华南前汛期降水特征及其与大气热源的关系

罗小青，巫郎琪，徐建军，李 凯

(1.广东海洋大学南海海洋气象研究院， 广东 湛江 524088；2. 广东海洋大学海洋与气象学院，广东 湛江 524088；3. 广东海洋大学海运学院，广东 湛江 524088)

0 引言

华南前汛期(4—6月)降水主要发生在副热带高压北侧[1]，由于受中纬度西风、西南气流和季风爆发等共同影响，前汛期降水具有范围广、持续时间长且极端降水事件频发等特点[2]。华南地区人口稠密，经济发达，强降水事件很有可能造成城市内涝和严重次生灾害，因此对于前汛期降水尤其是降水影响因子的研究意义重大。

大气环流和海温是影响前汛期降水的主要因子，诸多学者已得到一些有意义的结论[3-5]。谷德军等[6]研究认为南海北部中低空风场加强有利于降水；金爱浩等[7]则认为南亚高压和副热带高压相向而行时利于降水；苗芮[8]探讨了中高纬度低频波列和南海低频对流信号协同作用对前汛期降水影响的机制；Chan等[9]发现PDO和ENSO同处于正位相时，前汛期降水偏少，并推测这种调制作用与副高有关。也有学者分别从南海海温异常[10]、赤道中东太平洋海温异常[11-12]以及暖池海温异常[13]等角度探讨其对前汛期降水的影响。

然而从大气热力状况异常分析其对前汛期降水影响的研究较少，且对机理研究更少。高斯等[14]研究大气热源30～60 d振荡与华南6月降水的关系，发现涝(旱)年南海附近有异常低频热汇(热源)区；陈红等[16]采用诊断分析方法发现前汛期降水期间大气热源和热汇均为大值，并强调凝结潜热加热作用的重要性。大气热源是大尺度环流的热机[17]，与天气系统的发生发展有密切联系，尤其与降水等天气过程密不可分[18]。在定常情况下，热(冷)源的空气得到(失去)热量后，通过动力作用，如冷平流和上升冷却(暖平流和下沉增温)过程来耗散所得(失去)热量[19]。如Yanai等[20]认为在高原雨季，凝结释放的潜热由强烈上升运动所平衡。本文旨在分析华南前汛期降水特征及其与邻近区域大气热源的关系，通过合成、相关分析等统计方法建立大气热源对华南前汛期降水的影响机理，从而为降水预报及数值模拟提供参考。

1 数据来源和方法

1.1 数据来源

1.1.1 站点数据 本文选取广东、广西和海南代表华南地区，前汛期主要指4—6月。采用中国地面气候资料月值数据集1980—2012年的54个台站降水资料。站点空间分布较为均匀，地势走向基本呈西北高东南低。海拔最高(那坡，23.4°N，105.8°E，海拔794.1 m)和最低(钦州，22.0°N，108.6°E，海拔4.5 m)站点分别位于广西西南部和广西南部。粤西大云雾山、粤北九连山以及粤东莲花山，三者与珠三角地区形成喇叭口地形，云贵高原东南缘与大云雾山同样形成喇叭口地形。

1.1.2 再分析数据 采用1980—2012年的JRA-55数据(1.25°×1.25°)，要素包括27层的温度、水平风速、垂直速度、相对湿度和高度场以及地面气压。

1.2 方法

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关于计算热源的方法详细请参考文献[18-19]。两种方法均可得到大气热源，前者能得到整层热源及热源分量(地面感热、降水潜热和大气净辐射)，后者既能得到整层热源，又可得到热源个别变化分量、平流变化分量和垂直变化分量及其对应分量的垂直结构。为研究大气热源与高低空环流的配置情况，本文采用倒算法计算大气热源和水汽汇。大气热源对大气环流的影响可用热力适应理论来解释[21]，热源与水汽汇分布特征一致时，大气非绝热加热主要为对流降水产生的凝结潜热，热源区空气柱整体有强辐合上升运动，也可理解为热源对低空气流的抽吸作用较强；强冷源区大气环流特征则相反。

