江淮地区夏季极端日降水事件变化特征及其与Rossby 波活动的联系

孙思远 管兆勇 金大超

1 南京信息工程大学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/气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044

2 中国气象局地球系统数值预报中心，北京 100081

3 国家气象中心，北京 100081

1 引言

近年来，极端气候事件受到广泛关注。研究表明，极端事件在全球范围内均有所增加，但各地区的极端事件又存在明显的区域差异（Groisman et al., 1999; Emori and Brown, 2005; Kharin et al., 2007;Ren et al., 2012）。极端降水事件诱发的洪涝灾害严重威胁人民生命财产安全。频繁活动的暴雨天气系统是洪涝形成的根本原因。江淮地区是我国经济较为发达的地区，受季风影响，夏季洪涝灾害频发，容易引起较大的经济损失（夏芸等, 2008; 傅云飞等, 2020）。江淮地区的洪涝灾害主要集中在6～8 月，其中6～7 月的洪涝灾害主要是由梅雨引起的，8 月的洪涝灾害主要受台风活动影响。

江淮地区夏季降水受众多因素影响。江淮地区降水明显的年际和年代际异常与西风急流的位置有密切的关系（Liang and Wang, 1998; 魏林波等,2012; Huang et al., 2014）；而印度洋地区和西太平洋地区的大气环流异常同样会影响江淮夏季降水（卢明等, 2013; 张璟等, 2014; Liu et al., 2014）；海洋信号包括El Niño 和IOD（Indian Ocean Dipole）对江淮夏季降水也有显著影响，其对降水的正影响约为一年，一年后变为负影响（钱永甫等, 2007）；我国邻近海区以及太平洋、印度洋和大西洋的海温异常变化会导致海陆热力差异，进而也对江淮流域夏季降水有直接影响（王钟睿和钱永甫, 2005; 李永平等, 2006; 王黎娟等, 2014）；青藏高原东部和其以北区域的大尺度热力差异和高原积雪对江淮地区夏季降水有着很好的指示意义（章基嘉等, 1995;Wang et al., 2017）。这些降水异常事件通常与极端日降水事件有关。

江淮地区乃至中国东部极端强降水事件的发生与对流层上层斜压波包的活动有关（如：陈丹萍等, 2016）。斜压Rossby 波主要存在于中纬度对流层上层（Hoskins and Karoly, 1981; 谭本馗, 2008），副热带高空西风急流对Rossby 波及其在一定条件下组织成的波包的传播有引导作用，可以对下游地区的降水产生一定影响（梅士龙和管兆勇, 2008,2009; 李明刚等, 2016）。

根据前人的研究可以知道，在个例年，江淮地区夏季强降水过程与对流层上层波包活动联系密切，但是，统计意义上强降水发生时段波包活动特征及涡动能量变化如何尚需分析。所以，本文针对多年极端日降水事件与对流层上层波包活动的关系以及极端日降水发生时扰动涡度拟能的变化进行研究，以期进一步揭示极端强降水事件形成的机理。

2 资料和方法

本文的研究时段为1979～2016 年共38 年，使用的资料有：（1）NCEP/NCAR 逐日再分析资料，使用的变量有经向风（v）、纬向风（u）、垂直速度（ ω）、位势高度（h）、比湿（q）等，资料水平空间分辨率为2.5°×2.5°。各变量的扰动定义为该变量与其气候平均值之间的偏差。这里的气候平均被定义为1981～2010 年（30 年）的平均值。（2）中国国家级地面气象站基本气象要素日值数据集的1979～2016 年夏季2425 个站点的逐日降水资料。江淮地区的选取使用Jin et al.（2015）所定义的范围，即（31.5°～34.5°N，115.5°～121°E）。因为所选的区域站点分布比较均匀，且在空间上较为密集，所以在计算区域平均时使用简单的算术平均。

根据Wirth et al.（2018）的研究可知，尽管实际上每年组成中纬度对流层上层斜压波包的主要波数是不同的（Kao and Wendell, 1970; Chang and Yu,1999; Chang, 2005），但是波数介于5～7 的波通常是组成中纬度对流层上层300 hPa 经向风扰动的主要分量。本文在分析波包前，首先计算了极端日降水发生期间多年个例平均的经向风的纬向波数，典型波数范围确为5～7。采用Hilbert 变换来做包络分析（Zimin et al., 2003），该变换能够有效地从扰动经向风场中提取出斜压波包络。波包（Ve）的表达式为

