2017年华西秋雨异常偏多的环流特征及其成因分析

彭韵萌 徐海明

(南京信息工程大学 大气科学学院/气象灾害预报预警与评估协同创新中心/气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作联合实验室，南京 210044)

引 言

近年来，在全球变暖背景下，中国地区降水空间分布和强度均发生了显著变化，南方洪涝和北方干旱灾害越来越频繁[1-4]。受东亚夏季风影响，我国大部分地区降水主要出现在夏季，其中最为典型的是江淮梅雨，易造成洪涝灾害。华西地区除了夏季降水外，其秋季降水现象最为典型，称为华西秋雨[5-6]。华西秋雨是我国从春季到秋季6个重要区域性雨季中的最后一个[7]，也是我国西部地区秋季多雨的特殊天气现象，以连阴雨天气为主[5-6]。虽然华西秋雨不会导致洪涝灾害的发生，但它可对农业生产造成损失，给人们的日常生活带来不便。因此，进一步认识华西秋雨，对提高气候预测准确水平和为防灾减害提供科学决策依据具有十分重要的应用价值。

对华西秋雨起止日期的研究，有“候”定义和简单定义两种。“候”定义认为第45～56候是华西秋雨期[6-9]，而在实际研究中将此简单定义为9—10月[5，10-12]。华西秋雨地理范围的确定也有两种。早期按地理区域划分[8，13-14]，自1990s起，开始按经纬度划分，且根据不同的研究需要有所差异，但大部分认为(26°～35°N，100°～110°E)属于华西的地理范围[6-7，10-11]。不少学者发现华西秋雨有明显的年代际变化[6，15]，总体上具有准12 a周期[11，16-17]。1980s左右存在明显突变，1980s之前呈缓慢下降趋势，1980s至1990s加速下降，1990s之后又开始有所回升，2000s后华西秋雨再次增多[5-6，11-12，18-19]。

华西秋雨的强弱程度主要受大气环流系统和外强迫因子的影响。西太平洋副热带高压、印缅槽、贝加尔湖低槽是华西秋雨的主要影响系统[5，20]，当贝加尔湖、印缅槽深且西太平洋副热带高压强且位置偏西偏北时，有利于华西秋雨频发[5，11，15，21-22]；此外，来自孟加拉湾和南海的季风对秋雨也存在一定影响[7-8]。诸多学者对秋季西太平洋海温和印度洋偶极子型(Indian Ocean Dipole，IOD)海温异常与华西秋雨之间的关系进行了研究，发现秋季同期和夏季的IOD都与华西秋雨之间有很好的正相关关系，当正IOD事件发生时，西南地区和黄河流域的秋季降水偏多[23-24]。秋季同期西太平洋海温和华西秋雨之间则存在很好的负相关关系，当西太平洋海温偏低时，西南地区降水偏多[18-19，25]；当El Nio和正印度洋偶极子(IOD)事件同时发生时，西南地区秋季降水偏多，其他南方地区和黄河流域的秋季降水变少[22-23，26-27]。也有学者发现华西秋雨与高原季风、高原东部地面热源、热带季节内振荡、斯堪的那维亚遥相关等有关[28-32]。

2017年华西秋雨异常偏多，7省(市)受灾严重。由图1可以看到，2017年华西秋雨累计降水量超3.8 mm·d-1，较常年偏多49%，是1984年以来最大值，1979年以来的第二高值[33-34]。华西地区是华西秋雨的主要影响地区，因此揭示2017年华西秋雨的特点及异常成因对于未来华西地区的降水监测和预报具有十分重要的意义。

图1 1979—2017年华西地区秋季平均降水量历年变化(单位：mm·d-1；柱状为逐年平均降水量；实线为9 a滑动平均；虚线为多年平均降水量)

