大气科学  2018, Vol. 42 Issue (5): 1055-1066   PDF    
2016年我国梅雨异常特征及成因分析
赵俊虎1, 陈丽娟1,2, 王东阡1     
1 中国气象局国家气候中心/中国气象局气候研究开放实验室, 北京 100081
2 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心, 南京 210044
摘要: 利用国家气候中心梅雨监测资料和NCEP再分析资料,对2016年我国梅雨异常特征及其大尺度环流成因进行了分析。结果表明:(1)2016年我国梅雨有明显的区域特征,其中江南区入梅偏早14天,与1995年并列成为1951年以来入梅最早的年份,出梅偏晚11天,梅雨期(量)偏长(多),但梅雨期日平均降水量偏少;长江区入梅和出梅均偏晚,梅雨期接近常年,但梅雨量偏多一倍以上,梅雨量和梅雨期日平均降水量分别为1951年以来历史同期第三和第二高值;江淮区入梅、出梅及梅雨期接近常年,但梅雨量偏多。(2)对流层高、中、低层环流系统冬夏季节性调整和转变显著提前的共同作用,导致了2016年江南区入梅显著偏早;东亚副热带西风急流、西太平洋副热带高压(副高)和东亚夏季风涌在7月中旬阶段性地南落导致了江南区和长江区出梅偏晚。(3)受到前冬超强厄尔尼诺衰减和春、夏季热带印度洋全区一致海温模态偏暖的影响,梅雨期副高异常偏强,副高西南侧转向的水汽输送异常偏强,并在长江区和江淮区与北方弱冷空气辐合,造成梅雨量异常偏多。
关键词: 入(出)梅      梅雨量      厄尔尼诺      热带印度洋全区一致海温模态      异常成因     
Characteristics and Causes Analysis of Abnormal Meiyu in China in 2016
ZHAO Junhu1, CHEN Lijuan1,2, WANG Dongqian1     
1 National Climate Center/Laboratory for Climate Studies, China Meteorological Administration, Beijing 100081
2 Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044
Abstract: Based on the National Climate Center Meiyu monitoring data and NCEP reanalysis dataset, the characteristics of abnormal Meiyu and associated large scale circulation during the Meiyu period of 2016 in China are analyzed. The results are as follows:(1) There were obvious regional characteristics of Meiyu in 2016 in China. The Meiyu onset date over regions to the south of the Yangtze River was 14 days earlier than normal and was the earliest as that in 1995 since 1951. The Meiyu outset date in 2016 was 11 days later than normal with a longer duration and more Meiyu precipitation, whereas daily average precipitation was weaker. The Meiyu onset (outset) date over the Yangtze River valley was later than normal, while the Meiyu duration was close to normal with more than double of normal Meiyu precipitation. The amount of total Meiyu precipitation and average daily precipitation are ranked as the third and the second highest values since 1951, respectively. The Meiyu onset, outset, and duration over the Yangtze-Huaihe valley were close to normal, but the amount of total Meiyu precipitation was more than normal. (2) The significantly early Meiyu onset over regions to the south of the Yangtze River was induced by abnormally early transition of East Asian circulation from winter pattern to summer pattern. The southward shift of East Asian subtropical upper-level westerly jet and the western Pacific subtropical high (WPSH) were combined with the southward displacement of the East Asian summer monsoon surge in middle July, leading to late than normal Meiyu outset. (3) The decay of the extremely strong El Niño event in the previous winter and the persistent warming of the Indian Ocean Basin-Wide mode (IOBW) in spring and summer were the main reasons that caused the WPSH to be extremely strong during the Meiyu period in 2016. The abnormally strong moisture flux from the southwest of the WPSH and weak cold air from the north converged over the Yangtze-Huaihe valley, resulting in higher than normal Meiyu precipitation over this region.
Keywords: Meiyu onset (outset)      Meiyu precipitation      El Niño      Indian Ocean Basin-Wide mode (IOBW)      Abnormal causes     
1 引言

梅雨指的是每年6~7月在中国长江中下游地区出现的以持续多雨为主要特征的气候现象(Tao and Chen, 1987)。梅雨期是东亚夏季风季节性北推过程中的重要阶段,这一时期中国东部雨带主要徘徊在江南至淮河之间,并往往伴随着持续性大暴雨、洪涝灾害的发生,给国家和人民的生命财产等带来巨大损失。因此,揭示梅雨的变化规律及其异常成因,具有重要的科学意义,对防灾、减灾也具有十分重要的指导意义。