3 江淮地区夏季极端日降水事件特征

3.1 极端日降水事件的定义和降水分布

将1979～2016 年（38 年）夏季（共2318 d）的江淮地区97 站的日降水量进行区域平均，再将日降水量小于1 mm 的天数去掉，剩下的天数按升序排列，取95 百分位上的值作为阈值（李红梅等,2008）。选取大于该阈值（33.95 mm d-1）的天数为极端日降水事件的日数。根据极端日降水的定义，可以得到63 个极端降水日（表1），其中发生在6 月的极端日降水事件有27 次，7 月有36 次。为了进一步了解江淮地区极端日降水的分布情况，绘制了63 次极端日降水事件的降水均值及其与前一日降水均值之差图（图1）。由图1a 可以看出，极端降水的最大值出现在江苏和安徽的交界处，最大值超过44 mm d-1；而由图1b 可以看出，江淮地区63 次极端日降水事件的降水均值与前一日相比有显著增加，最大值位置也在江苏和安徽的交界处，最大值超过30 mm d-1。

图1 1979～2016 年夏季（a）江淮地区极端日降水事件的平均降水量（单位：mm d-1）分布，及其（b）与前一日降水量之差的分布。红色矩形框区域为江淮地区，蓝色实线自南向北分别为长江、淮河和黄河Fig. 1 (a) Precipitation (units: mm d-1) averaged from RDPEs (regional daily precipitation extreme events) in YHR (Yangtze-Huaihe rivers) region and (b) the differences of mean precipitation between RDPEs and the day before RDPEs occurred in the summers of 1979-2016. The red rectangular frames represent YHR regions. The thick blue lines from south to north indicate the Yangtze River, Huaihe River, and Yellow River, respectively

表1 1979～2016 年夏季江淮地区极端日降水事件的发生日期和区域平均雨量Table 1 Occurrence dates of extreme daily precipitation events and regional average precipitation in the Yangtze-Huaihe rivers (YHR) region in the summers of 1979-2016

3.2 极端日降水事件与环流异常

为探讨江淮地区极端日降水事件的发生与局地环流的关系，分析63 次极端日降水事件合成的异常流场和水汽输送特征（图2）。在中国东部，由南向北存在气旋—反气旋的水平分布。江淮地区在对流层中低层受气旋性环流异常控制，在其南侧为中心在东海附近的反气旋性环流异常（图2a、b）；而在对流层上层则受反气旋性环流异常控制，在其北侧为中心在华北地区的气旋性环流异常（图2c）。环流在垂直方向上，一方面表现为整体自下向上明显北倾，呈斜压结构；另一方面表现为在对流层中低层西太平洋副热带高压（简称西太副高）反气旋性环流异常在中国东南沿海处西伸，而在对流层上层南亚高压则异常东伸至江淮地区上空。异常辐散风在对流层中低层辐合（图2a、b），在对流层上层辐散（图2c），这种低层至高层的斜压环流结构对极端日降水事件的形成十分有利。同时注意到850 hPa 上，江淮地区处于西北风与西南风的辐合区（图2a），这种辐合有利于锋生的加强（Hou and Guan, 2013），而强锋生有利于极端强降水事件的发生。

夏季江淮地区受到夏季风的影响，水汽主要来自于孟加拉湾、南海和西太平洋地区。从图2d 给出的整层积分（1000～300 hPa）的水汽通量散度及水汽通量旋转分量和辐散分量分布可见，江淮地区为水汽较强的汇（水汽通量散度和水汽通量辐散分量），该地区水汽主要来源于孟加拉湾和中国南海地区（水汽通量旋转分量），这为江淮地区极端日降水事件提供了充足的水汽条件（李明刚等,2016）。

3.3 极端日降水事件与扰动涡度拟能变化

分析63 次极端日降水事件合成的扰动涡度拟能Ene的高度—时间变化（图3a），可以发现Ene在Day-5（极端日降水事件发生前的第5 天）至Day-3 变化不大，从Day-2 开始Ene在400 hPa 及以上的对流层上层显著增大，并在Day-1 时达到最大，随后在对流层低层出现明显变化，对流层低层从Day-1 开始显著增大，并在极端降水发生当日Day0 时达到最大，随后减小。扰动涡度拟能的变化有利于极端日降水事件的发生和发展，这种变化特征可为提前1～3 d 预报极端日降水事件提供线索。

