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2019年7月上半月中国南方降水异常偏多成因分析

2022-09-23吴珊珊邹海东

干旱气象 2022年4期
关键词:位势海温散度

吴珊珊,邹海东

(1.江西省气候中心,江西 南昌 330096;2.江西师范大学鄱阳湖湿地与流域研究教育部重点实验室,江西 南昌 330022;3.贵州省务川仡佬族苗族自治县气象局,贵州 遵义 564300)

引言

每年7月上半月正值我国南方地区双季早稻成熟收割期,降水量偏多会造成早稻谷穗出现发芽现象,影响双季稻产量和品质,持续性降水会使早稻长期浸泡,引起倒伏甚至绝收,给农业生产和社会经济带来重大影响。因此开展我国南方地区7月上半月降水异常的研究有重要科学意义和应用价值。

我国南方地区位于东亚季风区内,受夏季风影响,降水主要集中于4—6月[1],而7—8月,受西太平洋副热带高压(简称“西太副高”)西伸北抬影响,通常为晴热少雨时段。因此,对我国南方地区降水的变化特征、形成机理研究也聚焦于降水集中期[2-4]。通常7月上半月是我国南方地区大气环流调整(如西太副高西伸北抬)的主要时段,且具体调整时间具有明显的年际变化特征,这使得该区域7月上半月的降水情况相对复杂。该时段降水异常不仅与西太副高和中高纬大气环流异常有关,还与不同海区的海温异常、欧亚和高原积雪、海冰等外强迫有关,且这些影响因子之间存在协同作用,给该区域7月上半月的降水预测带来一定困难[5-7]。

研究发现西太平洋副热带高压的位置和强度变动是7月我国南方地区旱涝的最直接原因[8-10],此外厄尔尼诺通过影响大气环流进而间接影响我国南方降水[11-14]。不同海区的海温异常也是影响我国南方降水的重要因子,例如热带印度洋的海温偏高,激发出近地层异常气旋性环流,其东侧的异常偏南风向北输送大量水汽,有利于我国南方地区降水增多[15-16];冬季北大西洋海温三极子指数为负时,有利于次年夏季乌拉尔山高压脊发展,东亚夏季风偏弱,有利于长江中下游及其以南地区降水偏多[17]。

2019年7月上半月我国南方地区出现异常降水,其累计降水量大、影响范围广、持续时间长,异常降水导致湖南、江西、福建等地出现较严重的洪涝灾害,许多农田受淹、农业设施受损,给灾区群众生产生活带来了严重影响[18-20]。本文针对2019年7月上半月我国南方地区的异常降水,选用非地转湿Q矢量诊断方法(一种对持续性降水定量诊断分析十分有效的方法)[21],开展定量诊断分析,以期揭示2019年7月上半月我国南方降水异常的形成机理,为我国南方地区7月上半月的降水预测提供参考。

1 研究区域

本文研究区域为中国南方地区(110°E—120°E,25°N—30°N),包括湖南、江西、福建、浙江等地,是我国双季稻的主要产区,水稻产量和播种面积位居全国前列,在我国粮食安全中有至关重要的作用。7月上半月是该地区双季早稻成熟收割时期,持续性降水会使早稻谷穗发芽或倒伏。2019年7月上半月该地区出现了降水异常,从7月1—15日中国区域降水量及降水距平百分率空间分布(图略)可以看到,该地区降水量超过200 mm、降水距平百分率超过200%,累计降水量大、影响范围广、持续时间长,给当地早稻的品质和产量带来了严重影响。因此,主要针对2019年7月上半月中国南方地区降水异常进行分析。

2 资料

利用国家气象信息中心提供的中国区域约2400个国家地面气象站1981—2010年及2019年7月1—31日逐日降水量进行降水实况分析。选用美国国家环境预报中心和大气研究中心(National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research,NCEP/NCAR)提供的再分析资料,具体为:(1)水平分辨率为2.5°×2.5°的1981—2010年及2019年7月1—15日逐日再分析资料,包括850~200 hPa风场和位势高度场、700 hPa比湿,用于大气环流分析;(2)水平分辨率为1°×1°的2019年7月1—15日 逐6 h FNL(final operational global analysis)全球分析资料,包括850~500 hPa风场、温度场、垂直速度、相对湿度等,用于定量诊断分析。选用美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)提供的水平分辨率为2°×2°的1981—2010年及2019年7月1—15日ERSST v5海表温度资料,用于海温异常分析。各种资料的气候平均态均为1981—2010年平均。

3 2019年7月南方地区降水分布及环流形势

3.1 7月降水分布

图1为2019年7月南方地区区域平均降水量的逐日变化。可以看出,降水主要发生在7月1—15日,其中3—9日和12—14日先后出现两次强降水集中时段,且9日区域平均降水量超过40 mm。由于降水范围广、强度大,且第二次强降水集中时段的降水范围与第一次强降雨区重叠度高,导致湖南、江西、福建多地出现较为严重的洪涝灾害。7月15日随着西太副高北跳并控制我国南方地区,集中降水期结束,并出现持续高温天气。

