2023年河南麦收连阴雨的形成和环流异常分析

司福意, 徐林泽, 宋自福, 闫晓珍

(1.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室,郑州 450003; 2.焦作市气象局,河南 焦作 454000)

引 言

在全球变暖背景下,气象灾害事件特别是极端天气气候事件及其影响不断增大[1]。连阴雨作为灾害性天气的重要灾种之一,极易给工农业生产特别是给粮食产量造成严重危害[2]。我国气象学家对各地的连阴雨进行过广泛的研究[3-14]。韩荣青等[5]指出,我国低温连阴雨日数在每年的2-5月逐渐由长江以南向黄河流域北扩。王记芳等[6]的分析表明,河南省连阴雨天气豫南的最多,中部的次之,北部的最少;夏季的最多,秋季的次之,春季的最少。王秀文等[7]通过对北方麦收期间出现连阴雨天气过程的环流形势和影响系统关系进行研究后指出,阻塞高压形势且贝加尔湖伴有冷涡是造成连阴雨天气过程最主要的环流特征。不少学者还针对春末夏初的降水和环流作了研究[15-17],指出其环流和降水分布型与亚洲地区西风环流、西太平洋副热带高压及印缅低槽等环流系统的变化有关。

2023年5月下旬河南大部出现持续阴雨天气,旬降水日数普遍达6～9天,平均日照时数仅24.3 h,较常年同期偏少63.4%。特别是25-30日的连阴雨天气过程是河南1961年以来影响范围最广、持续时间最长的阴雨天气过程,导致全省71%的测站土壤偏湿,既严重影响了即将进入收获期的小麦灌浆攻籽,更延迟了其成熟收获进程,部分麦田出现发芽、霉变、倒伏等灾情,并严重影响了小麦的产量和品质。据有关部门统计,受灾地块达66.7万公顷以上,豫南种子基本报废,豫中和豫东一部分失去种用价值。专家估测小麦千粒重减少4 g,减产量达10%～20%。由于24日前河南大部墒情良好,25-30日的连阴雨过程导致丰收在望的小麦大幅减产,被评为“烂场雨”。本文从气候背景、延伸期、中期,以及5天以内预报等多角度对其形成原因和可预报性进行深入探讨。

1 资料与方法

(1)应用河南省气象预报预警一体化业务平台输出资料对连阴雨过程的降水总量、连续降水日数进行统计分析。(2)应用国家气候中心“气候与气候变化监测预测系统”运算得出的亚洲季风系统监测结果(采用NCEPFNL资料)进行气候背景对比分析。(3)利用国家气象中心“MICAPS气象信息综合分析处理系统”进行大气环流、天气影响系统和探空分析,并参照国家气象中心“中尺度天气分析规范”进行中尺度分析。(4)应用河南省气象台“天气预报分析平台”制作的中期预报输出产品(EC数值模式),开展大气环流、影响系统形成机理分析。

2 结果分析

2.1 2023年麦收期连阴雨过程概况

2023年5月25-30日河南全省出现了连阴雨天气过程,图1(a)为河南全省累计降水量分布情况。图中所列120个国家站中,有91个站累计雨量≥30 mm,53个站累计雨量≥50 mm,8个站累计雨量≥100 mm。累计雨量最大为181.5 mm,出现在三门峡市的灵宝站,次大值出现在驻马店的遂平站;有12站为当地建站以来同期降水最多,49站为建站以来前三多。该过程为河南1961年以来影响范围最广、持续时间最长的阴雨天气过程,有56个县(市)达到连阴雨监测等级。

图1 2023年5月25-30日河南省累计降水量(a)和降水日数分布图(b)图片来源于“河南省气象预报预警一体化业务平台”,图(b)中实心圆点从左至右依次为灵宝、孟州、长葛和遂平站位置