值得注意的是，极端降水发生当日，500 hPa以下的扰动涡度拟能极大，表明极端降水与低层气旋性环流的增强（表现为 ζ′达到极大值）有关，而此时，400 hPa 以上的对流层上层的扰动涡度已经减弱（图3a）。这种垂直结构进一步表现出了环流系统的斜压特征（图2a、c）。

图2 1979～2016 年夏季江淮地区极端日降水事件发生时合成的（a）850 hPa、（b）500 hPa、（c）300 hPa 异常风的流函数（阴影，单位：106 m2 s-1，打点表示通过90%信度水平的显著性t 检验）、旋转风分量（流线，单位：m s-1）和辐散风分量（单位：m s-1，箭头表示通过90%信度水平的显著性t 检验）以及（d）整层（1000～300 hPa）积分的水汽通量散度（阴影，单位：106 kg s-1，打点表示通过90%信度水平的显著性t 检验）及水汽通量辐散分量（单位：kg m-1 s-1，箭头表示通过90%信度水平的显著性t 检验）和旋转分量（流线，单位：kg m-1 s-1）Fig. 2 Composites of stream functions (shadings, units: 106 m2 s-1, areas passing t-test at 90% confidence level are stippled), rotational components(streamlines, units: m s-1), and divergent components (arrows, units: m s-1, arrows represent divergent components exceed the 90% confidence level using a t-test) of the anomalous winds at (a) 850 hPa, (b) 500 hPa, (c) 300 hPa, and (d) divergences (shadings, units: 106 kg s-1, areas exceeding 90%confidence level using a t-test are stippled), divergent components (units: kg m-1 s-1, arrows represent divergent components exceed the 90%confidence level using a t-test), and rotational components (streamlines, units: kg m-1 s-1) of water vapor fluxes integrated from 1000 hPa to 300 hPa for the RDPEs in the YHR region in the summers of 1979-2016

利用扰动涡度拟能变化方程（2）对江淮地区63 次极端日降水事件合成的扰动涡度拟能随时间的变化进行诊断分析，各项变化情况如图3b 所示。可以看出，Enet在Day-3 至Day+1 先增后减，在Day-1 达到极大值，即Ene的整层积分在Day-1 达到最强，随后快速减弱；Ene1和Ene5的变化趋势相似：在Day-3 至Day0 先减后增，均在Day-1 达到极小值，且符号大多为负，说明整个变化过程中扰动气流对时间平均涡度的平流输送较弱，同时扰动涡度拟能呈现出辐散特征，即不利于Ene在江淮地区上空的增强和维持；Ene6和Ene7在Day-1 至Day+1 先减后增，在Day0 达到极小值，同样不利于Ene在江淮地区上空的维持，且残差项Ene7的贡献略强于倾侧项Ene6；Ene3对Ene在江淮地区上空的增强和维持贡献较小，在Day-3 至Day-1 起正作用，而在Day0 至Day+1 起负作用。Ene2在极端日降水发生期间先增再减后增，在Day-2 达到最大值，在Day0 达到最小值。除在Day-2 起到正作用外，Ene2对Ene在江淮地区上空的增强和维持起到负作用；Ene4作为量级较大的一项，符号始终为正，在Day-2至Day+1 先增后减，于Day0 达到最大值，说明涡度在扰动气流中有较强的辐合，且作为涡度制造项是有利于Ene在江淮地区上空的增强和维持的。具体数值变化见表2。

表2 1979～2016 年夏季江淮地区区域极端日降水事件合成的扰动涡度拟能的变化（ Enet）及引起其变化的各项（Ene1、 Ene2、Ene3、 Ene4、 Ene5 、Ene6 、Ene7）的整层（1000～100 hPa）积分的变化Table 2 Temporal variations of the eddy enstrophy changing ( Enet) and terms causing the eddy enstrophy changing(including Ene1, Ene2, ······, and Ene7) integrated vertically from 1000 hPa to 100 hPa over the YHR region during RDPEs in the summers of 1979-2016

