引言

2015年11月我国出现了降水异常偏多的气候特征，全国平均降水量39.4 mm，较常年同期偏多1.1倍，其中华北、黄淮、江淮、江汉、江南、华南及西北大部等地降水量较常年同期偏多5成至2倍，东北中南部、内蒙古中西部、西北地区中西部和东北部、华北、黄淮大部、浙江北部、江南西南部、广西东部等地偏多2倍以上(气候系统诊断预测室，2015)，南方部分地区出现了罕见的冬汛(常年发生在立冬之后洪涝称之为冬汛)，引发了洪涝和山体崩塌灾害，给社会生产生活造成了很大的影响。

此次罕见冬汛发生在1951年以来继1982/1983年和1997/1998年之后的第三次超强El Niño事件(邵勰和周兵，2016；袁媛等，2016)背景下，ENSO事件作为最强的年际气候信号之一，对我国的气候异常有非常显著的影响(刘永强和丁一汇，1995；施能，1990；吴正贤等，1990；姚辉和李栋梁，1992；李耀辉等，2000；袁媛等，2012；贾小龙等，2008；宗海锋等，2010；王艳姣和闫峰，2014)。研究指出，ENSO对我国秋季气候异常的影响甚至超过了对夏季的影响(李海燕等，2016)，龚道溢和王绍武(1999)发现我国东部冬、秋季降水量与ENSO有显著的关系，El Niño年江南地区降水量偏多，北方地区偏少，夏季的关系不如秋冬季明显；谌芸和施能(2003)指出El Niño年我国秋季降水出现南多北少分布型的频率增加近20%，当我国秋季降水距平出现大尺度南北降水异常时，表示有ENSO现象发生。在20世纪70年代以后，热带印度洋偶极子(IOD)与ENSO基本同时发生，因为两支异常沃克环流相互作用，使得赤道海温的变化几乎同时发生，ENSO影响IOD事件的整个生命史，而IOD事件可以通过“大气桥”影响ENSO事件发展时期的强度(黄刚等，2016；袁媛和李崇银，2008；杨辉等，2006)。热带印度洋海表温度异常也是影响我国秋季降水的重要外强迫因子(刘宣飞和袁慧珍，2006a；2006b；王遵娅等，2013)，当IOD正位相与El Niño伴随出现时，西太平洋副热带高压位置偏南，我国南方地区为西南气流控制，使得我国西南至江南地区秋季降水偏多。司东等(2015)指出秋季华西地区降水偏多可能与热带印度洋海表温度偏高有关，当印度洋海表温度偏高，有利于西北太平洋地区对流层低层异常反气旋式环流的发展和东南水汽输送的加强，印度洋海表温度的偏高有利于印度洋地区对流的活跃和西南水汽输送的加强(聂羽等，2016)。PDO为东北太平洋最显著的年代际变化信号，是调节ENSO与东亚地区气候遥相关关系的最重要的因子，其对东亚地区气候异常关系具有明显的调制作用。在PDO暖位相时期，El Niño事件发生频率较高、强度较强，La Nina事件受到抑制，20世纪最强的两次El Niño事件均发生在PDO暖位相时期(吕俊梅等，2005；Wang et al, 2008)。在冷暖不同的PDO位相下，ENSO事件引起的干湿变化程度将会发生改变(Kim et al, 2014)。王江曼和李春(2015)指出PDO不同位相时期El Niño事件是通过西北太平洋异常反气旋(气旋)及源自印缅槽的西南水汽输送的差异影响我国南方降水异常。

国家气候中心监测表明，2014年9月开始赤道中、东太平洋海表温度进入El Niño状态，2015年1月达到事件标准，至2015年11月，累计海表温度距平为19.0℃，已达到超强El Niño事件标准。本文分析了2015年冬汛及其可能成因，旨在探讨影响湖南月尺度降水变化的关键因子，为异常气候事件预测提供参考依据。

1 资料和方法

本文所用资料包括湖南省97个气象站点逐日降水资料，且所采用的资料均进行了严格的质量控制。再分析资料为1981—2015年NCEP/NCAR提供的月平均位势高度场、风场、比湿、地面气压资料，网格点分辨率为2.5°×2.5°；美国NOAA提供的1981—2015年全球海表温度数据，网格点分辨率是2°×2°；美国NOAA系列极轨卫星高分辨率辐射仪的1981—2015年逐日向外长波辐射(OLR)资料，网格点分辨率为2.5°×2.5°。水汽整层积分由地表到300 hPa，水汽收支采用“箱体”模型(苗秋菊等，2005；叶敏和封国林，2015)。此外，还有国家气候中心整编的百项气候系统指数集，包括逐月大气环流指数和海表温度指数等。文中使用的各要素气候平均值为1981—2010年平均值。

