1 引言
联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告中明确指出， 随着全球气候变暖， 全球旱涝事件将会进一步加剧（姜大膀和王娜， 2021）。近年来我国持续性高温天气多发， 如2022年秋季全国平均气温为11.2 ℃， 较常年同期偏高0.9 ℃， 为1961年以来历史同期最高； 2023年春季， 全国平均气温为11.5 ℃， 为1961年以来历史同期第七高。与此穿插的是极端降水事件也频繁发生， 如2021年7月20日， 郑州市突降罕见特大暴雨， 发生严重洪涝灾害， 导致郑州市遭受重大人员伤亡和财产损失； 2023年7月31日到8月1日京津冀持续出现极端强降雨， 造成了洪涝灾害； 2021年6月15日， 我国最干旱的区域塔克拉玛干沙漠出现了暴雨洪涝事件。这些极端降水气候事件均出现在干旱气候背景下（张君霞等， 2022； 沙宏娥等， 2022； 李如琦等， 2022）。暴雨洪涝以及干旱灾害的突发性、 极端性、 反常性越来越明显， 对国民经济、 交通、 农业生产和人民生活造成了严重损失（车少静等， 2021； 符淙斌等， 2005； 丁一汇等， 2013）。认识干旱背景下极端降水事件急转突发的变化规律， 对防灾减灾和生态建设非常重要。
旱涝及降水异常往往是受多种多种因子共同协作的影响， 包括影响水汽及能量输送的西太平洋海温、 西太平洋副热带高压（以下简称西太副高）、 东亚季风等因素的控制， 同时也受到北极海冰等外强迫等因素的影响（孙博等， 2023； 李崇银等， 2019； 贺圣平等， 2016； 陈洁鹏等， 2016）。章大全等（2023）认为， 2022年夏季我国区域性、 阶段性旱涝灾害明显， 降水空间差异显著， 赤道中太平洋及印度洋海温异常引起的西太平洋副热带高压加强西伸北抬对夏季雨带位置偏北起到重要作用。史霖等（2017）认为2015年我国南方汛期降水总体东多西少， 符合强El Niño发展年的特点， 这种东西反相旱涝型与菲律宾反气旋活动及位置、 热带气旋活动及位置、 冷空气活动路径有密切的关系。郝立生等（2023）通过对华北地区近60年夏季降水年际异常与大气动力、 水汽条件关系的研究， 发现华北夏季降水异常是东亚副热带夏季风和华北大气动力上升运动协同作用的结果。这些研究多着眼较大区域， 对雨带位置或旱涝年际变化的影响因素及关联性进行分析， 为降水气候预测提供了重要参考价值。但旱涝气候转变往往在小区域内表现的特别突出， 对西北干旱地区进行小区域旱涝影响因素溯源的研究较少。
庆阳市位于甘肃省最东部， 属黄土高原沟壑区， 北邻宁夏， 东接陕西（张可心， 2020）。由于位于东亚夏季风北边缘， 半干旱与半湿润分割区， 南北气候差异较大， 降水季节分布极不均匀， 春夏两季降水占全年降水总量的71%以上， 是西北地区暴雨发生频率最高的区域之一。2022年春夏两季， 庆阳市出现了大范围持续性严重干旱， 但同时暴雨却频繁发生， 尤其在7月15日发生了突破历史极值的特大暴雨， 造成了重大财产损失。本文将对2022年庆阳市旱涝急转的降水特征及影响因素进行分析， 为认识西北地区东部降水异常发生规律和改进预测技术提供科学参考依据。
2 资料来源和方法介绍
1.1 数据来源
本文所用资料包括甘肃省气象信息中心整编发布的1993 -2022年庆阳市8个国家基本气象站， 及2022年192个区域站的日降水资料。环流指数中， 海洋尼诺指数（ONI）及北极涛动指数（AO）下载于美国国家海洋和大气管理局（以下简称NOAA）的官方网站（https： //www.noaa.gov/）， 西太平洋副热带高压（以下简称西太副高）脊线及西脊点位置、 水汽通量及辐合辐散场、 矢量风场、 500 hPa高度距平等信息下载于国家气候中心官方网站（http： //cmdp.ncc-cma.net/cn/monitoring.htm）。2022年7月15日环流场及中尺度分析选用500 hPa及700 hPa的常规观测资料。文中涉及的地图是基于中华人民共和国自然资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载的审图号为 GS（2019）3082号的中国地图制作， 底图无修改。
