2016, 27 (5): 577-591
2. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044;
3. 中国气象科学研究院，北京 100081
2. Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044;
3. Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081
20世纪80年代以来全球气温经历了明显的上升趋势，全球变暖成为人类社会面临的严峻现实。在全球变暖背景下气候异常逐渐向两极化发展，干旱和极端降水事件频繁发生。研究指出，自20世纪70年代以来全球干旱面积呈现明显的增加趋势[1-3]，同时全球各地极端天气气候事件开始频繁出现[4-10]。同期，中国夏季旱涝分布格局表现为北方旱、南方旱涝并发以及旱涝灾害发生频次增加的趋势[9, 11-14]，这给气候预测带来了新的挑战。中国南方地区包括从淮河和秦岭以南的广大区域，经济发达、人口密度高，这些地区的经济损失和社会影响尤为突出。
中国南方旱涝灾害表现出多尺度变化特点，既有季节内和季节变化，也有年际和年代际变化，已有许多文章对东亚和中国气候多尺度变异特征研究进行了回顾[15-19]，Huang等[15]对东亚季风系统变率的时空特征、过程及其成因进行了全面系统的总结，评述了海气相互作用和陆气相互作用过程对东亚季风系统变率影响的机理；Zhang等[17-19]研究了欧亚积雪与海洋热力作用对东亚夏季风及其降水变化的影响；并研究了东亚夏季风与夏季降水年代际变化的特征，指出在过去半个世纪中，东亚季风区夏季温度显著增加，但东亚夏季风强度和中国东部夏季平均降水量没有明显增加的趋势或呈现减小的趋势，二者均有明显的年代际变化特征，特别是中国夏季降水异常空间分布型年代际变化显著。研究表明，长江中下游梅雨[20]，华南前汛期降水[21]，长江流域、淮河流域[22]、华南地区[23]以及西南地区夏季降水[24]均存在不同尺度的年际和年代际变化，其低频雨型[25]和不同历时降水[26]也存在明显的长期变化特征。一般而言，年际尺度的气候异常通常会带来极端气象灾害，而年代际气候异常则伴随着持续十几年至几十年气象灾害的频繁发生，因此，充分认识年际和年代际等较长时间尺度上中国南方地区旱涝变化特征，对提高短期气候预测准确率和防灾减灾具有重要应用价值。
另一方面，影响中国南方旱涝发生的因素也很复杂，从大气内部因子看，会受到北大西洋/北极涛动[27-28]、南半球环状模[29-31]以及西太平洋副热带高压 (简称副高) 等东亚大气环流异常因子影响; 从下垫面外强迫因子看，会受到海温[32-35]、土壤湿度[36-42]、海冰[43]、欧亚大陆积雪[44]和青藏高原热力和动力作用[45-47]的影响。对中国南方地区汛期气候预测技巧的回顾表明，虽然近20年来预测准确率逐步得到提高[48-50]，但仍远不能满足国家和公众的需求，即使是最先进的多模式集合预测对中国南方地区夏季降水的预测能力依然有限。究其原因，一是中国气候的影响因子非常复杂，绝大多数年份存在多个影响因子、多尺度相互作用和调制的问题，尤其是当这些因子的作用相异时往往给气候预测带来很大困难。另外，随着全球气候变暖，一些影响因子表现出新的时空演变特征，其与南方旱涝的关系也发生了变化。为了深入认识中国气候异常成因，需要对南方旱涝变化成因的相关研究成果进行系统的梳理和认识。
本文仅以中国南方旱涝变化和预测为目标，对其在年际和年代际尺度上的变化特征及其成因的研究进展进行概述。但针对影响中国夏季旱涝及其机理的研究成果很多，由于篇幅所限，本文的总结很可能挂一漏万，这里仅重点介绍ENSO (El Niño/Southern Oscillation)、三大洋海温、青藏高原—欧亚积雪等多因子协同作用对南方旱涝的影响机理，总结影响因子与南方旱涝年际关系发生年代际变化的事实，提出针对旱涝预测的策略与方法。
1 南方旱涝主要模态及其年际和年代际变化特征受亚洲季风气候影响，中国全年降水主要集中在4—9月的夏半年，气候平均降水呈由东南向西北方向逐渐减少的分布特征，主要降水区均分布在淮河与秦岭以南的南方大部地区。针对南方地区降水年际变化的空间分布和主要模态，许多学者对此进行了细致的分型：王绍武等[51]将中国夏季南方降水分为夏季长江—江南雨带, 划分为长江中下游雨型和江南雨型；中国东部梅雨期可以分为江南北部多雨型、长江流域多雨型和江淮平原多雨型，南涝北旱和南旱北涝型[52]；以及全区一致丰型、全区一致枯型、南丰北枯型、南枯北丰型、南北丰中部枯型、南北枯中部丰型、东丰西枯型和东枯西丰型共8类[53]。李维京等[14]从年际变化特征对中国南方旱涝时空格局进行了研究，指出中国南方地区各季节降水异常主要包含3种优势模态：长江及其以南地区降水呈整体偏多或偏少的一致型、长江中下游流域与华南呈反相变化的南北反相型以及东南与西南呈反相变化的东西反相型，并认为一致型是南方地区各季节降水变率的第一优势模态。
