江淮梅雨季副高特征及降水特征分析

魏 薇, 金榮花, 肖天貴, 孫曉晴

(1.成都信息工程大學大氣科學學院,四川 成都 610225;2.中國氣象局,北京 100081;3.中國氣象局氣象探測中心,北京 100081)

0 引言

西太平洋副熱帶高壓簡稱西太副高(Western Pacific subtropical high,WPSH),是一個在副熱帶太平洋上空的永久性高壓環流系統,是位于副熱帶西太平洋上空的暖性氣壓。西太副高對中國的天氣和氣候有著重要的影響,其高壓脊線的位置和強度隨季節的變化而變化[1]。副熱帶高壓及其動力學一直是大氣科學研究的主要內容,夏季西太副高是影響中國夏季天氣的一個重要的系統,中國的許多災害性天氣都與西太副高有關。20世紀60年代,陶詩言等[2-5]研究了副高隨季節的變化,發現西太平洋副熱帶高壓對東亞天氣有著比較重要的影響,西太副高在夏季的季節內變化,決定了東部地區雨帶向北推移的時間,而西太副高的年際變化,則決定了東部地區南、北方的旱澇情況[6-7]。熊安元[8]對與長江中游地區夏季降水密切相關的西太副高進行時間變化的尺度分離,通過對時間和空間尺度變化的分析發現,20世紀90年代長江中游夏季降水量異常增多與夏季西太平洋副熱帶高壓等氣象要素異常增強有密切關系。例如,研究發現1998年夏季長江流域的洪水和2003年7月江南地區高溫酷暑,都與西太副高的活動有著很大的關系[9-10]。

西太副高是東亞季風系統的重要成員之一[11],其所處的地理位置,使它成為連接中高緯和低緯環流的重要紐帶,是影響中國天氣的重要和主要系統[12];同時,在梅汛期,副高是決定長江流域入梅、出梅時間以及降水強度的重要因素[13]。早在20世紀60年代,中國學者就對西太副高的活動規律開始進行相應的研究[14-18]。朱乾根等[19-20]強調西太副高是東亞季風系統的重要成員之一。廖荃蓀等[21]發現,除副高脊線外,副高的強度和位置也存在著明顯的年際和年代際變化特征。除此之外,副高指數與Nino 3指數的年變化存在較好的相關性[22],副高強度大時,副高北界偏南,同時西伸明顯[23]。研究指出,降水期間,外圍雨帶與副高的西伸之間存在著明顯的相互影響關系[24],相較于冬季,夏季西太副高的強度更強,西伸脊點偏西,面積、范圍更大[25],在全球變暖的過程中,亞-澳季風區與ENSO整體耦合程度加大,西太副高出現明顯的年代際變化[26]。副熱帶高壓北跳后的一周內,有熱帶氣旋生成的可能性接近2/3,在副高北跳后,副高脊線和副高588線都存在較為明顯的北抬趨勢[27]。SU TongHua等[28]研究發現,副高的兩次北跳之間無顯著關系。西太平洋發生強烈的對流活動時,會導致暖池增溫,激發靜止Rossby波的能量傳播,從而副高加強并北抬[29-30],東太平洋海溫升高時,西太副高偏北。海溫的變化超前副高變化約3-4月[31-32],海表面溫度的變化對西太副高的強度、位置等特征的年代際變化有重要的影響[33]。除對江淮地區降水產生影響外,當脊線偏北,西伸脊點偏西,強度偏小時,黃淮海區域東部、北部和中部降水偏多,而西部、南部降水偏少[34]。

江淮梅雨是每年6、7月亞洲夏季風北上過程中,中國東部江淮地區持續陰雨的天氣現象,東亞季風區較強的對流凝結潛熱在垂直方向上的梯度變化也會決定副高的位置、強度的變化[35-37]。以往的研究多是基于降水偏多年的個例分析,或單純分析北跳特征,針對長時間序列的副高指數和副高北跳的定量化統計,副高指數異常年、副高北跳異常年份的降水特征分析較少。文中通過統計1979-2018年6-7月逐日副高指數,分析副高指數異常年500 hPa環流形勢的特征,并分析梅雨季節江淮地區降水特征,以便定量認識梅雨季副高的活動特征及其對江淮梅雨的影響。同時,也為江淮梅雨季降水的統計和預報提供有價值的參考。