图1(b)为过程期间的累计降水日数分布情况。从中可见,除豫北和豫南部分地区(共有22个县(市))外,全省82%的县(市)连续阴雨日数≥5天,达到连阴雨标准,其间多地还出现暴雨局部大暴雨的天气过程。图1(b)中用实心圆点所标出的4个代表站的位置,从左至右依次为灵宝、孟州、长葛和遂平站。三门峡市灵宝站是此次连阴雨过程雨带中最西端也是累计雨量最大的国家站;孟州站处于累计雨量≥50 mm雨带的北部边缘的居中位置,其所隶属的焦作市是国家重要小麦种子基地;长葛站处于雨带中心且累计雨量≥100 mm,隶属于此次过程灾情最严重的许昌市;遂平站处于累计雨量≥50 mm雨带的南端,隶属驻马店市,相继出现两个暴雨日,累计雨量为国家站中的次大值。

2.2 异常气候背景分析

本次连阴雨天气过程出现在异常的大气环流背景下。5月下旬中后期西太平洋副热带高压脊线的平均位置在20°N线以南,其北抬至25°N的平均日期在7月中旬初。副热带高压脊线越过25°N是华北进入汛雨阶段的重要指标[18-20]。2023年5月下旬初在经历过一次强冷空气活动后,西太平洋副热带高压脊线迅速北跳,23日尚在16.5°N,26日已跳至24.4°N,28日已抬至26.4°N,也是此次过程的最北端,较常年同期偏北8.4个纬度(图2a)。值得强调的是28日副热带高压脊线的5天滑动平均位置在25.1°N,也就是稳定在25°N附近。图2(b)和(c)为副热带高压强度指数和西伸脊点演变曲线。分析可见,同期副高强度指数显著偏强,西伸脊点也明显偏西。受高原槽东移影响,连阴雨过程前后副热带高压西伸脊点从90.0°E东退至104.7°E。

图2 2023年5月16日-6月9日西太平洋副热带高压脊线位置(a)、强度指数(b)、西伸脊点(c)和西伯利亚高压强度指数(d)演变曲线图片来源于国家气候中心“气候与气候变化监测预测系统”

图2(d)为西伯利亚高压强度指数演变曲线。分析可知,5月中旬中后期到6月上旬前期,西伯利亚高压也显著偏强,先后经历过3次增强向南暴发的过程。5月21-23日的向南暴发引发了下旬初的强降水。25-31日的发展增强再减弱与西风带阻塞系统的组建和消亡相一致,冷高压向南暴发,引导冷空气持续南下,阻挡南来系统的北上;冷暖空气相交于黄淮,导致了伴有多地强降水的持续6天之久的连阴雨天气过程的形成。

2.3 环流形势演变和影响系统

连阴雨是一种大范围的天气过程,它的形成主要受大尺度大气环流的影响。本次连阴雨期间,中高纬度形成了稳定的阻塞系统,受超强台风影响西太平洋副热带高压异常偏西偏北。

2.3.1 中高纬度阻塞系统的形成

阻塞形势是一种常见的大尺度大气环流持续性异常现象。图3(a)为2023年5月29日08时500 hPa高度场天气形势分析图。图中在欧亚中高纬度从乌拉尔山伸展到贝加尔湖北部的阻塞形势非常明显,有568 dagpm等位势高度线所围的阻塞高压,中心位于65°N、97°E,在其东南方还有一个由560 dagpm等位势高度线所围冷涡,中心位于55°N、87°E。

图3 2023年5月29日08时500 hPa位势高度场、24-29日588 dagpm线动态及5月26-30日2号台风移动路径(a)和5月29日08时700 hPa形势场和风场分析(b)蓝黑细实线为等位势高度线,粗黑实线为588 dagpm线,红色实线为等温线,紫色粗空心箭头为低空急流轴线,棕色单实线为槽线,双实线为切变线,绿色虚线为等温度露点差线

