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Climate Change Research Letters
2168-5711
2168-5703
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Articles
地球与环境
2021年5月浙江旱涝急转特征及强降雨过程分析
王丹含
王
凯
翁之梅
高
丽
许之航
陆
桥
台州市气象局，浙江 台州
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2024
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
为探究2021年5月浙江旱涝急转事件发生的原因，利用奇异值分解(Singular Value Decomposition, SVD)分析方法、NCEP/NCAR再分析资料、NOAA海表面温度资料等，分析总结了浙江旱涝异常特征，以及旱涝形势下大气环流、水汽输送和海温背景场等的变化特征。结果表明：1) 2021年5月第5候(第29候)浙江发生了一次较严重的旱涝急转事件，旱涝急转前浙江全省处于严重气象干旱状态，旱涝急转后全省平均降水异常偏多。2) 旱涝急转前后大气环流和水汽条件发生了明显的变化。南亚高压北抬增强，500 hPa西太平洋副高持续加强，高低空急流的垂直耦合使上升运动加强。同时，浙江上空850 hPa西南风持续增强，来自孟加拉湾的水汽输送与副高西侧的水汽辐合增强，为降水提供了有利的水汽条件。3) SVD分析表明，前期秋季赤道中东太平洋海温异常升高，则浙江5月降水很可能会随之增加。
旱涝急转，降水，大气环流，海温
Precipitation
Atmospheric Circulation
Sea Surface Temperature
1. 引言
旱涝急转是由干旱转向洪涝的一种自然现象，通常表现为从一段持续干旱的时期突然转变为易涝的暴雨天气
[1]
。旱涝急转时大量降水可能导致山体滑坡、泥石流、城市内涝等次生灾害，严重影响生产生活和国民经济建设，因此，对其变化的特征进行研究具有重要的意义。近年来，旱涝异常已成为国内外大气科学研究的热点问题。自吴志伟等
[2]
发现长江中下游夏季旱涝急转的发生频率上升以后，诸多学者针对长江中下游旱涝急转事件的成因展开研究，发现中高纬度大气环流快速调整、季风强度的变化、西太平洋副热带高压的快速调整等条件均造成了由旱转涝的现象
[3]
-
[6]
。此外，前期中东太平洋海温与我国东南沿海地区春、夏季降水存在显著的正相关关系，其通过沃克环流影响东亚经圈环流，同时造成近海海温升高，强迫副高位置偏南、强度偏强
[7]
-
[10]
。
进入21世纪以来，浙江省干旱形势有增强的趋势
[11]
。2020年秋冬至2021年春季，浙江降水持续偏少，出现了大面积气象干旱，对当地的农业生产、生活用水等造成了严重影响。据统计，2020年10月1日至2021年2月7日，浙江省降水量为1961年以来同期最少，约90%的气象站出现中度以上气象干旱，超过50%气象站达重旱及以上，干旱面积占其国土面积的80%以上，其中温岭重旱及以上最长连续干旱日数最长达44天
[12]
。而自5月7日入夏以后，浙江省出现了大范围持续性强降雨过程，具有过程频繁、降水时间长、累计雨量大等特点，全省月平均降水量达280 mm，较常年同期偏多超八成，形成了一次明显的旱涝急转过程。为了总结本次旱涝急转事件发生的原因，本文利用再分析资料和海表面温度数据等，分析了旱涝急转前期干旱和后期强降雨过程的时空变化特征，探讨了影响浙江旱涝形势下的大气环流、水汽输送和海温背景场特征，旨在深入认识长江中下游以南非典型地区旱涝急转事件的产生机理，为今后浙江旱涝急转的短期气候预测提供一定的参考依据。
2. 资料和方法
所用的资料包括：1) 1992~2021年浙江省67个国家基准站的逐日降水资料；2) 美国国家环境预报中心(National Centers for Environment Prediction, NCEP)/国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)再分析资料
[13]