1 资料与方法

采用的资料为来自美国国家环境预报中心(National Center for Environment prediction， NCEP)和美国国家大气科学研究中心(National Center for Atmospheric Research， NCAR)的全球大气再分析资料[35-36]，包括逐月的位势高度、海平面气压、风场、海表面温度等，水平分辨率为2.5°×2.5°。国家气候中心整编的2 000多站逐日降水资料。NOAA气候预测中心(NOAA Climate Prediction Center，CPC)提供的Nio3指数，该指数是基于英国气象局 Hadley 中心的海表面温度资料[37](Hadley Centre Sea-iceand Sea-surface Temperature Data Set Version 1，HadISST1)，对赤道东太平洋海温(5°N～5°S，150°～90°W)进行月平均处理来定义的。以上所选用的资料时段为1979—2017年，秋季取9—10月，所定义的华西地区范围为(26°～35°N，100°～110°E)，同时将2 000多站的逐日降水资料处理成水平分辨率为1°×1°的格点资料。

为探讨华西秋雨降水量和同期全球SST的年际关系和年代际关系，采用傅里叶分析分别对相关的气象要素滤去了9 a以上的年代际变化和9 a以下的年际变化以提取出其年际分量和年代际分量。利用经验正交函数(Empirical Orthogonal Function, EOF)，提取华西地区秋季降水的第一模态及时间序列，并利用线性相关进行分析，同时进行统计显著性检验。

本文将使用数值模拟试验来验证基于观测得到的结果，采用的CESM1.2.1(The Community Earth System Model Version)是由美国国家大气研究中心开发的用于模拟地球气候系统的耦合气候模型，该模型由大气、陆地、海冰和海洋4个部分组成。CAM5.3模式是CESM1.2.1的大气部分，既可以与其他模式耦合使用，也可单独模拟大气环流变化。垂直方向上采用混合坐标系，共30层，模式层顶为3.643 hPa[38-39]。选取1.9°×2.5°水平分辨率，设计了一个控制试验(CTRL)和3个敏感性试验(表1)，每个试验都积分了20 a，取后10 a的模拟结果进行分析。在CTRL中，采用1979—2016年多年月平均的气候态海温场作为边界条件，在模式积分过程中只包含了季节变化，没有年际变化和长期变化趋势。3个敏感性试验(BLZ、ATL、LA)除了在9—10月CTRL试验海温场上分别在不同的海区叠加上不同的海温异常场外，与CTRL试验完全一样。3个敏感性试验中叠加的海温异常场分布如表1所示。

表1 模式试验的设计及其描述

2 观测结果

2.1 降水异常

图2a给出了2017年秋季华西地区降水量分布。可见，2017年华西秋雨降水量大，多雨区位置偏东，主要出现在华西东北部地区(陕西南部、重庆北部、四川东部等地)、四川北部和南部地区，总降水量达5 mm·d-1以上，其中陕川渝交界地区的降水量高达10 mm·d-1。从图2b可以看出，降水距平分布呈东北—西南走向，陕西南部、重庆北部、四川东部等地以及四川北部、甘肃南部、青海东南部等地降水异常偏多明显，较常年平均偏多50%以上，其中华西东北部地区降水比气候平均降水量高出两倍。但降水异常分布不均匀，在四川中东部地区和四川南部、云南北部等地也存在降水异常偏少的情况。

图2 2017年秋季华西地区降水量(a，单位：mm·d-1)和降水距平百分率(b，单位：%)分布

2.2 环流异常特征

影响降水最直接的因素就是大气环流。通常情况下，进入秋季以后大气环流出现了调整，副热带系统逐渐减弱，西风带系统明显增强[40]。研究表明，在华西秋雨多雨年中，北半球500 hPa位势高度分布特征通常为乌拉尔山阻塞高压缓慢移动者呈准静止状态，巴尔喀什湖到贝加尔湖是宽广的低槽区。北半球500 hPa位势高度距平表现为我国大陆东部到西北太平洋为正距平区，印缅槽加深[5，7，9，13，16，38，41-43]。

