李 悅, 成劍波, 張增平, 吳永萍, 封國林*

(1. 揚州大學物理科學與技術學院, 江蘇 揚州 225002; 2. 鹽城工學院環(huán)境科學與工程學院, 江蘇 鹽城 224000)

2020年江淮地區(qū)入梅時間早且梅雨強度大, 對該超強梅雨的成因探討有著重要的科學價值和現實意義．梅雨是東亞夏季風和歐亞中高緯度環(huán)流相互作用的結果, 分析大氣環(huán)流特征對揭示梅雨的形成和維持尤為重要[1]．在季節(jié)尺度上, 2020年梅雨期東亞季風區(qū)多個關鍵大氣環(huán)流系統(tǒng)的平均位置相對穩(wěn)定, 江淮地區(qū)超長梅雨與西太平洋副熱帶高壓北抬及冷渦南落東移直接相關[2]; 在次季節(jié)時間尺度上, 中高緯和低緯大氣環(huán)流系統(tǒng)在不同階段對2020年江淮梅雨的影響明顯不同, 致使不同階段梅雨鋒的性質差異較大[3-4]．2020年江淮梅雨持續(xù)時間長、累計雨量大且強降水過程多, 各強降水過程都發(fā)生在特定的天氣形勢和大氣環(huán)流背景下, 這種不同尺度天氣系統(tǒng)的疊加和相互作用, 使得2020年梅雨異常的內在機理挖掘更為困難[5-7]．全球大氣環(huán)流三型分解[8-9]能夠分解垂直速度中的經向和緯向環(huán)流分量, 為定量研究不同大氣環(huán)流之間復雜的非線性作用提供了新思路．本文擬利用全球大氣環(huán)流三型分解方法研究2020年江淮地區(qū)梅雨期不同階段的大氣環(huán)流特征, 在三維空間分析大氣環(huán)流變化對梅雨產生的影響, 旨在進一步揭示梅雨異常的形成機制和提高對2020年江淮梅雨異常的科學認識．

1 資料和方法

選取江淮地區(qū)經緯度范圍為北緯27.5°～34°, 東經105°～122.5°, 2020年梅雨期為5月30日至8月6日．根據歐洲中期天氣預報中心ECMWF ReAnalysis-5(ERA5)再分析資料[10]提供的逐小時降水量、緯向風、經向風、大氣垂直速度和大氣可降水量等數據, 分析2020年江淮梅雨和大氣環(huán)流的變化特征．數據水平空間分辨率為0.25°×0.25°, 垂直方向從1 000 hPa 至10 hPa共有17層等壓面．

現采用全球大氣環(huán)流三型分解方法對江淮地區(qū)梅雨期各階段的大氣環(huán)流進行分析, 探究2020年超強梅雨與大氣環(huán)流的關系．利用全球大氣環(huán)流三型分解從全球視角出發(fā)將實際大氣環(huán)流分解為經圈型環(huán)流、緯圈型環(huán)流和水平型環(huán)流, 其分量形式[8]為

其中λ為經度;θ為地心余緯;u′,v′,σ′分別為球面坐標系中實際大氣環(huán)流的緯向速度、經向速度和垂直速度;R,H,W分別為三維水平型環(huán)流、經圈型環(huán)流及緯圈型環(huán)流的流函數, 當H或W為負(正)值時, 大氣表現為上升(下沉)運動; 通過求解同時滿足限制性條件和邊界條件[9]的流函數R,H,W即可實現全球大氣環(huán)流三型分解, 進而得到三型環(huán)流速度場VH,VW,VR, 及其在不同方向的分量u′W,u′R,v′H,v′R,σ′W,σ′H．