追溯可知,在本次连阴雨过程开始前,500 hPa上欧亚为一槽一脊型,槽区位于贝加尔湖附近,并伴有冷涡存在。25日开始贝加尔湖北侧的冷涡槽开始旋转,并东移南下,向南调3个经纬度以上。26日08时冷涡位于贝加尔湖东南侧(图3a有标注),其所携带的冷空气从蒙古国东部经华北南下到河南中部形成冷高压垫,并与从高原短波槽前西南气流结合形成小雨天气,雨带沿着30°N线向两侧扩展,开启了本次连阴雨天气过程。随着乌拉尔山西侧暖高压脊强烈向北向东发展,26日08时在我国新疆正北方向,在54°N、88°E附近有切断低压形成,该低压中心与贝加尔湖冷涡相距22个经度。之后,切断低压快速加深成深厚的冷性涡旋,长时间在53°-57°N、85°-93°E范围内打转,中心最低高度552 dagpm,最低气温达-34 ℃。27日20时乌拉尔山西侧出现580 dagpm等位势高度线的闭合高压环流(50°N、60°E),阻塞系统形成。随后脊区快速向东向北发展,28日08时在中西伯利亚地区出现568 dagpm等位势高度线的阻塞高压中心(68°N、100°E),29日08时阻塞高压中心向西向南压至位于65°N、97°E附近,29日20时之后开始衰减。

从切断低压也就是冷涡的南部有深厚的冷槽向其西南方向(即我国新疆西北部)伸出。该冷槽的东南方是宽广的高原槽。从冷涡槽中不断有冷空气分裂东移南下,自西向东影响河南。

图3(a)中还附加了26日至29日588 dagpm等位势高度线的动态和2号台风的移动路径分析。

2.3.2 异常偏强的热带、副热带系统西进北上

近年来远距离台风对内陆中高纬度造成重大影响的天气事件更加频发[21-26],造成连阴雨过程的事件也不缺乏,如“21·7”河南大暴雨过程。2023年2号台风玛娃(Mawar)5月21日20时在西太平洋海面生成之后便向北偏西方向移动并不断加强。22日20时达到强台风标准。23日20时达到超强台风标准。24日08时前后转向西偏北方向移动。26日08时中心位置到达美国关岛西偏北620 km(15.1°N、139.3°E)处,进入图3(a)的分析范围。28日08时中心位置位于菲律宾东北部。29日08时地处19°N、126°E附近。30日08时位于台湾东南部洋面(20.1°N、125.1°E),之后转向北偏东方向移动并逐步填塞。从图3(a)中分析可知,紧随着台风的西移北上,西太平洋副热带高压迅速西伸北抬,从26日08时到29日08时在110°E线上,588 dagpm线北抬了近8个纬度。29日08时588 dagpm线位于丽江、重庆、老河口、阜阳到高邮一线,而584 dagpm线也压至聂拉木、那曲、天水、洛川、介休、邢台到莱阳一线,也就是除信阳外整个河南大部均处于584到588 dagpm线。

随着西太平洋副热带高压的加强并向西北伸展,结合高原东侧低压槽东移南下,对流层中低层从华南过江淮到黄河北岸中出现了一条宽广、深厚的暖湿气流输送带。700 hPa上西南风速≥8 m/s的暖湿气流输送带东西宽度达10个经度左右。26日08时暖湿气流输送带的前沿进入河南南部。28日08时已越过黄河(郑州风速12 m/s)影响河南北部。随着台风的不断增强和进一步向大陆靠近,暖湿气流输送带中靠近西风槽区的气流不断加强(东部风速在减弱),低空急流轴线形成。28日20时急流轴线从贵阳、达县伸到安康。29日08时西进北伸至昆明、宜宾至汉中与西安间,20时又东退至威宁、达川到卢氏北侧一带。张尚印[3]研究指出,高原南侧的南支西风气流与来自热带地区的南支气流合并,可使华北一带出现气旋性曲率的流场,导致我国北方大部出现春季阴雨天气。图3(b)为5月29日08时700 hPa综合分析图。从中可见,冷温槽已接近105°E,整个河南省都处于向北伸展的暖区中。29日08时至20时,低空急流轴线缓慢进入河南西部,在西南气流输送带的北部还出现明显的气旋性弯曲,有暖切变线从延安伸向山西南部。地处三门峡市西部的灵宝站位于低空急流头的前端和温度露点差T-Td<1 ℃的高温高湿区中。从16-19时该站3 h降水量达82 mm,其中有连续2 h雨强>30 mm。