图3显示，2017年秋季500 hPa位势高度场上欧亚中高纬地区维持一槽一脊的环流型，乌拉尔山以东—巴尔喀什湖有一深槽，斯堪的那维亚半岛上空存在一个强大的高压脊，极地冷空气沿脊前偏北气流南下在西伯利亚地区堆积，伴随着短波槽东移，不断有冷空气分裂南下侵入华西地区。在中纬度地区，西北太平洋副热带高压5 880 gpm特征等值线西伸脊点至100°E附近，其脊线维持在25°N左右。从其位势高度距平场来看，欧亚中纬度地区从西到东有一个明显的“+ -”相间的波列结构，北太平洋、北美东部和北大西洋东部为正距平中心，负距平中心出现在北美中西部和北大西洋北部，西西伯利亚平原—贝加尔湖为一广阔的负距平区，极区位势高度异常偏高，特别是斯堪的那维亚半岛上空位势高度异常增强。西北太平洋副热带高压较以往强华西秋雨年(秋季华西秋雨降水量大于0.8个标准差的年份)强度异常偏强，位置偏西偏北。

图3 2017年秋季北半球500 hPa位势高度(黑色实线，单位：dagpm)及其距平(填色，单位：dagpm; 红实线表示多年平均588线;绿实线表示华西多雨年合成588线;紫实线表示3 000 m等高线)

图4a给出了2017年秋季850 hPa水平风场和对流层整层平均水汽通量散度距平。可见，西南风将来自太平洋和印度洋—孟加拉湾的暖湿气流输送至华西地区，为华西地区提供了充足的水汽，在华西北部地区形成异常的水汽辐合区，而在华西南部地区形成异常的水汽辐散区。图4b为2017年秋季850 hPa水平风场距平，由于西北太平洋副热带高压异常偏强、位置偏西，使得东亚地区对流层低层在长江中下游地区和山东半岛地区形成两个异常反气旋，华西地区受东西走向的异常切变线所控制，异常切变线以南的华西地区北部存在异常气旋性环流。图4c为2017年秋季200 hPa水平风场及其距平。可见，对流层高层，东亚副热带西风急流异常增强，而华西地区刚好位于东亚副热带西风急流入口区右侧，有利于上升运动的维持。图5则为2017年秋季沿100°～110°E的垂直速度及其距平的纬度—高度剖面。可见，在25°～35°N范围内存在明显异常上升运动，表明华西地区的上升运动异常偏强，有利于降水的维持。

图4 2017年秋季(a)850 hPa水平风场(矢量；单位：m·s-1，大于1.5 m·s-1显示)和对流层整层平均水汽通量散度距平(阴影；单位：10-5 kg· m-2·s-1)；(b)850 hPa水平风场距平(单位：m·s-1)；(c)200 hPa纬向风场(等值线；单位：m·s-1)及距平(阴影；单位：m·s-1)；其中紫色实线表示高原3 000 m等高线

图5 2017年秋季沿100°～110°E的垂直速度(矢量)及其距平(阴影)的纬度—高度剖面(单位：10-2 m·s-1)

