2020年与1998年梅汛期洪涝的异常大气环流及相关海表温度强迫的差异性分析

钱卓蕾 钱月平 马洁华

(1 绍兴市气象台，浙江 绍兴 312000；2 中国科学院气候变化研究中心，北京 100029;3 中国科学院 大气物理研究所竺可桢—南森国际研究中心，北京 100029;4 南京信息工程大学 气象灾害预报预警与评估协同创新中心，南京 210044)

引 言

梅雨是东亚夏季风在向北推进过程中产生的[1]，作为东亚气候系统的重要成员，受到高空西风急流、南亚高压、阻塞高压、西太平洋副热带高压和副热带季风等多种环流系统的影响[2-8]。此外，西北太平洋异常反气旋(Western North Pacific Anomalous Anticyclone，WNPAC)与长江中下游梅雨有显著的联系，WNPAC主要是通过影响西太平洋副高和东亚夏季风的强度来影响长江流域的梅雨[9-11]。

东亚夏季降水的异常，与某些关键区域的海表面温度(Sea Surface Temperature, SST)异常息息相关。前期冬春季节ENSO(El Nio-Southern Oscillation)事件可以影响夏季长江流域夏季降水[11-14]，WANG，et al[15-16]认为在El Nio事件期间，赤道西太平洋海温偏低导致Walker环流减弱，负的对流异常激发Rossby波从而形成WNPAC，WNPAC是El Nio 影响东亚气候的“桥梁”，而在El Nio衰减位相时，WNPAC也会出现异常[17-18]。研究发现印度洋和大西洋海温对夏季降水也有一定的影响：在El Nio(La Nia)事件衰减年的春—夏季，热带印度洋海温异常往往呈现海盆一致增暖(冷却)的分布型，该模态在ENSO影响东亚夏季气候中起到电容器效应；通过激发东传的Kelvin波，导致热带西太平洋地区出现东风异常，以有利于西北太平洋异常反气旋的持续[19-21]；三极型海温异常是北大西洋海温异常年际变率的主要模态之一[22]，它与夏季欧亚中高纬度环流变率关系密切，能够激发向东传播的遥相关波列，使得梅汛期乌拉尔山地区阻塞高压增强或减弱，进而影响长江流域降水强度[23-25]；北大西洋海温异常还通过大气遥相关影响西北太平洋反气旋和西太平洋副热带高压[26-28]。

2020年和1998年梅汛期我国长江流域均出现特大洪涝灾害，这两年的梅雨量均较常年偏多一倍以上，且梅雨期较常年明显偏长。那么这两年的降水分布有何不同之处？影响他们的大尺度环流和海温强迫因子又有什么区别？本研究将围绕这些问题展开分析和讨论。

1 资料与方法

1.1 资料

文中所用的资料为：(1)NCAR/NCEP月平均再分析资料(NCEP/NCAR Reanalysis 1)，网格分辨率为2.5°×2.5°；(2)国家气候中心发布的全国160站月平均降水数据；(3)国家气候中心发布的Nio3、Nio4区海温指数、热带印度洋全区一致海温模态指数(Indian Ocean Basin-Wide Index，简称IOBW指数)和大西洋海温三极子指数(North Atlantic Triple index，简称NAT指数)；(4)美国NOAA 提供的ERSST-V5(NOAA Extended Reconstructed SST V5)全球海温资料，网格分辨率为2°×2°；(5)太平洋中部海温指数(Central South Pacific SST index，简称CSP指数)为(50°～20°S，170°～130°W)区域平均海温距平。

1.2 方法

为统一起见，梅汛期环流系统强度使用系统中心值代表，其中乌拉尔山阻塞高压范围(45°～65°N、40°～80°E)、鄂霍茨克海阻塞高压范围(45°～65°N、120°～160°E)、贝加尔湖低槽范围(45°～65°N、90°～120°E)、巴尔喀什湖低槽范围(35°～45°N、60°～100°E)、东北弱高压脊范围(40°～50°N、110°～125°E)、亚洲东岸低槽(40°～50°N、125°～140°E)、西太平洋副热带高压范围(15°～40°N、110°～180°E)；梅雨锋范围(20°～40°N、110°～130°E)，强度用假相当位温经向梯度中心值表征。文中的距平指相对于1980—2010年多年平均的距平值。回归分析和相关系数所用到的检验方法为t检验法。