许多研究分析了中国南方旱涝的年际变化规律，结果表明，中国东部降水具有明显的准两年周期变化[54]。南方地区雨涝范围在全年和夏半年周期以2~7年为主，冬半年周期以5~7年为主[55]。除雨涝外，南方地区干旱受灾面积的年际变化特征也十分明显[14]。如果将南方地区分区域探讨，华南前汛期降水和江淮梅雨均具有显著的年际变化，其2~7年周期成分占年际变化方差贡献率分别为79.2%和71.7%[56-58]。长江中下游梅雨具有较强的2~3年和6~7年振荡特征[20]。长江中下游地区夏季旱涝并存特征也存在显著的年际变化[58]。
受东亚季风影响，中国降水主要出现在夏季，并呈带状分布。从近60年夏季雨带位置变化情况来看，中国东部夏季雨带存在明显的年代际经向南北移动特征 (图 1)。由图 1可见，20世纪50年代雨带主要出现在黄河中下游，60年代雨带北移至了华北北部以及东北南部，70年代雨带又南移至华北以及黄河下游，80年代雨带继续南移至江淮流域，90年代雨带南移到了长江及其以南地区；21世纪初，2000—2008年雨带又北移至了长江以北的淮河流域，2009—2013年雨带又北进到黄河下游地区，而2014年以来主要雨带又向南退到长江及以南地区。就中国南方而言，大体上可以看出，20世纪70年代之前南方少雨，80年代雨带位于长江流域，90年代之后华南多雨，但其中2009—2013年华南少雨，2014年以来南方又表现出多雨的特征。
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| 图 1. 中国夏季 (6—8月) 主要雨带年代际变化 Fig 1. The interdecadal variation of summertime (JJA) main rain belt in China | |
图 1仅给出了中国夏季主要雨带年代际变化的大致演变特征，Ding等[59]对中国夏季降水与东亚夏季风关系年代际进行了更深入细致的研究，指出中国东部夏季降水在1978年和1992年分别有两次年代际的调整。1978年以前，中国华北和东北多雨，1978—1992年长江流域多雨，1992—2004年华南多雨，雨带有明显的南移特征。与之相对应的，1951—1978年夏季风偏强，而1978年之后有明显减弱，导致向北输运的水汽显著减弱，从而造成了南涝北旱的夏季降水格局[60]。而中国南方夏季降水则在1992/1993年前后出现年代际增强[61]，并在2003年后出现了年代际减弱，主要雨带北移到淮河流域[62]。
在气候变暖背景以及中国降水总体呈现南涝北旱的大格局下，南方极端降水事件以及极端干旱事件均发现了显著变化。1961年以来，中国南方区域气象干旱事件呈增多趋势，长江中游以及西南等地的区域性气象干旱事件频数增多明显，中国100°E以东地区年平均气象干旱日数每10年增加2~3 d。前人采用标准化月尺度地表湿度指数[63]和月尺度Palmer干旱指数[64]分别探讨了西南地区月尺度干旱的年代际变化特征，发现西南地区在2000年后干旱面积百分比逐年增高[63]，中国中东部地区干旱事件频繁发生：2006年夏季四川、重庆等地出现严重高温干旱；2011年1—5月长江中下游地区降水为近50年来历史同期最少，无降水日数为1961年以来历史同期最大，受干旱影响范围为近60年来同期最广；2009—2013年西南地区连续5年出现冬春季干旱，其中2009年秋季至2010年春季的干旱波及贵州、广西、四川以及重庆等地，为西南地区有气象记录以来最为严重的干旱；2013年7—8月湖南大部分地区遭遇了1951年以来最为严重的高温干旱事件。
从气候平均看，南方大部地区年平均发生区域性干旱事件日数普遍大于30 d，其中江淮、江南、华南大部、西南南部等地发生干旱日数达30~60 d，黄淮局部达60 d以上。江淮、江汉东部、江南中东部、华南和西南南部等地为区域性干旱事件发生强度较重的地区。江淮西部、江汉、江南西部、华南西部及西南大部地区区域性干旱事件频次和强度均呈增加趋势。
