旱、涝灾害是我国主要的两种气象灾害。在全球气候变暖的背景下，极端天气气候事件出现了增多增强的趋势（Karl et al., 1995）。西南地区自古以来是我国洪涝灾害频发且较为严重的区域之一，但最近几年，该地区屡屡发生严重的干旱灾害，旱涝灾害造成了难以估量的损失（冯水志和罗德富，1995）。以往关于西南地区旱涝的研究主要集中在季节整体性旱事件或涝事件（Dai et al., 1998；李跃清，2003；Ju et al., 2005；鲍媛媛等，2007；王遵娅和丁一汇，2008；李永华等，2009；王林和陈文，2012），例如李韵婕等（2014）通过采用区域性极端事件客观识别法发现，11月至次年4月为西南地区的旱季，5~10月为非旱季。云南和四川南部为西南干旱发生的高频、高强中心区域。白莹莹等（2010）则研究了气候变化对重庆高温和旱涝灾害的影响。其结果表明，重庆地区1961~2006年期间降水总量不变、但频率减少，降水过程存在强化的趋势。重庆地区明显增暖开始于20世纪90年代后期。增暖后，极端高温事件发生频次明显增加，高温热浪风险显著上升，极端降水事件发生频次也呈增加趋势。西南地区1960~2010年间最严重的干旱事件是2009年9月至2010年4月发生的秋冬春连旱。黄荣辉等（2012）发现，2009年秋到2010年春季，热带西太平洋和热带印度洋处于升温状态，它使得热带西太平洋上空产生反气旋异常环流，造成了西南气流异常在我国东南沿海加强，而华南和华中地区上空处于低槽控制，因而在高原东部为槽后西北气流和下沉气流所控制，造成了从孟加拉湾来的水汽很难到达云贵高原，从而引起了西南区域降水长期偏少。并且，绕高原路径的冷空气偏弱也是造成该次严重干旱事件的主要原因之一。王斌和李跃清（2010）对2010年秋冬季西南地区严重干旱事件分析后发现，该次严重干旱的开始、发展和减弱与同期500 hPa南支槽活动及整层水汽输送有着密切的关系。该地区11月至次年3月的降水和前期11月南支槽指数在10~12年周期变化上存在显著的反相关系。彭京备等（2007）对2006年川渝地区高温干旱进行了研究，认为该年西太平洋副热带高压（西太平洋副高）西伸，大陆副热带高压东伸，同时东亚中纬度西风带扰动偏北偏弱，热带地区对流活跃、孟加拉湾地区降水异常增多导致了热带加热场的异常。李永华等(2010, 2011, 2016)通过对西南地区东部旱涝成因的一系列研究发现，该地区的水汽来源主要有两条：第1条主要来自于青藏高原转向和孟加拉湾经缅甸、云南进入西南地区东部；第2条水汽经由孟加拉湾南部，向东输送至中南半岛及南海，和南海越赤道气流所携带的水汽汇合后转向至西南地区东部。印度洋和孟加拉湾偏北地区是西南地区东部重要的水汽源地。该地区夏季降水与水汽输送纬向通道的强度变化关系密切，而与经向通道的水汽输送强度变化关系不明显。通过对夏季降水指数和青藏高原大气热源做相关分析得出，西南地区东部夏季降水与高原主体东南部（30°N~35°N，90°E~100°E）的热源变化关系密切，当该区域大气热源偏强时，西南地区东部夏季降水偏多的可能性大。其通过研究热带大气季节内振荡（MJO）对西南地区东部夏季降水的影响发现，当MJO处于第4（第6）位相时，西南地区东部夏季降水具有较明显的偏多（偏少）特征。蒋兴文等（2007）通过研究四川盆地夏季水汽输送特征及其对旱涝的影响发现，四川盆地夏季水汽主要来源于青藏高原、孟加拉湾及南海地区，并通过EOF分析指出四川盆地降水呈东西反位相是一个重要的模态。其关于水汽主要来源的结论与李永华（2010）对西南地区东部的水汽输送来源结论一致。

