华南集中强降水的年代际变化及环流特征

邓 安，曾 妮，刘思洋，蒙 军，胡秋红，王冉熙

(贵州省安顺市气象局，贵州 安顺 561000)

0 引言

我国地处东亚季风区，夏季风降水对于我国东部地区有着深远的影响。强降水天气容易造成山体滑坡、城市内涝、农作物受灾等[1]。2008年，在中国华南地区出现的大范围持续性强降水事件，该次暴雨灾害共造成南方各省区168人死亡、37人失踪，农作物受灾面积1201.95×105km2，倒塌房屋4.65万间，损坏房屋更是多达14.97万间。然而，旱涝灾害的频率和强度存在明显的年际和年代际变化，旱涝灾害和气候及气候变化有着紧密的联系。在全球变暖背景下，气候变化形势愈发复杂多样，极端天气气候事件频发，在这种情形下，年代际气候变化研究尤为重要。众多气象研究者对我国夏季降水做了大量研究工作。研究表明，自20世纪中期以来，我国东部夏季降水经历了3次明显的年代际变化，分别是70年代中后期，90年代初期以及90年代末期[2]。周连童[3]对我国夏季气候的年代际变化特征进行详细的分析，并指出我国夏季降水具有明显的年代际变化，华北地区在1976年前后夏季降水发生了1次较为明显的跃变，1977年之后，由于华北地区和黄河流域的降水减少，导致严重干旱，而长江流域夏季降水明显增加。DING等[4]研究也表明中国东部夏季降水分别于1979年和1992年前后发生了2次显著的年代际变化，这2次年代际变化特征是东亚夏季风降水雨带明显南移。在20世纪90年代末东亚地区夏季气候可能又发生了1次明显的年代际变化。黄荣辉等[5]研究发现，中国东部夏季降水在20世纪90年代末发生了年代际转变，在1999—2010年期间中国东部夏季降水异常从经向三极子型分布变成经向偶极子型分布，即中国东北和华北地区及西北地区东部夏季降水显著减少，而淮河流域以南夏季降水偏多，形成了“南涝北旱”的分布特征。

本文利用NCEP再分析资料、站点观测资料，对我国华南地区6—8月降水变化特征进行了分析，深入分析华南地区夏季降水年代际变化特征及形成机制，以期为改进降水气候预测技术提供科学参考，对华南降水旱涝预测等具有重要的理论价值和现实意义。

1 资料选取

本文所使用的数据资料包括：中国气象局提供的1951—2016年6—8月中国839个测站的逐日降水资料。其中，有65个位于所选取的华南(110～120°E)范围之中。文中分析所采用的资料主要为NCEP再分析数据，水平分辨率为2.5°×2.5°。强降水事件定义为降水量超过50 mm·d-1的降水过程。集中强降水事件定义为在华南地区至少有一半以上测站发生了强降水事件。下文讨论显示，在1991/1992年华南夏季降水存在1个显著的年代际变化，因此，本论文选取1980—1991年和1992—2010年为年代际变化前后的2个时段。

2 华南夏季强降水事件

2.1 华南地区夏季降水的年代际变化特征

图1显示了全国839个观测站点的位置分布，其中黑色矩形框代表所选的华南地区边界，包含65个观测站。该地区没有陡峭的地形且站点均匀分布，保证了数据的均匀性和质量。表1统计了1980—1991年以及1992—2010年华南强降水事件的频率和强度。为了区分在不同条件下集中强降水的特征，根据不同降水等级(包括10，25，50 mm·d-1)和站点数(包括超过华南地区30，40，50，60，70%的站点)将其分为2类。可以发现，在1992年之后集中强降水事件有明显的增加和强化。例如，对于50%以上站点发生强于25 mm·d-1的集中强降水事件来说，在1980—2010年期间共发生了39次，其中1980—1991年期间发生了10次，1992—2010年期间发生了29次。从其平均强度来看，集中强降水的强度从1980—1991年的65.4 mm增加到了1992—2010年间的67.1 mm，增强了2.6%。这里选取50%以上站点日降水大于暴雨等级的事件，进一步分析集中强降水事件变化特征的情况。

表1 强降水事件的频率、强度、频率比以及强度比

图1 华南地区站点位置分布

图2为110～120°E平均降水矩平的时间—纬度变化曲线。由图可见，1980—2010年期间，降水呈南多北少分布，华北地区在1980—1991年间降水较少，在1992—2000年期间降水突然增多，2000年之后降水再次减少。华南地区也出现了1次比较明显的突变，1980—1991年期间华南地区的降水量低于平均水平，最低比平均降水量低约10 mm·d-1，而在1992—2010年，华南地区的降水量高于平均水平，最高比平均降水量高约15 mm·d-1。

