冬季南支槽活动频次与中国南方降水的年际关系研究

吴树炎，张 超，汪卫平，王敏敏，陈晓丹

(1.贵州省黎平县气象局，贵州 黎平 557300；2.贵州省黔东南苗族侗族自治州气象局，贵州 凯里 556000；3.贵州省气候中心，贵州 贵阳 550002)

0 引言

南支槽又称为副热带南支西风槽，是冬半年(11月—次年5月)对流层中低层的强西风带，在青藏高原大地形影响下被迫绕流而形成的动力性低槽，它是存在于高原南侧孟加拉湾地区的半永久性低压槽[1-2]。索渺清和丁一汇[3]的相关研究表明，南支槽对北半球的大气环流转换有十分重要的指示意义：10月，南支槽的建立代表着北半球的大气环流形势由夏季型转为冬季型，次年6月，南支槽的消失及孟加拉湾槽的建立则是南亚夏季风爆发的重要标志。因南支槽系统在向东移动过程中易将孟加拉湾地区的暖湿水汽输送到我国大陆[4-7]，造成我国南方冬季的雨雪天气过程[8-9]。因此，在我国南方冬季的气象预报和预测中，南支槽的作用是十分重要的。

由于南支槽是冬季影响我国南方天气的主要系统，其强度和位置对南方地区的降水和气温有着重要的影响。段旭等[10]2012年统计了冬半年500 hPa高度上影响云南省降水的南支槽个例，结果表明，在统计区域内南支槽平均每年出现了约19次，且冬半年的11月—次年5月平均各月出现频次相当。林志强[11]指出当南支槽处于不同位置时，其降水影响区域有较大的差异。丁一汇等[12]在对2008年1月我国南方罕见的冰雪凝冻灾害过程的研究指出，产生冻雨和雪灾的一个非常关键因子是南支槽的明显发展。Li Chun等[13]对2013年12月中国南方一次冬季大范围强降水的研究表明，南支槽在这次强降水过程中发挥着十分重要的作用，南支槽从孟加拉湾、南海向我国南方地区输送了大量暖湿水汽，从而造成了当年冬季南方罕见的大范围降水天气。

过去对南支槽活动的研究工作主要集中于天气个例的分析或者利用南支槽统计范围内的高度场资料、气压场所定义的南支槽强度指数来分析南支槽的长期变化趋势及其对中国气候的影响[14-15]，而从南支槽活动频率来分析其与大气环流之间的关系研究较少，这可能与缺乏逐日南支槽活动资料而造成的困难有关。随着计算机科学的迅猛发展，使得将客观识别技术应用于低压槽的识别成为了可能，吴树炎[16]2018年利用客观识别方法从ERA-interim逐日的再分析资料中获得了逐日的南支槽活动资料，使得从南支槽活动频率的角度研究其与我国南方降水及与大气环流之间的关系提供了可能。本文采用1979—2015年逐日南支槽活动资料分析了南支槽活动频率对中国南方降水的影响及其与大气环流之间的关系，分析结果将有利于人们进一步认识南支槽与中国南方降水的联系，为开展南方冬季气候的异常变化和预测工作提供参考依据。

1 资料与方法介绍

1.1 资料介绍

本文使用资料包含：

①欧洲中心(ECMWF)提供的ERA-Interim逐日再分析资料，其水平分辨率为1°×1°，所使用的气象要素包括位势高度场、风场。选用该逐日再分析资料集的时段为1979年12月—2016年2月。

②中国气象局国家气象信息中心提供的全国无缺测的823个基准、基本气象台站逐日降水资料，下载地址为中国气象数据网(http://data.cma.cn)，数据集的时间跨度为1979年12月—2016年2月。

本文所指的冬季为当年12月—次年2月，例如：1979/1980年冬季(在文中简写为1979年)指的是1979年12月—1980年2月的平均值。本文分析时间段为1979—2015年。

1.2 南支槽的识别方法

杨鉴初[1]及索渺清[3]等的研究结果表明，南支槽在700 hPa高度上最为明显，图1给出了1979—2015年冬季气候平均状态下700 hPa和500 hPa位势高度场的分布。从图1b可以看出，气候平均状态下的500 hPa等高线在高原南侧及孟加拉湾地区较为平直，南支槽并不明显；在气候平均状态的700 hPa高度场(图1a)上，高原中部南侧等高线出现明显的弯折，在南支槽统计区域内等高线的弯折十分显著，故识别南支槽活动在700 hPa高度上更为合理。另，本文参考Wang Tongmei et al.[17]的研究区域采用(15～25°N，80～100°E)范围分析南支槽。

