2015年1月中国南方大范围持续暴雨的过程分析❋

李 妍， 李 春

(中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室 海洋科学与技术青岛协同创新中心 青岛海洋科学与技术国家实验室中国海洋大学海洋-大气相互作用与气候山东高校重点实验室，山东 青岛 266100)

继2013年12月13—17日南方大范围持续性降水[1]后，2015年1月8—13日，再次出现持续性暴雨天气过程，对人民的生活造成了严重影响，其中云南地区多站日降水量超过了当地同期降水量的最大值[2]。

2008年初，中国南方地区经历了一次罕见的低温雨雪冰冻灾害，给人民的生产生活带来了严重的灾难，直接经济损失高达1 000多亿元[3]。中高纬度阻塞高压稳定维持，南支槽系统异常活跃，西太平洋副热带高压异常偏西偏北，这一系列异常环流系统相互配合和叠加是这次灾害形成的主要原因[4-8]。由于冬季南方持续性降水具有概率低但致灾性强的特点，众多专家对此类事件进行了深入研究。杜小玲等[9]对2011年1月贵州持续低温雨雪冰冻天气的分析指出云贵准静止锋的稳定维持是雨雪冰冻天气的重要原因。2013年12月13—17日，中国南方发生大范围持续性降水，Li和Sun[1]研究表明，欧洲西部脊加强诱导强冷空气在地中海入侵西风急流，形成西方扰动，该扰动沿急流向东传播，加深印缅槽，在中高纬度阻塞形式的配合下，造成了中国南方大范围持续性强降水。急流中Rossby波列的传播与中国南方持续性雨雪天气环流形势的形成密切相关。北大西洋涛动(NAO)可能通过地中海影响到中东西风急流[1, 10]，欧亚西风急流增强有利于上游扰动的传播[10-11]。Rossby波的能量沿着西风急流向东亚传播，产生大气强迫，导致高空存在强辐散场，并引起强烈的垂直对流，有利于中国东部暴雨[12]。欧亚遥相关型的变化超前于中国温度和降水的变化约2～4 d[13]，在北大西洋和欧洲的波列可以看作中国南方极端降水的前兆信号，对与极端降水事件有关的Rossby波的传播有贡献。这些波包主要沿着北非-亚洲副热带西风急流波导向东亚传播，沿该波导的低频扰动有助于南支槽和副高的增强以及东亚大槽的减弱，为极端降水提供有力的条件[14-15]。2015年1月极端降水过程的成因是什么？Li和Sun[1]提出的副热带西风急流波导机制是否适用于本次降水过程？这将是本文研究的主要内容。

1 资料和方法

本文所用数据为2015年1月4—14日和1980—2010年平均的1月4—14日NCEP/NCAR逐日再分析资料，其水平分辨率为2.5°×2.5°，气象要素包括位势高度、风场、温度、相对湿度、海平面气压等；降水资料取自中国地面国际交换站气候资料日值数据集(V3.0)，时间为2015年1月。

为了分析本次降水的天气条件，本文合成了2015年1月8—13日的天气图。势(流)函数满足拉普拉斯方程[16]：

D=▽2χ，

ζ=▽2ψ。

(1)

其中：D为流体的散度；χ为势函数；ζ为流体的相对涡度；ψ为流函数。势(流)函数利用超松弛迭代法求解方程(1)得到。环流的辐合辐散特征用速度势表示。

考虑地形的影响，本文采用整层水汽通量表示水汽输送强度[16]。整层积分水汽通量Vq的计算公式为：

(2)

式(2)中：V为风速；q为相对湿度；ps是海平面气压；气柱上限pt取为500 hPa。整层水汽通量散度A被用来表示水汽的集中程度[16]，A的负值中心位置与强降水落区的中心位置对应较良好。

为了进一步分析降水过程中环流形势的演变，本文给出了逐日的250 hPa位势高度距平场和纬向风场。本文以多年(1980—2010年)气候平均场为基本流场，距平(扰动)场为降水期间环流场减去基本流场。因为南支槽、西太平洋副热带高压的变化均与副热带西风急流中Rossby波的传播有关，所以本文计算了P1um[17]所导出的线性、准地转定常波的波作用通量F来诊断Rossby波的能量频散特征。在球坐标系下，水平方向波作用通量的公式为：

