2015-2019年長三角地區高空“干”過程大氣水汽含量時空分布特征及天氣分型

高溪遠

(南京信息工程大學，中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，南京 210044)

0 引言

在全球變暖背景下長三角地區的氣候發生了明顯變化，極端異常氣候事件發生頻數增加[1]。近幾年，長三角地區干旱災害頻發，對人們的生活和社會經濟發展造成了巨大影響。高空相對濕度較低，水汽量較少，是干旱形成的重要原因之一[2]。而大氣中水汽的分布結構和時空變化特征決定著干旱事件的發生，故而了解長三角地區在高空水汽極少情況下其水汽含量的時空分布特點和天氣形勢的變化情況對長三角地區干旱災害的發生和極端事件的相關研究有一定的參考價值，對長三角地區經濟建設發展及可持續發展起到了積極的作用。

垂直探空觀測中出現的對流層中下層相對濕度較低、大氣異常偏干的現象不是個別現象，具有相當的普遍性[3]。在1992年11月-1993年2月熱帶海洋全球大氣耦合響應試驗(TOGA COARE)加強觀測期間(IOP)，研究學者就發現了在赤道西太平洋海域上空對流層中下部頻繁出現空氣極度干燥、相對濕度極低的現象[4]。高空“干”過程還對溫室效應[5]、對流活動[6]、大氣輻射[7]及云的發展[8]有著重要影響。我國對于高空“干”過程的系統分析較少。張宇對新巴爾虎左旗國家級氣象站觀測到的低濕觀測結果進行分析發現，低濕觀測值的出現與冷空氣活動相關[9]。唐南軍等人認為，我國對流層中下層出現偏干情況并非異常現象，在中國西南和東部沿海地區出現的概率約為20%～40%，且具有明顯的季節變化特征[10]。目前，國內研究學者對高空“干”過程處于初步分析階段，對其高空水汽含量時空分布特征沒有進行詳細描述，對高空“干”過程中的天氣分型研究較少。

針對以上不足，選取ERA5資料和MICAPS資料，對2015-2019年我國長三角地區高空“干”過程發生時的大氣水汽含量基本特征進行分析，利用主觀天氣分型方法應用天氣學原理對高空“干”過程的天氣形勢進行分類和統計，探究不同天氣形勢下氣流輸送對此過程發生發展的影響，為長三角地區干旱研究、預防旱澇災害提供理論依據，對天氣演變機制相關研究有一定的參考價值。

1 資料與方法

基于ECMWF提供的空間分辨率0.25°×0.25°、時間分辨率為1 h的ERA5 資料，選取我國范圍內2015-2019年800～300 hPa氣壓層比濕數據，計算大氣水汽含量。采用2015-2019年逐日08、20時的MICAPS氣象信息綜合分析處理系統的高空填圖數據，對700 hPa高度上影響長三角地區的天氣形勢進行歸類分析。

大氣水汽含量表示假設整個空氣柱中的水汽凝結時所能得到的液態水汽量[11]，公式為：

(1)

式中：W為單位面積上整層大氣的總水汽含量，q為比濕，g為重力加速度，Px和P分別為底層氣壓和頂層氣壓，單位為mm。

2 2015-2019年長三角地區高空“干”過程基本特征

據國家氣象中心下發的《中尺度天氣圖分析技術規范》對高空干區的定義，將發生在1 000～400 hPa、氣層相對濕度<20%、持續48 h以上的低濕過程定義為高空“干”過程，這一標準與前人的定義一致[12]。

統計長三角地區2015-2019年高空“干”過程的發生情況(結果如表1所示)，可以看出5年間高空“干”過程的發生次數分別為6、13、13、13、11次，沒有顯示一致的變化趨勢，發生次數也波動變化，即高空“干”過程不具備明顯的年際變化特征。高空“干”過程具有明顯的季節變化特征，根據表格可以看出長三角地區2015-2019年夏季6、7、8月份沒有發生高空“干”過程，春、秋、冬三季高空“干”過程發生頻率較為相近，每季分別發生了共計17、19、20次。高空“干”過程在春、秋、冬三季的生命周期分別為70.5 h/次(約為3 d/次)、117.6 h/次(約為5 d/次)、99.6 h/次(約為4 d/次)，其中秋季高空“干”過程生命周期持續時間最久。

表1 長三角地區2015-2019年高空“干”過程發生次數Tab.1 Frequencies of upper-air “dry” process in Yangtze River Delta from 2015 to 2019

3 2015-2019年長三角地區的高空“干”過程大氣水汽含量時空分布特征

研究表明，我國空中大氣水汽含量的時空分布具有明顯的季節變化特征[13]。根據ERA5數據，對2015-2019年長三角地區不同季節和發生高空“干”過程時的平均大氣水汽含量分別進行了計算，其中由于夏季未發生高空“干”過程，不再對其進行分析。