目前，针对西南地区某些旱涝极端年份的个例分析也已取得一定的进展，但对于季节内降水异常变化的研究还比较少。旱涝急转可能引发农作物减产、山洪、泥石流、城市内涝等自然灾害，给社会经济发展和居民日常生活都将带来严重影响。因此，对旱涝急转事件的变化特征及其发生规律进行研究是十分有科学意义和应用价值的。部分专家学者已对国内旱涝成因及预测方面做了一些有意义的工作。吴志伟（2006）、吴志伟等(2006, 2007)定义了长江中下游夏季旱涝急转指数，对夏季旱涝急转进行定量研究；司东等（2012）发现2011年5月长江中下游地区降水异常偏少，6月转为异常偏多，出现了明显的旱涝转换，长江中下游地区的旱涝转换主要受南海季风、东亚季风强度以及西太平洋副高异常快速北跳的影响；李明（2013）、沈柏竹等（2012）和封国林等（2012）对2011年春末夏初长江中下游地区旱涝急转事件进行分析，认为中高纬环流形势持续稳定为此次事件提供大尺度环流背景场，其前期信号存在于赤道中东太平洋及赤道印度洋。张天宇等（2014）通过研究发现，重庆市夏季旱涝急转事件有阶段连续性和间歇性并存的特点，西太平洋副高的季节内振荡异常是影响该地区旱涝急转的主要原因。

由上述可见，以往的旱涝急转研究多是针对长江中下游旱涝急转的研究，而对旱、涝灾害时常发生的西南地区，针对夏季旱涝急转事件的研究还比较少。因此，本文着重研究西南地区夏季旱涝急转特征，并对典型事件对应的大气环流和水汽输送异常进行分析，期望能够更深入认识该地区夏季旱涝急转现象与其大气环流异常的联系，为短期气候预测提供参考依据。

本文所用资料为中国气象局国家气象信息中心提供的1961~2015年中国632站逐日降水资料。由于原始632个站点的逐日降水数据存在缺测，长度不一致，因而在使用前对其进行了处理。首先，对各站5~8月逐日降水缺测日数大于30天的年资料算作缺测。从2015年开始向前检验，保证每站的数据都至少包含从1971~2015年的连续记录，将资料连续长度短于45年的站点进行剔除。由此得到567站的逐日降水资料。另外，还使用了同时期美国NCEP/NCAR提供的全球逐月再分析资料（Kalnay et al., 1996），包括垂直方向1000~10 hPa共17层等压面的风场（u、v）、高度场（H），12层的垂直速度场（ω），以及垂直方向1000~300 hPa共8层等压面的比湿场（q）。

由于西南地区地理位置特殊，降水空间分布差异较大，因此本文参考王艳姣和闫峰（2014）、詹丰兴等（2015）的工作，对1961~2015年全国567个台站5~8月降水标准化距平场采用旋转经验正交函数分解（REOF）方法进行降水分区，选取西南地区夏季降水代表站。表 1列出前10个REOF模态对全国降水距平场总方差的贡献率和累积贡献率，由表 1可见，旋转后的特征向量方差分布相对均匀，累积方差为100%，旋转后的特征向量基本能包含全国降水的空间分布信息（王艳姣和闫峰，2014）。对REOF的前十个模态进行分析，发现旋转后的第八模态主要大值（正值）区位于西南地区（图 1）。据此选取（22°N~30°N，100°E~110°E）作为研究区域，将其中的站点作为西南地区夏季降水代表站，总共64个站，主要包括云南省东部、四川省南部、重庆、贵州大部和广西西部的站点。

表 1(Table 1)

表 1 REOF旋转向量对总方差的贡献率和累积贡献率 Table 1 Contributions and cumulative contributions of REOF (Rotated Empirical Orthogonal Function) rotated vectors to the total variance of precipitation REOF模态 贡献率 累积贡献率 1 15.27% 15.27% 3 10.72% 38.41% 4 10.55% 48.96% 5 10.45% 59.41% 6 9.70% 69.11% 7 8.69% 77.80% 8 8.19% 85.99% 9 7.33% 93.32% 10 6.68% 100%

表 1 REOF旋转向量对总方差的贡献率和累积贡献率 Table 1 Contributions and cumulative contributions of REOF (Rotated Empirical Orthogonal Function) rotated vectors to the total variance of precipitation