图2 110～120°E夏季降水距平(单位：mm·d-1)时间—纬度分布

由上可知，华南的夏季降水在最近几十年经历了显著的年代际变化。由图3a可知，1980—1991年期间降水较少，在1991/1992年之后降水量明显增加。图3b为1980—2010年华南地区降水的时间序列标准化矩平的Mann-Kendall检验曲线，UF曲线表明1991/1992年后华南地区的降水量有增大的趋势，试验结果表明，自1991/1992年以来，华南地区的降水量显著增加。可以得出，华南地区强降水事件在1991/1992年发生了突变。

图3 华南夏季降水距平(单位：mm·d-1)(a)、Mann-Kendall检验(b)

2.2 降水年代际转折前后东亚大气环流特征差异

2.2.1 200 hPa纬向风场 图4a为200 hPa上纬向风风场图。在1980—2010年的气候态上，可以看出其空间分布，在45°N以北是西风急流，27°N以南是东风急流，分别对应了南亚高压北部和东部的急流区，南亚高压中心的位置约在我国西北部，而南亚高压的东北部是气流的强辐散区，有利于垂直方向的上升运动。图5b为1992—2010年与1980—1991年间200 hPa纬向风差值场，可以看到，27°N以南为正异常，以北为负异常，表明急流轴以南为西风距平，以北为东风距平，说明东亚高空急流减弱，且位置异常偏北。在华南地区，其纬向风有减弱的特点，是有利于降水增强的变化特征。

图4 1980—2010年平均的夏季200 hPa纬向风(a)、1992—2010年与1980—1991年的夏季200 hPa纬向风差值(b)

2.2.2 850 hPa风场及散度场 动力条件是引起降水异常的重要因素之一，产生降水通常伴随着较强的上升气流。散度表示水平风场的辐散、辐合强度，当其为正值时表示辐散，负值时表示辐合。如果低层辐合，高层辐散，则会产生上升气流。图5a为850 hPa高度上在1980—2010年期间华南地区夏季的风场以及散度场。由图可见，我国华南夏季盛行南风，且在华南东部和长江中下游地区为负散度区，对应该地区850 hPa低空辐合。

图5b显示了1992—2010年间与1980—1991年间在850 hPa高度上散度的差异。从图上可以看出，华南地区受散度负异常主导，说明1992—2010年与1980—1991年相比，华南地区850 hPa低空的风场辐合是增强的。

图5 1980—2010年夏季平均的850 hPa散度场和风场(a)、1992—2010年与1980—1991年的850 hPa散度差值和风场差值(b)

2.2.3 200 hPa风场及散度场 在高层上，图6a为200 hPa高度上的风场和散度场。由图可知，华南地区受反气旋影响，其散度为正值，对应200 hPa高空辐散。图6b为年代际转变后与转变前间的200 hPa风场和散度场异常，可以发现，1992—2010年与1980—1991年2个期间华南地区200 hPa上的散度场是正异常，说明1992—2010年与1980—1991年相比，200 hPa高空的辐散是加强的。

图6 1980—2010年夏季平均的200 hPa散度场和风场(a)、1992—2010年与1980—1991年的200 hPa散度差值和风场差值(b)

2.2.4 500 hPa垂直速度 结合上述850 hPa散度与200 hPa散度图，可以得出低空辐合，高空辐散的结论，那么对应的低空到高空之间应该有较强的上升运动。图7a为500 hPa高度上垂直速度场，可以看出在气候态上，华南地区垂直速度为负值，对应上升气流。图7b显示了1992—2010年与1980—1991年2个时期之间500 hPa高度上垂直速度场的差值，从图中可以看出，当降水增强时，垂直速度场表现负异常主导华南地区，因此，1992年之后的上升运动与之前相比是加强的。综上所述，华南地区的上升运动满足了降水增加的条件。

图7 1980—2010年夏季平均的500 hPa 垂直速度场(a)、1992—2010年与1980—1991年夏季平均的500 hPa垂直速度差值(b)

