春季次天气尺度气旋年际变化对江淮地区降水的影响

卢楚翰 王思涛 叶佳馨 杨敏 李芹芹 何文悦 周洁雯

摘要 基于1979—2013年ERA-Interim逐日6 h的850 hPa位势高度场资料，利用气旋最外围闭合等值线自动识别方法提取了春季影响江淮地区的二维气旋集，研究了次天气尺度气旋活动年际异常与江淮地区降水异常的联系。结果表明：次天气尺度气旋活动对江淮大部分地区春季降水作用明显，贡献率达25%以上，次天气气旋活动出现对应显著的区域对流层低层气旋式涡旋和辐合运动，为局地降水增强提供了有利的动力条件。次天气尺度气旋强度的年际变化与春季江淮地区东南部降水异常及强降水频次存在显著正相关关系。当江淮地区次天气尺度气旋增强时，青藏高原至中国长江中下游地区出现异常的倒槽型环流，有利于江淮地区形成气旋式环流异常;同时，随着南方地区西南暖湿气流增强，对流层下部大气斜压性增强，促进了江淮地区次天气尺度气旋活动增强。春季青藏高原地区气柱异常加热，引起对流层低层位势高度降低，促进了南方地区西南风加强，导致江淮地区次天气尺度气旋活动增强。

关键词 次天气尺度气旋;自动识别;降水异常;江淮地区

江淮流域人口密集、工农业发达，但受东亚季风系统、ENSO等多尺度大气环流以及外强迫信号影响，区域天气、气候变化复杂（王志毅等，2017;李丽平等，2019;王黎娟等，2020）。众多研究表明，气旋系统的生消、移动与极端天气气候事件的发生相联系（陶诗言，1980）。特别地，由于受到春季江淮气旋等天气系统的频繁影响，该地区极端强降水、持续性连阴雨以及沿海大风等灾害性天气气候事件时有发生。

随着全球再分析资料的丰富以及计算机技术的提升，当前主要通过自动识别方法研究温带气旋的长期活动以及其影响（姚素香等，2003;Zhang et al.，2012;秦育婧和卢楚翰，2017;王黎娟等，2019）。以往自动气旋识别算法主要基于个体的最低（中心）点，例如，Neu et al.（2013）比较了15种流行的气旋自动算法，有61%的算法使用了最低中心点算法。但由于许多温带气旋具有复杂的外形结构，存在多中心气旋的合并以及分裂等复杂情况，使得中心点算法对于短生命周期或者尺度较小的气旋捕捉相对困难，存在一定的不确定性。因此，以往研究主要集中在天气尺度的气旋活动，而对生命周期较短以及影响范围较小的气旋系统长期活动的研究较少。研究表明，短生命周期/次天气尺度气旋活动同样不能忽视，在部分区域相当活跃。Hewson（2009）指出在北大西洋的气旋活动中，短生命周期气旋占29%。尽管生命周期较短，但中尺度、次天气尺度气旋活动同样能引起强烈的天气。Irving et al.（2010）针对影响半径在500 km以下的南半球热带外中尺度气旋的长期活动进行了自动识别和系统分析，并指出它们的活动与局地的极大风速事件有着较好的联系。

我国南方气旋以江淮气旋、西南低涡为主要代表，其水平尺度通常交斜压性较强的中纬度气旋小，中小尺度的气旋发生频繁（王黎娟等，2019）。研究表明，中尺度涡旋系统是暴雨的直接产生系统（陈忠明，1991;刘敦训和郝家学，2000）。而梁军等（2012）的研究则指出了次天气尺度气旋系统对风力的重要影响。由于此类气旋尺度较小，其影响范围较为局地，但一般移速较快（陶诗言等，1980）。西南低涡在有利条件下可一路东移影响江淮地区。Fu et al.（2015）利用模式研究大别山低涡活动发现，涡旋的几何特征和涡旋演变、对流过程、降水及环流场有关，当涡旋倾向于东西向时更容易产生强对流过程和降水。

