2021年5月江南持续强降水的准双周振荡及可能成因❋

2023-10-18郭浩康

中国海洋大学学报（自然科学版） 2023年11期

郭浩康, 李春, 石剑

(中国海洋大学海洋与大气学院, 山东青岛 266100)

在气象学上,江南地区通常是指中国长江中下游以南、南岭以北的区域。江南春雨是一般早于华南前汛期的连阴雨天气,始于3月初,止于5月中旬[1-3],其中约50%的降水量集中在5月份(约占年降水量15%),会影响农作物春播[4-5]。

江南春雨以不少于4 d的持续降水过程为主[6-7],功率谱分析表明其变化往往具有显著的10～20 d准双周振荡[8]。10～20 d(准双周)、15～40 d(准月)以及20～60 d(季节内)的大气低频振荡能为环流形势的稳定维持提供充足的能量,因此南方春季持续降水通常发生在大气低频振荡的活跃位相上[9]。

春季活跃的低纬度对流通过大气波动向热带外传播,进而会影响到江南春雨产生的环流背景[10]。南海及西北太平洋上空对流的准双周振荡在La Nia衰退年的春季较活跃[11],并以气旋-反气旋低频耦合系统的形式向西或西北方向传播[12-13],对长江以南春季降水的准双周变化具有重要调制作用[14]。春季热带东印度洋对流活动的准双周变化也较为频繁[15-16],并通过热力环流影响江南春雨的雨量[17]。

除热带和副热带扰动外,中高纬环流系统的低频变化同样会影响江南春雨。来自北大西洋的Rossby波的波能在准双周尺度上沿欧亚遥相关波列(Eurasian teleconnection, EU)传递到长江以南并在此发生收敛,以气旋式扰动增强华南地区上空的相对涡度及其经向梯度,从而使华南地区的上升运动得以稳定维持[13]。苗芮等[16]从个例分析的角度指出EU准双周振荡会引起华南地区春季对流的准双周变化。持续性的江南春雨往往在热带异常对流活动和中高纬异常大气环流的共同作用下产生[17]。

2021年5月江南地区降水具有显著的异常性,强降水过程频发,降雨量达到常年的2倍,为近40年来同期最多。《国家气候公报2021》[18]指出,5月15—23日江南地区遭遇的持续强降水过程,其综合强度达到“高”等级。然而江南春雨相对于华南前汛期降水及江淮梅雨的研究仍较为有限,此次降水是否由已知机制引起,降水及其产生的可能原因是否具有新特征有待解释。因此有必要对该阶段持续强降水的特征及背后可能的影响机理进行深入探究,以深化对江南春雨,特别是晚春降水的认识,为今后对此类极端性江南春雨的预测提供可靠的理论依据。

1 资料和方法

1.1 数据资料

降水资料为美国国家气候预测中心(Climate prediction center,CPC)提供的陆面逐日降水资料,水平分辨率为0.5°×0.5°。大气环流数据来自于美国环境预测中心/国家大气研究中心(National centers for environmental prediction/National center for atmospheric research,NCEP/NCAR)的逐日再分析资料[19],包括不同等压面上的位势高度、水平风场、垂直速度(ω)、温度、比湿以及相对湿度,也采用其地表气压用以消除地形对等压面上数据的影响,水平分辨率均为2.5°×2.5°。此外,本文还使用了美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)插值后的向外长波辐射(Outgoing longwave radiation,OLR)逐日数据,水平分辨率为2.5°×2.5°。上述资料选取时段为1981—2021年,气候态选取时段为1981—2010年。

此外,本文直接使用Lee等[20]提出和处理得到的BSISO的空间模态 (http://iprc.soest.hawaii.edu/users/jylee/bsiso/)和最新时间序列(https://apcc21.org/ser/moni.do?lang=en)。

1.2 方法与计算

本文用到的统计方法主要有:经验正交函数(EOF)分解、滑动平均、功率谱分析以及相关分析等。

文中降水、位势高度、海平面气压、波活动通量、水汽通量、OLR以及垂直环流场等的距平值均为格点资料原始值与其对应格点气候态相减得出。

为分析Rossby波在水平方向的传播过程,本文根据Plum[21]提出的方法计算波活动通量:

(1)

式中:F表示波活动通量;p0等于气压/(1 000 hPa);ψ′代表流函数;a为地球半径; ø表示纬度;λ表示经度。矢量指向的方向为Rossby波能量传播方向。

