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湖南春雨特征及异常成因分析*

2022-01-27张剑明叶成志曾宇星谢益军

气象 2021年12期
关键词:风场雨量环流

张剑明 叶成志 曾宇星 谢益军

1 湖南省气候中心,长沙 410118

2 湖南省气象科学研究所,长沙 410118

3 气象防灾减灾湖南省重点实验室,长沙 410118

提 要: 确定了湖南春雨建立的上游西南风速关键区,定义了湖南春雨监测指标,分析了湖南春雨指标的时间变化特征及春雨的空间分布特征,探讨了湖南春雨强、弱年大气环流和水汽输送的异常及前期海温异常特征。结果表明,湖南春雨发生的时段气候平均为第13~27候,不同年份开始和结束的早晚不尽相同,湖南春雨量在20世纪80年代中期以前、2014年以后偏多,20世纪80年代中期至2013年偏少,空间分布表现为自东部、南部向西部、北部逐渐递减。全省一致偏多(偏少)型可以较好地表现湖南春雨的主要空间分布型特征。全省一致型强春雨年,西太平洋副热带高压明显偏强、偏西,印缅槽偏弱,低层风场在我国江南地区有异常气旋环流控制,湖南为异常气旋环流中心,导致春雨偏强;全省一致型弱春雨年,西太平洋副热带高压明显偏弱、印缅槽偏强,低层风场在西南地区东部至江南有一个异常反气旋,湖南为水汽异常辐散中心,导致春雨偏弱。事件发展的次年,湖南春雨开始早、雨期长、雨量偏多、强度强;反之,事件发展的次年,湖南春雨开始晚、雨期短、雨量偏少、强度弱。

引 言

每年春季位于长江中下游以南的江南春雨,是东亚独特的天气气候现象(万日金和吴国雄,2008)。江南春雨是中国乃至东亚地区最早出现的雨季(万日金和吴国雄,2006;胡雅君等,2017),通常指我国江南地区发生的持续低温阴雨天气,对该区域的春耕春播、交通造成不利的影响。江南春雨是南海夏季风爆发之前我国江南地区春季的一段持续而相对稳定的多雨期,它是除了初夏在长江中下游梅雨季节外的又一个多雨时段。江南地区春季降水年际变化非常大:2011年,长江中下游地区春雨异常偏少,较常年同期偏少5成以上,为近60年最少,出现近60年最重的冬春连旱,干旱使江河、湖泊、水库水位异常偏低,对水稻插秧、水产养殖业、水运及人们生活、生态环境产生较大影响(唐文苑,2011;李莹等,2012);而2014年5月,江南春雨异常偏多(侯威等,2015;蔡雪薇和张芳华,2014),共出现4次大范围强降水过程,其中5月21—26日的强降水过程降雨量大、影响范围广、局地强度强、灾害损失重,共造成福建、江西、湖南、广东、广西、贵州6省(自治区)405万人受灾,39人死亡或失踪,直接经济损失达61亿元。

20世纪50年代以来,我国很多气象工作者对江南春季连阴雨进行了广泛的研究(高由禧等,1962;中国科学院大气物理研究所二室,1977;吴宝俊和彭治班,1996;He et al,2003;Ding et al,2004;Lü et al,2006)。包澄澜(1980)将3—4月我国华南地区的多雨时段称为汛期雨季,Tian and Yasunari(1998)提出春季持续降水的概念(spring persistent rains,中英文简称分别为江南春雨和SPR),将江南春雨作为气候事件提出,并指出西部中南半岛与东部的西太平洋至菲律宾之间的热力对比是导致江南春雨发生的成因。万日金和吴国雄(2006)认为从第13~27候发生于我国长江以南(30°N)、110°E以东、雷州半岛以北的我国中东部地区的持续性降水为江南春雨,并认为青藏高原在江南春雨的气候形成中起到了根本性的作用。王遵娅和丁一汇(2008)通过分析我国雨季的气候学特征,将第21~27候划分为江南春雨期,雨带主要位于23°~28°N的长江以南地区,江南春雨期属于西风带影响较强而季风影响较弱时期。刘宣飞和袁旭(2013)将南海季风爆发前(第28候)出现在长江以南、南岭以北地区的降水统称为江南春雨,并将第10~15候、第16~27候分为江南春雨期的两个阶段。张博等(2018)通过定义表征江南春雨变化特征的环流指数,并分析了该指数与降水和大气环流的关系。