(3)

此外，在250 hPa位势高度场，波作用通量场的时间-经度剖面被用来进一步分析副热带西风带中Rossby波的传播。最后，本文还给出了速度势、垂直速度、整层水汽通量散度的时间-经度剖面。通过上述时间-经度剖面可以清楚的看到降水过程中上升运动和水汽输送的变化。

2 环流特征及降水成因

2.1 环流概述

2015年1月8—13日，中国南方发生了一次大范围持续性降水过程。本次降水过程于1月8日从云南开始，最大日降水量超过50 mm，达到暴雨量级，之后降水区向东北方向移动，到13日降水区从浙江附近移出中国(见图1)。因为此次降水过程集中在1月8—13日，所以本文合成了这段时间的天气图(见图2)来分析此次降水的环流条件。

图1 2015年1月8—13日日降水量(单位：mm)

降水过程的环流型为经向环流型。在对流层高层(见图2(a))，亚洲急流异常强大。从经向风场和速度势场可以看出，Rossby波的波动分为南北两支，辐合辐散中心交替出现，其中副热带地区的波动中心更为明显，波动振幅更大，中国南方地区处于高空气流辐散区。在对流层中层(见图2(b))，高纬度地区的贝加尔湖附近存在一个长波脊，但降水过程中并没有形成阻塞形势。与高层对应，副热带急流区中有明显的上升和下沉运动。在阿拉伯海和西北太平洋上各有一个副热带高压中心，中国南方地区位于南支槽槽前，有强烈的上升运动。在对流层低层，非洲西部和阿拉伯海有反气旋式环流，地中海中东部到阿拉伯半岛和中国南部地区有气旋式环流。对流层中低层的辐合辐散中心也分为南北两支，北支系统与高层一致；南支系统与高层基本相反。中国南方地区位于200 hPa东亚高空西风急流入口区的右侧，低层是辐合中心，高层是辐散中心，导致了强烈的对流上升运动。从整层水汽通量场(见图2(b))上来看，南支槽前的西南暖湿气流为降水提供了充足的水汽。

((a) 250 hPa速度势(填色， 105·m2·s-1)，纬向风(红色等值线，CI=30，……，70 m·s-1)和经向风(黑色等值线，CI=4 m·s-1)；(b) 500 hPa位势高度(等值线，CI=40 gpm)，垂直速度(填色， 10-1·Pa·s-1)和整层水汽通量(矢量， g·m·kg-1·s-1)；(c) 850 hPa位势高度场(黑色等值线，CI=40 gpm)，温度场(红色等值线，CI=4 ℃)，速度势(填色，105·m2·s-1), 风场(流线图)。(a) Velocity potential (shaded, 105·m2·s-1)，zonal wind (CI=30, …… ,70 m·s-1) and meridional wind(contours, m·s-1) at 250 hPa; (b) Geopotential height (contours,CI= 40 gpm) , vertical velocity (shaded, 10-1·Pa·s-1) at 500 hPa and total moisture transport (vectors, g·m·kg-1·s-1); (c) Geopotential height (contours, black,CI=40 gpm), temperature (contours, red,CI=4 ℃), wind (vectors, m·s-1) at 850 hPa. and velocity potential (shaded, 105·m2·s-1).)

图2 2015年1月8—13日天气合成图
Fig.2 Composite weather maps during 8—13 Jan. 2015

2.2 环流形势演变

环流形势稳定，降水系统移动缓慢，是本次降水能够在中国南方持续6天的重要原因。位势高度异常场的垂直剖面图(见图3(a))显示，东亚降水区域为斜压结构，位势高度异常场在对流层低层和高层的符号相反，图中其它地区具有准正压的垂直结构，对流层低层与高层位势高度异常的符号一致。Rossby波的强度随高度增加，与对流层低层相比，对流层高层的波动信号更加明显，位势高度异常的最强信号出现在300～200 hPa附近。考虑到南支槽和西太平洋副热带高压是本次降水的主要影响系统，它们的变化与波能量沿着副热带西风急流东传密切相关。图4(a)～(h)给出了8—13日250 hPa逐日位势高度异常场，纬向风场和波作用通量场，其总体特征与图2一致。

