摘要: 利用湖南省32个观测站1960~2013年夏季降水资料和同期NCEP/NCAR提供的再分析资料，分析了湖南夏季降水的年代际变化，异常降水与500 hPa高度场、850 hPa风场、水汽收支的关系。结果表明：湖南夏季降水在1992年和2002年发生了突变；湖南地区夏季降水异常偏少时，500 hPa中高纬地区高度场相对较平直，西太平洋副热带高压偏东偏弱，850 hPa上太平洋海区到华南一带出现大范围的气旋性环流异常，湖南为异常的东北气流控制。降水异常偏多年500 hPa中高纬西高东低形势明显，850 hPa北方为异常反气旋式环流，异常东北风会导致冷空气向南入侵。各边界流入、流出湖南水汽量的多寡会影响湖南夏季降水的多少；西风和南风水汽越强时越利于湖南降水，影响湖南净水汽量最主要的边界是南边界，南边界流入水汽的多少直接关系到湖南夏季降水的多少。
Abstract: Using the 32 observation stations in Hunan Province from 1960 to the summer of 2013 and the reanalysis data provided by NCEP/NCAR in the same period, analyzed the decadal variation of summer precipitation in Hunan Province, and the relationship between abnormal precipitation and 500 hPa height field, 850 hPa wind field, and water vapor balance was studied. The results show that: Hunan summer precipitation mutations occurred in 1992 and 2002; when the summer precipitation in Hunan region is abnormal, height field in the mid to high latitudes at 500 hPa is relatively flat, and the position of the western Pacific subtropical high is eastward and weak. There is a large-scale cyclonic circulation anomaly from the Pacific Ocean to southern China at 850 hPa, and Hunan is controlled by an abnormal northeast airflow. In years with abnormally high precipitation, the high latitudes at 500 hPa show a trend of being higher in the west and lower in the east. The northern part of 850 hPa has an abnormal anticyclonic circulation, and abnormal northeast winds can cause cold air to invade southward. The amount of water vapor flowing into and out of Hunan at each boundary will affect the amount of summer precipitation in Hunan; the stronger the west wind and south wind, the more favorable it is for precipitation in Hunan. The main boundary that affects the net water vapor in Hunan is the southern boundary, and the amount of water vapor flowing into the southern boundary directly affects the amount of summer precipitation in Hunan.
1. 引言
关于近几十年来我国气候变化的研究已经做了很多[1]-[4]，而且关注某一区域旱涝的研究也进行了很多，观测事实表明湖南地区也是我国旱涝灾害较为严重的地区之一，湖南地区降水时空分布不均匀，夏季降水异常，旱涝灾害频繁，为国民经济生产带来了很大的影响[5]。本文用合成分析的方法对近60a来湖南地区降水异常特征及其形成的机理进行了初步研究。
2. 资料与方法
Figure 1. Hunan station distribution
图1. 湖南站点分布
本文所用降水资料来源于中国地面气候资料数据集，时间范围为1960~2013年夏季(7、8、9月)，剔除数据缺测及台站搬迁的站点，研究站点共有32个(图1)，站点分布均匀，具有较好的代表性。本文所用的资料还有NCEP/NCAR的7、8、9月份850 hPa风场、500 hPa高度场格点数据，分辨率为2.5˚ × 2.5˚ km。本文主要运用了相关分析法及合成分析法。
3. 异常降水特征
为探讨湖南夏季异常降水的年代际变化特征，计算了湖南地区54a夏季(6~8月)降水的标准化距平序列，并进行了9a滑动平均(图2)。从图中可以看出湖南夏季降水具有明显的年际和年代际变化特征，60年代初至80年代末，湖南地区夏季降水呈逐渐下降的趋势，而在20世纪90年代初到90年代末湖南夏季降水迅速转为多雨阶段，21世纪初的降水相比于20世纪90年代明显减少，与长江中下游、华南地区降水趋势相一致[6] [7]。为更好说明湖南夏季降水在90年代末和21世纪初发生的突变情况，本文对1961年~2016年湖南夏季降水进行了t检验(图3)，可以看出1992年和2002年发生了突变，并通过90%信度的显著性检验。参照李辑[8]、胡德强[9]等将降水标准化距平大于1的年份定义为降水异常偏多年，降水标准化距平小于−1的年份定义为降水异常偏少年。按此标准1969、1993、1994、1995、1996、1998、1999、2000，共8年为多雨年；1963、1972、1978、1981、1984、1985、1989、1992、2003、2005、2013，共11年为少雨年。多雨年主要集中在90年代，少雨年集中在70、80年代。