南方大部地区区域性洪涝事件频次和强度均呈增加趋势，江南、江淮及西南东部等地的增加尤为显著，近55年来，南方暴雨每10年增加38~40站日。1961—2015年中国南方暴雨站日数明显增加，1961—1988年平均每年为996站日，1989—2004年增加到平均每年1097站日，而最近11年 (2005—2015年) 增加到平均每年1137站日。近55年来，小雨和中雨对总雨量的贡献率逐年下降，降雨日数减少，无雨日数增加，干旱日数增加；而大雨和暴雨对总雨量的贡献率逐年上升，特别是暴雨的贡献率在20世纪80年代后增高8.6%。由此导致中国南方区域干旱、洪涝事件均呈增多趋势。
综上所述，中国南方旱涝年际变化主要模态有3个：全区一致型、南北反相型以及东西反相型；大体而言，中国南方降水年代际变化特点为1978年以前南方少雨，1978—1992年长江流域多雨，而1992—2008年华南多雨，2009—2013年雨带又北移、华南少雨，而2014年及之后华南多雨；同时，中国南方极端旱涝并发，区域性干旱、洪涝事件均呈增多趋势。
2 影响南方旱涝年际变率主要因子及其机理中国位于东亚季风区，南方地区降水是低纬度暖湿气流与中高纬度干冷气流相互作用的结果，因此，南方旱涝的年际变率不但与低纬度海洋异常信号相关，而且与中高纬度外强迫和大气环流因子异常密切联系，且这些因子间还存在着协同作用。下面着重对印太热带海温、大西洋海温三极子、青藏高原—欧亚积雪等因子对南方旱涝年际变率的影响机理进行简要总结。
2.1 ENSO对南方降水影响海温异常是影响中国南方旱涝年际变率的主要外强迫因子。其中，ENSO作为年际气候变化的最强信号，通过大气遥相关，以及引起其他洋盆海温异常的方式影响东亚季风，进而影响中国气候异常。研究表明，不同阶段的ENSO事件对于中国南方降水有着不同的影响。
El Niño发展年的夏季，西太平洋副高偏弱，同时影响中国的偏南气流偏弱，中国南方降水量整体偏少，长江流域及其以南少雨，仅华南沿海少部分地区出现降水偏多。随着El Niño逐步发展，西太平洋副高逐渐加强西伸，影响中国南方降水的偏南气流增强，到El Niño衰减年的夏季中国南方降水呈现出整体增多趋势，长江及江南地区降水偏多[65-68]。可见，El Niño发展年中国南方大部地区降水偏少，长江及其以南地区少雨。而El Niño衰减年中国南方降水整体偏多，长江及其以南地区多雨。
La Niña对中国夏季雨带的影响与El Niño大致相反，但La Niña的影响没有El Niño显著。La Niña发展期的夏季，西太平洋副高偏强，影响中国的西南气流偏强，与El Niño衰亡期夏季的东亚夏季风异常一致，且降水异常也十分相似。而La Niña衰亡期的夏季，副高偏弱，降水异常也大致与La Niña发展期的夏季相反，但这种关系相比El Niño的影响偏弱[67-68]。
进一步研究表明，菲律宾附近对流层低层的异常反气旋/气旋性环流，是联系ENSO事件与东亚地区气候异常的重要桥梁[28, 69-72]。Zhang等[73]最早提出ENSO通过西北太平洋 (菲律宾附近) 异常反气旋影响东亚气候，Zhang等[74]进一步指出了ENSO通过西北太平洋异常反气旋对中国不同季节降水影响的事实与机理。在El Niño事件盛期以及印度洋海温偏高持续到次年夏季，有利于菲律宾附近对流层低层异常反气旋环流的形成，其西北侧为偏南风异常，有利于西南暖湿气流向北输送，夏季长江中下游地区及江南地区降水偏多，易发生洪涝灾害[75-77]。在La Niña年，由于东太平洋和印度洋海温较常年偏低，西太平洋暖池海温偏高，有利于菲律宾海域附近对流层低层形成异常气旋性环流，其西北侧为偏北风异常，不利于西南暖湿气流向北输送，有利于夏季长江中下游地区及江南地区降水偏少，易发生少雨干旱。
2.2 印度洋海温异常对南方旱涝影响许多研究表明，热带印度洋海温的变化对中国南方降水有重要影响。印度洋海温异常的年际变率表现为两个独特的模态，第1模态为印度洋海盆一致型偏暖或者偏冷，称为印度洋海盆一致模。前人的研究表明，印度洋海盆一致增暖通过Kelvin波激发出西北太平洋低层异常反气旋，使西太平洋副高偏强，位置偏南，有利于中国夏季长江流域降水偏多[75-77]。