图4为2023年5月25-30日灵宝、孟州、长葛和遂平逐日雨量演变和5月29日20时卢氏站的探空情况(该站位于灵宝正南偏东方向,相距不足0.5经纬度)。由图4(b)分析可见,该站上空西南风水汽输送通道从850 hPa向上伸至650 hPa附近(高山站,拔海566.9 m),700 hPa上的西南风速≥18 m/s;500 hPa及其以下温度曲线和露点温度曲线基本重合,表明其周围对流层中下部基本处于饱和状态。

图4 2023年5月25-30日灵宝、孟州、长葛和遂平逐日雨量演变(a)和5月29日20时卢氏站探空曲线图(b)卢氏站为高山站,海拔高度566.9 m

2.4 南北两个系统的结合

2.4.1 南北两条雨带的合并

对雨带的形成和发展追踪分析发现:2023年5月25日受第一波西风带短波槽影响,降水主要出现在沿黄河一带,以小雨为主。26日副热带高压外围的西侧西南暖湿气流开始影响豫南,豫东南出现14个县(市)连片的中雨以上降雨带,其中1个县大雨,1个县暴雨。27日河南全省均有降水,以中雨为主的强降雨带从信阳伸到安阳,呈南北向带状,并有11个县(市)雨量≥20 mm。28日受第二波西风带短波槽影响,河南境内呈现出两个强降雨带:与西风槽对应的雨带呈西北-东南向,落区沿着太行山脉从安阳伸到三门峡,有19个县(市)雨量≥10 mm,4个县(市)雨量≥20 mm;另一条是副高外围的雨带,呈西南-东北向,从南阳东伸到商丘,共有25个县(市)雨量≥10 mm,19个县(市)雨量≥20 mm,6个县(市)雨量≥50 mm。29日南、北两条雨带融合后呈东西向分布,落区主要在许昌以北到沿黄河一带,有39个县(市)雨量≥10 mm、19个县(市)雨量≥20 mm、4个县(市)雨量≥50 mm。30日强降水区明显东移,并向南北两个方向扩张,有41个县(市)雨量≥10 mm、21个县(市)雨量≥20 mm、1个县(市)雨量≥50 mm。

图4(a)显示了从25日到30日4个代表站逐日雨量演变情况。25日灵宝出现中雨,孟州出现小雨,其他2站无雨。26日遂平雨量达到15.1 mm,其余3个站为小雨。27日4个代表站雨量都在加大,遂平出现暴雨。28日降水持续,遂平再次出现暴雨。29日长葛站出现暴雨,灵宝站出现大暴雨。30日雨势减弱,仅遂平出现大雨。

2.4.2 暖湿气流对水汽的输送

随着暖湿气流输送带的建立和向北扩展,其最大风速区域前方的低层空气质量和水汽有着明显辐合,进而产生上升运动,使降水得以不断发生发展并推动雨带向北移动。图 5(a)是用NCEP再分析资料获取的2023年5月25-30日整层水汽通量分布情况,其中红色圆点从左到右依次为灵宝、孟州、长葛和遂平所处位置。从中可见,所输送的水汽主要来自中国华南沿海,有一个呈西南-东北向水汽通量大值区自南海伸向中纬度地区,最大水汽通量中心位于26.5°N、108.5°E,中心强度>400 kg/s·m。连阴雨区(32°-36°N、110°-117°E)均处于水汽通量中心轴线通道的左前端,其整层水汽通量在150～250 kg/s·m。分析可知,连阴雨区存在明显的水汽集中即水汽辐合。