2.2.5 水汽条件差异 一般情况下，水汽向上输送，能够让湿层增厚，并产生凝结，然后形成云产生降水。而在具备了环流条件、动力条件的情况下，水汽条件是降水形成的至关重要的一环，以往研究指出水汽输送异常及辐合(散)与降水密切相关。华南持续性强降水的水汽来源主要有3个，分别是南海上空的西南风输送、西太平洋的东风转向输送、索马里越赤道气流的西风转向输送[6-7]。

图8a为1980—2010年平均的夏季850 hPa水汽通量及水汽通量散度图，阴影为水汽通量散度。由图可见，华南及沿海地区为一反气旋式水汽环流控制，使得华南处于水汽辐散区。西北太平洋和中国南方的温暖潮湿气流对华南的降水产生强烈的气候干扰。由于西南气流的向西运动和西北太平洋副高的向西运动，西南气流沿西北太平洋副高的西部后缘增强，以华南为中心的循环异常。上述分析表明，中纬度和低纬度地区的环流异常与华南降水异常的发生固有关联。

如上所述，1992年以来，华南集中强降水事件显著增加。为了探索2个周期的集中强降水事件之间的差异，需要进行更多研究。1992—2010年的印度季风与1980—1991年相比，印度季风的平均位置向西移动。此外，虽然西北太平洋副高西移有助于增加降水，但与1991/1992年的年代际变化没有关系。在1991/1992年之后，华南的纬向风进一步减弱，同时集中强降水量明显增加。

图8b为1992—2010年与1980—1991年间夏季平均的850 hPa水汽通量散度之间的差值。由图可见，1992—2010年华南及沿海为弱的气旋式水汽环流控制，水汽在华南局地辐合，有利于华南区域降水偏多。图上可见前后时段华南区域水汽输送差异明显。气旋辐合异常主导华南，为极端降水事件提供足够的水分。此外，水汽输送从印度洋减少，但在1991/1992年后从西北太平洋增加。与1980—2010年期间的降水相比，较强降水的水汽输送异常，可以观察到差异：水汽输送显著增加，并且相关的辐合增强。此外，来自西北太平洋的增加的水汽起到比来自印度洋的增加的水汽更重要的作用。

图8 1980—2010年夏季平均的850 hPa水汽通量及其散度(a)、1992—2010年与1980—1991年夏季平均的850 hPa水汽通量差值及其散度差值(b)

3 华南夏季集中强降水事件个例分析

为深入了解华南集中强降水的环流特点，选取2006年7月15日在华南发生的1次集中强降水过程来探讨其相关的环流特征(图9)，该次过程中有50%以上的测站日降雨量>50 mm·d-1。

图9 2006年7月15日华南集中强降水过程与1980—2010气候态的850 hPa水汽通量散度差值

由图可见，在该次集中强降水事件中，水汽通量散度异常为负值，说明此次事件发生时，低层的辐合与整个气候态相比有明显的增强。此外，和1992—2010年与1980—1991年的水汽散度异常相对比，可以看出，此次集中强降水事件水汽辐合更强。由此可见，当集中强降水事件发生时，水汽的辐合有很明显的增强。

总之，当年代际降水偏多和集中强降水发生时，相关的环流形势表现为高空辐散增强、低空辐合增强、中层垂直运动加强，水汽输送在华南地区表现出气旋式异常，并对应有水汽辐合增强。另一方面，与年代际降水偏多的情况相比，发生集中强降水时，通过南部边界进入华南的水汽输送更多。相关的水汽辐合也在该区域增强。

4 结论

本文利用65个站点的华南地区降水日观测数据以及NCEP和ERA-interim再分析资料，对华南降水的年代际变化及其集中强降水的环流特点进行了分析，主要结论如下。

①华南地区夏季降水在1991/1992年发生了显著的年代际增加。

②年代际尺度上，华南降水增加时，其大气环流场发生显著变化：东亚上空的西风急流减弱偏北，西北太平洋副热带高压位置偏西，华南上空低层辐合、高层辐散、垂直运动以及水汽输送的辐合均增强，这些条件有利于华南地区降水的年代际增加。

③集中强降水的综合水汽输送得到加强，每条路径的贡献与一般极端降水相比有显著变化。南海和西北太平洋是主要的增强水汽的来源，而热带印度洋发挥了相对较弱的作用。根据2个时期的差异，来自西北太平洋和南海的水汽得到加强，而1992—2010年与1980—1991年相比，来自热带印度洋的水汽减少。

④对华南集中强降水的个例分析进一步表明，低层辐合和上层辐散均较年代际偏多降水的情况更强，且华南有上升运动的异常，导致了集中强降水事件的发生。