印度洋海温影响西北太平洋大气环流主要有以下物理机制，吴国雄等[78]强调热带北印度洋的海温正距平激发出近地层异常气旋性环流，该气旋性环流东侧的异常偏南风向北输送大量水汽，使中国华南地区降水增多，从而诱发出中低层的偏南风异常，增强西太平洋副高。Xie等[76]提出另一种印度洋激发西北太平洋反气旋的机理，热带印度洋的正海温异常激发出暖性Kelvin波，在热带印度洋和西太平洋低层为异常低气压，导致了西北太平洋低层有流向赤道的风场，使得赤道外西北太平洋边界层埃克曼辐散，低层的辐散能抑制对流从而在西北侧激发反气旋异常，导致了西北太平洋低层反气旋异常的形成和维持，在反气旋异常环流北侧偏南风和水汽输送有利于影响中国南方降水的形成。最能佐证的例子是从2015年春季到2016年春季印度洋海温异常持续偏暖，尤其是2016年春季印度洋海温异常暖的程度为历史第一，从2015年夏季、秋季、冬季到2016年春季中国南方持续4个季节异常多雨，特别是2016年春季南方大范围持续多雨形成的洪涝灾害实属罕见，这与印度洋海温持续异常偏高有密切关系。
印度洋海温异常影响印度季风降水，而印度季风降水凝结潜热释放会影响南亚高压的强度与位置，进而影响中国长江流域以及南方降水。Wei等[79]认为南亚高压的东西偏向，是在高层连接印度夏季风和东亚夏季风的桥梁。结果表明，当印度夏季风偏弱，南亚高压异常偏东，中心位于青藏高原上空时，江淮流域降水偏多，而华南、华北地区降水偏少；而当印度夏季风偏强，南亚高压异常偏西，中心位于伊朗高原上空时，中国降水异常分布相反。认为南亚高压是印度夏季风影响东亚夏季风的中间环节，印度夏季风可以通过影响南亚高压的纬向变化，进而对东亚夏季风产生影响。同时指出了南亚高压的西北—东南向变化，是印度季风和东亚季风共同作用的结果。
2.3 北大西洋海温对东亚夏季风及南方旱涝影响北大西洋涛动 (NAO) 是北半球热带外大气环流低频变率的主要模态，在北大西洋区域伴随着NAO正 (负) 位相的出现，海温距平由南到北呈现为“-+-”(“+-+”) 的三极子分布型，定义北大西洋海温三极子为正 (负) 指数。北大西洋海温三极子异常能够对大气环流产生重要的反馈作用，特别是春夏季三极子海温异常对东亚夏季风的年际变化有显著影响[80-81]。观测研究表明，1980—2015年北大西洋冬季海温三极子与春季和夏季的相关系数分别为0.67和0.43，表明大西洋海温三极子有显著的持续性。北大西洋海温三极子通过影响夏季乌拉尔山地区的阻塞高压活动，进而影响东亚夏季风和南方旱涝。基于观测资料和线性动力模式的研究表明，夏季北大西洋海温三极子为负指数时，能够在北大西洋—欧亚中高纬度地区激发出一支准正压的纬向遥相关波列，进而引起乌拉尔山附近地区出现反气旋环流变化[80-81]。冬季北大西洋海温三极子与夏季乌拉尔山阻塞高压频次为显著负相关关系。在年际时间尺度上，东亚夏季风的增强与前期冬季北大西洋海温三极子密切相关；冬季北大西洋海温三极子指数为负 (正) 时，有 (不) 利于夏季乌拉尔山高压脊的发展，乌拉尔山阻塞高压频次偏多 (少)，东亚夏季风偏弱 (强)，有利于长江中下游及其以南区域降水偏多 (少)。因此，北大西洋海温三极子主要通过影响欧亚中高纬度地区的环流变化进而引起东亚夏季风和长江中下游夏季降水的年际异常。
进一步分析指出，在北大西洋海温三极子影响东亚夏季风环流的过程中，热带北大西洋海温异常所引起的非绝热加热对环流异常的形成起主导作用。同时，在北大西洋对流层高层西风急流出口区，天气尺度涡旋扰动往往对季节平均环流存在显著的反馈作用。因此，基于准地转位势涡度方程，计算了天气尺度涡旋扰动对季节平均环流的反馈作用。观测分析和模拟试验的结果均表明，北大西洋中纬度地区天气尺度涡旋扰动的正反馈作用，对北大西洋海温三极子所激发的北大西洋—欧亚遥相关波列的维持具有重要作用[81]。
2.4 青藏高原与欧亚积雪对南方夏季降水的影响青藏高原—欧亚积雪是影响中国气候的重要因子之一。但青藏高原和欧亚积雪对中国夏季旱涝关系的影响显著不同，在某些地区 (如长江流域) 甚至为反相变化[82-83]。
青藏高原积雪可以通过影响地表和低层大气辐射及能量收支降低对流层温度，进而影响亚洲夏季风和中国夏季降水。早期研究认为，当青藏高原积雪偏多时，对应华南前汛期降水增多，长江中上游降水减少[84-85]。后来的研究发现，青藏高原积雪偏多时，夏季长江流域较易发生洪涝灾害，华北和华南降水偏少[86-87]。也有学者认为冬春季青藏高原多雪，有利于春夏季节青藏高原感热和上升运动较弱，使对流层加热变弱，这样其南侧温度对比弱，即南北温度梯度变小，导致夏季风偏弱，有利于长江流域降水偏多涝[88-92]。冬春季青藏高原积雪异常对初夏 (6月) 菲律宾反气旋的维持有显著的影响[93]，揭示了青藏高原前期积雪多，有利于菲律宾反气旋形成与维持，使初夏江南北部到长江中下游降水偏多。
从年代际时间尺度来看，1978年之前青藏高原积雪偏少，有利于江南北部到长江中下游降水偏少；而1978年之后青藏高原积雪偏多，则有利于江南北部到长江中下游降水偏多。所以青藏高原积雪异常是引起20世纪80年代以来中国南涝北旱雨型的重要原因之一。