国内外学者很早就开展了梅雨的研究工作,并发现了很多有价值的结论和规律(陶诗言等, 1958, 1988施能等,1996丁一汇等,2007王遵娅和丁一汇,2008Gu et al., 2009梁萍等,2010Sampe and Xie, 2010赵俊虎等,2011)。例如陶诗言等(1958)指出梅雨的开始和结束与亚洲上空南支西风急流的北跳过程密切相关。丁一汇等(2007)认为,当6月中旬东亚夏季风从华南推进到长江流域,同时印度夏季风在印度次大陆爆发时,中国梅雨雨季开始。胡娅敏等(2008)讨论了江淮梅雨丰(弱)梅年的大气环流异常特征。胡娅敏和丁一汇(2009)研究指出西太平洋副热带高压(副高)脊位置的北移、东亚夏季风的加强以及冷空气的减弱,可能是导致2000~2005年江淮梅雨带北移的原因。魏凤英和宋巧云(2005)探讨了近百年全球海表温度年代际尺度的空间分布结构与长江中下游梅雨异常变化的联系,发现当北太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation, PDO)暖事件趋势处于较强时期时,长江中下游梅雨为偏多的趋势,反之亦然。梁萍等(2007)进一步总结了中国梅雨的影响因子。此外,梅雨异常年的成因也引起了学者们的关注。李维京(1999)周兵和文继芬(2007)研究了1998年夏季大尺度环流系统对长江流域“二度梅”的影响。汪靖等(2006)分析了2005年江淮流域入梅偏晚的环流成因。牛若芸和金荣花(2009)对2008年梅雨异常的大尺度环流成因进行了分析,指出对流层高、中、低层多个尺度环流系统都可对江淮梅雨产生直接或者间接影响。封国林等(2012)研究了2011年梅雨期长江中下游地区旱涝急转的成因。总之,每年影响梅雨的主导因素不尽相同,导致各年入(出)梅早晚、梅雨期长短、梅雨量的多寡、梅雨型分布等出现不同的组合,给梅雨预报带来很大的难度。

2016年是一次超强El Niñ o事件的衰减年,本次El Niño事件于2015年11月达到峰值,2016年4月结束,是1951年以来峰值强度最强、持续时间最长的一次El Niño事件(陈丽娟等,2016邵勰和周兵,2016翟盘茂等,2016)。2016年夏季全国气温较常年同期偏高0.9℃,是1961年以来的最高值;全国平均降水量较常年偏多5.6%,其中长江流域降水异常偏多,梅雨期间梅雨量较常年偏多一倍以上,南方共发生11次区域性暴雨过程,暴雨过程平均综合强度为1980年以来最强(曹艳察和张涛,2016权婉晴和何立富,2016袁媛等,2017),带来了较大的损失。本文旨在从大尺度环流系统演变及其异常特征入手,分析2016年我国梅雨的异常特征及其原因,以提高对梅雨的科学认识和预报水平。

2 资料和方法

本文所用资料主要包括:美国国家环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)发布的全球逐日的高度场(H)、风场(uv分量)、比湿(q)再分析资料(Kalnay et al., 1996),水平空间分辨率为2.5°×2.5°,垂直方向从1000~10 hPa共17层等压面;亚洲经向环流指数、副高强度指数和脊线指数、Niño3.4指数及热带印度洋海温全区一致模态(Indian Ocean Basin-Wide,IOBW)指数来自国家气候中心的新百项指数;水汽通量的计算方法参照丁一汇(2005)。为方便表述,这里将梅雨指标达到一倍以上标准差的称为异常。如无特别说明,变量的气候值均为1981~2010年的30年平均值。

中国气象局预报与网络司于2014年发布了梅雨新的监测指标,即《梅雨监测业务规定》。中国梅雨(以下简称梅雨)主要分布在江南至江淮流域,即西自湖北宜昌,东至华东沿海,南端以南岭以北的28°N为界,北抵淮河沿线34°N一带,其经、纬度范围:(28°~34°N,110°~123°E),涉及的行政区域包含上海、江苏、安徽、浙江、江西、湖北、湖南等6省1市。按照气候类型可将梅雨监测区域分为江南区(Ⅰ)、长江区(Ⅱ)、江淮区(Ⅲ)(图 1)。确定区域入(出)梅与梅雨期的主要依据是区域内各监测站的降水条件,副高脊线、日平均温度、南海夏季风爆发时间等为辅助条件,关于各区域入梅、出梅和梅雨期、梅雨量的其他业务规范请参考《梅雨监测业务规定》,这里不再赘述。

① 中国气象局预报与网络司. 2014.关于印发《梅雨监测业务规定》的通知, 气预函(2014)28号[R].