使用Takaya, et al[29]推导出的三维波作用通量诊断Rossby波扰动能量传播特征来分析梅汛期大气长波特征。对于非静止Rossby波，其水平分量在p坐标的水平分量由下式给出：

(1)

其中：ψ′为准地转扰动流函数；u′和v′为扰动准地转风；U和V为基本气流的纬向和经向风速分量；U为基本流的气流速度；p为等压面气压；下标x，y分别表示对经度(纬向)和纬度(经向)的差分。

2 实况分析

图1给出了2020年和1998年梅汛期(6—7月)降水距平百分率的空间分布。在2020年(图1a)，长江流域是一致的降水正距平，降水距平百分率基本都超过60%，湖北东部和安徽南部为降水中心，降水量达常年的两倍多；1998年(图1b)60%以上距平区只局限在湖南、江西北部、安徽南部以及浙江西部等地，降水中心在江西北部，因此2020年降水显著偏多的区域范围明显大于1998年，且降水百分率距平中心相比1998年偏北。从2020年与1998年梅汛期降水距平百分率的差值(图1c)上可以更清晰地看到，30°N以北为正值区，特别是湖北中部、安徽中南部和上海等地，达80%以上，30°N以南除浙江中东部和江西西部，基本为负值区，进一步证明2020年强降水中心较1998年偏北。

图1 2020年(a)、1998 年(b)6—7月降水距平百分率分布和两年降水距平百分率差值(c)(单位：%)

3 梅汛期大气环流和水汽条件差异

对比2020年和1998年梅汛期平均500 hPa位势高度场发现，在低纬度地区，2020年整个北半球副热带的位势高度几乎都偏高，位势高度正距平极值中心在日本东部(图2a)，副高北侧的西南暖湿气流偏强偏北(图2c)；而1998年仅在南海、中南半岛和孟加拉湾等地出现位势高度正距平(图2b)，距平中心在南海，较2020年偏南偏西，中心数值也较小(表1)，表明1998年西太平洋副热带高压较2020年偏弱偏南，北侧西南气流亦偏南偏弱。高纬度地区，两年都为双阻形势(图2a、b)，即乌拉尔山和鄂霍茨克海地区为阻塞高压控制，而贝加尔湖地区为低槽控制，但2020年3个关键系统的强度较1998年弱(表1)。差异较大的是鄂霍茨克海阻塞高压和贝加尔湖低槽，2020年鄂霍茨克海阻塞高压除强度中心偏弱外，60°N以南为负位势距平，同时贝加尔湖低槽偏西偏北，槽底在55°N附近，这两个关键系统的偏弱偏北有利于西太平洋副高和雨带的北抬；而1998年鄂霍茨克海地区均为显著正距平，贝加尔湖低槽偏东偏南，槽底在45°N附近，不利于副高北进。同时，我们还观察到，在2020年，45°N附近存在“-+-”的距平分布，巴尔喀什湖低槽加深有利于冷空气的积聚，我国东北弱高压脊和东亚沿岸低槽加深则有利于冷空气加速南下，与南侧异常强的西南暖湿气流一次次交汇，是梅雨异常偏强的重要因素。

图2 2020年(a、c)和1998年(b、d)6—7月500 hPa平均位势高度场(黑色加粗等值线为588线，红色加粗线为副高脊线)及距平场(填色，单位：10 gpm，正负中心分别用“+”、“-”标注)、850 hPa风场距平(箭矢，单位：m·s-1，气旋与反气旋中心分别用“C”和“A”标注)

从850 hPa风场距平分布(图2c、d)来看，两年低纬度最显著的特征均是南海—西太平洋上的异常反气旋，即WNPAC，相对于1998年来说，2020年WNPAC北界位置偏北，强度偏强，中心偏离南海趋向日本东南洋面，北侧的异常西南风较强，一直到日本南部。WNPAC的变化对西太平洋副热带高压的强度和位置有重要影响，因此西太平洋副热带高压偏北偏强，中心偏向东北，副高北侧的西南气流加强北进(图2a、b)。中高纬度地区，这两年的主要差异在于2020年东亚北部沿岸(40°～50°N、110°～150°E)有一对异常反气旋和气旋，异常反气旋偏西偏南，反气旋前部有异常东北风沿着我国东部沿海南下至30°N，进一步阻挡WNPAC北侧西南气流北上，异常北风与异常西南风在我国东部—日本南部构成异常气旋，加强了梅雨锋；而1998年东亚只有强的异常反气旋，位置偏东偏北，30°N以北的异常北风很弱，梅雨锋强度比2020年偏弱。

