2010年梅雨及大尺度环流特征分析

 
2010年梅雨及大尺度环流特征分析
国家气象中心   李  勇
 
摘要
采用中国基本站点资料、NCEP逐日格点资料分析了2010年江淮梅雨及大尺度环流的基本特征，结果表明：2010年江淮流域出入梅均比常年平均偏晚16天，梅雨集中期共21天，长江中下游沿江5个梅雨代表站总降水量为1522.9mm，较常年平均偏多26.1% ，梅雨强度指数2.94（偏强）。从降水时空分布来看，2010年江淮梅雨呈现出前多后少、西多东少的特征。进一步分析表明，2010年江淮流域入梅偏晚与整个对流层环流调整偏晚有密切关联，对流层中高层环流调整的时间对江淮流域入梅时间有重要影响。对流层上层南亚高压北抬及西风高空急流北跳偏晚，对应南亚高压北侧的副热带高空西风急流北跳时间偏晚，从而使得江淮流域高空强辐散场的建立偏晚。中层经向温度梯度发生反转的时间明显晚于常年平均时间，副热带高压西伸北抬的时间也偏晚，对应层夏季风向北推进至江淮流域也显著偏晚。此外，2010年春季赤道中太平洋地区海温异常偏高，NOSO-modoki事件可能是使得2010年入梅偏晚的一个外强迫因子。
关键词： 梅雨  大尺度 环流特征
引言
梅雨是我国江淮流域春末夏初过渡季节中的重要天气气候现象，是亚洲大气环流季节变化的典型表现（1-2），随着国内气象专家在亚洲季风的研究上取得重大突破，陈隆勋和陶诗言（3）提出了梅雨锋带存在于东亚夏季风系统内，是由副热带季风和北方冷空气组成的中纬度梅雨带。因此，对于中国东部夏季降水特别是梅雨的研究来说，不仅要考虑热带季风系统和副热带季风环流的影响，还要考虑到中高纬环流及其相关冷空气活动的影响（4）。已有的研究（5-10）表明，东亚季风环流系统成员的位置对出、入梅时间及梅雨强度均有重要影响。徐群（11）研究了1991年江淮流域入梅偏早的成因，王秀文等（12）分析了南亚高压对2005年入梅偏晚的影响。2010年江淮流域入梅偏晚，且降水量的空间分布不均匀，必然存在一定的环流异常，本文重点分析2010年江淮入梅前后的环流演变，以期寻找造成2010年江淮流域入梅偏晚的大尺度环流成因，并对平均梅汛期的环流特征进行分析，为今后预报入梅时间提供一些参考依据。
一、2010年梅雨期（量）基本特征
2010年江淮流域7月3日入梅，7月24日出梅（国家气候中心），出入梅均比常年平均偏晚16天左右，梅雨集中期共21天，长江中下游沿江5个梅雨代表站总降水量为1522.9mm，偏多26.1% ，梅雨强度指数2.94（偏强）。
从空间分布来看，2010年梅雨呈现出东西方向非均匀性特征，主要降雨区偏西，位于湖北东部、安徽西南部以及江西北部等地的长江中游一带（图1a），暴雨和大暴雨日数分别为4-6天及1-2天（图略）。长江中下游沿江一带降水较多年平均值偏多5成至1倍，局部地区偏多2-3倍（图1b）。
集中降水是梅汛期的重要特征，2010年梅汛期强降水主要集中在7月8-13日（可从梅汛期江淮流域降水量自然正交展开的时空系数加以验证，图略）。参考中央气象台降水过程统计，7月8-15日，江淮流域正好有一次强降水过程。整个梅汛期来看，降水呈现出前多后少的分布特征，即梅雨期前半段降水量大，后半段降水量小。