2.2 分析方法
采用的研究方法主要包括相关分析及回归分析。文中春季指3 -5月， 夏季指6 -8月， 24 h降水量超过50 mm记录为1个暴雨日， 暴雨主要降水过程开始到结束记录为1场次暴雨， 以明显系统（槽、 切变、 冷涡等）造成持久降水持续时间长、 降水范围超过2个县区的暴雨定义为系统性暴雨， 以局地强对流造成2个县区以内的暴雨为突发性暴雨。
标准化降水指数（SPI）是目前应用最广泛的气象干旱指标之一， 其原理是计算出某时段内降水量Gamma分布概率后， 再进行正态标准化处理， 最终用标准化降水累计频率分布来划分干旱等级。计算过程（Guttman， 1998）如下：
假设某时段降水量为随机变量x， 则其Gamma分布的概率密度函数为：
g（x>0）
式中： ； α、 β分别为形状参数和尺度参数； 为Gamma函数。α、 β可以采用最大似然法估算：
式中： ， n为样本长度， 为降水量资料样本； 为降水量气候平均值， 于是给定时间尺度的累积概率可计算如下：
令t= / ， 式（3） 可变为不完全的Gamma函数：
由于Gamma方程不包含x=0的情况， 而实际某时段的降水量x可以为0， 所以累计概率可以表示为H（x）=q+（1-q）G（x）， 式中q为降水量为0的概率。而m表示降水序列中降水量为0的样本数， n为总样本数， 则q=m/n。累积概率H（x）可以通过下式转换为标准正态分布函数：
当0<H（x）≤0.5时
当0.5<H（x）≤1时
式中： 、 、 和 、 、 分别为Gamma分布函数转换为累积频率简化近似求解公式的计算参数， 2.515517， =0.802853， =0.010328， =1.432788， ， =0.001308。根据式（1 ）~（8 ）即可求得任意时段SPI， 根据干旱出现频率可以确定不同干旱等级对应的SPI。
本文主要分析2022年3 -8月的旱涝特征， 因此选用1个月和3个月尺度计算SPI值（分别记录为SPI、 SPI3）。由于干旱指数的等级阈值存在区域上的差异， 本文采用国内外使用较多的累积频率法进行修正。各干旱等级的累积频率如表1。
表1 干旱指数各干旱等级对应的干旱频率Table 1 Drought frequency corresponding to different drought levels in the drought Index |
| 干旱等级 | 干旱程度 | 所占比重/% | 累积频率/% |
|---|---|---|---|
| 5 | 特旱 | 2 | 0~2 |
| 4 | 重旱 | 5 | 2~7 |
| 3 | 中旱 | 8 | 7~15 |
| 2 | 轻旱 | 15 | 15~30 |
| 1 | 无旱 | 70 | 30~100 |
2 2022年旱涝急转特征
2022年， 庆阳市春夏两季降水转变表现出旱灾持续时间长、 旱涝转变异常迅猛、 极端降水突破历史极值的特征。3 -6月， 全市平均降水量126.6 mm， 相较于近30年平均降水量（153.0 mm）偏少17.2%， 其中中西部环县、 庆城、 镇原、 西峰， 以及华池西部、 宁县西部大部分区域累积降水量不足100 mm， 除正宁外， 其余县区降水相比历年同期偏少25%以上， 西峰、 宁县降水偏少超过45%［图1（a）］。尤其在3-5月这一关键的农作物生长期间， 全市未出现一场暴雨， 环县、 镇原累计降水量偏少达到54.5%及60.9%， 干旱持续时间长、 旱情较为严重。