图1 2019年7月南方地区区域平均逐日降水量Fig.1 The average daily precipitation in the southern China in July 2019

3.2 7月上半月大尺度环流形势

图2 2019年7月上半月500 hPa(a)、200 hPa(b)、850 hPa(c)、700 hPa(d)位势高度场(a、b、c,黑色等值线,单位:gpm)、位势高度距平场(a,彩色填色区,单位:gpm)、散度距平场(b,彩色填色区,单位:10-6s-1)、风场距平(c,箭矢,单位:m·s-1)、水汽通量距平(d,箭矢,单位:10-3g·hPa-1·cm-1·s-1)及水汽通量散度距平场(d,灰色填色区为水汽辐合区,单位:10-8g·hPa-1·cm-2·s-1)(红色实线分别为气候平均态5880 gpm线及12 500 gpm线)Fig.2 The geopotential height fields(a,b,c,black isolines,Unit:gpm),geopotential height anomaly field(a,color shaded areas,Unit:gpm),divergence anomaly field(b,color shaded areas,Unit:10-6 s-1),wind anomaly field(c,vectors,Unit:m·s-1),water vapor flux anomaly field(d,vectors,Unit:10-3g·hPa-1·cm-1·s-1)and water vapor flux divergence anomaly field(d,grey shaded areas represents convergence areas,Unit:10-8g·hPa-1·cm-2·s-1)at 500 hPa(a),200 hPa(b),850 hPa(c)and 700 hPa(d)in the first half of July in 2019(The red solid lines are 5880 gpm line and 12 500 gpm line of climate mean state,respectively)

2019年7月上半月500 hPa位势高度场[图2(a)]显示,欧亚中高纬地区为“两槽一脊”型,其中高压脊位于贝加尔湖附近,低压槽分别位于乌拉尔山和鄂霍茨克海附近。中低纬地区,西太副高脊线位于20°N附近,较常年同期偏南5°N左右,5880 gpm线西脊点位于117°E附近,较常年同期偏西4°E。在贝加尔湖高压脊与西太副高之间,有一东北—西南向的低压槽从我国东北一直延伸至江南地区。我国中东部至日本东部海洋地区为位势高度负异常区,负异常中心位于渤海附近。位势高度负异常区正好位于500 hPa位势高度场的槽线附近,表明2019年7月上半月我国中东部地区的低压槽明显偏强。偏强偏南偏西的西太副高和偏强的低压槽有利于来自南海及西太平洋的暖湿气流和低压槽后干冷的西北气流在江南地区交汇。200 hPa南亚高压脊线在25°N附近,与气候平均态相比明显偏南,南亚高压的东脊点(12 500 gpm等值线)位于150°E附近,较常年同期偏东约12°E[图2(b)]。受南亚高压偏南偏东影响,7月上半月主雨带集中于我国南方地区。华南至江南地区高空(200 hPa)辐散明显偏强,有利于中低层上升运动加强。受中层(500 hPa)我国中东部地区异常偏强的低压槽影响,低层(850 hPa)风场距平显示华南至日本南部地区出现明显的气旋性环流[图2(c)],气旋性环流南侧正好位于南海低压槽前,导致我国南方地区风场辐合,且该区域上空存在水汽异常辐合区[图2(d)],有利于强降水出现。综上所述,2019年7月上半月高层南亚高压偏南偏东、中层西太副高偏强偏南偏西、我国中东部地区异常偏强的低压槽、低层江南华南地区位势高度场偏弱共同造成该时段南方地区的异常持续性降水。

4 诊断分析

Q矢量是诊断垂直运动的常用方法之一,为考虑非绝热加热作用,姚秀萍等[21]还提出了非地转Q*=(Qx*,Qy*)矢量,其中Qx*、Qy*分别是x和y方向的非地转湿Q矢量分量,具体公式如下:

在运用非地转湿Q矢量散度分解热力、动力因子前,首先需要检验非地转湿Q矢量散度与垂直速度的关系,如果非地转Q矢量散度与相应时刻的垂直速度对应关系较好,则说明诊断结果可信。

降水是由富含水汽的空气抬升冷却凝结而成,抬升(上升)运动是降水发生的必要条件。图3为2019年7月上半月南方地区平均500 hPa垂直速度、850~550 hPa平均非地转湿Q矢量散度及其3个分量的逐6 h演变。可以看出,2019年7月上半月我国南方地区存在强烈的上升运动(垂直速度小于0 Pa·s-1),且垂直速度与降水的相关系数达-0.82(通过α=0.01的显著性检验)。可见,对垂直运动(特别是上升运动)进行诊断可以揭示2019年7月上半月我国南方地区降水偏多的原因。

图3 2019年7月上半月中国南方地区500 hPa平均垂直速度、850~550 hPa平均非地转湿Q矢量散度及其3个分量的逐6 h演变Fig.3 The 6-hourly variation of 500 hPa regional mean vertical velocity,mean ageostrophic wet Q-vector divergence from 850 hPa to 550 hPa and its three components over the southern China in the first half of July in 2019