本文所述的海洋大陆(Maritime continent,MC)为2021年5月对流准双周活跃的区域(12.5°N—5°S,102.5°E—127.5°E)。根据气象学定义和2021年5月降水分布,将107.5°E—122.5°E,25.5°N—30.5°N范围内的陆地区域定义为江南地区,MC对流、江南逐日降水指数均为距平场的区域平均值。副高指数、EU指数以及江南5月降水量逐年指数的计算方法在正文中给出公式或说明。

2 2021年5月江南降水及大气环流概况

2.1 江南5月异常强降水概况

图1(a)所示的2021年5月累计降水主要分布于江南地区,呈纬向带状分布,且东部多于西部,降水量普遍在200 mm以上,在浙江、福建以及江西三省交界处降水量较大,最大值达到711.2 mm。图1(b)所示的降水距平百分率表明,2021年5月江南地区降水量整体比往年偏多50%以上,大部分地区比往年同期降水多1倍左右,甚至降水较为丰富的江南东部降水量比往年同期多出约两倍。而与江南地区毗邻的西南、华南地区降水量较往年明显偏少。从图1(c)所示的江南地区的区域平均降水量的年际变化来看,2021年5月江南地区降水量达到357.3 mm,为自1981年以来同期最多,是气候平均值(177.4 mm)两倍之余。

((a)、(b)中黑框代表江南地区,(c)中红线为江南地区降水量气候平均值。The black boxes in (a) and (b) represent Jiangnan; The red line in (c) is the climatic average of precipitation in the Jiangnan region.)

2.2 2021年5月大气环流与水汽输送特征

图2表明不同纬度显著异常的大气环流为2021年5月江南地区持续强降水提供了有利的环流背景条件。中高纬欧亚大陆上空有一支准正压的EU遥相关波列,在此参考Wallace和Gutzler[22]以及杨双艳等[23]的计算方法,将500 hPa位势高度异常场上EU三个活动中心定义为关键区,得到EU指数计算公式:

((a)中矢量为200 hPa上量级不小于10的水平波作用通量异常场(单位:m2/s2),(b)中红色等值线为位势高度气候平均值,绿框区域从左到右分别为(20°W—30°E,47.5°N—62.5°N)、(42.5°E—85°E,42.5°N—67.5°N)及(100°E—130°E,40°N—60°N),(d) 紫框表示江南地区。The vector in (a) is the anomalous field (unit: m2/s2) of the horizontal wave action flux at 200 hPa of magnitude not less than 10. The red contour line in (b) is the climatic mean of the geopotential height and the green frame area is from the left to the right are (20°W—30°E, 47.5°N —62.5°N), (42.5°E —85°E, 42.5°N —67.5°N) and (100°E —130°E, 40°N —60° N). The purple box in (d) represents Jiangnan.)

(2)

式中Z*代表对应区域500 hPa位势高度异常场的标准化平均值。结果表明,EU波列在2021年5月为明显的正位相(“-+-”型),即欧洲上空低压发展,乌拉尔阻塞高压加强,贝加尔湖上空槽加深,使高纬冷空气沿槽后向江南地区输送。图2(a)中高空200 hPa异常波活动通量表明,来自北大西洋上空的Rossby波向下游西伯利亚地区传播,对EU正位相的维持具有重要作用,利于中高纬大气环流形势的稳定。

此外,在副热带对流层中下层的西北太平洋异常反气旋显著增强,进而导致西北太平洋副热带高压(简称为副高)较气候态明显偏强,以5 880 gpm等值线表征的副高北界压到华南地区上空,西伸脊点位于中南半岛上空,为暖湿气流向江南地区输送提供强大的动力支持(见图2(b))。

除稳定的大气环流形势外,充足且持续的水汽供应也是持续强降水产生的必要条件。考虑到对流层300 hPa以上水汽输送较弱,以及地形的影响[24],2021年5月整层水汽输送及其异常积分区间为地表到300 hPa。图3(a)显示,来自南海、西北太平洋与来自孟加拉湾的水汽在副高和孟加拉湾北部南支槽影响下输送到江南地区,在副高西北侧(即江南地区)水汽发生剧烈的异常辐合(见图3(b))。

从图3(c) 所示的OLR异常场来看,江南地区及其北侧淮河流域对流明显增强,反映了江南地区降水锋面向北倾斜的特征。其南侧副高活动区域内对流活动被下沉气流抑制,而在低纬印度尼西亚、菲律宾南部及毗邻海域均具有明显的对流增强,整个东亚地区对流活动表现为南北向“三极子型”变化[25]。