7月中旬， 降水态势发生了急剧变化。7月11 - 12日， 全市普降暴雨， 其中环县秦团庄日降水量达92.8 mm； 7月15日区域性大暴雨过程中， 庆城县翟家河村日降雨量373.1 mm， 突破庆阳市自有观测记录以来单日降雨量历史极值（200.2 mm）。至7月底， 21天内全市共出现4场区域性暴雨过程， 暴雨日达到8天。尤其7月15日区域性大暴雨过程中， 庆城县翟家河村日降雨量373.1 mm， 这一数值不仅突破了庆阳市自有观测记录以来的单日降雨量历史极值（200.2 mm）， 而且在全国范围内也是少见的。7月全市全市平均降水量149.4 mm， 相较于近30年的平均降水量（106.0 mm）偏多41.0%。特别是华池、 宁县、 西峰3县， 累积降水量分别为220.3 mm、 182.4 mm、 154.5 mm， 相比历年同期偏多123.9%、 63.3%、 38.7%［图1（b）］。全市旱涝转变不仅发生急促， 极端降水的强度也异常猛烈。
受东亚季风影响， 庆阳市降水季节差异非常明显， 旱涝灾害发生频率较高， 但如2022年春夏季般旱涝急转的显现却非常少见。以旱涝转变最显著的华池为例， 对干旱有较好指示意义的SPI3指数由2月的1.16急剧下滑至3月的-0.40， 累积频率30%， 达到轻旱， 并且在4 -5月持续下降， 至5月达到-0.62， 为近30年同期第4低位， 累计频率13.3%， 达到中度干旱［图2（a）］。同时， 西部的环县及镇原两县5月SPI3指数分别为-0.89、 -1.34， 为近30年同时期的第4、 第2低位， 累计频率分别为13.3%和6.7%， 达到了中旱及重旱， 农作物出现严重减产甚至绝收。干旱自6月有所减轻， 至7月SPI3陡然上升至1.32， 旱情明显缓解， 涝灾出现。同样， 依据1个月周期SPI指数， 2022年3月SPI达到-1.13， 为近30年同期第3低位， 累计频率10.0%， 并在之后的4 -6月维持在-0.16以下， 降水偏少均在历史同期前10以内。但在7月则迅速攀升至1.32， 位列历史同期第3高位［图2（b）］， 而宁县、 镇原两县7月SPI也分别达到-1.01、 -0.75， 位列同期的第3、 第6高位。对于庆城北部的强降水中心而言， 累积雨量最大达到448.3 mm， 这在庆阳历史上更是绝无仅有的。频繁发生的极端降水天气虽然有效缓解了全市大部分区域的干旱， 但由于降水区域及时段相对集中， 马莲河流域多次遭受了严重的洪涝灾害。
3 旱涝急转成因分析
3.1 ENSO事件影响分析
ENSO事件可通过影响副高位置及夏季风强度， 显著影响甘肃河东地区的年降水量， 其中拉尼娜年河东降水整体偏多（曹彦超等， 2022； 洪洁莉等， 2023； 菅煜婷等， 2022）。庆阳市各县区每个月降水量与ONI指数呈现出不同的相关性［图3（a）］， 春季各县区降水量一致与ONI指数正相关， 进入夏季后， 6月及8月ONI指数与降水量相关性较差， 盛夏7月ONI指数则与降水量呈现明显负相关性， 这表明拉尼娜年更容易出现春季干旱、 盛夏多雨的旱涝急转现象。
图3 1983 -2022年庆阳市各县区月降水量与ONI指数相关性（a）2019 -2022年ONI指数月变化（b）及2022年3 -8月西太平洋副热带高压位置（c）Fig.3 The correlation between monthly precipitation and ONI index in various counties and districts of Qingyang City from 1983 to 2022 （a）， Monthly Changes of ONI Index from 2019 to 2022 （b） and Location of Western Pacific Subtropical High from March to August 2022 （c） |