1月6日(见图4(a)),位于欧洲的位势高度异常中心加强，波动能量在地中海中东部-里海地区侵入中东急流，形成扰动。副热带急流类似一条波导，使波动能量沿急流向下游频散[19]。在正压大气中，Rossby波能量的频散是以群速度传播的，因为Rossby波的群速度大于相速度，所以，位于欧洲的位势高度异常中心加强会使下游东亚地区出现新的波动或加强原有波动[12, 20-22]。1月8日降水过程开始(见图1(a))，地中海中东部-里海的位势高度负异常中心的强度基本不变，位置略有东移。波动能量传播至青藏高原以东，波作用通量在此处有明显的辐合，南支槽加深。西太平洋副热带高压加强北扩(见图4(b))，与其北侧位势高度正异常中心的变化相对应[23]。1月8—9日，由于南支槽处在高空西风急流的入口区，西风分量减小，Rossby波传播的相速度减小[16]，接近于零，波动呈准静止状态，所以南支槽位置基本不变，这是云南地区连续两天强降水的主要原因。1月11日上游地区的位势高度异常显著减弱，但仍有波能量在里海附近侵入中东急流，为南支槽的维持提供能量，西风增强，Rossby传播的相速度增大[16]，南支槽位置东移，西太平洋副热带高压西伸脊点东退至菲律宾群岛附近，降水带也随之东移至两广地区(见图4(f))。1月12日，上游里海地区不再有能量向下游传播(见图4(g))。1月13日，副热带西风急流重新变得较为平直，东亚地区的波能量传播至日本附近(见图4(h))，降水停止(见图1(f))。

图3 (a)沿急流轴线的2015年1月08—13日平均位势高度异常垂直剖面；(b)250 hPa沿急流轴线位势高度异常(填色，10 gpm)和对应的Plum波作用通量(矢量，m2·s-2)经度-时间剖面

(绿色等值线为500 hPa、5 870 gpm。The green lines denote the 5 870 gpm geopotential height at 500 hPa.)

图5 2015年1月6—13日逐日24 h变温(等值线，℃)，整层水汽通量(矢量，g·m·kg-1·s-1)和整层水汽通量散度(填色，kg·m-2·m·s-1)Fig.5 Daily ΔT24(contours,℃), total moisture transport(vectors, g·m·kg-1·s-1), total moisture flux divergence(shaded, kg·m-2·m·s-1)during 6～13 Jan.2015

位势高度异常和波作用通量的时间-经度剖面(见图3(b))能更直观的反映波能量的传播过程，Rossby波能量的西传可以追溯到1月4日。地中海中东部-里海地区(20°E～60°E)位势高度异常中心的加强和东移发生在在1月6—12日，在8日中心强度二次加强。与南支槽活动相对应的位势高度异常中心(80°E～120°E)在1月8—14日期间加强并且东移，中心强度二次加强发生在10日。地中海中东部-里海位势高度异常中心的强度和位相变化超前南支槽对应位势高度异常中心的变化两天左右。当地中海-里海地区的高空槽发展时，能够激发出一条准静止的Rossby波，Rossby波沿着急流波导传播，约两天后南支槽会发展加深，在水汽输送和大气动力强迫造成的强烈上升运动的共同作用下，有利于中国南方出现暴雨过程。

总之，Rossby波能量在地中海中东部-里海地区侵入副热带急流，随后沿急流波导向中国南方传播，能在中国南方地区形成一个长波槽。因为上游地区不断有能量输入，所以南支槽能够加深并在中国南方地区维持一段时间，为降水提供稳定的环流形势。

2.3 水汽条件分析

南支槽前的西南暖湿气流为降水提供了充足的水汽。图5给出了这一时段逐日的整层水汽通量，水汽通量散度和24 h变温。在降水前，中国经历了一次全国性中等强度寒潮，东北低涡后部的西北气流引导来自西伯利亚的冷空气入侵中国，使得中国东部地区出现比较明显的降温。1月7日，寒潮过程停止，除西南地区外全国大部分地区气温回升。1月8—9日，受高原冷空气影响，云贵地区气温持续走低，南支槽前西南气流携带了大量的暖湿空气，冷暖空气在西南地区交汇。水汽主要是沿西太平洋副热带高压外围，由南支槽前西南气流输送的。在降水过程中，由于Rossby波的传播，副高和南支槽的位置东移，所以水汽源的位置也发生了改变。8—10日降水的水汽主要来自于孟加拉湾。11—13日降水的水汽主要来源于中国南海。