1.2.2 统计分析 EOF分析是利用正交函数线性组合提取出某一区域气候变量场典型模态的方法[22]。本文采用该方法对华南前汛期降水进行EOF分解，了解降水典型空间分布模态。

SVD分析[23](Singular Value Decomposition，奇异值分解)是利用EOF技术分析两个变量场相关程度的方法。利用奇异向量的方差贡献分析某一对SVD模态的显著性。分析异性相关系数场，寻找两场之间的高相互影响区。

合成分析[23]是对大气平均状态进行分析的方法。将符合某一条件的多个时刻的同一要素场进行平均，即得到合成场，也称为大气变量的条件平均场。条件平均场是否显著可采用U检验或T检验，本文采用双边T检验。

距平分析指时间距平分析，它可以直接了解变量对平均值的偏差情况，便于同一变量不同时期，能在同一水平下进行比较。本文定义距平X1、X2，并统计距平|X1|≥50 mm的极端降水事件。X1可描述要素的年际和季节变化，X2去除季节变化信号，可用于分析历史极值的分布。

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2 华南前汛期降水特征

2.1 时空变化特征

华南降水主要集中在4—9月(图1a)，前汛期降水峰值在2000年代之前集中在6月，而之后则集中在5月。从1991年开始，前汛期降水强度有增加趋势，李丽平等[24]利用对流中低层环流及温度的年代际转折解释了其成因。1991年之前6月降水出现偏少情况较多，之后降水偏多情况增加，其中1993年、2001年和2008年偏多最为显著，而1985年、1991年、1995年和2004年偏少显著(图1b)。前汛期(4—6月)和后汛期(7—9月)平均总降水量分别为670.3 mm和657.8 mm，分别占全年总降水量的39.6%和38.7%。另外还发现，1995年前汛期降水偏多，而后汛期降水则偏少，2001年整个汛期降水偏多。1994年后汛期降水偏多异常显著，这是由1994年6月中旬华南地区发生的大范围持续性暴雨所致[25]。极端降水主要发生在6—8月，另外4月、9月和10月也较易发生极端降水情况(图2)。

图1 华南前汛期降水距平X1(a)和距平X2(b)时间序列(单位：mm)

图2 华南前汛期降水|X1|≥50 mm事件的季节分布(POS和NEG分别表示X1≥50 mm和X1≤-50 mm)

华南前汛期降水空间分布的季节差异大，6月降水量最大。在前汛期初期，华南处于南海高压脊北侧以及西风气流南侧，且受地形影响导致降水北多南少(图3a)。4月降水较3月明显增加，以粤北地区增加最为显著，300 mm以上的降水主要集中在南岭东南侧，海南西南部和广西西部地区降水较小约为50 mm。随着副高东退北抬，来自热带印度洋的西南气流和来自低纬度西太平洋的东南气流北上，5月广东大部分地区降水达到300 mm，降水大值中心集中在珠江三角洲—阳江一带，强度达350 mm以上，但广西中西部和海南大部降水未有明显变化。随着5月中旬南海季风爆发和6月上旬南亚季风的爆发，来自孟加拉湾的强盛西南暖湿气流和沿南海北上的偏南气流给华南带来了丰沛降水。6月降水强度和范围最大，华南地区降水大值中心稍有东移，集中在珠三角地区，广西南部和西北部分别出现两个强度为300 mm的强降水中心。总体而言，4—6月降水大值中心从粤北、粤中—珠三角到粤西再到华南大部。500 hPa高度上5 870 gpm等值线与120°E经线交点所处的纬度自3—6月逐渐向北移动，西北太平洋副高在3—5月徘徊在18°N以南，6月北跳至20°N附近。

图3 1980—2012年华南前汛期降水(阴影，单位：mm)、850hPa流线以及5 870 gpm(绿线)、5 880 gpm(红线)等位势线(单位：gpm)