参照García et al.[18]及Knippterz[19]提出的低压槽客观识别方法，林志强[20]首次将该方法用于判别冬半年500 hPa南支槽，但可能因入选为槽点的阈值较低(≥25 gpm)，使得识别出的该层次上的南支槽活动频次比段旭采用人工统计的频次[10]高出许多。因此本文在识别700 hPa南支槽时，将采取适当提高阈值的方法，以(15～25°N，80～100°E)经纬度为界的许多天气过程的识别试验显示，采用阈值≥35 gpm，在700 hPa高度上识别效果较为理想。客观识别详细识别步骤可参考吴树炎[16]，这里不再赘述。

文中所使用到的方法还有相关性分析、合成分析及t检验等统计学方法[21]。

图1 1979—2015年冬季平均位势高度场(单位：gpm)(a，500 hPa；b，700 hPa；黑框表示南支槽统计区域)Fig.1 Mean geopotential height field (unit: gpm) for 1979—2015 a in winter (a,500 hPa;b,700 hPa;The black box indicates south branch trough statistical area)

2 结果分析

2.1 南支槽活动频次指数的定义

为探讨冬季南支槽活动频次的规律，根据南支槽的客观识别结果和筛选条件[16]，将识别出明显南支槽的日期称为“南支槽活动日”，反之，则称为“无槽日”。

图2给出了1979—2015年冬季南支槽活动日的天数分布图，从近37 a南支槽活动日的统计来看，冬季南支槽的年平均活动天数为44.5 d，南支槽活动日天数最多的为1992年，高达70 d，活动日天数最少的为1983年，仅为13 d，从图2可以看出各年有较大的差别。南支槽活动日天数越多表明该年冬季南支槽活动越活跃。

将南支槽活动日天数标准化后定义为南支槽活动频次指数(SBTI)，简称为南支槽活动指数。图3给出了南支槽活动指数的时间序列，由图可见，南支槽活动指数在1987年和2007年前后发生了较明显的变化，1979—1986年南支槽活动指数为负值，表明南支槽活动较少，1987年南支槽活动日天数由下降的趋势转变为其后的上升趋势，表明南支槽处于活跃阶段，在2007年以后，南支槽活动指数又转为下降的趋势，表明南支槽活动减少。

图2 1979—2015年冬季南支槽活动日天数分布Fig.2 Distribution of the days of Southern Branch Trough activity from 1979 to 2015 in winter

图3 南支槽活跃指数(SBTI)的时间序列Fig.3 Temporal variation of Southern Branch Trough activty index (SBTI)

2.2 南支槽活动影响冬季南方降水的年际关系

为分析南支槽活动与中国同期冬季降水的关系，计算了南支槽活动指数(SBTI)与全国823个气象台站冬季降水的相关系数(图4)，由图4可见，南支槽活动日与我国南方降水呈现较显著的正相关关系，其中显著的正相关区域位于西藏中部、重庆、湖北西部、贵州东北部，相关系数很高，有的地区甚至超过了99%显著性检验。表明当南支槽偏多(少)时，易造成西藏中部、重庆、湖北西部、贵州东北部等地区冬季降水偏多(少)。

为了进一步分析南支槽活动与冬季南方降水的关系，将图3中的南支槽活动指数标准差大于1和小于1的年份称之为南支槽偏多年和南支槽偏少年。由图3可知，南支槽偏多的年份有1991、1992、1994、1998、2000、2003和2006年，共7 a；南支槽偏少的年份有1983、1985、2009、2011和2013，共5 a。

图5给出了南支槽偏多年和偏少年的全国823个气象台站的降水距平，结果表明，南支槽偏多年时，从西南到长江中游一带均降水偏多，正距平中心位于云南东部、重庆和湖北等地区；当南支槽偏少年时，在西南、华南及长江中下游以南的地区均表现为负异常，降水较常年偏少，负距平中心位于湖南、湖北和江西东部等地区。

图4 SBTI与1979—2015年冬季全国降水相关系数分布(填色表示分别通过90%和95%显著性检验)Fig.4 Distribution of correlation coefficient between SBTI and precipitation in Chinal of 1979—2015 in winter(The shaded areas from light to dark have passed the significant level at 0. 1,0. 05,respectively)

