2020年浙江省梅雨異常的大尺度特征及不穩定條件分析*

劉圣楠 呂 健 劉漢華 姜嘉俊 黃嘉儀

(1.金華市氣象局,浙江 金華 321000;2.浙江省氣象臺,浙江 杭州 310017;3.寧波市氣象臺,浙江 寧波 315012)

0 引 言

梅雨是東亞夏季風向北推進的產物[1]。長江中下游地區由于不同年份大尺度環流的熱力和動力特征以及梅雨鋒結構等的差異,導致梅雨的持續時間長短和降雨量多寡不一[2]。對于梅雨異常成因,學者們開展了許多有意義的研究[3-8]。

近年來,引發暴雨的中尺度系統結構受到廣泛關注和深入研究[9]。Gao等[10]通過實例分析證明了濕位渦(MPV)異常可以較為準確地預報暴雨落區。梅雨鋒上的極端暴雨與大氣不穩定性緊密相關,研究表明鋒面上的濕條件性對稱不穩定(CSI)加強了鋒面次級環流,可產生中尺度雨帶,極易引起暴雨增強[11]。Hoskins[12]、Bennetts等[13]討論了MPV與CSI之間的關系,認為當大氣滿足垂直方向對流穩定和水平方向慣性穩定時,MPV<0是CSI存在的必要條件。黃明策等[14]在研究中國東部夏季風雨帶向北推進與條件性對稱不穩定的關系時,構建了一個與MPV有關的指數,發現其與梅汛期暴雨關系密切。

根據國家氣候中心梅雨監測標準,將浙江省中北部地區49個站定為梅雨指標站,2020年浙江省中北部梅雨總量為1951年以來第一位。2020年梅汛期內暴雨過程頻繁,比如6月30日夜里浙江省中部地區出現區域性大暴雨天氣,造成中小河流洪水和人員傷亡,又如7月7日新安江流域的大暴雨過程導致新安江水位持續上漲,在7月8日達歷史最高水位(108.39 m),超浙江省梅控水位1.89 m。新安江水庫建庫61 a來于2020年7月8日首次開啟9孔泄洪,暴雨強度之強超乎預計。本文旨在通過對大尺度環流形勢和物理量場的分析,揭示2020年浙江省梅汛期異常降水成因,以期加深對浙江省梅汛期暴雨形成機理的理解與認識,提高梅汛期暴雨的預報能力。

1 梅雨概況

2020年浙江省于5月29日入梅,7月18日出梅。呈現出梅期時間長(入梅早、出梅晚)、梅雨總量大、暴雨過程多、強降雨區重疊等共4個特點。浙江省常年入梅時間為6月10日,2020年入梅時間偏早12 d;常年出梅時間為7月10日,2020年出梅時間偏晚8 d;常年梅雨期日數30 d,2020年偏多20 d。根據國家氣象觀測站統計資料可知,5月29日08時至7月18日08時,全省平均面雨量為548 mm,其中浙中北梅雨量為633 mm,為1951年以來歷年梅雨量第一位(第二位為1954年623 mm),最大市面雨量為衢州市873 mm,有29個縣(市、區)平均面雨量超過600 mm,最大為開化1 151 mm,單站最大為開化齊溪鎮錢江源站1 493 mm,新安江庫區(含安徽段)總雨量達1 065 mm,比常年偏多近2倍。

從5月29日—7月17日浙江省面雨量逐日演變可以發現,2020年梅汛期浙江省共出現9輪較大范圍的強降雨過程,分別出現在5月29—30日、6月2—6日、6月10—11日、6月19—22日、6月24—27日、6月29—30日、7月2—4日、7月6—10日、7月15—16日。

2 環流特征

2.1 對流層高層環流特征

南亞高壓東伸北抬是浙江省進入梅汛期的重要信號[1]。從120°E脊線位置演變可知,5月29日—7月17日南亞高壓脊線一直維持在20～25°N,特別是6月10日起南亞高壓脊線穩定在25°N附近。浙江省位于南亞高壓東北部,為高空強輻散區,有利于上升運動發展,進而產生強降水。與常年平均相比,2020年梅汛期南亞高壓脊線位置明顯偏北且強度明顯偏強,其北抬日期也比常年提前,有利于浙江省提前入梅。