Qin et al.（2017）利用改进的气旋区识别算法，将春季影响江淮地区的气旋按照水平尺度进行分类，发现次天气尺度气旋出现频率达68.6%，是春季影响江淮气旋最为频繁的一类，且它们的活动强度与江淮地区同期降水存在显著正相关关系。卢楚翰等（2019）则指出，天气尺度气旋同样对春季江淮区域同期降水存在显著影响，并指出江淮地区对流层低层横槽型异常环流配置有利于该地区天气尺度气旋的活动增强以及降水增多。鉴于以往对于次天气尺度气旋的长期活动及其气候效应的研究较少，且其在春季江淮地区活动频繁，影响江淮地区次天气尺度气旋活动的环流配置和影响因子并对江淮区域降水异常联系密切，值得深入研究。因此，本文拟从气候学角度分析近三十多年来次天气尺度气旋活动的变化特征以及影响其活动变化的环流异常配置，并探讨气旋活动与江淮地区同期降水的联系以及联系途径。

1 资料与方法

1.1 资料

1）利用1979—2013年春季（3、4、5月）欧洲中期天气预报中心ERA-Interim再分析资料，在捕捉气旋时使用了水平分辨率接近0.7°×0.7°（T255高斯格点）的逐日4次的850 hPa位势高度场（Z850）。此外，月平均高空风场、位势高度、温度、比湿、散度及云量等要素水平分辨率取0.75°×0.75°（Berrisford et al.，2009）。

2）降水资料取自中国气象数据网（http：//data.cma.cn/data/detail/dataCode/SURF_CLI _CHN _MUL _DAY_V3.0.html）提供的中国地面气候资料日值数据集（V3.0），共824个基准、基本气象站，所选时段与1）相同。该资料经过质量控制，数据质量和完整性相对于以往发布的地面同类数据产品明显提高。

1.2 方法

采用Lu（2017）基于最外围闭合等值线的气旋区识别方法，以逐日4次的Z850为识别要素，首先将局地位势高度低点定为气旋中心点，按4 gpm等值线间隔搜索其外围闭合等值线，将有闭合等值线的中心判定为闭合气旋，并以最后外围一圈闭合等值线内区域作为气旋区，记录气旋区范围内的相关要素信息，实现了东亚区域春季气旋的二维识别。通过相邻时次的临近中心或气旋区是否重合，对气旋路径进行追踪。

选取110°～122.5°E、28°～34°N范围为江淮区域，当气旋区落入该区域则将其记录为影响江淮地区的气旋。在1979—2013年春季总的12 880个时次中，按时次计算，从识别的东亚区域气旋中总共获取了5 223个影响江淮区域的温带气旋个体。另外根据气旋区覆盖的球面面积，计算等面积圆，将圆的直径d作为该气旋的相当直径，并根据直径d划分直径大于1 000 km的气旋为天气尺度气旋，直径介于300～1 000 km的为次天气尺度气旋。图1给出了1981年3月20日12时和1981年4月18日06时（世界时，下同）的影响江淮地区气旋个例，可以看出该方法能够较准确地描述气旋外形以及影响范围，从而可根据气旋区的影响水平范围进一步划分不同尺度气旋。在35 a春季影响江淮地区的882条温带气旋路径统计信息中，次天气尺度气旋数目最多，占比达到60%以上，生命周期主要在48 h以内;天气尺度气旋数目次之，所占比例在35%左右，生命周期均在12 h以上。另外，直径在300 km以下的中尺度气旋为5%，文中使用约0.7°水平分辨率資料对中小尺度气旋识别度不够，是其频次较小的原因之一。上述统计结果与Qin et al.（2017）研究结果一致，表明除了以往关注的天气尺度气旋外，次天气尺度气旋对江淮地区区域天气气候的影响也不容忽视。

2 江淮次天气尺度气旋活动对降水异常的影响

为直观显示江淮区域次天气尺度气旋活动对降水的影响，首先给出了江淮地区出现次天气尺度影响气旋时伴随的降水量与春季总降水量的比率（图2）。可以看出，次天气尺度气旋活动对江淮大部分地区的降水贡献率达25%，贡献率自西向东逐渐增大。其中，江淮东北部最大，贡献率达40%。由此表明，次天气尺度气旋是春季影响江淮区域降水的主要影响系统之一。通过出现次天气尺度影响气旋时次和未出现次天气尺度影响气旋时次的850 hPa相对涡度和散度的合成差值场（图3a、3b），可看出次天气气旋活动出现时对应显著的江淮区域对流层低层气旋式涡旋运动，同时引起江淮地区东南部以及东海区域显著的辐合运动，这为江淮区域降水增强提供了有利的动力条件。