由于拟能制造项Ene4相对较大，这里给出江淮地区上空Ene4的时间—高度剖面（图3c）。由图3c可以看出，Ene4在极端日降水事件发生期间几乎均为正值，且在Day-1 的对流层上层和Day0 的对流层低层各存在一个大值中心，这与扰动涡度拟能Ene本身的变化是相吻合的。同时，该项主要是扰动涡度 ζ′和水平散度∇·V′的共同作用，可以发现，在对流层上层ζ′<0、∇·V′>0，因此对流层上层的反气旋环流系统随着极端降水事件的发展逐渐增强，并于Day-1 达到最强；而在对流层低层ζ′>0、∇·V′<0，此时对流层低层的气旋性环流系统也在发展加强，并于Day0 达到最强。也就是说，先有对流层上层的辐散增强，反气旋性涡度增强，拟能增强，1 天后，对流层低层继而有了正涡度增强，辐合增强，拟能达到最大。这种垂直方向的斜压性环流的变化有利于极端降水事件的发展和维持。

要说明的是，图3a 中给出了江淮地区极端日降水事件发生期间该地区上空扰动涡度拟能随高度和时间的变化，而图3b 则分析的是引起整层扰动涡度拟能变化的方程（2）中各项的随时间变化，但扰动涡度拟能变化在对流层上层和下层间的联系并未讨论。事实上，对流层上层扰动涡度拟能发生变化时，对流层中下层的扰动涡度拟能也将发生变化，这种上下层间联系的途径主要有：（1）斜压Rossby 波的传播在对流层各层均有反映，且存在位相差（黄荣辉等, 2016）；（2）对流层中上层槽脊移动会伴随或引起地面气旋/反气旋的移动和变化，槽前通常伴随上升运动，槽后往往伴随下沉运动；（3）对流层上层和中下层扰动涡度拟能变化均与拟能制造项（Ene4）有关，也就是与∇·V′有关（图3c）。当对流层上层（如200 hPa）∇·V′>0时，将导致反气旋性扰动涡度增强，也就使得上层扰动涡度拟能增强，此时，因为大气质量补偿，对流层下层（如850 hPa）∇·V′<0，导致气旋性扰动涡度增大，进而造成拟能增强；（4）由扰动涡度拟能变化方程（2）可见，不同等压面层之间的扰动涡度拟能的变化可以通过Ene1和Ene2中的垂直输送项产生联系。

图3 1979～2016 年夏季江淮地区上空区域平均的（a）扰动涡度拟能（单位：10-11 s-2）的高度—时间剖面（打点区域表示通过99%信度水平的显著性t 检验），（b）区域极端日降水事件中扰动涡度拟能变化（Enet）及引起其变化的各项（Ene1、 Ene2、······、Ene7，单位：10-14 s-3）的整层（1000～100 hPa）积分随时间的变化，（c）水平散度项（阴影，单位：10-15 s-3）和扰动涡度（等值线，单位：10-5 s-1）的高度—时间剖面Fig. 3 (a) Height-time cross section of the regional average eddy enstrophy (units: 10-11 s-2) (areas exceeding 90% confidence level using a t-test are stippled), (b) temporal variations of the eddy enstrophy (Ene) changing (Enet) and terms causing the eddy enstrophy changing (units: 10-14 s-3, including Ene1, Ene2, ······, and Ene7) integrated vertically from 1000 hPa to 100 hPa during RDPEs, and (c) height-time cross section of the horizontal dispersion term (shadings, units: 10-15 s-3) and the disturbance vorticity (contours, units: 10-5 s-1) over the YHR region in the summers of 1979-2016. Day-5 presents 5 days before RDPEs

整体来说，江淮地区扰动涡度拟能变化方程中各项的变化集中在Day-3 至Day+1，方程的贡献大项以时间平均气流对扰动涡度的平流输送项Ene2和扰动气流中的水平散度项（涡度制造项）Ene4为主，其他项相对而言均为小项，可在讨论过程中忽略。值得注意的是，在Day0 时，水平散度项（Ene4和Ene5）均为正变化（Ene5贡献很小），但Enet和其他项均为负变化，其中Enet在Day-1 至Day0由正转负，即整层扰动涡度拟能在Day0 迅速减弱，与图3a 中所示的Ene在对流层上层迅速减小、对流层低层迅速增大且减小明显强于增大这一变化特征相吻合。Rossby 波波动的传播可导致下游扰动的增强，扰动气流中的水平散度项Ene4作为大项时，江淮地区上空扰动的增强对强降水事件的发生具有重要作用。

