2. 南京信息工程大学,南京 210044;
3. 国家气象中心,北京 100081;
4. 国家气候中心,北京 100081;
5. 成都信息工程学院,成都 610225
2. Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044;
3. National Meteorological Center, Beijing 100081;
4. National Climate Center, Beijing 100081;
5. Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225
1 引言
长江中下游梅雨(简称梅雨)是夏季中国著名雨季,平均每年发生在6月中旬至7月上旬,异常丰梅和空梅是长江中下游梅雨期降水异常偏多和偏少的两种极端情况,往往直接造成洪涝和干旱灾害。长江中下游地区是中国经济发达、人口密集地区,旱涝灾害给社会经济、人民生命财产以及社会稳定等所带来的影响更大、损失更重。气象学者始终关注和研究梅雨相关科学问题,东亚副热带西风急流(简称急流)与梅雨的关系及其影响机理就是其中关键科学问题之一。早在上个世纪中叶,我国气象科学家叶笃正等(1958)和陶诗言等(1958)已经指出,东亚副热带高空急流的向北突然推进与亚洲大气环流的季节转换、印度西南季风的爆发以及梅雨起讫有着密切联系,刘匡南和邬鸿勋(1956)分析得出,130oE经线上高空西风在40oN以南消失,是梅雨结束的日期。近些年,随着高空探测资料质量和数值模拟能力的提高,很多学者对东亚副热带西风急流与梅雨的关系进行了更为细致的研究。例如,廖清海等(2004)、Zhang and Guo(2005)、况雪源和张耀存(2006)采用合成方法分析指出,当东亚副热带西风急流异常偏南,长江中下游梅雨降水偏多,而当东亚副热带西风急流位置偏北时,长江中下游梅雨降水偏少,河套、华北地区夏季降水偏多。杜银等(2008)研究高空西风急流东西向形态变化对梅雨期降水空间分布的影响指出,梅雨期,当东亚高空西风急流主体呈显著的东部型态时,高低空急流在急流入口区耦合形成较强的辐合上升运动,在充足的水汽供应下,有利于在长江下游地区形成集中的强降水区域。孙凤华等(2009)和Xuan et al.(2011)研究发现,东亚副热带急流位置从1970年代末开始逐渐偏南,与此相对应,华北地区夏季降水呈现逐渐减少、长江中下游地区夏季降水呈现逐渐增多的变化趋势。杜银等(2009)进一步分析得出,夏季7~8月东亚副热带西风急流位置和形态在1975~1980年间出现转折,1980年后西风急流中心逐渐向西移动的同时伴随有西风急流向南偏移,与此相对应,长江中下游地区入梅提前、梅雨期变长,降水量增加,从而形成南涝北旱的降水分布形势。李崇银等(2004)研究东亚夏季风活动与东亚高空西风急流位置北跳关系指出,在6月中旬急流北跳之前,5月8日左右东亚高空急流还存在一次北跳,导致了南海夏季风的爆发,第二次东亚高空急流的北跳发生在6月7日左右,先于江淮流域梅雨起始时间10天左右,它是梅雨起始的前期征兆。由此可见,东亚副热带西风急流的北跳、位置与梅雨起讫、强度有着密切关系。但是,急流位置季节性偏差对应长江中下游梅雨的多寡,以及急流北跳与梅雨起讫的关系,是从气候角度分析达成的共识,对于气候诊断分析和预测很有帮助,而对于着眼于大气环流系统逐日演变及其动力过程分析的天气预报,指导意义十分有限。那么,就长江中下游典型雨季的异常丰梅和空梅事件而论,东亚副热带西风急流的中期逐日演变特征是否存在显著差异?这种差异通过何种机理影响梅雨异常?能否对3天以上10天甚至两周以内的梅雨中期天气预报有一些指示性意义?本文就上述问题,利用1960~2009年NCEP/NCAR再分析日平均资料和中国714站20时(北京时)日降水量资料,分析了梅雨季节东亚副热带西风急流逐日演变特征与长江中下游异常丰梅和空梅的关系,研究了东亚副热带西风急流活动影响梅雨异常的机理,讨论了东亚副热带西风急流监测和分析对梅雨中期预报的意义。