（a）

（b）

 
图1 2010年7月3-23日累积降水量（mm）（a）及降水量距平百分率（b）
（图中矩形虚线框表示江淮流域）
 
一、 入梅前后的环流演变
    从江淮流域平均降雨量时间-纬度剖面（图2）可见，6月19日前后，南昌、长沙、常德等地出现暴雨，雨区虽然处于江南北部，但此时长江中下游沿江一带没有出现明显降雨，加之高空环流形势没有发生显著调整，不能认为进入梅雨期。6月下旬至7月初，环流开始显著调整，调整的时间明显偏晚。7月3日，长江中下游沿江出现降雨，配合高低空环流场特征，确定3日为2010年入梅日，整个梅汛期期间，强降水发生在7月8-13日，两次降水较弱时段，分别为17-18日和21-23日，均出现在梅汛期的后半段。因此，梅汛期降水具有明显的前多后少特征。7月24日，雨带消失，梅雨也宣告结束。
图2 110－120°E平均降雨量（mm）时间-纬度剖面（阴影表示降雨大于5mm）
南亚高压的北抬东伸是江淮地区进入梅雨期的重要高空前兆信号。6月27日，南亚高压开始强烈发展，平均东段（100-120°E）脊线从24°N附近迅速北抬，7月3日起又逐渐南压，7月5-23日期间稳定维持在27-30°N（图3a），处于有利于江淮流域出现梅雨的纬度带。在脊线北抬的同时，南亚高压也随之向东伸展，7月3日1256dgpm线向东越过120°E，江淮流域正是在南亚高压显著东伸的过程中入梅（图3b）。23日，环流再次发生调整，位于江南北部的南亚高压脊线逐渐消失，而在青海、甘肃西部一带上空高压强烈发展并向东北伸展（图略），江淮流域梅雨逐渐结束。从南亚高压脊线的时间演变图（图3a）上看，高压脊线突然北跳至45°N附近，实际上则南亚高压脊线经历的一次重建的过程。

（a）

（b）

 
图3 6－7月南亚高压平均东段脊线（a）及200hPa位势高度（dgpm）（b）沿30°N的经度-时间剖面图（阴影表示位势高度大于1252dgpm）
东亚副热带高空西风急流具有明显的季节变化特征。6月份200hPa高空急流的北跳与江淮梅雨有着密切的关系，可视为江淮梅雨起始的前期征兆，特别是东亚副热带急流轴线指数上升并稳定维持在38°N以北可以作为一项入梅的前兆信号（13）。从200hPa平均（70～120°E）纬向风的时间-纬度剖面图（图4）可见，6月27日开始，伴随着南亚高压的东伸北抬，副热带高空急流也迅速北抬，至7月3日，高空急流核从35°N跳至43°N附近，北跳了大约8个纬度，最大西风风速也相应从35m/s增大至53m/s左右（图略）。23日前后，高空急流消失并在45°N以北地区重新建立，7月24日江淮流域正式出梅。
图4 6－7月200hPa平均（70～120°E）纬向风的时间-纬度剖面图（m/s）
（阴影表示风速大于30m/s）
南亚地区（25-22.5°N，7.5-5°N；60-80°E）对流层中高层平均经向温度梯度的逆转被视为江淮流域入梅的重要前期征兆（14）。 就多年平均而言，对流层中高层经向温度梯度是由高层至低层逐渐反转，500hPa温度梯度发生反转出现在6月17日前后（图略），而2010年温度梯度虽然在6月上旬及中旬分别出现两次短时间反转，但温度正梯度没能稳定维持，6月27日开始，温度梯度完全转为正值（图5），但由于副热带高压强烈北抬，迅速控制了整个江淮流域，长江中下游地区没有明显降水，尚未入梅。而随着环流的调整，至7月3日温度梯度超过多年平均值，江淮流域才真正入梅。
图5 2010年（黑色）及多年平均（绿色）
5-7月南亚对流层中层500hPa经向温度梯度时间演变曲线（℃）
 

（a）

（b）

 
图6 6－7月西太平洋副热带高压（a）及110-120°E平均位势高度的纬度-时间剖面图（b）（dgpm）（阴影表示位势高度大于584dgpm）
 
副热带高压是影响江淮流域梅雨的另一个重要系统，它的异常对梅雨的异常有重要影响。由副热带高压平均西段脊线时间演变（图6a）可以看到，2010年6月27日，副高脊线越过了20°N并逐渐北抬，而副高平均北抬发生在6月17日前后（图略），2010年副高与多年平均相比北抬明显偏晚。梅汛期强降水发生的时段，副高脊线一直稳定在22°N附近地区，对降水的产生非常有利。7月13-21日，副高平均脊线位于24-27°N，江淮流域降水有所减弱。事实上，6月中旬副高一直较为稳定，到了下旬才迅速发展加强。从6－7月110-120°E平均位势高度的纬度-时间剖面图（图6b）可以看到，588dgpm线北界于29日越过30°N，7月3日达到最北的位置之后，副高开始南落，江淮流域正是在副高南落过程中入梅。7月21日，大陆高压开始强烈发展，24日副高与大陆高压合并，江淮流域完全处于高压控制下，梅雨结束。