2.2 EOF分析

第1模态的特征向量均为正值，但空间分布差异大，其中北部值大(最大值在桂林地区)，南部值小(最小值在汕头、北部湾和海南等地区)(图4)。这表明华南前汛期降水为典型的空间分布一致型为主，但南北差异明显。EOF1对应的时间系数线性趋势为4.9 mm/10a(未通过95%的显著性检验)，结合空间分布可得知，前汛期降水有全区一致型增加的趋势，但趋势不明显，其中华南北部降水增加强度强于南部。

图4 大气热源EOF1空间模态(a)(解释方差66.42%)及时间权重系数(b)

2.3 降水异常特征分析

从前汛期降水区域平均的时间序列分析，也可以发现降水有增加趋势，但不显著(图5)。将标准化[26]值大于1.0作为异常事件统计，降水偏多年有1993、1998、2001、2005、2008和2012年，偏少年为1985、1988、1991、1995、2002、2004和2011年。合成分析(图6)发现降水偏多年特征与5月份气候态降水空间分布相似，西南气流异常强盛，西太平洋副高位置明显偏西。降水偏少年副高则退到125°E以东洋面，5 870 gpm等位势线位置在降水异常年基本未变。若以5 880 gpm等位势线与120°E经线交点(较高纬度的交点)作为北界位置，则发现降水偏多年副高北界在18°N附近，西脊点达到116°E，华南刚好处于西脊点西北侧。西北太平洋副热带高压脊线呈西西南—东东北走向，对流层的脊线位置随高度增加向北倾斜(图略)，500 hPa高度上华南处于副高西脊点西北侧，这种环流形势非常利于偏南暖湿气流北上。由此可见，副高西伸有利于热带洋面暖湿气流向华南输送，因而造成前汛期降水偏多。

图5 华南前汛期降水标准化时间序列和5 a滑动平均及其线性趋势(黑虚线代表±0.5)

图6 华南前汛期降水偏多(a)和偏少年(b)的累积降水(阴影，单位：mm)，850 hPa风场(流线，单位：m/s)以及5 870 gpm(绿线)、5 880 gpm(红线)等位势线(单位：gpm)的合成

通过合成分析(图7)发现前汛期降水偏多年，华南地区、马来西亚群岛及热带印度洋中东部有异常强的大气热源和水汽汇，华南地区低空有异常显著的偏南气流汇合，同时伴随净水汽通量辐合，菲律宾群岛东部有冷源异常，且伴随净的水汽通量辐散，南海北部以异常西南气流为主(图7a和图7c)。降水偏少年热源、流场、水汽通量的空间分布基本相反，但热带印度洋东南部有一个异常强的热源出现，且伴随风场和水汽通量的净辐合(图7b和图7d)。另外还发现，降水偏多年孟加拉湾—印度半岛有一个异常强的冷源出现，且伴随低空风场和水汽通量的净辐散，而中南半岛出现的异常热源则伴随水汽通量的净辐合。

3 华南前汛期降水与大气热源的关系

3.1 SVD分析

大气热源通过影响大气环流，从而影响降水。为研究前汛期降水与大气热源的关系，首先进行SVD分析。图8表明华南大部分地区的前汛期降水与南海中部和北部以及菲律宾以东大气热源呈显著负相关，这与图7得到的结论基本一致，这表明前汛期降水偏多时，南海中部和北部及菲律宾以东地区存在异常冷源。但是孟加拉湾地区的相关性与图7a的结论不一致。前汛期降水与水汽汇的SVD分析结果一致，这是因为所研究区域大气热源和水汽汇的空间分布基本一致，且大部分以正值为主，大气非绝热加热主要以对流凝结潜热释放为主(图略)。

图7 华南前汛期降水偏多年大气热源(a)、偏少年大气热源(b)与850 hPa流场合成距平场(阴影：大气热源，单位W/m2；点状：通过0.05显著性水平检验；流线：风场，单位m/s)；偏多年(c)、偏少年(d)与850 hPa水汽通量(阴影，单位：102 kg·m-2·s-)和水汽通量散度(矢量，单位：10-6 kg·m-2·s-1)