湖南是中国东部大陆雨季开始早、春雨比重大的省份之一,其多年平均春季降水量占全年降水量的34.7%,其中中南部达36%~40%(图1a)。从春季降水量年际分布来看(图1b),1992年春季降水可占到全年降水的45%以上,而少的年份只占了不到30%(1982、1993、2007、2011、2015年等),可见同为春雨,不同年份降水的时空分布相差甚多,其差别与春雨的范围、当年春雨开始的时间早晚、雨期长度、春雨强度有着直接的关系。而湖南春雨只是一个气候意义上的概念,对具体某一年来说,春雨何时开始、何时结束、春雨强度如何,目前还没有形成一个明确的标准。江南春雨的建立是发生在冬春季大气环流的缓变过程中,是冬季雨型向夏季雨型的过渡(王遵娅和丁一汇,2008;李超,2009),缺乏标志性环流形势的调整,这给江南春雨建立时间的确定带来一定的困难。本文通过定义湖南春雨(spring persistent rains in Hunan,SPRH),建立春雨监测指标,为区域春雨监测提供客观评估依据。通过研究春雨强、弱年同期环流异常及前期海温异常特征,可为湖南春雨业务预测提供参考信息。

图1 1980—2019年湖南春季降水量在全年降水量的占比(a)多年平均空间分布,(b)逐年变化(蓝色、橙色圆圈分别表示占比超过45%、低于30%的年份)Fig.1 The spring precipitation percentage in the annual precipitation in Hunan from 1980 to 2019 (a) spatial distribution of multiple-year mean, (b) temporal variation(Blue and orange circles denote the years with spring precipitation accounting for more than 45%, less than 30% of annual precipitation, respectively)

1 资料与方法

本文所用资料包括湖南省97个地面气象站1980—2019年逐日降水数据,采用的资料均进行了严格的质量控制。再分析资料来源于美国国家环境预报中心和国家大气研究中心(NCEP/NCAR)水平分辨率为2.5°×2.5°经纬网格的日再分析资料(Kalnay et al,1996),包括位势高度、纬向风、经向风、比湿和地面气压等,时间段为1980—2019年;美国国家海洋和大气管理局(NOAA)水平分辨率为2°×2°经纬网格的月平均海洋表面温度重建资料(Reynolds et al,2002),时间段同上。

采用梁建茵等(1999)对西南风风速定义的方法:

式中:F为风速,Φ为风向,u、v分别为经、纬向风速,VSW为平均风在西南—东北方向上的投影,VSW>0时为西南风分量,以此来表征风向的转变及西南风的强度。

采用经验正交分解方法(魏凤英,2007)分析湖南春雨的空间分布特征,采用小波分析方法(Torrence and Compo,1998;林振山和邓自旺,1999)分析湖南春雨指标的周期性。

本文气候平均态均采用1980—2019年的平均值。水汽整层积分由地表至300 hPa(丁一汇,2005;Yi,1995)。

2 湖南春雨定义的确定

春雨的建立标志是干冷冬季结束,湿暖春季开始,此时青藏高原南侧西南风风速增大,我国江南地区降水明显增加(万日金等,2008)。从1980—2019年湖南第13~27候总降雨序列与同期850 hPa风场及西南风风速相关(图2)可以发现,降雨序列与850 hPa 风场在中南半岛至我国南方地区存在显著的相关区域,降雨序列与850 hPa西南风风速在中南半岛至我国东海地区的相关系数达到了0.4以上(通过0.01 显著性水平检验),我国南海北部至华南南部地区的相关系数甚至达到了0.6以上。湖南春雨上游区域(17.5°~22.5°N、105°~110°E,图2蓝色虚线方框)的相关系数也在0.6以上,多年平均春雨期850 hPa风场图(图略)可以发现湖南春雨上游区域为西南风风速大值区,因此将该区域作为湖南春雨建立的关键区域。