2.4.3 能量锋区的形成

暖湿气流输送的不仅是水汽,还有热力不稳定能量[27-28]。图5(b)是用NCEP再分析资料获取的中国及其周边地区2023年5月25-30日850 hPa等压面上平均假相当位温的分布情况。分析发现,连阴雨过程期间,中国西部、南部处于假相当位温高值区也即高能区,其轴向近似呈东西向,大值中心在青藏高原上。与此同时,与强大的西伯利亚冷高压及其伸向中国北方的冷高压脊相匹配的假相当位温低值区域从西伯利亚经蒙古国伸向中国东北并扩展至华北南部。其在蒙古国与东北交界处形成的低值中心强度<320 K。冷暖空气相向而行,沿着35°N线在其两侧对峙成东西向的能量锋区,锋区强度达到4K/经纬度。能量锋区北侧相对应的是东北经华北南下的冷高压,其对西南暖湿气流具有明显冷垫抬升作用,对降水有着维持和增强作用。

图5 2023年5月25-30日亚洲中部整层水汽通量(a)和850 hPa等压面上假相当位温(b)分布(a)中4个实心圆点从左到右依次为灵宝、孟州、长葛和遂平站的位置,图片源于国家气候中心“气候与气候变化监测预测系统”

2.5 数值预报产品的可预报性分析

数值预报产品对此次连阴雨过程的分析预报具有不可或缺的指导作用[29-30]。本文以常用的欧洲中心数值预报产品为例进行分析。图6为欧洲数值预报中心2023年5月21日12时起报的5月24-31日500 hPa高度(距平)场,以及累计降水量(距平)分布图。

图6 欧州数值预报中心2023年5月21日20时起报的5月24-31日500 hPa高度和距平场(a)、累计降水量和距平分布图(b)图片来源于河南省气象台“天气预报分析平台”,图中等值线显示物理量值,阴影部分为物理量距平场,色卡显示距平量值

已有的阻塞高压客观定量化表征方法可归纳为距平方法、T &M方法、动力学方法和环流型方法4种。Charney[31]等根据阻塞高压的物理特征进行试验,最终认为500 hPa上某一格点的高度值与气候平均值的正偏差以20 dagpm的界限值和7天的持续时间,确定有阻塞高压存在较为合理,并在50°N、60°N和70°N纬圈上进行高度场扫描分析来进行阻塞高压过程确定,这种方法归为距平方法。金荣花等[32]认为距平方法简单易行,对稳定的、相对较强的强阻塞高压识别效果较好,缺点在于距平中心值的位置并不一定是阻塞高压中心的位置。因此该方法不能确定阻塞高压位置。从图6(a)中可见,旬初该模式对5月24-31日的环流形势作出了较为准确的预报。模式预测出了在50°-60°N,从60°E伸向90°E的暖高压脊,其中心距平>20 dagpm。按照距平方法可以确定有阻塞高压形成。尽管模式把低涡位置定在贝加尔湖附近,但仍然预报出了从低涡中伸展至新疆西北部的冷槽及其东南方向宽广的高原槽。模式还预报出了台湾东南方的强台风低压中心,预报出584 dagpm线位置从孟加拉湾西侧过青藏高原东部伸至河南中部,在两广地区有588 dagpm线所围的闭合高压环流,整个河南都处于槽前西南气流中,许昌以南处于584和588 dagpm线之间。

图6(b)是EC数值预报模式对该次连阴雨过程累计降水量及其距平分布预测图。从中可见,模式预报25-31日河南省有一个全省性的强降水过程,雨带分布大体呈东北-西南走向。在河南西部(三门峡、洛阳南部)有一个雨量在50 mm以上、中心超过75 mm的强降水中心,京广线两侧及其以东有雨量大于75 mm,中心强度超过100 mm的强降水中心。对比图1(a)中强降雨带呈东西走向的分布态势可知,模式对河南东南部100 mm以上降水中心出现在驻马店、周口一带的落区预报基本准确,而对河南东北部降水的量级预报明显偏大,对河南西部降水中心的预报量级明显偏小,且位置明显偏南。