1 資料和方法

利用1979-2018年NCEP/NCAR逐日再分析資料,分辨率為2.5°×2.5°。降水量資料為國家氣象信息中心提供的中國國家氣象站2424站日降水資料(前日20時-當日20時)。

為定量描述副高的顯著變化,根據國家氣候中心定義的500 hPa等高面上位勢高度場表示副高指數,以下為各指數定義。

脊線指數:緯度10°N ～90°N,經度110°E ～150°E,588位勢什米等值線內的副熱帶高壓體范圍內的緯向風u=0,且?u/?t>0特征線所處緯度的平均值,如若不存在588位勢什米等值線,則定義584位勢什米等值線內緯向風u=0,且?u/?t>特征線所處緯度的平均值;若不存在584位勢什米等值線,則以多年歷史中該月的最小值代替。

西伸脊點:在10°N ～90 °N,90°E ～180 °E,588位勢什米最西位置所處的經度,若處于90°E以西,則統一計為90°E;若不存在588位勢什米等值線,則以多年歷史中該月的最小值代替。

面積指數:在10°N以北,110°E～180°E,500 hPa位勢高度場上,位勢高度不小于588位勢什米的格點所圍成的面積總和。

利用上述定義,對亞洲東部地區(10°N～50°N,90°E～180°E)的副高特征線(588線)的3項指數進行統計,為了保證統計結果的正確性與可靠性,對照1979-2018年6-7月逐日500 hPa位勢高度場進行人工校正,由此得到副高3項指數的歷史序列統計數據。

由于歷年江淮地區的梅雨期各有差異,一般在6,7月,最早始于5月底,最晚在8月初結束[38],李勇等[39]對1960-2015年江淮梅雨季節中強降水特征進行分析,從而將江淮地區梅雨期降水過程主要出現的時段(6-7月)作為江淮梅雨季,選取6-7月作為主要的研究時段。同時,參照國家氣候中心所制定的中國梅雨監測業務標準,位于長江中下游地區和江淮地區的277個指標站,由于其覆蓋面廣、觀測站多,因此作為統計江淮地區梅雨季節降水累積量的代表站。

2 江淮梅雨季節副熱帶高壓活動特征分析

2.1 副高指數統計分析

一般來說,觀察和度量西太副高都是以5880位勢米為標準的[40],基于上述對副高指數的定義,對副高3項指數進行計算。

圖1為1979年-2018年逐年平均副高3項指數,圖1(a)為脊線指數,多年平均值為23.7°N,取Δ=1°,通過對比得出,脊線偏南年有 1982、1983、1987、1993、1998、2003、2005、2007、2010、2014、2016、2017 年,共12 a,脊線偏北年有 1981、1984、1985、1989、1994、1999、2000、2001、2004、2011、2012、2018 年,共12 a;圖1(b)為西伸脊點,多年平均值為116.5°E,取Δ=10°,對比得出,脊點偏西年有2010、2016、2017年,共3 a,脊點偏東年有1984、1985、1986年,共3a;圖1(c)為面積指數,多年平均值為134°E,取Δ=30°,通過對比可以看出,面積偏大年有 1979、1980、1983、1998、2010、2015、2016、2017 年,共8 a,而面積偏小年有 1984、1985、1986、1994、1999、2000、2001、2012 年,共8 a。

圖1 1979-2018年逐年副高3項指數

圖2為1979年-2018年6-7月逐日平均副高3項指數,從3項指數的逐日變化的折線和趨勢線(紅色點線)可以看出,脊線指數隨時間逐漸增大,即脊線向北推進;西伸脊點雖波動較為劇烈,但從趨勢線也可以明顯看出脊點隨時間向西不斷推進;副高面積指數在6-7月呈逐漸增大的趨勢。

圖2 副高各項指數1979-2018年多年6-7月逐日平均

2.2 副高指數異常年特征分析

根據上述分析可以看出,3項副高指數均異常的年份為1984、1985、2010、2016、2017 年,共5 a,如表 1。3項指數能明顯地表示副高的南北、西伸以及強度特征,脊線偏北時,西伸脊點偏東,同時副高面積較小;反之,脊線偏南時,西伸脊點偏西,副高面積較大。將異常年各項指數與氣候態平均相對比,正異常年為2010、2016、2017 年,而負異常年為 1984、1985 年,正異常年較負異常年脊線偏南,西伸脊點偏西,面積偏大,副高強度更強。