2 梅雨的階段性變化特征

圖1給出了2020年江淮地區(qū)梅雨期的逐日降水量、大氣可降水量和500 hPa等壓面上的大氣垂直速度．由圖1可見: 1) 入梅后的降水量先增大后減小, 最高可達25.1 mm·d-1; 2) 入梅后大氣可降水量逐漸增大, 特別是6月11日附近增幅較大, 隨后保持在較高水平, 這為持續(xù)性強降水提供了充足的水汽．梅雨期的中后期降水量雖然持續(xù)減弱, 但大氣可降水量依然偏高, 表明梅雨強度還會受其他因素的影響; 3) 500 hPa等壓面上的大氣垂直速度Ω以負值為主, 故大氣表現為很強的上升運動[11], 且梅雨期內的大氣垂直速度與逐日降水量呈顯著的負相關關系, 相關系數達0.897, 通過了0.001的顯著性檢驗, 表明大氣上升運動對于2020年超強梅雨的形成至關重要．

圖1 梅雨期逐日降水量(a)、大氣可降水量(b)和500 hPa等壓面上的大氣垂直速度(c)Fig.1 Daily precipitation (a), atmospheric precipitable water (b), and 500 hPa vertical velocity (c) over the Yangtze-Huaihe region during the Meiyu perion

圖2給出了梅雨期逐日降水量的低頻分量．由于降水活躍期與中斷期交替發(fā)生, 故在此基礎上將2020年梅雨期劃分為6個階段: 5月30日至6月9日(Ⅰ階段); 6月10日至6月25日(Ⅱ階段); 6月26日至7月11日(Ⅲ階段); 7月12日至7月19日(Ⅳ階段); 7月20日至7月28日(Ⅴ階段); 7月29日至8月6日(Ⅵ階段)．

圖2 梅雨期逐日降水量的低頻分量及其階段劃分Fig.2 The low-frequency component and the time division of Meiyu perion

3 梅雨期不同階段的大氣環(huán)流特征

圖3顯示了2020年梅雨期不同階段在東經105°～122.5°、北緯0°～90°處經圈型環(huán)流的流函數H及風場分布．由圖3可見: 1) Ⅱ～Ⅴ強降水階段江淮地區(qū)有很強的大氣上升運動, 北緯30°附近均存在一個強上升支, 該上升支的強度和位置與降水強度和位置在不同階段的演變基本一致; 2) 北緯30°附近強上升支的南北側均為下沉氣流, 南側下沉氣流與上升支構成的經圈型環(huán)流在結構上趨于閉合,強度高于其他緯度下的; 3) 梅雨期不同階段經圈型環(huán)流的具體特征如下: Ⅰ階段強上升支和雨帶位于北緯25°附近的江南地區(qū), 江淮地區(qū)降水較少; Ⅱ階段強上升支北移至北緯30°, 雨帶也隨之北移,江淮地區(qū)降水增多; Ⅲ階段強上升支穩(wěn)定于北緯30°, 大氣上升運動的強度增大, 高度可達150 hPa等壓面, 該階段降水最強; Ⅳ～Ⅴ階段江淮地區(qū)依然有明顯的大氣上升運動, 但是上升支強度有所減弱, 降水量也逐漸減小; Ⅵ階段強上升支北移, 江淮地區(qū)受下沉氣流控制, 梅雨趨于結束．

圖3 梅雨期各階段下經圈型環(huán)流的流函數H(陰影區(qū),μs-1)和風場(矢量圖,Pa·s-1)分布特征Fig.3 Mean meridional circulation flow function H (shaded area, μs-1) and wind field (vector, Pa·s-1) in six stages of the Meiyu Period

圖4顯示了2020年梅雨期不同階段在北緯27.5°～34°、東經60°～180°處緯圈型環(huán)流的流函數W及風場分布．由圖4可見: 1) 各階段的強上升運動主要集中在東經85°～100°, 其中東經85°附近的上升支非常穩(wěn)定, 特別是在Ⅲ階段以后強度明顯增加; 2) Ⅲ～Ⅳ階段在東經95°附近也出現一個上升支, 該上升支由地面延伸至150 hPa等壓面, 然后向東運動并在東經105°下沉．受此影響, Ⅲ階段強降水期間, 緯圈型環(huán)流在江淮地區(qū)(東經105°～122.5°)呈現明顯的上升運動, 這會與經圈型環(huán)流的大氣上升運動疊加, 增強梅雨的強度; 3) Ⅴ～Ⅵ階段江淮地區(qū)緯圈型環(huán)流的大氣上升運動較弱, 對梅雨的影響較小．綜上, 緯圈型環(huán)流對江淮地區(qū)大氣上升運動的貢獻小于經圈型環(huán)流．

