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作者简介冯宝飞正高级工程师

冯宝飞，男，正高级工程师，现任长江水利委员会水文局长江水文情报预报中心主任、长江水利委员会水文局首席预报员。长期从事长江流域水旱灾害防御、洪水预报、水库调度等方面的工作，入选长江防总办水库防汛专家组专家。主持或协助主持完成了国家科技支撑计划、国家自然科学基金、国家重点研发计划、水利前期、三峡水库科学调度关键技术等科研类项目近20项，“水库群联合调度—流域预报调度一体化”技术成果荣获2020年水利部智慧水利先行先试最佳案例，长江防洪预报调度系统获2021年水利先进适用技术重点推广目录，基于降雨多源数据融合的中小流域洪水预报技术入选水利部《2022年度成熟适用水利科技成果推广清单》。获得发明专利10余项、软件著作权10余项，发表学术论文20余篇，编写专著近10部。荣获长江水利委员会科技进步特等奖、一等奖，中国水利发电工程学会水利发电科学技术三等奖等奖项；先后获得长江委十大杰出青年、长江委“2018年两江堰塞湖暨防汛抗旱工作先进个人”、长江委“2020年长江防汛抗洪先进个人”等荣誉称号。E-mail:284002633@qq.com

摘要

2022年夏季，长江流域发生了罕见的高温干旱事件，科学合理地辨识本次干旱发展过程对于开展干旱预测预警具有重要意义。基于长江流域1960~2022年的逐日雨量资料和全球再分析数据，从干旱总体特征、演变过程、标准化降水指数（SPI）空间分布、天气气候状况的角度分析了本次干旱的时空演变特征和成因，并探讨了水利工程在应对干旱事件中的积极作用。结果表明：2022年夏季长江流域干旱事件具有持续时间长、影响范围广、干旱强度大的特征，流域内多站高温、降水量突破历史极值，长江流域出现全流域中旱、部分地区重旱，其中8月出现全流域重旱、部分地区特旱的特征。6月中旬起西太平洋副热带高压加强西伸，与大陆高压合并后控制范围更广，7～8月几乎一直控制整个长江流域，同时欧亚大陆中高纬西风带环流较平直，青藏高原低涡活动偏弱，流域水汽输送以辐散为主，台风活动明显偏少，共同导致长江流域出现持续高温少雨天气。研究成果可为探明干旱形成的物理机制、干旱预测预警提供支撑。

基金项目

关键词

气象干旱；极端气候；大气环流；长江流域

引言

IPCC第六次评估报告指出，在全球变暖的背景下，全球干旱事件的频率和强度均呈增加态势，极端干旱事件的发生更加频繁[1-2]。我国是干旱事件发生频率高且影响严重的国家之一[3]，20世纪70年代以来，东亚大气环流系统从对流层到平流层都发生了明显的年代际转折[4]，中国气候格局呈现出北方易遭旱灾、南方旱涝并发的特征，大范围的干旱灾害连年频发[5]。长江流域是我国第一大流域，面积约180万平方公里，约占全国国土面积的五分之一。流域储备有全国约三分之一的水资源量，在我国经济和生态可持续发展中发挥着重要的作用。在全球气候变暖的背景下，近几十年来长江流域极端干旱事件发生的频率和强度均有所增强[6-9]，有研究发现，1979年至2012年间，长江流域约发生了29次干旱事件[10]；近20年来，长江流域出现了2006年夏季、2011年冬春、2013年夏季、2019年秋季等多次严重的干旱事件[11-13]，对国家粮食安全、社会经济发展、人民的生活生产造成极大的威胁。

国内外学者对干旱问题进行了大量的研究，由对干旱的定性和表象认知，发展到对干旱客观特征的定量认识和形成机理的深入揭示[4]。黄荣辉等[14]研究了2009年秋至2010年春我国西南地区严重干旱的成因，认为冷空气偏弱和孟加拉湾水汽输送偏弱是主因，而人为因素加剧了旱情的发生与发展[15]。陶云等[16]认为印缅槽不活跃或偏弱导致了云南2009-2012年4a连旱；陶诗言等[17]研究认为中国大陆长时期处于东亚大槽槽后西北气流控制，导致2008、2009年秋冬季我国东部严重干旱。而2006年川渝高温干旱的原因除了大气环流异常以外[18-19]，前冬青藏高原积雪偏少也是高温干旱产生的原因之一[20]。刘诗梦等[21]从能量演变特征分析发现，初夏欧洲关键区高层动能变率与我国江淮流域干旱为显著正相关。而赤道中东太平洋海面异常偏低可加剧长江中下游的干旱[22-23]。