4 与江淮地区夏季极端日降水事件相关的波包活动特征

江淮地区对流层中上层扰动涡度拟能的变化反映了该地区上空能量输入和能量转换的结果，而局地拟能的变化与Rossby 波的能量传播有关（Takaya and Nakamura, 2001）。为揭示江淮地区夏季极端日降水事件发生时Ene的变化原因，这里分析斜压Rossby 波包的传播特征。除了图4 所示的江淮地区上空Day-5 至Day+1 的区域平均的经向风扰动v′和波包Ve的变化曲线，还对江淮地区300 hPa 上经向风扰动v′及波包Ve的一点超前滞后相关进行分析，给出了江淮地区63 次极端日降水事件合成的区域平均v′序列与整个v′场（阴影）以及Ve序列与整个Ve场（等值线）的一点相关分布（图5）。

图4 1979～2016 年夏季江淮地区300 hPa 区域平均的经向风扰动v′和波包Ve 随时间的变化。左（右）侧纵坐标表示经向风扰动 v′数值（Ve 数值）Fig. 4 Temporal variations of regional mean meridional wind perturbations v′ and wave packet Ve at 300 hPa over the YHR region in the summers of 1979-2016. Values on the left (right) y-axis represent meridional winds perturbations (wave packet)

波列表现出明显向下游频散的特征。从图4 中可以发现，在江淮地区上空扰动经向风v′在Day-5至Day-3 和Day0 时为正，在Day-2 至Day-1 和Day+1 为负，表明v′在Day-5 至Day+1 有明显的异常北风和异常南风的转向，即该地区上空有扰动过程。扰动经向风v′的变化在Day-4 至Day+1 呈现出先减后增再减的趋势，而波包Ve则在Day-3至Day+1 先减后增再减，值得注意的是，v′在极端日降水事件发生前的减弱趋势要比Ve早一天。由图5 则可见，波列源于里海和黑海附近（-5 d，-5 d表示区域平均v′滞后整个空间场5 d），从-5 d至+1 d，波动自西北向东南沿高空西风急流从上游地区向江淮地区传播。-5 d 至+1 d 的传播中，上游的扰动强度不断减弱，下游的扰动强度不断增强。波列在0 d 时到达了江淮地区，随后继续向下游（海上）传播。同时，波动组织成的波包同样表现出明显的上游效应。-2 d 时，波包中心位于天山山脉附近，波包中心明显向下游传播；-1 d 时，波包中心传播到华北平原附近；0 d 时，波包传播到江淮地区。波包主要沿高空西风急流自西向东传播。

尽管图5 显示波包传播至江淮地区时发生极端强降水事件，但并不意味着在300 hPa 上的扰动涡度拟能达到极大值（图3a），这是因为波包Ve与实际的扰动涡度强弱并不对应。在Ve的大值区，可出现v′和 ζ′等于0 的情形，这可从图5 中0 d 时的经向风扰动v′及波包Ve的一点相关分布中加以判断。

为进一步揭示波列和波包传播特征，这里给出江淮地区极端日降水事件合成的300 hPa 区域平均v′和Ve与整个场的一点相关在30°～60°N 之间的时间—经度剖面（图6）。从图中可以看出，波动能量的传播始于-3 d 左右，在0 d时达到位于下游的江淮地区，持续5 d 左右。波动的相位传播很明显，每天东移4～5 个经度，但群速度为每天18 个经度左右，远快于相速度。在高空波包整个传播过程中，上游扰动逐步减弱，下游扰动逐步增强，表现出明显的下游频散特征。由以上分析可知，江淮地区极端日降水事件的形成与Rossby 波能量频散以及由此引起的扰动涡度拟能变化关系密切。