3.1 春季高空“干”過程大氣水汽含量分布特征

圖1所示為春季3-5月800～300 hPa大氣水汽含量分布。由圖1(a)可知，2015-2019年春季平均大氣水汽含量明顯高于“干”過程大氣水汽含量，長三角地區北端水汽含量約為5 mm左右，整體水汽分布從北至南梯狀遞增，在32°N附近已經增加至20 mm以上，安徽南部和浙江省的水汽含量均在25～30 mm，高值區位于長三角地區西南方向。由圖1(b)可以看出，高空“干”過程發生時大氣中水汽含量極小，接近0值，與季節平均水汽含量相差較大，其分布特征與季節平均分布特征有所不同，干區域呈西北-東南走向分布，西南方向水汽略高于東北地區，西南地區水汽含量約為6 mm左右。

(a)季節平均 (b)高空“干”過程期間圖1 春季長三角地區800～300 hPa大氣水汽含量分布Fig.1 Distribution of 800～300 hPa atmospheric moisture content in spring in Yangtze River Delta

3.2 秋季高空“干”過程大氣水汽含量分布特征

圖2所示為秋季9-11月800～300 hPa大氣水汽含量分布。由圖2(a)可知，2015-2019年秋季平均大氣水汽含量分布特征與春季相同，為從北至南梯狀遞增趨勢，但水汽含量與春季相比明顯較少，長三角地區北端水汽含量約為3 mm左右，在32°N附近增加至5 mm左右，安徽南部和浙江省的水汽含量均在8～10 mm，高值區位于長三角地區東南方向，最大值約為12 mm。由圖2(b)可以看到，秋季高空“干”過程發生時大氣水汽含量高于春季，且與季節平均的差值也小于春季，長三角大部分地區水汽含量在5 mm左右，浙江南部地區略有升高至8～10 mm，分布特征與春季類似，長三角西側和南側水汽含量較高。

(a)季節平均 (b)高空“干”過程期間圖2 秋季長三角地區800～300 hPa平均大氣水汽含量分布Fig.2 Distribution of 800～300 hPa average atmospheric moisture content in autumn in Yangtze River Delta

3.3 冬季高空“干”過程大氣水汽含量分布特征

圖3所示為冬季12-次年2月800～300 hPa大氣水汽含量分布。由圖3(a)可知，2015-2019年冬季平均大氣水汽含量少于春季和秋季，其分布特征不同于前兩個季節，冬季水汽含量由東北向西南方向遞增，由2 mm逐漸增加至最大值10 mm附近。這是由于冬季長三角地區盛行西北風，干冷的西北氣流流過長三角地區使得水汽含量減少，但由于西南地區靠近海域，水汽含量較多，西南氣流對長三角地區的影響東北部較強，西南部較弱，所以水汽呈如圖所示的向西南方向逐漸增加趨勢。由圖3(b)可知，冬季高空“干”過程的水汽含量約為2～4 mm，高空處于水汽量極小的地勢狀態，與春季水汽含量相似，均小于秋季，分布特征與前兩季相同，長三角地區西南側水汽含量相對高于東北區域，約為5 mm。

(a)季節平均(b)高空“干”過程期間圖3 冬季長三角地區800～300 hPa平均大氣水汽含量分布Fig.3 Distribution of 800～300 hPa average atmospheric moisture content in winter in Yangtze River Delta

4 2015-2019年長三角地區的高空“干”過程天氣分型

天氣形勢是天氣現象和過程發生、維持、演變的背景條件，往往決定著區域上空水汽輸送基本特征和水汽分布情況。根據2015-2019年長三角地區高空“干”過程期間逐日08、20時700 hPa高度天氣圖，采用主觀天氣分型方法，根據天氣學原理，將52次(其中有5次過程數據缺測)高空“干”過程期間的天氣類型進行歸類，概括出每個“干”過程演變過程中的主要天氣類型，共計5種，分別為受低槽東移影響天氣形勢，為低槽型；受高脊東移影響天氣形勢，為高脊型；受低壓影響天氣形勢，為低壓型；受高壓影響天氣形勢，為高壓型；沒有較強且明顯的天氣系統存在，基本處于均壓場狀態，為均壓場型。5種天氣過程的出現次數和頻率見表2。

表2 2015-2019年長三角地區52次高空“干”過程的天氣類型Tab.2 Weather types of 52 times of upper-air“dry” process in Yangtze River Delta from 2015 to 2019

可以看出，高脊型和低槽型出現的次數最多，合計占比為67.3%，均壓型和高壓型出現次數相近分別為7次和6次，低壓型出現頻次最少，頻率僅為7.7%。

4.1 低槽型

此次高空“干”過程長三角地區主要受低槽東移的影響。由圖4(a)可以看出，5月20時，長三角位于低槽上，圖4(b)6日08時槽向東北方向移動，長三角地區基本位于低槽后部。低槽天氣形勢下，氣壓分布為內側低、外側高，氣流沿逆時針向槽內輸送，槽內空氣輻合上升，槽外空氣輻散下沉，長三角地區在低槽影響過程中氣壓略有降低，整體為干冷的西北氣流輸送，高空“干”過程由于西北干氣流的下沉輸送至長三角地區而不斷發生發展。在低槽東移的天氣形勢下，長三角地區處于低槽外圍，西北干冷氣流不斷輸送使得“干”區域向東南方向移動。

