長江上游關鍵區主汛期典型澇年氣候成因辨析

邢雯慧 王飛龍 邱輝 時玉龍

摘要：為從更精細的角度分析長江上游主汛期典型澇年的降雨特征及氣候成因，將長江上游分為5個關鍵區，利用長江上游1961～2021年282個雨量站逐日降雨資料，通過Morlet小波分析等方法分析長江上游及5個關鍵區主汛期降雨特征并找出長江上游典型澇年進行分類，最后對不同型降雨典型澇年的水汽輸送及氣候成因進行了探討。研究表明：① 長江上游與金沙江、長江上游干流降雨量的年際波動總體較為一致，異常澇年的出現時間也較為一致，嘉陵江、岷沱江流域年際波動的階段性突變較為明顯，烏江流域的年際波動則較為平穩；長江上游及5個關鍵區降雨量周期變化較為一致，均存在3 a左右的振蕩周期。② 長江上游典型澇年5個關鍵區降雨可分為3類，分別為關鍵區一致多型、關鍵區四多一少型及關鍵區三多兩少型。③ 長江上游主汛期不同型降雨的水汽輸送來源存在一定差異，關鍵區一致多型及關鍵區四多一少型水汽輸送主要來自西太平洋及孟加拉灣，而關鍵區三多兩少型水汽輸送主要來自西太平洋及南海。④ 青藏高原積雪偏多有利于長江上游降水量偏多；關鍵區一致多型一般發生于暖海溫向冷海溫轉折變化的年份，而關鍵區四多一少型及關鍵區三多兩少型一般發生在冬季海溫偏冷的年份。

摘要：降雨特征； 氣候成因； 典型澇年； 水汽輸送； 長江上游

中圖法分類號： P461+.2

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.013

0 引 言

洪澇災害是中國較為嚴重的自然災害之一，而長江上游水系發達、地形復雜，雨量充沛，既受東南季風及西南季風的影響，又受青藏高原的影響，是洪澇災害的高發區［1-4］。因此，正確認識長江上游典型澇年的降雨特征及其氣候成因對于長江上游地區防洪及水資源高效利用具有重大意義，也可為長江上游地區的經濟發展提供有價值的科學依據。

洪澇災害的形成及其嚴重程度往往是由各地降水過程在時空尺度上非均勻分布造成的［5-7］，關于長江上游的洪澇特征及氣候成因等方面目前已有較多研究，楊金虎［8］、李永華［9］等對近60 a來西南地區旱澇變化及極端和持續性特征進行研究，發現持續性洪澇事件的強度無明顯變化趨勢，發生頻率有減少趨勢；楊文發等［10］通過對“20·8”與“81·7”長江上游暴雨洪水特征對比分析，發現兩次洪水在暴雨持續時間、強度、范圍等存在差異；王樂等［11-12］基于SPI指數的分析發現長江上游各季節旱澇分布空間不均勻性顯著，長江上游西部趨于澇，東部、南部趨于旱；劉志雄等［13］利用Z指數分析發現長江上游年及四季旱澇有明顯的年代際變化特征，長江上游四季旱澇與500 hPa高度場分布形勢有密切關系；李躍清［14］指出青藏高原東側大氣邊界層風場演變與長江上游暴雨和洪水密切相關；邱輝等［15］研究了2020年長江流域暴雨成因，發現2020年8月中旬，副高異常偏北，來自孟加拉灣和南海的暖濕氣流偏強，受多個西南渦及多輪冷空氣的影響，加上地形和臺風的助力作用，為嘉陵江、岷沱江流域持續暴雨提供了有利的動力、熱力和水汽條件。上述研究絕大部分關注長江上游流域整體情況或某一個重點區域，對于典型澇年中長江上游不同區域間的對比及差異研究相對較少。

本文根據長江上游各支流自然屬性、降雨和來水特征［16-18］將長江上游分為5個關鍵區，并根據長江上游主汛期（6～8月，下同）典型澇年中各個關鍵區降雨的響應特征進行分類，從更精細的角度分析長江上游不同型降雨典型澇年的氣候成因，為提升長江上游長期預報精度提供有價值的參考，為長江上游水旱災害防御、水資源綜合利用等調度決策的制定提供科學依據。

1 資料和方法

1.1 資料及研究區域劃分

長江上游即指長江源頭到湖北省宜昌段集水區，干流全長4 504 km，占長江全長的72%，流域控制面積約110萬km2。本文根據長江上游各支流自然屬性、降雨和來水特征，結合流域下墊面特征及流域內重點水庫站和重點水文站的控制范圍，將長江上游分為5個關鍵區，分別是金沙江、嘉陵江、岷沱江、烏江及長江上游干流，具體分區如圖1所示。