干旱事件是地球系统各大圈层之间物质和能量长期交换累计效应导致的复杂现象，其发生和发展还往往表现为不同的时间和空间尺度以及尺度之间的交叉耦合，使得干旱的形成机制变得更加复杂[24-25]。2022年夏季，长江流域又发生了严重的高温干旱事件，出现了100年一遇罕见的枯水现象，中下游沿线各地区用水主体的保供需求面临着严重挑战，且干旱发展过程中出现了许多独特性。本文通过分析2022年长江流域夏季干旱的演变特征，分析流域性干旱产生的大气环流背景，探讨干旱事件产生的主要原因，为流域开展干旱预测预警提供一定的参考。

资料和方法

降雨数据：本研究所用的降雨资料为长江水利委员会水文局和湖北省气象局联合制作的长江流域670站1960-2022年逐日（北京时间08时-次日08时）雨量资料（站点分布如图1所示），所有雨量数据均通过系统的质量控制和均一性检验，保证了资料的连续性和完整性，其中长江源区缺少雨量站点长序列历史资料，故本文主要分析江源区以下的干旱特征。文中均值和计算距平的均值均为1991～2020年30年均值。

图1 长江流域雨量站点分布

环流数据：本研究采用美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，简称NCEP）的全球再分析数据，数据时间长度为1979年1月-2022年8月的逐日数据，网格分辨率为2.5°×2.5°。

本文采用标准化降水指数（Standardized precipitation index, SPI）来反映气象干旱的程度，它是表征某一时间尺度降水量出现概率多少的指标之一[26-28]，SPI指数具有无量纲、标准化、多时间尺度的特点，可以反映长时间尺度的降水演变状况，受到学者的广泛应用。长江流域及各分区SPI指数为该区域所有站点的SPI指数的算术平均。

基于SPI指数的干旱等级划分参照国家标准《气象干旱等级》（GB/T 20481-2017）[28]，见表1。

表1 基于SPI指数的干旱等级划分

文中引入旱涝站次比作为表征区域旱涝特征的评估指标。说明如下：

旱涝站次比（Pj）：为研究区内发生旱(涝)站次占全部站数的比例，主要用于评估旱涝发生的范围。利用Pj可定义不同旱涝事件范围，划分标准[13]为：Pj≥50%为全区域旱(涝)；50%＞Pj≥33%为区域性旱(涝)；33%＞Pj≥25%为部分地区旱(涝)；25%＞Pj≥10%为局部地区旱(涝)；Pj＜10%则表示无明显旱(涝)。

2022年夏季长江流域干旱时空分布及演变特征

2.1 总体特征

2022年夏季，长江流域累计面雨量341.6mm，为1960年以来历史同期最少，较30年均值（1991～2020年，下同）偏少30%，其中，7～8月长江流域累计面雨量174.8mm，为历史同期最少，较均值偏少44%，且较历史同期第二少（1972年213.2mm）偏少38.4mm，见图2。

图2 1960~2022年夏季长江流域面雨量变化

从6月中旬开始，长江流域面雨量转为偏少状态，出现涝旱转折的现象。6月长江流域降水偏少6%，7月偏少34%，8月偏少56%，偏少程度逐渐加剧；6月除金沙江及鄱阳湖水系偏多外，长江流域其余各分区均偏少，7～8月长江流域各分区均偏少，偏少范围扩大至几乎整个流域，见图3及表2。随着降水极速转为偏少，长江流域高温热浪天气随之开始，8月18日和19日，重庆北碚出现45℃的高温，成为长江流域今年最高气温，且重庆北碚日最高气温达40℃以上的高温日数持续最久，长达29天。长江流域发生了严重的高温干旱事件，具有持续时间长、范围广、强度大的特征。

图3 2022年6~8月长江流域降水距平

表2 2022年6~8月长江流域及各分区降水量统计

2.2 演变过程

图4给出了2022年6～8月长江上游、中下游以及流域逐旬面雨量距平变化特征。由图可知，从6月中旬开始，长江流域面雨量转为偏少，出现涝旱转折的现象，至8月底持续偏少。从整体上看，6～8月，面雨量偏少的趋势逐渐加剧。

对于长江上游，从6月中旬开始降雨一直持续偏少，7月上旬和8月中旬出现两次极少峰值，均偏少6成以上；对于长江中下游，从6月下旬开始降雨一直持续偏少，偏少程度呈现逐步增加的趋势，于8月中旬达到极值，8月中旬面雨量仅5.2mm，偏少了9成，两湖流域基本无有效降雨。