2 11月降水特征及影响分析 2.1 11月全国降水的特征

2015年11月，全国平均降水量39.4 mm，较常年同期(18.8 mm)偏多1.1倍，为1961年以来历史新高，其中华北、黄淮、江淮、江汉、江南、华南及西北大部等地降水量较常年同期偏多5成至2倍，东北中南部、内蒙古中西部、西北地区中西部和东北部、华北、黄淮大部、浙江北部、江南西南部、广西东部等地偏多2倍以上，南方部分地区出现罕见冬汛，多条河流发生超警戒洪水。

月内，全国共有45站发生极端连续降水日数事件，主要发生在新疆北部、华北、黄淮西部等地，全国共有189站日降水量超过历史同期月极大值，主要分布在内蒙古南部、华北、黄淮、江汉、江南和华南北部等地，其中广西灵川(148.9 mm)和湖南桂东(127.1 mm)等14站日降水量超过历史同期季极大值(图 1)。

2.2 11月湖南降水的特征及影响

2015年11月湖南省平均降水量为182.5 mm，较常年(1981—2010年平均，下同)偏多1.6倍，降水的空间分布(图 2a)表明，湘中偏北及湘北降水量在60~150 mm，湘中偏南及以南地区降水量在150 mm以上，其中湘东南部分地区降水量超过250 mm。降水距平百分率的空间分布(图 2b)表明，全省除个别县(市)降水量偏少外(泸溪、汉寿、芷江)，其他地区均偏多，其中湘中以南地区偏多1倍以上，湘东南部分地区偏多3倍以上，冷水滩、临武、汝城、江华、宜章等35县(市)降水量破当地有连续气象记录以来同期历史极值。

11月逐日各级降水站次的时间变化(图 3)表明，11月除2、6、13、26和30日雨日数没有达到25站次外，其他时段均超过25站次，月内共出现4次暴雨过程，分别发生在7—8日、11—12日、17—18日、20—21日，共出现50站次暴雨、8站次大暴雨，位居历史同期第二高位。常宁、桂东、双牌、江永、宜章、临武、郴州等18县(市)达到极端降水事件标准，7—18日共14县市出现连阴雨天气(连续7 d以上日降水量≥0.1 mm，过程日平均日照时数≤0.1 h)，其中常宁、新田达到中度连阴雨标准(连阴雨天气10~12 d以上)。11月全省平均降水日数为19.3 d (图 4a)，较常年同期偏多9.8 d，湘北部分地区及湘中以南大部地区降水日数达20 d以上。湘中以南23县(市)出现气象洪涝(10 d累积降水量≥200 mm)，其中冷水滩、临武、江华3县(市)达到重度洪涝(10 d累计降水量≥300 mm)(图 4b)，湘江中上游发生自1961年以来最大冬汛，湘江多个站点超警戒水位。

据湖南省民政厅初步统计，此次冬汛造成湘东南4市33个县(市、区)63.9万人受灾，4人失踪，1.9万人紧急转移安置，1.3万人需紧急生活救助；700余间房屋倒塌，近3000间不同程度损坏；祁阳、道县、冷水滩、江永4个县城进水；农作物受灾面积40.6×10³ hm²，其中绝收6.2×10³ hm²；直接经济损失8.94亿元。

3 降水的月内变化及主要物理影响因子

2015年11月沿109°~120°E平均逐日降水变化(图 5)可以发现，月内主要发生5次强降水过程，分别为1日、6—9日、11—14日、16—18日和20—22日(表 1)，其中我国南方地区发生强降水的时段主要为11月上旬中至下旬初。

冷空气是持续降水形成的重要动力和热力因素，其既能促使产生强降水所必需的低层辐合，也能增强对流不稳定度(姚秀萍和于玉斌，2005)，本文采用西风环流指数来分析11月内冷空气活动情况，而印缅槽的强度决定了水汽条件和热力抬升条件，西太平洋副热带高压(以下简称副高)则影响辐合区域的位置(图 6)。不难发现在我国中东部地区主要降水时段(5—22日)，西风环流指数为低指数，表明该时段中高纬西风偏弱，对应为经向环流，冷空气容易大举南下影响我国中东部；印缅槽高度差指数值较常年以偏小为主，表明该时段内印缅槽强度偏强，为我国中东部地区降水提供了充沛的水汽；西太平洋副高脊线位置以正常略偏北为主，位于20°~22°N，导致该时段水汽输送较常年偏北，在华南西部至江南辐合。

