2016年江淮梅雨特征分析

莫乙冬，李青建，吳良標，楊 帆

(1.貴州省黔南布依族苗族自治州氣象局，貴州 都勻 558000；2.貴州省都勻市氣象局，貴州 都勻 558000)

0 引言

中國是一個多暴雨的國家，每年由暴雨造成的洪澇災害時有發生，其中江淮地區是中國澇災多發區域。每年6—7月，江淮流域都會有2～3周陰雨天氣持續，即為江淮梅雨。梅雨雨帶的活動直接影響到我國江淮流域夏季天氣氣候的旱澇、冷暖。因此探尋梅雨影響因子的強信號，提高梅雨的短期氣候預測水平是很有必要的。

梅雨是受到多種大尺度環流形勢影響的東亞氣候系統成員之一。張慶云等[1]及馬端良[2]研究了中高緯度阻高、中緯度西風急流、西太副高等環流系統變化都表現出對我國梅雨有非常直接的影響。吳國雄[3]、劉屹岷等[4]和楊熠等[5]在對降水差異尤其對區域性強降水、極端降水的大尺度環流形勢進行研究時發現副高短期變異起決定性作用。

其次水分循環及水汽輸送對江淮梅雨有著重要影響。陳世訓等[6]、沈如桂等[7]分析得出長江中下游以南到南海附近的夏季降水水汽主要源自孟加拉灣、南海和西太平洋等地。周玉淑等[8]研究得出，來自西太平洋異常水汽輸送對于江淮流域及其以東地區強降水的出現有顯著影響。

再次，當東亞地區夏季降水出現異常時，大多對應著某些關鍵海域的SST異常[9]。倪東鴻等[10]的分析認為，當夏季黑潮附近海表面溫度顯示出正SSTA時，長江一帶降水偏多。簡茂球等[11-12]分析指出太平洋SSTA及前期5、6月熱帶中、東太平洋SSTA對7、8月長江流域及其附近地區長久異常澇(旱)密切相關。

多年以來，眾多學者對梅雨進行了深入的探討，但更多著重于環流背景與水汽的研究，而對海溫的分析較少，2016年梅雨期降水過程頻繁，降水量偏多，與海溫的異常有著關鍵的聯系，對其研究具有深刻的意義。本次分析中，我們將對與2016年梅雨期降水相關聯的大氣環流、水汽、海溫異常等特征進行研討，以利于對與之相聯系的物理機制有更深刻的了解。

1 資料和方法

1.1 資料來源

本文使用南京信息工程大學提供的中國1 089個測站的24 h降水資料、美國氣象局(National Weather Service)提供的NCEP/NCAR逐日2.5°×2.5°再分析資料以及英國氣象局哈德萊中心(Met office Hadley Centre)提供的NOAA 2°×2°月平均的海表面溫度資料。其中主要使用再分析資料中各層高度場、風場、濕度等計算分析2016年6、7月江淮地區(27～37°N，111～122°E)大尺度環流特征，探討2016年西太副高及相關系統對當年梅雨的影響；診斷江淮地區水汽輸送流函數和勢函數及相對應的非輻散分量和輻散分量來研究江淮地區梅雨期降水水汽來源、水汽輸送及其源匯，并討論其可能影響因素。其次對海溫的研究時段為1956—2016年共計60 a，主要基于前期(前冬：2015年12月—2016年2月，前春：2016年3月—2016年5月)日本附近海域及北太平洋海溫和同期(2016年6—7月)南海海溫距平的分布來進行分析和討論。

1.2 水汽通量流函數及勢函數的計算方式

設：

Q=k×△φ+(-△x)=Qφ+Qx

(1)

則有:

(2)

(3)

計算步驟:

①使用格點上q、u和v值，計算Q及它的散度、渦度場；

②求解泊松方程，用超張馳法數值求解(2)式得出流函數、勢函數；

③由(3)式求得水汽通量輻散及非輻散分量；

④對(1)、(2)式垂直積分，得單位面積空氣柱勢函數、流函數和水汽通量的輻散及非輻散分量。

2 2016年江淮梅雨過程概況

2016年梅雨期(6月13日—7月7日)江淮附近降雨強度大，且降水區域集中，主雨帶在江淮流域長久停滯呈現出準靜止的狀態。從6月13日—7月7日累計雨量(圖1a)可看出，長江流域附近大部分地區降水總量在200～1 000 mm左右，而在湖北江夏附近地區(圖1a 紅色三角形所示區域)降雨量達到了1 000 mm以上，與常年相比偏多約40%。6月中旬—7月上旬(圖1b)，僅25 d時間，降水過程十分頻繁，基本無間歇期。