2.4 上升运动分析

本次过程中的上升运动主要是由高层辐散，低层辐合引起的大范围动力性上升运动。图6(a),(d)是22.5°N～27.5°N的垂直速度异常和速度势异常垂直剖面图。图6(b),(c),(e),(f)分别是500 hPa垂直速度、整层水汽通量散度、250 hPa速度势、850 hPa速度势经度-时间剖面图。在降水区域中，垂直速度最大层在500～400 hPa附近(见图6(a))，对流层上层的辐散运动强于下层的辐合运动(见图6(d)-(f))，说明上升运动主要是由对流层上层的辐散运动导致的。最大上升运动区和水汽通量辐合区对应良好，不稳定能量大，有利于产生降水。此外对比8—10日,11—13日两个降水时段可以发现，前一时段中的上升运动更强，这与云南部分地区有短时雷雨大风、冰雹等强对流天气相对应；后一时段虽然上升运动比之前有所减弱，但是水汽条件更好。值得注意的是，因为随着降水区域的移动，云贵地区(闽粤地区)的水汽通量散度，垂直速度经历了由负向正(由正向负)的转变，所以在合成天气图(见图2)中各物理量的量级有所减小。

( (a) 2015年1月08-13日平均垂直速度异常垂直剖面(Pa·s-1)； (d) 2015年1月8—13日平均速度势异常垂直剖面(105·m2·s-1)； (b) 2015年1月06～14日逐日500 hPa垂直速度经度一时间剖面； (c) 2015年1月06～14日逐日,但为整层水汽通量散度(kg·m-2·m·s-1)；(e) 2015年1月06～14日逐日,但为250 hPa速度势； (f) 2015年1月06～14日逐日,但为850 hPa速度势。 (a) Composite vertical structure of anomalous vertical velocity (Pa·s-1)； (d) The same as(a),but for anomalous velocity potential ( 105·m2·s-1); (b)Latitude-time section of anomalous vertical velocity at 500 hPa； (c) The same as(b),but for total moisture flux divergence (kg·m-2·m·s-1)； (e) The same as(b) but for velocity potential at 250 hPa； (f) The same as(b),but for Velocity potential at 850 hPa.)

图6 22.5°N～27.5°N平均剖面图
Fig.6 Composite section averaged over 22.5°N～27.5°N

3 结论

2015年1月8—13日中国南方出现大范围持续性极端强降水天气，过程长达6天，具有持续时间长、降雨强度大、多地破极值的特征。本文利用全国194站降水观测资料和NCEP/NCAR再分析资料，对此次极端降水过程的中期演变特征及其成因进行了分析，得出以下结论：

(1) 降水过程的环流型为经向环流型，副热带地区的波动中心更为明显，波动振幅更大。当地中海中东部-里海高空槽发展时，能够激发出一条准静止的Rossby波，Rossby波能量在地中海中东部地区侵入副热带急流，随后波动能量沿急流波导向中国南方传播，约2天后，南支槽发展加深。中国南方地区处在高空东亚西风急流的入口区，西风分量小，Rossby波移动缓慢，南支槽能够在中国南方地区维持一段时间，为降水提供了稳定的环流形势。

(2) 持续偏强的南支槽和西太平洋副热带高压使暖湿空气源源不断的从孟加拉湾和中国南海输送到中国南方，降水区域也随着南支槽和副高的东移而变化。对流层高层强烈的辐散运动为强降水天气的发生提供了动力性上升条件，上升运动区和水汽辐合区对应良好。

(3) 地中海中东部-里海位势高度异常中心的强度和位相变化超前中国南方降水两天左右。所以分析地中海中东部-里海地区的位势高度变化，对预测南支槽的变化和中国南方地区的降水有着很好的指示作用。