2021年华北雨季气候特征及华北降水偏多成因初探

赵 琳， 孙林海， 竺夏英， 张永涛， 崔 童，李 威， 艾婉秀， 尹宜舟

(1.国家气候中心，北京 100081； 2.中国气象局·河南省农业气象保障与应用技术重点实验室，郑州 450003；3.河南省气候中心，郑州 450003)

引 言

从气候角度来说，我国东部地区汛期降水主要受东南季风和高原季风的影响，各地雨季的长短和雨量的多寡都与夏季风雨带的进退、移动和停滞有关[1-4]。夏季风雨带从冬到夏逐渐向北推移，一般在7月份到达华北[5]。华北地区由于受到季风气候的影响，降水季节分配不均，降水量主要集中在夏季，约占全年降水量的65%-75%，是我国东部地区降水集中程度最大的一个地区。华北雨季一般集中在7-8月，但因逐年雨季来临迟早不一、强弱变化差异显著，相应的夏季出现的旱涝灾害也较为频繁[6-7]，对国民经济和工农业生产有着直接的影响。

雨季一般指降水较集中的湿润多雨季节，是某一地区每年雨量最大的若干天，往往与干季周期性交替出现。在降水分配不均匀的其他地区，也有将相对多雨的季节划分为雨季的，如我国通常将4、5月划为华南和南岭山区的雨季，6、7月间为江淮地区的梅雨季节等。华北地区的降雨主要集中在7-8月，其中又以7月下旬和8月上旬最为集中，俗称“七下八上”。尤其是北京，这个时期是一年当中雨水最活跃的，平均降雨量占年平均降雨量的60%左右，且降雨强度大，分布极为不均。而华北地区的河北、天津等地，7-8月的降雨量也都超过年平均降雨量的一半。长期以来，我国气象工作者对华北雨季和夏季华北降水进行了大量研究[8-13]，取得丰硕的科研成果：华北雨季降水的多少与东亚夏季风的强弱有很好的对应关系[14-15],除了受东亚夏季风系统成员的直接影响外[16-19]，华北雨季降水还间接地受热带太平洋海温、印度洋海温、北大西洋海温、南大西洋海温、南极涛动、北极海冰及其导致的异常波列等因素的影响[20-26]。

1 资料与方法

1.1 数据来源

本文所使用的资料包括：国家气候中心1961-2021年华北雨季的监测数据；国家气象信息中心提供的华北地区236个测站1961-2021年逐日降水量；NCEP/NCAR的日和月平均再分析数据，时间范围为1948-2021年，空间分辨率为 2.5°×2.5°。气候值均采用1981-2010年平均。

本文分析方法主要有统计分析、环流合成分析等。华北雨季监测区、起始日、综合强度等划分方法详见1.2。

1.2 华北雨季划分方法

华北雨季是指受东亚夏季风向北推进影响，每年7月中下旬至8月上中旬为华北地区降水最集中的时期。华北雨季降水强度大，时空分布极为不均，可伴随雷电、大风、冰雹等强对流天气；同时，受季风气候影响，华北雨季长度年际变化大，强弱变化差异显著。

1.2.1 雨季监测区划分

根据中华人民共和国气象行业标准《中国雨季监测指标 华北雨季》(QX/T 495-2019)[27]，华北雨季共分为3个监测区，即京津冀监测区(包括北京市16站、天津市9站、河北省72站)、晋监测区(包括山西省108站)和内蒙古监测区(包括内蒙古中部31站,图1)。

1.2.2 雨季起始日划分

自7月1日开始，当5 d平均的西北太平洋副热带高压脊线位置在25°N以北时，某站5 d滑动累积降水量不小于35 mm(京津冀和晋监测区)或25 mm(内蒙古监测区)，且5 d内至少有一天日降水量不小于10 mm，则首个日降水量不小于10 mm的日期为该站雨季开始日。雨季开始后，某站截至某日，连续10 d中5 d滑动累积降水量均不大于35 mm(京津冀和晋监测区)或25 mm(内蒙古监测区)，则将此日定为雨季结束日。分区内雨季已经开始的站点累计比例达到或超过该分区所对应的比例阈值时，则将该日定为该分区雨季开始日；分区内雨季已经结束的站点累计比例达到或超过该分区所对应的比例阈值时，则将该日定为该分区雨季结束日。各分区雨季开始日和结束日阈值见表1。3个监测区域中，最早进入雨季的某区域雨季开始日期作为华北雨季的开始日期，最晚结束的某区域雨季结束日作为华北雨季的结束日期。