圖1 (a)2016年6月13日—7月7日累計雨量分布，等值線間隔為100 mm；(b) 2016年6月13日—7月7日江淮流域(27～37°N，111～122°E)平均逐日降水量演變圖(單位：mm)Fig.1 (a) Distribution of accumulative precipitation from 13 Jun to 7 Jul 2016 with a contour interval of 100 mm;(b) the evolution of average daily precipitation of the Jianghuai River basin during 13 Jun and 7 Jul 2016

3 2016年江淮梅雨期大尺度環流特征與降水的關系

3.1 西太平洋副熱帶高壓的結構特征

梅雨期間西太副高脊線大致位于22～23°N之間。6月中旬入梅時，副高588北界線主要位于22～24°N，7月上旬即將出梅時主要位于26～32°N附近，副高形態較穩定且在垂直方向上隨高度向西擴伸。

圖2是副高經向和緯向低層和中層高度場的時間剖面圖，由圖可以看出，2016年6—7月西太副高脊線基本穩定在22～35°N之間，6月中旬副高完成北跳，進入梅雨期，中旬到下旬副高588等高線穩定在31°N附近，7月上旬，副高輕微北移，降水位置也更為偏北，7月上旬末副高又一次北跳，梅雨期結束。梅雨期間，副高在江淮以南或東南。由前人對23 a 7月的研究[13]得出，120～140°W副熱帶高壓平均緯度為24.7°N，平均最高緯度是36.54°N，平均最低緯度是11.8°N，平均均方差是6.1°，2016年7月副高脊線較多年平均顯著偏北，使期間梅雨降水較為偏北。此外，副高東西伸縮較明顯(圖2b)。6月中旬—7月中旬，副高表現出5次顯明西進，都大于120°W，且對應降水過程，而其東退時則為降水間歇期。其中6月下旬—7月上旬副高與西面副高聯通，對應此次梅雨期最強一次梅雨降水過程。

圖2 (a)2016年6—7月500 hPa沿120～140°E緯向平均的緯向—時間剖面圖(單位:dagpm)(紅色為588等值線)；(b)沿25°N的經向—時間剖面圖Fig.2 Time-latitude(longitude) cross section of geopotential height at 500 hPa from Jun to Jul 2016(units:dagpm):(a)Averaged between 120°E and 140°E;(b)Along 25°N

3.2 中緯度系統的演變特點及其與副高的關系

根據沿60°N 500 hPa高度場的經向時間演變圖(圖3a)看出，6月9日阻高在貝加爾湖西北側形成，東半球維持單阻型平穩少動，13日阻高減弱消失，17日烏拉爾山西北部阻高重建，與副高西伸配合，江淮附近經歷一次較弱降雨。27日東亞中緯度地區三阻形勢形成，烏拉爾山大槽加深，隨槽后冷空氣南下，槽后高壓脊隨之發展。烏拉爾山東側及鄂海阻高間為低槽區，屆時副高逐漸西伸發展，達到此次梅雨期最高強度，對應7月初強而持久的降水過程。

另外，從高空200 hPa西風急流的變化趨勢(圖3b)看到6月初在高空120°E以東有西風急流維持。6月中旬，40～80°E有西風急流建立，16日前支西風急流趨于穩定，6月后期開始減弱，爾后，7月上旬再次建立且延續到下旬。東面西風急流7月中旬減弱不見。梅雨期間西風急流經度覆蓋較大，且穩定在50～170°E附近，由于急流風速強勁呈準靜止狀態，副高難以北抬，使得梅雨雨帶表現出準靜止狀態。

