7—8月该区域降水偏多超100%;2010年5—6月鄂东北至鄂东南降水偏少约20%,而7—8月偏多约100%,降水偏多特征尤为突出;1968年5—6月江汉平原降水偏少约40%,7—8月偏多约60%;1982年5—6月鄂西北至江汉平原北部降水偏少约40%,7—8月偏多约80%。涝转旱典型年则呈现5—6月降水偏多、7—8月降水偏少的反向转折特征,如:1971年5—6月湖北中西部降水偏多约60%,7—8月降水偏少约40%;1964年5—6月鄂东南降水偏多约80%,7—8月偏少60%;2009年5—6月江汉平原降水偏多约40%,7—8月偏少约20%;1992年5—6月江汉平原降水偏多约60%,7—8月偏少约20%。

图2

图2   湖北典型夏季旱转涝、涝转旱年降水距平百分率空间分布(单位:%)

Fig.2   Spatial distribution of precipitation anomaly percentage in typical summer drought-to-flood and flood-to-drought years in Hubei Province (Unit: %)


为保障后续环流与水汽特征分析的样本有效性,结合实际灾情记录、旱涝转折信号显著性,筛选旱转涝典型年为1963、1968、1969、1982、2008、2010年,均满足“5—6月旱、7—8月涝”的核心特征,且LDFAI均大于1.6,灾害过程与降水演变记录详实;涝转旱典型年选取1960、1964、1971、1992、2009、2015年,均符合“5—6月涝、7—8月旱”的演变规律,LDFAI均小于-1.5。

3 旱涝转折时间演变和空间分布特征

图3(a)为湖北省1960—2024年LDFAI逐年变化曲线。可以看出,1960—2024年,湖北夏季共发生21次旱涝转折事件,其中旱转涝10次(1963、1965、1968、1969、1982、2005、2008、2010、2014、2021年),涝转旱11次(1960、1964、1967、1970、1971、1972、1978、1992、2009、2015、2019年);LDFAI总体呈微弱上升趋势(每10 a上升0.03),而旱涝转折强度(LDFAI绝对值)呈缓慢下降趋势(每10 a下降0.07),但均未通过显著性检验,表明旱涝转折的整体格局向旱转涝方向缓慢偏移,但转换强度整体偏弱。LDFAI年际波动明显:2008年LDFAI最高(2.79),为最强旱转涝年;1971年LDFAI最低(-1.73),为最强涝转旱年,1964年LDFAI次低(-1.67),涝转旱特征突出。年代际分布上,LDFAI呈现鲜明的阶段性特征:1960—1969年为旱涝转折多发期,共发生7次(旱转涝4次、涝转旱3次),且转折强度整体较强;1970—1979年为涝转旱主导期,未发生旱转涝事件,该时段5—6月降水偏多、偏涝特征显著;1980—1999年旱转涝与涝转旱事件各发生1次;2000—2009年是旱转涝相对活跃期,发生2次旱转涝、1次涝转旱事件;2010—2019年旱转涝与涝转旱各发生2次;2020—2024年仅出现1次旱转涝事件,转折活动相对平缓。

图3

图3   湖北省1960—2024年LDFAI时间序列(a)及其绝对值序列的Mann-Kendall检验(b)

Fig.3   Time series of LDFAI (a) and Mann-Kendall test of its absolute value series in Hubei Province from 1960 to 2024


采用Mann-Kendall方法对LDFAI绝对值序列进行突变检验[图3(b)],结合突变检验严格判定标准(单一交叉点且位于显著性水平范围内),发现LDFAI绝对值序列在1961、1962、1973年出现3次交叉点,但仅1973年的交叉点位于±1.96临界线之间,表明湖北省夏季旱涝转折强度在1973年发生显著突变。突变后,LDFAI强度呈下降趋势,且自1980年起下降趋势通过0.05显著性检验。这一突变特征与全球变暖背景下区域气候系统调整密切相关,涉及东亚夏季风减弱、西太副高活动异常及海温变化等关键驱动因子(黄荣辉等,2006)。

图4为1960—2024年湖北省旱转涝与涝转旱事件的空间分布,可进一步明确两类事件的空间格局及关联特征。旱转涝事件发生次数高值区呈带状分布,集中于湖北省中部(随州—潜江一线)和西部(襄阳—神农架—恩施一线);平均强度高值区(等值线≥3)主要分布在神农架、荆门周边区域,其中神农架南部与宜昌西北部为次数与强度叠加的高风险区,防灾减灾需重点关注。涝转旱事件发生范围更广,高频区覆盖中部(天门、仙桃、孝感)、西部(恩施)及东部(黄冈);平均强度高值区(等值线≤-3)集中在湖北南部,以恩施西部和咸宁南部最为显著,其中恩施地区兼具高发与高强度特征,是涝转旱事件的核心高风险区,需针对性强化旱涝转换期的水资源调度与灾害防控。两类事件的空间共性为中部(随州—潜江一线)和西部(襄阳—神农架—恩施一线)均为两类事件频发区域;东南部(咸宁、黄石、鄂州等地)为旱涝转折低发区,降水季节变化相对稳定。