图1 华北雨季监测站点分布

表1 华北雨季各分区雨季起讫的站点累计比例阈值 %

1.2.3 雨季综合强度

华北雨季综合强度指数(M)计算公式为

(1)

式中，L为某年雨季长度,L0为雨季长度的气候平均值,P为某年雨季降水量,P0为雨季降水量的气候平均值,(P/L)为某年雨季内平均日降水强度,(P0/L0)为雨季内平均日降水强度的气候平均值。

2 华北雨季气候特征及成因分析

2.1 2021年华北雨季气候特征

2.1.1 雨期长，雨量大

2021年华北雨季于7月12日开始，较常年(7月18日)偏早6 d；于9月9日结束，较常年(8月18日)偏晚22 d；雨季长度为59 d，为1961年以来第2长，仅次于1973年的60 d(图2)。2021年华北雨季平均雨量为276.4 mm，较常年(136.0 mm)偏多103.2%，为1961年以来第3多年份，仅次于1988年的311.9 mm和1996年的309.5 mm(图3)。

图2 1961-2021年华北雨季长度历年变化

图3 1961-2021年华北雨季平均雨量历年变化

2.1.2 雨季综合强度大，降水极端性强

2021年华北雨季综合强度为1.92，达“强”等级，为1961年以来第3强(见图4)。华北雨季期间(7月12日至9月8日)，华北雨季监测区(以下简称监测区)平均暴雨日数为1.04天，较常年同期偏多0.44天。北方共出现4次区域性暴雨过程，其中对华北地区影响明显的是7月10-13日、7月24-30日过程，降水集中在7月11-13日和7月29-30日。

雨季期间，监测区共有34个国家级气象观测站日降水量达极端事件监测标准，其中北京顺义(223.3 mm)和山西永济(111.5 mm)的日降水量突破当地历史极值；有23个国家级气象观测站连续降水日数达极端事件监测标准，其中内蒙古察右前旗(14 d)和河北唐山(11 d)2站连续降水日数突破当地历史极值；有28个国家级气象观测站连续降水量达极端事件监测标准，其中山西平顺(321.8 mm)和陵川(220.2 mm)连续降水量突破当地历史极值。

图4 1961-2021年华北雨季综合强度历年变化

2.1.3 气温呈东低西高分布，降水偏多且阶段性明显

雨季期间，监测区平均气温为22.6 ℃，接近常年同期值，气温呈东低西高分布。北京、天津和河北中北部等地气温较常年同期值偏低，其中北京北部、天津北部及河北东北部偏低0.5～1.5 ℃；河北中南部、山西大部气温较常年同期偏高，其中山西中西部偏高0.5～1.0 ℃(图5a)。

雨季期间，监测区平均降水量为276.4 mm，较常年同期值偏多33.7%，呈东多西少分布。北京、天津、河北大部及山西东南部降水量较常年同期值偏多2成至1倍，局地偏多1倍以上；山西中西部降水量偏少2～5成(图5b)。京津冀监测区降水量(398.9 mm)较常年同期值偏多65%，为1961年以来历史同期降水量第5多，其中北京偏多近1倍，为历史同期降水量最多。

雨季期间降水阶段性特征明显，主要集中在3个时段(图6)：第1个时段为7月12日至30日，监测区累计雨量为135.1 mm，较常年同期值偏多83.7%；第2时段为8月15日至24日，累计雨量为51.0 mm，较常年同期值偏多70.7%；第3阶段为8月30日至9月6日，累计雨量为56.6 mm，较常年同期值偏多2.1倍。

图5 2021年华北雨季期间监测区气温距平(a)和降水距平百分率(b)分布图

图6 2021年华北雨季期间监测区降水量逐日变化

2.1.4 暴雨洪涝与干旱等气象灾害并发

强降雨致海河流域滦河发生洪水。7月11-13日，华北大部地区出现降水，累计降水量一般有25～100 mm，华北东部和南部部分地区超过100 mm。京津冀晋4省(市)50 mm及以上累计降水覆盖面积达14.9万km2，影响人口7738.5万人。受其影响，7月13日海河流域滦河发生洪水，北京、河北和山西等地农作物受灾。