（a）

（c）

（b）

 
图7 5－7月110-120°E平均垂直速度（Pa/s）（a）、散度（b）及涡度（c）的高度-时间剖面（阴影表示相应物理量小于0）
大范围的强降水发生需要有较强的垂直上升运动配合。从2010年5－7月沿30°N平均 （110-120°E）垂直速度的高度-时间剖面图（图7a）可以看到，7月3日开始，对流层中的上升运动显著加强，7月10日前后上升速度达到了0.2Pa/s，梅汛期最大降水出现在10-12日，与上升运动对应的较好。而6月底至7月初的环流调整期，对流层（特别是中下层）中则基本以下沉气流为主，这段时期江淮流域没有明显降水。
与上升运动相配合，从涡度和散度的时间（图7b、c）演变可以看到，强降雨发生的时段（7月8-13日），低层有着明显正涡度及负散度，高层为负涡度及正散度，有利于降水的产生。而6月底至7月初，对流层低层则为负涡度和正散度，不利于降水的产生。7月15日以后，低层转为负涡度，江淮流域的降水明显减弱，这样的形势与前面提到的2010年江淮流域梅雨降水前多后少的特征较为一致。
图8 2010年5-7月沿110－120°E平均的850hPa经向风速（阴影）、大于12m/s等风速线（虚线）及风矢量（箭头）的时间-纬度剖面图
与中高层环流转换偏晚相一致，低层夏季风向北推进至江淮流域也偏晚（图8）。6月27日之前，夏季风影响范围基本位于28°N以南地区，6月27日开始明显向北推进至30°N附近，推进时间偏晚。6月27日至7月3日期间，虽然南方暖湿气流前沿已经到达长江中下游沿江一带，但是此时由于副热带高压迅速北抬，江淮流域处于副高控制中，为一致的动力下沉气流，没有明显降水，直到7月3日副高开始南退时才真正进入梅雨期。7月10日前后，江淮流域850hPa风速显著增大，超过12m/s，达到了急流的强度，30°N附近长江中下游水汽通量也达到极大值（图略），对应湖北东部、安徽西南部等地出现了强降水。
冷空气活动对入梅和出梅同样有重要贡献。从110-120°E平均经向风的时间-高度剖面图（图9）可见，2010年7月有两次明显的冷空气从高空下传过程，一次发生在7月1-5日，另一次则发生在23-27日，前一次冷空气活动使得冷暖气流汇合在30°N附近地区，而后一次高空冷空气的南下较前期更加明显，有利于梅雨的结束。从850hPa江淮流域平均经向风的时间演变图（图略）可以看到，7月22-26日（110－120°E 27.5－32.5°N）范围内为北风所控制，表明北方冷空气南下势力较强，偏南暖湿气流受到抑制。
图9 2010年6-7月沿30°N平均（110-120°E）经向风的时间-高度剖面图（m/s）（阴影表示风速小于0）
 

（a）

（b）

 
图10 2010年3-5月平均赤道中太平洋SSTA（a）（阴影表示海温距平大于0）及1-10月SSTA时间演变（b）
 
近年来的研究表明，NOSO-modoki事件与江淮地区梅雨建立有着重要联系，该信号具有较好的短期气候预测准确率和实用性。前期赤道中太平洋地区（165-220°E，-10-10°N）海温偏高时，梅雨建立偏晚，反之亦然（15）。从2010年3-5月平均赤道太平洋地区海温距平图（图10a）可以看到，2010年3-5月，中太平洋海温显著偏高，最大正距平中心超过1℃，modoki事件显著。因此，NOSO-modoki事件可能是使得2010年入梅偏晚的一个外强迫因子（具体影响机制尚需详细探讨，本文暂不探讨）。
图11 7月21-23日逐日850hPa 水汽通量及其散度（上）以及整层大气可降水量kg/m^2 （下）
 
