引言

旱涝异常一直是短期气候预测研究的重点，也是国内外大气科学研究的热点^[1-5]。黄荣辉等^[6]研究了我国夏季旱涝与大气环流异常的遥相关及物理机制。季飞等^[7]研究季风与极涡的异常配置下中国夏季大尺度旱涝分布，发现不同配置类型下夏季降水表现出的差异和规律性直接取决于环流场的整体配置。琚建华等^[8]讨论了东亚夏季风区的低频振荡及其与我国长江中下游地区旱涝的关系。梁萍等^[9]分析了江淮地区夏季典型旱、涝年水汽输送低频振荡特征及其与降水的关系，指出典型涝年5—8月江淮地区的经向水汽输送有明显的30 ~ 60 d低频振荡，典型旱年不显著。黄燕燕等^[10]研究了长江流域和华北地区的典型旱涝年降水与南亚高压的关系，发现两地区的典型旱涝现象与南亚高压的异常增强或减弱、中心位置的经纬度偏差均有关。

20世纪90年代以来，鉴于季节内降水异常所造成灾害的严重性，对该异常现象的研究也越来越受到关注，旱涝急转是季节内降水异常的典型代表，在夏季中国华南、长江中下游及西南等地区时有发生^[11]。吴志伟等^[12]定义了一个长周期旱涝急转指数，对长江中下游地区夏季长周期旱涝急转及同期和前期的大尺度大气环流异常特征进行了研究。封国林等^[11]对2011年春末夏初发生在中国长江中下游地区旱涝急转的降水异常事件及其影响机制进行了初步分析，并建立了天气学概念模型。童金等^[13]探讨了长江中下游旱涝急转年多尺度低频振荡特征及其对旱涝急转的影响。王传辉等^[14]对2011年初夏(5—6月)发生在长江中下游地区旱涝急转前后的降水异常及相应的环流和水汽条件进行了分析。上述研究区域主要集中在长江中下游流域，针对江南西部的湖南，罗伯良等^[15]分析了湖南主汛期旱涝大气环流及其与春季海温的关系，吴贤云等^[16]用Z指数方法确定发生于洞庭湖与鄱阳湖(简称两湖)流域持续10 d及以上的少雨和多雨过程，并对这些旱涝过程进行诊断分析。但对湖南夏季(5—8月)旱涝急转相关研究较少。因此，本文将着重对湖南夏季旱涝急转现象与大尺度大气环流异常的特征进行分析，为湖南夏季旱涝短期气候预测提供科学依据。

1 资料和方法

本文使用的资料有:(1)1961—2015年湖南省89个气象台站逐月平均降水资料，由湖南省信息中心提供；(2)NCEP/NCAR发布的水平分辨率为2.5°x2.5°全球逐月风场、位势高度场、垂直速度场、相对湿度场再分析资料，水平分辨率为2°x2°的海温场资料。

本文选站参考Ting M F，et al^[17]划分降水区的方法，先计算湖南省89个站1961—2015年夏季(5—8月)降水标准差，降水变率最大的三个站是慈利、临湘和安化，其中慈利、临湘分别位于湖南西北角和东北角，考虑到湖南降水区域南北分布不均的特点，为提高基点站的代表性，将位于湖南中部的安化选为基点站，再计算其与全省89站的单点相关(图略)，选取通过95%水平的置信度检验的显著相关区域，即除湘东南南部区域外72个测站的降水平均值来表征湖南夏季降水。本文引用吴志伟等^[12]定义的时间尺度均在2个月左右(5—6月旱，7一8月涝或者5—6月涝，7一8月旱)的长周期旱涝急转指数LDFAI (Long-cycle Drought-Flood Abrupt Alternation Index)，并且将降水距平小于0.5个标准差，定义为偏旱，将降水距平大于0.5个标准差，定义为偏涝。

2 湖南夏季旱涝急转特征分析和异常年的选取

表 1给出了1961—2015年夏季LDFAI最高(低)前6 a标准化降水量和降水距平，可以看出高LDFAI年5—6月标准化降水量和降水距平都为负，其中有3 a降水距平小于0.5个标准差，即显著偏旱，而7—8月份的标准化降水量和降水距平均为正，且降水距平有5 a在0.5倍标准差以上，即6 a基本偏涝，说明高LDFAI年反映了从5—6月到7—8月旱转涝的过程。而低LDFAI年正好相反，5—6月份标准化降水量和降水距平为正，降水距平有5 a大于0.5个标准差，7—8月份标准化降水量和降水距平为负，降水距平有5 a小于0.5个标准差以上，反映了低LDFAI年从5—6月到7—8月涝转旱的过程。