图 1 降水标准化距平场REOF第8模态空间分布 Figure 1 Spatial distribution of the eighth mode of REOF of the standardized precipitation anomaly

本文研究的夏季旱涝急转时间尺度为2个月。“旱转涝”是指5、6月份旱，7、8月份涝；“涝转旱”指5、6月份涝，7、8月份旱。为了定量研究西南地区旱涝急转的气候特征，本文首先定义了西南地区旱涝急转指数。参考中国气象局国家气候中心的区域降水指数（赵振国，1999；陈兴芳和赵振国，2000），本文首先计算了5~6月和7~8月的西南地区区域降水指数，将标准化后的7~8月降水指数（γ₇₈）与5~6月降水指数（γ₅₆）差值定义为西南地区夏季长周期旱涝急转指数Z：

其中，n为研究区域内的测站总数，${R_{i(78)}}$为某站7~8月总降水量，${\overline R _{i(78)}}$为该站1981~2010年7~8月降水量平均值，${R_{i(56)}}$为5~6月总降水量，${\overline R _{i(56)}}$为1981~2010年5~6月降水量平均值，i为测站序号（i=1, 2, 3, …, n），n⁺表示n个测站中降水量距平△R≥0的站数。

图 2为1961~2015年西南地区5~6月和7~8月区域降水指数的逐年变化图。从图 2可以看出，西南地区5~6月和7~8月降水的年际变化较大，且7~8月降水变化更为显著。将高于降水指数0.5倍标准差作为涝期，低于降水指数-0.5倍标准差作为旱期，5~6月可以得到16个旱期和17个涝期（图 2a），7~8月得到15个旱期和17个涝期（图 2a）。由图 2a可见，5~6月，20世纪60~80年代γ指数相对较大，其中有8年为涝，4年为旱；随后的20年间（1981~2000年），γ指数相对偏小，有8个旱期，5个涝期；21世纪初，旱涝年分布相对比较均匀，有4个涝期和3个旱期。7~8月（图 2b），1961~1980年旱涝期较为平均，各出现6个；1981~2000年间，γ指数相对偏大，其中有6年为涝期，3年为旱期；2001~2015年，γ指数相对偏小，出现6个旱期，5个涝期，且旱期的强度较强。

图 2 1961~2015年西南地区区域平均的降水指数序列（带黑点实线）：（a）5~6月；（b）7~8月。粗实线为五年滑动平均，点虚线为线性趋势，上方虚线为区域降水指数0.5倍标准差，下方虚线为区域降水指数-0.5倍标准差 Figure 2 Time series of regional-averaged precipitation index (solid lines with black dots) in Southwest China from 1961 to 2015: (a) May to June; (b) July to August. Thick solid curve: five-year moving average; dotted-dashed line: linear trend; the upper dashed line: the regional precipitation index of 0.5 times the standard deviation, the lower dashed line: the regional precipitation index of -0.5 times the standard deviation

图 3为1961~2015年我国西南区域旱涝急转指数（Z）的逐年变化曲线。正指数值越大代表旱转涝程度越强，负指数越小代表涝转旱程度越强；旱涝急转指数的绝对值越大，表示旱涝急转强度越大。由图 3可以看出，西南区域旱涝急转指数呈现出明显的年际变化。1961~1970年间为明显的高值年，旱转涝年多于涝转旱年；1971~1980为明显的低差值年，涝转旱年较多，急转程度较强；1981~2000年间正负指数较为平均，旱转涝与涝转旱年均存在，且急转程度较强；进入21世纪初，指数又呈现出负值的趋势，5~6月比7~8月更易较常年降水偏多、偏涝。

图 3 1961~2015年西南地区旱涝急转指数时间序列（带黑点实线）。粗实线为五年滑动平均，粗虚线为线性趋势 Figure 3 Time series of abrupt drought-flood alternation index (solid line with black dots) in Southwest China from 1961 to 2015. Thick solid line: five-year moving average, thick dashed line: linear trend