图8 SVD第1模态异性相关系数空间分布(华南前汛期降水(a)；大气热源(b))

3.2 相关分析

利用相关分析找出与前汛期降水联系更为紧密的热源异常区，同时检验SVD结果的正确性。前汛期降水与同期大气热源和水汽汇的相关系统空间分布基本一致，且华南和菲律宾以东地区分别有一个显著的正相关区和负相关区，这说明前汛期降水偏多时，对应华南地区大气热源和水汽汇显著偏强，而菲律宾以东大气热源和水汽汇异常偏小或为冷源。孟加拉湾—印度半岛南部地区也出现负相关区，相关系数为-0.22，这与图7a合成分析的结果一致，因此认为前汛期降水与该地大气热源呈负相关。中南半岛的相关系数很小，这说明该地区在降水异常年出现的异常冷源对华南降水影响不大。从850 hPa前汛期降水与水平流场的相关系数分布图(图9a)可以看出，华南地区、中南半岛北部和东部、南海中部和北部有显著正相关区，而菲律宾东南部有显著负相关区，这说明前汛期降水偏多时，该区域低空被异常反气旋式环流控制。500 hPa相关系数分布与850 hPa基本一致(图9b)，表明前汛期降水与大气环流这种相关性在对流层有很好的一致性。前汛期降水与大气热源超前滞后相关分析也可以得到相似结论，但相关程度减小(图略)。由此可见，热源与前汛期降水的相关性具有持续性，且在同期最为显著。由以上分析可知，前汛期降水异常偏多时，菲律宾东部和孟加拉湾—印度半岛南部有异常冷源，华南及南海北部整层大气有异常偏南气流汇合，菲律宾地区对流层气流反气旋式环流加强。

图9 华南前汛期降水与850 hPa水平流场(a)和500 hPa流场(b)同期相关系数(阴影：通过0.05显著性水平检验，所有数据均去趋势标准化)

3.3 大气热源与环流的关系

通过前面两小节的分析，选取华南地区和3个冷源异常区，分析其与大气环流的关系。华南地区(沿点(95°E,16°N)和点(150°E,25°N))、菲律宾以东地区(沿点(128°E, 3°N)和点(150°E, 13°N))和孟加拉湾西侧地区(沿点(72°E,8°N)和点(92°E,18°N))的斜剖面，分析大气热源和环流的关系。从图10a可以看到，华南降水偏多年整个对流层是存在异常大气热源和上升气流，热源最强在400 hPa高度，对应最强上升气流。华南西南侧有一个较弱的大气冷源，异常冷热源垂直结构与其垂直变化分量分布基本一致(图 10b)，而个别变化分量和水平变化分量值均较小，且垂直方向上无明显变化。由此可见前汛期期间大气热源的主要贡献来源于深对流凝结加热。菲律宾以东对流层为异常冷源控制，最强冷中心400 hPa，且伴随明显下沉气流(图略)。该异常冷源处于副高西南侧，因此有加强副高，促使其西伸的作用。孟加拉湾西侧地区(80～85°E)有一个较弱异常冷源，强冷源中心也在400 hPa高度，同时伴随下沉气流。印度半岛南部地区的异常冷源中心高度和最大风速高度在800 hPa附近(图略)。这3个冷源区也为水汽汇区，且垂直分量的贡献最大。印缅槽是影响我国华南降水的重要天气系统，而孟加拉湾西侧和印度半岛冷源位于印缅槽后方，因此该异常冷源会使印缅槽加深东移，从而形成利于西南气流北上的形势。降水偏少年热源和大气环流的配置与偏多年相反。

图10 华南地区 (a)前汛期降水偏多年和偏少年大气热源(阴影，单位：K/d)和风场偏差(矢量，单位：m/s)沿(95°E,16°N)和(130°E,25°N)的垂直剖面，(b)、(c)和(d)分别为大气热源的垂直分量、个别变化分量、平流分量的偏差