图4

图4   湖北省1960—2024年旱转涝(a)、涝转旱(b)事件发生次数(填色)及平均强度(等值线)空间分布

Fig.4   Spatial distribution of occurrence frequency (the color shaded) and average intensity (isolines) of drought-to-flood (a) and flood-to-drought (b) events in Hubei Province from 1960 to 2024


4 旱涝转折年大气环流及水汽变化特征

环流形势调整与水汽输送演变是驱动旱涝转折事件发生的核心动力。基于筛选的旱转涝典型年(1963、1968、1969、1982、2008、2010年)和涝转旱典型年(1960、1964、1971、1992、2009、2015年),从500 hPa高度场、200 hPa纬向风场、850 hPa水汽通量散度场及垂直速度场4个关键维度,分析湖北省夏季旱涝转折年的大气环流与水汽输送异常特征,揭示旱涝转换的物理机制。

4.1 500 hPa高度场特征

500 hPa高度场环流配置直接决定中高纬冷空气与低纬暖湿气流的交汇格局,是影响湖北省夏季降水的关键系统(张萍萍等,2018)。从夏季典型旱涝转折年500 hPa位势高度距平合成场(图5)可以看出:旱转涝年旱期(5—6月),中高纬500 hPa高度距平场呈带状负值分布,纬向环流占优,冷空气活动路径偏北且势力较弱;西太副高主体偏南,5 840 gpm等值线局限于南海至西太平洋区域,湖北省受西太副高外围下沉气流影响,南海及西太平洋暖湿水汽难以向北输送,降水条件不足;旱转涝年涝期(7—8月),环流形势显著调整,中高纬出现大范围正距平区,东亚沿岸脊加强,经向环流主导,利于中高纬冷空气南下,西太副高显著北跳,5 840 gpm等值线北推至长江流域,湖北省处于西太副高西北侧边缘不稳定区域,冷暖气流在此交汇,降水显著增多。涝转旱年涝期(5—6月)环流特征与旱转涝年旱期相反,乌拉尔山及周边为大范围负距平区,西伯利亚—蒙古地区为正距平区,槽脊系统发展显著,中高纬经向运动偏强,冷空气南下频繁,湖北省位于西太副高西北侧,南海及西太平洋水汽与中高纬冷空气在此持续交汇,降水偏多;涝转旱年旱期(7—8月)西太副高异常北跳且强度偏强,冷暖空气交汇区北移至淮河以北,湖北省受高压脊控制,盛行下沉气流,干旱少雨。

图5

图5   夏季典型旱转涝年(a、b)和涝转旱年(c、d)5—6 月(a、c)与7—8月(b、d)500 hPa位势高度距平场合成(单位:gpm)

(粗黑线为5 840 gpm等值线;黑色方框为湖北省大致位置,下同)

Fig.5   Composite of 500 hPa geopotential height anomaly fields in May-June (a,c) and July-August (b,d) in summer typical drought-to-flood years (a,b) and flood-to-drought years (c,d)(Unit: gpm)

(The thick black line denotes the 5 840 gpm contour lines; The black square marks the approximate location of Hubei Province,the same as below)


4.2 200 hPa纬向风场特征

200 hPa纬向风场的强弱变化直接反映西风带活动特征,对中高纬冷空气南下及区域降水形成具有重要调控作用(屈文军等,2004)。图6为夏季旱涝转折典型年200 hPa合成纬向风场差值分布。可以看出,旱转涝年旱期(5—6月)中高纬高空西风带强度偏强,蒙古国至贝加尔湖地区为大范围正差值区,纬向环流稳定,高纬冷空气难以突破西风带束缚南下影响湖北省,降水条件不利;旱转涝年涝期(7—8月)中高纬西风带呈带状负值分布,强度显著减弱,经向环流增强,冷空气经向活动加剧,易与北上的暖湿气流在湖北省交汇,为降水提供有利的动力条件。

图6

图6   夏季典型旱涝转折年5—6月(a)与7—8月(b)200 hPa纬向风差值场合成(单位:m·s-1

(旱转涝年减涝转旱年,下同)