欧亚大陆大范围积雪的持续变化除了对局地大气产生直接影响外，也可以通过行星波的传播导致更大范围内的大气环流异常。研究指出，欧亚大陆冬季积雪与夏季华南区域降水正相关，与华中、湖南汛期、江苏梅雨和长江中下游地区夏季降水反相关[94]，即欧亚大陆冬季积雪偏多 (少)，长江中下游地区夏季降水偏少 (多)。这是因为冬季欧亚大陆北部新增积雪偏多时，融雪使得土壤温度和湿度异常偏低，导致副热带高空急流增强、西太平洋副高加强西伸，进而使夏季长江以南地区降水偏少[95-96]。可见欧亚大陆冬春季积雪对长江中下游夏季降水的影响与青藏高原积雪的影响作用相反。
以上主要对一些影响南方旱涝的外强迫因子进行了总结，而这些外强迫因子的异常必然引起东亚大气环流的异常，从而导致南方降水的异常。特别是当东亚季风弱 (强)，对流层低层菲律宾附近有反气旋 (气旋) 异常环流形成并维持，西太平洋副高偏强 (弱)、偏南 (北)，中高纬度乌拉尔山、鄂霍次克海有 (无) 阻塞高压发展，有利于中国长江流域及其以南地区降水异常偏多 (少)，易发生洪涝 (干旱)。
3 多因子对南方旱涝的协同影响及其影响关系的年代际变化近年来，针对南方旱涝形成机理，大量的研究工作有3点认识值得总结:一是多因子协同作用是影响南方旱涝的主要原因, 二是揭示了南方旱涝与影响因子的年际关系发生了年代际变化, 三是面对这样的影响关系变化，应该采用科学合理的预测方法和策略。
3.1 多因子协同作用对南方旱涝影响所谓多因子协同作用是指两个或两个以上影响因子的综合作用。多因子协同作用是影响南方旱涝的关键问题之一，不难理解。任何一个影响因子都不可能是完全决定南方旱涝的唯一原因，而是多因子、多时间尺度协同作用的综合结果，这就说明了影响南方旱涝机理的复杂性和难点所在。
如前所述，影响南方旱涝的主要因子有ENSO、印度洋海温异常、北大西洋海温三极子以及青藏高原与欧亚大陆积雪等，还有这里未提及的其他影响因子，认识这些因子的协同作用及其不同配置对南方旱涝的综合影响及其机理极为重要。如张人禾等[97]认为20世纪80年代末到90年代中国夏季降水的年代际转型，可能与欧亚大陆春季积雪和西北太平洋海温的年代际转型的共同影响联系密切。
对流层低层菲律宾反气旋 (PSAC) 异常环流是影响中国南方旱涝的重要环流因子之一。当菲律宾附近为反气旋距平场时, 长江及其以南地区降水偏多，如果该地区为气旋性距平场时则相反。而菲律宾异常反气旋就受ENSO、印度洋海温异常以及青藏高原热力等多因子的协同影响。通常在冬季伴随着El Niño事件达到盛期时PSAC出现，随后一直持续到次年夏季, 使得菲律宾异常反气旋持续维持，影响中国南方降水增多[70, 73-74]。Xie等[76]提出，El Niño在春季已经衰减，而此时热带印度洋海温一致增暖对PSAC的维持起到至关重要的作用；而Ren等[93]则指出了青藏高原冬季积雪异常对初夏 (6月) 菲律宾异常反气旋的维持也有显著影响，探讨了青藏高原积雪异常与ENSO以及印度洋海温对6月PSAC的位相和位置的协同作用。表 1给出了前期冬季青藏高原积雪 (TPSD) 指数、前期冬季Niño3.4指数、以及前期春季印度洋三极子型海温异常指数与PSAC指数的相关关系[93]。PSAC指数参照Wang等[70]的定义，选取10°~20°N，120°~150°E的海平面气压距平。
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表 1 1960—2012年5—8月的PSAC指数与前期冬季TPSD指数、Niño3.4指数以及春季TIO指数的相关系数[93] Table 1 Correlations of the monthly PSAC index from May to August with the previous winter TPSD index, Niño3.4 SST index, and spring TIO SST index from 1960 to 2013(from reference[93]) |
由表 1可见，前冬TPSD指数、前冬Niño3.4指数与前期春季TIO指数对5—8月不同月份PSAC指数有着很好的相关关系。表明在El Niño年，当冬季青藏季高原积雪多，冬春季印度洋海温持续异常偏高时，3个因子的协同作用使菲律宾异常反气旋加强并持续，该异常反气旋西北侧的偏南气流持续不断向长江中下游及其以南水汽输送，造成中国南方降水持续异常偏多, 出现洪涝灾害。
