1980—2012年春末夏初江淮气旋活动的气候特征及其年际、年代际变化

王艳玲,管兆勇,金大超,柯丹

(1.江苏海事职业技术学院 航海学院,江苏 南京 211170;

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,江苏 南京 210044)



1980—2012年春末夏初江淮气旋活动的气候特征及其年际、年代际变化

王艳玲1,2,管兆勇2,金大超2,柯丹2

(1.江苏海事职业技术学院 航海学院,江苏 南京 211170;

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,江苏 南京 210044)

摘要：利用1980—2012年NCEP/NCAR逐6 h海平面气压再分析资料及定义的气旋客观识别方法,统计分析了春末夏初江淮地区气旋活动频数和强度的气候特征及其年际、年代际变化。结果表明:5—7月江淮地区存在明显的气旋活动高频中心,5、6月高频中心位于两湖盆地之间;7月北移,淮河以南频数较高。20世纪80—90年代江淮气旋活动频数偏少,强度偏弱;21世纪初期的10 a间气旋活动频数偏多,强度偏强。气旋活动频数多发年与少发年500 hPa均出现稳定的长波环流结构,但仍存在显著差异。多发年两个南支槽向南伸展直达阿拉伯海和孟加拉湾地区,少发年仅出现孟加拉湾南支槽。多发年,对流层低层华南至江淮地区存在气旋式环流辐合异常中心,高层则出现辐散异常。西风带上的异常扰动沿着副热带急流向东亚地区传播能量,导致东部地区出现异常气旋式环流,为江淮气旋的发生提供了有利的环流背景。

关键词：江淮气旋;春末夏初;气候特征;大气环流

0引言

江淮气旋是造成江淮地区大风、暴雨等恶劣天气的重要天气系统之一,江淮梅雨量的多寡往往与江淮气旋的活动密切相关(庞玥等,2013;王黎娟等,2014),它在春夏两季出现最多,5、6、7月活动最盛(江苏省气象局江淮气旋课题组,1986;侯俊和管兆勇,2013)。对江淮气旋的研究,大多以探讨个例为主(徐迎春等,2011),研究侧重于数值模拟与诊断分析。赵兵科等(2008)利用位涡反演方法,分析了一次强气旋发展过程中低、中、高不同层次所起的作用及影响;侯定臣(1992)计算了两例夏季江淮气旋各个阶段的动能收支及旋转风、辐散风对动能制造项的贡献,并讨论了它们与大尺度环流的关系。通过对大量不同个例的分析,人们对江淮气旋的结构特征及发生机制有了更深的认识和了解。韩桂荣等(1998)选取了45个江淮气旋个例,应用经验统计和智能数据库技术,建立回归方程,进行气旋概率的预报;魏建苏等(2013)利用中央气象台的历史天气图资料对近49 a江淮气旋发生的路径、源地、频数等进行了统计分析,得出江淮气旋发生频数的年际变化呈下降趋势,生成的强度呈上升趋势;源地主要集中在大别山及其东北侧、淮河上游及苏皖浙交界处、鄱阳湖三个区域;平均移动路径主要有3条且有明显的季节变化。

随着大气资料的日益丰富,越来越多的气旋客观识别方法取代了人工的读取(Simmonds and Keay,2000;姚素香等,2003;Wernli and Schwierz,2006),对长序列的资料,实现了温带气旋气候学特征的研究。王新敏等(2007)利用ECMWF海平面气压再分析资料,采用气旋客观的识别与追踪算法,分析指出蒙古气旋活动存在明显的季节、年际和年代际变化;春季蒙古气旋出现的频数最高,冬季最低。蒙古气旋活动偏多年和偏少年对流层低层温度场距平分布存在明显差异。张颖娴等(2012)研究指出1958—2001年中北大西洋/北美地区温带气旋和风暴轴活动均北移加强,以春季最为显著;而北太平洋地区的温带气旋和风暴轴却向低纬度偏移并加强,北太平洋和北大西洋地区风暴路径相反的变化趋势很可能同其大气斜压性的同位相的变化有着密切的关系。符娇兰等(2013)研究指出蒙古国中西部、雅布洛诺夫山脉东麓等为主要气旋源地,初春、仲秋季节气旋较活跃,气旋移动以偏东路径居多,20世纪80年代以来,气旋频次的减少与东亚中高纬度大气低层斜压性减弱有关。