，水平空间分辨率为2.5˚ × 2.5˚；3) 美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)提供的向外长波辐射(Outgoing Longwave Radiation, OLR)逐日资料
[14]
，水平空间分辨率为2.5˚ × 2.5˚；4) NOAA提供的高分辨率最优插值海表面温度(Optimum Interpolation Sea Surface TemperatureV2, OISST V2)分析资料
[15]
，水平空间分辨率为0.25˚ × 0.25˚；5) NOAA提供的Niño3.4指数
[16]
。
研究方法：奇异值分解(Singular Value Decomposition, SVD)方法是分析两个气象场耦合形态的一种有效工具，能同时在时间和空间上考虑两个要素场的相互关系
[17]
[18]
。本文采用SVD方法研究太平洋海温距平(左场)对测站降水(右场)的影响，可得到左右场的同性及异性相关系数。对左右场的同性相关系数进行分析，可得到前期海温异常对此次降水异常的某些影响作用。
文中气候平均值以1981~2010年为基准。将一年划分为春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)、冬季(12月~次年2月)四个季节。每月划分为6候，5日为一候，每月26日至最后一日为第6候。
3. 降水时空分布特征
浙江地处我国东南沿海地区，5月强对流多发，而梅汛期、台汛期暴雨洪涝灾害主要集中在6~9月。根据降水资料统计分析，浙江省5月份降水量一般在80~300 mm之间，常年平均降水量为153 mm，约占全年总降水量的10%。2020年10月至2021年1月，浙江降水持续偏少(
图1(a)
)，其中10月、11月和1月的降水量均较常年同期偏少50%以上(
图1(b)
)，形成了较为严重的气象干旱
[12]
。而2~4月，该地区的降水过程较弱，且出现在长期干旱的情况下，不足以缓解前期旱情。进入5月，副热带高压和季风异常调整，西南暖湿气流活跃，旱涝形势发生变化，浙江的降水形势由偏少迅速转为偏多，全省平均降水量达280 mm，较常年同期偏多超八成，其中累计降水量超过250毫米的有38个站，庆元站当月平均降水量位列历史第一。月内浙江一共出现两次大范围持续性强降水过程，分别出现在11~14日和17~23日，其中第二次降水过程强度更强、持续时间更长、影响更广(
图2
)。从全省降水量和距平分布来看(
图3
)，月降水量极值出现在浙西南地区的衢州南部至丽水西部一带；全省5月降水均较常年同期偏多，其中降水偏多最为显著的区域集中在浙中南地区。
图1. 2020年10月至2021年5月浙江(a) 逐月平均降水量(单位：mm)和(b) 降水距平百分率
Figure 2
Figure 2. Daily precipitation in Zhejiang in May 2021 (unit: mm)--图2. 2021年5月浙江逐日降水量(单位：mm)--
![]()
图3. 2021年5月浙江(a)平均降水量(单位：mm)和(b)降水距平百分率分布
为了确定此次旱涝急转事件的转折时间，对该区域的平均降水量进行逐候统计分析(
图4
)。可以看出，2021年1~28候全省平均降水量持续少于气候平均值；从29候(5月21日~25日)开始降水形势发生变化，由28候较常年偏少22 mm左右急剧转为较常年偏多22 mm左右，且降水形势持续发展，5月下旬至6月降水量持续偏多。由此可以确定，在2021年初夏浙江发生了一次旱涝急转事件，这一事件的转折时间点为第29候。
Figure 4
Figure 4. Cumulative pentad-mean precipitation from 1st to 36th pentad in 2021 in Zhejiang (unit: mm)--图4. 2021年第1~36候浙江逐候平均累计降水量(单位：mm)--
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4. 2021年5月浙江旱涝急转成因分析
4.1. 对流层中低层环流形势的转变
旱涝急转的发生必然对应着干旱、稳定的环流形势的崩溃和调整。为了探究2021年浙江旱涝急转前后大气环流的变化，分析了对流层中低层大气环流及异常特征。
图5
