江南南部初夏汛期降水特征Ⅱ:雨季指数与影响雨季的大气环流关键区

苗长明，郭品文，丁一汇，周娟，毛裕定

(1.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心，江苏南京210044;2.杭州市气象局，浙江杭州310051;3.国家气候中心，北京100081;4.浙江省气候中心，浙江 杭州310002)

0 引言

浙江西南部、江西东部一带(以下称江南南部)是我国防汛重要区域之一。每年初夏季节，这一地区常常迎来一段暴雨多发期，造成重大洪涝自然灾害。刘洪韬等(2010)分析了新安江水库泄洪的极端降水和环流背景，认为泄洪事件通常在梅汛期，既有产流区持续性多雨的气候背景，又有极端降水事件的参与。新安江水库产流区主要在本研究所指的江南南部范围内，但是对这一带初夏汛期降水的专题研究并不多。因此，揭示江南南部初夏雨季的气候特征和大气环流关键区，有助于提高该地区初夏汛情气候预测能力，提升防灾减灾气象服务水平，具有现实意义。

苗长明等(2013)对江南南部初夏降水集中区和集中期进行了研究，发现在江南南部27.5～29.5°N的纬向带状区域内存在一个独立于华南前汛期和江淮梅雨之间的初夏雨季。在此基础上，本文借鉴梅雨指数，建立江南南部初夏雨季指数，进一步分析影响江南南部初夏降水的大气环流关键区，为加强汛期降水短期气候预测提供支持。

本文的主要目的是分析江南南部初夏雨季的降水气候特征及其主要影响环流因子，重点关注集中降水的影响，因此不讨论雨季是否属于梅雨范畴，在雨季指数定义时主要以区域尺度上的连续降水为定义对象。以往在气候学上定义和划分梅雨一般以连续若干日稳定通过一个气候界限值为判定标准(陈兴芳和赵振国，2000)。近年来，关于梅雨的定义指标有不少新的探索(胡娅敏等，2008;竺夏英等，2008;梁萍等，2010)，更加注重在区域范围和中小尺度上体现梅雨降水的地域性特征。

季风雨带推进过程中造成各地降水分布的差异性具有相应的大气环流背景。早在20世纪50年代，陶诗言等(1958)就指出，在梅雨期中高纬度易出现持久、稳定的环流，其突出表现为欧亚中高纬东西两个阻塞系统、中纬度东亚低值系统以及西太平洋副热带高压。大量研究讨论了欧亚中高纬阻塞系统、太平洋副高、冷低压(及冷涡)、急流等对长江流域初夏降水(梅雨)的指示意义(张庆云和陶诗言，1998;Li et al.，2001;张庆云和陶诗言，2003;Ninomiya，2004;王亚非和高桥清利，2005;Ding and Chan，2005;吴志伟等，2006;毛文书等，2008;董丽娜等，2010;王丽娟等，2010)。江南南部处于长江流域南缘，影响长江流域降水的主要因子必然对本研究区的初夏降水产生影响，但紧密程度和关键区可能是不同的。

1 资料和方法

采用1961—2010年江南地区(114～122°E，26～32°N)气象站的历年逐日降水资料建立初夏雨季指数，分析其气候特征;采用同时期的NCEP/NCAR位势高度场逐日再分析资料分析影响雨季的大气环流关键区，资料水平分辨率为2.5°(经度)×2.5°(纬度)。

为定义雨季指数，需要确定若干监测代表站。首先确定江西、浙江交界处的江西玉山(基准站，站号58634)为中心代表站。一是该站位于江南南部初夏雨季降水集中区核心区117～118°E内;二是作为基准站，保证了资料的代表性、精确性和连续性;三是降水变率较大(高山站除外)。由玉山站初夏(5月16日—7月15日，下同)降水量与研究区内各基本站的相关系数(图1)可以发现，高相关区在(116～120°E，27 ～30°N)范围内，略呈西南—东北向，与苗长明等(2013)的REOF(rotated empirical orthogonal functions，REOF)结果一致，可以代表江南南部初夏雨季地域范围。综合考虑相关显著性、分布均匀性，把贵溪、德兴、玉山、衢州、龙泉5站确定为江南南部初夏雨季监测代表站。