华北多地遭受大风、冰雹等强对流天气影响冰雹等强对流天气影响。8月13-15日，河北承德和保定等地受强对流天气影响，4万多人受灾，直接经济损失超过1亿元。

华北西部降水偏少出现气象干旱。7-8月，华北西部降水量持续偏少，较常年同期偏少2～5成，局地偏少5成以上。7月下旬华北西部气象干旱开始露头并发展，8月18日中旱及以上面积最大为9.4万km2。8月中旬和9月初旱区出现降水，干旱形势缓和。受干旱影响，山西多地农作物生长受到影响，部分地区出现人畜饮水困难。

2.2 成因和预测信号

拉尼娜事件是2021年华北雨季偏强的重要外因，也是最重要的年际预测信号。自2020年8月开始，赤道中东太平洋经历了一次中等强度的拉尼娜事件，于2021年4月结束。研究表明，拉尼娜事件发生次年夏季西太平洋副热带高压容易偏北，东亚夏季风偏强，夏季华北地区上空垂直上升运动加强，有利于我国夏季主雨带偏北，华北地区降水易偏多[28]。此外，2020年冬季和2021年春季青藏高原积雪也是另一年际预测信号。2020年冬季和2021年春季青藏高原积雪明显偏少,高原与海洋热力对比大，季风经圈环流偏强，东亚夏季风偏强，有利于夏季华北降水偏多[29]。图7是2021年华北雨季期间110°-120°E平均的经圈环流距平场，从总体上看,华北雨季期间,我国东部地区基本都为上升运动，说明季风环流偏强，与我国东部降水整体偏强相对应，华北地区(35°-45°N)也呈上升运动，对应华北地区降水偏多。

图7 2021年华北雨季期间110°-120°E平均的经圈环流距平场和垂直速度阴影为垂直速度，单位：0.01 Pa/s

造成2021年华北雨季偏强的直接原因则是大气环流异常。从2021年华北雨季期间500 hPa环流及其距平场(图8)上可以看出，在东亚中高纬，500 hPa距平环流场呈现“东高西低”分布，是较为典型的我国东部降水偏多的环流形势，贝加尔湖至我国长江下游的大槽也很明显，非常有利于冷空气的南下。结合整层水汽通量距平场及水汽通量散度(图9)和低层850 hPa距平风场(图略)分析，2021年华北雨季期间，我国东海南部对流层低层850 hPa距平风场为异常气旋式环流控制，我国江淮东部、黄淮东部和华北东部受到该异常气旋环流东北侧的偏南风距平影响，来自海上的暖湿水汽源源不断地向我国北方地区输送，形成低层水汽汇合，水汽条件持续偏好，冷暖空气在北方地区交汇，直接造成华北东部等地降水偏多。

图8 2021年华北雨季期间500 hPa环流场及其距平场红色线为1981-2010年气候值;阴影为高度距平，单位：gpm

图9 2021年华北雨季期间对流层整层积分水汽通量距平场及水汽通量散度矢量为水汽通量，单位：kg/(s·m)；阴影为水汽通量散度，单位：10-5kg/(s·m2)

3 结果与讨论

本文利用降水资料、NCEP再分析资料，通过合成分析等统计方法，分析了2021年华北雨季的气候特征和华北地区降水偏多的成因及其预测信号，结论如下:

(1)2021年华北雨季开始早、结束晚、雨期长、雨量大。2021年华北雨季开始日期较常年始日偏早6 d；结束日期较常年结束日偏晚22 d；雨量较常年雨量偏多103.2%；雨季长度为1961年以来的第2长。

(2)雨季综合强度大，降水极端性强，多种气象灾害并发。2021年华北雨季综合强度达“强”等级，为1961年以来的第3强。监测区多站日降水量、连续降水日数和连续降水量突破当地历史极值。雨季期间，华北地区暴雨洪涝与干旱等气象灾害并发，部分地区受灾严重。

(3)2020年8月至2021年4月的拉尼娜事件是2021年华北雨季偏强的重要外因，也是最重要的年际预测信号。另外，2020年冬季和2021年春季青藏高原积雪偏少是2021年我国北方降水偏多的另一年际预测信号。

(4)造成2021年华北雨季偏强的直接原因是大气环流异常，500 hPa东亚中高纬呈现“东高西低”距平环流分布，贝加尔湖至我国长江下游的大槽非常有利于冷空气南下，850 hPa我国长江以北地区受到异常气旋环流东北侧的偏南风距平控制，给北方地区带来良好的水汽输送。冷暖空气在北方地区交汇，造成华北东部等地降水偏多。