2004, 15 (3): 336-344
长江由西向东流经湖北，其中游河段自湖北省宜昌市至江西省九江市，大部在湖北省境内。长江中游地区为亚热带季风气候区，降水丰沛又极不均匀，夏季6~8月降水量占全年降水量的40 %以上。当季风异常时，异常的多雨可使当年夏季的降水占全年的60 %以上。由于长江湖北段洪水组合极其复杂，它既受长江上游来水的影响，又受洞庭湖水及境内中小河流的汇入，同时还受鄱阳湖和下游洪水的顶托，且湖北境内河道复杂，支流众多，九曲回肠。如果湖北降水异常，就将形成异常洪涝，因此长江中游历来是洪水灾害最严重的地区。洪水从古到今，一直是湖北人民的“心腹”之患。20世纪90年代以来，湖北省洪涝灾害频发，并且由于自然环境的改变，江湖环境日益恶化，近代洪水常常呈现小水量、高水位、大灾情的特征。一场与1954年相当的降水，往往会造成比当时更高的水位，预报及防洪压力明显加大。因此，湖北的汛期气候预测，尤其是对洪涝的预测成为气象预报服务中极其重要的一项工作。
在我国短期气候预测业务中，一般将105°E以东的中国东部地区的夏季雨带划为北方类 (1类)、中间类 (2类)、南方类 (3类) 三种类型[1]。湖北的几个典型洪涝年主要属第3类型，如1954、1969、1980、1983、1996年等。但第2类型，也可造成湖北的异常多雨，形成大涝，如1991年。因此，湖北的洪涝年与中国东部降水比较，还有其特殊性。为此，我们对湖北的异常多雨年的前期影响因子进行了分析，考虑到环流是影响降水的直接因子，因此本文中大涝年短期气候预测模式的预测因子主要是500 hPa高度场。同时考虑长江中游汛期洪涝的成因是各种因子长期演变的结果并且需要南北冷暖空气在长江流域对峙[2]，因此预测模式中因子的选取从上年3月开始，并且考虑从南北两方面选取。
文中相关系数的计算年代为1951~1996年，其后的1997~1999年为独立样本检验年份，2000~2002年为预报试验年份。预报对象为长江中游宜昌以东湖北区7站组成的降水序列。预报因子为500 hPa高度场资料，场资料及文中提及的500 hPa环流特征量资料来自国家气候中心气候诊断预测室。
1 湖北省持续性暴雨洪涝年的定义湖北省共有77个气象观测站，一般分为5个预报区域，即鄂东南区、鄂东北区、江汉平原区 (以上三个区为长江中游地区，常称做湖北东部)、鄂西北区、鄂西南区。对湖北省持续性暴雨洪涝年的定义，主要考虑区域为湖北东部即长江中游地区。利用湖北省鄂东北、鄂东南、江汉平原三个区21个代表站建站以来6~8月降水资料，统计分析了三个区主汛期降水量，由此定出鄂东大涝年的标准:6~8月降水距平百分率上述3个区有2个区大于30 %，或者1个区大于50 %，其它1个区大于25 %。这样的年份有1954、1969、1980、1983、1987、1991、1996、1998、1999年共9年。这些年份中，除1987年外，均相当于湖北省全省77个气象观测站中，有30个站以上6~8月降水距平百分率大于30 %，或者有15个站以上6~8月降水距平百分率大于50 %。因此，也可用这两项指标来定义某年为全省典型洪涝年。
2 春季3月的环流调整异常与湖北汛期降水的关系在东亚，春季是冬季季风向夏季季风的过渡季节，平均说来，冬季季风向夏季季风转换是从3、4月份开始的，此时，虽然冬季环流没有发生本质的变化，但已经开始减弱。如果某一年这种变化出现了异常，3月份在500hPa高度场上继续维持冬季风的形势，这个时候，我们就认为环流调整出现了异常，这种异常形势是有利于东亚夏季季风偏弱或正常的 (见表 1)。在文献[1]中的统计分析表明，东亚夏季季风偏弱或正常，中国东部地区主要雨带以2、3类为主。而湖北降水异常偏多的9年中有8年是在东亚夏季风偏弱或正常情况下发生的。
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表 1 3月东亚槽区高度值偏低时的东亚夏季季风及中国东部雨带 |
2.1 湖北东部区域6~8月降水与同年3月500 hPa高度场相关分析