图 1 梅雨监测区域划分及监测站点空间分布示意图(引自《梅雨监测业务规定》)。Ⅰ表示江南区,Ⅱ表示长江区,Ⅲ表示江淮区 Figure 1 Schematic diagram of the division of the monitoring area and spatial distribution of monitoring stations. Ⅰ indicates regions to the south of the Yangtze River, Ⅱ indicates regions of the Yangtze River valley, Ⅲ indicates the region of Yangtze–Huaihe River basin
3 2016年梅雨异常特征 3.1 入(出)梅特征

表 1给出了2016年梅雨的监测概况。其中江南区5月25日入梅,较常年平均偏早14天,与1995年并列成为1951年以来入梅最早年份;7月19日出梅,较常年偏晚11天,为2000年以来第2异常偏晚年,仅次于2015年(偏晚18天);梅雨期55天,与1998年并列1951年以来梅雨期长度的第3位,仅次于2015年和1954年。长江区6月19日入梅,较常年同期偏晚5天;7月21日出梅,较常年偏晚8天;梅雨期32天,较常年同期偏多3天。江淮区6月20日入梅,较常年偏早1天;7月16日出梅,较常年偏晚1天;梅雨期27天,较常年同期偏多2天。综上可见,江南区入(出)梅显著偏早(晚),梅雨期显著偏长,长江区入(出)梅均偏晚,江淮区接近常年。

表 1 2016年梅雨监测概况 Table 1 The characteristics of Meiyu in China in 2016
3.2 梅雨期降水时空特征

(1)梅雨量和梅雨期日平均降水量。由表 1可见,2016年江南区梅雨量为526.0 mm,较常年平均偏多44.0%,位列1951年以来第9;梅雨期日平均降水量为9.6 mm d-1,较常年偏少2.6 mm d-1,属于强度偏弱年。长江区梅雨量为584.3 mm,较常年平均偏多107.9%,位于1951年以来的第3位,仅次于1954年和1996年;梅雨期日平均降水量为18.3 mm d-1,较常年平均偏多8.6 mm d-1,强度较强,位于1951年以来的第2位,仅次于1969年。江淮区梅雨量为420.6 mm,较常年偏多59.1%,梅雨期日平均降水量为14.9 mm d-1,较常年平均偏多4.3 mm d-1,强度较强,位于1951年以来的第8位。

(2)时间演变特征。图 2是2016年5月21日至7月26日三个梅雨区平均的逐日降水量演变图。由图可见,三个区域有3段相对持续的降水期,分别为P1:5月25日至6月3日;P2:6月11日至7月7日;和P3:7月10~20日。其中P2期降水持续时间长,且降水量较大。长江区7月1~6日的降水量分别为60.4、64.3、52.5、45.1、21.8和26.3 mm,6天的总降水量为270.4 mm,接近长江区整个梅雨期多年平均的降水量(280.4 mm);江淮区7月1~7日的降水量分别为89.9、16.6、19.3、49.5、27.2、8.1和19.3 mm,7天的总降水量为229.9 mm,接近江淮区整个梅雨期多年平均的降水量(264.4 mm)。而这一时期江南区梅雨量较少。为进一步分析2016年三个区域梅雨期内降水量时间演变之间的关系,计算了整个梅雨期(5月25日至7月20日)内三个区域的逐日降水量序列相互间的相关系数。其中江南区和长江区、江淮区的相关系数分别为0.12和-0.14,呈弱的正、负相关;而长江区和江淮区的相关系数为0.54,呈显著的正相关。这主要是因为江南区入梅较其他两个区偏早了20天以上,梅雨期降水过程相对独立。