图 1为高(低)LDFAI年5—6月、7—8月降水距平百分率的空间分布。从图 1可以看出高LDFAI指数年5—6月除了湘南部分地区降水略偏多，湖南大部分地区降水偏少，其中湘西北和湘中局部地区偏少2成以上; 7—8月全省降水严重偏多，降水距平百分率由湘东南到湘西北逐渐增大，全省大部分地区降水较常年同期偏多4成以上。低LDFAI指数年反映出与高指数年不同的降水分布趋势，5—6月全省降水偏多，7—8月除湘西北局部地区略偏多外，其他地区降水偏少，其中湘中及湘东南地区偏少4成以上。可见，LDFAI基本能够反映湖南夏季旱涝急转的变化趋势，高LDFAI对应着“旱转涝”，而低LDFAI对应着“涝转旱”。

从1961—2015年湖南夏季(5—8月)旱涝急转指数(LDFAI)时间序列图(图 2)可得出如下特征:LDFAI指数存在明显的年际变化，有3个旱涝急转相对频发期和4个旱涝急转相对稳定期。3个旱涝急转相对频发期分别是1962—1969年、1990—1998年和2003—2010年，持续时间为8 a左右，LDFAI振荡明显; 4个旱涝急转相对稳定期分别是1970—1974年、1981—1984年、1999—2002年和2011—2015，持续时间为4 a左右，LDFAI均小于1，大于-1。本文从旱涝急转相对频发期选取4个高LDFAI年(2007、2008、1996和1991年)作为“旱转涝”异常年的代表; 选取4个低LDFAI年(2005、1962、2003和1990年)作为“涝转旱”异常年的代表。

3 湖南夏季旱涝急转异常年同期环流特征 3.1 500hPa高度场演变特征 3.1.1 500hPa高度场异常特征

湖南夏季旱涝受西太平洋副热带高压(以下简称副高)和中高纟韦环流等对流层中层环流系统的影响较大。从湖南省夏季旱涝急转异常年500hPa合成高度场和高度距平场(图 3)分析可知，旱转涝年旱期(5—6月份，图 3a)中高炜度表现为从巴尔喀什湖到鄂霍次克海“+-+”的高度场距平分布，其中鄂霍次克海阻高强烈发展，中国大陆为正的高度距平场控制，副高西伸脊点达到90°E，脊线位于15°N，较常年偏西偏南，导致西南气流也偏南，表明旱期东亚大部分地区被高压控制，阻高阻挡冷空气南下，湖南受平直的西风气流影响，处于少雨干旱期；到了涝期(7—8月份，图 3b)副高北跳东退，脊线位于25°N附近，西伸脊点较常年偏西，达到115°E，湖南受中炜度低槽和副高共同影响，冷暖空气交汇于湖南，有利于降水增多。

涝转旱年涝期(5—6月份，图 3c)距平场的空间分布正好与旱转涝年旱期相反，欧亚中高炜度表现为“- + -”的高度场距平分布，中国大陆为负的高度场距平，副高较常年偏东，西伸脊点位于108°E，脊线位于17°N，湖南处于槽前偏西气流控制，有中高炜度冷空气补充南下，加之湖南位于副高边缘，则容易发生降水，导致洪涝; 旱期(7—8月份，图 3d)副高面积显著偏大，并且较正常年明显偏西，脊线位于27°N附近，西伸脊点为108°E，较旱转涝年同时期偏西，湖南正好受副高控制，加上中国北部槽脊活动较弱，基本以纬向环流为主，则不利于湖南降水发生。

3.1.2 西太平洋副热带高压的演变特征

由上节分析可以看出，旱涝异常急转的因子与副高有直接的关系，因此，对夏季(5—8月)副高变化进行进一步分析。图 4是湖南夏季旱转涝年和涝转旱年500 hPa高度场沿120°E、140°E、160°E纬度一时间剖面图，为了更好的分析副高的变化特征，只给出了大于582 dagpm等高线和大于588 dagpm的阴影区域。