表1 副高3項指數異常年份

將1984、1985 年和 2010、2016、2017 年分別作為負異常年和正異常年進行合成分析,圖3為副高指數正負異常年對比,紅線為正異常年5880 gpm等位勢高度線合成,藍線為負異常年5880 gpm等位勢高度線合成,黑線為40年氣候態合成,從正負異常年與氣候態等高線的對比能明顯看出,負異常年副高整體呈現明顯的偏弱特征,位置偏東,主體位于太平洋洋面上;而正異常年副高明顯偏強,面積擴大,主體位于中國南部,向西和向赤道的伸展非常突出,40年氣候態等高線處于正、負二者之中。

圖3 氣候態及正、負異常年副高588線(黑線為氣候態,紅線為正異常年,藍線為負異常年)

圖4為正、負異常年500 hPa高度場與1979-2018年500 hPa氣候態位勢高度場對比。為更好地分析6-7月副高特征,利用500 hPa中緯度(30°N ～60 °N)平均位勢高度的緯向剖面對正、負異常年以及氣候態500 hPa西風帶環流差異進行分析。圖5為正、負異常年與氣候態6-7月中緯度(30°N～60°N)500 hPa平均位勢高度緯向分布的對比,其中紅線為正異常年,黑線為氣候態,藍線為負異常年。綜合圖4、5對環流形勢進行分析,能明顯看出6-7月無論正異常、負異常年,中緯度西風帶都表現為長波兩槽兩脊形勢,兩個槽位于歐洲西部(30°E)附近和亞洲東岸(120°E)附近,而兩個脊分別位于歐洲以西的海域(0°)、烏拉爾山脈(60°E)附近。氣候態高度場(圖4a)中,在中緯度地區,巴爾喀什湖以及中國東北地區上空為寬槽,下游穩定的形勢使冷空氣沿東北地區的槽線南下,中國東岸有一淺槽,受槽前西北氣流控制,冷空氣不斷南下與南部暖空氣相遇,影響中國東部大部地區。江淮地區處于淺槽槽前,受槽前西南氣流影響,江淮地區6-7月盛行西南風,與南下的偏北氣流在此交匯,有利于鋒生,冷鋒在夏季到達江淮地區后會轉為梅雨準靜止鋒,加之西南氣流帶來的豐沛水汽,有利于降水的生成。負異常年(圖4b)中,588線并不明顯,歐亞大陸上空中緯度槽脊的波動平緩,經向運動微弱,不利于冷空氣輸送;而在正異常年(圖4c),東亞大槽擾動加強,西風帶平均槽脊的振幅較強,經向運動的加強為冷暖空氣的交匯提供了較好的動力條件,江淮地區受槽前暖濕氣流影響,冷暖空氣在此形成穩定的對峙局面,形成穩定的降水過程。

圖4 氣候態及正、負異常年500 hPa位勢高度場形勢對比

圖5 正、負異常年與氣候態6-7月中緯度(30°N～60°N)500 hPa平均位勢高度緯向分布

2.3 副高北跳特征分析

副高的季節性變化對中國東部氣候有重要的影響,同時,副高的階段性北跳也對雨帶位置和中國東部不同地區的雨季始末有著重要影響。在6-7月,副高存在兩次明顯季節性北跳,第一次北跳在6月中旬,東亞夏季風影響長江流域,江淮地區入梅;第二次北跳在7月中旬,東亞夏季風北推至華北地區,江淮地區的梅雨季結束,進入伏旱,而華北雨季開始。因此,對副高的兩次北跳時間的系統性統計分析對于研究江淮地區的降水有非常重要的意義。基于前人研究進展,對副高北跳的時間進行定義:副高脊線第一次越過20°N(25°N)后,接下來兩候都位于20°N(25°N)以北,則定義第一次越過20°N(25°N)的時間為第一(二)次北跳時間;另一種情況為:若前兩候位于20°N(25°N)以北,第三候不位于20°N(25°N)以北,但位于19°N(24°N)以北,那么也將第一次越過20°N(25°N)的時間為第一(二)次北跳時間。