圖4 梅雨期各階段下緯圈型環(huán)流的流函數W(陰影區(qū), μs-1)和風場(矢量圖, Pa·s-1)分布特征Fig.4 Mean zonal circulation flow function W (shaded area, μs-1) and wind field (vector, Pa·s-1) in six stages of the Meiyu Period

圖5給出了梅雨期各階段在850 hPa等壓面的水平型環(huán)流流函數R及風場分布．由圖5可見: 1) 北方冷空氣活動相對較弱, 南方暖濕氣流活動較強; 2) Ⅰ階段華南地區(qū)(東經104°～117°, 北緯18°～26.5°)受很強的西南風控制; 從Ⅱ階段開始西南風向北推進, 江淮地區(qū)位于西南急流左側, 為梅雨提供了大量的暖濕空氣, 且江淮地區(qū)處于風速輻合區(qū)有利于水汽聚集; 3) Ⅲ～Ⅴ階段雖然西南急流輸送路徑有所調整, 但是始終對江淮地區(qū)影響較大, 西南急流持續(xù)將源自低緯地區(qū)的水汽輸送至江淮地區(qū), 水汽輻合與大氣上升運動的發(fā)展導致強降水在江淮地區(qū)長時間持續(xù); 4) Ⅵ階段江淮地區(qū)轉為受東南風控制, 依然有大量水汽輸送, 故大氣可降水量仍然偏多．

圖5 梅雨期各階段在850 hPa等壓面的水平型環(huán)流流函數R(陰影區(qū), μs-1)和 風場(矢量圖, m·s-1)分布特征Fig.5 Distribution characteristics of horizontal circulation flow function R (shadow area, μs-1) and wind field (vector, m·s-1) at 850 hPa in six stages of the Meiyu Period

圖6給出了梅雨期各階段在500 hPa等壓面的水平型環(huán)流流函數R及風場分布, 流函數R的零值線可以反映出西太平洋副熱帶高壓(簡稱為“副高”)的位置[12]．由圖6可見: 1) 梅雨期不同階段副高位置維持在北緯25°～30°, 且在Ⅱ～Ⅴ強降水階段副高強度增加、位置西移, 這為暖濕氣流向江淮地區(qū)的輸送提供了良好的動力條件; 2) 500 hPa等壓面上的中高緯槽脊系統(tǒng)發(fā)展, 冷空氣活動增強, 其中Ⅰ階段中高緯地區(qū)為平直西風氣流, 副高位置偏南; Ⅱ階段在貝加爾湖西部形成一個冷高壓, 而鄂霍次克海附近存在一個低壓中心; Ⅲ階段貝加爾湖冷高壓發(fā)展形成高壓中心, 低壓槽向南加深, 脊前北風氣流引導冷空氣大量南下, 同期副高也明顯加強, 中心向北發(fā)展且呈塊狀分布, 使得冷空氣與副高西北側暖濕空氣在江淮地區(qū)匯合; Ⅳ～V階段冷高壓東移南下, 冷高壓中心移至我國東北地區(qū), 副高再次向西延伸, 冷暖空氣長期交綏; Ⅵ階段冷高壓東移入海, 與副高合并形成一個高壓中心, 江淮地區(qū)位于高壓中心西側, 降水逐漸減弱．