研究所用降雨資料為長江水利委員會水文局和湖北省氣象局聯合制作的長江上游1961～2021年282個雨量站逐日（北京時間08：00至次日08：00）降雨資料。

1.2 Morlet小波分析

本研究對降水量的周期特征分析主要采用Morlet小波分析方法。

Morlet小波作為復數小波，它的實部和虛部位相相差π/2，消除了實數形式小波在變換過程中系數模的振蕩，并且從Morlet小波系數中可以分離出模和位相。

Morlet小波定義為

t=12eicte-t2（1）

式中：t表示Morlet小波基函數；i表示虛數單位；c表示頻率；t表示時間。

對于時間序列f（t）∈L2（R），其連續小波變換定義為

Wfa，b=a-12∫∞-∞f（t）t-badt（2）

式中：Wfa，b為小波（變換）系數；a為縮放因子（對應于頻率信息），反映小波的周期長度；b為時間平移因子（對應于時空信息），反映時間上的平移。

當a相同時，小波變換系數隨時間變化過程反映系數在該尺度下的變化特征：小波變換系數正值對應于偏多期，小波變換系數負值對應于偏少期，小波變換系數為零對應著突變點；小波變換系數絕對值越大，說明該時間尺度變化越顯著。將時間域上關于a的所有小波變換系數的平方進行積分，即為小波方差：

vara=∫∞-∞Wfa，b2db（3）

在尺度a下，vara表示時間序列中該尺度周期波動的強弱。小波方差隨尺度a的變化過程稱為小波方差圖。它反映了降水時間序列中所包含的周期波動，通過小波方差圖可以確定降水系列中存在的主要時間尺度，即主周期［19］。

2 降水量演變特征

長江上游及5個關鍵區主汛期降水量1961～2021年變化特征如圖2所示。由圖2（a）、（b）、（c）可知，長江上游與金沙江、長江上游干流主汛期降雨量的年際波動趨勢總體較為一致，異常澇年的出現時間也較為一致。由圖2（d）可知，岷沱江在2016年之前主汛期降雨距平基本在±20%之間波動，2016年以后主汛期降雨量出現一個明顯的突變，連續3 a異常偏多。由圖2（e）可知，嘉陵江主汛期降雨量在1981年及2020年后出現異常偏多的現象，其余時間距平基本在±20%之間波動。由圖2（f）可知，烏江主汛期降雨量波動較為平穩，基本在±20%之間波動。

采用Morlet小波分析來研究長江上游及5個關鍵區主汛期降水量的周期特征，結果見圖3。由圖3（a）可知，長江上游在1990～2015年間存在2個3 a左右的振蕩周期，降水在3 a時間尺度上的2個明顯峰值均通過了95%顯著性檢驗，說明長江上游主汛期降水量在3 a左右的振蕩周期最強。由圖3（b）可知，長江上游干流在1995～2000年間存在一個3 a左右的振蕩周期，降水在3 a時間尺度上的一個峰值通過了95%顯著性檢驗，說明長江上游干流主汛期降水量在3 a左右的振蕩周期最明顯。由圖3（c）可知，金沙江流域在1975～1980年間及2000～2015年間各存在一個6 a左右的振蕩周期，降水在6 a時間尺度上的峰值通過了95%顯著性檢驗。另外，在1995～2015年間存在一個3 a左右的振蕩周期，降水在3 a時間尺度上存在的峰值通過了95%顯著性檢驗，說明金沙江流域主汛期降水量在6 a及3 a左右的振蕩周期均比較明顯。由圖3（d）可知，岷沱江在1990～2015年間存在兩個3 a左右的振蕩周期，降水在3 a時間尺度上的兩個峰值均通過了95%顯著性檢驗，說明岷沱江流域主汛期降水量在3 a左右的振蕩周期最強。由圖3（e）可知，嘉陵江在1995～2010年間存在一個3 a左右的振蕩周期，降水在3 a時間尺度上的峰值通過了95%顯著性檢驗，說明嘉陵江流域主汛期降水量在3 a左右的振蕩周期最強。由圖3（f）可知，烏江在1990～2000年間存在一個3 a左右的振蕩周期，降水在3 a時間尺度上的峰值通過了95%顯著性檢驗，說明烏江流域主汛期降水量在3 a左右的振蕩周期比較明顯。