图1 玉山基准站1961—2010年初夏降水量与研究区内各基本站的相关系数分布Fig.1 Correlation coefficients of the early summer precipitations of the Yushan standard station and other basic stations in the south of Yangtze River Valley from 1961 to 2010

2 江南南部初夏雨季指数的定义和标准

参照梅雨参数定义和标准，结合防灾减灾实际需要，提出江南南部初夏雨季的定义和指标。为简便起见，不考虑副高位置、温度等因素，单纯以连续降水过程建立指数标准和序列。这种简化也是可行的，例如姚学祥等(2004)指出，副高脊线稳定在20～25°N之间是出现梅雨的有利条件，而不是必要条件。虽然不考虑温度、西太平洋副热带高压脊线位置等因素，但以南海季风爆发作为雨季开始的必要条件，也就是说南海季风爆发之前即使出现满足以下定义条件的降水期也不能列入江南南部初夏雨季，在南海季风爆发刚开始时的雨期也不列入。

定义如下。

1)雨日:同一天5个代表站中有2个以上出现大于等于0.1 mm的降水现象，且代表站平均日降水量大于等于2 mm，则算为一个雨日。5个代表站中有2个及以上出现暴雨，或1个出现暴雨且同时2个以上出现中雨，称一个暴雨日。

2)雨期:雨季内的一段降水集中期。每一个雨期符合四个条件，一是雨期内任何10 d的雨日比例均大于等于40%，二是雨期内雨日数必须大于等于6 d，三是雨期内没有连续5 d以上(含5 d)的非雨日，四是雨期内代表站平均降水量大于5站历年5—7月平均日降水量(8.2 mm)。

3)雨季:一年内初夏阶段的一个或一个以上的雨期组成雨季。

4)枯汛和空汛:若雨期内雨日数小于6 d，但暴雨日大于等于1 d，且满足上述关于雨期定义的其他三个条件，则为枯汛。初夏若没有出现符合以上条件的雨期，称空汛。

江南南部初夏雨季参数指标如下。

1)开始日:雨季内第一个雨期第一个雨日为开始日。从雨期的第1天雨日算起，往后的第2、3、…、10天的雨日天数占相应时段内总天数的比例均大于等于50%。枯汛年以短雨期首日为开始日。空汛年以5 d滑动平均降水量最大值出现的中间时间(第3天)为开始日。作为汛期开始的重要服务指标，把雨季开始后第一次出现暴雨日称为首场暴雨日。

2)结束日:雨季内最后一个雨期的最后一个雨日的后1天(非雨日)为结束日。从雨期的最后1天雨日算起，往前的第2、3、…、10天的雨日天数占相应时段内总天数的比例均大于等于50%。枯汛年以短雨期最后雨日的后1天为结束日。空汛年的结束日与开始日按同一天记录。同样作为汛期结束的重要服务指标，把雨季结束前最后一次出现暴雨日称为末场暴雨日。

3)雨季长度:开始日至结束日的时间，但不含两个雨期之间的间歇期。空汛年长度为0。另外，在防汛业务服务中，也需要雨季期间出现的雨日总数、暴雨日数、连续5 d最大降水量等统计值。

4)雨季强度指数:强度指数以M来表示，其计算公式为:

其中:L为某一年雨季的长度(天数);L0为历年雨季的平均长度;R为某一年雨季内代表站总降水量;R0为历年雨季代表站总降水量的平均值;(R/L)为雨季内平均日降水强度;(R/L)0为历年雨季平均日降水强度的平均值;M0=2.5，从而使M的标准值为0。当M≥1.25或M≤－1.25时，即超过或低于M0的50%，则为强或弱雨季;当1.25＞M≥0.375或－1.25＜M≤－0.375时，即超过或低于M0的15%，则为偏强或偏弱雨季;当－0.375＜M＜0.375时，为正常雨季。

3 江南南部初夏雨季的气候特征

3.1 雨季的发生时间

1961—2000年江南南部初夏阶段共出现54个雨期。其中，有5 a没有出现完整符合以上条件的雨期，即 1991 年为空汛年，1963、1971、1981、1987年为枯汛年;有5 a出现2段雨期，即1972、1976、1984、1985、2010年。将1961—2010年江南南部初夏雨季的54个雨期合并成历年的江南南部初夏雨季，雨季平均开始日是6月10日，平均结束日是7月1日。