图4 2022年6~8月长江流域旬雨量距平百分率变化

图5给出了2022年6～8月长江流域纬向剖面的日雨量演变特征，由图可知，6月上旬～7月中旬，长江上游出现4次较大降雨过程，分别在6月下旬初、6月下旬中期、7月中旬初、7月中旬末，降雨过程主要集中在105°E~110°E范围内，即嘉岷流域、长江上游干流附近，降雨过程间歇期长；长江中下游流域出现7次较大降雨过程，均出现在7月下旬之前，降雨范围集中在110°E～120°E范围内，即两湖水系和长江下游附近，降雨过程间歇期明显，除6月中旬末降雨过程强度明显偏强外，其余均以中～大雨为主；7月中旬以后，整个流域降雨过程明显减少，除8月底嘉陵江流域附近有一次降雨过程外，其他时间流域基本无明显降雨过程，进一步凸显了长江流域8月降雨显著偏少的特征。

图5 2022年6~8月长江流域纬向剖面日雨量演变特征

2.3SPI指数分析

受独特地形和气候的影响，长江流域旱涝空间分布差异显著。图6给出了2022年6~8月长江流域逐月和夏季SPI指数空间分布，表3给出了2022年夏季长江流域不同分区的SPI指数。

图6 2022年6~8月长江流域逐月和夏季SPI指数分布

表3 2022年6~8月长江流域不同分区SPI指数

6月，长江流域SPI指数为-0.08，上游、中下游相差不大，整体表现为正常；其中，金沙江上游、鄱阳湖水系北部、两湖水系南部SPI指数大于1，呈现出涝的特征，长江流域其余大部地区SPI指数为负值，呈现出正常到轻旱的特征。7月，长江流域SPI指数为-0.62，表现为轻旱，上游为-1.08，表现为中旱，中下游为-0.33，表现为正常；其中，长江上游西部大部地区SPI指数在-1.5以下，呈现出重旱的特征，汉江上游、鄱阳湖水系、长江下游表现为轻旱的特征，洞庭湖水系表现为正常到涝的特征。8月，长江流域SPI指数为-1.54，表现为重旱，上游为-1.26，表现为中旱，中下游为-1.72，表现为重旱；其中，除嘉陵江上游、汉江上游部分地区SPI指数大于-1外，流域大部地区的SPI指数多在-1以下，其中乌江、两湖水系呈现特旱的特征。对于整个夏季而言，长江流域SPI指数为-1.04，表现为中旱，上游为-1.34，表现为中旱，中下游为-0.84，表现为轻旱；流域所有分区的SPI指数均为负值，其中，岷沱江、长江上游干流SPI指数小于-1.5，表现为重旱，上游其他地区SPI指数小于-1，表现为中旱；中下游各分区SPI指数在-1.5～-0.5，为轻旱～中旱。

表4给出了2022年夏季长江流域的干旱站次比，可以看到，对于6月，长江流域总的干旱站次比为31%，总体呈现出部分地区轻旱。7月，流域干旱范围、级别增加，轻旱及以上站次比为50.2%，中旱及以上占次比为29.9%，重旱及以上占次比为17.8%，总体呈现出全区域轻旱、部分地区中旱、局部地区重旱。8月，流域干旱进一步发展，流域轻旱及以上站次比高达83.7%，中旱及以上占次比为70.7%，重旱及以上占次比为51.2%，总体呈现出全区域重旱、部分地区特旱。对于整个夏季而言，长江流域内轻旱以上站次比为74.9%，中旱及以上占次比为53.8%，重旱及以上占次比为28.8%，总体呈现出全区域中旱、部分地区重旱、局部地区特旱。

表4 2022年6~8月长江流域干旱站次比

综合以上分析，从降水特征、SPI指数空间分布、分区SPI指数、干旱站次比等多角度分析，可以认为2022年夏季6～8月长江流域出现全流域中旱、部分地区重旱、局部地区特旱。其中6月以部分地区轻旱为主，7月为区域性轻旱、部分地区中旱为主，8月为流域性重旱、部分地区特旱。

大气环流异常状况分析

3.1 西太平洋副热带高压

利用国家气候中心发布的西太平洋副热带高压（以下简称副高）面积、强度、脊线、西伸脊点逐日数据，分析长江流域夏季副高的特征（见图7）。6月上旬，副高面积及强度偏小、西伸脊点偏东、脊线位置偏南，此时长江中下游已入梅，长江中下游干流以南降水偏多；6月中旬到7月上旬，副高面积、强度和西伸脊点呈现波动状态，西伸脊点整体偏西，此时长江流域多雨区和少雨区南北摆动，但整体以偏少为主；7月中旬到8月底，副高的平均面积指数比气候平均偏高约50个格点，强度指数偏高约250dagpm，西伸脊点偏西约17个经度，此时长江流域降水总体偏少，尤其是洞庭湖水系和鄱阳湖水系8月面雨量仅为19.7和27.0mm，较常年偏少了8成多（见图8）。