图 1是湖北东部6~8月降水与同年3月500hPa高度场相关系数分布图，图中在中高纬50°~65°N范围内，相关系数绝对值大于0.30(信度大于5 %) 的区域从120°E向东以“负-正-负-正”的顺序排列 (依次在图中标为MM1、MM2、MM3、MM4)。也就是说，在3月份，如果在50°~65°N维持明显的冬季环流分布型，尤其在东亚大陆沿岸的槽加深维持 (MM1区)，在阿拉斯加 (MM2区) 和格陵兰南部 (MM4区) 有明显的脊发展，是有利于湖北夏季降水偏多的，其中MM1区与MM4区的高度值序列相关系数达-0.58，具有此低彼高的特点。在湖北省9个涝年前期3月500 hPa高度距平场合成图 (图 2) 中可以看到，其负值中心在50°~65°N，150°~160°E，正值中心有两个，和相关系数分布图中高相关区的对应是非常一致的。对图 2中MM1区域内12个网格点上高度平均值组成的序列 (65°N，150°E；60°N，140°~160°E；55°N，140°E~180°；50°N，140°~160°E)，利用t-检验[3]，对9个洪涝年份和其他年份做一个显著性检验。设一般年份有m年，特殊年份有n年，某要素在这两类年份中的平均值分别表示为xc及xa，在假设一般年份与特殊年份总体平均值无明显差异的条件下，统计量
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| 图 1. 鄂东地区6~8月降水与同年3月500 hPa高度场相关系数分布图 | |
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| 图 2. 湖北省9个大涝年前期3月500 hPa高度距平场合成分析 (单位:dagpm) | |
遵从自由度为n +m-2的t分布。式中s为它们之间差值的无偏估计量，即
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其中xic及xia分别为一般年份与特殊年份的要素值。在文中，洪涝年份和其他年份的显著性检验中，m=40，n=9；计算得s2=12.8，t=2.89，当信度α为0.01时，tα≈2.68，可以认为在洪涝年份，500 hPa高度场上MM1区中的高度值与一般年份的差异是显著的。
将三个纬圈55°N、60°N、65°N的高度值相加，沿经度做一个剖面分析，通过典型洪涝年和干旱年的明显差异，可以看到春季3月的环流的调整对湖北汛期降水的影响。
在典型洪涝年的高度合成分析图中 (图 3a)，在55°~65°N的纬圈上，为3波型分布，槽区位于130°~170°E，90°~50°W，脊区位于10°W~70°E，150°~110°W。在湖北的典型干旱年份 (1966、1971、1978、1985年) 合成曲线上，3月份中高纬度55°~65°N的纬圈上，环流明显比涝年平直，东亚槽位置比涝年偏西约20个经度，130°W的脊区位置也移到了120°W，使得原有的槽脊之间距离拉长，在中间形成新的槽脊，环流以四波为主，说明环流季节调整提前。
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| 图 3. 55°~65°N纬圈沿经线剖面图 (a) 高度图, (b) 距平图 | |
典型洪涝年和干旱年在高度距平合成分析图中 (图 3b)，在130°E~120°W范围内和90°~10°W范围内距平变化完全相反。
对9个大涝年的个例分析，除1983年外，其余的8个年份虽然波形略有差异，但基本特点未变，其中最一致的区域是130°~170°E间东亚大陆东岸槽区的位置和强度 (MM1)，在洪涝年，该区域的高度值均低于30年平均值 (518dagpm)。1998、1999年湖北省东部地区连续两年出现了洪涝，对比分析这两年，从图 3b中可以看到，这两年130°~170°E的东亚槽均比常年偏东偏强，欧亚大陆上的脊区值也比常年偏强，也就是其经向度明显加大，和上面分析的洪涝年规律一致，比较这两年的长波槽脊特点，1998年三波比较典型，1999年在180°~10°W之间的波形就比较紊乱。