2.3 海温异常特征

造成大气环流异常的外强迫因子有：海温异常、积冰异常、积雪异常、高原异常等。本文主要从海温异常角度分析造成2017年华西秋雨异常原因。

图6a给出了同期回归到1979—2016年华西秋雨降水量上的全球海表温度(Sea Surface Temperature， SST)异常场。可见，当华西秋雨降水量异常增多时，中纬度北大西洋上表现为西部海温异常升高，而其高纬度地区海温异常偏低。巴伦支海和挪威海海域海表面异常增温，赤道中东太平洋海温异常偏低。印度洋上表现为东南部海温异常偏高。与之相比，2017年秋季全球海表温度异常(Sea Surface Temperature Anomaly， SSTA)(图6b)表现为北大西洋上拉布拉多半岛海域和中纬度海表面温度异常偏高，最大正距平达1 ℃，其余大部分北大西洋海域海表面温度异常偏低0.5 ℃；而在巴伦支海和挪威海海域海表面异常增温明显，巴伦支海最大增温1.5 ℃；赤道中东太平洋海表面温度异常偏低，最大负距平达-1.5 ℃，大值中心向西延伸到140°W，达到了EP La Nia事件发生的标准。尽管在印度洋上表现为西印度洋海表面异常增温，东印度洋海表面异常降温，但并未达到IOD事件发生的标准[44]。可见，2017秋季全球海温异常分布与华西秋雨异常偏多年同期全球海温异常相比，既存在相类似海温异常分布，如中纬度北大西洋上表现为西部海温异常升高，而其高纬度地区海温异常偏低、巴伦支海和挪威海海域海表面异常增温、赤道中东太平洋海温异常偏低，但也存在明显差异，如华西秋雨异常偏多年时东南部印度洋海温异常偏高，而2017年表现为东南印度洋海表面温度异常偏低，两者基本上呈相反分布。

图6 (a)回归到1979—2016年华西秋雨降水量上的全球同期SST异常场(打点区通过α=0.1的显著性检验，斜杠区通过α=0.05的显著性检验；单位：℃/(mm·d-1))；(b)2017年秋季全球月平均SSTA(单位：℃)

由于2017年华西秋雨主要呈“北多南少”的空间分布，特别是呈“东北东—西南西”反位相变化，降水分布存在明显的空间分布非均匀性。可见，采用华西地区区域平均降水量来探讨其与全球海温异常的关系，存在很大的局限性。为此将1979—2017年华西秋季降水量进行经验正交分解，图7给出了1979—2017年华西秋雨EOF第一模态及相应的标准化时间序列，其方差贡献率占总方差的23.16%，并通过了North[45]检验。可见，EOF第一模态(EOF1)明显表现为西南西—东北东位相反向变化，华西东北部和北部为正异常，而华西西南部和南部为负异常。这一空间分布和2017年华西秋雨降水分布相似且两者空间相关系数达0.66，所以EOF1能很好地体现2017年华西秋雨分布特征。

图7 1979—2017年华西秋雨EOF第一模态(a)及标准化时间序列(b，实线为11 a滑动平均)

图8分别给出了EOF第一模态标准化时间序列(PC1)和全球SST在年际和年代际时间尺度上的关系。由图8a可见，PC1和巴伦支海、喀拉海SST在年代际时间尺度上存在明显正相关关系，通过了α=0.1显著性水平检验。在年际时间尺度上，PC1和中纬度北大西洋、北太平洋西南部和中部SST都存在显著正相关关系，和赤道中东太平洋、北大西洋北部以及南部、印度洋西北部和南部SST则存在显著负相关(图8b)。

图8 1979—2017年华西秋雨EOF第一模态标准化时间序列和秋季全球SST的相关场(阴影由浅到深依次表示通过α=0.1、α=0.05、α=0.01显著性检验；实线表示正相关；虚线表示负相关)：(a)年代际分量；(b)年际分量

PC1和巴伦支海标准化SST在年代际时间尺度上也存在较为一致的变化，1986—2000年间均为一致的负位相，在2000年左右两者由负位相转为正位相(图9a)。PC1和中纬度大西洋SST之间也存在年际关系的年代际变化。从15 a滑动相关系数上看，在2000年以前两者无显著相关，但在2000年以后两者的相关系数达0.63，通过了α=0.01显著性水平(图9b)。PC1和标准化Nio3指数在年际时间尺度上相关系数为-0.31，通过了α=0.1的显著性水平(图9c)。以上分析表明，秋季巴伦支海SST对华西秋雨多寡存在年代际时间尺度上的调控作用，而中纬度北大西洋SST和华西秋雨的年际关系则存在明显的年代际变化，在2002年以后两者的关系变得非常紧密，存在显著正相关。另外，在年际时间尺度上，当赤道中东太平洋上有La Nia事件发生时，华西秋雨也明显增多。因此，2017年华西秋雨异常偏多可能是不同时间尺度上不同海区海温异常共同影响结果，即巴伦支海SST在年代际尺度上持续升温与年际尺度上北大西洋中纬度海温异常和赤道中东太平洋La Nia型海温异常共同作用结果。