图2 1980—2019年湖南第13~27候降雨序列与同期850 hPa西南风风速的相关(填色),及与850 hPa风场相关(矢量箭头)(蓝色虚线方框为湖南春雨上游西南风速区,黑色粗箭头表示850 hPa风场通过显著性水平检验的区域,灰色区域为青藏高原)Fig.2 Correlation coefficient of the 13th-27th pentad rainfall in Hunan to 850 hPa southwest wind speed (colored), and with 850 hPa wind (vector arrows) from 1980 to 2019(Blue dotted box denotes upwind southwest area of SPRH, thick black arrows denote the area of 850 hPa wind speed having passed the significance test, gray area denotes the Qinghai-Tibet Plateau)

选择每年从2月即全年第7候开始,当湖南候平均日降水量不小于4 mm,同时其上游区域(17.5°~22.5°N、105°~110°E,图2)850 hPa候平均西南风速不小于4 m·s-1,并且在紧接其后的3候中至少有1候满足上述条件(万日金和吴国雄,2008),则认为该候为湖南春雨建立的初始时间,即湖南春雨建立日期,由此得到反映湖南春雨建立早晚的时间指数。

南海夏季风是东亚季风的重要组成部分,南海夏季风的爆发标志着冬季环流向夏季环流的转变,也预示着东亚夏季风的来临和中国主雨季的开始(柳艳菊和丁一汇,2007)。因此可以认为南海夏季风爆发前一候为湖南春雨结束时间,由此得到反映湖南春雨结束早晚的时间指数。

湖南春雨建立和结束之间的时段为湖南春雨期,此期间的降雨总量即为湖南春雨量。

湖南区域春雨强度指数(Si)的计算公式为:

式中:R为某一年春雨量(单位:mm),R0为历年春雨量的气候平均值,SR为春雨量的气候均方差,L为某一年春雨期的长度(单位:d),L0为历年春雨期长度的气候平均值,SL为春雨期长度的气候均方差。

3 春雨的时空变化特征

3.1 春雨的时间变化

1980—2019年湖南春雨开始、结束日期及长度时间序列(图3a)表明,湖南春雨多年平均建立日期为第13.3候(3月第2候),与气候平均第 13候的西南风速和降水显著增长相对应,说明该指数判据的选取还是比较适当的;春雨多年平均结束日期为第27.6候(5月第3候);春雨共经历了16候,春雨最早开始日期为第7候(1992年、1998年),最晚开始日期为第25候(2011年);春雨期最短持续时间为1候(2011年),最长持续时间为24候(2014年)。可以发现,湖南春雨发生的时段气候平均为第13~27候,但不同年份开始和结束的早晚不尽相同。

图3 1980—2019年湖南(a)春雨开始、结束、雨期长度,(b)春雨量,(c)春雨强度指数的逐年变化Fig.3 The time series of onset date, end date and duration (a), rainfall amount (b) and intensity index (c) of SPRH from 1980 to 2019

1980—2019年湖南春雨量的逐年变化(图3b)表明,湖南春雨量在26.4 mm(2011年)~648.9 mm(1992年),多年平均春雨量为415.8 mm;20世纪80年代中期、2014年以后偏多,其余时段偏少,其中偏多年份有1981、1992、2014、2016年,偏少的年份有1986、1991、1994、2008、2011、2018年。