Figure 2. The interannual and decadal variations of standardized precipitation in Hunan from 1961 to 2016 (the red line represents the 9 years of sliding average, and the black line represents the interannual variation)
图2. 1961~2016年标准化的湖南降水的年际及年代际变化(红色线为9年滑动平均，黑色线为年际变化)
Figure 3. 1961~2016 Hunan sliding t-test of precipitation
图3. 1961~2016年湖南降水的滑动t检验
4. 异常降水影响因子
4.1. 500 hPa高度场特征
500 hPa高度场异常是发生暴雨和干旱的重要信号[10]。其中西太平洋副热带高压是东亚季风系统的重要成员，它控制着我国夏季的天气和气候[11]，西太副高位置的变化影响我国夏季雨季的进退，湖南夏季降水异常与西太平洋副热带高压关系非常密切。当湖南地区夏季处于降水异常偏少时，500 hPa高度场(图4)上，中高纬地区环流相对较平直，不利于大股冷空气南下，与湖南夏季降水关系密切的南支槽位置偏西、强度偏弱。西太副高位置较常年明显偏东偏弱，西伸脊点在117˚E附近，西太副高的异常偏弱不利于水汽输送到湖南地区，配合较弱南支槽使对流层中层500 hPa气流辐散较弱，造成湖南地区夏降水的水汽条件和动力条件较差。多雨年500 hPa的环流形式与少雨年相反，中高纬西高东低形势明显，有利于引导冷空气南下，同时偏西、偏强的西太平洋副热带高压阻挡南支槽东移，使南支槽长时间稳定在长江流域上空，导致湖南夏季降水异常偏多。
(a) (b)
Figure 4. 500 hPa height field synthesis ((a) low value year, (b) high value year, dotted area passes 90% significance test)
图4. 500 hPa位势高度场合成((a) 低值年，(b) 高值年，打点区域通过90%显著性检验)
4.2. 850 hPa风场合成
图5为多雨年和少雨年850 hPa风场合成，从图中可以看出，当湖南夏季降水偏少年，西太平洋海区到华南一带出现大范围的气旋性环流异常，华东、朝鲜半岛到日本一带为反气旋式环流异常。湖南和华南地区为异常的东北气流控制，而夏季长江流域的水汽主要来源于南海西南夏季风，西太副高西侧和西南侧转向的西南气流和来自印度洋、孟加拉湾的西南季风输送[10]。降水偏少年时，异常的东北气流不利于南海、印度洋、孟湾的水汽输送，加之东北地区为大范围的西南风异常不利于冷空气南下，造成湖南地区夏季降水异常偏少。湖南夏季降水偏多年，中国北方到蒙古国一带为异常反气旋式环流，有利于我国大陆北方地区出现偏北风，异常东北风会导致冷空气向南入侵；西太平洋、日本地区也为异常反气旋式环流，其左侧中南半岛的异常南风将南半球水汽经南海输送到华南和长江流域，南海和华南地区的西南大风也会加大向湖南地区的水汽输送。异常南、北气流在湖南地区交绥，有利于水汽的辐合上升、对流增强，引起大气不稳定，导致湖南地区夏季降水偏多。
5. 水汽收支
为了更好地反映湖南地区(26˚~30˚N, 108.5˚~114˚E)的水汽输送状况，文中计算了多雨年(图6)与
(a) (b)
Figure 5. 850 hPa wind field synthesis ((a) low value year, (b) high value year, dotted area passes 90% significance test)
图5. 850 hPa风场合成((a) 低值年，(b) 高值年，打点区域通过90%显著性检验)
少雨年(图7)水汽收支。从中可看到：对于湖南区域夏季水汽的流入来说，多雨年和少雨年水汽输送的主要来源相同，多雨年西边界流入的水汽量高于少雨年，多雨年西风水汽输送要强于少雨年；多雨年西边界水汽流入量比少雨年流入量多0.96 × 107 g，比少雨年多80.6%左右。多雨年从湖南东边界流出的水汽量远高于少雨年，表明多雨年西风水汽输送要强于少雨年；多雨年东边界水汽流出量比少雨年流出量多3.8 × 107 g，比少雨年多86%左右。多雨年和少雨年南边界流入的水汽量都较高，分别为11.02 × 107 g和8.58 × 107 g，夏季南海季风爆发后，水汽由南海输送到中国大陆为降水提供了充沛的水汽。南边界是湖南水汽输入的主要来源；多雨年南风水汽输送要强于少雨年，多雨年南边界水汽流入量比少雨年流入量多2.44 × 107 g。多雨年北边界流出的水汽量低于少雨年，多雨年和少雨年从北边界流出的水汽量相差1.53 × 107 g。东西方向上，不管是多雨年还是少雨年，都有水汽损失，且多雨年水汽损失多于少雨年。南北方向上，多雨年和少雨年都有水汽盈余，但差别明显，多雨年的水汽盈余约为少雨年的2倍，多雨年的水汽总盈余量是少雨年的3.8倍。多雨年和少雨年相比，多雨年南风和西风水汽输送要远强于少雨年。多雨年净水汽量比少雨年净水汽量多1.13 × 107 g。可以看出，多、少雨年净水汽量差别比较大，说明净水汽量的多少是影响降水的一个重要条件。综上所述，可以看出，影响湖南净水汽量最主要的边界是南边界，南边界流入水汽的多少直接关系到湖南夏季降水的多少。
Figure 6. Water vapor balance in rainy years
图6. 多雨年水汽收支
6. 结论
1) 湖南夏季降水具有明显的年际和年代际变化特征，60年代初至80年代末，湖南地区夏季降水呈逐渐下降的趋势，而在20世纪90年代初到90年代末湖南夏季降水迅速转为多雨阶段，湖南夏季降水在1992年和2002年发生了突变。
Figure 7. Water vapor balance in drought year
图7. 少雨年水汽收支
2) 湖南地区夏季处于降水异常偏少时，500 hPa高度场中高纬地区高度场相对较平直，西太副高偏东偏弱，多雨年500 hPa中高纬西高东低形式明显。
3) 夏季降水异常偏少时，850 hPa上太平洋海区到华南一带出现大范围的气旋性环流异常，湖南为异常的东北气流控制。夏季降水异常偏多时，北方一带为反气旋式环流，异常东北风会导致冷空气向南入侵。
4) 多雨年和少雨年湖南水汽输送的主要来源相同，各边界流入、流出湖南水汽量的多寡会影响湖南夏季降水的多少；多雨年西边界流入的水汽量高于少雨年，东边界流出的水汽量也要高于少雨年；影响湖南净水汽量最主要的边界是南边界，南边界流入水汽的多少直接关系到湖南夏季降水的多少。
基金项目
湖南省重点课题(XQKJ21A002)资助。