图9 (a)EOF第一模态标准化时间序列的年代际分量(红色实线)和巴伦支海标准化SST的年代际分量(蓝色实线);(b)EOF第一模态标准化时间序列的年际分量(红色实线)和中纬度大西洋标准化SST年际分量(蓝色实线)及两者的15 a滑动相关系数(粗黑实线)，灰色虚线表示通过α=0.05的显著性检验;(c)EOF第一模态标准化时间序列的年际分量(红色实线)和标准化Nio3指数(蓝色实线)

3 数值试验模拟结果

图10为BLZ试验、ATL试验、LA试验与控制试验模拟的华西秋季降水量差值。三组试验模拟的华西秋雨差值分布均与2017年降水距平分布相似，呈“南少北多”分布特征。陕川渝交界处降水均偏多，四川南部降水均偏少。由图10a可以看出，秋季巴伦支海海温异常增暖引起陕西和甘肃南部降水偏多，最大偏多1 mm·d-1，四川中东部地区和四川大部、贵州和云南北部等地降水偏少，最多偏少1.5 mm·d-1。而当秋季中纬度北大西洋海温异常增暖时，四川东北部、甘肃南部、陕西南部和重庆降水偏多明显，最大偏多1.5 mm·d-1，而降水减少区域出现在四川西南部、贵州北部和云南北部，最多减少1 mm·d-1(图10b)。图10c给出了秋季赤道中东太平洋La Nia型海温异常时的华西地区降水差值分布，陕西南部、重庆、贵州北部和四川东部降水增加，在陕川渝交界降水明显增加，最多偏多1.5 mm·d-1，而四川西部、云南北部和甘肃南部降水减少。

图10 BLZ试验(a)、ATL试验(b)、LA试验(c)和控制试验(CTRL)的华西秋雨差值(单位：mm·d-1)

图11分别给出了BLZ试验、ATL试验、LA试验和控制试验模拟的500 hPa位势高度差值。三组试验里的北半球中高纬度地区500 hPa位势高度差值分布和2017年500 hPa位势高度距平分布均很相似，从西到东有一明显的“+ -”相间异常位势高度波列。由图11a可见，秋季巴伦支海海温异常增暖引起东西伯利亚东部、北美东部和斯堪的纳维亚半岛地区500 hPa位势高度增加，北美北部、西西伯利亚平原—贝加尔湖低槽加深明显，我国东部以及东侧太平洋地区高压增强。不同之处在于，500 hPa位势高度减少区位于北美北部、北大西洋中东部地区，比2017年500 hPa位势高度负距平中心位置偏西偏南。而当秋季中纬度北大西洋海温异常增暖时，北美东部和斯堪的纳维亚半岛地区500 hPa位势高度增加，北美北部、北大西洋北部、西西伯利亚平原—贝加尔湖低槽加深明显，我国东部以及东侧大平洋地区高压增强(图11b)。图11c给出了秋季赤道中东太平洋La Nia型海温异常时的500 hPa位势高度差值分布，可见，北美东部和极地区域500 hPa位势高度异常增高，特别是在斯堪的纳维亚半岛上空位势高度场明显增强，在西西伯利亚平原—贝加尔湖低槽区也显著加深。相对而言，斯堪的纳维亚半岛高压位置偏南，北美北部位势高度减少区域范围较大。

图11 BLZ试验(a)、ATL试验(b)、LA试验(c)和控制试验(CTRL)的500 hPa位势高度差值(单位：gpm)