江南南部初夏雨季的开始日和结束日(不计空汛年)在逐候出现的频次具有高度集中性(图2)，与本研究第一部分降水集中期的分析结果一致(苗长明等，2013)，说明雨季具有显著的时段稳定性特征。

图2 1961—2010年江南南部初夏雨季开始日和结束日在各侯的发生频次(单位:次)Fig.2 The time frequencies for beginning and ending days in every pentad of the early summer rainy season from 1961 to 2010 in the southern part of the south of Yangtze River Valley(units:times)

雨季开始日出现在5月第5候—6月第6候;6月第2—3候是峰值期，总共出现了24次，占48%。最早的雨季开始日为1990年的5月22日，最晚的开始日为1975年6月26日。

雨季结束日出现在6月第3候—7月第5候;雨季结束日的多发期有2个高峰阶段，6月第5—6候是主峰阶段，共出现21次，占42%;7月第2—3候是次峰值期，出现过14次，占28%。最早的结束日为1980年6月14日，最晚的为1974年7月21日。

历年雨季内的雨日数比例为57% ～100%，平均77.8%。由雨季长度和雨日数的分布(图3)来看，都具有比较明显的集中性。

图3 1961—2010年江南南部初夏各类雨季长度和雨日数的发生频次(单位:次)Fig.3 The time frequencies for the duration and the number of rainy days of the early summer rainy season from 1961 to 2010 in the southern part of the south of Yangtze River Valley(units:times)

江南南部初夏雨季平均长度为20.5 d;最长的雨季为1995年的43 d;最短的是1991年的5 d，为空汛年，1963、1971、1987年枯汛年也为 5 d。16～25 d长度的雨季出现最多，共出现22次，占44%。超过30 d的有8次，短于10 d的也有8次，各占16%。

江南南部初夏雨季内雨日数平均为15.5 d;最多的是1995年36 d;最少的是1991年4 d。有35 a的雨季内出现雨日数在6～20 d;多于30 d的只有2次。

将江南南部初夏雨季的发生时间和江淮梅雨比较，可以看到非常有意义的结果。陈艺敏和钱永甫(2004)指出长江中下游梅雨主要集中在6月4候到7月1候，丁一汇等(2007)确定的1885—2000年长江流域梅雨平均入(出)梅日是6月17日(7月8日)，梁萍等(2010)定义的1961—2006年江淮区域梅雨平均入(出)梅日是6月18日(7月9日)，黄青兰等(2012)给出的1978—2007年江淮梅雨平均入(出)梅日是6月16日(7月12日)，这些结果基本一致或者接近。对比来看，江南南部初夏雨季开始日比江淮梅雨入梅早8～9 d，江南南部初夏雨季结束日比江淮梅雨出梅日早8～12 d。

那么，江南南部初夏雨季和江淮梅雨的发生时间有没有关联?梁萍等(2010)研究划分的江淮梅雨区与本文确定的江南南部初夏雨季区恰好紧邻，并且采用数据的时间段接近，比较其定义的江淮梅雨10个早梅年，其中有4 a位列江南南部初夏雨季结束日较早的10个年份中，但只有3 a对应于江南南部初夏雨季最早开始日的前10位。另外，江淮梅雨入梅较晚的10个年份中则有5 a也在江南南部初夏雨季开始日较晚的10个年份中。可见，虽然江淮梅雨入梅早晚与江南南部初夏雨季结束早晚在不少年份相对应，但这种关联性并不是特别显著。江南南部初夏雨季和江淮梅雨之间有一定关联性，但也有各自的独立性，这必然具有大气环流背景等方面的机制，我们将另文研究。

3.2 近50 a雨季指数的变化

1961—2000年，江南南部初夏雨季开始日和首场暴雨日在总体上没有显著的线性变化趋势，但经历了一个非常显著的“V型”变化过程(图4)，20世纪80年代是一个重要的气候转折期。20世纪60年代到80年代，开始日和首场暴雨日出现越来越早的变化;20世纪90年代以后，开始日和首场暴雨日发生时间呈越来越晚的趋势。