给出了2021年第1~31候西太平洋副高平均面积指数、强度指数、脊线位置和西伸脊点指数的变化。可见，第1~23候副高平均面积指数和强度指数均由较常年偏强转为偏弱，副高位置较气候平均态偏北，但其西伸脊点指数与气候平均态接近，无法将充足的水汽输送到长江中下游地区，导致浙江降水偏少。第24候起，副高面积指数和强度指数明显增强，并在第30候达气候平均态的两倍以上，而脊线位置持续偏北，西伸脊点较气候平均态偏西，即副高西伸北抬，强度异常偏强，使得浙江长时间处于副高北侧不稳定区域，有利于降水过程频繁发生。
图5. 2021年1~31候逐候西太平洋副热带高压(a) 面积指数、(b) 强度指数、(c) 脊线位置和(d) 西伸脊点指数
图6
、
图7
分别给出了第26~29候500 hPa平均位势高度及其距平场和850 hPa平均位势高度及风场的逐候分布特征。第26候(
图6(a)
)中高纬度槽脊强度均较常年同期显著偏强，西西伯利亚平原上空的高压脊异常深厚，贝加尔湖东侧冷涡建立；东亚大槽主要位于30˚N以北地区，冷空气活动对长江中下游一带的影响较弱，副高强度较气候平均态偏强，面积偏大。结合
图7(a)
，浙江上空的西南气流较弱，不利于降水的发生。在第27候(
图6(b)
)乌拉尔山地区高压脊显著增强，阻塞形势明显，贝加尔湖东侧槽偏强，南海至东北亚为大范围高度正异常区，副高北抬至浙闽交界，孟加拉湾低槽的强度与气候态接近，水汽输送条件较前期转好；副高北侧的西南暖湿气流与南支槽前的西南暖湿气流汇合，浙江位于副高西北侧边缘。结合
图7(b)
，浙江位于暖切南侧西南急流出口区附近，西南风显著增强，高低层配置向有利于降水的方向转变。而第28候(
图6(c)
)贝加尔湖上空的高空槽继续加深形成较强的冷涡，其后侧有冷空气南下；孟加拉湾北侧、东北亚地区至西北太平洋一带均为高度正异常区；副高继续加强西伸呈带状，5880 gpm位势高度等值线西伸至80˚E附近，副高北侧的西南气流与南下的冷空气在长江中下游持续交绥；而850 hPa (
图7(c)
)苏皖北部与华南地区均有切变线发展，低空急流轴位于东海至日本南部一带，浙江上空的强西南风维持，降水条件较好。第29候(
图6(d)
)贝加尔湖上空冷涡继续维持，副高北界在浙闽交界附近；而850 hPa (
图7(d)
)冷空气持续补充南下，且孟加拉湾附近西南涡发展，水汽输送条件较好，浙江上空冷暖空气交汇，造成持续的强降水天气。
图6. 2021年500 hPa平均位势高度和距平场：(单位：dagpm) (a) 26候，(b) 27候，(c) 28候，(d) 29候。红色实线表示5880 gpm气候态；阴影区表示距平场；三角符号标注区域表示通过0.05的显著性水平检验
图7. 同
图6
，但为850 hPa平均位势高度场(单位：dagpm)和风场(单位：m∙s− 1 )
4.2. 高空环流形势的转变
南亚高压是夏季位于青藏高原对流层上层强大的暖性高压系统，与西太平洋副高联系密切，其强弱和位置振荡对我国春夏季长江流域降水有显著的影响
[19]
[20]
。
图8
给出了第26~29候100 hPa平均位势高度场和200 hPa风场的逐候分布特征。可见，第26~27候(
图8(a)
、
图7(b)
)南亚高压偏南，强度偏弱，高空西风急流中心风速最大的区域分为两段，东段位于蒙古高原至西北太平洋上空，西段位于伊朗高原至青藏高原上空，浙江位于急流出口区附近，不利于降水的发生。而第28候(
图8(c)
)南亚及东亚至西北太平洋上空出现大范围高度正异常区域，南亚高压中心强度偏强，脊线位于20˚N左右，西风急流随之北抬增强，影响长江中下游地区；浙江位于急流轴南侧、南亚高压的东北侧，对流层高层辐散作用明显，从而加强了高低空急流耦合形成的抽吸作用，有持续的降水发展。第29候(
图8(d)
)南亚高压异常偏强，控制我国南方大部地区，浙江上空对流层高层辐散显著增强，上升运动发展导致降水增多、强度增强。
图8. 同
图6
，但为100 hPa平均位势高度、距平场(单位：dagpm)和200 hPa风场(单位：m∙s− 1 )
4.3. OLR和水汽输送形势的转变
由卫星观测到的射出长波辐射(OLR)是地球大气系统在大气层顶向外空辐射出去的所有波长的热辐射能量密度(单位：W∙m−2 )，其大小主要由发射下垫面的温度决定。OLR资料能较好地反映热带大气中大规模的上升和下沉区，大规模气流的上升运动又伴随着对流，因此已被广泛运用于表征对流发展活动的强弱