Fig.6   Composite of 200 hPa zonal wind difference fields in May-June (a) and July-August (b) in summer typical drought-flood alternation years (Unit: m·s-1

(drought-to-flood years minus flood-to-drought years,the same as below)


4.3 850 hPa水汽通量散度场特征

充足的水汽输送是产生降水的必要条件之一,其输送通道和通量大小对降水具有重要影响(田红等,2004)。水汽的辐合与辐散状态直接影响降水强度,通常水汽通量散度负值越大,代表水汽辐合越强,越有利于降水发生。申乐琳等(2010)研究指出,中国东部各区域(包括华南、长江中下游、黄淮及华北地区)的降水与850 hPa等压面上的水汽条件密切相关。从湖北省夏季旱涝转折典型年850 hPa水汽通量及散度差值合成场(图7)可以看出:5—6月,华南地区为显著的正西南水汽通量差值区,而湖北省境内水汽通量差值整体偏小,表明旱转涝年旱期的低层水汽输送强度显著弱于涝转旱年涝期,为湖北此时段降水偏少提供了水汽背景;同时湖北省全域处于水汽通量正散度差值区,呈现明显的水汽辐散特征,水汽难以在该区域汇聚,进一步抑制了降水形成。7—8月,湖北省全域被明显的西南水汽输送正值差值区覆盖,低层西南向水汽输送强度大幅增强,旱转涝年涝期的水汽输送能力显著高于涝转旱年旱期,为湖北区域降水增多提供了充足的水汽来源;与此同时,湖北省转为水汽通量散度负差值区,呈现显著的水汽辐合特征,水汽在该区域持续汇聚,水汽辐合作用的增强为强降水的发生发展提供了关键的水汽条件,进而推动旱转涝年7—8月从旱到涝的转变。

图7

图7   夏季典型旱涝转折年5—6月(a)与7—8月(b)850 hPa水汽通量(箭矢,单位:g·cm-1·hPa-1·s-1)及水汽通量散度(填色,单位:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)差值场合成

Fig.7   Composite difference fields of 850 hPa water vapor flux (arrow vectors,Unit: g·cm-1·hPa-1·s-1) and water vapor flux divergence (the color shaded,Unit: 10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1) in May-June (a) and July-August (b) in summer typical drought-flood alternation years


4.4 垂直速度场特征

垂直运动是水汽抬升凝结的关键动力,其异常变化对旱涝转换具有重要影响。图8为沿112°E经线的垂直速度差值合成场。可见,5—6月湖北省从低层到中高层以垂直速度正差值区为主,表明旱转涝年旱期相对于涝转旱年涝期,上升运动偏弱、下沉运动较强,水汽难以抬升凝结,不利于降水产生。7—8月则相反,湖北省整层为垂直速度负差值区,垂直上升运动显著增强,低层水汽在上升运动作用下不断抬升并凝结,为强降水提供了充足的动力条件。涝转旱年垂直运动特征与旱转涝年相反,涝期上升运动活跃,旱期下沉运动主导。

图8

图8   夏季典型旱涝转折年5—6月(a)与7—8月(b)沿112°E的垂直速度差值场合成(单位:10-2 Pa·s-1

Fig.8   Composite of vertical velocity difference fields along 112°E in May-June (a) and July-August (b)in summer typical drought-flood alternation years (Unit: 10-2 Pa·s-1


5 结论与讨论

本文利用1960—2024年湖北省70个国家站5—8月逐月降水量和ERA5再分析资料,计算近65 a年湖北省夏季长周期旱涝转折指数(LDFAI),分析该区域夏季旱涝转折演变特征及其大气环流和水汽输送异常特征,得到以下主要结论。

1)旱转涝年旱期(5—6月)湖北中部和东部降水偏少2~4成,涝期(7—8月)全省降水整体偏多,鄂东南和江汉平原北部偏多6成以上;涝转旱年涝期(5—6月)中部大部分地区降水偏多2成以上,旱期(7—8月)降水整体偏少,东部地区减少6成以上。

2)1960—2024年共发生10次旱转涝事件(1963、1965、1968、1969、1982、2005、2008、2010、2014、2021年)和11次涝转旱事件(1960、1964、1967、1970、1971、1972、1978、1992、2009、2015、2019年)。1960—1979年为旱涝转折多发期,共发生4次旱转涝和7次涝转旱;1980—1999年为少发期,各仅发生1次;2000—2024年两类事件发生次数有所增加。夏季旱涝转折强度在1973年发生突变,自1980年起下降趋势通过0.05显著性检验。