2 资料和方法
分析采用NCEP/NCAR全球再分析日平均资料,包括位势高度h、水平纬向风u、水平经向风v、垂直速度w、温度T、比湿q和相对湿度r等7个要素,分布在17层等压面上,其中,垂直速度w垂直方向到100 hPa,比湿q垂直方向到300 hPa,水平分辨率为2.5º×2.5º,序列长度为1960~2009年。中国714站20时日降水量资料由国家气象信息中心提供,文中采用Cressman方法将降水量插值到1o×1o网格,序列长度为1960~2009年。长江中下游梅雨资料由国家气候中心提供,梅雨的评定方法由徐群等(2001)定义给出,包括每年入梅日、出梅日、梅雨期长度、梅雨量、梅雨强度指数等。依照世界气象组织定义的气候平均序列1971~2000年30年统计,气候平均入梅日期为6月17日,气候平均出梅日期为7月8日,气候平均梅雨期长度为21天。采用标准化梅雨强度指数大于1.0划分异常丰梅年(或简称丰梅年),1960年以来的异常丰梅年有1969、1980、1983、1991、1996、1998和1999年,共7年,各年入梅日、出梅日、梅雨期长度参见表 1,梅雨日累计样本220天。空梅年有1965、2000、 2002、2009年,共4年,空梅年各年统计和诊断分析样本取气候平均梅雨期同期时段,累计样本84天。下文对丰梅年和空梅年的合成分析中,分别采用丰梅年和空梅年累计样本资料。
为分析梅雨季节东亚副热带西风急流活动特征,需要定义东亚副热带西风急流位置指数和强度指数。根据本文研究东亚副热带西风急流活动对梅雨影响的需要,计算了1960~2009年梅雨期降水量与200 hPa纬向风场相关系数(图略),发现东亚至西太平洋地区相关系数通过99%信度水平的区域集中在110ºE~130ºE范围内,在此区域内自北向南呈“负—正” 分布,即东北华北地区为负相关系数区,江淮流域为正相关系数区,37.5oN的零相关系数等值线将北方“负” 与南方 “正” 高相关区分隔开。在气候平均梅雨期200 hPa 1960~2009年50年平均纬向风场上,区域110oE~130oE内东亚副热带西风急流轴位置为37.5oN,与前面相关系数零线重合,大于20 m/s纬向风经向跨度为32oN~44oN。由此,定义急流强度指数为关键区域(30oN~37.5oN,110oE~130oE)内纬向风平均值,急流强度指数偏强(弱),梅雨偏多(少);定义急流位置指数为区域(20oN~55oN,110oE~130oE)内各经度上200 hPa纬向风最大值所在纬度的平均值,位置指数小(大),表示急流处于较低(高)纬度。根据该指数定义,计算了1960~2009年5~8月逐日东亚副热带西风急流强度指数和位置指数,供下文分析中使用。
3 东亚副热带西风急流活动与梅雨异常的关系
图 1给出了合成分析的丰梅年和空梅年东亚区域(110oE~130oE)平均纬向风及其距平经向剖面,以及相对应的降水量距平。丰梅年,东亚副热带西风急流强度异常偏强,显著的西风正距平从对流层顶贯穿到底层,中心较常年同期偏强3 m/s;急流等值线密集,水平经向梯度大,反映急流附近动量和质量高度集中。空梅年,东亚副热带西风急流强度偏弱,显著的西风负距平从对流层顶贯穿到底层,急流中心区西风小于30 m/s,较常年同期偏弱 4 m/s。分析显示,丰梅年和空梅年东亚副热带西风急流差异显著,但是这种差异是合成分析的平均态差异,如果探寻对天气预报有指示意义的东亚副热带西风急流活动特征,还需要从逐日演变角度,将东亚副热带急流活动细化为急流经向移动、急流北跳、急流强度、急流中心位置等四个方面逐一讨论分析。