根據上述定義,表2為1979-2018年逐年副高兩次北跳時間。通過統計,40年中,第一次北跳時間平均值為33.3候,為6月第三候;第二次北跳時間平均值為40.3候,為7月第三候。取Δ=1(2)候,即對于第一次北跳來說,北跳早于32.3候為第一次北跳偏早年,北跳晚于34.3候為第一次北跳偏晚年;而對于第二次北跳,早于38.3候為第二次北跳偏早年,北跳晚于42.3候為第二次北跳偏晚年,基于此定義,第一次北跳偏早年為 1980、1981、1984、1988、1989、1990、1991、1996、1999、2008、2011、2013 年,共12 a,第一次北跳偏晚年為 1982、1987、1992、1993、1995、2005、2009、2010、2014、2018年,共10 a,第二次北跳偏早年為 1981、1984、1989、1994、2000、2001、2009、2011、2013、2015、2018年,共11 a,第二次北跳偏晚年為1980、1987、1993、1997、1998、2003 年,共6 a。

表2 1979-2018年副高兩次北跳時間 單位:候

圖6為兩次副高北跳折線圖,兩次北跳過程在氣候態上的表現為,第二次北跳在第一次北跳之后約7候出現。兩次副高北跳的時間前后大致呈現相同的趨勢,即第一次北跳時間早,第二次北跳時間也會提前,但也出現了特例,如1980年,出現第一次北跳偏早,而第二次偏晚的情況,兩次北跳相關系數為0.07,呈微弱正相關。

圖6 副高兩次北跳時間

3 江淮地區梅雨季降水特征

3.1 梅雨季江淮地區降水量特征分析

副高的季節性北進南退與中國東部地區雨季的始末有著密切的關系,西太平洋副熱帶高壓對江淮地區控制面積很大,且在對流層中層以下對近地面的氣候影響更為直接和顯著。一般來說,中國夏季東部地區的雨帶隨著副高的不斷北進,從華南經江淮地區向華北推進。為更好地研究副高與降水的相關關系,對江淮地區梅雨季的降水進行研究。

從氣候態平均來看,江淮地區梅雨季的降水主要集中在6-7月,南方地區年均6-7月降水在400～600 mm,江淮地區降水在400～500 mm,而北方降水相對較少,降水集中在東北、華北地區,西北地區降水較少。100 mm降水帶呈東北-西南分布,其走向基本與400 mm年等降水量線一致。中國降水受季風影響明顯,6-8月為汛期,降水較為集中。選取1979-2018年6-7月江淮流域277個代表站點所處經緯度區域(28°N～34°N,111°E ～123°E)平均累積降雨量進行分析,取區域內累計降水量進行計算,如圖7(a)為1979-2018年江淮地區累計降水量柱狀圖,6-7月年平均累計降雨量為386.1 mm,其中降水量最大值出現在1996年,為540.62 mm,最小值出現在1982年,為279.6 mm;此外,40年以來年均累計降水量的線性趨勢系數為-0.128 mm/a,呈微弱減少趨勢。另外,從圖中的多項式擬合變化趨勢線中也可以看出,累計降水量從20世紀80年代初期至90年代中期呈逐漸增長趨勢,90年代降水量較大,從降水距平圖中(圖7b)可以看出,降水偏多年為 1983、1991、1996、1998、2016年,共5 a,降水偏少年為 1982、1985、1988、1992、2018年,共5 a。

圖7 1979-2018年江淮地區6-7月累計降水及降水距平

3.2 副熱帶高壓對江淮地區降水影響

為進一步分析江淮梅雨與副高的關系,將江淮地區6-7月累計降水量與副高北跳趨勢相對比可以發現,與20世紀相比,進入21世紀后,副高兩次北跳的逐年趨勢趨于平穩,波動較小,計算副高的兩次北跳時間(候)與累計雨量的相關系數,累計雨量與第一次副高北跳的相關系數為-0.28,呈負相關,而與第二次北跳相關系數為0.3,即第一次北跳時間越早,降水量越大,第二次北跳時間越晚,降水量越大,副高的第一次北跳對應江淮梅雨期開始,第二次北跳對應江淮梅雨結束,兩次北跳時間之差大致對應著江淮地區梅雨的時間,因此第一次北跳越早,第二次北跳越晚,兩次北跳間隔時間越長,意味著副高對江淮地區影響時間越久,梅雨季時間越長,降水量越大,反之亦然。