2020梅汛期的降水量明显大于1998年，这与水汽含量的多寡有直接联系。从850 hPa的比湿距平分布(图3a、b)可知：2020年长江流域的比湿正距平中心值较1998年大，该地区上空的水汽含量高于1998年。进一步分析整层积分的水汽通量及其散度场距平(图3c、d)，2020年在南海和西太平洋上有增强的水汽辐散，这两个地区对该年梅汛期的水汽输送作用亦有增强，其中南海的水汽通量散度正距平最强，输送至长江流域的水汽通量也较大(表1)。而1998年自孟加拉湾、南海到西太平洋连成了水汽通量散度正距平区，表明这些地区的水汽输送作用也是增强的，但南海地区的正距平明显比2020年小，长江流域的水汽通量距平亦偏小。从水汽通量的输送方向可以发现，2020年越赤道气流较1998年明显偏强，西太平洋上的东南气流向南海输送水汽，进而沿着西太平洋副热带高压的边界转为西南气流向长江流域输送水汽，2020年偏强的越赤道气流导致从赤道向长江流域的水汽输送增强。

图3 同图2，但为比湿距平场(单位：g·kg-1)和整层积分的水汽通量(箭矢，单位：g·s-1·cm-1·hPa-1)及水汽通量散度距平场(填色区，单位：g·s-1·cm-2·hPa-1)

表1 梅雨关键系统中心强度

4 西风带波能传播特征

对环流异常的分析可知：梅雨形势的建立和维持，与阻塞高压、WNPAC等大尺度系统的强度和位置异常有重要联系。图4给出了2020年和1998年6—7月平均对流层中层500 hPa扰动场和 T-N 水平通量，2 a均存在自大西洋至西太平洋传播的波列结构。2020年的波列偏南，在欧亚大陆的“+-+-”中心分别位于里海、巴尔喀什湖、我国东北地区和东亚沿岸，波能向东传播使得东亚反气旋和气旋发展，南下的冷空气偏强。同时还发现，波列传播至西太平洋时有明显的经向分量，西太平洋上30°N附近的正扰动中心发展，且与副热带地区的大范围正扰动区相接，有利于WNPAC加强北进，中心偏东，因而西太平洋副热带高压偏北偏强。1998年欧亚大陆的波列中心分别位于西欧、乌拉尔山、贝加尔湖和鄂霍次克海附近，后3个中心与梅汛期双阻形势的3个关键系统位置一致，波列较2020年偏北，且波列中心偏强，传播的波能量也较强，因此双阻形势更加稳定。由于扰动中心和波动能量的传播偏北，且传播至西太平洋后基本逆转为偏西方向，西太平洋上的正扰动中心亦明显偏北，不利于南侧西太平洋副热带高压北抬加强。因此，西风带波能的传播作用是2020年与1998年环流差异的关键因素之一。

图4 2020年(a)和1998年(b)6—7月的位势高度相对于多年平均的扰动场(填色，单位：gpm)，及波作用通量(箭矢，单位：m2·s-2)

5 前期和同期海表温度演变差异及其影响

5.1 不同El Nio事件衰减期的太平洋—印度洋海温驱动作用

上述环流异常分析已经表明，WNPAC是影响2020年和1998年梅汛期异常的关键系统，而El Nio是WNPAC的强迫源，El Nio通过WNPAC来影响东亚气候[15-16，19]。袁媛等[30]根据El Nio事件发展达到盛期时海温距平的分布特点，将1950年以来的El Nio事件分为东部型、中部型和混合型，并指出三类事件对应中国次年夏季雨带呈南方型、中间型和北方型。李丽平等[31]将El Nio事件分为Nio3、Nio4 和Nio3.4 型，在整个次年夏季，Nio3、Nio4 和Nio3.4 型降水显著正异常区在中国东部呈自南向北分布。2020年和1998年均处在El Nio衰减年，但两次El Nio事件有明显差异，2019/2020年显著暖异常西移至赤道中太平洋日界线附近，而1997/1998年在赤道中东太平洋有强的暖异常(图5)，从Nio3和Nio4区海温指数的月变化(图9)也可以看到，2019/2020年Nio4区海温指数自2019年11月至2020年4月都在0.6以上，5月起开始衰减，因此属于中部型El Nio事件；而1997/1998年Nio3区海温指数前冬高达3.321，春季开始迅速衰减，属于超强的东部型El Nio事件。我们用1970—2019年这50 a间前冬Nio4区和Nio3区海温指数来回归6—7月850 hPa风场，两者的差值场(图6)显示中部型El Nio事件次年6—7月西北太平洋异常反气旋北界位置较东部型偏北偏强，异常西南气流可以到达40°N附近。从两者与500 hPa位势高度场的偏相关图(图7a、b)上可知：Nio4区海温指数与30°N以南的位势高度都有显著正相关，而Nio3区海温指数与高度场的显著正相关区基本位于25°N以南地区，较前者明显偏南，因此中部型El Nio是有利于副高北抬加强的。