(3)空间分布特征。2016年6月19日至7月20日,三个区域基本均处于梅雨期,是梅雨集中期。由图 2可见,该时期降水中心主要位于长江区,其中湖北东部和南部、湖南北部、江西北部、安徽中部和南部、江苏中部和南部等地降水量在400 mm以上(图 3a),较常年同期偏多5成以上(图 3b),沿江地区偏多1倍以上;湖北东部至安徽南部达到了600 mm以上,其中湖北东南部较常年同期偏多1.5倍以上;其次是江南北部和淮河下游,降水量有200~400 mm,偏多2~5成;淮河上游降水量有100~200 mm,偏多0~2成。结合表 1可见:2016年长江区梅雨量和梅雨期日平均降水量最多,而江南区和江淮区相对偏少。

图 2 2016年5月21日至7月26日梅雨区平均降水量逐日演变。横坐标为日期,纵坐标为降水量(单位:mm) Figure 2 Regional average percipitation from 21 May to 26 July 2016. The horizontal axis indicates time, and the vertical ordinate shows percipitation (units: mm)

图 3 2016年6月19日~7月20日梅雨期(a)总降水量(单位:mm)和(b)总降水量距平百分率 Figure 3 (a) Accumulated rainfall amount (units: mm) and (b) percentage anomalies during the Meiyu period (from 19 June to 20 July) of 2016

综上可见,2016年三个区域梅雨特征有明显差异,其中江南区入梅时间异常早,出梅时间异常晚,梅雨期异常偏长,梅雨量显著偏多,但梅雨期日平均降水量偏小。长江区入梅和出梅均偏晚,梅雨期接近常年,但梅雨量异常偏多,梅雨期日平均降水量异常偏多;江淮区入梅、出梅及梅雨期接近常年,但梅雨量偏多,梅雨期日平均降水量偏多。

4 2016年梅雨异常大尺度环流成因 4.1 江南入梅偏早成因

梅雨是东亚夏季风系统和欧亚中高纬度环流系统相互作用的结果,入梅则体现了东亚大气环流系统完成了从冬季风环流系统向夏季风环流系统的调整。2016年江南入梅显著偏早,也是这种冬、夏季环流系统季节性调整和转变提前的结果,是对流层高、中、低层环流相互配置、共同作用造成的。

东亚大气环流的季节转换、中国大部分地区雨季的开始和结束都与东亚副热带西风急流位置的南北移动及强度变化有着密切的关系(况雪源和张耀存,2006杨莲梅和张庆云,2007)。陶诗言等(1958)指出,东亚梅雨的开始和结束与亚洲上空南支西风急流的两次北跳过程密切相关。急流轴位置的变化和副高的变化具有很好的一致性,高层西风急流的北抬有利于中层副高的北跳。

由于2016年与1995年并列成为1951年以来江南区入梅最早年份,因此选取10个偏早年(1953、1961、1971、1972、1973、1990、1995、2000、2006和2015年)进行合成,分析2016年与历史偏早年环流的异同。10个偏早年中,1995年入梅最早为5月25日,1953、1961和1996年入梅最迟为5月30日;10年平均入梅为5月28日。图 4给出了江南区10个入梅偏早年和2016年的东亚(110°~140°E平均)上空200 hPa西风急流随时间变化的剖面图。从图 4a可以清楚地看到,江南区入梅偏早年,5月下旬东亚上空的西风急流加强,急流轴位置北跳至35°N以北,此时江南区梅雨开始。此后西风急流稳定维持,直至6月中下旬发生第二次北跳。和偏早年合成类似,2016年5月25日左右,东亚上空的西风急流风速较常年明显增强,中心风速在45 m s-1以上,强度较偏早年合成的更强,急流轴位置第一次北跳较早,急流轴在38°N以北(图 4b),较常年同期偏北5个纬度,较偏早年更加偏北。这表明2016年对流层高层的中高纬度大气环流系统调整和北跳异常偏早,为中层副高的北跳、低层亚洲夏季风向北推进和江南区入梅提供了有利的条件。

图 4 (a)江南区入梅偏早年和(b)2016年东亚110°~140°E平均的200 hPa纬向风时间–纬度剖面图(单位:m s-1)。灰色虚线表示气候平均的35m s−1等值线,黑线表示异常年平均的35m s−1等值线 Figure 4 Time–latitude cross sections of zonal wind (units:m s−1) at 200 hPa averaged over 110°–140°E in (a) early Meiyu onset years over regions to the South of the Yangtze River and (b) 2016. The gray dotted line represents the climatological mean of 35m s−1 contour, and the black line represents the average of 35m s−1 contour in anomalous years