为分析次天气尺度气旋活动的年际变化，利用公式（2）构造了近35 a的I1指数（图4），可以看出其具有明显的年际振荡特征。进一步利用I1指数，对824站春季月平均降水及强降水频次进行相关分析和合成分析，研究了春季影响江淮的次天气尺度气旋活动与我国同期降水的联系。合成分析时，I1指数>0.75（<-0.75）定义为异常强（弱）年，得出8个高值异常年，分别为：1983、1989、1991、1992、1994、1999、2004、2006年;8个低值异常年，分别为：1979、1986、1997、2003、2005、2007、2011、2013年。

从图5a可以看到，江淮地区东南部的春季月平均降水与I1指数存在显著的正相关关系，相关系数在0.33以上（通过95%置信度的t检验）。从I1指数强弱年对降水的合成差值看，平均春季降水差异达到24 mm以上。同时，I1和整个江淮地区的区域月平均降水也存在显著的正相关，其相关系数为0.43（通过99%置信度的t检验）。上述分析表明次天气尺度气旋活动增强对江淮地区的降水存在明显的促进作用，但其影响范围主要集中在江淮地区东南部。此外，江淮地区南部春季强降水（大于25 mm/d）事件的頻次与I1指数也呈显著的正相关（图5b）。合成场上，强降水频次偏多地区与显著正相关区域一致，同样主要集中在江淮长江以南地区，说明次天气尺度气旋有利于江淮南部地区春季强降水事件发生。区域性强降水（超过30%的站点降水超25 mm/d）的频数与I1的相关系数为0.40，也说明了次天气尺度频率增多可能增大春季江淮地区发生区域性强降水出现概率。

3 江淮次天气尺度气旋的环流配置

为进一步分析影响江淮的次天气尺度气旋发生发展的背景，给出了与I1指数相联系的异常环流结构。图6为850 hPa、500 hPa位势高度及水平风场对I1的回归系数。结果显示，在500 hPa位势高度场上，贝加尔湖地区负值异常数值以及显著范围明显增大，日本以东的西北太平洋上同样位势高度异常正值带，青藏高原地区的负位势高度异常中心在对流层中高层则没有反映。与江淮地区次天气尺度气旋增强相联系的850 hPa位势高度异常在东亚地区呈现两低一高分布。其中东亚地区大路上存在两个负中心，分别位于青藏高原、贝加尔湖及其西南部邻近区域，且青藏高原的负值中心较强，且负值带延伸至我国长江中下游地区形成倒槽型环流异常;日本以东的西北太平洋上则出现显著的高值带。该环流异常形势有利于江淮地区形成气旋式环流异常以及增强中国南部的西南气流。

进一步分析次天气尺度气旋活动与春季准定常大气环流异常的联系，分别计算了由500 hPa涡度平流包括异常风涡度平流-u′x-v′y以及定常风异常涡度平流-ζ′x-ζ′y两个分量以及对流层低层（925～700 hPa）的温度平流对I1高低年的合成差值（图8）。图上显示，500 hPa上江淮地区东南部为正异常涡度平流，江淮西北区域则为负异常涡度平流（图7a），与江淮地区850 hPa涡度合成分布情况较为一致。进一步分析发现，定常风异常涡度平流引起的涡度平流异常与图8a比较一致，但异常风涡度平流则反之（图略），这说明高空异常风对江淮地区局地次天气尺度气旋活动增强作用并不明显。另一方面，我国南部沿海的低层出现较强的暖平流异常，暖平流一致延伸值至江淮地区东南部（图7b）。由ω方程可知，江淮地区东南部高空正涡度平流和低层暖平流有利于形成垂直上升运动以及加强局地气旋。