然而需要指出的是,前人的工作大多关注北方气旋的气候特征及变化(王遂缠和李栋梁,2003;王艳玲和郭品文,2005),对南方气旋的气候特征及年际变化研究很少。南方气旋以江淮气旋居多,5—7月活动最盛。因此本文利用NCEP/NCAR的再分析资料,根据气旋的天气学定义,设计了一种客观的气旋识别方法,试图对江淮地区的气旋进行统计和分析,以期揭示20世纪70年代末以来江淮气旋的气候特征及变化规律,增加对江淮气旋活动成因的进一步理解,为天气预报和短期气候预测提供有益的线索。

1资料与方法

1.1　资料

徐影等(2001)、赵天保等(2010)指出,NCEP/NCAR再分析资料在1979年之后较之前期更为可靠。因此,考虑选取1980—2012年NCEP/NCAR逐6 h(00时、06时、12时、18时;世界时,下同)的再分析海平面气压场数据以及月平均海平面气压场和高度场数据,水平分辨率均为2.5°×2.5°(Kalnay et al.,1996)。

1.2　气旋的识别方法

根据天气学定义:气旋是在同一高度上,中心气压比四周低的水平大气涡旋,结合NCEP/NCAR海平面气压(Sea Surface Pressure,SLP)再分析资料,本文采用如下的客观判定方法。

假设某时刻SLP场(不含边界点)任意一个格点的数值满足下列两个条件:1)该点上的SLP数值同时小于与其相邻的周围8个网格点上的SLP数值;2)且对于不同的研究区域,该点的SLP数值小于一定的阈值(该阈值随时间和地域发生变化)。则认为在此网格上气旋出现一次。活动频数定义为:每一观测时次上满足上述判别标准的气压分布的发生被定义为一次江淮气旋活动,频数为1。气旋活动频数值的大小,代表了气旋在某个地区出现频率的高低。

2结果与分析

2.1　江淮气旋的活动特征及变化

2.1.1江淮气旋活动频数的地域分布

江淮气旋活动频数时空分布不均匀。从1948—2012年5、6、7月的空间分布(图1a—c)上可以看出,江淮气旋主要发生和活动于晥、豫、鄂、赣四省结合部,且7月最多。具体表现为:5月江淮气旋活动中心位于长江中游地区,鄂、赣两省交界地带的两湖盆地,中心高频数值为3,此外,在台湾东北方向东海海域频数值也较高,这或许和江淮气旋东移入海有关;6月,江淮气旋活动中心位置变动不大,仍然停留在两湖盆地,但频数值明显增加,中心高频数值为7,位于东海海域气旋活动中心频数值也有所增加,由5月的频数值2增加到3;到了7月,江淮气旋活动中心北移,位于大别山东北方向,皖、鄂交界处,向淮河流域靠近,中心数值高达12,该月为江淮气旋最为活跃的月份,同时,海上的活动中心也随之北移。在春末夏初气旋总的频数分布(图1d)上,可以清楚地看到分别出现在陆地和海上的两个气旋活动中心的存在,江淮气旋频数中心最大值为22,东海气旋最大频数值为8。

图1　江淮气旋活动频数的地理分布　　a.5月;b.6月;c.7月;d.5—7月总和Fig.1　Geographical distributions of the cyclone frequencies over Changjiang-Huaihe River basin 　　a.May;b.June;c.July;d.sum from May to July

本文研究中所用到的阈值由面积平均的月平均海平面气压场计算确定:5月1 010 hPa,6月1 006 hPa,7月1 005 hPa。阈值的计算范围为中国东部(112～120°E,25～35°N)。

由以上分析可知,在江淮地区存在一个明显的气旋活动频数的大值中心,该中心在5—7月都存在,主要位于湖北宜昌以东的长江中下游地区,5、6月出现在两湖盆地,7月北移,向淮河以南趋近,高频中心数值从5—7月逐渐增加,7月气旋活动频数最多。