研究表明,副高阶段性地北跳与我国东部地区的雨季及多雨带位置直接相关。气候态下,从初夏到盛夏副高有两次明显的季节性北跳,第一次北跳东亚夏季风推进到长江流域,长江中下游地区入梅,第二次北跳东亚夏季风推进到华北,梅雨结束,华北雨季开始(张庆云和陶诗言,1999陶诗言和卫捷,2006赵俊虎等,2012Ye et al., 2014封国林等,2015)。《梅雨监测业务规定》中也指出了梅雨期副高脊线活动范围,江南区南界≥18°N,北界<25°N。即脊线≥18°N时有利于江南区入梅,而脊线在18°~25°N这个范围内,有利于江南区梅雨的维持。图 5给出了江南区10个入梅偏早年和2016年500 hPa高度场沿副高西段(110°~140°E)平均的时间—纬度剖面图。由图 5a可见,多平均的副高脊线在6月8日(7月8日)越过18°N(25°N),江南区平均的入(出)梅时间也正好是6月8日(7月8日)。入梅偏早年,5月下旬起副高区域为显著的正高度距平,一直持续到6月下旬,副高脊线明显偏北,并维持在18°N以北(图 5a),导致江南区入梅偏早。与江南区入梅偏早年合成相比,2016年副高强度更强,5月25日副高脊线迅速北跳,基本维持在18°N以北,维持一周多时间,此时环流条件有利于江南区入梅,直至6月7日后副高才发生一次明显的南落,6月19日副高北跳至22°N(图 5b),此时长江区和江淮区陆续入梅,副高的这一次较长时间的南落导致了长江区入梅偏晚。

图 5 (a)江南区入梅偏早年和(b)2016年沿110°~140°E平均的500 hPa位势高度场时间—纬度剖面图(单位:gpm)。灰色虚线表示气候平均的副高脊线,黑线表示异常年平均的副高脊线 Figure 5 Time–latitude cross sections of geopotential height at 500 hPa (units: gpm) averaged over 110°–140°E in (a) early Meiyu onset years in regions to the South of the Yangtze River and (b) 2016. The gray dotted line represents the climatological mean subtropical high ridge line, and the black line represents the mean subtropical high ridge line in anomalous years

东亚夏季风的北推,是梅雨区降水水汽来源的动力,入梅的早晚与东亚夏季风的季节进程密切相关。图 6给出了江南区10个入梅偏早年和2016年沿110°~122.5°E平均的850 hPa经向风时间—纬度剖面图。从入梅偏早年的合成可见,5月下旬起,中国东部的经向风已经加强,大于4 m s-1的经向风已经北进至江南区,且逐步向北推进,江南区及其以北为显著的正距平(图 6a),表明东亚夏季风向北推进偏早,强度较常年偏强,导致江南区入梅偏早。与江南区入梅偏早年合成相比,2016年东亚夏季风于5月25日迅速加强,并北推至26°N以北(图 6b),给江南区带来了充沛的水汽,梅雨开始。6月4~10日,夏季风阶段性减弱,与此同时,梅雨区降水显著减弱(图 3)。6月11之后夏季风再一次增强,6月19日北推至30°N以北,长江区和江淮区入梅。

图 6 (a)江南区入梅偏早年和(b)2016年沿110°~122.5°E平均的850 hPa经向风时间—纬度剖面图(单位:m s-1)。等值线表示经向风,阴影区表示经向风距平 Figure 6 Time–latitude cross sections of meridional wind at 850 hPa (units:m s−1) averaged over 110°–122.5°E in (a) early Meiyu onset years in regions to the South of the Yangtze River and (b) 2016. Shaded areas represent meridional wind anomalies, and contours represent the meridional winds
4.2 出梅偏晚成因

2016年江南区、长江区和江淮区分别在7月19、21和16日出梅,分别偏晚11天、8天和1天。因此,选取江南区和长江区出梅均偏晚8天以上的年份(1954、1970、1974、1979、1980、1996、1998、2006、2007和2015年)进行合成,分析2016年与历史上出梅偏晚年环流的异同。10个偏晚年中,1998年江南区出梅最晚为8月2日,2006年和2007年出梅最早为7月18日,江南区和长江区10年平均出梅分别为7月23日和7月26日。