图4 1961—2010年江南南部初夏雨季的开始日和首场暴雨日Fig.4 The beginning days and the first storm days of the early summer rainy season from 1961 to 2010 in the southern part of the south of Yangtze River Valley

江南南部初夏雨季的结束日和末场暴雨日也没有明显的线性变化趋势(图5)，但呈“纺锤型”振荡变化。20世纪80年代期间结束日和末场暴雨日发生早晚的年际间振幅很大，极不稳定;20世纪70年代和90年代的结束日和末场暴雨日发生整体偏晚;20世纪60年代和21世纪以来的结束日和末场暴雨日发生相对偏早。

图5 1961—2010年江南南部初夏雨季的结束日和末场暴雨日Fig.5 The ending days and the last storm days of the early summer rainy season from 1961 to 2010 in the southern part of the south of Yangtze River valley

江南南部初夏雨季长度和雨日数的年际和年代际变化都比较大(图6)。由于雨季开始日和结束日的变化，20世纪60年代和21世纪以来特别是2002年以后雨季长度和雨日数处于低值阶段，而20世纪70—90年代特别是80年代期间的年际变化大，旱涝频率高、强度强。

图6 1961—2010年江南南部初夏雨季长度和雨日数(单位:d)Fig.6 The duration and the number of rainy days of the early summer rainy season from 1961 to 2010 in the southern part of the south of Yangtze River Valley(units:d)

图7 1961—2010年江南南部初夏雨季强度指数Fig.7 The intensity index of the early summer rainy season from 1961 to 2010 in the southern part of the south of Yangtze River Valley

江南南部初夏雨季强度指数(图7)是雨季长度和降水量的综合体现。最强的雨季发生在1995年，强度指数达到3.04，远远大于其他的强雨季年;其余达到强雨季标准的依次还有1983、1976、1998、1999、1989、1992和 1993年，强度指数在 1.83～1.27之间。最弱的雨季是1991年，强度指数为－1.93，也远远低于其他的弱雨季年;1963和1980年也是弱雨季年;2004、2009和1981年是接近弱雨季年标准的偏弱雨季年。

20世纪60年代和21世纪以来，由于雨季开始晚、雨季短、雨日数少，因而强度指数相对较低，雨季偏弱年较多，特别是2002年以后几乎每年都达到或接近雨季偏弱年标准，2004、2009年已经接近弱雨季年标准。

4 影响江南南部初夏雨季的大气环流关键区

计算1961—2010年江南南部初夏雨季开始日和强度指数与6月200、500和850 hPa位势高度的相关系数，探讨影响江南南部初夏雨季的大气环流关键区，对于实际业务有重要意义。影响江南南部初夏雨季开始早晚的关键区在各层都比较一致(图8)。

6月各层平均位势高度场影响江南南部初夏雨季开始早晚的关键区，最强在乌拉尔山附近，中心位于60°E、70°N，特别是在 200 和 500 hPa高度上的相关系数达到0.5以上(超过了0.001的信度)，850 hPa高度上的相关系数也达0.35以上(超过了0.01的信度)。负相关系数说明，乌拉尔山附近为阻高型，江南南部初夏雨季开始早;若乌拉尔山附近为低槽型，江南南部初夏雨季开始晚。这个负相关区在200 hPa高度上向南延伸到青藏高原上空附近，显示了南亚高压对雨季开始早晚也具有影响。

相关系数分布上，在太平洋上空沿180°存在一个南北“+－”结构的相关配置，反映了中高纬系统与太平洋副高对雨季开始早晚的重要影响。北太平洋上850 hPa的负相关通过了0.05信度的显著性检验。另外，影响江南南部初夏雨季开始早晚的遥相关型，位于美国西海岸地区和北大西洋上空。