1980—2019年湖南春雨强度指数的逐年变化(图3c)表明,湖南春雨强度指数在-3.37(2011年)~1.98(2014年),其中:强春雨年是6 a、较强春雨年是9 a、正常春雨年是12 a、较弱春雨年是5 a、弱春雨年是8 a;弱春雨年均发生1990年以后,其中20世纪90年代是3 a、21世纪以后是5 a。

3.2 春雨的周期变化

湖南春雨量存在2~3、3~5、8~10 a和18 a左右的振荡周期(图4a),Morlet小波功率谱表明(图5a),2~3 a振荡周期在20世纪90年代中期以前及2005年以后较显著,3~5 a振荡周期在20世纪90年代初至2012年较显著。

春雨期存在2~3、4~5、8~10 a和18 a左右的振荡周期(图4b),其中2~3 a振荡周期整个研究时段均较显著,8~10 a振荡周期在2006—2011年较显著(图5b)。

图4 1980—2019年湖南(a)春雨量,(b)春雨期,(c)春雨强度指数Morlet小波系数实部等值线分析Fig.4 The Morlet wavelet analysis of rainfall (a), length of rainy season (b) and intensity index (c) of SPRH from 1980 to 2019

图5 同图4,但为Morlet小波功率谱分析(黑实线表示通过0.05显著性水平检验,虚线以下区域表示去除边界效应的周期尺度)Fig.5 Same as Fig.4, but for the Morlet wavelet power spectrum analysis(Solid lines denote power spectrum having passed the 0.05 significant level test and regions below the dashed line denote the period scale after the removal of the boundary effect)

春雨强度在本世纪初以前存在2~3、4~5、10 a和18 a左右的振荡周期,21世纪初以后存在2、8和18 a左右的振荡周期(图4c),其中2~3 a振荡周期在整个研究时段均较显著,4~5 a振荡周期在20世纪90年代中期至21世纪初较显著(5c)。

3.3 春雨量的空间分布特征

1980—2019年平均湖南春雨量的空间分布(图6)表明,湖南多年平均春雨量为292.9~569.8 mm,空间分布形态表现为自东部、南部向西部、北部逐渐递减,其中株洲、长沙、郴州、永州及益阳南部春雨量在450 mm以上,湘西州、张家界、怀化西部、常德西北部在350 mm以下。湖南春雨量存在2个高值区和1个低值区,高值区位于株洲中部、永州西南部,低值区位于湘西州北部。

图6 1980—2019年湖南春雨量的多年平均空间分布Fig.6 Spatial distribution of multiple-year mean of the rainfall of SPRH from 1980 to 2019

3.4 春雨量的空间分布型

对1980—2019年湖南春雨进行EOF分解得到前两个模态。第一模态(方差贡献为70.1%)在湖南均为正值,表明湖南春雨具有较好的空间一致性,春雨量普遍偏多或偏少,其中第一模态正值的大值区主要分布在湘中以南地区(图7a)。采用1.2倍标准差为基准,得到第一模态时间系数异常年份,其中1981、1992、2014、2016年超过1.2倍标准差,为全省一致强春雨型;1991、1994、2008、2011年超过-1.2倍标准差,为全省一致弱春雨型(图7b)。

第二模态(方差贡献为10.1%)在湖南呈“北负南正”分布,零等值线基本沿湖南省中部一线分布(图7c),说明湖南春雨呈南北反位相的关系,即南部偏多北部偏少或南部偏少北部偏多。采用1.2倍标准差为基准,得到第二模态时间系数异常年份,其中1999、2002、2003、2015、2018年超过-1.2倍标准差,为北部偏多型;1980、1996、2000、2019年超过1.2倍标准差,为南部偏多型(图7d)。

图7 1980—2019年湖南春雨量EOF分解的(a)第一空间模态及其(b)时间系数,和(c)第二空间模态及其(d)时间系数Fig.7 Spatial distribution (a, c) and corresponding time coefficients (b, d) of the first (a, b) and second (c, d) modes of EOF of SPRH rainfall amount from 1980 to 2019

