基于梅雨监测指标的安徽江淮地区梅雨过程识别

2020-12-28周玉良金菊良宁少尉吴成国

水利水运工程学报 2020年6期

周平，周玉良, ，金菊良, ，宁少尉, ，崔毅, ，吴成国,

(1. 合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009；2. 合肥工业大学水资源与环境系统工程研究所，安徽合肥 230009)

梅雨是东亚大气环流从春到夏的环流季节性调整过程的产物，是东亚地区独特的天气气候现象，一般于6—7月在中国江淮流域到韩国、日本一带出现[1-4]。每年5月中下旬南海夏季风爆发，季风主雨带随后登陆华南，形成华南前汛期，华南发生春夏季节转换。6月中旬季风雨带随西太平洋副热带高压（简称副高）从南向北推进，副高脊线第一次跳越20°N，在20°N～25°N徘徊，极锋雨带到达江淮流域，容易形成持续性降水过程，即为江淮梅雨，此时华南进入盛夏季节，江淮流域发生春夏季节转换。7月中下旬副高第二次北跳，副高脊线迅速越过25°N，摆动于25°N～30°N，江淮流域梅雨结束，盛夏伏期开始，此后至9月江淮流域的集中降水主要为台风影响降水[5]，若台风降水偏少，易发生伏旱。针对梅雨这一东亚地区独有的天气气候现象，众多研究者对梅雨的气候特征及其影响因子、异常梅雨的成因、梅雨特征量的时空分布及其演变规律，以及梅雨与区域旱涝关系等开展了研究[1-4,6-14]。

梅雨发生的天气气候成因取得了较一致的认识，如梅雨发生在南海夏季风爆发后[8]，副高是梅雨发生发展和维持的决定性因素[3,9]，梅雨同时还受南亚高压、东亚阻塞、印度季风等大气环流的影响，与中东太平洋海温具有一定的遥相关[4]等。但长时间以来梅雨的判别标准一直未统一，各地的天气气候业务实践以及研究者在判别梅雨的入/出梅日所采用的指标及阈值不尽相同。入/出梅日的判别指标主要分为环流形势和气象要素两大类，环流形势中所采用的指标主要为副高脊线、假相当位温等[10-11]，气象要素所采用的指标主要为雨日、雨期、雨量、气温等[9-11]。各地所采用的指标定义和指标阈值也不完全相同，如副高脊线采用120°E 上的高压脊位置[10-11]或 110°E～130°E[12-13]或 115°E～145°E[7]高压脊位置的平均值表征，入梅的副高脊线阈值采用 18°N、19°N 或 20°N，出梅的副高脊线采用 25°N、26°N 或 27°N；各地所采用入/出梅的气温阈值也不相同；雨日定义以及满足入梅标准的雨日数不同。所采用的指标及阈值不同，识别的梅雨过程就可能存在差别，甚至仅以环流形势为入梅指标会得到“入梅日无降水”的结果，而不考虑环流形势的梅雨标准可能将春雨或盛夏降雨识别为梅雨。针对不统一的梅雨识别标准，中国气象局2013年下发了《梅雨监测业务规定（试行）》，在江淮流域各省市2014—2016年进行了连续3年的运行和检验。2017年发布了国标《梅雨监测指标》[15]（下称国标），至此梅雨的监测指标和识别标准得到了统一。

处于安徽省长江和淮河之间的江淮地区为南北气候过渡带，受不稳定的季风影响显著，降水年内年际变化大，加之该区域属于台地丘陵地貌，而沿江沿淮为平原地貌，降水偏多时易发生洪涝，偏少时易出现干旱。梅雨量一般占江淮地区夏季降水量的一半左右，梅雨量的多寡与该区域的旱涝紧密相关。最近的2016和2020年安徽江淮地区因多而集中的梅雨季降水，巢湖出现超保证水位和历史最高水位，而2019年安徽江淮地区因空梅和缺乏台风影响降水，发生了夏秋冬连旱。为此，这里主要依据梅雨国标，基于副高脊线、雨期等条件识别安徽省江淮地区1957—2020年的梅雨过程及其特征量，并对比分析国标与其发布前其他研究在雨日、出梅条件等方面的异同及其对梅雨过程识别和特征量的影响，进一步总结基本规律，为区域防汛抗旱和水资源利用提供科学支撑。

