2019年5月美国持续性降水异常影响因素分析❋

杨 晶， 孙即霖,2❋❋， 宁方悦

(1. 中国海洋大学海洋与大气学院， 山东 青岛 266100; 2. 中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室， 山东 青岛 266100)

政府间气候变化专门委员会(Intergovemmental Panel on Climate Change，IPCC)2007年的政策制定者断言:在大多数陆地地区，在全球变暖的背景下，据观测，大气中的水汽不断增加，强降水事件的频率增加，与气候变暖和观测到的大气水汽增加一致。过去几年发表的大量关于极端降水的研究印证了这一说法[1-3]。持续性降水因其持续时间长、影响范围广而具有较高的致灾性，对持续性降水的机理和预报研究是当前国际大气科学领域的一个研究热点和前沿问题。春季连阴雨发生几率较小，预报难度较大，所以倍受气象工作者所关注。持续性降水往往与稳定的大尺度环流异常有关[4]。连阴雨是大气环流由不稳定走向较稳定，长波、超长波停滞造成的，它们受多个系统的交替影响，主要包括中高纬度西风带系统和中低纬度副热带系统的相互牵制和共同作用[5]。

研究发现，降水时间的频率和强度在近年来都呈现出增加的趋势，并且在全球持续升温的背景下，中纬度大部分陆地地区的降水事件将很可能变的更加频繁，强度也将更大[6]。在美国堪萨斯州，湿期呈增加趋势，干期趋于减少[7]。

翟盘茂等[8]通过对大量持续性暴雨历史个例的典型环流分析,发展并建立了“三维天气学概念模型”，即高层急流稳定维持，中层中高纬为单阻或双阻型阻高，西太平洋副热带高压(副高)位于20°N附近,低层为强烈的水汽输送，可对中国江淮地区的持续性降水极端天气给出解释。谢巨伦[9]提出了春季连阴雨预报的三类高空起始场(阻高型、槽脊型、低压型)天气模型。针对大气环流的若干问题和北半球冬季阻塞形势，老一代气象学专家发现不同时间尺度的天气过程与不同空间尺度的长波或超长波活动相联系[10-11]。李麦村等[12]指出，长江流域春季连阴雨形成是一种超长波在长江流域活动的结果：东亚急流分支比较清楚，急流上的槽脊位相不同甚至反相，这样南支向长江中下游输送的暖湿空气与北支输送的冷空气在长江中下游得以交汇，形成切变线和准静止锋，从而形成阴雨。

春季连阴雨是一种重要气象灾害。由于阴雨维持时间长，致使农作物水分过剩造成阴湿害、渍害和涝灾，同时因光照不足，加之湿度过大，易引发烂种和烂苗; 当降水量过大时，土壤湿粘度增大，农田不能进行耕作，春播时间推迟，会给春播、春管带来一定影响。王保生等[13]分析了春播低温阴雨导致减产的重要原因; 吴洪颜等[14]在对春播连阴雨的研究中给出了春季连阴雨与夏粮产量的相关关系。由于地理位置的关系，影响美国连阴雨天气的大气环流特征与中国存在很大尺度的类似。2019年5月，美国连续两周饱受恶劣天气和大雨的困扰，再一次打破了美国自1895年以来全年降雨量最多的纪录。2019年5月是美国历史上第二多雨的月份，全国月平均降雨量约为112.014 mm，略低于2015年5月的112.776 mm。作为粮食出口大国的美国，玉米和大豆的播种均创历史同期最低水平。

在经济全球化的当下，中国需要从作为大豆出口大国的美国进口玉米和大豆，春季连阴雨天气对春播、春管具有重要的影响，并且美国与中国同处北半球中纬度地区，都受北极冷空气的影响，北极极涡偏西则美国偏冷、中国对应高温，影响的主要天气系统近似，对于中国持续性降水也有一定的借鉴意义。对2019年5月美国连续降水的气候特征及成因进行分析和研究，深入理解极端天气和气候事件，为中长期天气预报和短期气候预测提供参考，具有明显的理论意义和应用价值。

1 资料与方法

本文采用美国国家环境预报中心/国家大气研究中心(NCEP/NCAR)联合执行的全球大气30年日平均再分析资料，格距为2.5(°)×2.5(°)，垂直方向从1 000～10 hPa分为17层，所用变量包括海平面气压场、风场、位势高度场等，资料年代为1981—2019年。降水数据为美国国家海洋和大气管理局(National Oceanal and Atmospheric Administrator，NOAA)气候预测中心(Climate Prediction Center，CPC)全球统一降水数据产品，格距为0.5(°)×0.5(°)。海温场资料采用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)扩展重建的海洋温度(ERSST)数据集为版本4(V4)，格距为2(°)×2(°)。

