2018年冬季浙江连续阴雨天气东亚高空急流特征分析

2021-04-02王洪勋

沙漠与绿洲气象 2021年1期

王洪勋

（上虞区气象局，浙江绍兴 312000）

20世纪60年代，叶笃正等[1]、陶诗言等[2]的研究揭示东亚高空副热带西风急流与我国冬夏季降水密切相关。克雷斯曼（Cressman）的研究[3]以及观测表明北半球中高纬度地区对流层上层大气中存在南北两支急流，分别是副热带西风急流和温带急流（又称为极锋急流）。张耀存等[4]、任雪娟等[5]分析了温带急流特征，表明在冬季东亚地区南支副热带急流自青藏高原南侧向东北延伸到西北太平洋上空，北支温带急流自高原北侧地区向东南延伸，在东亚沿海至日本东南侧的西太平洋上空与南支副热带急流汇合。张俊兰等[6]、牟欢等[7]分别对新疆极端暴雪天气进行了研究，曲良璐等[8]对阿克苏地区初秋一次暴雨过程进行诊断分析，于碧馨等[9]对2012年前冬伊犁河谷持续性大暴雪成因进行分析，表明急流与高空和地面锋区相对应，锋区内扰动的发展和风暴的生成往往会带来强降水、寒潮等极端天气气候事件。这些研究都揭示了东亚高空急流位置、强度变化对天气气候变化有直接影响。

2018年12月—2019年2月，浙江全省出现罕见阴雨寡照天气，全省平均日照时数为历史同期最少，平均降水日数、降雨量为历史同期最多。其中2018年12月1日—2019年1月16日，全省平均日照时数仅45 h（为历史同期的30%），全省平均降水日数为31 d（比历史同期偏多20 d），全省平均降水量为209 mm（为历史同期的375%），1月16日浙江北部出现雨夹雪。1月17—27日全省阴转多云，21—27日出现连续晴天。1月28日开始又转为阴雨天气，到2月底全省平均雨量为150 mm（为历史同期的390%），雨日为21 d（比历史同期偏多16 d），日照为43 h（为历史同期的31%），2月16日北部出现雨夹雪。3月上旬天气转为晴雨相间，仅3月1—2日中雨，5日和8日小雨，10日开始全省晴多雨少，气温回升，阴雨寡照天气结束。长期的阴雨寡照天气对生产生活带来严重不利影响，东亚高空急流是影响东亚中高纬地区天气气候的重要环流系统，了解和研究2018年冬季连续阴雨寡照期间东亚高空急流的特征及其异常机理，提高对异常天气气候事件的预测水平有重要应用价值。

目前对异常天气和东亚地区高空急流关系的认识，主要是针对副热带急流的研究[6-11]，陈静等[10]还对近57 a南疆帕米尔地区春季降水季节内差异及环流异常进行分析。张庆云等[11]分析了夏季东亚高空副热带西风急流季节内异常的环流特征及前兆信号。金春荣等[12]总结的暴雨分析及预报技术，卫玮等[13]分析东亚高空西风急流气候特征，曾勇等[14]、刘春风等[15]对新疆暴雨天气进行模拟和诊断分析，庄晓翠等[16]、李海燕等[17]对新疆冬季暴雪分析，都主要探讨副热带高空急流的影响，由于温带急流具有显著的瞬变特征，急流的强度和位置变动范围较大，使其平均位置不容易确定，因而关于东亚温带急流变化特征与东亚异常天气的关系研究较少[4-5]，因此有必要深入开展这方面的研究。

1 资料和方法

本文所用资料：（1）欧洲中心（ECMWF）ERA5月平均再分析资料，时间为1979—2019年，所选要素包括风场、湿度场等，资料水平分辨率为0.25°×0.25°（格点数为1440×721），垂直方向为37层。（2）欧洲中心（ECMWF）ERA5逐日再分析资料，时间为2018年12月—2019年2月逐日0时和12时（世界时）两个时刻数据，所选要素包括风场、湿度场等，资料水平分辨率为0.75°×0.75°（格点数为480×241），垂直方向为37层。

在分析高空急流的活动位置和月变化时，运用了ERA5月平均再分析资料，在分析2018年冬季连续阴雨天气时东亚高空急流，特别是温带急流的频次时，运用了ERA5逐日再分析资料。