图7 2022年6~8月西太平洋副热带高压指数逐日变化

图8 2022年6~8月长江流域旬雨量距平百分率空间变化

副高从6月中旬开始处于西伸加强的状态，较常年同期明显偏强，7～8月几乎一直控制整个长江流域，受强大的副热带高压控制，长江流域大部分地区盛行下沉气流有利于地面增温，加之在大范围高压带作用下，空气较为干燥，不易形成云，也使得太阳辐射更容易到达地面，导致高温频发，进而造成流域出现持续高温干旱事件[29]。

3.2 西风带环流

中高纬度环流对长江流域夏季降水影响很大，图9对500hPa上的位势高度特征进行了逐旬分析。由图可知，6月上旬欧亚高纬呈“两脊一槽”型，青藏高原附近有弱槽脊波动，副高主体位于西太平洋洋面上，汉江上游附近的位势高度距平偏高，流域干流南部位势高度距平偏低，东亚大槽及青藏高原小槽在随西风带东移的过程中给长江流域带来降水。6月中旬东亚大槽明显东移，长江流域大部分地区位势高度偏低，蒙古有高压脊出现，长江流域处于槽后脊前气流下沉区，不利于降水发生，流域降水开始转为偏少。6月下旬副高及大陆高压相向而行，副高主体西伸靠近大陆，大陆高压开始东伸，长江流域位势高度均为正距平，流域北部受高空槽影响有降水产生，其余大部分地区降水偏少。7月上旬大陆高压控制长江上游西部，副高西伸控制长江中下游，西风带偏北且较平直，长江流域降水明显减少。7月中旬，副高控制长江流域大部分地区，西风带环流较平直，流域大部分地区降水明显偏少，但东亚大槽槽底有少许冷空气下渗至长江流域北部，给嘉陵江及汉江上游带来一些降水。7月下旬，大陆高压与副高彻底打通，形成大范围的暖高压带，受强大的副高控制，干燥的下沉气流控制长江流域大部分地区。8月上中旬，贝加尔湖北部有低槽发展，下旬在东移的过程中携带冷空气下渗，嘉陵江及汉江上游出现一次降雨过程，长江中下游地区仍被副高控制，中纬度西风带较平直，中下游干旱进一步加剧。

图9 2022年6~8月500hPa旬位势高度平均场和距平场

图10是中层700hPa旬平均位势高度场及距平场。6月上中旬，青藏高原位势高度基本正常，长江下游有高空槽移过，青藏高原上有低值系统生成。6月下旬开始，青藏高原位势高度转为正距平，高原生成的低值系统东移至长江上游。7～8月，青藏高原及流域大部地区位势高度为正距平，低槽位置偏北，基本位于黄河流域及以北，长江流域无明显低值系统影响，导致流域无明显降水过程。由于青藏高原的地形作用和热力的不均匀性，夏季高原主体和高原东侧会频繁产生低涡系统，高原低涡东移可造成高原以东地区出现强降水。但6月下旬开始，青藏高原位势高度转为正距平，高原低涡活动减少，强度偏弱，不利于长江流域的降水。

图10 2022年6~8月700hPa旬位势高度平均场和距平场

3.3水汽输送

长江流域的水汽主要源自北印度洋、南海及西太平洋，图11给出了2022年夏季对流层整层积分水汽输送距平及水汽通量散度距平场。由图可知，2022年夏季，来自印度洋的水汽输送较常年偏弱，来自副高外围的西太平洋水汽输送较强，但水汽主要输送至长江中下游和华北地区。从水汽通量散度距平场来看，2022年夏季长江上游及长江中下游大部分地区的水汽输送通量散度表现为正值，表明以上区域水汽呈辐散状态，即长江流域的水汽为净失去状态，不利于长江流域产生降水。

图11 2022年夏季对流层（1000~300hPa）整层积分水汽输送距平及水汽输送辐合辐散距平场

3.4热带低值系统

2022年夏季，西北太平洋和南海共有9个编号台风生成，其中4个台风登陆我国，编号台风及登陆我国台风个数均偏少，尤其7月份登陆我国的台风个数为0，较均值偏少2个（见图12）。夏季影响我国的台风强度整体较弱，主要影响区域为南海及华南一带，影响范围偏南。台风活动偏少不利于副热带高压的撤退和断裂，也是造成流域高温少雨天气的原因之一。这也与台风与我国西部降水统计特征相符[30]。