3.2 南方旱涝与影响因子年际关系的年代际变化有关南方旱涝与影响因子关系年代际变化已有很多研究工作。20世纪70年代后期全球海-陆-气耦合系统发生了显著的年代际变化，全球气候系统中的几个主要大气涛动，如南方涛动、北大西洋涛动、北太平洋涛动等都发生了年代际变化。伴随着全球气候的年代际变化，不同地区的海温以及青藏高原—欧亚积雪等外强迫因子都发生了年代际变化。中国气候尤其是夏季降水在20世纪70年代末和90年代也经历了年代际转型，东亚夏季风减弱、南方降水增多、华北降水减少，即所谓的南涝北旱分布型[24, 56]。随着南方旱涝影响因子的年代际转型，与这些因子的影响关系也发生了转变，二者之间的关系在某些年代际显著，而在另外的年代际不显著。Gao等[98]指出ENSO与中国夏季降水的关系明显减弱，20世纪70年代之前中国夏季降水与Niño3区的海温两者的相关高于0.05显著性水平的站数明显多于80年代之后，特别是淮河流域和长江流域夏季降水与ENSO的相关性显著减小了，说明ENSO与中国南方夏季降水的关系发生了年代际减弱的趋势。
在全球变暖背景下，太平洋海温呈现新的变化特征，中部型El Niño事件自20世纪90年代以来开始增多[99]，ENSO对中国降水的影响也已发生了变化。Feng等[100]指出中部型El Niño使我中国南方春季降水偏少，与传统型El Niño正好相反。在中部型El Niño发生时，中国夏季华南降水偏多，江淮地区降水偏少，与东部型的影响相反。中国南方秋季降水对两类El Niño的响应亦存在不同，典型东部型El Niño有利于中国南方秋季降水偏多，而中部型则有利于降水偏少。冬季也存在类似的情况，典型东部型El Niño年中国南方冬季降水偏多，而中部型El Niño年中国南方冬季降水则未有显著异常[101]。与此同时，La Niña事件与各个季节中国降水的关系也发生了年代际的变化，1980年之前的La Niña年有利于东亚冬季风偏强，中国南方受偏北风影响，降水偏少。而1980年之后的La Niña年有利于东亚大槽减弱，在菲律宾以西激发出异常气旋性环流，使得中国南方受异常偏东风影响，有利于热带水汽输送，因此，冬季降水偏多[102]。
与此同时，气候变暖背景下，印度洋海盆一致模对东亚夏季气候的影响也存在着显著地年代际变化，研究表明：热带印度洋海盆一致模对西北太平洋反气旋的影响在近几十年明显增强，20世纪70年代末期以后，印度洋海盆一致模维持时间更长，更容易激发Kelvin波动，激发西北太平洋异常反气旋，进而影响中国南方降水。而在前期这种海盆尺度模态很难维持到夏季[103-104]，Qu等[105]发现随着印度洋的增暖，印度洋海盆一致模对南亚高压的影响也在增强。近期也有学者利用CMIP5海气耦合模式，得到了全球变暖背景下印度洋海盆一致模对东亚夏季气候影响可能会增强的结论。其机理可能是，饱和水汽对温度的响应是非线性的，全球变暖背景下，同样的温度异常可造成更强的水汽异常。在热带对流层温度受下垫面海表温度以及底层绝对湿度控制，同样的海表温度异常能够造成更大的对流层温度异常，相应地造成更大的大气环流异常[106]。表明在气候变暖背景下，印度洋海温持续异常对中国南方旱涝影响的关系明显增强。
研究表明，大西洋海温与西北太平洋副热带高压的关系也存在年代际变化。20世纪80年代初期之后，热带大西洋海温异常对西太平洋副高的影响有所增强[107]。Wu等[108]指出年代际尺度上，当长江中下游夏季降水偏少 (多) 时，前期冬季北大西洋的海温异常也呈现出三极子正 (负) 指数异常。这种三极子型海温异常与东亚夏季风的年际关系在70年代之前较弱，而后明显增强，这种年代际不稳定性可能与北大西洋涛动的影响有关[109]。
20世纪70—90年代青藏高原冬春季积雪呈增加趋势，而欧亚大陆积雪呈减少趋势，同时，东亚夏季降水和东亚夏季风也发生年代际转折，这意味着青藏高原—欧亚积雪的年代际变化可能会导致其与季风和降水之间关系的转变。有研究指出，自70年代中期开始，欧亚大陆积雪与印度夏季风降水的关系发生了转变[110-111]，欧亚大陆冬季积雪与印度夏季风降水和全亚洲降水的负相关关系有明显的加强，这可能与全球变暖背景下积雪的减少调制了夏季亚洲降水对积雪的敏感性有关[112]。90年代末青藏高原冬季积雪与东亚夏季降水的相关关系发生了转变，转变之前，青藏高原冬季积雪与长江流域降水存在正相关关系，转变之后，青藏高原冬季积雪与淮河流域降水表现出较强的正相关性，这种关系的变化由气候系统的年代际转折导致[47]。