[21]
-
[23]
。对第26~29候OLR距平场和600 hPa以下低层平均水汽通量的逐候分布特征(
图9
)进行分析，第26候(
图9(a)
)西太平洋副高的下沉区位于105˚E以东地区，副高区内的OLR正距平超过40 W∙m−2 ，浙江上空为负距平区，有较弱的上升运动；孟加拉湾向长江中下游地区的水汽输送较弱，不利于降水发生。在第27候(
图9(b)
)来自孟加拉湾的水汽输送显著加强，同时与副高西侧的水汽辐合有所增强，为降水提供了有利的水汽条件；浙江地区上升运动增强，有利于低层水汽的辐合上升运动，且位于副高西北侧强对流区，对流活动增强。而第28~29候(
图9(c)
、
图9(d)
)北方冷空气过境较干，副高加强西伸，副高区内的OLR正距平值达到了45 W∙m−2 以上，下沉运动显著；北侧形成一条较强水汽输送带，水汽条件继续转好；浙江的上升运动进一步加强，距平值为−35 W∙m−2 左右，对流旺盛，降水形势持续。
图9. 同
图6
，但为OLR距平场(阴影，单位：W∙m− 2 )和600 hPa以下低层平均水汽通量(矢量，单位：kg∙m− 1 ∙s− 1 )
5. 旱涝急转前后海温背景场特征分析
5.1. 海温背景场特征分析
海温是影响大气环流最重要的外强迫因子，其异常变化能激发出显著的响应，进而影响降水的产生，因此旱涝急转事件的研究需要对前期海温场特征进行分析。依据《厄尔尼诺/拉尼娜事件判别方法》国家标准，当Niño3.4区三个月滑动平均海表温度低于气候平均态0.5℃时，即进入拉尼娜状态，持续5个月以上便形成一次拉尼娜事件。由
图10
可以发现，2020年10月~2021年5月Niño3.4区滑动平均指数均低于−0.5℃，形成了一次拉尼娜事件。此次拉尼娜事件于2020年10月爆发，在12月达到峰值后开始减弱，在2021年6~8月最弱，之后再度加强，而浙江的旱涝急转发生在拉尼娜事件减弱期间。
Figure 10
Figure 10. Time series of Niño3.4 index from January to September 2021 (unit: ˚C). Solid line: three-month moving average of SST anomalies--图10. 2021年1月~2021年9月Niño3.4指数(单位：℃) (实线为三个月滑动平均海温距平)--
![]()
图11
为前秋(2020年9~11月)、前冬(2020年12月~2021年2月)和春季(2021年3~5月)海温距平场分布图。前期秋冬季赤道中东太平洋为显著的负海温异常，而赤道西太平洋受正异常海温控制，呈典型的拉尼娜年(
图11(a)
、
图11(b)
)。而在进入春季之后，赤道东太平洋负异常海温明显减弱，且负值区的范围缩小，南北太平洋副热带区域正距平范围也较冬季有所减小，拉尼娜事件逐步减弱(
图11(c)
)。
Figure 11
Figure 11. Distribution of SST anomalies (unit: ˚C) (a) from September to November 2020, (b) from December 2020 to February 2021, and (c) from March to May 2021. Dotted areas indicate the values passing 0.05 significance level--图11. 海温距平分布(单位：℃)：(a)2020年9~11月、(b)2020年12月~2021年2月，(c)2021年3~5月。打点区域表示通过0.05的显著性水平检验--
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图12
为前秋(2020年9~11月)、前冬(2020年12月~2021年2月)和春季(2021年3~5月)风场距平的垂直分布图。2020年秋季至冬季赤道太平洋150˚E以西区域上升运动有所增强，同时150˚E以东异常下沉运动增强，从低层延伸到对流层高层，下沉运动中心在400~600 hPa (
图12(a)
、
图12(c)
)，可见大气对拉尼娜事件有明显响应，沃克环流增强。西太平洋沃克环流上升气流的加强迫使整层气压降低，不利于副高的向西扩展