本文在给出降水变化特征的基础上，首先利用空间谐波分析方法分别提取了不同纬度大气平均层位势高度1981—2010年气候日平均和2019年5月日平均场的1～5波，对不同纬度带大气超长波与长波的特征进行了分析，然后利用诊断和对比，以500和850 hPa等压面上垂直运动分别分析了对流降水和锋面抬升降水的影响，结合850 hPa上的水汽通量分布特征，综合分析了造成2019年5月美国极端持续性降水的天气和气候特征。

2 结果分析

2.1 2019年5月美国降水特征

2019年5月下旬，美国连续两周饱受恶劣天气和大雨的困扰。从图1看出，美国大部分时间降水都高于年平均值，其中主要分为两个阶段：5月1—12日和5月17—30日。为了对比两次降水过程的发生及持续原因，选取两个阶段中降水较为明显的时间段5月8—12日和5月18—22日进行比较。从图2看出，5月8—12日降水主要分布在美国东南部，而5月18—22日降水主要分布在美国中部地区。

图1 美国地区(30°N—50°N, 80°W—120°W)2019年5月(蓝色柱)及气候态平均(黑色折线)日降水量Fig.1 Daily precipitation in May， 2019 (blue column) and climate states(black line) in the United States(30°N—50°N, 80°W—120°W)

图2 2019年5月美国日平均降水量异常(填色，单位: mm·d-1)

2.2 原因分析

2.2.1 不同纬度行星尺度波动的异常特征 从图1和2可以看出，短期气候降水异常与天气过程降水密切联系，月平均降水的偏多主要与两个阶段持续性强降水的天气过程相联系。为了探究其原因，本文首先通过谐波分析对500 hPa位势高度在1981—2010年气候日平均和2019年5月日平均时间尺度上，北半球不同纬度波动能量的分布进行了计算(见图3)。Luo等[15]指出，天气尺度波与行星尺度波相互作用并向行星尺度波传递能量，进而使行星尺度波发生异常变化。通过图3看出，与1981—2010年日平均气候平均的大气波动特征相比，2019年5月份北半球的大气波动特征具有明显的异常特征：在45°N—60°N是为2波主导的分布且3波较气候态异常偏强，而在60°N以北的极区则表现为异常明显的1波为主且远较气候态振幅偏强的特征。在60°N附近表现为4波为主且较气候态异常偏强的特征。

持续性降水发生与影响降水天气系统的移动缓慢或准静止波动的存在有密切关系。根据Rossby波速传播公式，大气波动传播的速度主要受波长、平均西风速度和地理纬度的影响。由于波长的原因，1～4波移动缓慢甚至静止或西向缓慢移动。

图3 2019年5月(a)和1981—2010年平均5月(b)北半球纬向1～5波振幅随纬度的分布

对比图3(a)和3(b)可以得出：从大气波动能量的角度，影响北美2019年5月持续性异常降水的大气环流主要体现在40°N以北直到北极地区的高纬度地区。北极区具有1波特征的超长波远较气候平均态明显可能具有影响作用，而40°N—60°N纬度带内的大气超长波、长波导致的大气环流异常可能对持续性异常降水具有直接的影响。

2.2.2 两次持续性强降水阶段的大气环流及异常环流特征 由于谐波分析无法得出波动的空间分布，采用候平均的位势高度场滤除天气尺度系统的天气形势场进行分析(见图4)。

图4 500 hPa位势高度异常场(填色，单位: gpm)及位势高度平均场(黑色等值线)

图5 300 hPa风场平均场(矢量,单位:m·s-1)及风场异常场(填色，单位：m·s-1)

2.2.3 两次持续性强降水阶段的垂直运动特征 在水汽条件满足后，垂直运动是造成降水的主要原因。在候平均时间尺度上，由于不同纬度上行星尺度波动相互影响可形成行星尺度的锋区。图6给出了两次持续性强降水阶段，行星锋区的空间分布。从图中可以看出，5月8—12日的阶段，由于阿拉斯加湾附近上空阻塞高压的存在，行星锋区被分为两段，对应的高空西风急流也分为两支，而5月18—22日的阶段，北支急流明显减弱接近消失；南支急流的强度增大(见图5)。对比图2发现，第1个阶段的降水区域分布与锋区的走向一致，而第2个阶段的降水区域分布则与行星锋区的走向具有比较大的差异。不仅如此，降水区中第2次降水的强度明显偏强。为分析两次过程中造成降水区域和降水强度差异的原因，作者根据雨层云降水时850 hPa附近的垂直上升运动相对明显，而对流性降水情况下，500 hPa附近的垂直上升运动相对更加显著的特征，对两次过程的垂直运动场的分布特点进行了分析(见图7)。

对比分析图5、6和7，可以发现，第1次降水过程受锋面直接影响产生的垂直上升运动对降水的影响相对较大，而第2次降水过程则主要受对流运动有关的上升运动影响。

两次降水过程中，高空急流南侧的辐散导致的对流上升运动都对降水过程的影响具有显著影响，但第2次降水过程中纬度较高地区的上升运动则与高空急流出口区的强上升运动紧密联系在一起，而中低纬度地区的降水区域与行星锋区紧密联系。第2次过程中降水区域在500和850 hPa上，垂直运动异常场都表现为明显的上升运动。