1 数据资料与方法

1.1 数据资料

梅雨国标根据梅雨发生时的大气环流形势和大范围区域性地面降水过程的特征，主要采用副高脊线、雨期、雨日、气温指标判别梅雨过程，识别梅雨开始、中断、结束时间和梅雨降水集中期、雨日数等特征量。根据国标要求，这里的气象数据采用中国气象数据网（http://data.cma.cn）提供的1957—2020年安徽江淮地区数据完整的观测站的日降水量和日均气温资料，高空环流数据采用美国NCEP/NCAR再分析资料中的日平均500 hPa位势高度和纬向风速资料（ftp://ftp.cdc.noaa.gov/pub/Datasets）。

安徽江淮地区的空间平均日降水量、日均气温取区域内观测站的算术平均值。各经度线上的副高脊线以500 hPa等压面上位势高度大于5 880 gpm区域内的最大位势高度的位置表示，以110°E～130°E内各经线上的副高脊线的平均位置为副高脊线指标值[16-17]，若110°E～130°E范围内没有大于5 880 gpm的区域，则据脊线处纬向风速为0，脊线北侧为西风的特征，辅以纬向风速确定副高脊线位置。

1.2 梅雨过程识别与梅雨特征量提取

1.2.1 区域雨日与雨期国标中定义区域雨日为区域内有1/3以上的站点为雨日（日降水量>0.1 mm），且区域平均日降水量超过2.0 mm。该定义与胡娅敏等[8]定义的区域雨日的降水量需大于气候平均的6、7月的日降水量的1/2略有不同。

国标规定雨期需满足：第1个（最后1个）雨日开始往后（前）的10 d内，雨日数占至当前时刻累积时段数的比例超50%；任意10 d内雨日数超过4个；雨日总数超过6个，且没有超过5 d的非雨日，时段平均降水强度超过5 mm/d。该定义主要从降水的连续性、雨日数及其时段总量的角度划定雨期，在雨日数方面，与刘勇等[10]定义的一次大雨后，连续5 d至少有4个阴雨日或连续10 d至少有7个阴雨日略有不同，也与梁萍等[7]采用的连续5个滑动候的候内雨日超过4个的站点覆盖率超1/3为区域雨期开始略有不同，国标中的雨期条件略放松。国际规定7月20日后不再有新的梅雨雨期开始，进入8月的梅雨雨期在该月的第一个非雨日前一天结束，且在立秋前结束。

1.2.2 入梅和出梅条件国标将中国梅雨发生的地理范围分为江南、长江中下游和江淮3个梅雨区，安徽省江淮地区属于其中的江淮梅雨区。国标3.2.5条中规定该区域入梅的环流条件为副高脊线越过20°N，5 d滑动位置位于20°N～27°N，在此背景下日均气温达到22 ℃以上的首个雨日记为入梅日。徐群等[12]以副高脊线连续2侯越过20°N的梅雨集中期的首日为入梅日，比国际规定的梅雨条件更加严格。姚学祥等[13]认为副高脊线稳定在20°N～25°N是出现梅雨的有利条件，而非必要条件。说明入梅日除环流背景外，还需结合雨期确定。国标3.2.5条中规定入梅日为第1个雨期的开始日，对该雨日无特殊规定。刘勇等[10]和各地在梅雨过程识别时所规定的入梅日对雨日的要求更严格，认为入梅日需为大雨日。各地在梅雨过程划分中，遇到满足入梅的环流和气温条件所对应雨期的起始日早于满足该条件的日期，通常将入梅日定为该雨期的起始日。