根据各年逐日急流位置资料,分别计算了7个丰梅年和4个空梅年各年梅雨期急流位置指数平均距平和标准差(图 2a),距平值反映了急流位置偏离气候态的大小,标准差反映了急流围绕平均位置的振荡幅度。7个丰梅年急流位置指数距平分 布在-2.52~0.87之间,平均为-0.45,其中4年为负,1年为零,2年为正,除1969年距平绝对值较大外,其它年距平绝对值很小;标准差在1.82~3.12之间,平均为2.21。空梅年,急流轴位置指数距平在0.19~3.73之间,为一致的正距平,平均为1.62;标准差在2.05~6.33之间,平均为4.59,明显大于丰梅年。说明丰梅年急流位置接近常年同期,急流经向摆动平稳,空梅年位置偏北,经向移动幅度较大,从图 2b、c丰梅年1983年和空梅年2002年110ºE~130ºE平均纬向风逐日变化就很直观地看出丰、 空梅年急流位置演变差异。
梅雨期前后急流发生北跳,本文将入梅前和入梅后的北跳分别称为前北跳和后北跳。前北跳是指东亚急流位置向北稳定达到35ºN及其以北,后北跳为东亚急流位置稳定达到40ºN及其以北,稳定表示从开端日算起,滑动10天内必须有6天以上满足北跳位置条件。从1960~2009年50年平均急流位置指数分析,6月7日为气候态前北跳,7月8日为气候态后北跳,气候态前北跳较入梅日提前10天,气候态后北跳与出梅同步。表 1给出7个丰梅年和4个空梅年各年入梅日、前北跳日、出梅日和后北跳日,从7个丰梅年前北跳情况来看,除1969年迟于入梅日4天,其它各年前北跳日先于入梅日,反映了急流前北跳所伴随的大气环流季节转换,为梅雨的发生提供了必要季节性背景条件。然而,前北跳先于入梅日的超前天数各年间差异较大,最短为1996年超前1天,最长为1983年超前31天。从7个丰梅年后北跳情况来看,后北跳日与出梅日几乎同步,只有1999年相差较大,滞后19天,说明东亚副热带西风急流的后北跳与出梅有很好的对应关系。7个丰梅年后北跳日均较气候态异常偏晚,发生在7月下半月,说明后北跳偏晚可能是丰梅年出梅偏晚的成因之一。空梅年,1965年、2002年和2009年东亚副热带急流一次性北跳至40ºN以北地区,只有2000年在5月27日发生前北跳,但前北跳后没有建立急流准稳定形势,这可能是空梅的原因之一;4个空梅年后北跳日均较气候态明显偏早。
在急流强度变化方面,同样统计分析了7个丰梅年和4个空梅年各年梅雨期急流强度指数平均距平和标准差(图 3),7个丰梅年表现为一致的显著正距平,急流强度距平在1.06~9.02 m/s之间,平均为4.70 m/s,标准差在4.01~7.97之间,平均为6.06;空梅年一般为负距平,急流强度指数在-6.29~1.06 m/s之间,平均为-2.22 m/s,标准差在6.46~8.11之间,平均为7.17。反映了急流强度指数大(小),梅雨强(弱),而且急流强度的逐日变率较大。
气候态上,梅雨期东亚至西太平洋上空200 hPa纬向风存在两个定常中心区(图略),一个位于中国西北地区(80ºE~110ºE)上空,另一个在西太平洋(130ºE~160ºE)上空,两个定常中心之间120ºE是急流带的断裂处。以120ºE为分割线,将急流中心位置在120ºE以东的定义为东部型,在120ºE以西的定义为西部型。对气候平均梅雨期时段内1960~2009年200 hPa东亚副热带西风急流的最大中心位置在区域(80ºE~160ºE)范围内进行了逐日统计分析,结果显示东部型占57%,西部型占43%;7个丰梅年东部型占62%,西部型占38%;4个空梅年东部型占79%,西部型占21%。上述结果表明,丰、空梅年东亚副热带西风急流中心位置均是东部型占优势,尤其空梅年东部型出现频率更高,也就是说东部型为主不仅是丰梅年的主要特征,也是空梅年的典型特征,那么,在东部型背景下还存在哪些更细微的差异,导致降水异常相反的情况?