选取西南地区旱涝急转指数大于1、且同时满足5~6月旱（低于降水指数-0.5倍标准差）、7~8月涝（高于降水指数0.5倍标准差）的年份作为旱转涝典型年，满足条件的年份有1969年、1970年、1980年、1986年和1993年。类似地，选取西南地区旱涝急转指数小于-1、且同时满足5~6月涝、7~8月旱的年份作为涝转旱典型年，这样的年份有1975年、1978年、1990年、1992年和2003年。

表 2为典型年旱涝急转指数值及5~6月、7~8月降水指数距平。其中，5~6月降水指数距平绝对值大于13为超过0.5倍标准差，7~8月降水指数距平绝对值大于21.2为超过0.5倍标准差。由表 2可以看出，在高急转指数年（旱转涝年），5~6月降水指数距平均为负值，即降水指数低于平均值、西南地区偏旱；7~8月降水指数距平均为正值，即降水指数高于平均值、西南地区偏涝；且5~6月和7~8月降水指数均达到旱期或涝期标准。低急转指数年则反之，5~6月降水指数距平均为正值、偏涝，7~8月降水指数距平均为负值、偏旱。

表 2(Table 2)

表 2 西南地区旱转涝、涝转旱典型年旱涝急转指数值及5~6月、7~8月降水指数距平 Table 2 Abrupt drought-flood alternation indexes, regional precipitation index anomalies (May to June and July to August) in Southwest China in the typical drought to flood years and flood to drought years 旱转涝典型年 涝转旱典型年 年份 旱涝急 转指数 5-6月 降水指 数距平 7-8月 降水指 数距平 年份 旱涝急 转指数 5-6月 降水指 数距平 7-8月 降水指 数距平 1993年 1.80 -28.04% 66.90% 1978年 -2.36 60.87% -63.39% 1986年 1.56 -34.82% 47.20% 1990年 -2.34 51.83% -71.31% 1980年 1.39 -23.78% 49.57% 1992年 -1.63 15.11% -70.89% 1969年 1.33 -20.11% 49.93% 2003年 -1.49 30.88% -47.67% 1970年 1.28 -36.75% 30.68% 1975年 -1.43 13.25% -61.80%

表 2 西南地区旱转涝、涝转旱典型年旱涝急转指数值及5~6月、7~8月降水指数距平 Table 2 Abrupt drought-flood alternation indexes, regional precipitation index anomalies (May to June and July to August) in Southwest China in the typical drought to flood years and flood to drought years

为了验证根据本文定义的旱涝急转指数选取的典型年是否能够正确反映西南地区夏季旱涝急转情况，图 4分别给出了旱转涝年和涝转旱年5~6月与7~8月的降水距平百分率合成图。由旱转涝年合成图（图 4a、b）可以看出，在旱期，西南绝大部分地区的同期降水偏少10%以上，偏少20%的地区几乎占到一半，特别是云南省北部降水偏少30%以上，总体呈现出全区整体降水偏少的情况；到了涝期，西南降水则表现为整体偏多，贵州、重庆和云南东部降水偏少25%以上。从涝转旱年合成图（图 4c、d）来看，选取的异常年亦能够反映出该地区降水由涝期偏多到旱期偏少的情况，涝转旱年涝期，云南省东北部降水明显偏多；而到了旱期，贵州、重庆、广西北部地区降水偏少30%以上。

图 4 1961~2015年合成的西南地区夏季旱涝急转年降水距平百分率：（a）旱转涝年5~6月；（b）旱转涝年7~8月；（c）涝转旱年5~6月；（d）涝转旱年7~8月 Figure 4 Composites of percentages of precipitation anomalies in typical abrupt drought-flood alternation years in Southwest China during 1961-2015: (a) May to June in drought to flood years; (b) July to August in drought to flood years; (c) May to June in flood to drought years; (d) July to August in flood to drought years

西南地区夏季旱涝急转事件的发生与其同期的大气环流形势持续异常有直接关系。下面将从中高纬度环流、西太平洋副热带高压、西风带环流、垂直运动以及水汽输送等几个方面对西南地区夏季旱涝急转期间的大气环流异常特征进行分析讨论。

