2019年山东夏季降水异常特征及成因分析

胡桂芳，伯忠凯，杨晓霞，徐玮平

(1. 山东省气候中心，山东 济南 250031；2. 山东省气象台，山东 济南 250031)

引言

在短期气候预测业务中，夏季降水预测一直是全年预测的重点，政府部门也对其高度重视。山东地处副热带与温带的过渡地区，特殊的地理位置和复杂的地形、地貌，造成了山东夏季降水具有明显的局地特征。山东夏季雨型与全国雨型之间有一定的联系，但不密切[1]，因此，影响山东夏季降水的因素更为复杂，预测难度也更大。西太平洋副热带高压(以下简称“副高”)强弱及位置、欧亚中高纬环流异常是影响山东夏季降水多寡的直接原因[2-5]，赤道中东太平洋、北大西洋及热带印度洋的海面温度(以下简称“海温”)异常是影响山东夏季降水的重要外强迫因子[6-8]。对短期气候预测而言，如何对错综复杂的前兆信号进行综合分析，抓住影响当年夏季气候异常的主导因素，是汛期预测成功的关键。因此，认识山东夏季气候异常的特征及成因[9-10]，加深气候异常机理的认识，对提高汛期气候预测准确率有着重要意义。

2019年夏季降水总体较常年略偏多(3.0%)，降水偏多主要是由台风“利奇马”影响造成，如果去除台风降水，全省夏季平均降水量较常年偏少41.8%；季内前期降水偏少，后期偏多。2019年夏季降水异常与东亚大气环流有着怎样的联系，本文针对此问题进行深入分析，并试图解释其可能的成因。

1 资料与方法

本文所用降水资料来源于山东省气象信息中心提供的山东省123个国家级气象观测站降水观测数据；位势高度场及水平风场资料为NCEP/NCAR逐日/逐月再分析格点资料，水平分辨率为2.5°×2.5°[11]；副高指数采用刘芸芸等[12]的定义；海温指数来自国家气候中心海洋指数监测资料，包括热带印度洋全区一致海温模态指数(IOBW)，北大西洋海温三极子指数(NAT)。气候平均值均采用1981—2010年平均。文中采用的技术方法主要有合成分析及相关分析。

2 2019年山东夏季降水异常特征

2019年夏季山东全省平均降水量为414.6 mm，较常年(402.5 mm)偏多3.0%，降水整体呈现“中间多、东西少”的分布特征，鲁西北东部、鲁中北部和鲁南的部分地区偏多，其他地区偏少(图1a)。季内降水过程较少，大于10 mm的降水过程仅出现8次(表1)，降水主要是由8月10—13日西风槽和台风“利奇马”共同影响所致，此过程的降水量全省平均为180.3 mm，占整个夏季降水量的43.5%。如果去除此次台风降水，夏季降水量较常年偏少41.8%，呈现全省一致偏少的分布态势，且大部地区偏少四成以上(图1b)。季内前期降水偏少，6月偏少45.9%，7月偏少34.3%；后期偏多，8月偏多70.8%。

图1 2019年山东夏季降水量距平百分率分布(a.夏季，b.去除台风影响；填色，单位：%)Fig.1 Distribution of summer precipitation anomaly percentage in Shandong in 2019 (a. summer, b. removing the impact of typhoon; shaded, units: %)

3 东亚大气环流特征及其影响

导致2019年夏季气候异常最直接的原因是大气环流的异常。由2019年夏季500 hPa位势高度及距平场(图2a)可见，欧亚中高纬呈“两槽一脊”环流型，乌拉尔山及以北地区为宽广的低槽，负距平中心值低于-40 gpm，东亚沿岸的中纬地区为另一宽广的槽区，千岛群岛和日本海附近分别为负距平中心控制；贝加尔湖地区为强大的高压脊，正距平中心值超过60 gpm，山东处于强大的贝加尔湖高压脊的前部、东亚沿岸低压槽的后部，以较强的偏北气流影响为主。东亚沿岸由南向北为“正—负—正”距平分布，呈现出东亚-太平洋型(EAP)遥相关负位相特征[13-14]，30°N以南为距平正异常，即副高较常年偏强、偏西，脊线偏南，指数监测显示，2019年夏季副高明显偏强，为1951年以来第5强，西伸脊点位于105.2°E，比常年(119.5°E)明显偏西，脊线位置为25.6°N，较常年(26.5°N)偏南。850 hPa距平风场(图2b)上，最显著的特征是从华东至日本南部为异常气旋性环流控制，中心位于东海，山东位于中心西北部，受一致的偏北距平风影响，缺乏偏南暖湿气流的水汽输送。总体来看，2019年夏季对流层中低层一致反映出暖湿气流偏南、偏弱的特征，山东因缺乏水汽的输送而导致夏季降水整体偏少。由台风造成的强降水而引起的夏季降水总量略偏多的环流特征，在夏季平均环流场上未显现。夏季的环流形势场与全省降水一致偏少模态有非常好地吻合[4]。