由于第一空间模态的方差贡献率达到70.1%,可以较好地表现湖南春雨的主要空间分布型特征,因此本文只对湖南全省一致强/弱春雨型的异常环流特征进行分析。

4 春雨期环流及前期海温异常特征

大气环流异常变化是影响湖南春雨变化最直接、最重要的因素,海温变化通过海气相互作用导致大气环流异常进而影响湖南春雨的多寡。对前面通过EOF分析划分的湖南全省一致强、弱春雨年的大气环流(500 hPa位势高度场、850 hPa风场及整层水汽输送场等)进行合成分析,得到湖南强、弱春雨的环流异常特征,通过对湖南春雨指标与前期海温进行相关分析,得到不同海温异常分布型背景下的湖南春雨异常特征。

4.1 春雨强弱年大气环流异常特征

大气环流异常是导致降水异常的最直接的原因(谭桂容等,2018),500 hPa位势高度场能够较清晰地反映大气环流的异常特征(魏凤英等,2012),850 hPa风场作为低层大气环流的代表可以反映大气环流的辐合辐散。从全省一致型强、弱春雨年500 hPa位势高度距平场和850 hPa风场距平场的合成(图8)可以看出,全省一致型强春雨年(图8a),欧亚中高纬“西低东高”,长江以南至南海以北地区正高度距平相对偏低,其中江南南部至华南北部为负高度距平场控制,西太平洋副热带高压(以下简称西太副高)较常年明显偏强、偏西。印缅槽涡度指数(Wang et al,2011)距平为-0.32,表明印缅槽较常年偏弱,850 hPa风场异常表现为孟加拉湾、菲律宾以东洋面和我国东北地区为异常反气旋环流控制,在中南半岛至华南地区为明显的异常西南风控制,我国东北地区至黄海为异常偏北风控制,有利于偏东路的冷空气与西南暖湿气流在我国西南地区东部至江南地区汇合,西南地区东部至我国江南地区为异常气旋环流控制,湖南为异常气旋环流中心,导致春雨较常年明显偏多。

全省一致型弱春雨年(图8b)500 hPa位势高度距平场表现为中高纬为纬向环流控制,东亚地区“北正南负”分布,由河套地区至我国西南地区东部为正高度距平控制,西太副高较常年明显偏弱,印缅槽涡度指数距平为0.53,表明印缅槽较常年偏强,850 hPa风场异常表现为孟加拉湾和菲律宾以东洋面为异常气旋环流控制,我国东部地区为偏北风控制,在西南地区东部至江南西部有一个异常反气旋,不利于水汽输送,导致湖南春雨较常年明显偏少。

图8 (a)强春雨年、(b)弱春雨年的500 hPa高度距平场(填色,单位:dagpm)和850 hPa风场距平场的合成(黑色粗线表示588 dagpm和586 dagpm线,红实线表示气候平均态588 dagpm和586 dagpm线,绿色圆点表示500 hPa高度距平场通过0.05显著性水平检验的区域)Fig.8 The strong (a) and weak (b) SPRH years composition of 500 hPa geopotential height anomalies (colored, unit: dagpm) and 850 hPa wind anomalies(Red solid lines indicate the average climate state of 586 and 588 dagpm lines, black solid lines indicate 586 and 588 dagpm lines, green dots indicate the 500 hPa geopotential height having passed the 0.05 significant level test)