[3]
[20]
。秋季浙江(118˚E~123˚E)西部有较弱的上升运动，而冬季浙江位于海洋上升运动和大陆下沉运动的异常区域，不利于降水的发生(
图12(b)
、
图12(d)
)。进入春季，由于海温影响的滞后性，160˚W以东的赤道东太平洋区域仍表现为异常下沉运动，但下沉运动显著减弱，而160˚E~160˚W赤道太平洋区域异常上升运动，此时浙江处于上升运动异常区，有利于降水产生(
图12(e)
、
图12(f)
)。
Figure 12
Figure 12. The longitude-height profiles of ω (shaded areas, unit: Pa∙s−1) and the wind field anomaly composition of u and ω (vectors, unit: m∙s−1) over equatorial Pacific Ocean between 5˚S and 5˚N ((a), (c), (e)) and the area between 25˚N to 32.5˚N ((b), (d), (f)) from September to November 2020 ((a), (b)), from December 2020 to February 2021 ((c), (d)), and from March to May 2021 (e, f)--图12. 2020年9~11月((a)、(b))、2020年12月~2021年2月((c)、(d))和2021年3~5月((e)、(f))赤道区域5˚S~5˚N ((a)、(c)、(e))和25˚N~32.5˚N区域((b)、(d)、(f))的ω (阴影，单位：Pa∙s−1)与ω及u风场距平合成(矢量，单位：m∙s−1)的经度–高度剖面图--
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5.2. SVD分析
通过分析1992~2021年5月浙江省降水距平百分率(
图13
)可知，浙江5月降水量的年际分布不均匀，降水序列波动性较大。1996年、1997年、2007年、2011年浙江省5月降水较气候平均偏少四成以上，而1993年、2006年、2016年、2021年降水较气候平均偏多四成以上；其中2021年降水偏多最为明显，较常年同期偏多超八成，形成了一次极端降水事件。因此，对2021年5月浙江降水与太平洋海温开展SVD分析，其结果可能对今后降水量异常的预测存在潜在意义。
Figure 13
Figure 13. Percentage of precipitation anomaly in Zhejiang in May from 1991 to 2021--图13. 1991~2021年5月浙江降水距平百分率--
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以太平洋海温为左场，浙江省国家站5月平均降水为右场，左场时间序列长度为1991/1992~2020/2021年，右场时间序列长度为1992~2021年，对海温场和降水场进行如下的SVD分析：1) 以前期秋季(9~11月平均)海温为左场，5月平均降水量为右场；2) 以前期冬季(12~2月平均)海温为左场，5月平均降水量为右场；3) 以同期春季(3~5月平均)海温为左场，5月平均降水量为右场。
表1
给出了三种耦合方案前两对模态的平方协方差贡献率及同一模态左右场之间的相关系数。通过比较发现，前期秋季太平洋海温异常同浙江省5月降水的关系相对最显著，其前两对模态的累计平方协方差贡献率最高，达到了82.5%，表明秋季太平洋海温异常对浙江省5月降水的影响具有相对明确的指示意义，因此下文主要分析前期秋季太平洋海温同浙江省5月降水的耦合模态。各模态左右场间相关系数均通过了0.05的显著性水平检验，说明各模态左右场之间存在较好的响应关系。显而易见，第一模态为最主要模态，反应海温异常对浙江降水的最主要影响。
Table 1