2.1.2江淮气旋活动频数的年际变化

为探究江淮气旋活动频数的年际变化规律,选取(112～120°E,25～35°N)范围内的气旋频数进行统计,表1为1980—2012年逐年5—7月江淮气旋活动频数及平均中心气压值,可以看出:气旋活动频数存在明显的年际变化,在近33 a中,2008年江淮气旋最为活跃,频数值最高,为161,1989年频数值最少,为84,两者数值相差77,低值年仅为高值年频数的47.8%,年际差异较大。江淮气旋活动频数的多年平均值为119。从逐年平均中心气压值分布来看,年际间差异不大,最高平均中心气压为1 005.1 hPa,最低为1 001.3 hPa,各年平均中心气压值均高于1 000 hPa。

表11980—2012年5—7月江淮气旋活动频数及平均中心气压值

Table 1Frequencies of the cyclones over Changjiang-Huaihe River basin in MJJ(May,June and July) from 1980 to 2012 and the mean center pressure values

年份频数平均中心气压值/hPa19801041004.119811321003.819821071002.91983971003.619841001003.119851271002.919861331004.219871121003.619881331003.51989841004.519901341003.019911081003.51992951005.119931231003.319941191003.619951401003.71996881003.819971201004.419981071003.119991191003.820001171003.220011461003.720021181003.820031221003.520041281003.220051191001.320061441001.820071391003.320081611002.620091251002.820101071004.220111131003.020121121002.4平均值1191003.4标准差16.90.73

小波分析结果(图略)表明江淮气旋活动频数以准7 a时间尺度信号最强,此外还存在准10 a和准2 a的周期变化,在1995年之前,还有准4 a的周期变化。由1980—2012年5—7月江淮地区气旋活动频数的距平值及滑动平均曲线(图2)可以看出,江淮气旋频数总体呈上升趋势,大致在20世纪80—90年代偏少,进入21世纪以来,气旋活动频数偏多,2008年江淮气旋活动频数最多,距平值为42,1989年频数最少,距平值为-35。同时,在2000年之前,气旋频数距平正负相间分布,2000—2009年这10 a间气旋频数一直维持正距平,说明这10 a间江淮气旋活动频数比多年均值偏多,2010年后,又呈现减少的趋势。

图2　5—7月江淮气旋活动频数距平(实线)及其5 a滑动平均(虚线)Fig.2　Frequency anomalies(solid line) of the cyclones over Changjiang-Huaihe River basin in MJJ and the 5-yr running mean(dashed line)

2.2　江淮气旋的强度变化

江淮气旋的形成发展及强度变化,给长江中下游地区带来不同程度的降水和大风天气。通常气旋中心的最低气压值是衡量气旋强度的重要指标,中心气压值越低,气旋强度越强,反之,越弱。图3是1980—2012年5—7月江淮气旋中心最低气压值的年际演变曲线。由图3a—c可以明显地看出:5、6、7月江淮气旋强度(中心气压值)都经历了由弱到强(由高到低)的变化。1980—2012年期间,江淮气旋强度经历了两个比较明显的阶段,在20世纪80、90年代,江淮气旋强度偏弱;进入21世纪以来,江淮气旋强度明显增强,这在5—7月气旋强度的变化中表现的尤为明显(图3d),与魏建苏等(2013)中利用历史天气图资料统计的结果相一致。

此外,2005年春末夏初江淮气旋的强度最强,中心气压值为1 001.3 hPa,其次为2006年;1992年强度最弱,其次为1989、1997、2010年。在逐月变化曲线中发现,气旋中心气压值除了在2006年7月出现一次低于1 000 hPa(998.3 hPa)的低值以外,其他均高于1 000 hPa。

图3　江淮气旋中心气压值的年际变化(实线)及其5 a滑动平均(柱形)　　a.5月;b.6月;c.7月;d.5—7月平均Fig.3　Interannual variations(solid lines) of center pressure of the cyclones over Changjiang-Huaihe River basin and the 5-yr running mean(bars)　　a.May;b.June;c.July;d.mean from May to July