从旱转涝年500 hPa高度场纬度-时间剖面图可知，随着时间的推移，副高有逐渐减弱并东退的趋势。旱期(5—6月)副高588 dagpm线的阴影面积较大，表明副高比较强势，主体在140°E以东，有时也会西伸到120°E，由于副高偏西偏南，湖南整体受中高纬度的环流影响，少雨干旱，到了涝期(7—8月)588 dagpm线的阴影面积逐渐变小，副高北抬并逐渐东退，湖南处于副高边缘，湖南受中高纬度的低槽和副高共同影响，谷易引起降水。

涝转旱年副高有逐渐加强并西伸的趋势。涝期(5—6月)副高588 dagpm线的阴影面积偏小，说明副高较弱，主体位置偏东，湖南处于副高边缘，受中高纬的低槽和副高共同影响，容易产生降水，到了旱期(7—8月)阴影面积加强，表明副高北跳并西伸加强，湖南整体由副高控制，则少雨干旱。

3.2 垂直运动异常特征

垂直运动是降水形成的必要动力条件，其异常对旱涝变化具有重要影响。为分析湖南夏季旱涝急转异常年大气垂直运动特征，计算了700 hPa合成垂直速度距平场(图 5)，由图可见，旱转涝年5—6月份湖南绝大部分地区被垂直速度正距平所控制，表明低层下沉运动较强，动力条件不足使得降水减少，7—8月份正好相反，湖南地区被显著的垂直速度负距平区所覆盖，上升运动较强，有利于低层辐合水汽的上升运动，为降水提供了有利条件; 涝转旱年与旱转涝年情况恰恰相反，大气垂直运动特征与涝旱转换情况非常吻合。

图 6给出了湖南(108°—115°E，24°—32°N)夏季旱涝急转异常年垂直速度合成的垂直空间变化图。通过对比发现，湖南在旱涝急转前后垂直速度异常场存在明显不同，旱转涝年旱期垂直速度为正距平，涝期转为垂直速度负距平，而涝转旱年涝期以垂直速度负距平为主，旱期转为垂直速度正距平为主。在旱转涝(涝转旱)年旱期和涝期从低层到高层200 hPa均为一致的下沉和上升运动，表明其影响系统都比较深厚，并且除了涝转旱年旱期外，下沉和上升运动基本都在400 hPa附近达到最大。

3.3 南亚高压特征

夏季南亚高压是对流层上部强大的大气活动中心，在100 hPa最强，它对北半球大气环流和中国天气气候，特别是对中国夏季汛期大范围旱涝分布有重要影响。根据陈桂英^[18]的研究，将100hPa高度场上1 680 dagpm特征线最东位置表示南亚高压东伸指数。通过湖南夏季旱涝急转异常年100 hPa合成高度场和高度距平场(图 7)可见，旱转涝年5—6月南亚高压脊线位于16°N，高度距平场上鄂霍次克海、中国西北部、伊朗高原为正距平，表明南亚高压较常年整体偏北偏强，对应低层副高也偏强并西伸; 7—8月份南亚高压向北移动加强，脊线位于30°N，东伸脊点位于川渝交界附近，此时南亚高压生成两个中心，一个位于青藏高原上空，中心强度达到了1 685 dagpm, 另一个较弱，位于伊朗高原上空，南亚高压呈青藏高压模态。该结论和张琼^[19]研究的长江流域夏季涝年南亚高压呈青藏高压模态结论一致。涝转旱年5—6月南亚高压脊线位于16°N，中国大陆除了东南地区外均为高度负异常，表明南亚高压整体较常年偏南偏弱，对应低层副高相对偏弱偏东；到了7—8月份，南亚高压脊线移动到30°N，主体偏强偏东，东伸脊点位于湖北一带，主要高压中100hPa南亚高压和500hPa西太平洋副高脊线和强度心位于60°E附近，呈伊朗高压模态，对应低层副高北变化是一致的，它们在东西位置上的对应关系与陶诗跳，并且偏强偏西，湖南在副高的控制下，少雨干旱。言等^[20]指出的“相向而行”的结论也是一致的。