<xref></xref>Table 1. The percentage (%) of the squared covariance explained and correlation coefficient of the first two coupled modesTable 1. The percentage (%) of the squared covariance explained and correlation coefficient of the first two coupled modes 表1. 前两对模态的平方协方差贡献率(%)及相关系数
模态
耦合1
耦合2
耦合3
平方协方差贡献率/%
相关系数
平方协方差贡献率/%
相关系数
平方协方差贡献率/%
相关系数
1
75.0
0.587
65.8
0.545
68.6
0.548
2
7.5
0.587
14.2
0.693
12.1
0.761
通过对浙江省5月降水与前期秋季太平洋海温之间SVD第一模态同性相关系数的分析可以发现，太平洋海温与浙江5月降水间存在明显相关关系(
图14(a)
)，西北太平洋和20˚S左右的南太平洋区域呈现负值区，而赤道中东太平洋、北太平洋高纬度区域以及南太平洋中东部区域为大范围的正值区，尤其是赤道中东太平洋的同性相关系数绝对值最大可达0.8以上。相应地，浙江5月降水呈现出一致的正值分布(
图14(b)
)，存在大范围的高相关区，浙北南部至浙南北部高响应区的同性相关系数绝对值可超过0.8。由于显著相关区主要位于赤道中东太平洋，因此第一对耦合模态可以表明，如果前期秋季赤道中东太平洋海温异常升高(降低)，则浙江省5月降水很可能会随之增加(减少)。
图14. 前期秋季太平洋海温(a)与浙江省5月降水(b)的SVD分解第一模态同性相关系数空间分布。左图中打点区域表示通过0.05的显著性水平检验
根据SVD第二模态同性相关系数空间分布(
图15
)，西北太平洋和南太平洋中西部区域均呈现显著的负相关响应，而赤道中东太平洋及160˚W以东、40˚S以南的南太平洋东部区域表现为正相关响应，其中显著相关区主要位于西北太平洋和南太平洋中西部区域。降水距平相关系数分布显示，浙江降水以中部为界，北部地区为负值区，南部地区为正值区，尤其浙北北部和浙东南沿海地区同性相关系数绝对值达0.5以上。说明当前期秋季西北太平洋和南太平洋中西部区域海温异常偏高(低)，浙江北部地区5月降水有增加(减少)的趋势，而南部地区降水有减少(增加)的趋势。
图15. 前期秋季太平洋海温(a)与浙江省5月降水(b)的SVD分解第二模态同性相关系数空间分布。左图中打点区域表示通过0.05的显著性水平检验
从以上分析可以看出，前期秋季太平洋影响浙江5月降水的关键区主要在赤道中东太平洋。前期秋季赤道中东太平洋海温异常升高(降低)，则浙江省5月降水很可能会随之增加(减少)。另外，西北太平洋和南太平洋中西部区域的海温与浙江省5月降水存在一定的相关关系。
6. 结论与讨论
本文利用SVD分析方法和NCEP/NCAR再分析资料、NOAA海表面温度等数据资料，对旱涝急转前期干旱和后期强降雨过程的时空变化特征进行分析，同时探讨了影响浙江旱涝形势下的大气环流、水汽输送和海温背景场特征，得到以下结论：
1) 2021年5月第5候(第29候)浙江发生了一次较严重的旱涝急转事件。旱涝急转前，浙江全省处于严重气象干旱状态；旱涝急转后，全省平均降水异常偏多。
2) 旱涝急转前后大气环流和水汽条件发生了剧烈的变化。南亚高压北抬增强，500 hPa副高持续加强，高低空急流的垂直耦合使上升运动加强。同时，浙江上空850 hPa西南风持续增强，来自孟加拉湾的水汽输送与副高西侧的水汽辐合增强，为降水提供了有利的水汽条件。
3) SVD分析表明，前期秋季赤道中东太平洋为此次旱涝急转事件的关键区。前期秋季赤道中东太平洋海温异常升高(降低)，则浙江省5月降水很可能会随之增加(减少)。另外，西北太平洋和南太平洋中西部区域的海温与浙江省5月降水存在一定的相关关系。
需要指出的是，影响旱涝的因素非常复杂，本文对旱涝急转事件的原因分析还不够全面，为探究其产生的更深层次原因还有待进一步的诊断分析和数值模拟。SVD的分析仅针对此次事件，其结果对今后类似事件降水预报的参考意义还需使用多年资料进行验证分析。另外，本文仅对浙江的旱涝急转事件进行探讨，对长江中下游地区的旱涝急转分析未深入进行，后续将结合过往的旱涝急转事件进一步分析研究。
基金项目
台州市气象科技计划项目(2021QN04)。
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