此外，计算了850 hPa最大Eady增长率（σBI）与I1指数进行合成，以分析低层大气斜压性与江淮气旋活动的联系。图8a显示江淮地区北部及其以北的华北地区σBI主要为负值，而江淮地区南部及其以南的华南地区σBI则主要为正值，说明中国南方地区局地斜压性增强有利于江淮地区次天气尺度低涡活动加强。由图8b可知，与I1指数增强对应，对流层中低层的大气斜压垂直风切变在中国南方地区出现明显的正值带，这与σBI分布一致，这说明垂直风切变是引起江淮东南部大气斜压性变化以及次天气尺度气旋活动增强的主导因子。反之，江淮北部至华北地区的大气斜压性有明显下降，并且与低层风速垂直切边减小相对应。结合前文对应异常风场的分析，由于次天气尺度气旋活动强年中国南方沿海及江淮东南部的低层西南风加强，导致以上地区大气斜压性以及次天气尺度气旋活动增强。

4 青藏高原热力作用

由于青藏高原的动力和热力强迫作用对东亚季风区气候异常产生重要影响（叶笃正和高由禧，1979;吴国雄等，1997），由图6可知，当春季江淮地区气旋活动增强时，青藏高原至我国长江流域出现显著的负异常高度区，为探讨气旋活动与青藏高原热力强迫的联系。进一步根据倒算法，计算了大气视热源Q1对I1的回归系数（图9a），发现对于整层大气而言，青藏高原地区出现异常加热分布，相应地该区域以及其以南至孟加拉湾北部对流层中低层（700—500 hPa）平均气温也出现了明显的正异常大值区（图9b），表明该区域大气柱受到异常加热作用。由于气柱异常加热使得近地面减压以及对流层低层位势高度降低，这可能使得由青藏高原地区以及下游区域东移的次天气尺度生成以及加强。此外，高原至长江流域的异常低压带也有利于中国南方地区西南风加强，增加这些区域低层的大气斜压性，促进次天气尺度气旋活动增强。因此，春季青藏高原地区的大气异常加热可能是引起我国江淮地区次天气尺度气旋活动增加，其中高原区域雪盖变化伴随的非绝热加热对气柱加热异常以及影响其下游长江流域区域的可能起关键作用（Wu and Kirtman，2007）。

5 结论

利用气旋自动识别和追踪算法，提取了春季影响江淮地区的次天气气旋活动信息，研究了气旋年际活动异常与站点降水异常的关系。得到以下主要结论：

1）次天气尺度气旋活动对江淮大部分地区春季降水作用明显，贡献率达25%以上，次天气气旋活动出现对应显著的区域对流层低层气旋式涡旋和辐合运动，为局地降水增强提供了有利的动力条件。

2）青藏高原至我国长江中下游地区出现异常的倒槽型环流，有利于江淮地区形成气旋式环流异常。同时，伴随着中国南部的西南暖湿气流增强，有利于我国南方地区低空的大气斜压性增强，促进了江淮地区次天气尺度气旋活动增强，以及局地的辐合抬升，从而加强了春季江淮尤其是其东南部异常降水的增多。

3）青藏高原地区大气热力状况与青藏高原至我国长江中下游地区异常倒槽型环流出现存在密切联系，当高原地区气柱异常加热，引起使得對流层低层位势高度降低，可能使得由青藏高原地区以及下游区域东移的次天气尺度生成以及加强，同时促进中国南方地区西南风加强，有利于次天气尺度气旋活动增强。

致谢：感谢欧洲中期天气预报中心（ECMWF）和中国气象科学数据共享服务网提供的高分辨率资料数据集。感谢审稿专家和编辑对本文的改进提出的宝贵意见。

参考文献（References）

Berrisford P，Dee D，Fielding K，et al.The ERA-interim archive[EB/OL].[2020-01-12].https：//www.ecmwf.int/en/elibrary/8174-era-interim-archive-version-20.

陈忠明，1991.大尺度环境场影响中低层次天气尺度系统发展和移动的初步分析[J].气象学报，49（4）：574-580. Chen Z M，1991.A preliminary study of the effect of environment flow fields on development and movement of subsynoptic scale systems[J].Acta Meteorol Sin，49（4）：574-580.（in Chinese）.

Fu S M，Li W L，Ling J，2015.On the evolution of a long-lived mesoscale vortex over the Yangtze River Basin：geometric features and interactions among systems of different scales[J].J Geophys Res：Atmos，120（23）：11889-11917.doi：10.1002/2015JD023700.