2 东亚高空急流活动区域

图1为1979—2019年12月—翌年2月200 hPa平均纬向风速和平均全风速。平均纬向风和全风速大小和形态分布接近一致，在20°～45°N区域均存在风速≥30 m/s的风速带，证明该区域以纬向西风为主导风向，该区域正是副热带急流活动区，副热带急流风速贡献以纬向风为主（图1）。在蒙古高原40°N以北到贝加尔湖附近，存在一个明显的大风速脊区，纬向风场与全风速场相比，该地区的风速形态分布开始有差异，全风速场比纬向风速场范围大，向北到达位置更靠北，说明该区域在风速贡献上经向风贡献比重增加，纬向风主导贡献减少；再往北，风速脊线逐渐转为东北—西南向，自贝加尔湖朝东南侧向东亚沿海延伸，风速大值区可能是温带急流活动区。

研究表明[4]，温带急流在300 hPa最明显，对比分析300 hPa和200 hPa平均纬向风和全风速场，两个气压层风速分布接近相同，在中纬度地区纬向风同全风速接近一致，高纬度地区没有＞30 m/s的风速极值区，在蒙古高原40°N以北到贝加尔湖附近都存在风速脊区（图2）。

为进一步验证该区域是东亚温带急流的活动区，按照急流轴线是风速等值线曲率最大点连线原则，即是风速），画出高纬度地区该点的连线（图2）。在中高纬度副热带急流活动区，最大风速点连线和风速等值线曲率最大点连线重合一致，在高纬度地区，风速等值线曲率最大点离散分布在两个区域，一个是50°N欧洲地区，一个是45°N贝加尔湖地区，最大风速点连线区域与曲率最大区域基本一致。因此在45°N以北，贝加尔湖西部地区是东亚温带急流活动区域，经向风对温带急流的形成具有重要作用，在研究温带急流时，经向风的贡献应当作为影响因子加以研究。

3 连阴雨期间东亚高空急流位置变化

根据1979—2019年12、1、2月200 hPa和300 hPa平均纬向风速和全风速气候态分布，12月副热带急流轴在东亚地区位于30°N，1、2月南移到27.5°N，12月温带急流轴在东亚地区位于50°N，1、2月南移到45°N。为定量化描述冬季逐月东亚急流位置特征，本文根据200 hPa副热带急流轴气候态位置（12月：30°N；1、2月：27.5°N），300 hPa温带急流轴气候态位置（12月：50°N；1、2月：45°N），把副热带急流轴南侧与北侧各5个纬度，85°～125°E平均纬向风标准化之差（南减北），温带急流轴南侧与北侧各5个纬度，85°～125°E范围内平均全风速标准化之差（南减北）定义为副热带急流和温带急流月平均位置指数，指数为正代表急流位置偏南，指数为负代表急流位置偏北。1979—2018年冬季（当年12月和次年1、2月共3个月）东亚副热带急流和温带急流平均位置指数如图3，图中虚线表示冬季急流偏北（南）的标准化平均值（副热带急流偏南均值为0.63，偏北均值为-0.56；温带急流偏南均值为0.61，偏北均值为-0.48）。

2018年冬季（2018年12月和2019年1、2月），浙江出现罕见连阴雨天气时，副热带急流位置总体偏北（偏北指数为-0.72，超过偏北均值为-0.16），温带急流位置偏南（偏南指数为1.13，超过偏南均值为0.52）。

除2018年冬季，浙江省在2015年11月也出现过一次连续阴雨寡照天气，11月1—25日，全省平均雨量为178 mm，为历史同期的307%，平均雨日为17 d，较历史同期偏多10 d，平均日照时数仅34 h，为历史同期的31%。图4为1979—2019各年11月东亚副热带急流和温带急流位置指数，急流偏北（南）的标准化平均值为：副热带急流偏南均值为0.88，偏北均值为-0.76；温带急流偏南均值为0.92，偏北均值为-0.80。2015年11月浙江连续阴雨寡照天气时，东亚高空也呈现副热带急流位置总体偏北（偏北指数为-0.64，接近偏北均值），温带急流位置偏南（偏南指数为1.29，超过偏南均值0.37）特征。