在表 1中，我们列出了MM1区高度值小于30年平均值时，夏季东亚季风的强度指数及中国东部雨带的分布类型。按照文献[1]中的夏季风强弱年的标准和中国三种雨带的划分，夏季风指数＜1.10为夏季风正常或弱年，由表 1可见，3月东亚槽强的年份，表明冬-夏季风转换季节推迟，当年夏季季风以正常或弱为主，中国东部雨带以2、3类为主。而湖北出现大涝大都出现在夏季风正常年或弱年，在地面气象要素场上，表现为大涝的年份，3月平均气温变幅较大，气温大都是偏低的。
2.2 湖北东部区域6~8月降水与上年3月500 hPa高度场相关分析分析中我们注意到，在湖北东部区域6~8月降水与上一年3月份500 hPa高度场上的高相关区 (图 4)，与同年3月的高相关区 (图 1) 从120°E向东以相反的波序排列，即“正 (M1)-负-正 (M2)-负 (M3)”，只是纬度位置比同年3月的波列位置偏南10个纬距左右，但格陵兰附近的高相关区 (M3) 纬度位置变化不大，经度略向东移，由正相关区变成了负相关区。这个区域与北美极涡 (120°~30°W，具体计算方法见文献[1]，计算值来自国家气候中心气候诊断预测室) 位置接近，对湖北东部夏季降水的作用也相近，但范围比北美极涡范围要小，因为我们考虑的降水区域范围只是湖北东部。3月北美极涡异常，是预报湖北大涝的一个重要信息，如1991、1969、1980、1954、1996年等大涝年份，其上一年3月北美极涡面积明显偏小，当年3月北美极涡面积偏大，两者差值较大 (表 2)。
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| 图 4. 鄂东6~8月降水与上年3月500 hPa高度场相关系数分布图 | |
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表 2 1991、1969、1980、1954、1996年3月北美极涡面积指数 |
在图 4中，有一个位于北美35°~45°E，100°~50°W，标为M2的正高相关区域，该区域与上述M3区的变化趋势相反，高相关区高度值序列之间的相关系数达-0.68，也具有此高彼低的特点。M2区序列高度值的变化，具有和以下讨论的10月份副高的变化相类似的年代际的变化，在20世纪60年代、70年代高值较少出现，而在80年代、90年代，则高值出现频繁 (见表 3中500 hPa位势高度≥552 dagpm的出现年份)，而且其高值的出现大多和ENSO的发生有一定的关联，它可能先于也可能落后于ENSO事件，如1953年3月该值偏高，1953年4月就有一个弱的ENSO事件开始发生，1997年3月该值偏高，当年5月也同样开始了一个强的ENSO事件。2002年3月该值同样偏高，我们知道，目前一个新的ENSO事件正在形成。
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表 3 按满足条件的上年3月预测因子 (M2区) 年份列出的其他各月因子值 |
3 秋季10月的环流变化
东亚地区秋季是夏季风向冬季风的过渡季节，10月份，副热带高压势力减弱并向南撤，海上副高中心则向东南移，10月份副高平均位置位于0°~20°N，80°~170°E地区。如果副高出现了异常，副高面积或者异常偏大成带状分布，范围向东西扩展，或者副高比平均位置偏西 (图中О1区) 或者偏东 (图 5中О2区)，这种现象应引起注意，它们的演变，往往容易使次年长江中游地区发生降水异常。并且在图 5上，在140°E~120°W范围内，从北向南有一组“正 (О3)-负-正 (О2)”的高相关区系列。而它的形成和同年3月份的环流变化有密切的关系，3月份的亚洲大陆东岸-北太平洋的正相关区M1区在10月变为了负相关区，而3月份的M2与M3区相关系数为-0.68，M3与О3的相关系数也达-0.54。因此，如果这种变化存在，那么湖北汛期就有可能出现降水偏多，所以M2、О3区都是建立湖北大涝模式的重要因子。
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| 图 5. 鄂东地区6~8月降水与上年10月500 hPa高度场相关系数分布图 | |
4 持续性暴雨洪涝年气候预测模式的建立