为进一步分析降水异常机制，文中分别给出了BLZ试验、ATL试验、LA试验和控制试验模拟的200 hPa和850 hPa的水平风场及散度风场差值(图12)。三组试验中，在对流层高层，均有从北大西洋中部到中国大陆东部自西向东方向上气旋型和反气旋型环流异常中心交错排列，构成了一个弧形路径。秋季巴伦支海和中纬度北大西洋海温异常增暖时异常环流中心位置很相似，反气旋性环流异常中心位于斯堪的那维亚半岛上空和中国大陆东部，北大西洋中部和西伯利亚地区为气旋性环流异常中心。而赤道中东太平洋La Nia型海温异常时，位于斯堪的那维亚半岛上空的反气旋性环流异常中心和位于北大西洋中部的气旋性环流异常中心与前两组试验相似，但我国大陆东部不存在明显的反气旋性环流异常中心，在西伯利亚北部高纬地区存在气旋性环流异常中心。从水平风散度差值场上看，三组试验的结果很相似，均在华西中部和东北部有明显的风异常辐散区，南部和西部为风异常辐合区。三组试验模拟的850 hPa水平风场差值分布和2017年850 hPa水平风场距平分布在我国中东部均很相似，华西北部受东西走向的异常切变线所控制，我国华南地区为一致的西南风差值气流，西太平洋副热带高压的异常增强。三组试验模拟的对流层低层的异常辐散风场和高层的配置相反，均在华西中部和东北部有异常辐合风，西南部有异常辐散风，这样的高低空辐合辐散异常的配置，有利于华西地区东北部降水偏多，西南部降水偏少。

图12 BLZ试验(a、b)、ATL试验(c、d)、LA试验(e、f)与控制试验模拟的200 hPa(a、c、e)和850 hPa(b、d、f)的水平风场(矢量，单位：m·s-1)和散度(填色，单位：10-6s-1)差值

数值试验结果表明，秋季巴伦支海和中纬度北大西洋海温的异常增暖以及赤道中东太平洋La Nia型海温异常分布均可导致我国华西地区秋季降水异常增多，三者可通过激发类似的大气环流异常分布，特别是欧亚大陆上空类似的环流异常，从而对我国华西秋季降水产生影响。

4 结论

2017年我国华西秋雨异常偏多，为1984年以来极值，导致了一定程度上的洪涝灾害。通过观测资料分析并结合大气环流模式模拟，研究了导致2017年秋季华西降水异常偏多的大气环流特征及其成因。主要结论如下：

(1)2017年秋季500 hPa位势高度上在欧亚中高纬地区上空维持一脊一槽环流型，斯堪的那维亚半岛上空维持异常强大的高压脊，乌拉尔山以东—巴尔喀什湖有深槽，西太平洋副热带高压异常强大并位置偏西伸。华西地区处于东亚副热带西风急流入口区南侧的高空辐散区，低层对应较强辐合区和异常的上升运动，有利于降水的维持。

(2)2017年华西秋雨异常偏多是同期巴伦支海和中纬度北大西洋海温异常偏暖以及赤道中东太平洋La Nia型海温异常共同作用结果。通过历史资料的统计分析也表明，秋季巴伦支海海温异常变化与华西秋雨在年代际时间尺度上存在较为一致的变化，两者自1986年起均处于一致的负位相，而2000年以后两者由负位相转为正位相；秋季中纬度北大西洋海温异常与华西秋雨之间的年际关系也存在明显的年代际转折，在2002年前后由两者不存在关系转为显著正相关关系；秋季赤道中东太平洋海温异常与华西秋雨之间则存在显著负相关关系。

(3)通过设计一系列考虑不同海区海温异常的敏感性试验，进一步验证了秋季巴伦支海和中纬度北大西洋海温异常增暖以及赤道中东太平洋La Nia型海温异常分布均可导致我国华西地区秋季降水异常增多。以上3个海区的海温异常可通过激发类似的大气环流异常分布，特别是欧亚大陆上空类似环流异常，从而对我国华西秋季降水产生影响。