圖3 (a)2016年6—7月500 hPa沿60°N高度場經向時間剖面圖(虛線為中國東部沿岸附近) (單位:dagpm)；(b)200 hPa沿40°N緯向風圖(單位:m·s-1)Fig.3 Time-longitude cross section during Jun to Jul 2016:(a)Geopotential height at 500 hPa along 60°N (units:dagpm);(b) Zonal wind at 200 hPa along 40°N(units:m·s-1)

3.3 對流層高層南亞高壓的活動特點及其對副高和雨帶的影響

根據200 hPa 高度場和散度場的變化(圖4a)發現，6月中旬南壓高壓開始發展加強，高壓主體穩定在100°E附近，中心偏東強度偏強，6月中旬—7月中旬發生3次清晰東伸，配合散度場同時考慮降水發現，降水峰值都配合著散度正值區東移，且部分過程散度不斷加強。江淮地區上空輻散達到最強，該現象在7月初降水過程表現尤為明顯。同時每一次降水都對應渦度負值區(圖4b)東移，考慮對流層中層500 hPa高度場和渦度場的變化趨勢(圖4c)，梅雨期有5次副高西伸與高層對應，且都對應渦度負值區東移。此外我們給出7月1日沿115°E散度場和流場的分布形態(圖4d)，發現在200 hPa及其上空30°N以北江淮一帶是強輻散區，南邊40°N附近是略強匯聚區，該分布形式從400 hPa直到平流層底層。400～900 hPa散度場呈相反分布，900 hPa以下該分布略南移，輻合輻散區域更接近高空分布型。6月13日—7月初的降水過程，散度場所呈現出的表現形態都與上述狀態相近，極益于江淮高空(低空)北風(南風)的加強。根據流場分析得出干冷空氣由北邊35°N以北下沉南下，南邊20～30°N有暖濕空氣上升北上在江淮交匯，且江淮上空有強上升運動。以是，此次南亞高壓東伸導致高層輻散場向東擴伸，下沉運動區域也隨之東移，益于副高西進發展及低層強降雨產生發展。

4 2016年江淮流域梅雨水汽輸送及水汽來源

由于梅雨期最后一次降水過程(6月30日—7月7日)副高有明顯北跳，且降水量大，我們將梅雨期分成6月13—29日和6月30日—7月7日兩個時段，分別對其水汽通量流函數及無輻散分量進行分析對比發現(圖5)，我國內陸地區為水汽輸送流函數低值區域，與1999年和2003年強梅雨分布類似[13-14]。赤道東風帶從大西洋往西，流經赤道東太平洋到達印度洋海域并在索馬里附近轉向，從孟加拉灣東北部向西北方向不斷輸送水汽，這一現象十分顯著，為此次梅雨期降水首要水汽來源及水汽通道。同時，一支強偏南氣流從太平洋大值區左面，將太平洋的水汽持續帶入我國東部地區，當它與印度洋的西南季風氣流在江淮地區匯集成一支氣流時，低層會導致低空西南急流增強，從直接或間接方面影響2016年江淮地區梅雨期降水，是其異常偏多的首要因素之一。

圖4 2016年6—7月(a)200 hPa沿32.5°N散度場(陰影)(單位：s-1)和高度場(單位:dagpm)，下同)的經度—時間剖面；(b)200 hPa沿32.5°N高度場和渦度場(陰影)(單位：s-1)；(c)500 hPa沿25°N高度場和渦度場(單位：s-1)；(d)2016年7月1日沿115°E散度場(單位：s-1)和流場(單位：m/s-1)的垂直剖面Fig.4 Time-longitude cross section during Jun and Jul 2016:(a) Geopotential height(units:dagpm ,the same below) and divergence(units:s-1,shaded) at 200 hPa along 32.5°N;(b)Geopotential height and vorticity(shaded) at 200 hPa along 32. 5°N;(c) geopotential height and vorticity at 500 hPa along 25°N;(d) vertical cross section of divergence and wind vectors along 115°E on 1 Jul

圖5 梅雨期整層水汽通量流函數及非輻散分量分布，實線：水汽通量流函數(單位：106 kg·s-1)，矢量：非輻散分量。(a)2016年6月13—29日平均；(b)2016年6月30—7月7日平均Fig.5 The distribution of integrated stream function and nondivergent component mode of the water vapor transport: (a)averaged from 13 to 29 Jun;(b)averaged from 30 Jun to 7 Jul. Solid line: isolines of stream function (units:106 kg·s-1) , vector:nondivergent component mode