图2 300 hPa平均纬向风速和全风速以及风速等值线曲率最大点连线

图3 平均标准化的副热带急流和温带急流冬季平均位置指数

图4 平均标准化的副热带急流和温带急流11月位置指数

4 连阴雨期间东亚高空急流的发生频数

根据200 hPa和300 hPa纬向风和全风速的气候态分布，在北半球中高纬副热带急流活动地区，存在风速≥30 m/s的风速带，但在北半球高纬度温带急流活动地区，仅存在大风速脊区，利用月平均资料无法描述风速≥30 m/s的温带急流，因此在研究东亚高空急流的发生频数时，本文利用逐日0时和12时（世界时）资料计算急流发生数，计算方法为：在东亚—太平洋（20°～75°N，55°～180°E）范围内查找风速大值中心，若满足：（1）该中心风速值≥30 m/s，（2）该中心周围24个格点上的风速值均小于该中心的风速值，则定义该中心为一个急流中心，记下中心经纬度位置。对2018年12月—2019年2月逐日资料进行中心查找，得出2018年冬季东亚高空急流的发生频数分布。

任雪娟研究发现[5]，就气候平均态东亚高空存在南北两个急流中心集中区，南支自青藏高原南侧纬向延伸至180°E地区，北支在青藏高原北侧40°～65°N地区，并从西北向东南伸展，与南支在东亚沿海汇合，200 hPa与300 hPa的急流中心分布型十分相似，这两个区域分别对应东亚副热带急流和东亚温带急流活动区；逐日急流发生数上南支明显多于北支，此区域300 hPa逐日急流发生数3～7个；北支逐日急流发生数不但少，而且空间分布零散，此区域300 hPa逐日急流发生数1～3个，青藏高原上空是逐日急流中心很少区域。

2018年冬季，200 hPa与300 hPa东亚高空急流中心频数分布接近一致，与气候平均态分布型相同，频数多于气候平均。在青藏高原南侧25°～35°N存在一条急流频数集中区，呈纬向带状分布，急流发生数为4～10个。40°N以北蒙古高原到贝加尔湖附近，存在另一个频数集中区，呈西北—东南走向，东南方向朝东亚沿海延伸并与高原南侧急流频数集中区交汇，急流发生数为2～6个（图5）。

5 连阴雨期间东亚高空急流的强度

根据冬季东亚高空风速和急流频数的气候态分布特征和高原热力作用对急流的影响[18]，分为高原所在经度和高原东侧到东亚沿海两个区域（75°～100°E，100°～125°E）计算全风速平均，用副热带急流和温带急流活动区域对应纬度的全风速大小，表征急流的强度。

图5 2018年12月—2019年2月年东亚高空急流频数分布

2018年冬季，75°～100°E，100°～125°E两个经度范围内的全风速平均场在300和200 hPa存在2个风速大值区，其中25°～35°N副热带急流活动区域存在风速≥30 m/s的闭合中心，45°～60°N温带急流活动区域仅存在风速大值区，与冬季东亚高空急流气候态分布相一致（图6）。

2018年冬季，连续阴雨期间高原经度范围内副热带高空急流强度略偏弱，温带急流强度偏弱，高原以东范围内副热带急流偏强，温带急流偏弱。东亚高空副热带急流强度总体偏强，温带急流强度总体偏弱（图7）。

2018年12月，两个经度范围内的副热带急流强度均偏强，温带急流强度均偏弱。2019年1月，高原经度范围内副热带急流强度减为偏弱，温带急流强度转为偏强；高原以东范围内副热带急流偏强，但偏强量减少，较12月减弱，温带急流强度转为偏强。2019年2月，高原经度范围内副热带急流强度仍偏弱，但偏弱量减少，区域变小，较1月增强，温带急流强度转为偏弱，高原以东范围内副热带急流偏强，但偏强量继续减少，较1月减弱，温带急流转为偏弱（图8）。