图2 2019年夏季(6—8月)500 hPa平均位势高度场(等值线；红色等值线表示气候平均5 880 gpm，下同)及其距平场(填色)(a；单位：gpm)和850 hPa距平风场(b；单位：m·s-1)Fig.2 Mean geopotential height (contour; red contour for the climatological 5 880 gpm contours, the same hereafter) and its anomaly (shaded) at 500 hPa (a; units: gpm) and wind anomaly (b; units: m·s-1) at 850 hPa in summer (from June to August) 2019

表1 2019年夏季山东主要降水过程

2019年夏季环流形势存在明显的阶段性变化，6月至7月中旬(图3a)，500 hPa欧亚中高纬地区的“两槽一脊”分布型尤为突出，河套地区至华北为高压脊控制，黄海到日本海及其以北地区为低压槽区，在这种“西高东低”的环流型控制下，山东受高压脊前西北气流控制，降水明显偏少，仅出现3次大于10 mm的降水过程，且以高空冷涡影响的对流性天气为主；7月下旬至8月上旬(图3b)，副高迅速北移，副高北界位置到达35°N附近，西伸脊点位于122°E附近，受副高西侧暖湿气流及贝加尔湖南侧西风槽带来的冷空气共同影响，山东降水增多，7月23日进入雨季。7月下旬至8月上旬全省出现了4次大范围降水天气过程，由于半岛地区位于副高的反气旋环流中，降水持续偏少，多雨区主要集中在山东的中西部地区。8月中旬，受台风北上的影响，副高东撤。8月10—13日，受西风槽和台风“利奇马”的共同影响，山东出现强降水过程。受台风“罗莎”、西太平洋副高和西风槽的共同影响，台风“利奇马”在浙江温岭登陆后沿海北上，在山东半岛南部的黄岛第二次登陆，向西北方向移动并在渤海湾停滞打转，与河套东部的西风槽结合，在山东中西部地区产生持续性强降水，累计雨量：250 mm以上为28站，100～250 mm为52站，全省平均降水量为180.3 mm，占整个夏季降水量的43.5%，超过8月降水总量常年值(151.6 mm)。台风过后，贝加尔湖以东及以南为宽广深厚的槽区，副高东退，西伸脊点东退到140°E附近，对山东基本无影响，山东主要受西风带低槽影响，出现弱降水过程；8月下旬，西太平洋副高与大陆高压打通，呈异常偏强、偏西状态，阻断了南方向山东的水汽输送，导致降水异常偏少，雨季于8月27日结束。

图3 2019年6月1日—7月20日(a)和7月21日—8月10日(b)500 hPa高度场(等值线)及距平场(填色)(单位：gpm)Fig.3 Geopotential height (contour) and its anomaly (shaded) at 500 hPa (units: gpm) from 1 June to 20 July (a) and from 21 July to 10 August (b) 2019

4 海温异常对东亚大气环流及山东夏季降水的影响

4.1 赤道中东太平洋及热带印度洋海温的影响

ENSO作为最强的年际信号是气候预测业务中的重点参考对象。根据国家气候中心的ENSO历史事件统计表，2018年9月开始的厄尔尼诺事件，当年11月达到峰值，峰值强度为1.0 ℃，持续时间为10个月。热带印度洋海温于2018年11月开始转为偏暖状态，并呈缓慢加强趋势，2018/2019年冬季、2019年春季和夏季IOBW值分别为0.20 ℃、0.27 ℃和0.30 ℃。2019夏季降水排除台风影响，全省大部地区降水偏少，与异常偏强、偏西、偏南的西太平洋副高配合欧亚中高纬的“两槽一脊”环流型密切相关。副高的偏强偏西可能受到年代际及年际信号的共同影响[15]。根据已有的研究，厄尔尼诺对副高的影响体现在前期冬季和春季，5月后迅速衰减，而热带印度洋海温像“充电器”一样延续了厄尔尼诺对大气环流和气候异常的影响，它对副高的影响从前期冬季到当年夏季始终是显著的[16-17]，因此，此次厄尔尼诺事件及热带印度洋海温的持续偏暖是2019年夏季副高的偏强、偏西、偏南的主要原因。

厄尔尼诺事件的结束时间与山东夏季降水的多寡有着密切联系。1980年以来的厄尔尼诺事件5月以前结束(以下简称“结束早年”)的共有9 a，分别为 1980、1988、1995、1998、2003、2005、2007、2010、2016年，除1980年和1988年外，其他7 a均偏多；6月以后结束或持续的有4 a(以下简称“结束晚年”)，分别为1983、1987、1992、2015年，降水均偏少。