2.3　江淮气旋多寡年环流场分析

2.3.1500 hPa高度场形势

通常不同的环流形势下气旋发生的频数有明显的差别,由此决定着我国雨带的变化及长江中下游降水的强弱(王龙学等,2006;韩洁等,2012)。为研究江淮气旋多发和少发年大气环流的差异,本文根据1980—2012年5—7月江淮气旋活动频数的高低(图2),按照偏离平均值1个σ的标准,选择偏高的1995、2001、2006、2007、2008年以及偏低的1983、1984、1989、1992、1996年分别进行合成分析。图4为5—7月500 hPa气候平均场及江淮气旋高/低值年合成场。

图4　气候平均的(a)以及高值年(b)、低值年(c)合成的5—7月500 hPa位势高度场(单位:gpm;阴影表示通过0.10信度的显著性检验)Fig.4　MJJ 500 hPa geopotential height fields(units;gpm;shadings are significant at above 90% confidence level in (b) and (c))　　a.climatological mean;b.composite distribution in the more cyclone years;c.composite distribution in the less cyclone years

高空槽是造成气流南北交换的大型高空天气系统,由图4可以看出:江淮气旋均产生在稳定的长波环流形势下,但两种异常年份环流仍存在显著的差异。多发年我国中高纬大部分地区受槽的控制,槽线位置位于110°E以东,槽底向南伸展,有利于引导槽后的冷空气不断南下进入长江中下游地区;且环流的经向度强于少发年份。此外,在多发年有两个较强的南支槽向南伸展直达阿拉伯海和孟加拉湾地区,南支槽的强度也强于少发年份,而少发年仅出现孟加拉湾南支槽。图4b所示的环流为江淮气旋的发生提供了有利的大尺度环流背景。

2.3.2850 hPa与200 hPa环流特征

气候平均的850 hPa流场(图5a)显示中国南部至江淮地区存在较强的低层西南气流,表现出东亚夏季风的环流特征;同时西北太平洋存在明显的反气旋环流,其为西北太平洋副热带高压脊所在。同时发现,江淮地区存在气流辐合。对流层高层200 hPa则存在与之相反的配置(图5b),阿拉伯海至中南半岛一带存在反气旋性环流,江淮地区呈现气流的辐散。

江淮气旋活动频数的高低值年合成差值与对流层中西风带扰动活动有关。对流层低层中国华南至江淮地区存在一气旋式环流异常中心,且存在异常辐合(图5c),而高层江淮地区出现辐散异常(图5d),高低层配置及环流异常有利于江淮地区气旋的活动和发展。

图5　1980—2012年5—7月气候平均的850 hPa(a,c)、200 hPa(b,d)风场(箭矢;单位:m/s)和流场(a,b)及其高低值年的差值场(c,d;阴影表示通过0.05信度的显著性检验)Fig.5　(a,b)Climatological mean wind(arrows;units:m/s) and flow fields at (a,c)850 hPa and (b,d)200 hPa in MJJ from 1980 to 2012,and (c,d)their difference distributions between the more and less cyclone years(shadings are significant at above 95% confidence level in (c) and (d))

特别还注意到,在印度西北侧和孟加拉湾北侧(图5d)存在显著的异常辐散,这种辐散的形成与500 hPa上的南支槽有关(图4b),同时这种异常辐散可在对流层上层激发出位于其西北侧的扰动反气旋(Rodwell and Hoskins,1996;Sardeshmukh and Hoskins,1998),利于南亚高压西北部异常加强。在西风带上的异常扰动沿着副热带急流向东亚地区传播能量(Ambrizzi and Hoskins,1997),导致高原东侧存在显著的异常气旋式环流,为江淮气旋多发提供了有利的背景条件。另外,从中亚地区至日本列岛的对流层高层存在的这列“反气旋—气旋—反气旋”的环流异常,还可能与CGT型遥相关(Ding and Wang,2005)有关。

3结论

1)江淮气旋活动频数时空分布不均匀,其最大中心位于湖北宜昌以东晥、豫、鄂、赣四省的结合部,5、6月中心主要位于两湖盆地附近,7月北移,淮河以南频数较高,高频中心数值随着月份逐渐增加,7月气旋活动频数最多。除了江淮地区的明显的高频中心以外,在我国东海海域还出现一次中心,次中心的出现或许和陆地气旋东移入海有关。