我国学者很早就意识到热带气旋对西南季风向江淮流域输送水汽具有切断的作用，特别是北上的气旋对副热带高压有着显著的影响。2010年7月16-18日及21-25日有两个台风影响我国华南沿海一带，使得副热带高压相对位置偏北，这也是造成梅雨后期降水较少的一个因素。特别是3号台风“灿都”虽然没有北上，但对南海地区水汽向江淮流域输送存在明显不利影响。另一方面，从水汽通量散度演变图（图11）可见，7月21-23日，水汽通量较大的区域主要集中在华南地区，并向西北方向输送，江淮流域、特别是沿长江一带的整层可降水量异常偏少。因此，2010年第3号台风活动对梅雨结束有一定影响。
 
二、 梅汛期大尺度环流特征
从2010年7月3-23日200hPa平均流场（图13a）可以看到，南亚高压中心位于西藏东部95°E，平均脊线位于28°N附近。高空急流核位于我国新疆南部，在高空急流与南亚高压脊线之间形成了一个宽广的气流辐散区，江淮流域处于高空的强辐散场中（图略），高空辐散对于江淮流域的降水是比较有利的。此外，从距平场（图13b）可以看到，在我国青海及日本东部地区存在两个异常的反气旋环流，青海地区的异常反气旋使得高空急流偏强，从而有利于高空辐散场的稳定维持。另一方面，日本东部的异常反气旋使得30-40°N之间的西北太平洋地区出现异常的东风距平，从而造成西北太平洋西风急流明显偏弱，平均图上甚至看不到30m/s以上的大风速区。事实上，从多年平均的梅汛期（6月17-7月8日）200hPa环流场（图略）可以看到，西北太平洋地区的急流对于江淮流域的降水维持是非常重要的，这与杜银（16）等人的结论相一致。2010年江淮流域降水EOF时间系数序列与同期200hPa风速的相关分析（图13c）可以看到，江淮流域的降水与西太平洋高空急流存在显著正相关。

（a）

（b）

 
图12 2010年7月3-23日200hPa平均（左）及距平流场（右）（m/s）

（c）

 
图13 江淮地区降水EOF第一模态时间系数与200hPa纬向风的同期相关系数分布
（阴影区通过0.05信度检验）
从2010年7月3-23日500hPa平均高度场（图14a）可以看到，在对流层中层亚洲中高纬地区呈现两槽一脊，西边的高空槽位于巴尔喀什湖附近，东边的槽较弱，位于我国东北至山东半岛一带。西阻高异常偏强且偏西，中心位于40°E附近，东阻高则明显偏北。贝加尔湖附近高压脊的存在一方面使得巴尔喀什湖附近大槽中的冷空气不易东移南下，另一方面却有利于冷空气沿着脊前偏北气流南下，即冷空气南下路径偏东。从平均温度平流分布（图14b）可以看到，冷平流主要位于华北及东北西部地区，冷空气路径偏东使得江淮西部地区暖湿气流强盛，同时减弱了江淮东部地区水汽向北输送，是造成降水西多东少的一个原因。副热带高压呈带状分布，脊线稳定在22°N附近，具有典型梅雨期的环流形式，但不同之处在于副高异常偏强，且平均西脊点位于110°E以西（较常年平均明显偏西）；此外，孟加拉湾、青藏高原一带高度场偏高，这种高度场分布一方面表明高原上的低值系统活动相对较少，另一方面对西南方向水汽输送不是特别有利。

（b）

（a）

 
图14 2010年7月3-23日500hPa平均高度（黑实线）及距平场（阴影）（a）、平均温度（红实线）及温度平流（阴影表示冷平流区）（b）
受到副高异常西伸的影响，850hPa上从低纬度北上的西南暖湿气流较大的区域也明显偏西（图15a），低空急流位置偏西，为长江中游一带的降水提供了充沛的水汽，而长江下游水汽的集中辐合则相对较弱。从距平场（图15b）还可以看到，孟加拉湾至中南半岛一带存在异常的东风距平，表明水汽来源可能更多的集中于南海地区，而来自孟加拉湾来的水汽则偏少。850hPa平均散度分布（图略）表明，大量水汽从海上输送至江淮地区，并产生强的辐合，从而形成有利于降水的环流条件。
 