首先对比西南地区旱转涝年前期和涝转旱年前期。在旱转涝年前期（旱期，图 5a），中高纬500 hPa高度距平场呈带状分布，且为负值区，中高纬度环流的纬向运动较强，西太平洋副高位置偏西、强度偏强，面积偏大，南海及西太平洋的水汽不易到达我国西南地区，不利于降水产生；而在涝转旱年前期（涝期，图 5c）时，对流层中层环流形势与旱转涝年前期相反，乌拉尔山及附近地区存在大范围负距平区，西伯利亚—蒙古和我国东北地区为大范围正距平区，槽脊明显，中高纬环流的经向运动偏强，副高较旱转涝年前期偏东，西南地区位于副高西北侧，有利于南海及西太平洋的水汽与中高纬冷空气在西南地区交汇，降水增多。

图 5 1961~2015年合成的夏季旱涝急转年500 hPa位势高度距平场（单位：gpm，加粗线为5860 gpm位势高度等值线和5880 gpm位势高度等值线）：（a）旱转涝年5~6月；（b）旱转涝年7~8月；（c）涝转旱年5~6月；（d）涝转旱年7~8月。矩形框区为中国西南地区，下同 Figure 5 Composites of 500-hPa geopotential height anomalies (units: gpm, thick contours: 5860 gpm geopotential height and 5880 gpm geopotential height) in summer in typical abrupt drought-flood alternation years during 1961-2015: (a) May to June in drought to flood years; (b) July to August in drought to flood years; (c) May to June in flood to drought years; (d) July to August in flood to drought years. Rectangles indicate Southwest China, the same below

在旱转涝年后期和涝转旱年后期，中高纬环流形势与前期正好相反。在旱转涝年后期（涝期，图 5b），环流的经向运动较强，乌拉尔山东侧的槽加深，东亚沿岸脊加强，有利于中高纬冷空气南下；而其前期（旱期），纬向运动较强，且为带状负距平区。在涝转旱年后期（旱期，图 5d），西太平洋副高比旱转涝年后期，位置偏东、强度偏弱。当西太平洋副高异常偏西偏强或偏东偏弱时，南海及西太平洋的水汽不易到达我国西南地区，均不利于西南地区降水。

中高纬冷空气活动是影响西南地区夏季旱涝的重要因素，西风带中冷空气的强弱及其南下对我国西南地区的降水将产生直接影响。下面对旱涝急转时西风带环流特征进行分析。

图 6为夏季旱涝急转典型年200 hPa合成纬向风场差值图。可以看出，5~6月（图 6a）中高纬的高空西风带强度偏强，蒙古和贝加尔湖附近为大范围正差值区，因此在旱期，中高纬西风带形势不利于冷空气南下；到了7~8月（图 6b），中高纬西风带呈带状负值区，表明涝期时高空西风带强度偏弱，冷空气经向活动较强，有利于其南下并且影响我国西南地区产生降水。

图 6 1961~2015年合成的夏季旱涝急转年200 hPa纬向风差值场（旱转涝年减去涝转旱年，单位：m s-1）：（a）5~6月；（b）7~8月 Figure 6 Composite differences (units: m s-1) of 200-hPa zonal wind between typical abrupt drought-flood and flood-drought alternation years during 1961-2015: (a) May to June; (b) July to August

从夏季旱涝急转年700 hPa垂直速度差值场来看，5~6月（图 7a）西南地区为正差值区控制，盛行下沉气流。因此，旱转涝年旱期比涝转旱年涝期，西南地区下沉运动较强，不易产生降水；7~8月（图 7b）则相反，西南地区为负差值区控制，上升运动较强，表明旱转涝年涝期比涝转旱年旱期，西南地区盛行上升气流，有利于降水增多。

图 7 1961~2015年合成的夏季旱涝急转年700 hPa垂直速度差值（旱转涝年减去涝转旱年，单位：Pa s-1）场：（a）5~6月；（b）7~8月。黑色阴区影表示地形，下同 Figure 7 Composite differences (units: Pa s-1) of 700-hPa vertical velocity between typical abrupt drought-flood and flood-drought alternation years during 1961-2015: (a) May to June; (b) July to August. The black shaded areas represent topography, the same below