3 2021年5月江南降水的雨带演变和准双周振荡

3.1 雨带演变

为进一步分析江南持续强降水的时空变化特征,对降水沿江南地区所在经度(纬度)平均的纬度(经度)-时间剖面进行分析。除上述EU指数外,在此采用国家气候中心监测业务中所使用的副高脊线和西伸脊点指数[26],并将700 hPa相当温度经向梯度较大的区域作为锋区[27]。图4表明, 2021年5月在正位相的EU和偏北的副高共同影响下,暖湿气流与高纬干冷空气在江南地区对峙形成准静止锋,从而使江南地区降水具有较强的持续性,雨带随锋区的位移而发生南北摆动,其中5月16—24日EU正位相明显加强、副高脊线更偏北,持续强降水在该阶段较为集中(见图4(a))。同时在5月15—21日期间西伸脊点更偏西(见图4(b)),与西侧南支槽间的气压梯度增大,经向风增强,有利于低纬暖湿气流输送向江南。

(紫色虚线分别代表5月1和31日,黑色粗虚线不仅分别代表经向和纬向平均的起始经纬度(左),也代表标准化序列±1等值线(右),中间黑色细虚线代表标准化序列的0等值线(右)。The purple dashed lines represent May 1 and 31, respectively. The black thick dashed lines not only represent the mean longitudinal and zonal averages, respectively. The starting longitude and latitude (left) also represent the normalized sequence ±1 contour (right). The thin black dashed line in the middle represents the 0 contour of the normalized sequence (right).)

3.2 持续强降水的准双周振荡特征

本节利用EOF分析方法将江南地区降水的时空变化信号分离,前两个模态方差分别占比27.23%和16.39%,基于North[28]检验独立。图5(a)反映的降水场第一模态空间分布与图1(a)一致,主要以3～4 d的天气尺度变化为主(见图5(c))。江南雨带南北摆动表现在第二模态,其时间序列PC2-Pre(见图5)可定量描绘雨带的南北振荡,当值增大时表现为雨带北移,反之南移。对PC2-Pre的功率谱分析表明,除天气尺度变化外,2021年5月江南地区雨带南北摆动具有以12 d为主的准双周振荡周期(见图5(f))。

图5 2021年4月11日—6月20日江南地区降水量EOF分析的前两个模态(a、d),107.5°E—122.5°E平均的垂直速度ω剖面EOF分析的第二模态(g),各自对应的时间序列(b、e、h)(h中红色虚线为PC2-Pre,相关系数R为PC2-Pre与PC2-ω在2021年5月同期相关)及时间序列对应的功率谱分析(c、f、i)(黑线为功率谱能量曲线,红虚线为显著性水平为95%的红噪声检验)

另一方面,沿江南地区所在经度(117.5°E —122.5°E)平均的ω剖面EOF第一模态反映东亚经向环流存在大气遥相关波列(图略),而第二模态反映了该经向波列的南北反相变化(见图5(g))。第二模态时间序列PC2-ω的功率谱分析表明,经向环流的南北变化也存在一个12 d的准双周振荡周期。值得注意的是,在2021年5月PC2-ω与降水场第二模态时间序列PC2-Pre两者相关系数高达0.78(通过显著性水平为0.05的信度检验)(见图5(h))。这意味着类似于夏季东亚-太平洋(East Asia-Pacific,EAP)型遥相关通过调制低层气旋、反气旋的变化影响副高的位置和中国东部降水[29], 2021年5月在准双周尺度上东亚遥相关波列南北振荡与副高的位置变化和江南地区雨带的南北摆动可能存在密切联系。

4 2021年5月江南降水准双周振荡产生机理分析

为进一步研究影响2021年5月江南地区持续强降水准双周振荡的环流因子,我们将去掉天气尺度扰动后的江南地区逐年5月31天内的降水量指数与上述环流异常因子的指数进行同期相关分析。图6表明,EU遥相关正位相增强、副高脊线偏北以及西伸脊点偏西的年份江南地区5月持续强降水过程的雨量显著增多;当MC对流增强时不仅与副高脊线偏北相联系,也与江南地区降水量显著增多密切相关,值得注意的是上述相关关系在2021年5月显著存在。图7所示的功率谱分析表明上述环流因子均存在显著的10～20 d范围的准双周振荡,可能通过大气环流异常变化直接或间接地影响江南地区持续强降水。

(未通过95%显著性检验水平的相关系数也填为白色。The correlation coefficient that fails the 95% significance test level is also filled in white.)