从出梅偏晚年高层东亚上空西风急流的时间—纬度剖面图(图 7a)可见,7月1~23日期间,26°~40°N为正距平,中心位于30°~34°N,40°~50°N为负距平,表明西风急流轴偏南,强度偏强,有利于江南区和长江区出梅偏晚;7月24日之后,正距平向北发展,急流轴北抬;中层副高和底层夏季风也有类似的北进过程,7月1~23日期间,副高脊线偏南(图 7b),东亚夏季风维持在长江流域及其以南(图 7c),7月24日之后,副高和东亚夏季风逐步北上,江南区和长江区相继出梅。

图 7 江南区和长江区出梅偏晚年(a)沿110°~140°E平均的200 hPa纬向风距平时间—纬度剖面(单位:m s−1),(b)沿110°~140°E平均的500 hPa位势高度距平场时间—纬度剖面(单位:gpm),(c)沿110°~122.5°E平均的850 hPa经向风距平时间—纬度剖面(单位:m s−1)。(b)中灰色虚线表示气候平均的副高脊线,黑色实线表示异常年平均的副高脊线。(c)中阴影区表示经向风距平,黑色实线表示经向风大小 Figure 7 Time–latitude cross sections of (a) zonal wind (units:m s−1) at 200 hPa averaged over 110°–140°E, (b) geopotential height anomalies at 500 hPa (units: gpm) averaged over 110°–140°E, and (c) meridional wind at 850 hPa (units:m s−1) averaged over 110°–122.5°E in late Meiyu outset years in regions to the South of the Yangtze River and the Yangtze River valley. The gray dotted line in (b) represents the climatological mean subtropical high ridge line, and the black line represents the mean subtropical high ridge line in anomalous years. Shaded areas in (c) represent meridional wind anomalies, and the black lines represent the meridional winds

2016年5月25日至7月4日期间,西风急流主体位置稳定维持在34°~40°N,有利于梅雨的维持;7月8~20日,急流位置有一次明显的减弱南退过程,急流轴位于34°N以南(图 4b),副高在此期间也有一次南落过程,脊线维持在22°~24°N之间(图 5b),夏季风北涌也维持在32°N以南(图 6b),水汽输送难以北上,有利于江南区和长江区出梅偏晚,7月21日西风急流主体位置迅速北跳至40°N以北,副高也发生明显的北跳,夏季风北涌也维持在32°N以北,梅雨结束。

此外,2016年华南前汛期于3月21日开始,较常年平均的4月2日明显偏早;江南入梅偏早,三个区域出梅偏晚;华北雨季于7月19日开始,较常年平均的7月18日略偏晚。由此可见,2016年中国东部春、夏季气候季节进程具有前期偏早、后期偏晚的特点。受到海洋外强迫和大气环流季节内振荡的共同作用,东亚大气环流从冬季向夏季转换较常年偏早,体现在对流层高层西风急流北跳偏早、中层副高第一次北跳偏早、低层夏季风加强和北推偏早等多个方面;而7月中旬副高和夏季风的阶段性南落,导致了夏季气候季节进程后期偏晚。

4.3 梅雨量异常偏多成因

2016年梅雨集中期间(6月19日至7月20日),欧亚中高纬度500 hPa环流呈“两槽两脊”型(图 8a),乌拉尔山地区为一个低压槽,阻塞活动明显偏弱,贝加尔湖西北部为较强的高压脊,东北部则为低压槽,鄂霍次克海则为较强的高压脊控制。副高较常年异常偏强,中心位置达到5910 gpm,偏高20 gpm以上,西伸脊点达到110°E,较常年平均偏西10个经度以上,脊线略偏南。菲律宾附近对流层低层为异常反气旋环流控制,长江中下游地区为西风距平,表明梅雨锋偏强;东北地区也为异常反气旋控制,引导冷空气南下到江淮流域(图 8b)。由副高西南侧转向的水汽输送明显偏强,与东路弱冷空气配合,造成长江中下游地区水汽通量异常辐合(图略),造成梅雨期降水异常偏多。

图 8 2016年梅雨期间平均大气环流距平场:(a)500 hPa位势高度场(等值线,单位:gpm)及其距平场(阴影区),红色等值线表示气候平均的5860和5880gpm等值线;(b)850 hPa距平风场(单位:m s−1 Figure 8 Averaged atmospheric circulation anomalies during Meiyu period of 2016: (a) 500 hPa geopotential height (contours, units: gpm) and its anomalies (shading), red contours stand for the climatological 5860 and 5880 gpm contours; (b) 850 hPa wind anomalies (units:m s−1)