图5 2019/2020年(a、c、e)和1997/1998年(b、d、f)冬季、春季和6—7月海表温度距平(单位：℃，填色区代表海温距平绝对值≥0.3 ℃，黑色框代表关键区海温)

图6 前冬Nio4和Nio3海温指数回归的6—7月850 hPa风场异常差值场(箭矢，单位：m·s-1，橙色/红色点表示通过α=0.1/0.05显著性检验)

图7 前冬Nio 4(a)、Nio 3(b)与500 hPa位势高度场的偏相关分布(白点表示通过α=0.1显著性检验)

从2020年和1998年6—7月的WNPAC强度来看，2020年要强于1998年，但2019/2020年El Nio事件属于较弱的El Nio事件，而1997/1998年是超强El Nio事件，且2020年WNPAC的中心偏东北，因此这两年WNPAC的差异不能完全用不同类型El Nio事件来解释。XIE，et al[19]的研究表明印度洋海温与赤道太平洋海温有密切联系。从印度洋的海温演变和IOBW的月变化来看(图5)，印度洋一致增暖模态从2019年春季就开始发展，且冬季与太平洋暖海温区相接，形成印度洋—太平洋中部的一致增暖；而1997年印度洋海温在冬季才开始向一致增暖模态转变，并随着El Nio的衰减而迅速衰减，到6、7月就不显著了，也不存在印度洋—太平洋中部一致增暖模态。印度洋海表温度主要是通过激发东传的Kelvin波，导致热带西太平洋地区出现东风异常[19-21]。与持续增暖的印度洋—太平洋海表温度对应，2020年夏季热带西太平洋上的强的异常东风自西太平洋一直延伸至阿拉伯半岛，而1998年异常东风在流经海洋性大陆地区时便逆时针转向南。2020年赤道附近印度洋—中太平洋是一致暖海区，辐合上升运动强，异常上升气流到高空后向北流动，在30°N附近下沉，构成赤道—低纬度地区南升北降的异常偶极子结构(图8)，而低纬度与中纬度地区还有一个北升南降的异常偶极子，南北上升气流均在低纬度地区下沉，使得WNPAC进一步发展加强，其东侧的东北风也随之加强，异常东北风加强了东北信风，在风—蒸发—海温的反馈作用下[32]，WNPAC在发展过程中中心逐渐偏东。同时我们还发现，由于2020年印度洋—太平洋中部一致增暖，大洋上空水汽含量增加，输送到长江流域上空的水汽也增加，表明太平洋—印度洋海表温度异常除了决定WNPAC的位置和强度外，还对梅汛期的水汽输送有影响。

图8 2020年(a)和1998年(b)6—7月110°～130°E平均垂直环流距平的纬度—高度剖面(箭矢，单位：m·s-1)(填色区代表垂直风速距平绝对值>1 m·s-1，正(负)值代表上升运动(下沉运动))

5.2 北大西洋海温三极子(NAT)对中高纬度环流的影响

从波扰传播来看，北大西洋地区作为波能传播的上游地区，对下游波动是有显著影响的。北大西洋海温异常对欧亚中高纬度环流变化起主导作用，负(正)三极子模态能够在北大西洋—欧亚中高纬度地区激发出一支呈纬向分布的遥相关波列，使得乌拉尔山和鄂霍次克海高压脊偏强(减弱)[33]。分析2020年和1998年6—7月同期的大西洋海温(图5)，可以发现1998年具有典型的负三极子特征，即低纬度和高纬度地区为暖异常，而中纬度为弱的冷异常；但2020年高纬地区海温异常与典型三极子模态具有较大差异；结合NAT指数的演变(图9)，可以发现1998年是强的负三极子模态，而2020年是弱的负三极子模态，而NAT能通过遥相关波列影响欧亚中高纬环流[33]。我们用同期NAT指数对6—7月低层环流场进行回归分析(图10)，可以看到，欧亚大陆中高纬度地区存在显著的“+-+”波列，表明NAT负位相是梅汛期中高纬度双阻型结构的强迫源，这可能是1998年双阻形势较2020年更稳定的原因。1998年的中高纬环流与回归场十分类似，表明NAT是1998年中高纬度环流异常的主要影响因子。