为此,对7个丰梅年和4个空梅年累计样本,统计了急流最大中心经度位置频次分布(图 4),由于统计区两端点80ºE和160ºE有区域外强中心截断和累积,两端点统计值很大,是非真值,不予以分析。由图 4可见,丰梅年最大中心主频次在125ºE,空梅年主频次在142.5ºE至147.5ºE区域,即丰、空梅年在东部型背景下急流最大中心出现的经度位置存在差异,空梅年中心位置较丰梅年中心位置更远离中国大陆并位于下风方。
4 影响机理
梅雨属于大型降水天气过程,空间尺度可以绵延数千公里,大型降水形成的宏观物理过程包括两个条件:水汽条件和垂直上升运动。下面对丰梅年和空梅年东亚副热带急流不同特征下的垂直运动、水汽条件以及锋区结构进行动力、热力诊断分析,揭示副热带西风急流活动影响梅雨异常的机理。
4.1 动力条件
Cressman(1981)用高空急流带气块纬向风的时间变化方程分析得出,在急流入口区南侧产生高空辐散,北侧产生高空辐合。进而北侧出现下沉运动,南侧出现上升运动。低层大气会随之发生质量调整,产生与高层相反的辐散辐合区和北风,从而形成垂直环流。依据该理论,高空急流通过其自身的动力机制以及次级环流作用改变环境场的辐合辐散和垂直上升运动,进而影响大范围的降水天气。从200 hPa等压面的纬向风和散度合成分析来看(图 5a-d),丰梅年,我国东部地区上空东亚副热带西风急流强度偏强,急流轴位置在37.5ºN,急流轴线、平均散度零线和散度距平零线基本重合,急流轴以北为辐合,以南为强辐散,辐散中心区与辐散距平中心区重合在长江中下游地区上空,散度中心值为4.18×10-6 s-1。这种 “重合” 空间分布特征,显然与丰梅年东亚副热带西风急流强度偏强、经向活动围绕气候态位置平稳摆动以及急流最大中心主频次在125ºE附近密切相关,使得长江中下游地区上空维持强高空流出,对应低层辐合距平,配合从底层到高层深厚的垂直上升运动距平,构成了有利于长江中下游地区降水偏多的动力环境场(图 5e)。空梅年,在我国东部地区上空东亚副热带西风急流强度偏弱,风速小于30 m/s,急流风速轴的平均位置从110ºE的40ºN向南落到120ºE的35ºN,急流轴线与散度零线、散度距平零线依次向南错开,辐散主中心在日本岛上空,辐散次中心在长江中下游地区上空,强度为3.16×10-6s-1,辐散距平中心在江南地区上空,这种“错峰” 空间分布特征与空梅年东亚副热带急流强度偏弱、位置不稳定、主中心偏东的关系密切。长江中下游地区高空辐散负距平形势,不利于低层建立辐合距平,也抑制了垂直上升运动的发展,不利于在长江中下游地区降水偏多(图 5f)。
4.2 水汽输送
Uccellini and Johnson(1979)从质量和动量相互调整的观点来推论高低空急流是相互耦合,而不是分离的两种现象。低空急流对于水汽输送起重要作用。 图 6a-d给出了合成分析的丰梅年和空梅年整层水汽输送距平和我国东部地区110ºE~120ºE比湿及垂直环流剖面,丰梅年,强而稳定的东亚副热带西风急流,通过高低空耦合作用,使得低层西南风加强,长江中下游以南地区形成一支向北输送的西南水汽通量距平,季风涌沿着西南水汽通量距平将充足的水汽输送到我国长江中下游地区上空,有利于该地区上空维持比湿正距平,配合强盛的上升运动,水汽可以达到高层,为梅雨暴雨和深对流发生、发展提供了充足的水汽输送条件。相反,空梅年,东亚副热带西风急流强度偏弱,位置不稳定,高低空耦合而促使低层西南风加强的作用不显著,甚至较常年同期偏弱,表现在我国东部地区整层水汽输送为一致的东北水汽通量距平,长江中下游地区上空为比湿负距平,易导致长江中下游地区空梅。
4.3 位温结构
从合成分析的丰、空梅年的位温和温度以及纬向风的垂直剖面图(图 7a、b)可以看到,副热带锋区位于300 hPa附近,副热带高空急流位于其上方,根据纬向风热成风关系,丰(空)梅年,副热带西风急流偏强(弱),副热带锋区上纬向风的垂直梯度大(小),相应地副热带锋区的温度和位温水平梯度大(小),锋区强度大(小),高空副热带锋区 的次级环流的上升运动与低空梅雨锋上升运动叠加,使得长江中下游上空的上升运动区强盛(偏弱)而(不)深厚,8×10-2 Pa/s的上升运动区从700 hPa向上可达(仅在)300 hPa以上(下),有(不)利于深对流发展。