2.2 對流層中層環流特征

西太平洋副熱帶高壓(簡稱副高)是影響梅雨的重要行星尺度天氣系統,它的異常對梅雨異常有重要影響。與常年平均相比,西太平洋副熱帶高壓北抬偏早且強度偏強(圖略),是2020年浙江省入梅偏早且梅雨異常偏多的重要原因之一。對比2020年浙江省梅汛期與常年同期的歐亞地區500 hPa位勢高度場和距平場可以發現,2020年梅雨期間,中高緯50～70°N阻高呈現明顯的雙阻型,西阻高位于烏拉爾山以西、東阻高位于雅庫茨克附近,兩個阻高之間是寬廣的低壓槽;中緯度35～40°N為較為平直的西風帶,低緯度30°N以南的廣大地區為副熱帶高壓所在地區。由2020年與1990—2019年30 a平均位勢高度場相減得到距平場可以發現,常年同期的500 hPa位勢高度場上阻高偏弱、副高偏弱,90～150°E、30～60°N區域出現負距平,表明該地區2020年梅雨期間低壓槽等低值系統較30 a同期平均更強,有利于北方冷空氣南下;而副高偏強則有利于暖濕氣流輸送。2020年冷、暖氣流相互作用更強,是造成梅雨異常偏多的重要原因。

2.3 對流層低層環流特征

從夏季風進退的角度可以發現,5月29日開始夏季風明顯向北推進且強度加強,對應梅雨期開始,此后一直到7月17日都維持強盛的西南季風(圖1a),7月18日之后西南季風明顯減弱南退,對應梅雨期結束。西南季風有利于將熱帶和副熱帶暖濕氣流向北輸送,有利于暴雨產生。與常年平均(圖1b)相比,2020年梅汛期內夏季風北跳時間(5月下旬)明顯早于常年(6月上旬),且西南風風速也較常年明顯偏大,使得入梅偏早;此外，還可發現,2020年夏季風南退時間(7月下旬后期)明顯晚于常年(7月中旬后期),這與出梅偏晚密切相關。2020年入梅早、出梅晚,造成梅期長、累計雨量大。

圖1 5月20日—7月31日沿117.5～122.5°E平均的850 hPa經向風速(陰影)及風矢量(箭頭,單位:m/s)的緯度—時間剖面(a.2020年、b.1990—2019年30 a平均)

冷暖氣流匯合才能鋒生,并有利于產生多尺度的上升運動,進而造成暴雨。如果說低緯度夏季風能較好地表征暖氣團,那么沿30°N的117.5～122.5°E平均經向風能較好地表征中高緯度冷氣團(圖2),2020年浙江省梅雨期間,冷空氣活動頻繁,且冷空氣強度較常年明顯偏強。季風涌北上(圖1)以及冷空氣活動(圖2)有利于梅雨鋒維持,而副熱帶高壓穩定又使梅雨鋒位置移動少,使強降雨頻繁出現在浙江一帶。

圖2 5月20日—7月31日沿30°N的117.5～122.5°E平均經向風速(單位:m/s)高度—時間剖面(a.2020年、b.1990—2019年30 a平均)

3 物理量場

3.1 水汽與動力條件

水汽輸送通道的建立對暴雨的形成具有十分重要的作用,主要的水汽輸送來源為對流層低層(或邊界層)。本文分析了925 hPa水汽通量散度的演變特征。從圖3可以看出,27～31.5°N存在多個水汽通量大值中心,與強降水區對應較好,強的水汽輻合對應著9輪明顯的降水過程。比如6月19—22日的強降水時段對應著29°N附近(1.2～1.6)×10-8g/(s·cm2·hPa)的強水汽通量輻合區。疊加垂直速度發現,水汽通量輻合區與上升運動大值區對應得很好,水汽通量輻合中心正好對應強上升運動區。水汽源源不斷地輸送至暴雨區并集中、輻合、向上抬升凝結,使浙江省出現多次暴雨天氣過程。

圖3 2020年5月20日—7月31日沿118～122°E平均的925 hPa水平方向水汽通量散度(陰影,單位:10-9 g/(s·cm2·hPa))和垂直速度(虛線,單位:-10-1 Pa/s)緯度—時間剖面

梅汛期暴雨與中尺度系統活動關系密切,中尺度系統活動是造成暴雨的直接原因。廣義對流渦度矢量結合了渦度矢量和廣義位溫梯度,能較好地表征深對流系統的發展[15];對流渦度矢量垂直分量與非絕熱加熱項密切相關,對流渦度矢量垂直分量可用來診斷與中尺度對流系統有關的梅雨鋒鋒生及其相關的暴雨過程[16]。

2020年梅雨期間,由于長江中下游梅雨主雨帶總體偏北,廣義對流渦度矢量垂直分量的主要大值帶位于30°N以北地區(圖4),但是可以發現在浙江省緯度范圍內27～31.5°N,存在多個廣義對流渦度矢量垂直分量的大值中心,這說明2020年梅雨期間,中尺度對流系統活動較頻繁,它們對浙江省梅汛期暴雨的形成有著直接影響。