從勢函數輻散分量(圖6a，b)看出，全球一共存在3個水汽源區中心，其中對我國江淮地區梅雨期降水有重要影響的是印度洋和太平洋源區。6月中旬—7月初副熱帶洋面為勢函數的負值區，是降水首要水汽源區，且處于輻散狀態。屆時，我國東部地區到東亞沿岸海域附近都處于水汽匯集區域。圖6b較圖6a水汽匯聚區更為集中到江淮流域至日本附近，且中心強度也有顯著增強，這與降水在7月初期增多相應。較降水第一時段而言第二時段印度洋水汽源區逐漸增強，太平洋源區略微減弱，這與水汽流函數所示的赤道東風帶在索馬里轉向的西南氣流對水汽輸送相呼應。我國東部水汽輻合大值區也較第一時段略微北移，強度顯著增強，同時降水區域、強度都與之相應，表明降水的加強和略微北移與全球大尺度的水汽輸送和輻合中心北移相聯系。

圖6 梅雨期整層水汽通量勢函數及輻散分量分布，實線：水汽通量勢函數(單位：106 kg·s-1)，矢量：輻散分量。(a)2016年6月13—29日平均；(b)2016年6月30日—7月7日平均Fig.6 The distribution of integrated potential function and divergent mode of the water vapor transport in 2016: (a)averaged from 13 to 29 Jun;(b)averaged from 30 Jun to 7 Jul. Solid line: isolines of potential function (units: 106 kg·s-1),vector:divergent component mode

水汽輸送首要在對流層低層，但有時低層水汽匯聚中心與降水區域不對應，這時對流層中層水汽輸送就是關鍵影響因素[14]。本文除對整層水汽分析，還對低層到中高層不同層次水汽輸送進行更細致的研究(選取低層850 hPa、中高層500 hPa為例)，得出即使整層水汽輸送和水汽源匯都與江淮流域降水有密切聯系，但不同層次水汽匯聚區域常有偏移：850 hPa水汽輸送流函數與整層積分水汽輸送流函數分布基本一致(圖7)，但強度更強；500 hPa(圖8)與整層相比有細微差別，副高外圍水汽輸送更顯著，值得注意的來自印度洋的水汽在孟加拉灣東北部分流成兩支氣流，一支呈東北向，往降水區持續運送暖濕空氣，另一支偏東，從南側繞過青藏高原轉向偏西方向匯入江淮附近，此分流現象在第二降水時段更明顯。加上對勢函數的分析(圖6和圖7)得出7月初降水水汽輸送較6月中旬更強烈，且略微北移。同時，與副高對應的水汽流函數呈現出顯著反氣旋環流狀態，而整個中國東部到日本都有水汽匯聚。這與2003年有類似水汽輸送路徑，但不同層次水汽源匯中心仍有差別，這可能是造成梅雨期雨帶分布(雨帶偏北)與2003年有差別原因之一[14、15]。

圖7 850 hPa水汽流函數及非輻散分量分布，實線：水汽流函數的值(單位：106 kg·s-1)，矢量：輻散分量。(a)2016年6月13—29日平均；(b)2016年6月30日—7月7日平均Fig.7 The distribution of stream function and nondivergent component mode of the water vapor transport at 850 hPa: (a)averaged from 13 to 29 Jun;(b)averaged from 30 Jun to 7 Jul. Solid line: isolines of stream function (unit:106 kg·s-1),vector: nondivergent component mode

圖8 500 hPa水汽流函數及非輻散分量分布，實線：水汽流函數的值(單位：106 kg·s-1)，矢量：無輻散分量。(a)2016年6月13—29日平均；(b)2016年6月30日—7月7日平均Fig.8 The distribution of stream function and nondivergent component mode of the water vapor transport at 500 hPa: (a)averaged from 13 to 29 Jun;(b) averaged from 30 Jun to 7 Jul. Solid line: isolines of stream function (units:106 kg·s-1),vector: nondivergent component mode

