1. 引言
2020年夏季长江流域出现全流域性洪水，长江干流先后发生5次编号洪水，三峡水库发生建库以来最大入库洪峰。洪水的形成与2020年长江流域梅雨期超级暴力梅和8月上游极端降雨过程有密切的关系。针对长江流域致洪暴雨，张顺利 [1]、王晓芳 [2]、孙晓晴 [3] 等指出稳定的阻塞高压、贝加尔湖槽及副热带高压与长江流域致洪暴雨有密切关系。陶诗言 [4]、牛若芸 [5]、张庆云 [6] 等分析指出我国东部夏季暴雨带的位置受西太平洋副热带高压调节，梅雨区入梅偏早与西太平洋副热带高压季节性北跳提前有关。陶诗言 [7]、李跃清 [8] 等指出长江上游暴雨的主要水汽来源于孟加拉湾、南海和太平洋，南海南部大气低频振荡为长江流域暴雨，输送了大量不稳定的暖湿空气。吴哲珺等 [9] 指出了暴雨过程中东侧西太平洋副热带高压、西侧西南涡的配置有利于低空急流的形成与发展。
上述研究关注重点多是针对暴雨过程，而对长江流域持续性暴雨洪涝和其成因的研究相对较少。对此，本文针对2020年夏季(6~8月)长江流域雨情、水情异常情况，通过分析造成水雨情异常的强降雨过程中的环流特征、水汽输送等，研究2020年长江流域异常致洪降雨的成因，对于认识暴雨洪涝发生原因，更好地开展长江流域致洪暴雨预报有积极作用。
2. 使用资料及来源
长江流域覆盖24˚~36˚N，90˚~122˚E，横跨西藏、青海、云南、四川、贵州、重庆、甘肃、陕西、湖北、湖南、河南、江西、安徽、江苏、浙江、上海等省(区、市)，由金沙江流域、岷沱江流域、嘉陵江流域、乌江流域、长江上游干流、汉江流域、长江中游干流、洞庭湖流域、鄱阳湖流域、长江下游干流等10子流域组成。使用三峡站代表长江上游来水总体情况，螺山站代表长江中游来水总体情况，向家坝、高场、富顺、武隆、北碚、城陵矶分别代表金沙江、岷江、沱江、乌江、嘉陵江、洞庭湖流域的来水情况。
降雨资料来自长江流域气象中心实时数据库及整编的历史资料库，包括长江流域724个国家气象站(图1)逐日08时24 h降雨量、1 h降雨量。大气环流特征分析使用的资料取自美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)提供的2.5˚ × 2.5˚ 6 h全球分析资料。水文资料来自长江水利委员会和水利部水文情报网。
Figure 1. Division of the Meterorological Stations in the Yangtze River Basin
图1. 长江流域气象站点分布图
3. 长江流域夏季降雨情况
2020年夏季(6~8月)长江中下游经历了超级暴力梅和8月上游极端强降雨。长江中下游梅雨区6月9日入梅(比常年偏早5天)，梅雨期长达52天(常年29天)，长江中下游梅雨区在梅雨期平均累计降雨量754 mm，较常年偏多近1.7倍，居1961年以来同期首位。从夏季全流域降雨情况来看，区域性强降雨过程有14次，6~8月先后出现了6次、5次、3次(详见表1)，站点平均累积降雨量为723毫米，较历史同期偏多近5成，同样居1961年以来首位，特别是嘉陵江上中游、岷沱江上中游、清江、澧水、鄂东北、长江下游北部等地平均雨量较历史偏多近1倍以上。另外，降雨的极端性强，嘉陵江、岷沱江、清江、鄱阳湖等地的芦山、绵竹、建始、九江等20县市日降雨量突破历史极值，其中，岷江芦山日降雨量为423毫米、小时雨强达135毫米。
从6月起，长江流域降雨逐渐增多，由前期降雨偏少转为偏多，6月平均降雨量为253毫米，较常年同期偏多近4成。6月上旬强降雨区主要在江南且雨区相对分散；6中旬主雨带明显北抬、西伸，发生了两次强降雨过程，影响乌江、长江中游干流以北以及嘉陵江等流域，降雨强度明显增强，乌江下游的正安县避峰镇在12日03时出现了半小时降雨量超过100毫米，小时雨量达163毫米的超历史极值；6月下旬，出现了入汛以来最强降雨过程，降雨范围涉及长江上游干流、乌江以及长江中下游大部地区，尤其是长江上游重庆至宜昌段、乌江下游、清江、澧水、长江下游等流域接连受到强降雨侵袭，多地日降雨量突破极值，引发长江上游部分支流和太湖出现超警以上洪水。进入7月，长江流域强降雨较6月的范围、强度以及极端性均增大、增强，平均降雨量300毫米，居历史7月同期首位，降雨带主要集中在长江上游东部以及长江中下游地区，雨区的重叠度高，长江上游干流重庆至宜昌段、乌江下游、清江、澧水、长江中下游干流和鄱阳湖等流域的面雨量高居历史同期前列，特别是7月4~9日主雨带基本维持在长江沿线，鄱阳湖流域、长下干、清江等流域有10县市日雨量突破历史极值。8月上旬强降雨强度减弱，但到8中旬随着雨带季节性北抬，10日~17日在长江上游出现两次强降雨，降雨强度大、雨带稳定、极端性强，主雨区位于岷沱江中下游至嘉陵江中游一线，岷江、沱江、涪江、嘉陵江干流流域累积面雨量居历史同期第一位，站点累计雨量有9站超过800毫米，73站点位居历史同期首位，站点日雨量11站超过历史极值，其中岷江流域的芦山站日雨量达423毫米。