3.4 水汽输送异常特征

水汽是形成降水的必要条件之一，水汽输送异常是一个地区旱涝变化的重要影响因子^[20]。为对比分析湖南夏季旱涝急转异常年水汽输送情况，给出了异常年合成的整层水汽通量散度距平图(图 8)，由图可见：旱转涝年5—6月(图 8a)湖南地区上空水汽通量散度距平为正，是水汽辐散区，水汽的汇聚减少不利于湖南地区该时段降水的产生，到了7—8月份(图 8b)整个湖南地区上空水汽通量散度距平为负，成为水汽输送的汇合区，有利于降水的形成。涝转旱年情况正好相反，5—6月(图 8c)湖南地区上空是一个-2x10^-4kg·m^-2·s^-1水汽输送异常辐合中心，水汽汇合利于降水的发生，7—8月份(图 8d)湖南地区上空为5x10^-4kg·m^-2·s^-1的强水汽辐散中心，不利于降水发生。

4 湖南夏季旱涝急转异常年前期海温分布特征

为了找出旱涝转折年的前期海温的异常地区，为夏季提出短期气候预测信号，本文还计算了LDFAI指数与前一年夏季、秋季、冬季及当年春季海温相关系数(图 9, 阴影区为置信度检验达90%的区域)。从与前一年夏季的相关系数可以看出，LDFAI指数与西太平洋海温负相关，与南海、南美洲西南部南太平洋海温正相关; 秋季与东北太平洋呈负相关; 冬季LDFAI指数与赤道中东太平洋海温呈负相关，与南美洲西部南太平洋及东部大西洋海区呈正相关，当年春季LDFAI指数与澳大利亚东部沿岸海域及北美洲西部西太平洋海域呈负相关，与中东部南太平洋及西北太平洋呈正相关。

表明当前一年夏季西太平洋海温偏低，南海、南美洲西南部南太平洋海温偏高，秋季东北太平洋海温偏低，冬季赤道中东太平洋海温偏低，南美洲西部南太平洋及东部大西洋海温偏高，当年春季澳大利亚东部沿岸海域及北美洲西部西太平洋海温偏低，中东部南太平洋及西北太平洋海温偏高时，湖南汛期易发生旱转涝，相反则易发生涝转旱。

5 结论

利用NCEP/NCAR逐月再分析资料、湖南省内89个气象站1961—2015年夏季(5—8月)逐月降水量资料，计算了湖南夏季近55 a的旱涝急转指数(LDFAI)，分析了异常年的同期大尺度环流和前期海温的基本特征，得到如下结论：

⑴旱转涝5—6月(旱期)500 hPa高度场东亚大部分地区为正的高度场距平，鄂霍次克海阻高强盛，副高偏西偏南，湖南仅受中纬度偏西气流影响，100 hPa高度场南亚高压较常年整体偏北偏强，湖南上空伴随着下沉运动加强，水汽辐散，少雨干旱; 7—8月(涝期)副高北跳东退，湖南受中纬度低槽和副高共同影响，同时南亚高压北移，东伸脊点位于川渝交界附近，且高压中心呈青藏高压模态，湖南上空伴随着强烈的上升运动和水汽汇合，有利于降水增多。

(2) 涝转旱5—6月(涝期)500 hPa高度场上中国大陆为负的高度场距平，副高较常年偏东，湖南处于中纬度槽前偏西气流控制，冷暖空气交汇在湖南地区，100 hPa高度场上南亚高压整体较常年偏南偏弱，湖南上空伴随着上升运动加强和水汽输送汇合，降水偏多; 7—8月(旱期)副高显著北跳，并且较常年偏西，湖南正好受副高控制，加上中高纬度槽脊活动较弱，此时南亚高压主体偏强偏东，东伸脊点位于湖北一带，高压中心呈伊朗高压模态，加上湖南上空下沉运动和水汽输送辐散异常偏强，湖南少雨干旱。

⑶通过分析LDFAI指数与前一年夏季、秋季、冬季和当年春季海温的相关性，表明前一年夏季西太平洋海温偏低，南海、南美洲西南部南太平洋海温偏高，秋季东北太平洋海温偏低，冬季赤道中东太平洋海温偏低，南美洲西部南太平洋及东部大西洋海温偏高，当年春季澳大利亚东部沿岸海域及中东部南太平洋海温偏高时，该年湖南汛期易发生旱转涝，相反则易发生涝转旱。