我国南方地区的主要水汽来源包括来自孟加拉湾的水汽及西太副高西侧的西太平洋和南海的水汽,且对流层低层来自印度洋的水汽输送为最主要水汽来源(丁一汇和胡国权,2003;李淑萍等,2015;曲姝霖等,2021)。从强、弱春雨整层水汽输送距平及水汽通量散度异常场(图9)可以看出,在强春雨年(图9a)低纬地区的西南水汽较常年明显偏强,水汽分别经西南、正南输送路径将水汽输送东亚地区,在西南地区东部至东海形成一条异常水汽辐合带,导致上述区域降水偏多,而湖南处于异常水汽辐合带的辐合中心,导致降水较常年明显偏多。在弱春雨年(图9b)我国东部地区为东北干冷气流控制,在西南地区东部至东海形成一条异常水汽辐散带,而湖南位于异常水汽辐散中心,导致春雨期降水偏少。

图9 (a)强春雨年、(b)弱春雨年的整层水汽通量距平场(矢量箭头,单位:kg·s-1·m-1)和水汽通量散度异常场(填色,单位:10-5 kg·s-1·m-2)(红色圆点表示水汽通量散度通过0.05显著性水平检验的区域,灰色阴影为青藏高原)Fig.9 The strong (a) and weak (b) SPRH years composition of vertically integrated water vapor flux anomalies (vector arrow, unit: kg·s-1·m-1) and its divergence anomalies (colored, unit: 10-5 kg·s-1·m-2)(Red dots indicate the vertically integrated water vapor flux divergence having passed the 0.05 significant level test, and gray area denotes the Qinghai-Tibet Plateau)

4.2 春雨与前期海温相关

图10 1980—2019年湖南春雨指标与前冬海温的相关(a)春雨开始时间,(b)春雨期,(c)春雨量,(d)春雨强度指数Fig.10 Distribution of correlation coefficient between the SPRH monitoring index and sea surface temperature (SST) in previous winter from 1980 to 2019(a) onset date, (b) length of rainy season, (c) rainfall, (d) intensity index of SPRH

图11 1980—2019年前冬区海温指数与春雨期500 hPa高度场及850 hPa风场的相关(黑色粗箭头表示850 hPa风场通过显著性水平检验的区域,灰色区域为青藏高原)Fig.11 Correlation between index in early winter and 500 hPa geopotential height field and 850 hPa wind in SPRH respectively from 1980 to 2019(Thick black arrows denote the area of 850 hPa wind speed having passed the significant level test, and gray area denotes the Qinghai-Tibet Plateau)

5 结 论

本文采用湖南97个气象站点逐日降水资料,结合再分析资料等,确定了湖南春雨建立的上游西南风速关键区,定义了湖南春雨监测指标,分析了湖南春雨指标的时间变化特征及春雨的空间分布特征,探讨了湖南春雨强、弱年大气环流和水汽输送的异常及前期海温异常特征,主要得出以下结论:

(1)确定了湖南春雨建立的关键区域为上游西南风速高相关区(17.5°~22.5°N、105°~110°E),定义了湖南春雨建立、春雨结束、春雨期、春雨量及春雨强度指数等监测指标。

(2)湖南春雨发生的时段气候平均为第13~27候,但不同年份开始和结束的早晚不尽相同。湖南春雨量在20世纪80年代中期以前、2014年以后偏多,20世纪80年代中期至2013年偏少。湖南弱春雨年均发生1990年以后,其中20世纪90年代发生3 a、2000—2019年发生5 a。湖南春雨存在2~3、3~5、8~10 a和18 a左右的振荡周期。

(3)湖南春雨量呈自东部、南部向西部、北部逐渐递减的空间分布形态,全省一致偏多(偏少)型可以较好地表现湖南春雨的主要空间分布型特征。

(4)全省一致型强春雨年西太副高明显偏强、偏西,印缅槽偏弱,低层风场在我国江南地区有异常气旋环流控制,有利于水汽在上述区域辐合,湖南为异常气旋环流中心,导致降水较常年明显偏多;全省一致型弱春雨年西太副高明显偏弱、印缅槽偏强,低层风场在我国东部地区为偏北风控制,在西南地区东部至江南西部有一个异常反气旋,不利于水汽输送,导致湖南降水较常年明显偏少。

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