以位于黄河北岸颇具代表意义的孟州站作为参考,分析EC模式短、中期单站预报情况。图7(a)为5月21日20时起报的该站上空0-240 h包含风向、风力、气温、湿度和上升速度5要素的时序图。分析显示该站上空25日08时700 hPa和850 hPa上均有短波槽滑过,对流层中下层垂直上升速度也达-0.6 Pa/s,相对湿度≥90%的高湿度区为600-800 hPa间,稍显不足的是近地面相对湿度仅为60%～70%。26日白天到30日夜里500 hPa和700 hPa上均处于西南风中,对流层中、下层持续存在深厚的湿层(相对湿度≥90%),且有明显的上升运动(v<0 Pa/s),对流层中下层最大垂直上升速度逐日依次分别为-0.5、-0.2、-0.5、-0.5和-0.4 Pa/s;地面从26日08时开始持续受偏东风影响,925 hPa维持强劲的偏东风,30日08时转为弱的偏西风。与之相应的降水预报25-30日每日均有降水(图7b),但雨量比实况明显偏小(对比图3a)。

图7 欧州数值模式2023年5月21日20时起报孟州站0-240 h 6 h间隔的气象要素空间剖面时序图(a)与降水量变化分布图(b)图片来源于河南省气象台天气预报分析平台,(a)中细实线为等温线,虚线为垂直上升速度,阴影为相对湿度

总体分析,模式能够对连阴雨过程的环流趋势和影响系统作出较准确的预报,但雨量的分布和量级预报还需综合要素预报进一步订正。

3 讨论和结论

本文利用常规高、低空观测资料,NCEPFNL资料,EC数值预报产品,从多角度对2023年5月下旬河南省连阴雨天气过程的形成原因和可预报性进行了探讨。主要结论如下。

(1)2023年5月25-30日河南省有56个县(市)达到连阴雨监测等级。该过程为河南1961年以来影响范围最广、持续时间最长的连阴雨天气过程,导致小麦大幅减产,品质下降,被评为“烂场雨”。

(2)过程发生在异常的大气环流背景下,西太平洋副热带高压显著偏强,脊线位置偏北达8个纬度,越过了25°N,这是华北常年进入汛雨季节的重要指标。另外,代表北方冷空气活动的西伯利亚高压也显著偏强,并不断向南推进。

(3)环流演变分析显示,中高纬度阻塞系统的形成,在35°-40°N形成了稳定的纬向环流,由切断低压发展出来的冷涡底部有冷空气不断分裂南下。2号超强台风玛娃在西太平洋洋面的生成和强烈发展,引发副热带高压的快速西伸北抬,584 dagpm线最终甚至越过黄河抵达山西南部,使河南大部长时间处于其外围显著的西南暖湿气流中,有源源不断的水汽和不稳定能量被输送进来。

(4)南北两个系统的相遇,促成了中纬度能量锋区的稳定维持,锋面抬升对暖区降水起到了维持和增幅作用。

(5)数值模式已能够对环流形势和影响系统作出较准确的预报,但其降雨量级和落区的预报还需要进一步推敲订正。因而,目前针对数值预报产品应用,还应把对天气形势的分析作为参考的重点。

综上,做好关键农事季节的气象保障预报服务,必须建立在掌握所处的气候背景和当时的大气环流演变特征基础上,根据所预报的高影响天气形成机理,结合对数值预报产品的解释应用,针对影响系统动态和物理量变化进行分析,从延伸期、中期到5天以内预报递进式做好服务工作。异常气候背景下的要素预报量,需突破均值束缚。