Table 1. List of regional heavy rainfall processes in the Yangtze River Basin from June to August in 2020
表1. 2020年6~8月长江流域区域性强降雨过程列表
4. 长江流域夏季汛情特征
2020年5月流域来水偏少，长江流域干流主要控制站月平均水位相比历史同期偏低0.45~3.75米，5月至6月上旬长江上中游日平均流量较历史同期偏低，6月中旬前后日平均流量快速上涨。从三峡、螺山、城陵矶日平均流量图(图2)可以看到，三峡站流量随上游流域强降雨的发生发展波动明显(图2(a))，上游流量变化可以为四个阶段：第一阶段(6月11~25日)，持续3次强降雨过程造成上游流量波动上涨，三峡入库流量达到20,000 m3∙s−1以上，22日形成“乌江2020年第1号洪水”(图略)，6月23日上游干流上涨至峰值35,692 m3∙s−1；第二阶段(6月26日~7月3日)雨带主要集中在长江干流以及乌江流域的2次强降雨过程使得长江上游流量持续增长，三峡入库流量于7月2日达到50,000 m3∙s−1，形成长江2020年第1号洪水；第三阶段(7月14日~27日) 2次强降水，使得三峡入库流量先后在7月17日10时、26日14时涨至50,000 m3∙s−1，形成长江2020年第2号、3号洪水；第四阶段(8月10日~17日)长江上游2次极端强降水，造成8月14日5时、17日14时先后形成长江2020年第4号、第5号洪水，20日8时，三峡水库出现建库以来最大入库洪峰流量75,000 m3∙s−1。对比1998年流量变化，可以看到2020年流量超过50,000 m3∙s−1以上的洪水有5次，1998年有8次，从流量变化情况来看，2a之间都是6月之前流量偏低，不同之处在于2020年的流量增长时间早于1998年，特别是洪峰形成更迅猛、峰值更高。
由于长江中游干流不仅受中游汇水影响，上游来水对中游流量变化影响也非常大，这一点在1998年螺山、城陵矶流量曲线上表现明显(图2(b)，图2(c))，受上游来水影响，8月洞庭湖汇水有所下降，但由于上游洪峰来水，中游干流流量仍持续偏高。2020年螺山流量变化对比1998年，可以看到2020年中游干流流量明显低于1998年，且7、8两月波动平缓，随上中游强降雨发生发展的波动不明显，峰值也低于1998年，明显表现出上游对洪峰的调蓄作用。受上游来水影响，长江干流螺山流量自6月底开始上涨，7月3日达到44,000 m3∙s−1以上，叠加洞庭湖来水影响，12日洪峰流量达到53,550 m3∙s−1，之后洞庭湖来水逐渐减少，但上游洪峰经三峡水库拦洪消峰后于7月20日抵达干流螺山站，28日达到峰值55,600 m3∙s−1，随后减退缓慢，9月3日流量降至44,000 m3∙s−1以下。长江中下游干流沿线、两湖湖区也长时间高水位波动，7月8日长江干流监利以下全线超过警戒水位，9月1日才全线退出警戒水位。
(a) 
(b) 
(c)
Figure 2. Daily average rate of flow of (a) Three Gorges, (b) Luoshan and (c) Chenglingji
图2. (a)三峡、(b)螺山、(c)城陵矶逐日平均流量图
5. 长江流域夏季降雨异常环流特征分析
5.1. 西太平洋副热带高压演变特征
