2020年江淮地区梅雨异常的阶段性特征和成因分析

李 悦, 成剑波, 张增平, 吴永萍, 封国林*

(1. 扬州大学物理科学与技术学院, 江苏 扬州 225002; 2. 盐城工学院环境科学与工程学院, 江苏 盐城 224000)

2020年江淮地区入梅时间早且梅雨强度大, 对该超强梅雨的成因探讨有着重要的科学价值和现实意义．梅雨是东亚夏季风和欧亚中高纬度环流相互作用的结果, 分析大气环流特征对揭示梅雨的形成和维持尤为重要[1]．在季节尺度上, 2020年梅雨期东亚季风区多个关键大气环流系统的平均位置相对稳定, 江淮地区超长梅雨与西太平洋副热带高压北抬及冷涡南落东移直接相关[2]; 在次季节时间尺度上, 中高纬和低纬大气环流系统在不同阶段对2020年江淮梅雨的影响明显不同, 致使不同阶段梅雨锋的性质差异较大[3-4]．2020年江淮梅雨持续时间长、累计雨量大且强降水过程多, 各强降水过程都发生在特定的天气形势和大气环流背景下, 这种不同尺度天气系统的叠加和相互作用, 使得2020年梅雨异常的内在机理挖掘更为困难[5-7]．全球大气环流三型分解[8-9]能够分解垂直速度中的经向和纬向环流分量, 为定量研究不同大气环流之间复杂的非线性作用提供了新思路．本文拟利用全球大气环流三型分解方法研究2020年江淮地区梅雨期不同阶段的大气环流特征, 在三维空间分析大气环流变化对梅雨产生的影响, 旨在进一步揭示梅雨异常的形成机制和提高对2020年江淮梅雨异常的科学认识．

1 资料和方法

选取江淮地区经纬度范围为北纬27.5°～34°, 东经105°～122.5°, 2020年梅雨期为5月30日至8月6日．根据欧洲中期天气预报中心ECMWF ReAnalysis-5(ERA5)再分析资料[10]提供的逐小时降水量、纬向风、经向风、大气垂直速度和大气可降水量等数据, 分析2020年江淮梅雨和大气环流的变化特征．数据水平空间分辨率为0.25°×0.25°, 垂直方向从1 000 hPa 至10 hPa共有17层等压面．

现采用全球大气环流三型分解方法对江淮地区梅雨期各阶段的大气环流进行分析, 探究2020年超强梅雨与大气环流的关系．利用全球大气环流三型分解从全球视角出发将实际大气环流分解为经圈型环流、纬圈型环流和水平型环流, 其分量形式[8]为

其中λ为经度;θ为地心余纬;u′,v′,σ′分别为球面坐标系中实际大气环流的纬向速度、经向速度和垂直速度;R,H,W分别为三维水平型环流、经圈型环流及纬圈型环流的流函数, 当H或W为负(正)值时, 大气表现为上升(下沉)运动; 通过求解同时满足限制性条件和边界条件[9]的流函数R,H,W即可实现全球大气环流三型分解, 进而得到三型环流速度场VH,VW,VR, 及其在不同方向的分量u′W,u′R,v′H,v′R,σ′W,σ′H．

2 梅雨的阶段性变化特征

图1给出了2020年江淮地区梅雨期的逐日降水量、大气可降水量和500 hPa等压面上的大气垂直速度．由图1可见: 1) 入梅后的降水量先增大后减小, 最高可达25.1 mm·d-1; 2) 入梅后大气可降水量逐渐增大, 特别是6月11日附近增幅较大, 随后保持在较高水平, 这为持续性强降水提供了充足的水汽．梅雨期的中后期降水量虽然持续减弱, 但大气可降水量依然偏高, 表明梅雨强度还会受其他因素的影响; 3) 500 hPa等压面上的大气垂直速度Ω以负值为主, 故大气表现为很强的上升运动[11], 且梅雨期内的大气垂直速度与逐日降水量呈显著的负相关关系, 相关系数达0.897, 通过了0.001的显著性检验, 表明大气上升运动对于2020年超强梅雨的形成至关重要．

图1 梅雨期逐日降水量(a)、大气可降水量(b)和500 hPa等压面上的大气垂直速度(c)Fig.1 Daily precipitation (a), atmospheric precipitable water (b), and 500 hPa vertical velocity (c) over the Yangtze-Huaihe region during the Meiyu perion

图2给出了梅雨期逐日降水量的低频分量．由于降水活跃期与中断期交替发生, 故在此基础上将2020年梅雨期划分为6个阶段: 5月30日至6月9日(Ⅰ阶段); 6月10日至6月25日(Ⅱ阶段); 6月26日至7月11日(Ⅲ阶段); 7月12日至7月19日(Ⅳ阶段); 7月20日至7月28日(Ⅴ阶段); 7月29日至8月6日(Ⅵ阶段)．