圖4 2020年5月20日—7月31日沿118～122°E平均的廣義對流渦度矢量垂直分量垂直積分(單位:10-5 K/s)的緯度—時間剖面

衛星觀測的OLR(向外長波輻射)資料能很好地反映大規模的上升和下沉區,為了解低緯度地區的大氣特征及中尺度對流活動提供許多有用的信息[1]。實時OLR產品可以反映觀測地區對流活動的強弱,與云量分布有較好的一致性[17-18]。圖5為2020年梅汛期平均的OLR水平分布及其距平。由圖5可知,我國東南沿海至日本南部為明顯的OLR低值區,尤其是蘇皖浙3省交界附近存在一個OLR低中心(190～200 W/m2),比常年同期偏低18～24 W/m2,表明蘇皖浙地區云系多、對流活躍,旺盛的對流活動有利于強降水產生,導致梅雨量偏多。

圖5 2020年5月29日—7月17日平均的向外長波輻射(OLR)[a.水平分布、b.距平(單位:W/m2)]

3.2 熱力與不穩定條件

不穩定條件對暴雨的產生具有十分重要的作用。學者們多用假相當位溫(θse)表征大氣不穩定度。由沿120°E的θse高度—緯度剖面(圖略)可知，30°N附近存在θse密集區,對應著梅雨鋒,鋒區南側為344 K以上的暖濕蓋,800 hPa附近θse隨高度的增加而遞減,為不穩定層結,有利于短時暴雨出現。

濕位渦(MPV)是綜合了熱力學和動力學特征的組合物理量,可以表征大氣不穩定性。MPV可以分為垂直項MPV1和水平項MPV2之和,分別代表濕正壓和濕斜壓過程,表達式為:

(1)

(2)

當MPV1<0且MPV2<0時,條件對稱不穩定往往與對流不穩定共存,這時垂直對流和傾斜對流均能發生;當同時滿足MPV<0、MPV1>0、MPV2<0時,則單純條件對稱不穩定產生[19]。分析逐日的MPV、MPV1和MPV2分布特征(圖6)可以發現,對流層中低層MPV負值主要由MPV1貢獻,梅雨期間大氣中低層不穩定性以對流不穩定為主;同時,MPV2對MPV貢獻雖小,但在整個梅雨期間,絕大多數時間MPV2小于0,說明梅雨期間條件對稱不穩定與對流不穩定共存,對流形式既有垂直對流又有傾斜對流。

4 結 語

本文利用美國國家環境預報中心(NCEP)再分析資料、美國國家大氣海洋局向外長波輻射(NOAA OLR)衛星觀測資料和浙江省常規氣象觀測資料,從大尺度環流形勢、動力和熱力條件、水汽條件以及不穩定性等方面,對2020年浙江省梅汛期異常強降水成因展開分析,得到以下結論。

(1)2020年浙江省于5月29日入梅,7月18日出梅;入梅偏早12 d,出梅偏晚8 d,梅期偏多20 d,暴雨過程頻繁(共出現9次較大范圍的強降雨過程),強降雨區重疊,梅雨總量異常偏多。

(2)200 hPa南亞高壓及500 hPa西太平洋副熱帶高壓東伸北抬偏早、西南夏季風加強北涌偏早共同造成2020年浙江省入梅偏早;而南亞高壓、西太平洋副熱帶高壓和西南夏季風穩定維持使梅期偏長且出梅偏晚。

(3)2020年梅雨期間,500 hPa中高緯度呈“雙阻型”,中緯度平直西風帶中多短波槽活動,異常強盛的西南夏季風輸送來的暖濕氣流與北方活躍的干冷空氣多次相互作用、匯合鋒生,加上南亞高壓、西太平洋副熱帶高壓等行星尺度天氣系統穩定維持,使暴雨區在浙江省維持,導致梅雨異常偏多。

(4)從動力和水汽條件來看,2020年浙江省梅雨期間廣義對流渦度矢量存在大值中心以及向外長波輻射(OLR)異常偏低，說明浙江省上空對流活動多是造成強降雨的重要原因之一。水汽通量輻合區和強上升運動中心基本重疊,且與強降雨對應較好,9次強的水汽通量輻合和強烈發展的上升運動對應著9次明顯的降雨過程。

(5)從熱力和不穩定條件來看,2020年浙江省梅雨期間南方暖濕氣團與北方干冷氣團頻繁匯合有利于梅雨鋒的形成及維持,同時上干冷下暖濕的對流性不穩定層結有利于對流發展。對流層中低層濕位渦(MPV)負值主要由垂直項(MPV1)貢獻,梅雨期間大氣中低層不穩定性以對流不穩定為主;同時,在整個梅雨期間,絕大多數時間MPV2小于0,說明梅雨期間條件對稱不穩定與對流不穩定共存,對流形式既有垂直對流又有傾斜對流。