NOAA监测显示， 2020年秋季开始， ONI值连续低于-0.5 ℃ ［图3（b）］， 20世纪首次出现连续3年的拉尼娜事件。其中2022年春季开始拉尼娜事件发展加强， 春夏两季ONI指数均维持在-0.81 ℃以下， 赤道中东太平洋海温持续偏低， 赤道辐合带偏北， 东南信风加强， 除7月西太副高脊线略偏南1.1个纬度外， 其他月份均比历年同期偏北0.3~2.9个纬度， 并且在盛夏7 -8月西太副高西伸脊点偏西超过10.9个经度［图3（c）］。春季至初夏西太副高位置持续偏北， 此时季风前沿还未到达庆阳市， 但受中纬度西风偏弱影响， 全市气温偏高， 西脊点位置偏西， 水汽输送偏弱， 旱情加剧。进入7月， 东亚夏季风沿着强盛的西太副高西侧向北延伸， 充沛的水汽及能量输送为强降水发生发展提供了有利条件。
3.2 北极涛动影响分析
降水变化不仅受水汽及能量输送影响， 同时还与冷空气的活动变化密切相关。研究显示， AO处于正（负）相位时， 西伯利亚高压偏弱（强）， 东亚大槽偏弱（强）（万云霞等， 2023； 胡秀玲和刘宣飞， 2005； 杨辉和李崇银， 2008； 陈文等， 2013）。AO处于负相位时， 北极冷气团更容易向南渗透， 使得甘肃河东降水偏多， 河东地区大雨及暴雨降水量与AO存在显著的负相关性（曹彦超等， 2022）。2022年3月至5月中旬， AO指数以正相位为主， 且明显高于历史平均值， 冷空气活动较弱， 导致降水过程整体偏少， 全市大部分地区持续干旱少雨。5月中旬至6月中旬持续处于负相位（图4）， 且明显低于30年历史平均值， 这是冷空气活动最频繁的时段。但由于该时段副高位置整体偏西， 水汽输送的欠缺使雷电、 冰雹等强对流天气频繁发生， 40天内共出现冰雹日5个， 雷暴日13个， 暴雨仅出现2次， 且为范围较小。7月中旬至8月中旬也出现了两次较明显的负值时段， 活跃的冷空气与强盛的副高配合， 40天内共出现降水日16个， 其中暴雨日12个。
3.3 天气尺度大气环流异常分析
2022年庆阳市旱涝转变主要有3个阶段， 其中3 -6月降水平均偏少30%以上， 7月突然转为偏多41.0%， 8月则转为波动性偏少。下面分别针对这3个时段进行气候异常成因分析。
2022年3 -6月， 西太平洋副热带高压强度较历年同期偏强， 西升脊点较常年明显偏西， 脊线位置略偏北［图5（a）］。菲律宾及南海上空对流层低层虽然偏南气流较历年同期强盛， 但由于副高在5880 gpm等高线西侧气流径向距平与历年相当， 到达陆地后在华南地区径向风距平逐渐趋于0 m·s-1， 青藏高原东侧至河套一带距平风场出现明显偏北风， 使得庆阳市降水的低空水汽输送偏弱［图5（b）］。另一方面， 欧亚中高纬500 hPa位势高度为两槽一脊环流形式， 巴尔喀什湖以北的西伯利亚地区存在高度负距平中心， 其值达到-60~-40 gpm， 东北北部也存在强度为-20~-10 gpm的负距平中心， 而新疆至河套一带均为20~40 gpm的正距平， 北支西风带高压脊相比历年径向性更强［图5（a）］， 对流层低层风向辐合带主要位于我国东南及华南地区， 秦岭以北的西北地区东部出现水汽通量异常辐散区［图5（c）］， 造成庆阳市春季至初夏的持续晴朗高温、 干旱少雨。其中在5月中旬至6月中旬， 东北冷涡异常频繁， 时段分别为5月11 -12日、 19 -23日， 以及6月1 -3日、 4 -6日、 10 -12日和11 - 13日， 活动路径偏南， 但是水汽辐合带的偏东偏南以及本地水汽的匮乏， 使该时段降水有所增加， 但仍以冰雹及大雨以下降水为主， 未能有效缓解持续的干旱。