由两次持续性强降水阶段的垂直上升运动特征可以得出：在候平均时间尺度上，由于热成风原理，行星锋区与高空西风急流位置具有很好的对应关系。由于行星锋区(高空西风急流)的形状与行星尺度波动密切联系，因此，根据不同纬度行星尺度波动影响的行星锋区的位置和强度变化，可用于持续性降水落区的分析和判断。

图6 850 hPa位势高度(黑色实线)与气温(红色实线)的水平分布

丰富的水汽是持续强降水的必要条件。分析两次降水过程的水汽输送条件，发现：在第2次持续性强降水阶段，由于阿拉斯加湾上空的阻塞高压接近消失，行星锋区北侧的冷气团势力增强，而墨西哥湾上空的副热带高压在两次降水过程中都非常稳定，导致锋区的强度增加。但锋生作用的强弱在行星锋区的不同位置具有明显的差异：锋区强度增强地区上空的西风急流加速，在与下游锋区强度变化不大的位置上形成了西风急流的出口区。在对流层低层，受锋生作用影响大的地区风速增大，850 hPa水汽通量场(见图8)可以看出，尽管5月8—12日和18—22日两次过程的水汽都主要来自墨西哥湾的暖湿气流输送，而18—22日水汽正异常值偏大，在西风急流出口区的下方，水汽通量的辐合程度也明显增大，与急流出口区的强上升运动一起，造成了较高纬度强降水中心的形成。

2019年4月，阿拉斯加湾附近的海温异常偏高(见图9)。黄荣辉[16]指出，当夏季青藏高原热源增强，其热力强迫产生的定常行星波可以向对流层上层传输，进而使大气环流产生异常。根据位势倾向方程第3项，异常感热加热使得500 hPa位势高度增加。由于海温异常偏高，热力强迫脊对阿拉斯加湾附近高压脊偏强也可能具有影响。Sun等[17]指出，50°N纬度热传输方向向北移动，大多数热量从低纬度向高纬度传输。结合AO指数，2019年4和5月分别为-0.255和-1.231，AO指数为负，北极和极地外冷暖空气交换显著，阻塞高压后部的暖空气进入北极，造成阻塞高压前部北极冷空气南下，与稳定的副高一起，在美国上空形成较强的锋面和高空西风急流，造成持续性的降水。

图7 500 hPa(a,b)和850 hPa(c,d)垂直速度异常(填色，单位: m·s-1)

图8 850 hPa水汽通量异常(填色， 单位: kg·s-1·hPa-1·cm-1)和风场异常场(矢量，单位：m·s-1)

图9 2019年4月海表面温度异常(填色，单位: ℃)

3 结论和讨论

在全球变暖背景下，极端性天气过程出现的可能性明显增加。本文对发生在2019年5月份美国降水异常偏多事件的分析表明，月平均时间尺度降水量的偏多可能与持续性强降水过程具有密切的联系。造成持续性强降水的大气环流条件是不同纬度带行星尺度波动影响的结果。不同纬度行星尺度波动的配合可以造成行星锋区强度的变化，受热成风的影响，对高空西风急流的强度和速度的空间分布产生影响。本文的研究表明：

(1) 北半球不同纬度行星尺度波位相的配置构成了有利于持续性降水的环流形势：北极区呈现明显的1波结构，与45°N—60°N纬度带中异常偏强的2、3、4波结构相互叠加，造成持续时间较长的异常稳定环流形势，不同波数大气超长波和长波在阿拉斯加附近上空的叠加与偏暖的阿拉斯加湾海水的热力强迫一起，形成了振幅大，移动缓慢的高压脊;受3波结构影响，墨西哥湾上空的副热带高压位置持续稳定。

(2) 阿拉斯加上空异常偏强高压脊前的冷空气造成的锋区强度增加，使与行星锋区相关的高空急流异常偏强，两次过程降水区域分别位于高空急流入口区右侧及出口区左侧的上升运动区，大气对流层低层来自墨西哥湾充足的暖湿气流与强上升运动区相配合，造成了两个异常强的持续性降水阶段。

(3) 造成月平均降水量偏多与大型降水过程密切联系，而行星尺度波动为持续性降水过程提供了有利的大气环流背景条件，影响着行星锋区的强度变化和空间分布，由锋生强度空间分布变化形成的急流出口区和对流层低层的水汽辐合区，造成了强垂直上升运动区和强降水落区。

本文的研究表明，在实际的中期天气预报和短期气候预测的分析中，应当充分考虑极地大气对流层超长波与极地外超长波、长波的位相配置在春季持续性极端强降水的作用。