图7 EU(a)、MC对流(b)、副高脊线纬度(c)和西伸脊点(d)指数的功率谱分析(黑实线)及显著性水平为95%的红噪声检验(红色虚线)

图8为采用比带通滤波更便于实施的滑动平均[17]过滤出江南地区持续强降水及有关环流因子准双周尺度(8～20 d)的分量,结合PC2-Pre的准双周演变来看(见图8(a)),2021年5月江南地区降水以雨带“北上-南下”为一个周期可划分为5月3—12日以及5月12—25日两个连续准双周振荡周期,雨带分别在5月6和19日最偏北且同期降水量达到最大,这也是大气环流因子利于降水的位相活跃期,之后雨带随着西伸脊点东撤,副高脊线南移而向东南撤退(见图8(a)、(b))。由于第二周期EU正位相更活跃、副高脊线更偏北、西伸脊点更偏西,为江南地区降水提供的偏北干冷空气和偏南暖湿气流更充足,使第二段时期的降水量更大,持续时间更长,由此引发了严重的洪涝灾害。另外,EU指数和副高在降水第二时期明显滞后于江南地区降水在下文解释。

江南春雨的变化除与副高密切相关外,也受热带对流信号影响。结合图3(c)所示的对流原始场距平及其演变(图略)来看,2021年5月热带西太平洋地区整体以对流异常为主,而结合准双周尺度上方差分析(图略)和对流演变(见图9(a))表明,对流在MC地区发生连续两次准双周振荡。MC对流在准双周尺度上增强对应于江南地区降水增强,在MC对流最强的5月6和19日江南降水最旺盛,之后的衰退也几乎是同时发生的。两次MC对流过程不同之处在于,首次对流起源于南海南部(102.5°E—115°E,0°—10°N),向西北侧的菲律宾群岛传播;第二次对流起源于菲律宾以南海域(120°E—127.5°E,2.5°S—7.5°N),以异常气旋的形式向中南半岛传播,且对流强度比第一次强,与Xu等[12]所述的从西北太平洋产生的准双周对流传播路径较为吻合,对流产生的下沉气流使副高北界更偏北,江南地区降水量更充沛。

((a)沿5°S—12.5°N平均的经度-时间剖面,(b)沿102.5°E—127.5°E平均的纬度-时间剖面。(a)、(b)中红虚线分别代表5月1日和31日,黑色横虚线自上而下依次代表102.5°E、127.5°E(a),12.5°N 、5°S (b)。The longitude-time profile averaged along 5°S—12.5°N (a) and the latitude-time profile averaged along 102.5°E—127.5°E (b). The red dotted lines in (a) and (b) represent May 1 and 31, respectively and the black horizontal dotted lines represent 102.5°E, 127.5°E (a); 12.5°N, 5°S (b) from top to bottom.)

为探究在准双周尺度上MC对流与江南地区持续强降水相联系的大气环流特征,图10给出2021年5月不同时间准双周尺度上江南地区所在经度(107.5°E —122.5°E)平均的垂直速度ω的剖面。结果显示,在低纬MC地区对流的准双周振荡活动与图8(a)反映的情况基本一致,对流以波动的形式向北半球高纬传播引起的经向环流准双周变化与垂直速度剖面EOF分析第二模态所反映的信号一致(见图5(g)～(i))。在江南地区雨带北移前,即准双周尺度上江南降水开始前,MC地区盛行强烈的异常下沉气流,江南地区上空对流同样处于抑制状态,此时江南地区表现为少雨特征(见图10(a)、(d))。接下来,随着MC地区对流不断发展,以图10(c)、(f)所示的江南地区准双周降水最活跃的5月6和19日为例,MC地区上升气流在15°N—20°N下沉,从而使副高增强并使其北界偏北,为水汽向江南地区输送提供动力支持,同时在20°N—30°N之间的对流层中下层产生一个次级环流圈,与Jin等[30]指出的MC对流异常时的环流形势相似,江南地区上空垂直上升运动强烈,为持续强降水提供有利的环流条件。而当MC对流衰退为异常下沉运动时,与对流发展前环流形势类似,副高整体南移,江南地区雨带向南衰退(见图10(a)、(d))。

(填色为垂直速度ω准双周分量,单位:Pa·s-1;矢量为低频ω和v的合成场,单位:m·s-1(水平),Pa·s-1(垂直);虚线间为江南地区。Colored as the quasi-bicycle component of vertical velocity ω, unit: Pa·s-1; The vector is the composite field of low-frequency ω and v, unit: m·s-1 (horizontal), Pa·s-1 (vertical); The dotted line is Jiangnan.)