图5 2022年3 -6月500 hPa平均位势高度（等值线， 单位： gpm）及距平场（彩色区， 单位： gpm）（a）， 850 hPa距平风场（b， 矢量， 单位： m·s-1）， 整层水汽通量（矢量， 单位： kg·m-1·s-1）和水汽通量散度（彩色区， 单位： ×10-5 kg-1·m-2）（c）Fig.5 Mean geopotential height （contour line， unit： gpm） and anomaly field （color area， unit： gpm） at 500 hPa from March to June 2022 （a）， anomaly wind field at 850 hPa （b， vector， unit： m·s-1）， whole layer water vapor flux （vector， unit： kg·m-1·s-1） and water vapor flux divergence （color area， unit： ×10-5 kg-1· m-2） （c） |
7月， 西太平洋副热带高压持续偏强， 西伸脊点到达112°E， 较往年偏西15个经度， 脊线位置略偏北［图6（a）］， 对流层低层华中、 华南地区均具有明显的偏南风距平分量［图6（b）］， 来自南海的水汽输送偏强［图6（c）］。500 hPa欧亚中高纬度环流形势发生明显调整， 由前期“两槽一脊”型转为“两脊一槽”型， 乌拉尔山高压脊相比往年偏高60~80 gpm， 贝加尔湖至我国东北部受宽广的低槽控制， 中心强度存在-40~-20 gpm的负距平， 鄂霍次克海及以东为高压脊， 中心强度比往年偏高80~100 gpm， 这使得蒙古低槽的径向性相比往年更强［图6（a）］， 蒙古地区低涡、 低槽发生频率较高， 且更容易南压至较低纬度区域， 引导冷空气频繁南下， 并与西太副高和东亚夏季风引导的水汽相配合， 在高原边坡至河套一带产生了-4×10-5~-3×10-5 kg·m-2·s-1的水汽辐合中心［图6（c）］， 降水较常年同期显著偏多。且由于高空冷平流较强， 降水多具有强对流性质。
图6 2022年7月500 hPa平均位势高度（等值线， 单位： gpm）及距平场（彩色区， 单位： gpm）（a）， 850 hPa距平风场（b， 矢量， 单位： m·s-1）， 整层水汽通量（矢量， 单位： kg·m-1·s-1）和水汽通量散度（彩色区， 单位： ×10-5 kg-1·m-2）（c）Fig.6 Mean geopotential height （contour line， unit： gpm） and anomaly field （color area， unit： gpm） at 500 hPa in July 2022 （a）， anomaly wind field at 850 hPa （b， vector， unit： m·s-1）， whole layer water vapor flux （vector， unit： kg·m-1·s-1） and water vapor flux divergence （color area， unit： ×10-5 kg-1·m-2） （c） |
庆阳市位于35.6°N -37.2°N， 每年7月底至8月初西太副高脊线第三次北跳跨过30°N以后， 庆阳市进入“七下八上”的多雨季。2022年副高首次于7月11日北跳至30°N以北， 比往年明显偏早， 庆阳市旱涝急转， 进入多雨季节。其中在7月14日20:00， 500 hPa位势高度场亚欧中高纬呈“两槽一脊”大环流形势， 贝加尔湖以北西伯利亚地区出现中心强度为555 gpm的强冷低压， 我国东北部存在稳定少变的冷涡。西太副高西脊点到达100 °E， 脊线到达32 °N以北， 庆阳市位于西太副高西北侧外围， 对流层低层水汽沿着高原边坡畅通向北输送［图7（a）］， 在甘肃河东地区形成比湿在12 g·kg-1以上的湿舌。同时， 700 hPa西太副高外围暖湿气流与贝加尔湖低压前沿冷空气汇合， 形成西南-东北向切变线， 与东北冷涡后部渗透的冷空气汇合， 形成西北-东南向切变线［图7（b）］， 在河套地区形成一个弱低涡， 强降水出现在低涡东南象限。强盛的西太副高为此次极端降水提供了充分的水汽及不稳定能量， 稳定少动的东北冷涡阻挡了西风带低槽的东移， 使整个降水系统维持在庆阳市上空长达24 h， 对流云团不断在这个区域生成发展和东移， 在列车效应的影响下， 庆阳市多个县区持续出现短时强降水， 最终产生了突破历史极值的特大暴雨。
