2020年浙江省梅雨异常的大尺度特征及不稳定条件分析*

刘圣楠 吕 健 刘汉华 姜嘉俊 黄嘉仪

(1.金华市气象局,浙江 金华 321000;2.浙江省气象台,浙江 杭州 310017;3.宁波市气象台,浙江 宁波 315012)

0 引 言

梅雨是东亚夏季风向北推进的产物[1]。长江中下游地区由于不同年份大尺度环流的热力和动力特征以及梅雨锋结构等的差异,导致梅雨的持续时间长短和降雨量多寡不一[2]。对于梅雨异常成因,学者们开展了许多有意义的研究[3-8]。

近年来,引发暴雨的中尺度系统结构受到广泛关注和深入研究[9]。Gao等[10]通过实例分析证明了湿位涡(MPV)异常可以较为准确地预报暴雨落区。梅雨锋上的极端暴雨与大气不稳定性紧密相关,研究表明锋面上的湿条件性对称不稳定(CSI)加强了锋面次级环流,可产生中尺度雨带,极易引起暴雨增强[11]。Hoskins[12]、Bennetts等[13]讨论了MPV与CSI之间的关系,认为当大气满足垂直方向对流稳定和水平方向惯性稳定时,MPV<0是CSI存在的必要条件。黄明策等[14]在研究中国东部夏季风雨带向北推进与条件性对称不稳定的关系时,构建了一个与MPV有关的指数,发现其与梅汛期暴雨关系密切。

根据国家气候中心梅雨监测标准,将浙江省中北部地区49个站定为梅雨指标站,2020年浙江省中北部梅雨总量为1951年以来第一位。2020年梅汛期内暴雨过程频繁,比如6月30日夜里浙江省中部地区出现区域性大暴雨天气,造成中小河流洪水和人员伤亡,又如7月7日新安江流域的大暴雨过程导致新安江水位持续上涨,在7月8日达历史最高水位(108.39 m),超浙江省梅控水位1.89 m。新安江水库建库61 a来于2020年7月8日首次开启9孔泄洪,暴雨强度之强超乎预计。本文旨在通过对大尺度环流形势和物理量场的分析,揭示2020年浙江省梅汛期异常降水成因,以期加深对浙江省梅汛期暴雨形成机理的理解与认识,提高梅汛期暴雨的预报能力。

1 梅雨概况

2020年浙江省于5月29日入梅,7月18日出梅。呈现出梅期时间长(入梅早、出梅晚)、梅雨总量大、暴雨过程多、强降雨区重叠等共4个特点。浙江省常年入梅时间为6月10日,2020年入梅时间偏早12 d;常年出梅时间为7月10日,2020年出梅时间偏晚8 d;常年梅雨期日数30 d,2020年偏多20 d。根据国家气象观测站统计资料可知,5月29日08时至7月18日08时,全省平均面雨量为548 mm,其中浙中北梅雨量为633 mm,为1951年以来历年梅雨量第一位(第二位为1954年623 mm),最大市面雨量为衢州市873 mm,有29个县(市、区)平均面雨量超过600 mm,最大为开化1 151 mm,单站最大为开化齐溪镇钱江源站1 493 mm,新安江库区(含安徽段)总雨量达1 065 mm,比常年偏多近2倍。

从5月29日—7月17日浙江省面雨量逐日演变可以发现,2020年梅汛期浙江省共出现9轮较大范围的强降雨过程,分别出现在5月29—30日、6月2—6日、6月10—11日、6月19—22日、6月24—27日、6月29—30日、7月2—4日、7月6—10日、7月15—16日。

2 环流特征

2.1 对流层高层环流特征

南亚高压东伸北抬是浙江省进入梅汛期的重要信号[1]。从120°E脊线位置演变可知,5月29日—7月17日南亚高压脊线一直维持在20～25°N,特别是6月10日起南亚高压脊线稳定在25°N附近。浙江省位于南亚高压东北部,为高空强辐散区,有利于上升运动发展,进而产生强降水。与常年平均相比,2020年梅汛期南亚高压脊线位置明显偏北且强度明显偏强,其北抬日期也比常年提前,有利于浙江省提前入梅。