為分析500 hPa高度場與北跳時間之間的聯系,選取1979-2018年40年逐年6-7月高度場平均與每年第一次、第二次北跳時間進行區域相關分析,如圖8所示,第一次北跳與江淮地區呈明顯的負相關,即副高北跳越早,高度場位勢高度越低,588線偏南,而第二次北跳與江淮地區呈正相關,即副高第二次北跳越晚,高度場位勢高度越高,588線偏北,意味著兩次北跳時間間隔時間越長,副高對江淮地區的影響越大,梅雨季時間越長,反之亦然。兩次北跳與高度場的相關性在中國東部地區均呈北負南正的分布,在印度等低緯度地區,兩次北跳均呈正相關,兩次北跳均受夏季風影響,低緯在夏季受夏季風影響更甚。

圖8 副高第一次北跳、第二次北跳與500 hPa高度場相關系數

由于20°N ～25°N,125°E ～140°E區域內處于副高氣候態的西邊界位置,對副高的南北、東西位置變化以及強度的變化較為敏感,且此區域與西太平洋整個地區的500 hPa高度相關系數都呈較高的正相關關系,能夠清楚明了地表現副高的西伸和強度變化,因此選取此區域作為關鍵區,500 hPa平均高度作為副高指數進行計算分析。為更好展現副高和江淮地區降水量的關系,對副高指數與累計降水量進行標準化后,繪制柱狀圖和折線圖,如圖9所示,副高指數與江淮地區的累計降水量有很好的對應關系,相關性為0.488,通過95%的顯著性檢驗,呈現較強的正相關性,即副高指數高的年份,對應的降水量一般較大,而在副高指數較低的年份,降水量較少。

圖9 副高指數及累計降水標準化

在副高活動強的年份,江淮地區降水量較多;反之,副高活動弱,江淮地區降水較少。從動力方面分析其成因,副高活動強年,副高脊線偏南,副高強度大,高壓系統較為深厚,高壓中心為強輻散,脊線附近表現為中低層下沉氣流強盛而中高層為上升運動的特征。江淮地區地處高壓系統北側,強烈的上升氣流將近地面的水汽送入高空,為降水的發生提供了較好的熱力條件。同時,副高的維持也是降水持續的主要條件,而持續的降水,也使低層南風發展,促進對流潛熱的釋放,反過來又有利于副高的加強西伸,因此副高和降水呈現相互作用、相互影響的特征。

4 結論和討論

通過1979-2018年6-7月NCEP/NCAR 2.5°×2.5°逐日再分析資料和國家氣象站日降水資料,統計了40年副高3項指數的逐年逐日變化,并分析指數異常年的大氣環流特征。同時,研究了江淮地區梅雨季的降水特征,分析副高北跳與高度場、降水量的關系,得出以下結論。

(1)1979-2018年40年江淮地區梅雨季期間,副高3項指數中,脊線指數平均值為23.7°N,西伸脊點平均值為116.5°E,副高面積指數平均值為134,6-7月,副高脊線逐漸向北移動,西伸脊點逐漸西移,副高面積逐漸擴大,對中國東部地區的影響逐漸加深。

(2)江淮地區梅雨季期間,副高三項指數均為異常的年份有5年,正異常年副高呈現整體偏強的特征,588線面積較大,西伸明顯,脊線偏北,而負異常年與之相反,

(3)副高在6-7月的兩次北跳過程中,第一次北跳在6月第三侯,第二次北跳在7月第三侯,氣候態表現為第二次北跳在第一次北跳后7侯出現,副高的北跳標志著不同地區雨季的始末。

(4)6-7月江淮地區梅雨期間,累計降水400～500 mm,40年來江淮地區梅雨季的累計雨量呈微弱減少的趨勢,累計雨量與第一次副高北跳呈負相關,與第二次副高北跳呈正相關,即兩次北跳間隔時間越長,副高對江淮地區影響越明顯,降水量越大。

(5)在梅雨季,江淮地區500 hPa高度場與副高的第一次北跳呈明顯負相關,而與副高第二次北跳呈正相關,高度場與副高兩次北跳的相關系數區域分布均呈現北負南正的分布。