3.4 大气热源对前汛期降水影响的机制分析

华南前汛期降水偏多年副高异常偏西，低空偏南气流强盛，华南地区被异常热源控制，热源强度在对流层中层(400 hPa)达最强，整层气柱伴随强烈上升运动。菲律宾以东和孟加拉湾西侧对流层中层则出现异常冷源，伴随明显下降气流。在异常冷源的控制下，这两个地区对流层均被异常反气旋环流控制。相关分析表明华南前汛期降水与菲律宾以东地区大气热源呈显著负相关，与印度半岛东部和孟加拉湾地区相关系数约为0.22。降水偏少年环流特征、热源分布及与降水的相关性基本呈相反情况。

4 结果和讨论

本文利用中国气象局月值资料数据和JRA-55资料，采用合成、相关等方法分析华南前汛期降水特征及其与大气热源的关系，得到以下结论：

①前汛期降水空间分布的季节差异大，4—6月降水大值中心从粤北、粤中—珠三角到粤西再到整个华南大部，同时伴随副高的西伸和北抬。6月降水范围和强度最大，极端降水也主要发生在6月。前汛期降水峰值在2000年代之前集中在6月，而之后则集中在5月。

②降水空间分布的典型模态是全区一致型，但是这种模态没有显著年际变化趋势。降水偏多年西南气流异常强盛，且伴随副高异常偏西。从热源和大气环流角度来看，降水偏多年华南地区有异常热源及水汽汇，以及低空水汽通量净辐合，而菲律宾东部地区、孟加拉湾西侧地区出现异常冷源和水汽通量净辐散。

③SVD和相关分析均表明前汛期降水与孟加拉湾和菲律宾以东地区大气热源和水汽汇呈显著负相关，而与华南地区和中南半岛大气热源及水汽汇呈正相关。前汛期降水与菲律宾以东地区高低空水平流场呈显著负相关，而与华南及南海北部流场呈显著正相关。以上的相关性具有一定的持续性，且同期达到最强。这说明当前汛期降水偏多时，华南地区大气热源偏强，高低空西南风加强，菲律宾以东和孟加拉湾地区被异常冷源控制，高低空流场加强。

④华南地区、菲律宾以东地区和孟加拉湾西侧地区的斜剖面分析得到大气环流和热源在垂直方向上的关系为：热源伴随强的上升运动，最强上升运动处于最强热源区，约400 hPa高度；冷源则伴随强下沉气流，最强冷源中心也在400 hPa左右。前汛期降水偏多年，华南地区存在强热源，异常上升气流，而菲律宾地区、孟加拉湾西侧异常冷源，强下沉气流，且对流层均被异常反气旋环流控制。降水偏少年情况反之。

⑤大气热源对华南前汛期降水的影响机理：菲律宾以东地区异常冷源使副高下沉气流加强，副高强度加强并西进，利于东南气流沿南海北上。孟加拉湾西侧异常冷源使该地区下沉气流加强，地面为异常反气旋式环流，该环流使印缅槽加深东进，进而利于西南暖湿气流北上。来自热带太平洋和热带印度洋的暖湿气流北上，在华南地区汇合，而华南地区异常强热源抽吸低层气流强烈辐合上升，从而造成前汛期降水偏多。降水偏少年也可采用相似机理来解释。

本文讨论华南前汛期降水特征及其与大气热源、环流的相关性，建立了大气热源通过大气环流影响华南前汛期降水的理论模型，具有一定的创新性和合理性。但影响华南前汛期降水因素除了暖湿偏南气流，还有南下的冷空气、西风槽、大气低频振荡、ENSO、台风等因素，因此还需利用偏相关统计方法以及数值模拟的方法，进一步分析影响华南前汛期降水的各个因素及其作用机理。另外，对强降水，尤其是短时强降水的分析也需要更进一步深入[27]。