受春季前期结束的弱“厄尔尼诺事件”和北印度洋海温异常偏暖的综合作用，2020年副高长时间持续异常，从500 hPa位势高度场距平剖面图(图3(a))可以看出，6月1日副高开始北跳，至6月中旬副高脊线已位于27˚N，且一直维持在气候平均态偏北一带，因此2020年长江中下游入梅较往年偏早。6月中旬之后副高脊线有小的南落，之后一直稳定维持在20˚~25˚N，较气候平均态略偏南，因此2020年梅雨期降雨带集中在长江中下游沿江附近及以南大部地区。2020年6月初、6月14~18日及6月下旬~8月中旬，中高纬冷空气活动频繁，30˚N以北主要为偏北风控制，冷暖气流频繁在中下游沿江一带交汇，利于长江中下游梅雨区降雨的出现。副高脊线一直到7月底才北跳至30˚N附近，导致2020年出梅时间较气候态偏晚18天，梅雨期超长。
副高面积指数是表示副高空间面积分布的特征量，通过定量地描述副热带高压笼罩范围的变化掌握副热带高压的活动规律。从图3(b)可以看出，2020年6~8月副高面积较气候平均态偏强100~120 × 105 km2，强盛的副高稳定维持在长江中下游沿江偏南地区，使得冷暖气流交汇频繁在此交汇，导致2020年多降雨过程，梅雨期降雨量居1961年以来历史首位。
5.2. 中高纬阻塞高压活动
从2020年6~8月长江流域500 hPa高度场50˚N~70˚N平均位势高度随时间的演变来看(图4)，6月上中旬中高纬呈“两脊一槽”的环流形势，长波槽位于贝加尔湖附近，长波脊位于乌拉尔山、鄂霍茨克海地区；6月中下旬环流调整为“两槽一脊”型，乌拉尔山一带为低槽区，贝加尔湖为高值区。乌拉尔山附近除在6月1日、10日、19~30日阻塞高压较弱外，其余时间段均为强盛期。从6月2日开始至10日，乌拉尔山阻高稳定维持强盛状态，尤其是8~9日阻塞高压较为强大，中心强度可达5760 gpm。6月10日高压减弱，经历短暂的1天间歇期后，新一轮的降雨开始，一直持续到6月中旬结束，与6月上旬相比此次阻高强度相对较弱。6月下旬至7月初，贝加尔湖地区位势高度显著增加，维持高压状态，这段时期长江流域降雨以移动性降雨为主，在同一地区无明显持续性暴雨过程。
(a)
(b)
Figure 3. The location and area index of the Western Pacific subtropical high from June to August in 2020. (a) Time-latitude profile of 500 hPa geopotential height field anomaly along 110˚E~140˚E (unit: gpm) (the blue dotted line is the ridge line of the subtropical high in 2020, and the black solid line is the climatic average ridge line of the subtropical high); (b) West Pacific subtropical high area index (unit: 105 km2) (where the red line is the West Pacific subtropical high area index, the blue line is the five-day moving average of the subtropical high area, and the black line is the climatic average of the subtropical high area)
图3. 2020年6~8月西太平洋副热带高压位置及面积指数图。(a) 500 hPa位势高度场距平沿110˚E~140˚E的时间–纬度剖面(单位：gpm) (其中，蓝色虚线为2020年副高脊线，黑实线为气候平均副高脊线)；(b) 西太平洋副热带高压面积指数(单位：105 km2) (其中，红线为西太副高面积指数，蓝线为副高面积5天滑动平均值，黑线为副高面积气候平均值)
7月开始，乌拉尔山阻塞高压一直处于稳定且强盛期，亚欧大陆一直稳定维持着“两脊一槽”型，低槽位于西西伯利亚地区至西亚地区。尤其是7月7~8日、15~16日阻高中心强度达5760 gpm，同时贝加尔湖地区在该时段处于位势高度低值区，对应着7月4~9日长江干流沿线地区连续4~6天和15~16日长江上游干流、下游干流的2次强降雨过程。