分析、解释的目的是为了建立一个具有一定物理意义的湖北短期气候预测模式。湖北省持续性暴雨洪涝年气候预测模式的建立，主要利用上述3个月的500 hPa环流资料。为了使模式判别简便，我们选取的建模区域希望尽量不要太多。为此，在上年3月相关系数图上选取的区域为图 4中所标的M2区，其中心相关系数超过0.40，在上年10月相关系数图上选取的区域为图 5中所标的О1、О2、О3区，当年3月相关系数图上选取的区域为图 1中所标的MM1区。
通过选取的上年3月M2区及10月О1、О2区，我们确立湖北大涝年预测模型的基本配置，即湖北大涝年在500hPa高度场上应具备的条件。条件一是上年3月美洲大陆 (M2区) 上的气压值要高，其二是上年10月太平洋高压 (О1区、О2区) 要强，同时满足这两个条件，我们称之为湖北夏季可能出现大涝的基本配置，简写为:M2 +О1或M2 +О2，1951~1999年中，满足这种基本配置的共有13年，9个大涝年均在其中 (见表 3)，这样就将大涝这种小概率事件 (9/49=18 %) 转变为大概率事件 (9/13=70 %)。M2、О1、О2的临界值分别为≥552 dagpm、588 dag pm、587 dagpm。
满足基本配置的共有13年，在基本配置确定后，就是要在这13年中，甄别出大涝的9年。通过分析，建立下面的两步判别标准:
大涝年的确定之一:基本配置+О3，О3为上年10月新西伯利亚群岛附近的高相关区，这样的年份有1954、1980、1983、1996、1998、1999年，О3的临界值为≥524 dagpm；
若满足基本配置，又不满足大涝年的确定之一，则需要利用大涝年的判据2。
大涝年确定之二:基本配置+MM1，MM1为当年3月鄂霍次克海附近的高相关区，这样的年份有1954，1969、1980、1987、1991、1996、1999年，MM1的临界值为≤517dagpm。
模式起报时间为11月4日，若满足基本配置，又不满足大涝年的确定之一，则模型最终完成时间为4月4日。
由于当年3月的环流资料是距离汛期预报较近的资料且其调整对汛期降水具有较好的指示，因此可对汛期预报做进一步的分析。
模式在建立后，在2000~2002年湖北的汛期预报中，进行了预报试验，表 4列出了试验情况:
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表 4 2000~2002年试验结果 |
2000年，M2=554 dagpm，О1=586 dagpm，О2=585 dagpm，不满足大涝年的基本配置，因而，在1999年11月4日可预报出湖北东部2000年汛期没有大涝，实况是2000年湖北东部降水偏少。
2001年，M2=557 dagpm，О1=586 dagpm，О2=586 dagpm，不满足大涝年的基本配置，因而，在2000年11月4日可预报出湖北东部2001年汛期没有大涝，实况是2001年湖北东部降水偏少。
2002年，M2=548 dagpm，О1=587 dagpm，О2=587 dagpm，仍不满足大涝年的基本配置，因而，预报湖北东部2002年汛期没有大涝，实况是2002年湖北东部降水略多。
5 结论(1) 湖北东部区域6~8月降水与上一年3月份500 hPa高度场上的高相关区与同年3月的高相关区从120°E向东以相反的波序排列，只是纬度位置南北相差约10个纬距左右。
(2) 3月份在500 hPa高度场上环流调整出现异常，西风环流不是减弱，而是继续维持冬季风的形势，这种异常调整形势有利于东亚夏季季风偏弱或正常，湖北降水异常偏多的9年中有8年是在东亚夏季风偏弱或正常情况下发生的。
(3) 典型洪涝年在55°~65°N的纬圈上，为3波型分布，而典型干旱年份环流明显比涝年平直，环流以4波为主，环流季节调整提前。
(4) 以上年3月、10月，当年3月共3个月的500 hPa场作为预报因子，建立湖北大涝年气候预测模式是可行的，在历史资料的分析中，无错判、漏判，在对2000、2001、2002年无大涝预报也是准确的。
| [1] | 赵振国主编. 中国夏季旱涝与环境场. 北京: 气象出版社, 1999: 28-30, 68. |
| [2] | 章基嘉, 葛玲编著. 中长期天气预报基础. 北京: 气象出版社, 1983: 242. |
| [3] | 黄嘉佑编著. 气象统计分析与预报方法. 北京: 气象出版社, 2000: 21. |