3)旱涝转折事件在湖北省呈现明显空间分异格局,两类事件均在湖北中部(随州—潜江一线)和西部(襄阳—神农架—恩施一线)高发,在东南部(咸宁、黄石、鄂州等地)较少发生。其中,涝转旱事件高发区范围更广,涉及中部、西部和东部(黄冈);旱转涝事件平均强度更高,高值区集中在神农架、荆门周边,神农架南部与宜昌西北部为事件次数与强度叠加的高风险区;涝转旱事件高强度区集中在湖北南部,以恩施西部和咸宁南部最为明显,恩施是涝转旱事件高频、高强度叠加的高风险区。

4)大气环流与水汽输送异常是驱动旱涝转折的关键因子。旱转涝年旱期,西太副高偏南,低纬度暖湿气流北上受阻,中高纬纬向环流占优,冷空气难以南下,上升运动偏弱,导致降水偏少;涝期,中高纬槽脊波动加剧,经向运动增强,冷空气南下,湖北省处于西太副高西北侧边缘不稳定区域,西南水汽输送充沛,上升运动增强,降水增多。涝转旱年的大气环流和水汽输送特征与旱转涝年相反。

本文从降水演变、大气环流及水汽输送角度,明确了湖北省夏季旱涝转折的定义、时空规律及关键驱动机制。但研究仍存在一定的局限:未考虑气温、海温等因子对旱涝转折的影响机制,且仅聚焦5—8月的长周期转折特征,未涉及更短或更长时间尺度的旱涝转换规律。未来可进一步拓展研究维度,结合多要素数据探究海-陆-气相互作用对旱涝转折的调控机理,同时优化指数时间尺度适配性,为提升短期气候预测精度提供更全面的理论支撑。

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利用西南121站1961 -2019年的逐日降水观测资料, 根据降水的REOF正异常区将西南分为西南Ⅰ区、 西南Ⅱ区和西南Ⅲ区共三个区域, 对3个分区的旱涝急转特征进行分析。结果表明: 西南地区夏季旱涝急转存在明显的地域差异和相似性。Ⅰ区强旱涝急转事件较少, 强的旱涝急转事件主要发生在2000年以前; Ⅱ区1961 -1990年旱涝急转指数存在较明显的年代际振荡, 1961 -1970年旱转涝事件偏多, 1971 -1980年涝转旱事件较多, 1980 -1990年旱涝急转强度较小, 1990年后逐渐转为年际振荡; Ⅲ区旱涝急转指数整体偏低, 1975 -2000年间存在较明显的年际振荡, 2010年后旱涝急转事件呈增多增强的趋势。对各区典型旱涝急转年的大气环流特征进一步研究发现, 三个区的旱期, 中高纬度高空西风强, 盛行纬向气流, 中低纬度西太平洋副高偏西偏强, 南海-太平洋和印度洋-孟加拉湾水汽输送弱, 低层盛行下沉气流, 导致降水偏少。三个区的涝期环流形势复杂, 其中Ⅰ区涝期, 中高纬环流呈“-+-”的纬向波列, 乌拉尔山高压脊加深, 西太平洋副高偏东偏北, 孟加拉湾水汽输送增强, 上升运动增强, 降水偏多。Ⅱ区涝期, 中高纬环流呈“-+”的纬向波列, 鄂霍次克海高压脊加强, 西太平洋副高偏东偏北, 南支槽较明显, 太平洋和印度洋水汽输送增强, 降水偏多。Ⅲ区涝期, 中高纬环流呈“+-+-”的纬向波列, 乌拉尔山高压脊与贝加尔湖低压槽增强, 西太平洋副高偏东偏北, 孟加拉湾-印度洋水汽增强, 降水偏多。

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利用1966—2017年海南岛18个气象站逐月降水量、NCEP/NCAR逐月再分析资料及NOAA海表温度资料,定义了后汛期旱涝急转指数(LDFAI),据此分析了海南岛后汛期旱涝急转的气候特征及其海气异常特征。结果表明:(1)近52 a海南岛后汛期旱涝急转现象年际变化大,并呈现一定的年代际特征,存在14 a的强显著周期。空间上,保亭、儋州和白沙发生频率高,东南部沿海次之,乐东最少;北部部分地区和中部强度最强、西南部最弱。(2)旱转涝年,旱期西太平洋副热带高压(副高)异常偏东、强度偏弱,海南处于反气旋流场中心区,且其上空为下沉运动区和整层水汽辐散区;涝期东亚大槽偏强,冷空气和副高南侧偏东气流在海南附近交汇,伴随低层辐合上升运动和整层水汽输送汇合,海南降水形势有利。涝转旱年情况相反。(3)后汛期LDFAI与前期和同期热带中太平洋海温存在显著的负相关性。

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