2)江淮气旋活动频数和强度存在明显的年际和年代变化。20世纪80—90年代偏少,进入21世纪,气旋活动频数偏多,进一步分析发现,21世纪初期的10 a间江淮气旋活动频数和多年平均值相比均偏多,2010年后,又有减少的趋势。气旋中心的最低气压值是衡量气旋强度的重要指标,5、6、7月江淮气旋强度均经历了由弱到强的变化,且表现为20世纪80—90年代强度偏弱,21世纪初期偏强。进一步分析发现,气旋中心气压值除了在2006年7月的低值以外,其他均高于1 000 hPa。

3)江淮气旋活动频数多发年与少发年中层500 hPa均出现稳定的长波环流结构,但多发年存在显著的两个南支槽向南伸展直达阿拉伯海和孟加拉湾地区,少发年仅出现孟加拉湾南支槽。阿拉伯海地区存在的对流活动导致对流层上层出现的异常辐散激发了其西北侧的反气旋扰动,使Rossby波沿副热带西风急流传播,在中国东部形成气旋式准定常扰动,为江淮气旋的产生提供了有利的背景条件。

致谢:国家自然科学基金委和地球科学部南京大气资料服务中心提供了资料服务。NCEP/NCAR再分析资料取自NOAA-CIRES Climate Diagnostics Center(http://www.cdc.no aa.gov);文中插图采用了GrADS(Grid Analysis and Display System)和NCL(NCAR Command Language)软件绘制。

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(责任编辑：张福颖)

Climatic characteristics and interannual(interdecadal) variations of cyclones over Changjiang-Huaihe River basin during late spring and early summer from 1980 to 2012

WANG Yan-ling1,2,GUAN Zhao-yong2,JIN Da-chao2,KE Dan2

(1.Institute of Navigation,Jiangsu Maritime Institute,Nanjing 211170,China; 2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,NUIST,Nanjing 210044,China)

Abstract:Based on the NCEP/NCAR 6-hourly sea level pressure reanalysis data from 1980 to 2012 and a defined method to objectively identify cyclones,this paper has analyzed the climatic characteristics and interannual(interdecadal) variations of frequency and intensity of cyclone activities over the Changjiang-Huaihe River basin in late spring and early summer.Results show that there is an obvious high-frequency cyclone activity center in Changjiang-Huaihe River basin from May to July.It lies between Dongting Lake and Poyang Lake from May to June,and moves northward in July,with a higher frequency to the south of Huaihe River.The frequency and intensity of cyclones over Changjiang-Huaihe River basin decrease from 1980s to 1990s,and increase in the first decade of 21st century.The stable longwave circulation structure appears at 500 hPa in whether more cyclone frequency years or less,but there are obvious differences between them.Two southern troughs appear in the Arabian Sea and the Bay of Bengal in the more cyclone years,while only one appears in the Bay of Bengal in the less cyclone years.In the more cyclone years,there is an abnormal convergence center with cyclonic circulation in the lower troposphere from South China to Changjiang-Huaihe River basin,while an abnormal divergence appears in the upper troposphere.Because the abnormal disturbance of westerlies along subtropical jet stream spreads energy to East Asia,the abnormal cyclonic circulation appears in eastern regions.Such circulation structure provides some advantages for the cyclones over Changjiang-Huaihe River basin.

Key words:cyclone over Changjiang-Huaihe River basin;late spring and early summer;climatic characteristic;atmospheric circulation

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130413010

文章编号：1674-7097(2015)03-0354-08

中图分类号：P466

文献标志码：A

通信作者：管兆勇,博士,教授,研究方向为气候动力学,guanzy@nuist.edu.cn.

基金项目:公益性行业(气象)科研专项(GYHY201406024);江苏省高等职业院校国内高级访问学者计划资助项目(2013)

收稿日期：2013-04-13；改回日期：2013-06-05

王艳玲,管兆勇,金大超，等.2015.1980—2012年春末夏初江淮气旋活动的气候特征及其年际、年代际变化[J].大气科学学报,38(3):354-361.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130413010.

Wang Yan-ling,Guan Zhao-yong,Jin Da-chao,et al.2015.Climatic characteristics and interannual(interdecadal) variations of cyclones over Changjiang-Huaihe River basin during late spring and early summer from 1980 to 2012[J].Trans Atmos Sci,38(3):354-361.(in Chinese).