8月北半球中高纬度500 hPa环流调整较为频繁。8月上旬和下旬乌拉尔山阻高为强盛期，5~8日、25日、30~31日，这3次过程均对应长江上游嘉陵江、岷沱江暴雨、大暴雨过程。到了8月中旬乌拉尔山则一直处于低值区，贝加尔湖附近则为显著高压脊，副热带高压西伸北抬使得中纬度低槽稳定维持在长江上游，8月10~12日、14~17日、19~20日长江上游仍有明显的暴雨、大暴雨过程，给嘉陵江、岷沱江及汉江上游等地带来强降雨。从以上分析可以看出，6~8月长江流域持续性暴雨过程绝大多数是乌拉尔山和鄂霍茨克海地区为阻塞高压、贝加尔湖是低压槽形势。
Figure 4. Longitude-time profile of mean geopotential height of 500 hPa at 50˚~70˚N from June to August in 2020 (unit: gpm)
图4. 2020年6~8月500 hPa 50˚~70˚N平均位势高度的经度–时间剖面(单位：gpm)
5.3. 越赤道气流
从盛行气流来源看，南亚夏季低层主要盛行索马里附近来自南半球的西南越赤道气流(45˚E附近)和青藏高原东南侧90˚E附近的孟加拉湾越赤道气流，这2支气流对我国夏季南海盛行西南季风的推进早晚和强弱变化有很大的影响 [10] [11] [12]。从图5可以看出，2020年5月第1~3候40˚~50˚E的索马里越赤道气流为显著的负距平，表明索马里越赤道气流爆发偏晚，强度偏弱与今年南海夏季风的爆发对应不是很好。而位于90˚E附近的孟加拉湾越赤道气流从5月第1候开始就为非常显著的正距平，推动南海夏季风于5月第四侯爆发，较常年略偏早。孟加拉湾越赤道气流除了在6月第3候、5候和7月5候、6候为负距平，减弱南海夏季风的水汽输送外，其它时间的越赤道气流都非常强盛，且较往年偏强4~8 m∙s−1，这种持续长时间的水汽输送，非常利于长江中下游地区梅雨期降雨。另外，105˚E以东的越赤道气流在7月较常年明显偏弱，赤道辐合带(ITCZ)不活跃且位置持续偏南 [13] [14]，在此形势下，副高位置一直偏南，迟迟难以北跳，造成2020年长江中下游出梅晚，梅雨期延长，同时，整个7月在西北太平洋和南海无台风生成，创新历史记录。
Figure 5. Time-longitude profile of 925 hPa cross equatorial meridional wind (isoline) and its anomaly (shadow) from May to July in 2020 (unit: m∙s−1)
图5. 2020年5~7月925 hPa越赤道经向风(等值线)及其距平(阴影)的时间–经度剖面(单位：m∙s−1)
5.4. 大气斜压性演变
一般来说，持续性降雨与冷空气的活动密切相关，北方冷槽南下携带高纬度冷空气是强降雨发生的重要影响因子，冷空气南下，造成高、低压系统间存在巨大水平气压梯度，导致气流速度的不断增强，进而诱导低空急流的发生 [9]。图6为2020年6~8月850 hPa 100˚~120˚N平均假相当位温和平均经向风风量的纬度–时间演变图，图中阴影区为平均经向北方、南风风量随时间变化。可以看出2020年6~8月35˚N以北大部分时间被北风控制，中高纬地区在6月1~3日、11~17日、24~25日、6月29日~7月26日、8月7~10日、14~17日等多次出现冷空气南下过程，同时中低纬南风分量加大，低空急流加强，中低层锋面梯度增大，在锋面附近产生强降雨。其中6月中旬开始~7月中旬基本是较为持续的冷空气南下，对应着长江流域中下游梅雨期间的10次集中的降雨过程。6月~7月下旬，100˚~120˚N平均假相当位温纬度–时间变化在850 hPa的30˚~35˚N附近一直维持θse大值区，这表明2020年梅雨锋在长时间维持在长江流域中下游地区，锋区较强。尤其是当南风风量显著增大，西南急流带着充沛的水汽，配合着北风风量的加强，给流域中东部地区带来强降雨过程，如6月15~17日、7月4~9日、7月17~19日。8月开始，受副高西伸北抬影响整个θse大值区北抬，长江流域中下游降雨过程明显较少，降雨多集中在长江上游嘉陵江、岷沱江一带。
5.5. 气旋性环流及切变演变