(a)2016年12月5日20時 (b)6日08時圖4 700 hPa低槽型天氣圖Fig.4 700 hPa low trough weather

4.2 高脊型

此次高空“干”過程長三角地區主要受高脊東移過境的影響。圖5(a)可以看到，8日08時珠三角地區存在一個高壓中心，向西北方向延伸出高壓脊，此時長三角地區位于高脊前部，圖5(b)高壓逐漸東移減弱，長三角地區受高壓脊控制，為西北氣流輸送。高脊天氣形勢下多為晴好天氣，脊內為明顯的下沉氣流，氣流在下沉過程中隨高度的降低溫度不斷升高，水汽不斷蒸發，飽和水氣壓也逐漸增加，使得氣塊相對濕度隨之降低，使得高空干冷空氣下沉至長三角地區促使“干”過程的發生。

(a)2016年2月8日08時 (b)9日08時圖5 700 hPa高脊型天氣圖Fig.5 700 hPa high ridge weather

4.3 低壓型

此次高空“干”過程長三角地區始終處于低壓后部。由圖6(a)可以看到，5日08時，長三角地區東側海域上存在一個臺風系統，中部地區及廣西南部均有高壓存在，此時長三角地區處于臺風系統低壓后部。臺風始終沒有登陸，沿大陸邊緣向北移動。由圖6(b)可見，長三角地區仍處于低壓后部，臺風外圍位置。低壓天氣形勢下，中心位置有上升的氣流，臺風過程發生時中心有極強的對流，中心氣流劇烈上升，外圍地區空氣做下沉運動。低壓外圍空氣呈逆時針方向輻合，長三角地區位于低壓后部，受下沉的西北氣流影響，干而冷的空氣輸送至長三角地區，使得濕度降低至20%以下，“干”過程發生。

(a)2018年10月5日08時 (b)6日08時圖6 700 hPa低壓型天氣圖Fig.6 700 hPa low-pressure weather

4.4 高壓型

此次高空“干”過程長三角地區受高壓東移的影響。由圖7(a)可以看到，2日20時，長三角地區位于高壓中心東南方向，處于高壓控制下。圖7(b)可以看到，3日08時，高壓東移減弱至海上，長三角地區處于高壓控制下的均壓場天氣形勢下。高壓天氣形勢下，大氣層結穩定，中心位置為下沉氣流，高壓周圍氣流呈順時針向外輻散，長三角高空呈現干空氣下沉，低層水汽向外輻散使相對濕度保持低于20%的狀態。

(a)2015年11月2日20時 (b)3日08時圖7 700 hPa低壓型天氣圖Fig.7 700 hPa low-pressure weather

4.5 均壓場型

圖8為2015年2月9日08時700 hPa高度高壓型天氣形勢圖，可以看到此次高空“干”過程長三角地區沒有明顯的天氣系統出現，我國西南部有弱槽弱脊出現，但并未影響到長三角地區，等壓線與我國東北部地區相比較為稀疏，風速較小，即大氣層結處于極其穩定的狀態。

圖8 700 hPa均壓場型天氣圖2015年2月9日08時Fig.8 700 hPa voltage-sharing weather at 8 o’clock, February 9, 2015

5 結論

利用歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)提供的ERA5再分析資料，分析了2015-2019年長三角地區高空“干”過程發生頻率、生命周期的季節變化特征，根據其不同季節高空“干”過程發生時的大氣水汽含量，分析其時空分布特征，根據MICAPS資料對高空“干”過程期間的天氣形勢進行分類，分析不同天氣形勢下高空“干”過程的氣流輸送情況，探究此過程發生的原因。結果表明，長三角地區2015-2019年共發生高空“干”過程57次，其中2015年發生次數最少，發生頻率為0.5次/月，2017、2018、2019年的發生次數相同且最多，發生頻率均為1.08次/月，高空“干”過程不具備明顯的年際變化特征。高空“干”過程具有明顯的季節變化特征，長三角地區2015-2019年春、秋、冬三季均發生了“干”過程，且發生頻率相近，其平均持續時間分別為70.5 h/次(約為3 d/次)、117.6 h/次(約為5 d/次)、99.6 h/次(約為4 d/次)，5年內，夏季6、7、8月份均沒有出現高空“干”過程。2015-2019年長三角地區800～300 hPa高空“干”過程大氣水汽含量均小于季平均水汽含量，其中秋季高空“干”過程水汽含量在三季中最高，約為在5 mm左右，春、冬季水汽含量接近0值，其水汽含量分布均從東北向西南方向遞增。將2015-2019年長三角地區52次高空“干”過程的天氣類型進行歸類，概括為5種主要的天氣類型，分別為低槽型、高脊型、低壓型、高壓型和均壓場型，其中高脊型和低槽型出現的次數最多，合計占比為67.3%。