图5 全国1979—2015年冬季降水距平分布(单位：mm)(a，南支槽偏多年；b，南支槽偏少年)Fig.5 Distribution of precipitation anomaly of China of 1979—2015 a in winter(unit: mm) (a,the years with more active Southern branch trough;b,the years with less active Southern branch trough)

2.3 南支槽活动与大气环流的关系

为探究南支槽活动与南方降水的大气环流的年际关系，图6给出了南支槽偏多年和偏少年的冬季700 hPa风场的距平合成。由图6a可见，南支槽偏多年，在阿拉伯海区域有一个“异常反气旋”，而在高原南侧的南支槽统计区域存在着一个“异常气旋”，华南地区位于该异常气旋外围，从南海海上源源不断给上述地区带来丰沛的暖湿水汽，导致该地降水异常偏多。

在南支槽偏少年，700 hPa的距平风场合成图6b和图6a相比，是完全的反位相分布。在阿拉伯海区域为“异常气旋”，在该异常气旋的后部高纬度偏北风异常偏强，原本在高原南侧南支槽统计区域由“异常反气旋”取而代之，西南、华南地区位于该“异常反气旋”的外围，处于偏北风控制，西南、华南在单一的气流影响下不利于降水的发生，导致降水偏少。

图6 冬季700 hPa风场的距平合成(单位：m/s) (a，南支槽偏多年；b，南支槽偏少年；阴影表示分别通过90%和95%显著性检验)Fig.6 Departure composites of wind field in winter at 700 hPa(units:m/s).(a,the years with more active Southern branch trough;b,the years with less active Southern branch trough;The shaded areas from light to dark have passed the significant level at 0.1,0.05,respectively)

图7给出了南支槽偏多年和南支槽偏少年的500 hPa位势高度场及其距平合成。当南支槽偏多年时(图7a)，在阿拉伯海和贝加尔湖以东出现正距平，而在青藏高原以南，为负距平控制，但数值较小。从贝加尔湖地区到中南半岛，500 hPa高度距平场从高纬到低纬表现为“+-”的分布，表明来自高纬的冷空气和来自低纬的暖湿气流在高原以南、西南地区聚集，有利于西南、华南等地区降水的偏多。

当南支槽偏少时，在阿拉伯海区域和中高纬度表现为负距平，在青藏高原以南的南支槽统计区为正距平，这种“南高北低”的距平分布，由地转关系可知，西南、华南地区处于单一暖湿气流的控制，不利于冷、暖空气在南方地区的交绥，不利于上述地区降水偏多。

3 结论

本文基于南支槽的客观识别技术，使用ERA-interim再分析资料，分析了1979—2015年700 hPa高度上的冬季南支槽活动，并讨论了南支槽活动偏多(少)年与我国南方冬季降水及大气环流之间的关系，得到以下主要结论：

①南支槽活动有明显的年代际转变，在1979—1986年南支槽活动较少；1987—2006年期间，南支槽活动处于活跃阶段；在2007年以后，南支槽活动较少。

②南支槽活动指数与我国南方冬季降水有较好的正相关关系。南支槽偏多年时，西南到长江中游一带均降水偏多，中心位于云南东部、重庆和湖北西部；当南支槽活动偏少年时，在西南、华南及长江中下游以南的地区降水偏少，中心位于湖南、湖北和江西东部。

③对南支槽活动与大气环流的探讨发现，当南支槽偏多年时，700 hPa风场的距平在高原南侧存在着一“异常气旋”，华南地区位于该异常气旋外围，从南海海上源源不断给该地区带来充沛的暖湿水汽。同时，500 hPa位势高度距平表现为“+-”的分布，自高纬的冷空气和来自低纬的暖湿气流在高原以南、西南地区聚集，有利于西南到长江中游一带降水偏多。

④当南支槽偏少年时，700 hPa风场的距平在高原南侧为“异常反气旋”，西南、华南地区位于该异常反气旋的外围，西南、华南被偏北风控制，受单一气流影响。同时，500 hPa位势高度距平图表现为“南高北低”的距平分布，我国南方地区处于单一暖湿气流的控制，不利于冷、暖空气在南方地区的交绥，使得西南、华南及长江中下游以南的地区降水偏少。