图6 1979～2016 年夏季江淮地区极端日降水事件合成的300 hPa 区域平均的（a）经向风扰动 v′、（b）波包Ve 分别与整个场的经向风扰动v′、波包Ve 的一点相关在30°～60°N 之间的时间－经度剖面。绿色虚线表示群速度，相关系数≥0.2 即为通过90%信度水平的显著性t 检验Fig. 6 The time-longitude cross-sections of one-point correlations of the regional mean (a) meridional wind perturbations v′ and (b) wave packet Ve with respectively the corresponding meridional wind perturbations v′ and wave packet Ve in the whole study domain at 300 hPa averaged over the zonal belt (30°-60°N) during RDPEs in the YHR region in the summers of 1979-2016. The green dashed lines depict the group velocity. Correlation coefficients more than 0.2 represent the value passing the 90% confidence level using a t-test

此外，从表1 中可以发现江淮地区共有7 次连续的极端日降水事件发生，分别是1988 年7 月24日和1988 年7 月25 日、1991 年6 月13 日和1991 年6 月14 日、1996 年7 月3 日和1996 年7月4 日、1998 年6 月29 日和1998 年6 月30 日、2000 年6 月2 日和2000 年6 月3 日、2003 年7月1 日和2003 年7 月2 日、2007 年7 月8 日和2007 年7 月9 日。原则上连续两天的极端日降水事件可以视为同一过程。为了揭示连续性极端降水事件的影响，首先扣除这些事件中降水较少的一天，即1988 年7 月24 日、1991 年6 月13 日、1996年7 月4 日、1998 年6 月29 日、2000 年6 月2 日、2003 年7 月2 日、2007 年7 月8 日，再使用同样的方法分析波包活动过程，最后发现波包的传播特征与图5 所示相似。

图5 1979～2016 年夏季江淮地区极端日降水事件合成的300 hPa 区域平均经向风扰动 v′（波包Ve）与整个场的经向风扰动 v′（波包Ve）在-5 d 至+1 d 的一点相关（阴影：经向风扰动 v′的相关；等值线：波包Ve 的相关）。等值线间隔为0.1，相关系数≥0.2 即为通过90%信度水平的显著性t 检验Fig. 5 One-point correlations between the regional mean meridional wind perturbations v′ (wave packet Ve) and meridional wind perturbationsv′(wave packet Ve) in the whole study domain at 300 hPa over the YHR region in the summers of 1979-2016. Time-lags are set in a range from -5 d (the regional mean series lags the whole space field by 5 days) to +1 d. Shadings (contours) are the correlations for meridional wind perturbations v′ (wave packet Ve). Contour intervals are 0.1. Correlation coefficients more than 0.2 represent the value passing the 90% confidence level using a t-test

5 总结

本文对江淮地区区域性日降水极端事件的统计特征及其与波包活动的联系进行了讨论，得到的结论如下：

（1）在1979～2016 年夏季，共发生了63 次极端日降水事件，其中发生在7 月的极端日降水事件略多于6 月，95 百分位上的降水阈值为33.95 mm d-1。江淮地区发生极端日降水时，该地区850 hPa 上空处于西北风和西南风辐合型流场控制下，而在对流层上层300 hPa 上则为辐散所主导。同时，孟加拉湾和中国南海地区为该地区带来充足的水汽，这些为极端日降水事件的发生和维持提供了有利的条件。

（2）影响江淮地区扰动涡度拟能变化的主要是时间平均气流对扰动涡度的平流输送项和扰动气流中的水平散度项，对流层上层的扰动涡度拟能从Day-1 至Day0 的过程中迅速减小，对流层低层的扰动涡度拟能则在此过程中增强，江淮地区上空扰动增强对极端日降水事件的发生具有重要作用，且Day-2 和Day-1 对流层上层扰动拟能的增强对预报具有重要价值。

（3）江淮地区发生极端日降水事件期间，扰动经向风场在极端日降水事件发生前几日的减弱趋势比波包的减弱趋势要早一天，波动能量向下游传播，波动起源于里海和黑海附近，传至江淮地区约需要3～5 d 时间；波能到达江淮地区，为江淮地区极端日降水事件的形成时对流层低层气旋异常增强提供了扰动能量。

致谢 中国气象局国家气象信息中心提供的中国国家级地面气象站基本气象要素日值数据集（V3.0）；再分析资料取自NOAA-CIRES Climate Diagnostics Center（https://www.noaa.gov/[2020-10-26]）；文中插图使用NCL 软件绘制。谨致谢忱！