图9 2019/2020年(a)和1997/1998年(b)Nio3、Nio4、IBOW、NAT和Mid-SP指数的月变化

图10 同期NAT海温指数回归的6—7月850 hPa风场异常场(箭矢单位：m·s-1；橙色/红色点表示通过α=0.1/0.05显著性检验)

5.3 南太平洋中部海温对越赤道气流的作用

从环流异常分析可知，2020年6—7月澳大利亚北侧的东南信风及越赤道气流较1998年明显偏强，北侧下沉运动区也同步向北推进并增强(图8)，有利于WNPAC偏北偏强，同时，越赤道气流加强了从热带向长江流域的水汽输送(图3)，而南半球的环流系统亦可以影响赤道东南信风和越赤道气流的强度。南半球环流的前期异常信号已成为东亚夏季风和我国汛期降水的重要预测因子之一[34]。这其中，南极涛动及其副热带分支的马斯克林高压和澳大利亚高压及南北半球间的越赤道气流等都扮演着关键角色[35-36]。2020年南半球澳大利亚高压较常年偏强，东南信风和越赤道气流偏强；1998年澳大利亚高压较常年偏弱，东南信风和越赤道气流偏弱。2019/2020年南太平洋中部自冬季起为显著的一致暖异常(图5)，而1997/1998年相应时间段为冷异常，且两者的差异在冬季最显著。用前冬南太平洋中部海温(CSP)指数回归6—7月850 hPa风场(图11)，可以发现澳大利亚高压东部有明显的反气旋式环流，北侧越赤道气流加强，辐合区基本在赤道附近。因此南太平洋中部海温可能是通过越赤道气流来影响北半球环流的：南太平洋海温出现暖(冷)异常，越赤道气流加强(减弱)，赤道辐合带偏北(偏南)。同时，我们还发现：回归场在低纬度西北太平洋地区表现为气旋式风场异常，异常反气旋主要在日本东南部，表明CSP暖异常其实是不利于WNPAC加强的，但对中心偏向东北可能有一定的作用，相反，CSP冷异常有利于WNPAC加强，但可能推动其中心偏向西南。

图11 同图10，但为前冬CSP海温指数

6 结论

本文通过对大尺度环流异常和海温强迫因子的差异性分析比较了2020年和1998年梅汛期洪涝灾害的成因。主要结论如下：

(1)2020年梅汛期强降水区域范围较1998年大，雨量中心偏北，这与大尺度环流异常有直接联系：低纬度地区，2020年WNPAC的北界位置较1998年偏北偏强，中心偏东北，导致西太平洋副热带高压偏北偏强，其北侧的西南气流亦偏强；高纬度地区，2020年双阻型关键系统的发展较1998年弱，尤其是鄂霍茨克海阻塞高压和贝加尔湖低槽明显偏北偏弱，有利于西太平洋副高北抬；中纬度东亚沿岸出现异常反气旋和气旋对，30°N以北盛行异常东北风，南下冷空气偏强，与WNPAC北侧的异常西南风对峙，使得强梅雨锋长期维持。此外，2020年越赤道气流偏强，由西太平洋上的东南气流向长江流域输送的水汽也偏多，大气水汽含量高，有利于增加降水效率。

(2)从波动传播理论来看，2020年和1998年在中高纬度地区都存在自大西洋到太平洋的遥相关波列，2020年波列偏南，有利于东亚异常反气旋和气旋对的维持，同时波动能量在西太平洋上有明显的经向传播，使得WNPAC和西太平洋副高北抬加强。1998年波列偏北偏强，能量的向东传播使得双阻型较2020年偏强，但西太平洋上经向传播分量弱，WNPAC和西太平洋副热带高压偏南偏弱。

(4)本文主要分析2020年与1998年的梅汛期环流及海温影响差异，有研究表明2016年和2010年也分别发生了典型的东部型和中部型El Nio事件，那么它们与2020年的环流和海温影响因素是否有差异呢？且文中有关南太平洋中部海温的探讨仅限于回归分析，对于其动力成因尚未有定论。这些都是我们后续需要深入探寻的问题。