6月各层平均高度场与江南南部初夏雨季强度指数的相关显著区面积更大(图9)。影响江南南部初夏雨季强度的第一个显著关键区在东半球的北极区，这是一个深厚的负相关区，从极区延伸到东西伯利亚海，200、500和850 hPa高度上的相关系数的绝对值都达到0.4以上，代表了极涡的影响，极涡越强，则冷空气越强，江南南部初夏雨季也越强。其次是在中低纬度西北太平洋上的大面积显著负相关区，各层的中心相关系数的绝对值都达到0.4以上。高层200 hPa相关中心在朝鲜半岛和日本海上，在其东北方180°、40°N附近有一个次中心;中层500 hPa上，这两个相关中心的相关系数的绝对值都达到0.4以上;在低层850 hPa上，相关中心发生主次倒换，朝鲜半岛和日本海上的显著相关范围缩小到日本及以南小范围内，而180°、40°N附近的相关中心稍向南、向东飘移，相关系数的绝对值在0.4以上。第三个关键区在鄂霍次克海附近的中低层显著正相关区，850 hPa相关系数达到0.4以上，且范围广大。这个关键区主要在中低层，500 hPa高度显著水平明显下降，200 hPa已经没有显著性。中低层还有两个遥相关的正相关区，分别在欧洲西海岸和美国东海岸。另外美国大陆也是相关显著区，虽然相关系数稍弱，但在高中低各层都有表现。

图8 江南南部初夏雨季开始日与6月位势高度场的相关系数(阴影区表示通过0.05信度的显著性检验)a.850 hPa;b.500 hPa;c.200 hPaFig.8 Correlation coefficients between the beginning days of the early summer rainy season and the geopotential heights in June at(a)500 hPa，(b)850 hPa and(c)200 hPa(shaded areas indicate the significance at 95%confidence level)

图9 江南南部初夏雨季强度指数与6月位势高度场的相关系数(阴影区表示通过0.05信度的显著性检验)a.850 hPa;b.500 hPa;c.200 hPaFig.9 Correlation coefficients between the intensity indexes of the early summer rainy seasons and the geopotential heights in June at(a)850 hPa，(b)500 hPa and(c)200 hPa(shaded areas indicate the significance at 95%confidence level)

5 结论和讨论

1)江南南部初夏雨季平均开始日是6月10日，其中出现在6月第2—3候的年数占48%;平均结束日是7月1日，其中出现在6月第5—6候的年数占42%，出现在7月第2—3候的占28%。雨季平均长度为20.5 d，最长的雨季是1995年的43 d，最短的是1991年的5 d。雨季内雨日数平均为15.5 d，1991年为空汛年。江南南部初夏雨季开始日比江淮梅雨入梅早8～9 d，结束日比江淮梅雨出梅日早8～12 d，二者的开始和结束具有关联性但并不是完全对应。

2)近50 a来，江南南部初夏雨季开始日经历了一个显著的“V型”变化过程，结束日呈“纺锤型”振荡变化。20世纪80年代是一个气候转折期，开始日处于“V型”底，发生总体偏早，结束日发生早晚的年际间振幅大。雨季长度和雨日数没有明显的线性变化趋势，但年际变化及其阶段性比较明显，20世纪70—90年代特别是80年代期间的雨季长度和雨日数年际变化大，旱涝频率高、强度强。20世纪60年代和21世纪以来雨季偏弱年较多。

3)影响江南南部初夏雨季开始早晚的大气环流关键区，最显著的是在乌拉尔山附近。6月乌拉尔山附近为阻高型，江南南部初夏雨季开始早;反之，若乌拉尔山附近为低槽型则雨季开始晚;负相关区延伸到青藏高原上空附近，说明南亚高压强(弱)则雨季开始早(晚)。同时，太平洋上空沿180°存在一个南北“+－”结构的相关配置，反映了中高纬系统与太平洋副高对雨季开始早晚的重要影响。

4)对江南南部初夏雨季强度有重要影响的6月大气环流有三个显著关键区，反映了冷空气、中纬度阻塞系统和太平洋副高等共同的影响。一是东半球的北极区，从极区延伸到东西伯利亚海，极涡越强，则冷空气越强，江南南部初夏雨季也越强;二是在中低纬度西北太平洋上有一大面积显著负相关，中心在朝鲜半岛和日本海上;第三个是在鄂霍次克海附近上空中低层的正相关区。

本文关于江南南部初夏雨季气候特征和环流背景的研究，仅仅是对近50 a降水资料进行气候统计和客观分析得出的一些结果。对于江南南部初夏雨季的气候属性，雨季的发生发展机制，及其与江淮梅雨和华南前汛期的关系等问题，需要进一步研究。

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