由上述分析可知，長江上游及5個關鍵區主汛期降水量周期變化比較一致，均存在3 a左右的振蕩周期。

對1961～2021年主汛期（6～8月）長江上游降雨量進行分析，雨量明顯偏多年份分別為1962，1965，1974，1980，1981，1998，2014，2018，2020，2021年。分別分析上述典型年份5個關鍵區降雨，可將降雨類型分為3類，分別為關鍵區一致多型、關鍵區四多一少型及關鍵區三多兩少型（見表1）。關鍵區一致多型降雨典型年分別為1998年和2020年等長江發生流域性大洪水年份；關鍵區四多一少型典型年分別為1962，1965，1974，1980，2014，2021年；關鍵區三多兩少型典型年分別為1981年和2018年，這兩年分別有1個關鍵區降雨量異常偏多，1981年嘉陵江偏多58%，2018年岷沱江偏多58%。

3 典型年水汽輸送特征

基于上述分析，對主汛期不同型降雨典型年份的水汽輸送進行分析，由于氣候態的變化，重點針對1981年以來主汛期不同型降雨典型年份進行分析。影響長江流域的水汽主要源自孟加拉灣、南海及西太平洋［20］，長江上游典型年主汛期水汽輸送距平場見圖4。由圖4（a）與圖4（b）可知，關鍵區一致多型典型年中（1998年和2020年）主汛期長江上游的水汽輸送主要來自西太平洋及孟加拉灣，西太平洋存在一個極強反氣旋，說明此處副熱帶高壓主體非常穩定，長江上游大部分地區水汽輸送通量散度表現為較強的負距平，表明長江上游的水汽輻合較強，對長江上游的降雨極為有利。由圖4（c）、（d）可知，關鍵區四多一少型典型年中（2014年和2021年）主汛期主要來自西太平洋及孟加拉灣的水汽輸送較強，長江上游大部分地區水汽輸送通量散度表現為極強的負距平，表明長江上游的水汽輻合較強，對長江上游的降雨極為有利。由圖4（e）、（f）可知，關鍵區三多兩少型典型年中（1981年和2018年）主汛期長江上游的水汽輸送主要來自西太平洋及南海，長江上游大部分地區水汽輸送通量散度也表現為較強的負距平，長江上游的水汽輻合比較強，對長江上游的降雨也較為有利。

由上述分析可知，長江上游主汛期不同型降雨的水汽輸送存在一定差異，關鍵區一致多型及關鍵區四多一少型主汛期長江上游的水汽輸送主要來自西太平洋及孟加拉灣，而關鍵區三多兩少型主汛期長江上游的水汽輸送主要來自西太平洋及南海。

4 氣候成因分析

為探究長江上游主汛期不同型降雨異常的氣候成因，對典型年份青藏高原積雪覆蓋率及Nino3.4區海溫的逐月變化進行分析，如圖5與圖6所示。由圖5可知，關鍵區一致多型典型年中（1998年和2020年）從前冬至春季結束，青藏高原積雪均表現為偏多，其中，在1998年中3月份距平達到極大值，在2020年中1月份距平達到極大值。關鍵區四多一少型典型年中（2014年和2021年）前冬至春季前期青藏高原積雪存在差異，其中，2014年偏多，2021年偏少，但在春季后期至夏季，青藏高原積雪均表現為偏少且強度相當。關鍵區三多兩少型典型年中（1981年和2018年）從前冬至春季結束，青藏高原積雪整體均表現為偏多，其中，1981年冬季到夏季，青藏高原積雪均表現為偏多，2018年冬季前期積雪偏少，此后轉為偏多，春季后期到夏季積雪面積接近常年到略偏少。

由圖6可知，關鍵區一致多型典型年（1998年和2020年）均屬于暖海溫向冷海溫的轉折年，其中，1997年4月至1998年5月赤道中東太平洋發生一次極強東部型+中部型厄爾尼諾事件，此后海溫轉為偏冷狀態；2018年9月至2019年6月，赤道中東太平洋發生了一次弱的中部型厄爾尼諾事件，2019年7月至2020年春季Nino3.4區海溫一直維持中性偏暖狀態后海溫轉為偏冷狀態。關鍵區四多一少型典型年（2014年和2021年）冬季赤道中東太平洋海溫均偏冷但后期海溫的發展存在一定的差異。其中，2014年赤道中東太平洋海溫從春季開始由冷狀態轉為暖狀態；而2021年則海溫一直維持冷狀態，2020年8月至2021年3月赤道中東太平洋地區發生一次拉尼娜事件，4～9月，赤道中東太平洋地區海表溫度處于中性偏冷狀態，10月開始，赤道中東太平洋地區再次進入拉尼娜狀態，并于2022年冬季形成一次弱到中等強度的拉尼娜事件。關鍵區三多兩少型典型年（1981年和2018年）冬季赤道中東太平洋海溫均偏冷但后期的發展存在一定差異，其中，1981年冬季到夏季赤道中東太平洋海溫一直處于中性偏冷狀態；而2018年前冬赤道中東太平洋處于中性偏冷狀態春季后期海溫轉為中性偏暖狀態。