Hewson T D，2009.Diminutive frontal waves：a link between fronts and cyclones[J].J Atmos Sci，66（1）：116-132.doi：10.1175/2008jas2719.1.

Irving D，Simmonds I，Keay K，2010.Mesoscale cyclone activity over the ice-free southern ocean：1999—2008[J].J Climate，23（20）：5404-5420.doi：10.1175/2010jcli3628.1.

李丽平，倪语蔓，杨春艳，等，2019.两类El Nio事件次年夏季长江-黄河流域降水低频特征及低频水汽输送途径差异[J].大气科学学报，42（3）：420-433. Li L P，Ni Y M，Yang C Y，et al.，2019.Differences regarding the low-frequency characteristics of precipitation in the Yangtze River and Yellow River Basin and its moisture transportation path in the following summer for two types of El Nio events[J].Trans Atmos Sci，42（3）：420-433.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20170103001.（in Chinese）.

梁军，张胜军，朱晶，等，2012.黄、渤海大风的次天气尺度环流特征及其应用[J].高原气象，31（4）：1032-1041. Liang J，Zhang S J，Zhu J，et al.，2012.Characteristics of sub-synoptic scale circulation of strong gale in Yellow Sea and Bohai sea[J].Plateau Meteor，31（4）：1032-1041.（in Chinese）.

刘敦训，郝家学，2000.“8·11”暴雨过程中天气尺度与次天气尺度系统的相互作用[J].山东气象，20（1）：43-46. Liu D X，Hao J X，2000.Interaction between synoptic scale and sub-synoptic scale system during “8.11” rainstorm [J].J Shandong Meteor，20（1）：43-46.doi：10.19513/j.cnki.issn1005-0582.2000.01.012.（in Chinese）.

Lu C H，2017.A modified algorithm for identifying and tracking extratropical cyclones[J].Adv Atmos Sci，34（7）：909-924.doi：10.1007/s00376-017-6231-2.

卢楚翰，周洁雯，胡叶，等，2019.春季影响江淮地区的天气尺度气旋活动与同期降水的联系[J].大气科学，43（2）：311-324. Lu C H，Zhou J W，Hu Y，et al.，2019.Simultaneous relationship between precipitation and activities of springtime synoptic scale affecting cyclone over the Yangtzi-Huaihe River valleys[J].Chin J Atmos Sci，43（2）：311-324.doi：10.3878/j.issn.1006-9895.1804.17294.（in Chinese）.

Neu U，Akperov M G，Bellenbaum N，et al.，2013.IMILAST：a community effort to intercompare extratropical cyclone detection and tracking algorithms[J].Bull Amer Meteor Soc，94（4）：529-547.doi：10.1175/bams-d-11-00154.1.

秦育婧，卢楚翰，2017.冬季欧亚大陆反气旋活动特征及其与中国气温的关系[J].大气科学学报，40（3）：418-424. Qin Y J，Lu C H，2017.Characteristics of the anticyclone over Eurasia and its relationship with the winter temperature in China[J].Trans Atmos Sci，40（3）：418-424.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150405001.（in Chinese）.

Qin Y J，Lu C H，Li L P，2017.Multi-scale cyclone activity in the Changjiang River-Huaihe River valleys during spring and its relationship with rainfall anomalies[J].Adv Atmos Sci，34（2）：246-257.doi：10.1007/s00376-016-6042-x.

Ren X J，Yang X Q，Chu C J，2010.Seasonal variations of the synoptic-scale transient eddy activity and polar front jet over east Asia[J].J Climate，23（12）：3222-3233.doi：10.1175/2009jcli3225.1.

陶詩言，1980.中国之暴雨[M].北京：科学出版社. Tao S Y，1980.Heavy rain in China[M].Beijing：Science Press.（in Chinese）.

王黎娟，张海燕，陈爽，2019.4—6月江淮流域不同尺度温带气旋发展率及移动特征[J].大气科学学报，42（3）：399-408. Wang L J，Zhang H Y，Chen S，2019.Development rate and movement characteristics of extratropical cyclones at different scales in the Changjiang-Huaihe River valley from April to June[J].Trans Atmos Sci，42（3）：399-408.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20170703002.（in Chinese）.