湿位涡是用来表征暖湿气流活动特征的物理量。从850 hPa等压面上沿107.5°~120°E平均逐日MPV2时间-纬度剖面图(图 7)可以发现，11月24°N以北区域850 hPa等压面上MPV2全为负值，表明我国中东部11月降水较常年偏多；MPV2的密集带与强降水的时段和区域均非常吻合，MPV负值中心为对流最不稳定区域，对应几次强降水过程的降水中心，其中1日、6—9日、11—14日、16—18日、20—22日MPV负值中心分别位于25°N、35°N和30°N、27°N、29°N、40°N，与5次强降水的中心非常吻合。

南方低空西南风≥8 m·s^-1面积指数和西南风速最大值的逐日变化(图 8a)表明，11月上中旬西南风比较活跃，南风将来自南海、印度洋的暖湿气流输送到我国华南西部至江南地区，为持续较强降水的形成提供了水汽条件和不稳定能量。西南急流的持续偏强，致使该区域整层水汽输送持续偏强、辐合上升运动不断发展从而形成持续性强降水，而5次强降水的中心区域与水汽通量散度负的大值中心对应非常好(图 8b)。

4 冬汛的成因分析 4.1 降水背景分析

2015年11月湖南省平均降水量为182.5 mm (图 9a)，为1961年以来最大值，2012年以来已连续4年降水明显偏多，11月降水的变化趋势可以分为两个时段，1988年以前降水呈减小趋势，之后降水呈明显增加趋势(通过0.05显著性水平检验)，倾向率为24.2 mm·(10 a)^-1。湖南11月降水的周期分析(图 9b)发现存在3个特征时间尺度，分别为2~4 a、6~10 a和21~25 a左右的准周期，2012年以后各时间尺度降水均处于偏多时期，Morlet小波功率谱分析(图 9c)发现2~4 a振荡周期非常显著。以上分析表明，湖南11月降水正处于偏多的年代际背景。

4.2 大气环流异常

大气环流异常是导致湖南降水异常偏多的最直接的原因。2015年11月500 hPa高度场上及距平场(图 10)可以看出，极涡呈单极型分布，略偏西半球，中心位于85°N、87.5°W附近，强度较常年明显偏强；欧亚中高纬呈现两槽一脊分布，亚洲地区位势高度呈“西低东高”分布型，里海以东至贝加尔湖以西为负距平控制，平直锋区上多短波活动，西路冷空气活动较频繁。

西太平洋副高西脊点位于88°E附近，为1951年以来同期最西，西太平洋副高强度、面积为1951年以来同期最强、最大。印缅槽前和西太平洋副高外围西南水汽与北方南下冷空气共同作用于我国南方地区，造成月内该区域出现了持续性阴雨天气，华南西部至江南地区降水量较常年偏多1倍以上。

11月850 hPa风场距平(图 11)表明，南海地区形成一异常反气旋式环流，该反气旋性环流引导其南侧的水汽与西侧来自印度洋地区的其西南水汽汇合后输送到我国南方地区，广西东部至湖南南部有一异常西南风距平中心，表明该区域是本次冬汛过程期间西南暖湿气流输送的最强中心。由11月整层水汽输送和水汽输送距平(图 12)表明，由于印缅槽位置偏东，加强了印度洋地区水汽向东亚地区输送，与南海地区异常反气旋式环流南侧来自太平洋地区的水汽汇合，向我国南方地区输送水汽，为我国华南西部至江南地区降水提供了水汽条件。整层水汽输送距平及水汽通量散度异常场图上可以看出，低纬地区的西南水汽明显偏强，水汽分别经西南、正南输送路径将水汽输送东亚地区，在华南西部至日本南部形成一条水汽辐合带，导致上述区域降水偏多，而湖南南部处于水汽辐合带的辐合中心，导致湘南从11月7日开始出现了4次持续性的强降水过程。

为了客观定量分析2015年11月湖南整个区域水汽收支的情况，用“箱体”模型描述湖南水汽收支的特征，定义(25°~30°N、107.5°~115°E)区域为湖南整层水汽收支“箱体”模型计算范围。对湖南1961—2015年11月降水与同期水汽净输入量做相关分析发现，两者相关系数达0.574(通过0.001的显著性水平检验)。2015年11月湖南各边界的水汽收支图(图 13)可知，水汽的净输入量为15.3×10⁶ kg·s^-1，较多年平均偏多13.9×10⁶ kg·s^-1，其中南界输入量大于北界水汽输出量，东界水汽输出量大于西界水汽输入量，这与图 12的结果比较一致。西边界和南边界水汽输入量距平分别为4.1×10⁶和38.6×10⁶ kg·s^-1，东边界和北边界水汽输出量距平分别为13.5×10⁶和15.3×10⁶ kg·s^-1，即南界水汽输入量距平较北界水汽输出量距平更多，西界水汽输入量距平较东界水汽输出量距平更少。统计发现，湖南南部(27.5°N以南)11月降水与同区域(25°~27.5°N、110°~115°E)整层水汽净输入量的相关性更好，二者的相关系数达0.612(通过0.001的显著性水平检验)，该区域的水汽净输入量为18.0×10⁶ kg·s^-1，较多年平均偏多14.0×10⁶ kg·s^-1。