圖7給出了梅雨期各階段在100 hPa等壓面的水平型環(huán)流的流函數R及風場分布, 流函數R的零值線對應南亞高壓的位置, 水平范圍為東經60°～130°、北緯20°～40°[13-14]．由圖7可見: 1)Ⅰ階段中高緯度地區(qū)的大氣環(huán)流為平直的西風氣流, 南亞高壓強度較弱、位置偏南, 其南北兩側分別為東西風急流, 江淮地區(qū)受強烈的反氣旋環(huán)流控制; 2) Ⅱ階段南亞高壓明顯增強并北移, 中高緯度大氣環(huán)流南北向的振幅增大, 貝加爾湖地區(qū)出現弱冷高壓, 鄂霍次克海形成橫槽; 3) Ⅲ階段貝加爾湖的冷高壓向北發(fā)展并增強, 脊前橫槽轉為豎直方向并向南加深, 南亞高壓東北部受低壓槽擠壓形成2個高壓中心; 4) Ⅳ階段北部冷高壓東移南下, 南亞高壓的2個中心分別向東西兩側移動; 5) Ⅴ～Ⅵ階段南亞高壓持續(xù)減弱, 梅雨趨于結束．綜上, 梅雨期南亞高壓活動頻繁, 盡管南亞高壓在不同階段的位置、形狀和強度存在差異, 但是強降水期間高壓脊線位置始終維持在北緯25°～30°, 這對江淮地區(qū)梅雨有著重要的調控作用．

圖7 梅雨期各階段在100 hPa等壓面的水平型環(huán)流流函數R(陰影區(qū), μs-1)和 風場(矢量圖, m·s-1)分布特征Fig.7 Distribution characteristics of horizontal circulation flow function R (shadow area, μs-1) and wind field (vector, m·s-1) at 100 hPa in six stages of the Meiyu Period in 2020

2020年梅雨期不同緯度大氣環(huán)流的相互作用為強降水提供了有利的環(huán)流背景[15]．梅雨期南亞高壓北抬加強, 具有明顯的東西振蕩特征, 且副高長期偏強、位置偏西北, 為梅雨提供了穩(wěn)定的水汽輸送通道和能量源[16]．中高緯度大尺度的大氣環(huán)流系統(tǒng)活動頻繁, 南北向振幅持續(xù)偏高, 有利于冷空氣南下并與南方暖濕氣流在江淮地區(qū)匯合形成梅雨鋒．低緯和中高緯地區(qū)不同天氣系統(tǒng)的疊加, 特別是高低空急流的相互耦合, 在江淮地區(qū)形成高層輻散和低層輻合的垂直環(huán)流配置[17], 導致梅雨期江淮地區(qū)產生強烈的上升運動, 使得2020年梅雨異常強．

4 主要結論

本文利用全球大氣環(huán)流三型分解方法研究了2020年江淮地區(qū)梅雨期大氣環(huán)流的演變特征, 闡明不同階段梅雨的形成機理, 主要結論如下:

1) 江淮梅雨逐日變化與大氣上升運動直接相關, 根據全球大氣環(huán)流三型分解, 經圈型環(huán)流對江淮地區(qū)的大氣上升運動起主導作用, 梅雨期不同階段經圈型環(huán)流在江淮地區(qū)均存在一個強上升支, 驅動超強梅雨的形成;

2) 梅雨期850 hPa等壓面上江淮地區(qū)為風速輻合區(qū), 有利于水汽聚集; 500 hPa等壓面上中高緯槽脊發(fā)展頻繁, 6月10日至6月25日在貝加爾湖形成冷高壓, 鄂霍次克海附近存在低壓中心, 6月26日至7月28日冷高壓東移南下, 低壓槽向南加深, 促使冷空氣南下;

3) 梅雨期南亞高壓和中高緯環(huán)流系統(tǒng)疊加, 導致大氣環(huán)流南北向振幅增大, 利于北方干冷空氣南下; 同時, 副高西北側邊緣暖濕氣流不斷向江淮地區(qū)輸送, 冷暖空氣在江淮地區(qū)交匯形成梅雨鋒, 從而產生多次強降水過程, 導致梅雨異常偏強.

2020年梅雨期連續(xù)發(fā)生多次強降水過程, 具有很強的季節(jié)內振蕩特征, 各次強降水過程都發(fā)生在特定的天氣形勢和大氣環(huán)流背景下．除大尺度大氣環(huán)流背景外, 中小尺度天氣系統(tǒng)也會對降水產生影響, 今后將對相關結果進一步通過數值模擬進行驗證．