西南低涡是青藏高原特殊地形与环流相互作用下，产生的中尺度低压系统，由于2019年~2020年冬季青藏高原积雪异常偏多，积雪覆盖率达到50%左右，2020年夏季表现出冷源作用，青藏高原地区中纬度地区对流层上层冷暖空气交换异常活跃，伴随融雪产生的水汽丰富，产生的冷涡增多，其东部的正涡度平流和负值非平衡强迫与四川盆地浅薄低涡产生耦合作用，两者同时发展，造成2020年西南低涡形成较往年显著偏多。西南低涡暴雨的发生有明显的不均匀性，降雨量雨团主要出现在西南低涡东侧的切变线附近，低空急流急流轴左前方 [15] [16] [17]。图7为2020年6~8月涡度沿26˚~33˚N的平均纬度–时间剖面演变(黑色等值线)，其中阴影区为2020年涡度场与气候平均场的距平，红色代表正异常，值越大表示较气候态的气旋性弯曲更为明显。从图7中可以看出涡度大值区为6月11日、16日、23日、28~29日及7月10~16日、19日、8月10日、16日。这些涡度大值区与2020年6~8月的部分强降雨过程对应较好，表明这些过程的发生往往有西南涡或是中低层切变线的参与。从气旋性环流的时间变化角度来看6月上旬开始~6月28日，涡度除了部分时段为0，大部分时间都为正值分布，表明这个月西南地区的系统非常活跃。而7月只有中后旬涡度大值分布较为明显，西南地区系统较6月比出现频次明显降低。到了8月只有中旬西南地区多气旋性环流。同时，从图中也可以看出与往年平均态相比2020年西南地区气旋性环流更强，差值在0.5~2 s−1∙e5。
Figure 6. Latitude-time evolution of mean pseudo equivalent potential temperature (solid line, unit: K) and meridional wind volume (shadow, unit: m∙s−1) along 100˚~120˚N section at 850 hPa from June to August in 2020 (unit: gpm)
图6. 2020年6~8月850 hPa沿100˚~120˚N剖的平均假相当位温(实线，单位：K)和经向风风量(阴影，单位：m∙s−1)的纬度–时间演变(单位：gpm)
Figure 7. Evolution of vorticity (isoline, unit: s−1∙e5) and its anomaly (shadow) along 26˚~33˚N mean latitude-time profile (unit: m∙s−1) from June to August in 2020
图7. 2020年6~8月涡度(等值线，单位：s−1∙e5)及其距平(阴影)沿26˚~33˚N的平均纬度–时间剖面演变(单位：m∙s−1)
6. 结论
1) 2020年夏季长江流域累积降雨量达723 mm，居1961年以来首位，雨区重叠、极端性强、洪涝灾害严重，刷新了多项气象、水文记录。主雨带集中在嘉陵江、岷沱江、乌江、长江上游干流及长江中下游地区，雨区重叠度高，多地日降雨量突破历史极值。受其影响，长江流域出现全流域性洪水，岷江、沱江、涪江、嘉陵江、清江、鄱阳湖、滁河、青弋江、水阳江、巢湖等地发生超保证或超历史洪水，长江干流先后发生5次编号洪水，三峡水库发生建库以来最大入库洪峰75,000立方米每秒。
2) 在弱“厄尔尼诺”气候背景下，西太平洋副热带高压强度显著偏强，副高脊线位置在6月上中旬偏北，下旬至7月期间又持续偏南，同时中高纬度经向环流发展，阻高形势稳定强盛，冷涡活跃，有利于冷暖空气持续在长江流域交汇，在长江中下游形成梅雨锋，从而反复出现致洪暴雨过程。
3) 从盛行西南季风变化来看，2020年夏季孟加拉湾越赤道气流对西南季风的推进和强弱影响较大，从5月第1候开始南风分量显著增强，造成南海夏季风爆发略偏早，且强度偏强，持续为向长江流域提供水汽输送。
4) 大尺度环流经向性增大，南北冷暖空气输送频繁，造成长江流域大气斜压性增强，多低空急流、气旋性低涡系统以及切变系统的产生，在14次区域性强降雨过程中均伴有西南急流的发展，配合低涡系统和中低层切变线的存在，是2020年夏季降雨极端强的重要原因。
基金项目
国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项能源与水纽带关系及高效绿色利用关键技术(2018YFE0196000)和中国气象局创新发展专项(CXFZ2021Z033)共同资助。