国标3.2.8条规定出梅的环流条件为副高脊线有连续5个5 d滑动位置超出29°N，且不再继续出现雨日，区域为高温干热天气。该入/出梅的环流条件与胡娅敏等[8]采用的梅雨期间副高脊线位于19°N～26°N，连续5 d以上副高脊线在26°N以北、且有1/3以上的站点连续5 d以上出现35 ℃以上高温干热天气为梅雨结束条件基本相同。由于副高脊线自南向北两次跳动十分迅速，第一、二次跳动分别对应江淮流域入/出梅，故以脊线超过18°N、19°N或20°N作为入梅环流条件和以26°N、27°N或29°N作为出梅环流条件对梅雨识别结果影响不大。国标对出梅的气温条件未设具体数值，而在国标发布前安徽、江苏出梅的气温规定为28 ℃，上海规定为27 ℃[11]。实际上出梅的环流条件达到后，江淮流域处于副高控制下，晴热少雨，各地规定的气温条件易达到。

由梅雨为大范围的连阴雨过程可知，国标3.2.8条按环流和雨日条件判断所得的梅雨区梅雨期结束时间即为梅雨区最后1个雨期结束日的次日，与3.2.6条定义的出梅日为最后1个雨期结束日的次日，出梅时副高第二次北跳，脊线超出梅雨期北界相吻合。但当研究区小于梅雨区时，由于梅雨降水的空间不均匀性，可能存在梅雨区尚在雨期内，而研究区的雨期已结束，则按3.2.6条定义的出梅日，可能与研究区按环流和雨日条件判断所得的梅雨期结束时间不同。故这里以3.2.8条环流和雨日、气温识别的梅雨期结束日的次日为可能最晚的出梅日，以副高脊线北跳前的最后1个雨日的次日为可能最早的出梅日，从后往前将可形成雨期的雨日的次日作为安徽江淮地区的出梅日。出梅日可能晚于最后1个雨期结束日的次日，两者之间可能有一段梅雨间断期。

1.2.3 梅雨过程特征量以入/出梅日、梅雨期长度（简称梅长）、梅雨期降水量（简称梅雨量）和梅雨降水集中期的雨期数、雨日数及集中期降水量为梅雨过程特征量。以国标为基础，取入梅日为满足梅雨环流条件的第1个雨期的开始日，若开始日前有连阴雨的雨日，则以该连阴雨过程的第1个雨日为入梅日；出梅日按国标3.2.8条的环流和雨日条件识别；梅雨期为入梅到出梅日的前一天间的时段，梅长为其时段长，梅雨期由1个或多个雨期构成，相邻雨期之间为梅雨间断期，梅雨期内的1个或多个雨期构成梅雨降水集中期。当安徽江淮地区在副高脊线位于20°N～27°N不能识别出雨期的年份为空梅年，空梅雨量以脊线稳定到达20°N后的第1次明显降水开始日至脊线稳定越过27°N前的一次明显降水结束日间的降水量表示。梅雨量低于气候平均值50%的为枯梅年。

2 实例分析

据合肥、巢湖、六安、滁州、寿县、霍山等6个雨量站资料得安徽江淮地区1957—2019年的1—12月多年平均降水量分别为 38.9、52.7、76.2、91.4、103.9、148.7、192.3、145.0、88.8、61.3、58.0、30.1 mm，多年平均年降水量1 087.2 mm，7—8月和6—8月降水量占年降水量的31%和45%。据国标识别的各年梅雨过程及其特征量见表1。

表1 安徽江淮地区1957—2020年梅雨主要特征量Tab. 1 Signatures of Meiyu processes in Yangtze-Huaihe region of Anhui province during 1957—2020