4.3 外强迫因子的可能影响

ENSO作为最强的年际气候信号之一，对我国的气候异常有非常显著的影响。对1961—2015年13个El Niño发展年11月西太平洋副高特征量指数及湖南降水量(表 2)比较分析发现，西太平洋副高强度偏强的年份有6 a，概率为46.2%；脊线位置正常或偏南的年份有10 a，概率为76.9%；西伸脊点位置偏西的有8 a，概率为61.5%；11月降水量偏多的有10 a，概率为76.9%。表 2可以看出20世纪80年代以后西太平洋副高强度偏强、脊线偏南、西伸脊点偏西年份的概率明显增大。

PDO为东北太平洋最显著的年代际变化信号，ENSO与降水关系受到PDO的影响和调控。统计1961—2015年13个El Niño年，其中PDO暖位相发生El Niño的年份有1982、1987、1991、1994和1997年，2015年PDO为正值数(此处将2015年放到PDO暖位相统计)；PDO冷位相发生El Niño事件的年份有1963、1965、1968、1972、2002、2006和2009年。分别对不同PDO位相El Niño年我国南方地区11月降水异常进行合成分析(图 14)发现，PDO暖位相时El Niño年份我国华南西部至江南地区降水异常通过了0.05的显著性水平检验，华南北部至江南南部降水异常偏多达60 m以上，其中广西东北部、湖南西南部部分地区降水异常偏多的中心区域，表明该时期降水明显增多；而在PDO冷位相时El Niño年份我国南方地区降水虽然有所增加，但异常程度明显较PDO暖位相时El Niño年份降水偏少，且异常中心位于华南。

导致这种空间分布形态，可能是在PDO暖位相时的El Niño时期，整个热带西太平洋均为异常高压控制，且异常高压带延伸至印度洋与中南半岛一带，异常反气旋西北侧存在异常的西南水汽输送，将印缅槽前西南水汽及南海地区的转向水汽输送到我国南方地区；而PDO冷位相时的El Niño时期西太平洋地区的高压异常呈现东北—西南向的带状分布，水汽输送向南偏移，主要影响我国南海及华南地区。

监测表明(图 15)，2014年9月开始赤道中东太平洋海表温度距平指数连续6个月达到或超过0.5℃，表明2014年9月开始进入El Niño状态，2015年1月达到事件标准，2015年春季开始不断增强，2015年11月发展至顶峰(峰值强度为2.9℃)，并达到超强El Niño事件标准，累积海表温度距平为19.0℃。2015年8—10月全球海表温度距平分布(图 16a)可以发现，出了海洋性大陆的部分地区海表温度偏低以外，其他的热带印度洋、太平洋地区为异常暖水控制，形成“+-+”的印度洋-太平洋海温联合模态，赤道东太平洋海表温度偏高的程度要明显强于赤道西太平洋，其中日界线以东的赤道太平洋海表温度较常年同期偏高2℃以上，异常暖水中心值超过3.5℃。

采用1961—2015年湖南11月降水量分别与全球8—10月海表温度求相关(图 16b)可以发现，8月显著正相关区主要位于日界线以东的赤道太平洋地区；9月显著正相关区也位于日界线以东的赤道太平洋地区，但范围有所扩大，另外阿拉伯海地区也有一明显正相关区；10月两块显著正相关区明显扩大。通过分析湖南11月降水量与各区域海表温度相关性(表 3)发现，湖南11月降水与8—10月Niño3区、Niño3.4区、Niño C区、Niño Z区海表温度距平指数的相关性通过0.001显著性水平检验，与Niño1+2区、Niño4区海表温度距平指数和IOD指数相关性通过0.05以上显著性水平检验。以上分析表明，当前期赤道中东太平洋及北印度洋海表温度为正异常时，湖南11月降水量偏多。这可能是由于受El Niño影响，赤道太平洋中东部的上升气流强盛，加强了赤道西太平洋的下沉气流，导致西太平洋副高偏强、偏西、偏南，我国南海地区为反气旋环流异常，来自印度洋地区水汽与西太平洋副高南侧的水汽输送偏强，有利于我国南方地区降水量偏多。