已有的研究表明，厄尔尼诺发展期的夏季，西太平洋副热带高压偏弱、偏南，影响我国的西南气流偏弱，东亚夏季风偏弱；厄尔尼诺衰减期的夏季，西太平洋副热带高压偏强、偏北，影响我国的西南气流偏强，东亚夏季风偏强[18-19]；相比厄尔尼诺衰减年，在厄尔尼诺转为拉尼娜的年份，7—8月500 hPa日本海到渤海正位势高度距平加强，更符合华北雨季降水偏多年的典型环流特征[20]。同样，厄尔尼诺结束早(晚)年，山东夏季降水的多(寡)与东亚夏季大气环流对其不同的响应有着必然联系。图4为厄尔尼诺结束早年和结束晚年的夏季500 hPa高度距平场合成图，厄尔尼诺结束早年(图4a)东亚沿岸由南向北基本为正距平，我国东南至西太平洋的10°～30°N附近地区正距平明显，通过了95%的信度检验，反映了西太平洋副高偏强、偏西，南北位置接近常年；欧亚中高纬地区也基本为正距平，乌拉尔山地区和鄂霍次克海附近是两个正距平中心，反映了这两个区域阻塞高压的发展和加强，贝加尔湖东侧是相对偏低区域，意味着该区域经常有低槽活动，引导冷空气南下，与副高西北侧的暖湿气流在山东汇合，造成山东夏季降水偏多；厄尔尼诺结束晚年(图4b)，东亚沿岸自南向北呈现“+、-、 +”距平分布，东北亚地区为弱的正距平，东亚中纬度至白令海地区为明显的负距平，中心区域通过了95%的信度检验，江南为正距平，此时，贝加尔湖到华北、东北及华东北部长期为低槽控制，冷空气从贝加尔湖东侧东移南下影响山东，另一方面，低纬地区的副高偏南，其西侧的暖湿气流不能到达山东，因而夏季降水偏少。2019年夏季环流场特征与图4b相似，只是贝加尔湖地区的正异常明显偏强，东亚中纬度地区的负异常明显偏弱。

图4 厄尔尼诺结束早年(a)和结束晚年(b)夏季500 hPa高度距平场(单位：gpm；填色区域为通过95%信度检验的区域)Fig.4 Summer geopotential height anomaly at 500 hPa in years when El Nio ends early (a) and years when El Nio ends late (b) (units: gpm; shaded area denotes passing the significance test at 95% level)

4.2 北大西洋海温的影响

欧亚中高纬呈现“两槽一脊”环流型，贝加尔湖地区高压脊长时间维持是2019年夏季环流的主要特征，而欧亚大气环流异常与北大西洋海温的异常有着密切联系[21-22]。计算前期冬季、春季和同期夏季北大西洋海温三极子指数与夏季500 hPa高度场的相关系数(图5，冬季图略)可以发现，乌拉尔山地区的负相关及贝加尔湖地区的正相关始终存在着，且以春、夏季更为明显，中心区域均通过了95%的信度检验。这反映了当北大西洋区域由南向北呈现“-、+、-”(“+、-、+”)的三极型海温异常时，即三极子处于正(负)位相时，乌拉尔山地区的高度场为负(正)高度异常，贝加尔湖地区为正(负)高度异常。2018 /2019年冬季至2019年夏季北大西洋海温三极子持续为正位相，冬、春、夏季指数值分别为0.76、0.89、0.37，有利于夏季乌拉尔山低槽的维持及贝加尔湖地区高压脊的发展，这与2019年夏季环流场特征非常吻合。

图5 1981—2018年春季(a)和夏季(b)北大西洋海温三极子与夏季500 hPa高度场相关系数(填色的区域为通过95%信度检验的区域)Fig.5 Correlation coefficients between the North Atlantic sea surface temperature tripole and geopotential height at 500 hPa in spring (a) and summer (b) from 1981 to 2018 (shaded area denotes passing the significance test at 95% level)

5 结论与讨论

1)2019年山东夏季降水总体略偏多，降水时空分布不均，降水偏多主要由台风“利奇马”影响所致。如果去除台风降水，夏季降水量较常年明显偏少。季内6、7月偏少，8月偏多。

2)西太平洋副高的持续偏南配合欧亚中高纬的“两槽一脊”环流型，是山东排除台风影响后降水偏少的主要原因。环流存在明显的阶段性变化，6月至7月中旬，欧亚中高纬“两槽一脊”环流型突出，降水持续偏少；7月下旬至8月上旬，受副高外围及西风槽影响，降水偏多；8月中旬，台风“利奇马”和西风槽共同影响，出现极端强降水过程；8月下旬，副高异常偏强偏西，降水异常偏少。

3)2018年9月至2019年6月的厄尔尼诺事件和热带印度洋海温的持续偏暖对2019年夏季副高的偏强、偏西、偏南起到重要作用；北大西洋海温三极子由冬至夏维持正位相与贝加尔湖地区高压脊的长时间维持有着密切联系。

另外，2019年夏季台风降水占季降水总量的43.5%，无论是气候模式还是物理统计方法对这种极端性质的降水预测均存在很大的不确定性，因此在短期气候预测业务中，如何考虑这种极端性质的降水，还需要进一步分析和研究。