图15 2010年7月3-23日850hPa平均流场（阴影表示风速大于8m/s）（a）、及距平场（阴影表示风速大于2m/s）（b）
四、思考与讨论
（1）       南亚高压异常发展加强东伸
南亚高压的北抬东伸是江淮流域梅雨建立的一个重要前期信号，但是引起南亚高压东伸的原因却比较复杂，NOSO-modoki事件能够在大气中激发一种类似EAP的遥相关型从而影响南亚高压，造成南亚高压北抬偏晚，导致江淮流域梅雨建立时间偏晚，但事实上，2010年还处于ENSO事件暖位相衰减期，有研究表明：在ENSO事件暖(冷)位相衰减期的夏季,使得南亚高压强度发生显著变化,强度增强(减弱)、面积扩大(缩小)、东西向扩展(收缩)、脊线北侧气压梯度增大(减小)、南侧气压梯度减小(增大)。
（2）       副热带高压北跳的异常
120-160E平均OLR纬度-时间剖面图
    副高的迅速北跳与众多因素有关，已有的研究表明赤道地区对流活动是其中一个因素，但2010年赤道太平洋地区OLR时间演变图表明，副高是在对流较弱的时期北跳的，因此，热带对流造成的潜热加热对副高北跳没有明显影响，副高北跳却与南亚高压同时发生，似乎南亚高压的动力作用更加清楚。
（3）前期大气环流因子（如冬季风）及海温（北大西洋）对后期梅汛期降水的影响
（4）梅雨锋强降水发生时的青藏高原低值系统活动及作用
2010年江淮梅汛期强降水发生时段，500hPa上的低值系统东传并不明显，表明强降水可能更多的是由局地对流造成的，而平均OLR分布也表明，在长江中游一带有很强的对流云的发展，对降水非常有利，同时长江下游对流较弱也从另一方面说明了雨带偏西的特征。
 
27.5-35°N平均的500hPa相对涡度时间-经度剖面（左）及
2010年7月3-23日平均OLR空间分布（右）
参考文献
（1）       周曾奎。江淮梅雨【M】。北京：气象出版社，1996：1
（2）       陶诗言，赵煜佳，陈小敏。东亚的梅雨期与亚洲上空大气环流季节变化的关系。气象学报，1958，29：119-134
（3）       宗海锋，张庆云，陈烈庭。梅雨期中国东部降水的时空变化及其与大气环流、海温的关系。大气科学，2006，30（6）：1189-1197
（4）       梁萍，汤绪，柯晓新等。中国梅雨影响因子的研究综述。气象科学，2007，27（4）：464-471
（5）       陶诗言，朱文妹，赵卫。论梅雨的年际变化。大气科学，1988，（特刊）：13-21
（6）       陶诗言，李吉顺，王昂生，东亚季风与我国洪涝灾害。中国减灾，1997，7（4）：17-24
（7）       杨祖芳，王文东，何立富。丰、歉梅雨年热带大气环流的异常特征。热带气象学报，1997，13（1）：47-55
（8）       竺夏英，何金海，吴志伟。江淮梅雨期降水经向非均匀分布及异常年特征分析。科学通报，2007，52（8）：951-957
（9）       丁一汇，陆尔。据1991年特大洪涝过程的物理分析试论江淮梅雨预测。气候与环境研究，1997，2（1）：32-38
（10）   吴仁广，陈烈庭。长江中下游地区梅雨期降水与全球500hPa环流的关系。大气科学，1994，18（6）：691-700
（11）   徐群。1991年江淮流域入梅期异常偏早的成因分析。气象，1992，18（9）：17-20
（12）   王秀文，桂海林。100hPa环流特征与2005年梅雨异常的关系。气象，2006，32（11）：88-93
（13）   牛若芸，金荣花。2008年梅雨异常大尺度环流成因分析。高原气象，2009，28（6）：1326-1334
（14）   李崇银，王作台，林士哲等。东亚夏季风活动与东亚高空急流位置北跳的关系研究。大气科学，2004，28（5）：641-658
（15）   汪靖，何金海，刘宣飞等。江淮梅雨建立的年际变化及其前期影响信号分析。科学通报，2009，54（1）：85-92
（16）   杜银，张耀存，谢志清。高空急流东西向形态变化对梅雨期降水空间分布的影响。气象学报，2008，66（4）：566-576