由表1可得：（1）1957—2020年的64年中有13个空梅年（雨期数为0），约占1/5。空梅年份与梁萍等[7]、胡娅敏等[8]、刘勇等[10]识别的结果基本一致。13个空梅年在副高脊线位于20°N～27°N阶段的降水量小于100 mm的有8年，另外5年中，除2013年外的其余4年该阶段降水强度均低于6 mm/d。2013年该阶段的7个雨日中有5个大雨日，其中3个大雨日连续，2个为暴雨日，阶段降水量为242.6 mm，接近梅雨量均值，则可视该年为梅雨年。此外1959年梅雨期的雨日数为6 d，刚达到雨期的最低标准，降水量仅为58.9 mm，可视为空梅年。（2）非空梅年平均于6月19日入梅，7月13日出梅，梅长平均为23.7 d。梁萍等[7]基于1961—2006年的资料所得的平均入/出梅日分别为6月18日和7月13日，黄青兰等[1]识别的江淮流域1978—2007年平均入出梅时间为6月16日和7月13日。最早入梅日为1991年5月18日，其余年份均在6月后入梅，最晚入梅日为1982年7月9日，最早出梅日为2001年6月20日，最晚出梅日为2020年8月1日，其余年份均在7月前出梅，与刘勇等[10]基于1951—2002年的资料分析结果十分接近（识别的最晚出梅日为1987年7月31日，与表1相同）。（3）51个梅雨年的多年平均梅雨期和降水集中期的降水量分别为270.7和263.0 mm，约占年降水量的1/4，占6—7月降水量的3/4，而梅雨间断期降水量不足10 mm。（4）51个梅雨年中有2段和1段雨期的年数分别为9和42，降水集中期和梅雨期的平均雨日数分别为13.6和 14.2 d。（5）梅雨量低于 125 mm的枯梅年有 7年，分别为 1964、1967、1981、1992、2000、2001、2017年；空、枯梅年均出现了较重的旱情[18]，连续的空、枯梅年旱情尤为突出，如1958—1959、1964—1967、1976—1978、2000—2001，2019和1994年空梅遭遇后期的台风降水亏缺，发生夏秋冬连旱，旱情严重。（6）梅雨量大且集中的年份易发生洪涝，梅雨量大于400 mm的年份有2020、1991、1996、2003、2016、1969、1980、2015年，1980和2015年梅雨期较长、且相邻区域（长江以南和淮河以北）降水正常，安徽江淮地区的洪涝灾害稍轻，其他年份均发生了严重的洪涝灾害；2020年安徽江淮地区梅雨量仅稍少于1991年，而长江以南和淮河以北地区的梅雨量均为最大值，该年长江和淮河流域发生严重洪涝，其中巢湖出现超历史水位。1983年梅雨量虽不到400 mm，但由于安徽长江以南地区梅雨量接近多年均值的2倍，长江水位高，造成了巢湖流域严重的洪涝灾害；而与1983年梅雨量相差不大的1982年，由于安徽长江以南地区梅雨量很少，淮河以北地区降水接近正常，该年安徽江淮地区洪涝灾害程度明显低于1983年。

1971年梅雨降水集中期结束于6月19日，按（国标3.2.6条）最后1个雨期结束日的次日确定的出梅日为6月20日，而本文按（国标3.2.8条）环流和雨日条件确定的出梅日为6月27日，与刘勇等[10]识别结果一致，即6月21—26日为梅雨间断期，其中有2个雨日。此外1976、1979、1987、1993、1999、2014年情况也与1971年类似。

若区域雨日[8]采用日降水量大于气候平均的6—7月的日降水量的1/2，则识别的部分年份梅雨过程与表1存在差别，表现为空梅年增多，入梅偏晚。6—7月的日降水量的1/2约为3.4 mm，以此阈值识别的1957、1959、1976和2001年为空梅年，1963、1983、1990和2011年的入梅日分别比表1中的入梅日迟15、11、7和9 d，其他年份差别不大。