需要指出的是,由于波动不断北传,在降水第二周期由盛转衰时下沉气流传播到15°N—20°N之间(见图10(g)),一方面利于副高稳定在偏北的位置且继续略向北移动,另一方面北传到江南地区对流层上层200～300 hPa的下沉气流对降水具有一定削弱作用,随后继续北传的波动对江南地区降水的抑制作用增强。另外起源于低纬的强大对流系统随波动北传到赤道至15°N之间,大幅削弱副高的强度,南海上空500 hPa表现为异常气旋(图略),同时21日前后正值EU正位相增强,侵扰江南地区的偏北风增强,从而吹响江南地区的西南暖湿气流转为偏北异常气流,导致降水的变化超前于副高脊线变化3 d,超前于EU遥相关约4 d。

综上,2021年5月江南地区持续强降水准双周振荡由不同纬度环流因子异常变化所致。EU和副高直接影响江南地区冷、暖气流和水汽输送,MC地区对流准双周振荡通过向极传播的波动调制江南地区持续强降水的环流形势。

5 总结与讨论

2021年5月江南地区持续强降水过程频发,引发了严重的洪涝灾害。本文从该异常降水事件的概况及大气环流异常特征的角度出发,对持续强降水及背后大气环流因子的周期性振荡进行了分析,结论如下:

(1)2021年5月江南地区雨量充沛,落水区呈纬向带状分布,在浙江、福建以及江西三省交界处降水量较大,最大值达到711.2 mm。江南地区降水整体较往年偏多约1倍,为自1981年以来同期降水最多。来自北大西洋的Rossby波列向欧亚大陆频散,使EU正位相稳定维持,乌拉尔阻塞高压加强,贝加尔湖上空低压槽加深,为高纬冷空气不断南下影响江南地区提供有利的环流条件。异常偏西偏北的副高使得孟加拉湾、南海以及西北太平洋的水汽输送到江南地区。

(2)在正位相的EU和偏北的副高不断变化和相互影响下,在江南地区形成准静止锋并产生持续强降水,降水量以5月16—24日最为集中。雨带随锋区南北位移在江南地区发生明显的南北振荡的特征反映在降水场EOF分析第二模态,具有显著的准双周振荡特征(周期为12 d)。这与江南地区所在经度平均的垂直速度EOF分析的第二模态时间序列相关性高达0.78,这意味着江南地区雨带的南北振荡可能与由赤道北传的东亚遥相关有关。

(3)副高脊线和西伸脊点的准双周振荡引起江南地区降水的南北摆动,造成降水量和降水落区在5月3—12日及5月12—25日间连续两次准双周振荡,分别在5月6和19日雨带最偏北且降水量最大。由于第二周期EU正位相更活跃,副高脊线更偏北、西伸脊点更偏西,为江南地区降水提供的偏北干冷空气和偏南暖湿气流更充足,降水量更大。

江南地区降水受同期准双周尺度上活跃的MC对流所激发的东亚遥相关波列的影响较显著。当MC对流发展时,上升气流在20°N附近下沉,使副高增强,北界偏北,利于水汽向江南地区输送。同时,在20°N—30°N之间的对流层中下层产生一个次级环流圈,江南地区上空垂直上升运动强烈。在降水第二个准双周振荡周期衰退阶段,由于波列继续向北传播,进而导致降水位相略“超前”于环流。

(4)尽管本文从2021年5月江南极端降水个例出发,指出了热带大气低频振荡对江南环流形势的调控作用,但能够影响5月江南地区持续强降水的热带低频信号是复杂的。Lee等[20]定义的BSISO指标的BSISO1能较好地反映热带对流向北向东传播的特征, 2021年5月准双周分量的对流场与BSISO的第一模态EOF1空间相关系数高达0.53且通过95%的显著性检验(与EOF2、EOF3、EOF4相关系数依次为0.11、0.10、0.05,且均未通过95%的显著性检验),与BSISO1-2相比(见图11(b)),其对应的时间序列BSISO1-1的功率谱同样存在一个更接近于降水场第二模态时间序列PC2-Pre的10 d左右的准双周振荡周期(见图11(a))。同时,准双周尺度上超前3天的BSISO1-1的演变与PC2-Pre的关系比BSISO1-2与PC2-Pre的关系更为密切(见图11(c)—(d))。在此参考Wang等[31]的方法,用BSISO中BSISO1-1重构了OLR异常场(BSISO1-1(t)×EOF1,t为时间)并过滤出准双周分量,图12表明2021年5月前后BSISO第一模态表现出了明显的向北向东传递的特征,且超前3天的空间模态对印度洋和MC地区、西北太平洋副高活动区域以及江南地区的对流和对流抑制具有良好的预报意义。