有学者利用1880—1999年长时段资料研究了NAO与中国夏季降水关系的年代际变化特征，结果表明：3月/1月NAO与中国东部夏季降水第1模态 (长江流域与东南地区反位相)/第3模态 (长江流域与华北地区反位相) 联系紧密，且这两种关系存在明显而持续的年代际变化特征，转折点发生在1905年、1925年和1950年，北太平洋和北大西洋海温可能为这种转折建立了桥梁[113]。春季NAO与东亚夏季风 (EASM) 之间的年际关系具有明显的年代际变化特征，在20世纪70年代由正相关转变为负相关。春季NAO与东亚夏季风之间年际相关关系的转变, 与春季和前期冬季 (12月至次年3月) 北大西洋海盆尺度的海-气耦合模, 即NAO-海温异常 (SSTA) 三极子耦合模的影响作用密切相关。春季和前冬北大西洋NAO和海温异常三极子耦合模态在其中起了关键作用，二者之间的关系发生了年代际转变；夏季NAO与东亚夏季降水和气温的关系在70年代末发生年代际转变，转变之前二者联系较弱，转变之后联系紧密，这可能源于NAO模态在70年代末的转变[108]。1979—2003年NAO中心位置偏东，亚洲急流入口区辐散辐合运动的增强激发了Rossby波沿亚洲急流方向的传播，在东亚地区产生了经向偶极子，导致东亚中部的气温和降水异常。然而在此之前NAO中心位置更加偏西，与东亚夏季气候联系较弱[114]。
3.3 南方旱涝的预测策略与方法综上所述，中国南方旱涝具有明显的年代际变化特征，多因子协同作用是影响南方旱涝的重要原因，南方旱涝与大气环流因子和外强迫因子的影响关系发生了显著的年代际变化。而外强迫、大气环流与南方旱涝三者之间的关系与机理虽然已有很多研究，但仍需深入研究，面对这样复杂的旱涝气候预测，需要采用科学有效的预测策略与方法，以提高南方旱涝的预测能力。对于多因子协同综合作用的思想不仅需要在预测实践中应用，且在统计建立客观预测方法中要充分考虑。研究指出冬春季南、北半球环状模是影响东亚夏季风以及长江流域夏季降水的重要因子[80, 115-118]，文献[80, 119]提出春季北大西洋涛动是东亚夏季风变率的一个重要驱动因子和海气耦合桥理论，即春季NAO影响春季大西洋海温三极子，而春季海温三极子持续到夏季，影响夏季大西洋—欧亚 (AEA) 遥相关型，进而影响东亚夏季风。李建平等[119]同时考虑前期的ENSO循环与春季NAO (INAO) 对东亚夏季风 (IEASM) 和长江中下游降水指数 (IR) 的客观预测经验模型 (图 2)。
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| 图 2. 东亚夏季风 (a) 与长江中下游夏季降水指数 (b) 经验模型拟合 (1979—2006年)、后报 (2007—2009年) 与预测 (2010—2012年)[119] Fig 2. East Asian Summer Monson index (a) and summer (JJA) rainfall index (b) over the middle reaches of the Yangtze predicted by the NAO-ENSO based empirical model (1979-2006 is the period for the model fitting, 2007-2009 for the hindcasts, 2010-2012 for the prediction)(from reference [119]) | |
图 2中, INAO为春季北大西洋涛动指数；IENSO_develop为Niño3.4(4月) 与Niño3.4(2—3月) 两者之差，代表ENSO发展位相；IENSO_decay为Niño3.4(冬季DJF) 指数代表ENSO衰减位相。由图 2可以看出，在考虑了春季NAO与冬季ENSO指数与春季指数发展变化的协同影响，对东亚夏季风和长江中下游降水的预测，无论是28年的历史拟合率还是对6年的后报和预测准确率都有很好的效果。
综上所述，不仅影响南方旱涝的大气环流因子和外强迫因子发生了显著的年代际变化，且南方旱涝与影响因子的关系以及不同影响因子之间的时空关系也出现了显著的年代际变化。面对这样的事实，应该采用不同的统计建模预测方法和策略提高预测技巧。很显然，不能利用年代际变化之前预测对象与预测因子的关系所建立的统计预测模型来预测两者关系变化之后的情况。正确的预测方法和策略，其一是考虑多因子协同作用影响南方旱涝的机理，建立包含多因子的客观统计模型；其二应该是在同样的年代际背景下，利用预测对象与预测因子的关系建立预测模型，确保预测技巧的稳定性和有效性[120]；其三是利用历史资料序列采用滑动建模方法以使预测对象与预测因子的关系尽可能保持在显著状态，达到提高预测技巧目的。