由上述分析可知，長江上游主汛期關鍵區一致多型一般發生于暖海溫向冷海溫轉折變化的年份，而關鍵區四多一少型及關鍵區三多兩少型一般發生在冬季海溫偏冷的年份。整體而言，青藏高原積雪偏多有利于長江上游降水量偏多，長江上游主汛期關鍵區一致多型及關鍵區三多兩少型一般冬春季青藏高原積雪明顯偏多，而關鍵區四多一少型冬季青藏高原積雪存在一定差異，對降雨的指示意義較弱。

5 結 論

本文根據長江上游各支流自然屬性、降雨和來水特征，將長江上游分為5個關鍵區，分別對長江上游及5個關鍵區主汛期的降雨特征及典型年份的水汽輸送、氣候成因等方面進行分析，得到以下結論：

（1） 分別分析長江上游典型年份5個關鍵區主汛期降雨響應特征，可將典型年降雨類型分為3類，分別為關鍵區一致多型、關鍵區四多一少型及關鍵區三多兩少型。

（2） 分析長江上游及5個關鍵區降雨量的年際波動，可以發現長江上游與金沙江、長江上游干流的年際波動總體較為一致，異常澇年的出現時間也較為一致，嘉陵江、岷沱江流域年際波動的階段性突變較為明顯，烏江流域的年際波動則較為平穩；采用Morlet小波分析對長江上游及5個關鍵區主汛期的降水量進行周期分析可知，長江上游及5個關鍵區主汛期降水量周期變化比較一致，均存在3 a左右的振蕩周期。

（3） 對主汛期不同型降雨典型年份的水汽輸送進行分析，發現長江上游主汛期不同型降雨的水汽輸送來源存在一定差異，關鍵區一致多型及關鍵區四多一少型主汛期長江上游的水汽輸送主要來自西太平洋及孟加拉灣，而關鍵區三多兩少型主汛期長江上游的水汽輸送主要來自西太平洋及南海。

（4） 在不同型降雨典型年的分析中，發現長江上游主汛期關鍵區一致多型一般發生于暖海溫向冷海溫轉折變化的年份，而關鍵區四多一少型及關鍵區三多兩少型一般發生在冬季海溫偏冷的年份。整體而言，青藏高原積雪偏多有利于長江上游降水量偏多，長江上游主汛期關鍵區一致多型及關鍵區三多兩少型一般冬春季青藏高原積雪明顯偏多，而關鍵區四多一少型冬季青藏高原積雪存在一定差異，對降雨的指示意義較弱。

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（編輯：郭甜甜）

Climatic causes of typical flooding years during main flood season in key areas of upper reaches of Changjiang River

XING Wenhui1，WANG Feilong2，QIU Hui1，SHI Yulong2

（1.Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China； 2.China Three Gorges Corporation，Yichang 443100，China）

Abstract：

To analyze the rainfall characteristics and climatic causes of typical flood years during the main flood season in the upper reaches of the Changjiang River from a more detailed perspective，this study divided the upper reaches of the Changjiang River into five key areas.Then using the daily rainfall data from 282 rainfall stations in the upper reaches of the Changjiang River from 1961 to 2021，we analyzed the rainfall characteristics of the main flood season in the upper reaches of the Changjiang River and the five key areas by Morlet wavelet analysis，and classified the typical flooding years.Finally we explored the water vapor transport and the climatic causes of the typical flooding years with different types of rainfall.The results showed that：① The interannual fluctuations of rainfall in the upper reaches of the Changjiang River，Jinsha River and the upper main stream of the Changjiang River were consistent on the whole，and the occurrence time of abnormal wet years was consistent.The rainfall cycles in the upper reaches of the Changjiang River and the five key regions were consistent，with a three-year oscillation cycle.② The rainfall in the five key areas of the upper reaches of the Changjiang River in typical wet years could be divided into three categories：uniform polytype in the key area，four-over-one-under type in the key area，and three-over-two-under type in the key area.③ There were differences in the water vapor transport sources of different rainfall types in the upper reaches of the Changjiang River during the main flood season.The water vapor transport of uniform polytype and four-over-one-under type in the key area were mainly from the Western Pacific and the Bay of Bengal，while the water vapor transport of three-over-two-under type in the key area was mainly from the Western Pacific and the South China Sea.④ More snow cover on the Qinghai-Tibet Plateau is conducive to more precipitation in the upper reaches of the Changjiang River.The uniform polytype in the key area generally occurred in the years when the warm sea temperature changed to the cold sea temperature.The four-over-one-under type and three-over-two-under type in the key area generally occurred in the years when the winter sea temperature was cold.

Key words：

rainfall characteristics；climatic causes；typical flooding years；water vapor transport；upper reaches of Changjiang River