水汽输送是水分循环的重要环节，来自孟加拉湾、南海、西太平洋的水汽都将直接影响我国西南地区夏季的旱涝情况。因此，为了更深入了解该地区旱涝急转的发生机理，下面对西南地区夏季旱涝急转年的水汽输送情况进行研究。

图 8为西南地区夏季旱涝急转年东亚地区整层水汽通量矢量合成差值图（旱转涝年减去涝转旱年）。可以看出，5~6月（图 8a）西南地区整层水汽通量差值较小，南海及西太平洋地区水汽输送差值为偏西方向，表明来自南海和西太平洋的水汽偏弱，孟加拉湾及中南半岛南部存在大范围向西的水汽输送，由西南方向到达我国西南地区的水汽明显减少，且西南大部分地区处于水汽输送辐散区，不利于降水；7~8月（图 8b）则相反，南海及附近西太平洋为偏东南水汽输送，孟加拉湾经中南半岛北部到达我国西南地区的水汽明显增多，西南地区亦位于水汽输送辐合区，有利于降水偏多。

图 8 1961~2015年合成的旱涝急转年整层水汽通量差值场（旱转涝年减去涝转旱年，箭头，单位：kg m-1 s-1）：（a）5~6月；（b）7~8月。阴影区域为水汽通量散度负值区，单位：10-5 kg m-2 s-1 Figure 8 Composite differences of water vapor fluxes (arrows, units: kg m-1 s-1) for the whole layer between typical abrupt drought-flood and flood-drought alternation years during 1961-2015: (a) May to June; (b) July to August. Shaded areas indicate negative water vapor flux divergence, units: 10-5 kg m-2 s-1

利用1961~2015年中国567站逐日降水资料和NCEP/NCAR再分析资料，研究我国西南地区夏季长周期旱涝急转的特征及其相联系的大气环流和水汽输送异常特征，主要结论如下：

（1）本文定义了西南地区夏季长周期旱涝急转指数，并在此基础上分析了近50年来西南地区夏季长周期旱涝急转的特征。1961~1970年夏季旱转涝多于涝转旱，1971~1980年夏季涝转旱年较多，1981~2000年旱转涝与涝转旱年相当，21世纪初以来，指数又呈现出负值的趋势，涝转旱年偏多。

（2）对大气环流异常特征的合成分析表明，在西南地区夏季旱转涝年的旱期，西太平洋副高偏西、偏强，中高纬环流纬向运动较强，高空西风带偏强，冷空气不易南下，垂直场上表现为下沉运动，不利于西南地区降水；而旱转涝年的涝期，中高纬环流的经向运动增强，乌拉尔山以东的槽加深，东亚沿岸脊加强，西风带偏弱，在垂直场上表现为上升运动，有利于西南地区降水增多。涝转旱年，大气环流情况相反。

（3）在西南地区夏季旱涝急转的旱期，来自孟加拉湾和南海的水汽输送异常偏弱，该地区亦处于水汽辐散区，不利于降水产生；在旱涝急转的涝期，自孟加拉湾经中南半岛北部到达我国西南地区的水汽明显增多，南海及附近西太平洋为偏东南水汽输送，来自东南和西南两个方向的水汽均向西南地区输送，造成西南地区降水偏多。

本文研究了我国西南地区较长周期（时间尺度为2个月）的旱涝急转，即5~6月份旱（涝）转7~8月份涝（旱），对该现象的定义、演变规律及环流和水汽输送特征进行了探究，得到一些有意义的结果。此外，利用国家气候中心提供的88项大气环流指数与西南区域降水指数进行相关分析后发现，西南夏季降水异常与亚洲区极涡面积、东亚槽强度、大西洋欧洲区极涡面积以及北大西洋—欧洲环流C型指数等存在显著的相关关系。由于文章篇幅所限，本文就不做过多讨论，相关内容将在另一篇文章中具体分析。本文同时也发现，在2个月时间尺度上，西南地区在1971~2000年期间夏季旱涝急转程度较强，而自21世纪初以来旱涝急转程度略有减弱。这也许暗示着西南地区旱涝急转的时间尺度可能由长周期（2个月）向较短周期的转变，同时大气环流等影响因子也可能存在变化，这些问题将在今后的工作中进一步研究。