此外,需要说明的是1951年以来梅雨量最多的1954、1996和1998年,梅雨期间欧亚中高纬度为典型的“两脊一槽”型环流,乌拉尔山和鄂霍次克海为较强的高压脊,贝加尔湖为低压槽(图略),中高纬度冷空气活动较强。而2016年梅雨期中高纬度冷空气势力相对较弱,6~7月东亚经向环流指数的监测结果(图 9a)也表明这一点,这是一个不同之处。监测结果也表明2016年6~7月副高较气候平均明显偏强,其强度为历史第二,仅次于2010年同期(图 9b);梅雨集中期间(6月19日至7月20日)经过长江中下游地区南边界的水汽通量强度明显偏强(图 9c),整个长江中下游地区(27.5°~32.5°N,110°~120°E)水汽净收支为历史第一(图 9d)。由此可见,充沛的水汽条件是2016年长江区梅雨量异常偏多的主要成因之一,而这样强盛的水汽主要来自异常偏强的副高西南侧的转向气流。

图 9 1951~2016年环流和水汽输送指数标准化时间序列:(a)6~7月东亚经向环流指数;(b)6~7月西太平洋副热带高压强度指数;(c)6月19日至7月20日经过长江中下游地区南边界的水汽通量;(d)6月19日至7月20日长江中下游地区水汽净收支 Figure 9 Time series of atmospheric circulation and moisture transport index anomalies from 1951 to 2016: (a) Asian meridional circulation index in June–July; (b) intensity index of the western Pacific subtropical high (WPSH) in June–July; (c) moisture budget along the southern boundary of the middle and lower reaches of the Yangtze River (MLYR) from 19 June to 20 July; (d) moisture budget over the MLYRB from 19 June to 20 July

2014年秋季赤道中、东太平洋暖海温开始迅速发展,但由于受到南太平洋中纬度海温异常偏低的影响,2014年El Niño事件并没有形成(Min et al., 2015),但赤道中、东太平洋暖海温仍然维持。图 10给出了2015年1月至2016年8月Niño3.4指数和IOBW指数的演变。Niño3.4于2015年4月大于0.5℃,并持续6个月以上大于0.5℃,形成了一次El Niño事件,于2015年11月达到2.5℃,达到峰值,此后逐步衰减,于2016年5月低于0.5℃,El Niño事件结束。这是1951年以来峰值强度最强、持续时间最长的一次El Niño事件(陈丽娟等,2016邵勰和周兵,2016翟盘茂等,2016)。2016年夏季处于超强El Niño事件的衰减年,受El Niño事件影响,副高在2015年秋、冬季持续偏强,并在2015/2016年冬季达到历史最强,IOBW也表现出持续偏暖的特征(图 10),并在2015/2016年冬季和2016年春季均达到1951年以来最暖(袁媛等,2016)。

El Niño事件一般在秋、冬季达到峰值,春季衰减,到了夏季发生位相转换,而IOBW常在冬季开始发展,第二年春季达到最强。El Niño发展年的秋、冬季,东亚副热带地区会通过Rossby波遥相关作用在菲律宾附近激发异常反气旋环流,它是El Niño影响东亚天气、气候的重要因素。但在El Niño衰减年的夏季,由于赤道中东太平洋异常暖水已经减弱,此时菲律宾附近异常反气旋环流和副高偏强的维持主要是IOBW持续正位相滞后响应的结果。众多研究也表明,IOBW是对El Niño事件的滞后响应,它在维持El Niño对东亚天气、气候的影响中起到重要的“接力”作用(Yang et al, 2007Xie et al,2009陈丽娟等,2013黄刚等,2016袁媛等,2017)。由图 10可见,2016年6月Niño3.4指数已经转为负值,并在7~8月负指数持续扩大,赤道中、东太平洋已经转为冷海温;而IOBW在春、夏季一直维持较强的正位相。

图 10 2015年1月至2016年8月Niño3.4指数和IOBW指数 Figure 10 Time series of Niño3.4 index and the Indian Ocean Basin-Wide mode (IOBW) index from January 2015 to August 2016