图2 梅雨期逐日降水量的低频分量及其阶段划分Fig.2 The low-frequency component and the time division of Meiyu perion

3 梅雨期不同阶段的大气环流特征

图3显示了2020年梅雨期不同阶段在东经105°～122.5°、北纬0°～90°处经圈型环流的流函数H及风场分布．由图3可见: 1) Ⅱ～Ⅴ强降水阶段江淮地区有很强的大气上升运动, 北纬30°附近均存在一个强上升支, 该上升支的强度和位置与降水强度和位置在不同阶段的演变基本一致; 2) 北纬30°附近强上升支的南北侧均为下沉气流, 南侧下沉气流与上升支构成的经圈型环流在结构上趋于闭合,强度高于其他纬度下的; 3) 梅雨期不同阶段经圈型环流的具体特征如下: Ⅰ阶段强上升支和雨带位于北纬25°附近的江南地区, 江淮地区降水较少; Ⅱ阶段强上升支北移至北纬30°, 雨带也随之北移,江淮地区降水增多; Ⅲ阶段强上升支稳定于北纬30°, 大气上升运动的强度增大, 高度可达150 hPa等压面, 该阶段降水最强; Ⅳ～Ⅴ阶段江淮地区依然有明显的大气上升运动, 但是上升支强度有所减弱, 降水量也逐渐减小; Ⅵ阶段强上升支北移, 江淮地区受下沉气流控制, 梅雨趋于结束．

图3 梅雨期各阶段下经圈型环流的流函数H(阴影区,μs-1)和风场(矢量图,Pa·s-1)分布特征Fig.3 Mean meridional circulation flow function H (shaded area, μs-1) and wind field (vector, Pa·s-1) in six stages of the Meiyu Period

图4显示了2020年梅雨期不同阶段在北纬27.5°～34°、东经60°～180°处纬圈型环流的流函数W及风场分布．由图4可见: 1) 各阶段的强上升运动主要集中在东经85°～100°, 其中东经85°附近的上升支非常稳定, 特别是在Ⅲ阶段以后强度明显增加; 2) Ⅲ～Ⅳ阶段在东经95°附近也出现一个上升支, 该上升支由地面延伸至150 hPa等压面, 然后向东运动并在东经105°下沉．受此影响, Ⅲ阶段强降水期间, 纬圈型环流在江淮地区(东经105°～122.5°)呈现明显的上升运动, 这会与经圈型环流的大气上升运动叠加, 增强梅雨的强度; 3) Ⅴ～Ⅵ阶段江淮地区纬圈型环流的大气上升运动较弱, 对梅雨的影响较小．综上, 纬圈型环流对江淮地区大气上升运动的贡献小于经圈型环流．

图4 梅雨期各阶段下纬圈型环流的流函数W(阴影区, μs-1)和风场(矢量图, Pa·s-1)分布特征Fig.4 Mean zonal circulation flow function W (shaded area, μs-1) and wind field (vector, Pa·s-1) in six stages of the Meiyu Period

图5给出了梅雨期各阶段在850 hPa等压面的水平型环流流函数R及风场分布．由图5可见: 1) 北方冷空气活动相对较弱, 南方暖湿气流活动较强; 2) Ⅰ阶段华南地区(东经104°～117°, 北纬18°～26.5°)受很强的西南风控制; 从Ⅱ阶段开始西南风向北推进, 江淮地区位于西南急流左侧, 为梅雨提供了大量的暖湿空气, 且江淮地区处于风速辐合区有利于水汽聚集; 3) Ⅲ～Ⅴ阶段虽然西南急流输送路径有所调整, 但是始终对江淮地区影响较大, 西南急流持续将源自低纬地区的水汽输送至江淮地区, 水汽辐合与大气上升运动的发展导致强降水在江淮地区长时间持续; 4) Ⅵ阶段江淮地区转为受东南风控制, 依然有大量水汽输送, 故大气可降水量仍然偏多．

图5 梅雨期各阶段在850 hPa等压面的水平型环流流函数R(阴影区, μs-1)和 风场(矢量图, m·s-1)分布特征Fig.5 Distribution characteristics of horizontal circulation flow function R (shadow area, μs-1) and wind field (vector, m·s-1) at 850 hPa in six stages of the Meiyu Period