连阴雨期间，青藏高原经度范围内副热带急流由偏强变为偏弱，2月较1月增强，但总体仍偏弱，高原以东范围副热带急流维持偏强，但强度持续减弱；高原和高原以东经度范围内温带急流均由偏弱转为偏强再转为偏弱。2018年冬季东亚副热带急流和温带急流强度接近反位向的变化，可能与连阴雨天气在1月短暂中断后又重新出现有关（表1）。

表1 连阴雨期间东亚高空急流强度逐月变化

6 连阴雨发生的有利条件

针对我国西北、华北、江淮不同区域，北京、广西等地近年发生的暴雨天气，多位学者研究都揭示[19-24]高空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，与高层相对应的低层大气随着产生质量调整，出现与高层相反的辐合、辐散区以及从低层辐散区到辐合区的北风，进一步构成垂直环流。高空急流通过其自身南北两侧的辐散辐合作用所形成对应低层和高层间的垂直运动，为垂直上升区内的降雨天气提供有利环流条件。

图6 连阴雨期间70°～100°E和100°～125°E全风速区域平均垂直剖面

图7 连阴雨期间70°～100°E和100°～125°E全风速区域平均距平垂直剖面

图8 连阴雨期间各月70°～100°E和100°～125°E全风速区域平均距平垂直剖面

从散度、垂直速度和相对湿度在浙江省经度范围（118°～123°E）内的区域平均沿纬向、垂直方向分布图来看：连阴雨期间，浙江省经度范围内700 hPa以下处于相对湿度＞70%的近饱和区，为连阴雨产生提供了较好的水汽条件（图9）。

从浙江经度范围平均垂直速度分布图上看，2018年冬季连阴雨期和同时段的气候平均垂直速度相比，10°～65°N存在南北两个较明显垂直上升运动区，南部主要位于25°N附近，北部主要位于60°N附近。2018年冬季垂直速度图上，50°～55°N还存在一个狭长的上升运动区，同时段气候平均图上没有体现，该区域为温带急流活动区，与温带急流时间瞬变性强，而2018年冬季急流发生频数较气候同期偏多有关。

在上升运动强度和范围上，2018年冬季均强于同时段气候平均，且南部上升运动范围向北延伸至30°N（图10），有利于浙江（27°～31°N）出现阴雨天气；北部的上升运动范围向南延伸至50°N，30°～50°N为下沉运动区，55°N附近还存在一下沉运动区。本文前述连阴雨期副热带急流位置偏北，温带急流位置偏南，急流发生频数偏多以及急流南北侧的辐散辐合作用形成对应高低层间的垂直环流均有利于2018年冬季形成与同时期气候态的垂直运动差别。

通过浙江经度范围平均散度垂直分布进一步分析2018年冬季与同时期气候态的差别，2018年冬季连阴雨期和同时段的气候平均相比，最大辐散区均位于高空500～200 hPa（25°～32°N附近），覆盖浙江纬度（27°～31°N）范围，对应低层600～1 000 hPa为辐合区。500～200 hPa辐散中心最大强度2018年冬季均强于同时期气候平均（中心值为1.2 s-1，较气候平均0.8 s-1偏高0.4 s-1），纬向和垂直范围更广，低层600～1 000 hPa辐合中心最大强度2018年冬季也强于同期气候平均（中心值为-0.8 s-1，较气候平均-0.4 s-1偏强0.4 s-1）。此外2018年冬季500～200 hPa辐散区向北延伸至35°N附近，较同时期气候态偏北3个纬度，在500 hPa以下2018年冬季还存在一个辐散中心及与之对应的下层辐合中心（图11），该位置是低空急流活动区域，可能与低空急流有关，将单独进一步分析。2018年冬季高低空辐散（合）的范围和强度有利于形成范围更广、强度更强的垂直运动，有利于阴雨天气产生，同时与副热带急流位置偏北、温带急流位置偏南以及急流南北侧的辐散（合）形成低层对应的辐合（散）密切相关。

根据上文分析，2018年冬季东亚高空急流通过自身南北两侧产生强于气候平均的辐散、辐合，对应形成更广更强的低层与高层间的垂直运动，有利于连阴雨产生。在分析急流逐月变化时，副热带急流强度持续减弱，在2月有所增强，温带急流呈与其接近相反的强度变化引起辐散（合）和垂直运动强度变化，使连阴雨天气在1月出现短暂中断后又重新出现。