从1~7月各月Niño3.4指数和IOBW指数与6~7月平均的副高强度指数的相关系数变化(图 11)可以清楚地看出,1~4月逐月Niñ o3.4指数与6~7月平均的副高强度指数呈显著的正相关,置信水平达到99.9%,6月的相关系数小于0.01信度的临界值,7月的相关系数接近0,表明赤道中东太平洋海温对副高强度的影响是逐步减弱的。2~7月IOBW指数与6~7月平均的副高强度指数呈显著的正相关,置信水平均达到99.9%,其中5~7月的相关系数分别高达0.82、0.77和0.75,表明印度洋海温对于副高强度的影响是显著且持续加强的。这也进一步证明了,2016年夏季梅雨期副高的异常偏强在很大程度上是IOBW暖海温持续造成的。

图 11 1981~2015年1~7月逐月Niño3.4指数和IOBW指数与6~7月平均的副高强度指数的相关系数(实线和虚线分别表示置信水平达到99.9%和99%) Figure 11 Correlation coefficients of intensity index of WPSH averaged in June–July with monthly (from January to July) Niño3.4 index and IOBW index during 1981–2015, respectively (the solid line and dotted line indicate values at the 99.9% and 99% confidence levels, respectively)

此外,除2016年外,1983年和1998年夏季也处于超强El Niño事件的衰减年,这两年春季印度洋也异常偏暖,IOBW指数分别位列1951年以来的第11位和第2位;6~7月副高强度也异常偏强,分别位列第6位和第4位;导致这两年长江区梅雨期异常偏长,梅雨量异常偏多。

5 结论和讨论

梅雨是中国东部雨季进程中最重要的一个过程,梅雨的异常会给我国长江中下游地区带来严重的旱涝灾害。本文利用国家气候中心2014年发布的新的梅雨监测资料和NCEP再分析资料,对2016年我国梅雨异常特征及其大尺度环流成因进行了分析。具体结论如下:

(1)2016年我国梅雨有明显的区域特征,其中江南区入梅异常偏早,出梅异常偏晚,梅雨期异常偏长;梅雨量偏多,但由于梅雨期偏长,导致梅雨期日平均降水量偏小;长江区入梅和出梅均偏晚,梅雨期接近常年,但梅雨量偏多一倍多,梅雨期日平均降水量异常偏多;江淮区入梅、出梅及梅雨期接近常年,但梅雨量偏多。2016年梅雨期降水时空分布不均匀,长江区梅雨最强,江南区和江淮区相对偏弱一些,属于长江区型梅雨;7月1~7日长江区和江淮区梅雨量持续偏多,累积雨量接近常年梅雨期平均的总梅雨量。

(2)对流层高、中、低层环流系统冬夏季节性调整和转变显著提前的共同作用,导致了2016年江南区入梅显著偏早,即5月25日,对流层高层的西风急流加强北跳、中层西太平洋副热带高压也加强北跳过18°N。同时,低层东亚夏季风开始明显加强和北推,北推至26°N以北,给江南地区带来了充沛的水汽;西风急流、副高和东亚夏季风涌在7月中旬阶段性地南落导致了江南区和长江区出梅偏晚。

(3)受到前冬超强El Niño衰减和春、夏季IOBW暖海温持续偏暖的共同影响,梅雨期副高异常偏强,副高西南侧转向的水汽输送异常偏强;欧亚中高纬度呈“两槽两脊”型,鄂霍次克海为较强的高压脊控制,冷空气路径偏东,北方弱冷空气与南方充沛的水汽输送于长江区和江淮区辐合,造成梅雨量异常偏多。

综上可见,入梅早晚与东亚大气环流系统由冬季向夏季转换的早晚和快慢密切相关,在入梅的中期预报中,需要密切关注东亚副热带西风急流和副高第一次北跳,及越赤道气流爆发和东亚夏季风推进的早晚,并从历史资料和模式预报中提取影响以上环流系统的外强迫信号。梅雨量的多寡则主要与中高纬度环流和低纬副热带环流系统是否能达到较好的配置及稳定维持有关,来自中高纬度的冷空气强度和路径、来自副热带系统携带的水汽输送的强弱,直接影响到梅雨量的多寡和强度,而副热带环流系统的异常则主要受到前期至同期赤道中、东太平洋和印度洋等关键区域海温外强迫异常的调控。本文从大尺度环流系统异常演变、及前期至同期海温外强迫作用的角度入手,分析了2016年我国梅雨的异常特征及其原因,以提高对梅雨的科学认识和预报水平。

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