图12 2022年夏季编号台风及登陆我国台风个数统计

水资源综合利用的思考

在全球气候变暖的背景下，我国极端气候事件增加，特别是干旱灾害发生频率和强度呈明显上升的态势。旱灾由于持续时间长、波及范围广，对国民经济特别是农业产生严重影响，随着经济社会的持续发展，因干旱缺水造成的损失越来越严重，干旱灾害的日益严重决定了我国的抗旱减灾任务也将日益艰巨而繁重。

随着长江流域水库群的兴建，长江上游已建和在建的水库总库容达到1000亿m3以上，调节库容达到500亿m3以上，梯级水库自身的水资源调度方式具有较大的优化空间。工程措施通过调节水量的时间分配来增加干旱缺水时段的可用水量，对减轻干旱影响、增加干旱应对能力有益[31]。Wan等[32]通过水文水资源综合模型模拟了取水与水库运行对美国水文干旱的影响，表明在夏季灌溉季节期间由于水库调节增加下泄流量，水库下游地区干旱得到缓解，但在非灌溉季节水库蓄水强化了下游的水文干旱。2022年7月以来，长江流域发生严重夏秋连旱，8月针对中下游地区水稻等秋粮作物处于灌溉需水关键期的实际情况，水利部自8月16日起实施“长江流域水库群抗旱保供水联合调度”专项行动，调度了长江上游、洞庭湖水系、鄱阳湖水系水库群，向中下游累计补水35.7亿m3，其中长江上游水库群补水8.3亿m3，使长江中下游沙市、城陵矶、汉口、湖口站水位较不补水情况下分别抬高0.4～0.1m。本次补水行动有效改善了长江中下游干流和两湖地区沿江取水条件，为秋粮作物时令灌溉用水创造了较好的条件。其中沿江5省市共引水超26亿m3，农村供水受益人口1385万人，保障了356处大中型灌区灌溉农田2856万亩。当然，水库对于干旱的缓解取决于水库的蓄水能力，水库对于多年干旱的缓解主要集中在干旱的初期，随着时间的推移及库容能力的限制，对干旱的缓解在干旱后期和流域下游逐渐变弱[33-34]。

在改革开放前，我国一年中电力季节性高峰负荷大都出现在冬季，改革开放后，随着生活水平的提高，家用电器的普及，特别是空调、降温负荷的发展，不少地区一年中季节性高峰负荷已经转移到夏季[35]。当夏季长江流域出现持续高温天气，空调降温负荷剧增，电力需求加大，水库在保水和供电上常存在矛盾的情况，2022年夏季则尤为突出。在不降低水库防洪标准、也基本不增加中下游防洪压力的前提下，以大洪水来临前将水库水位预泄至汛限水位为条件，由防汛部门根据防洪形势、实际来水及预测预报情况进行机动控制，提前拦蓄洪水资源，适当抬高运行水位，可提高抗旱、供水等保障能力，同时增加发电效益，使水库发挥更大的综合效益。

结论

本文从干旱总体特征、演变过程、SPI指数、天气气候成因的角度出发，分析了2022年夏季长江流域干旱的时空演变特征和成因，并探讨了水库水资源综合利用对抗旱的作用，结果表明：

（1）2022年夏季，长江流域出现全流域中旱、部分地区重旱、局部地区特旱。流域旱情的发展逐步加剧：6月部分地区以轻旱为主，7月为区域性轻旱、部分地区中旱，8月为流域性重旱、部分地区特旱，流域内多站高温、降水量突破历史极值。

（2）2022年6月中旬起西太平洋副热带高压加强西伸，7～8月几乎一直控制整个长江流域，流域大部地区盛行下沉气流；同时欧亚大陆中高纬西风带环流较平直，槽脊活动偏弱，导致影响长江流域的冷空气明显偏少偏弱；6月下旬起青藏高原位势高度转为正距平，造成高原低涡活动减少，强度偏弱，同时夏季长江流域大部分水汽通量以辐散为主；西太平洋洋面大部分被强盛的副高下沉气流控制，台风活动明显偏少；上述天气气候形势共同导致了2022年夏季长江流域出现持续性高温少雨天气。

（3）在全球变暖的背景下，极端天气气候事件发生频率明显上升，如何有效地利用水利工程应对极端天气气候事件，已成为重要的科学与应用问题。实践表明，采用工程措施与非工程措施结合的方式，科学动态控制水库群的运行水位，可提高抗旱、供水、发电的保证率，更好地发挥水利工程综合效益，是应对极端干旱事件的有效手段之一。

来源：《人民长江》2022年第12期发表

编辑：郑力

责任编辑：熊莹