王黎娟，蔡聪，张海燕，2020.两类ENSO背景下中国东部夏季降水的环流特征及关键系统[J].大气科学学报，43（4）：617-629. Wang L J，Cai C，Zhang H Y，2020.Circulation characteristics and critical systems of summer precipitation in eastern China under the background of two types of ENSO events[J].Trans Atmos Sci，43（4）：617-629.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20180817002.（in Chinese）.

王志毅，高庆九，胡邦辉，等，2017.近50 a江淮地区梅雨期水汽输送特征研究[J].大气科学学报，40（1）：48-60. Wang Z Y，Gao Q J，Hu B H，et al.，2017.Features of moisture transport in the Yangtze-Huaihe River Basin during the Meiyu season in the last 50 years[J].Trans Atmos Sci，40（1）：48-60.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20150916002.（in Chinese）.

吴国雄，李伟平，郭华，等，1997.青藏高原感热气泵和亚洲夏季风[C]//叶笃正.赵九章纪念文集.北京：科学出版社：116-126. Wu G X，Li W P，Guo H，et al，.1997.The qinghai-tibet plateau sensible heat air pump and the Asian summer monsoon[C]//Ye D Z，Zhao Jiuzhang memorial anthology.Beijing：Science Press：116-126.（in Chinese）.

Wu R G，Kirtman B P，2007.Observed relationship of spring and summer East Asian rainfall with winter and spring Eurasian snow[J].J Climate，20（7）：1285-1304.doi：10.1175/jcli4068.1.

叶笃正，高由禧，1979.青藏高原气象学[M].北京：科学出版社. Ye D Z，Gao Y X，1979.Meteorology of the qinghai-tibet plateau[M].Beijing：Science Press.（in Chinese）.

姚素香，张耀存，周天军，2003.近50 a春季东亚温带气旋活动频数的气候特征及其变化[J].南京气象学院学报，26（3）：317-323. Yao S X，Zhang Y C，Zhou T J，2003.Climatic characteristics of extratropical cyclone frequency and its variations over East Asia during recent 50 years in spring[J].J Nanjing Inst Meteor，26（3）：317-323.doi：10.3969/j.issn.1674-7097.2003.03.004.（in Chinese）.

Zhang Y X，Ding Y H，Li Q P，2012.A climatology of extratropical cyclones over East Asia during 1958—2001[J].Acta Meteorol Sin，26（3）：261-277.doi：10.1007/s13351-012-0301-2.

Based on the daily 6 h 850 hPa geopotential height field data from ERA-Interim reanalysis data during 1979—2013，the two-dimensional cyclones affecting the Yangtze-Huaihe River valley （YHV） in spring are extracted by using the automatic identification method of outermost closed contour of cyclones.The relationship between interannual anomaly of subsynoptic-scale cyclone activity and precipitation anomaly in YHV is studied.Results show that the subsynoptic-scale cyclone activity has an obvious effect on spring precipitation in most areas of YHV，with a contribution rate of more than 25%.The subsynoptic-scale cyclone activity has corresponding significant regional cyclonic vortex and convergence motion in the lower troposphere，which provides favorable dynamic conditions for the local precipitation enhancement.The interannual variation of subsynoptic-scale cyclone intensity has a significant positive correlation with the precipitation anomaly and the occurrence frequency of heavy precipitation in the southeast of YHV in spring.When the subsynoptic-scale cyclone intensifies in YHR，an anomalous inverted trough circulation appears from the Qinghai-Tibet Plateau to the lower-middle reaches of the Yangtze River in China，which is conducive to the formation of cyclonic circulation anomaly in YHV.Simultaneously，the atmospheric baroclinicity increases in the lower troposphere when the southwest warm and moist air flow in southern China strengthens，which promotes the enhancement of subsynoptic-scale cyclone in YHV.The anomalous heating of air column over the Qinghai-Tibet Plateau in spring，which leads to the decrease of potential height in the lower troposphere and the strengthening of southwest flow in southern China，may be the main reason for the enhancement of subsynoptic-scale cyclone activity in YHV.

subsynoptic-scale cyclone;automatic identification;precipitation anomaly;Yangtze-Huaihe River valley

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20200407001

（責任编辑：袁东敏）