4 结论
2022年3月开始， 庆阳市出现了持续性大范围重度干旱， 多个县区3 -5月累积降水量达到1993年以来春季降水序列少雨的前5。7月中旬旱涝急转， 至8月下旬共出现9场暴雨， 其中7月15 -16日区域性大暴雨过程中， 庆城县翟家河村日降雨量为373.1 mm， 突破庆阳市自有观测记录以来单日降雨量历史极值。综合大气环流及外强迫背景分析， 得到如下结论：
（1） 2022年， 庆阳市春夏两季旱涝特征异常显著。其中3 -6月， 全市降水偏少17.2%。尤其在作物生长最关键的3 -5月， 全市降水偏少11.0%~60.9%， 环县、 镇原、 合水月出现了1983年以来降水第5、 第2、 第4低位。7月降水趋势极速转变， 全市降水偏多41.0%， 华池、 宁县、 镇原出现降水第3、 第3、 第6高位， 尤其7月15日区域性大暴雨最大日降雨量373.1 mm， 突破原有历史极值200.2 mm。至8月下旬， 全市共出现9场暴雨。这种降水态势的极速转变， 在庆阳市历史上是极为少见的。
（2） 庆阳市各县区降水量均在3 -5月与ONI指数产生明显正相关， 7月与ONI产生明显负相关， 6月及8月相关性较差， 拉尼娜年更容易出现春季干旱、 盛夏多雨的旱涝急转现象。2022年春季开始加强的拉尼娜事件开始加强， 通过影响西太副高位置对庆阳市旱涝急转产生重要影响。
（3） 2022年春夏两季， AO指数以正相位为主， 冷空气活动较弱， 有利于庆阳市整体降水过程偏少。其中5月中旬至6月中旬AO指数持续处于负相位， 该时段冷空气活动频繁， 但由于副高位置偏西， 对流层低层水汽条件较差， 主要引起雷电、 冰雹等强对流天气， 仅发生2场次突发性暴雨。7月中旬至8月中旬AO处于负值的时段内， 活跃的冷空气与强盛的副高配合， 共出现暴雨过程5场次。
（4） 2022年3 -6月， 欧亚中高纬500 hPa为“两槽一脊”环流形式， 北支西风带高压脊相比历年径向性更强， 庆阳市位于高压脊前。西太平洋副热带高压强度较历年同期偏强， 但对流层低层气流辐合带主要位于东南及华南地区， 造成春季至初夏干旱少雨； 7月， 西太副高位置偏北， 对流层低层出现较明显偏南风距平分量， 水汽输送加强， 同时欧亚中高纬500 hPa环流形式转为“两脊一槽”型， 庆阳市位于径向性较强的蒙古低槽底部， 气流辐合明显， 强降水频率明显提升， 其中在7月15日出现突破历史极值的区域性特大暴雨； 8月， 欧亚中高纬500 hPa环流形式再次转为“两槽一脊”， 西太副高深入内陆， 并与南压高压打通， 对流层低层水汽通量以正距平为主， 但由于庆阳市位于副高内部， 盛行的下沉气流并不利于降水发生， 虽时有突发性降水发生， 但整体以晴朗高温天气为主。
本研究初步揭示了ENSO事件及北极涛动对庆阳市的降水影响， 同时探讨了与2022年庆阳市极端干旱与极端强降水交替出现有关的环流特征变化， 结论能够为西北地区东部降水变化机理提供新的认识。但由于庆阳市区域范围较小， 虽然能够在一定程度上代表大气环流及外强迫对西北地区东部的影响， 却不能排除地形地貌及地理位置等因素可能产生的影响差异。在外部强迫因素中， 本文只考虑了ENSO事件、 北极涛动及西太副高的影响， 是否还有其他因子对本次庆阳市旱涝急转事件会产生影响， 是值得进一步研究的问题。