图6给出了梅雨期各阶段在500 hPa等压面的水平型环流流函数R及风场分布, 流函数R的零值线可以反映出西太平洋副热带高压(简称为“副高”)的位置[12]．由图6可见: 1) 梅雨期不同阶段副高位置维持在北纬25°～30°, 且在Ⅱ～Ⅴ强降水阶段副高强度增加、位置西移, 这为暖湿气流向江淮地区的输送提供了良好的动力条件; 2) 500 hPa等压面上的中高纬槽脊系统发展, 冷空气活动增强, 其中Ⅰ阶段中高纬地区为平直西风气流, 副高位置偏南; Ⅱ阶段在贝加尔湖西部形成一个冷高压, 而鄂霍次克海附近存在一个低压中心; Ⅲ阶段贝加尔湖冷高压发展形成高压中心, 低压槽向南加深, 脊前北风气流引导冷空气大量南下, 同期副高也明显加强, 中心向北发展且呈块状分布, 使得冷空气与副高西北侧暖湿空气在江淮地区汇合; Ⅳ～V阶段冷高压东移南下, 冷高压中心移至我国东北地区, 副高再次向西延伸, 冷暖空气长期交绥; Ⅵ阶段冷高压东移入海, 与副高合并形成一个高压中心, 江淮地区位于高压中心西侧, 降水逐渐减弱．

图7给出了梅雨期各阶段在100 hPa等压面的水平型环流的流函数R及风场分布, 流函数R的零值线对应南亚高压的位置, 水平范围为东经60°～130°、北纬20°～40°[13-14]．由图7可见: 1)Ⅰ阶段中高纬度地区的大气环流为平直的西风气流, 南亚高压强度较弱、位置偏南, 其南北两侧分别为东西风急流, 江淮地区受强烈的反气旋环流控制; 2) Ⅱ阶段南亚高压明显增强并北移, 中高纬度大气环流南北向的振幅增大, 贝加尔湖地区出现弱冷高压, 鄂霍次克海形成横槽; 3) Ⅲ阶段贝加尔湖的冷高压向北发展并增强, 脊前横槽转为竖直方向并向南加深, 南亚高压东北部受低压槽挤压形成2个高压中心; 4) Ⅳ阶段北部冷高压东移南下, 南亚高压的2个中心分别向东西两侧移动; 5) Ⅴ～Ⅵ阶段南亚高压持续减弱, 梅雨趋于结束．综上, 梅雨期南亚高压活动频繁, 尽管南亚高压在不同阶段的位置、形状和强度存在差异, 但是强降水期间高压脊线位置始终维持在北纬25°～30°, 这对江淮地区梅雨有着重要的调控作用．

图7 梅雨期各阶段在100 hPa等压面的水平型环流流函数R(阴影区, μs-1)和 风场(矢量图, m·s-1)分布特征Fig.7 Distribution characteristics of horizontal circulation flow function R (shadow area, μs-1) and wind field (vector, m·s-1) at 100 hPa in six stages of the Meiyu Period in 2020

2020年梅雨期不同纬度大气环流的相互作用为强降水提供了有利的环流背景[15]．梅雨期南亚高压北抬加强, 具有明显的东西振荡特征, 且副高长期偏强、位置偏西北, 为梅雨提供了稳定的水汽输送通道和能量源[16]．中高纬度大尺度的大气环流系统活动频繁, 南北向振幅持续偏高, 有利于冷空气南下并与南方暖湿气流在江淮地区汇合形成梅雨锋．低纬和中高纬地区不同天气系统的叠加, 特别是高低空急流的相互耦合, 在江淮地区形成高层辐散和低层辐合的垂直环流配置[17], 导致梅雨期江淮地区产生强烈的上升运动, 使得2020年梅雨异常强．

4 主要结论

本文利用全球大气环流三型分解方法研究了2020年江淮地区梅雨期大气环流的演变特征, 阐明不同阶段梅雨的形成机理, 主要结论如下:

1) 江淮梅雨逐日变化与大气上升运动直接相关, 根据全球大气环流三型分解, 经圈型环流对江淮地区的大气上升运动起主导作用, 梅雨期不同阶段经圈型环流在江淮地区均存在一个强上升支, 驱动超强梅雨的形成;

2) 梅雨期850 hPa等压面上江淮地区为风速辐合区, 有利于水汽聚集; 500 hPa等压面上中高纬槽脊发展频繁, 6月10日至6月25日在贝加尔湖形成冷高压, 鄂霍次克海附近存在低压中心, 6月26日至7月28日冷高压东移南下, 低压槽向南加深, 促使冷空气南下;

3) 梅雨期南亚高压和中高纬环流系统叠加, 导致大气环流南北向振幅增大, 利于北方干冷空气南下; 同时, 副高西北侧边缘暖湿气流不断向江淮地区输送, 冷暖空气在江淮地区交汇形成梅雨锋, 从而产生多次强降水过程, 导致梅雨异常偏强.

2020年梅雨期连续发生多次强降水过程, 具有很强的季节内振荡特征, 各次强降水过程都发生在特定的天气形势和大气环流背景下．除大尺度大气环流背景外, 中小尺度天气系统也会对降水产生影响, 今后将对相关结果进一步通过数值模拟进行验证．