由2019年7月1—15日南方地区500 hPa(无辐散层)平均垂直速度逐6 h演变看出,3—9日和12—14日该区域上空垂直速度出现明显负值,与图1中降水集中期正好对应,说明通过诊断垂直运动来诊断降水成因可信。由于500 hPa垂直速度主要是中低层非地转湿Q矢量散度的整体体现,因此由2019年7月上半月南方地区中低层(850~550 hPa)非地转湿Q矢量散度平均值逐6 h演变看出,非地转湿Q矢量散度与垂直速度变化较为一致,两者相关系数达0.80(通过α=0.05的显著性检验),且在降水集中期(3—9日和12—14日)非地转湿Q矢量散度主要为负值,与上升运动(垂直速度小于0 Pa·s-1)吻合较好,表明可以用非地转湿Q矢量散度来进一步诊断这段时期南方地区垂直运动的成因。

2019年7月1—15日非地转湿Q矢量散度的3个分量演变(图3)显示,第三个分量(非绝热加热项)最大,起决定性作用,第一个(斜压项)及第二个分量(温度梯度项)数值较小,说明该时段上升运动(降水)主要由非绝热加热造成。大气中的非绝热加热是维持大气环流和天气系统发展的主要热力强迫因子,非绝热加热可以通过影响夏季风、西太副高等天气系统[23-25],进而对降水产生调控作用,陈桂兴等[26]、邹海波等[27]通过对夏季暴雨过程进行诊断后也得到相似的结果。

5 海温异常及其对大气环流的影响

非地转湿Q矢量的诊断结果表明,造成2019年7月上半月我国南方地区异常降水的上升运动主要由非绝热加热造成,那是什么原因造成南方地区的非绝热加热强盛呢?前文大尺度环流分析表明,2019年7月上半月500 hPa我国中东部地区的低压槽较常年深厚,西太副高较常年偏强偏南偏西。槽后的偏北干冷气流和西太副高西北侧的暖湿西南气流在南方地区汇合,有利于暖湿空气凝结成液态水,并释放潜热(即非绝热加热)反过来加热大气。我国南方地区的水汽通量呈现出明显辐合,这也验证了大气环流异常造成的低层水汽通量辐合是2019年7月上半月我国南方地区非绝热加热强的主要原因之一。

我国南方地区的风场距平与水汽通量距平场非常相似(图2),说明水汽通量的异常主要由风场异常造成,而风场异常即大气环流异常与海表温度等外强迫源的异常密切相关。2018—2019年发生了一次弱中部型厄尔尼诺事件[28],2018年9月进入厄尔尼诺状态,2019年1月达到厄尔尼诺事件标准,2019年7月结束,持续时间达10个月(2018年9月至2019年6月)。中部型厄尔尼诺事件当年夏季,对我国南方降水偏多的影响更为显著[29-30]。2019年7月上半月海表温度距平场[图4(a)]显示,从我国南海及菲律宾附近的海洋性大陆地区至赤道中东太平洋海表温度仍然是正异常,而印度尼西亚群岛邻近海域为负异常,这在赤道西太平洋(120°E—160°E)形成了较大的水平海温梯度,有利于越赤道气流的形成和加强[31],使得低层空气在赤道以北的低空堆积辐合上升[图4(b)],在高层偏东风气流的引导下向西输送,并在80°E—120°E的高空堆积下沉,形成了一个类似于Walker cell的纬向环流。该纬向环流的下沉支位于孟加拉湾至菲律宾一带,且异常的下沉气流有利于激发反气旋环流异常,使西太副高加强和南伸,增加孟加拉湾和南海向我国南方地区的水汽输送,为2019年7月上半月我国南方地区的强降水提供有利条件。

6 结论

7月上半月正值我国南方地区双季早稻成熟收割期,此时降水异常会对农业生产和社会经济带来重大影响。2019年7月上半月我国南方地区出现较为严重的洪涝灾害,本文对2019年7月上半月该区域降水异常进行诊断分析,得到以下结论:

(1)2019年7月上半月南方地区的异常持续性降水发生在高层南亚高压偏南偏东、中层西太副高偏强偏南偏西及我国中东部地区异常偏强的低压槽、低层江南华南地区位势高度场偏弱(气旋性环流异常)的环境中。

(2)持续性降水主要由持续性上升运动造成,2019年7月上半月,非地转湿Q矢量3个分量中非绝热加热项最大,起决定性作用,说明该时段南方地区的上升运动(降水)主要由非绝热加热造成。

(3)2019年7月上半月南方地区的对流层低层处于水汽通量辐合区,南方地区强盛的非绝热加热主要由中低层强盛的水汽通量辐合造成。

(4)赤道西太平洋较大的海温水平梯度,有利于越赤道气流的加强,造成低层空气在赤道以北辐合上升,上升气流在高层偏东风作用下在80°E—120°E附近堆积下沉,形成一个类似Walker cell的纬向环流,且下沉支有利于孟加拉湾至菲律宾一带出现反气旋环流异常,增加孟加拉湾和南海向北的水汽输送,为2019年7月上半月我国南方地区的强降水提供了有利条件。

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