射出长波辐射(OLR)是地气系统辐射收支中的重要分量，OLR的值越小，表明云顶温度低，对流发展越强；反之，云顶温度高，对流发展弱。一般在OLR值小的地区，对流发展较高，上升运动强，低层辐合、高层辐散；OLR值大的地区为下沉运动，高层辐合，低层辐散。低纬海洋上空对流活动异常(图 17)表明，11月赤道中东太平洋和印度洋上空的对流活动明显较常年偏强，其中赤道中东太平洋对流活动偏强程度明显超过印度洋上空对流活动；而海洋性大陆地区上空对流活动明显较常年偏弱。我国华南西部至日本南部对流活动较常年明显偏强，使得我国华南西部至江南地区11月降水明显偏多。

对流活动明显偏强有利于上升运动的发展，图 18a表明，2015年11月赤道中东太平洋和印度洋地区上空为强的异常上升运动，而在西太平洋地区上空出现了一个异常下沉气流区，整个赤道印度洋—太平洋上空形成两支异常的反沃克环流圈，这也清楚地反映出典型的El Niño事件发展达到强盛期时低纬热带大气的响应特征，这有利于西北太平洋地区对流层低层反气旋的发展。另外，印度洋暖海温的发展能够激发开尔文波东传(Xie et al，2009)，有利于西太平洋地区对流层低层反气旋式环流的发展加强，该反气旋环流有利于西太平洋副高的加强、西伸(司东等，2008；Yuan et al，2012)。El Niño事件的发生不仅引起热带大气环流的明显异常，而且也通过大气的遥响应而引起中高纬大气环流的明显异常，2015年11月110°~125°E平均经向环流异常(图 18b)表明，中低纬地区存在一反哈得来环流异常，0°~20°N区域上空出现了一个异常下沉气流区，20°~45°N区域上空出现一个异常上升气流区，其中20°~28°N有一倾斜的异常上升气流中心，在异常反哈得来环流的作用下，副高异常增强，西太平洋副高外围辐散流向我国中东部地区，造成该区域强烈的异常辐合，导致该地区持续阴雨天气。

5 结论

本文采用湖南97个气象站点逐日降水资料，结合再分析资料、百项气候系统指数集等，分析了2015年湖南罕见冬汛及其可能成因，主要得出以下结论：

(1) 2015年11月湖南省平均降水量偏多1.6倍，为1961年以来同期第一高位，其中湘东南部分地区降水量超过250 mm，35县(市)降水量破当地有连续气象记录以来同期历史极值，月内共出现5次暴雨过程，分别发生在1日、7—8日、11—12日、17—18日、20—21日。湘中以南23县(市)出现气象洪涝，18县(市)达到极端降水事件标准，湘江中上游出现自1961年以来最大冬汛。

(2) 造成2015年湖南冬汛的成因有湖南11月降水处于偏多的年代际背景之中。而大气环流异常是导致湖南发生冬汛的最直接的原因。2015年11月对流层中层欧亚中高纬呈现两槽一脊分布，西太平洋副高偏强、偏西；对流层低层在南海地区形成一异常反气旋式环流，加强了来自印度洋、太平洋地区水汽向东亚地区输送，为我国华南西部至江南地区降水提供了充沛的水汽，加上西路冷空气配合导致11月降水异常偏多，其中11月湖南水汽的净输入量为15.3×10⁶ kg·s^-1，较多年平均偏多13.9×10⁶ kg·s^-1。月内主要降水时段对应经向环流阶段性偏强，引导冷空气南下影响我国中东部，印缅槽偏强为我国中东部地区降水提供了充沛的水汽，西太平洋副高脊线位置以正常略偏北为主，导致水汽在华南西部至江南辐合。

(3) 在PDO暖位相时发生的El Niño事件可能是湖南降水异常的重要外强迫条件。湖南11月降水与8—10月Niño各区域海表温度距平指数及IOD指数均通过显著性水平检验。赤道中东太平洋和印度洋海表温度异常偏高，导致该区域上空为强的异常上升运动，而在海洋性大陆区域上空出现了一个异常下沉气流区，有利于西北太平洋地区对流层低层反气旋的发展，使得西太平洋副高的加强、西伸。El Niño事件通过大气的遥响应而引起中高纬大气环流的明显异常，南海上空出现了一个异常下沉气流区，我国中东部上空出现一个异常上升气流区，造成该区域强烈的异常辐合，导致该地区持续阴雨天气。