2.2 对流层中层环流特征

西太平洋副热带高压(简称副高)是影响梅雨的重要行星尺度天气系统,它的异常对梅雨异常有重要影响。与常年平均相比,西太平洋副热带高压北抬偏早且强度偏强(图略),是2020年浙江省入梅偏早且梅雨异常偏多的重要原因之一。对比2020年浙江省梅汛期与常年同期的欧亚地区500 hPa位势高度场和距平场可以发现,2020年梅雨期间,中高纬50～70°N阻高呈现明显的双阻型,西阻高位于乌拉尔山以西、东阻高位于雅库茨克附近,两个阻高之间是宽广的低压槽;中纬度35～40°N为较为平直的西风带,低纬度30°N以南的广大地区为副热带高压所在地区。由2020年与1990—2019年30 a平均位势高度场相减得到距平场可以发现,常年同期的500 hPa位势高度场上阻高偏弱、副高偏弱,90～150°E、30～60°N区域出现负距平,表明该地区2020年梅雨期间低压槽等低值系统较30 a同期平均更强,有利于北方冷空气南下;而副高偏强则有利于暖湿气流输送。2020年冷、暖气流相互作用更强,是造成梅雨异常偏多的重要原因。

2.3 对流层低层环流特征

从夏季风进退的角度可以发现,5月29日开始夏季风明显向北推进且强度加强,对应梅雨期开始,此后一直到7月17日都维持强盛的西南季风(图1a),7月18日之后西南季风明显减弱南退,对应梅雨期结束。西南季风有利于将热带和副热带暖湿气流向北输送,有利于暴雨产生。与常年平均(图1b)相比,2020年梅汛期内夏季风北跳时间(5月下旬)明显早于常年(6月上旬),且西南风风速也较常年明显偏大,使得入梅偏早;此外，还可发现,2020年夏季风南退时间(7月下旬后期)明显晚于常年(7月中旬后期),这与出梅偏晚密切相关。2020年入梅早、出梅晚,造成梅期长、累计雨量大。

图1 5月20日—7月31日沿117.5～122.5°E平均的850 hPa经向风速(阴影)及风矢量(箭头,单位:m/s)的纬度—时间剖面(a.2020年、b.1990—2019年30 a平均)

冷暖气流汇合才能锋生,并有利于产生多尺度的上升运动,进而造成暴雨。如果说低纬度夏季风能较好地表征暖气团,那么沿30°N的117.5～122.5°E平均经向风能较好地表征中高纬度冷气团(图2),2020年浙江省梅雨期间,冷空气活动频繁,且冷空气强度较常年明显偏强。季风涌北上(图1)以及冷空气活动(图2)有利于梅雨锋维持,而副热带高压稳定又使梅雨锋位置移动少,使强降雨频繁出现在浙江一带。

图2 5月20日—7月31日沿30°N的117.5～122.5°E平均经向风速(单位:m/s)高度—时间剖面(a.2020年、b.1990—2019年30 a平均)

3 物理量场

3.1 水汽与动力条件

水汽输送通道的建立对暴雨的形成具有十分重要的作用,主要的水汽输送来源为对流层低层(或边界层)。本文分析了925 hPa水汽通量散度的演变特征。从图3可以看出,27～31.5°N存在多个水汽通量大值中心,与强降水区对应较好,强的水汽辐合对应着9轮明显的降水过程。比如6月19—22日的强降水时段对应着29°N附近(1.2～1.6)×10-8g/(s·cm2·hPa)的强水汽通量辐合区。叠加垂直速度发现,水汽通量辐合区与上升运动大值区对应得很好,水汽通量辐合中心正好对应强上升运动区。水汽源源不断地输送至暴雨区并集中、辐合、向上抬升凝结,使浙江省出现多次暴雨天气过程。

图3 2020年5月20日—7月31日沿118～122°E平均的925 hPa水平方向水汽通量散度(阴影,单位:10-9 g/(s·cm2·hPa))和垂直速度(虚线,单位:-10-1 Pa/s)纬度—时间剖面

梅汛期暴雨与中尺度系统活动关系密切,中尺度系统活动是造成暴雨的直接原因。广义对流涡度矢量结合了涡度矢量和广义位温梯度,能较好地表征深对流系统的发展[15];对流涡度矢量垂直分量与非绝热加热项密切相关,对流涡度矢量垂直分量可用来诊断与中尺度对流系统有关的梅雨锋锋生及其相关的暴雨过程[16]。

2020年梅雨期间,由于长江中下游梅雨主雨带总体偏北,广义对流涡度矢量垂直分量的主要大值带位于30°N以北地区(图4),但是可以发现在浙江省纬度范围内27～31.5°N,存在多个广义对流涡度矢量垂直分量的大值中心,这说明2020年梅雨期间,中尺度对流系统活动较频繁,它们对浙江省梅汛期暴雨的形成有着直接影响。