另一方面,丰(空)梅年,副热带西风急流动量、质量集中,副热带锋区的温度和位温水平梯度大(小),表现为高空副热带锋区等熵面密集(稀疏)且坡度大(小)。丰梅年,339 K等假相当位温线几乎呈垂直状,从近低层深入到高空急流中心位置,等熵面陡直,根据位涡守恒原理,气块沿陡直的等熵面移动,气旋性涡度增大,有利于垂直上升运动发展和加强,垂直上升运动的发展使得动量和质量在高空急流右侧集中,有利于高空急流的维持和加强,另一方面暖湿空气沿着垂直锋区辐合上升,有利于发展深对流,出现强降水。空梅年,339 K等假相当位温线向南凸出,从地面到高层呈半圆弧状伸入到高空急流中心,等熵面的坡度不及丰梅年大,气块沿等熵面移动气旋性涡度增大幅度不及丰梅年,低空偏西南风不强,低空西南风携带的水汽沿着倾斜的锋区爬升,一方面辐合上升运动弱于丰梅年,另一方面,700~500 hPa之间北方的干冷空气使假相当位温线向南凸起,形成干盖,抑制深对流发展,两方面的原因使得空梅年的降水形势不及丰梅年有利。
高空副热带西风急流动量和质量集中,对大气环流垂直运动的影响,可以从湿位涡的倾斜项MPV2的分析表现得更直接,
式中各项为气象常用英文符号。MPV2是与风垂直切变、斜压性以及不稳定性有关的物理量。当它的绝对值急剧增大时,预示负中心南部有垂直涡度的增长,上升运动加剧,对应降水增强。从合成分析的丰梅年MPV2垂直剖面图(图 7c)可以看到,MPV2负值中心位于35ºN附近上空,400 hPa附近的负值中心强度超过-0.16 PVU [湿位涡单位(1PVU=1.0×10-6 m2·s-1·K·kg-1)],并伴随高度的降低而向南伸展,这正是强高空急流在垂直方向上所伴随的强垂直切变、较大位温水平梯度以及不稳定性特征在MPV2垂直剖面的反映,这种特征使得长江中下游上空的上升运动旺盛且深厚,则有利于深对流的发展。空梅年,高空MPV2负值中心强度明显小于丰梅年,长江中下游上空上升运动较弱,不利于深对流发展。
5 结论与讨论
由以上分析可知,异常丰梅年与空梅年东亚副热带西风急流(EASWJ)活动差异显著。合成分析显示,丰梅年相对于空梅年强度偏强,急流带狭窄,质量与动量集中。从逐日演变特征来看,丰梅年,东亚副热带西风急流前北跳一般先于入梅日,后北跳与出梅几乎同步;入梅后,东亚副热带西风急流位置围绕气候态经向平稳摆动,关键区(30ºN~37.5ºN,110ºE~130ºE)纬向风强度偏强,最大中心主频次在125ºE附近,靠近中国大陆并位于下风方。空梅年,东亚副热带西风急流一般不发生前北跳,一次性北跳至40ºN以北地区,或者发生 前北跳,但没有建立准稳定形势,急流位置偏北,经向移动幅度较大,急流强度偏弱,中心主要出现在日本岛及西太平洋上空,远离中国大陆。影响梅雨异常的机理研究表明,异常丰梅年,200 hPa我国东部地区上空急流轴线、散度零线和散度距平零线在37.5ºN “重合”,急流轴以北为辐合,以南为强辐散,辐散中心区与辐散距平中心区“重合” 在长江中下游地区上空,高空强辐散流出,对应低层有强辐合流入以及自底层到高层深厚的垂直上升运动,为梅雨提供了良好的动力环境场;高低空急流耦合作用,有利于低空西南风加强,长江中下游以南地区为西南水汽通量距平,为持续性降水提供了良好的水汽输送条件。高空锋区和典型陡直梅雨锋区,有利于高空急流质量和动量的维持,也有利于深对流发展。本文所揭示的长江中下游异常丰梅年和空梅年东亚副热带西风急流活动及其对应的三维空间结构的显著差异(图 8),应该对梅雨分析和中期天气预报具有一定的预报参考价值。
经向活动相对稳定、强度偏强是丰梅年东亚副热带西风急流活动的一致表现,也是与空梅年的关键差异,表明东亚副热带西风急流强而稳定对梅雨期降水异常偏多至关重要,也验证了作为稳定的行星尺度天气系统,有利于直接产生暴雨的次天气尺度、天气尺度系统在同一地区重复出现或维持,从而造成该地区季节性降水异常偏多。以往从季节平均角度研究指出,东亚副热带急流位置偏南(北),梅雨期降水偏多(少),这仅仅反映了急流位置在一定时期内的平均状态与降水多寡的相关关系,而没有考虑急流经向活动、强度特征以及急流最大中心位置对梅雨降水影响的因素,显然应用于梅雨中期预报与短期气候预测业务存在一定的片面性,效果也不尽如人意。通过本文研究工作发现,从强度、位置及其变化等多方面综合考虑急流演变特征,可以更好地把握和认识急流对梅雨影响及其机理。在实际业务应用中,利用实时获取的前期实况资料和未来15天中期数值预报模式产品资料,逐日监测和分析东亚副热带西风急流北跳、强度、位置及其演变的中期逐日变化特征,对于梅雨分析和中期预报应该是有帮助的。
致谢 感谢国家气象中心曹勇和兰州大学大气科学学院李艳博士在降水量资料计算和文章整理方面给予的帮助!
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