4 总结与展望近几十年来，随着全球气候变暖，中国南方地区旱涝灾害时空格局发生了变化，这对社会经济发展和人民生活造成了非常严重的影响。因此，中国南方旱涝变化及其成因已成为新的研究热点，并取得了很多研究成果。本文主要回顾了在气候变暖背景下中国南方旱涝年际和年代际时空变化特征的相关研究，简要总结了影响南方旱涝的主要因子及其影响机理的研究进展，针对多因子协同作用以及影响因子与南方旱涝关系年代际变化的事实，提出了统计预测建模的策略与方法。主要结论如下：
1) 中国南方降水的主要模态以及旱涝年际和年代际尺度变化特征。总体来说，中国南方降水主要模态有3个：全区一致型、南北反相型以及东西反相型；大体而言，中国南方降水年代际变化特点为1978年以前南方少雨，1978—1992年长江流域多雨，而1992—2008年华南多雨，2009-2013年雨带又北移，华南少雨，而2014年及之后华南又多雨；同时，中国南方极端旱涝并发，区域性干旱、洪涝事件均呈增多趋势。
2) 总结了影响中国南方旱涝年际变率主要因子及其机理。指出El Niño发展年中国南方大部地区降水偏少，长江及其以南地区少雨；而El Niño衰减年中国南方降水整体偏多，长江及其以南地区多雨。强调热带北印度洋的海温正距平激发出近地层异常气旋性环流，该气旋性环流东侧的异常偏南风向北输送大量水汽，使中国华南地区降水增多，从而诱发出中低层的偏南风异常，增强西太平洋副高，并导致了西北太平洋低层反气旋异常的形成和维持，有利于影响中国南方降水的偏南风和水汽输送。青藏高原冬春季积雪多，春夏季青藏高原感热和上升运动较弱，使得对流层加热变弱，这样青藏高原南侧温度对比弱，即南北温度梯度变小，导致夏季风偏弱，有利于长江流域降水偏多涝，反之亦然；从年代际时间尺度来看，1978年之前青藏高原积雪偏少，有利于江南北部到长江中下游降水偏少；而1978年之后青藏高原积雪偏多，则有利于江南北部到长江中下游降水偏多。因此，青藏高原积雪异常是引起20世纪80年代以来中国南涝北旱雨型的重要原因之一。
3) 多因子协同作用对中国南方旱涝影响。指出了任何一个影响因子都不是完全决定南方旱涝的唯一原因，而是多因子的协同影响的结果。菲律宾反气旋 (PSAC) 是影响南方旱涝的重要环流系统，而菲律宾反气旋就受多因子的协同影响。冬季青藏高原积雪异常指数 (TPSD)、前冬Niño3.4指数与前期春季印度洋三极子型海温TIO指数对5—8月不同月份PSAC指数有着很好的相关关系，表明3个因子的协同作用是影响菲律宾反气旋维持的重要原因，进而影响中国南方降水持续异常偏多，易出现洪涝灾害。
4) 南方旱涝与影响因子年际关系的年代际变化。在全球变暖背景下，20世纪70年代后期全球海-陆-气耦合系统发生了一次显著的年代际变化，全球气候系统中的几个主要大气涛动如南方涛动、北大西洋涛动、太平洋涛动均发生了年代际变化。伴随着全球气候的年代际变化，不同海区的海温以及青藏高原—欧亚积雪等外强迫因子都发生了年代际变化。中国夏季降水在20世纪70年代末和90年代经历了年代际转型，东亚夏季风减弱、南方降水增多、华北降水减少，即所谓的南涝北旱分布型。随着南方旱涝影响因子的年代际转型，这些因子对南方旱涝影响的关系也发生了年代际变化，即二者之间的关系在某些年代际显著，而在另外的年代际不显著。指出在气候变暖背景下，太平洋热带海温与中国南方夏季降水的关系发生了年代际减小的趋势，印度洋海温持续异常对中国南方旱涝影响的关系明显增强。
5) 提出了南方旱涝的预测策略与方法。针对多因子协同作用对南方旱涝的影响以及其影响因子的关系发生了显著年代际变化的事实，采用不同的统计建模预测方法和策略来提高预测技巧。其一是考虑多因子协同作用影响南方旱涝的机理，建立包含多因子的客观统计模型；其二是在同样的年代际背景下，利用预测对象与多因子协同作用的关系建立预测模型，以确保预测技巧的稳定性和有效性；其三是利用历史资料序列采用滑动建模方法以使预测对象与预测因子的关系尽可能保持在显著状态，达到提高预测技巧目的。
关于中国南方旱涝在年际尺度上的影响因子及其机理，取得了一些有意义的结果，但许多问题有待进一步深入研究。未来的研究重点，一是要加强多因子多时间尺度的协同作用与多时间尺度相互作用对南方旱涝影响机理的研究，二是利用气候模式对影响因子之间不同配置及其与南方旱涝关系年代际变化的机理进行数值模拟，三是继续努力将客观统计预测方法与气候动力模式预测方法相结合，提高对中国旱涝气候预测的能力。
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