图4 2020年5月20日—7月31日沿118～122°E平均的广义对流涡度矢量垂直分量垂直积分(单位:10-5 K/s)的纬度—时间剖面

卫星观测的OLR(向外长波辐射)资料能很好地反映大规模的上升和下沉区,为了解低纬度地区的大气特征及中尺度对流活动提供许多有用的信息[1]。实时OLR产品可以反映观测地区对流活动的强弱,与云量分布有较好的一致性[17-18]。图5为2020年梅汛期平均的OLR水平分布及其距平。由图5可知,我国东南沿海至日本南部为明显的OLR低值区,尤其是苏皖浙3省交界附近存在一个OLR低中心(190～200 W/m2),比常年同期偏低18～24 W/m2,表明苏皖浙地区云系多、对流活跃,旺盛的对流活动有利于强降水产生,导致梅雨量偏多。

图5 2020年5月29日—7月17日平均的向外长波辐射(OLR)[a.水平分布、b.距平(单位:W/m2)]

3.2 热力与不稳定条件

不稳定条件对暴雨的产生具有十分重要的作用。学者们多用假相当位温(θse)表征大气不稳定度。由沿120°E的θse高度—纬度剖面(图略)可知，30°N附近存在θse密集区,对应着梅雨锋,锋区南侧为344 K以上的暖湿盖,800 hPa附近θse随高度的增加而递减,为不稳定层结,有利于短时暴雨出现。

湿位涡(MPV)是综合了热力学和动力学特征的组合物理量,可以表征大气不稳定性。MPV可以分为垂直项MPV1和水平项MPV2之和,分别代表湿正压和湿斜压过程,表达式为:

(1)

(2)

当MPV1<0且MPV2<0时,条件对称不稳定往往与对流不稳定共存,这时垂直对流和倾斜对流均能发生;当同时满足MPV<0、MPV1>0、MPV2<0时,则单纯条件对称不稳定产生[19]。分析逐日的MPV、MPV1和MPV2分布特征(图6)可以发现,对流层中低层MPV负值主要由MPV1贡献,梅雨期间大气中低层不稳定性以对流不稳定为主;同时,MPV2对MPV贡献虽小,但在整个梅雨期间,绝大多数时间MPV2小于0,说明梅雨期间条件对称不稳定与对流不稳定共存,对流形式既有垂直对流又有倾斜对流。

4 结 语

本文利用美国国家环境预报中心(NCEP)再分析资料、美国国家大气海洋局向外长波辐射(NOAA OLR)卫星观测资料和浙江省常规气象观测资料,从大尺度环流形势、动力和热力条件、水汽条件以及不稳定性等方面,对2020年浙江省梅汛期异常强降水成因展开分析,得到以下结论。

(1)2020年浙江省于5月29日入梅,7月18日出梅;入梅偏早12 d,出梅偏晚8 d,梅期偏多20 d,暴雨过程频繁(共出现9次较大范围的强降雨过程),强降雨区重叠,梅雨总量异常偏多。

(2)200 hPa南亚高压及500 hPa西太平洋副热带高压东伸北抬偏早、西南夏季风加强北涌偏早共同造成2020年浙江省入梅偏早;而南亚高压、西太平洋副热带高压和西南夏季风稳定维持使梅期偏长且出梅偏晚。

(3)2020年梅雨期间,500 hPa中高纬度呈“双阻型”,中纬度平直西风带中多短波槽活动,异常强盛的西南夏季风输送来的暖湿气流与北方活跃的干冷空气多次相互作用、汇合锋生,加上南亚高压、西太平洋副热带高压等行星尺度天气系统稳定维持,使暴雨区在浙江省维持,导致梅雨异常偏多。

(4)从动力和水汽条件来看,2020年浙江省梅雨期间广义对流涡度矢量存在大值中心以及向外长波辐射(OLR)异常偏低，说明浙江省上空对流活动多是造成强降雨的重要原因之一。水汽通量辐合区和强上升运动中心基本重叠,且与强降雨对应较好,9次强的水汽通量辐合和强烈发展的上升运动对应着9次明显的降雨过程。

(5)从热力和不稳定条件来看,2020年浙江省梅雨期间南方暖湿气团与北方干冷气团频繁汇合有利于梅雨锋的形成及维持,同时上干冷下暖湿的对流性不稳定层结有利于对流发展。对流层中低层湿位涡(MPV)负值主要由垂直项(MPV1)贡献,梅雨期间大气中低层不稳定性以对流不稳定为主;同时,在整个梅雨期间,绝大多数时间MPV2小于0,说明梅雨期间条件对称不稳定与对流不稳定共存,对流形式既有垂直对流又有倾斜对流。