5 海溫與2016年江淮梅雨的關系

5.1 海溫異常的空間分布型態

圖9表示了2016年前期冬季(2015年12月—2016年2月)與我國梅雨期降水相聯系的海表面溫度異常分布。前冬赤道中東太平洋存在弱正SSTA，其次，印度洋及20°N以北東亞大陸沿岸存在明顯正SSTA，且持續至春季(圖10)，尤其前期冬季澳大利亞西北部印度洋海域存在明顯正SSTA，到前期春季其范圍增大，且異常中心略向東北側移動，至梅雨期(圖11)該異常東移到菲律賓附近海域，出現大范圍正SSTA。2016年梅雨期菲律賓低層出現反氣旋環流可能與持續印度洋正SSTA東傳加上海氣相互作用有關[16]。

同時，前冬熱帶太平洋特別是西太平洋及東亞沿岸附近海域都為顯著正SSTA(圖9)。這些地區SSTA可能是2016年梅雨期降水異常增多的重要原因之一。

圖9 前期冬季(2015年12月—2016年2月)海溫距平分布Fig.9 The SST anomaly during the preceding winter (from Dec 2015 to Feb 2016)(units:℃)

前春北太平洋中部存在似 “馬蹄形”負異常信號(圖10)，黑潮延伸海域有正SSTA。同期(圖11)南太平洋副熱帶海域存在顯著負SSTA，正SSTA仍主要出現在南海和菲律賓附近海域及北大西洋中部。

在年代際變化上，江淮梅雨降水異常增多與SST的關系首要體現在前期東亞沿岸正SSTA和同期南海、熱帶西太平洋的正SSTA[15]；在年際變化上，與我國梅雨期降水江南一致變化型[15]有關的SSTA首先是北太平洋前期負SSTA，澳大利亞東部太平洋正SSTA，及同期南海正SSTA，與2016年梅雨期降水的SSTA分布形態一致。

圖10 前期春季(2016年3—5月)SST距平分布(單位：℃)Fig.10 The SST anomaly during the preceding spring(from Feb to May 2016)(units:℃)

5.2 海溫異常對大氣環流的影響

為進一步探討SSTA對該年梅雨影響，我們以1986—2016年30 a氣候平均值為對比，對低層850 hPa大氣環流異常進行分析(圖12)發現，太平洋中部有異常反氣旋環流，從印度洋經孟加拉灣進入大陸轉向繞過青藏高原匯入江淮的氣流比多年平均顯著增強，與該年印度洋SSTA對應。江淮到熱帶地區有異常反氣旋環流，反映副高外圍氣流較多年平均更強盛，同時，南海到東亞沿岸附近海域為正SSTA區。這些現象為江淮梅雨期降水提供強有利的水汽輸送條件。

圖11 同期(2016年6—7月)海表面溫度距平分布(單位：℃)Fig.11 The SST anomaly during the simultaneous mould rain period (from Jun to Jul 2016)(units:℃)

7月，西太平洋異常氣旋環流顯著增強，副高外圍異常環流開始減弱，但仍有少部分匯入江淮地區。印度洋異常氣流變為相對平直的偏西氣流，繞青藏高原氣流的異常減弱，匯入江淮的異常氣流隨之變少，梅雨接近尾聲。

圖12 (a)2016年6月850 hPa風場距平圖(陰影區從深到淺依次為信度檢驗超過95%，99%以上的區域)(單位：m·s-1)；(b)同a，但為2016年7月Fig.12 The wind anomaly field at 850 hPa (a)in Jun 2016;(b)in Jul 2016(units:m·s-1)

6 結論和討論

本文對2016年梅雨期降水、大尺度環流、水汽輸送流函數和勢函數及相對應的非輻散分量和輻散分量以及海溫異常特征進行分析，得出以下結論:

①2016年梅雨期(6月13日—7月7日)累計降水量較常年偏多約40%，且降水區域更偏向長江流域附近。

②2016年6—7月梅雨期副高位于江淮流域南側或東南側，且逐漸北抬，東西方向進退較為明顯，隨高度向西擴伸，強度逐漸增強，7月初達最強狀態，且副高脊線較多年平均顯著偏北約7°。

③副高脊線南北運動態勢與西風急流中心發展趨向近似相同。

④南亞高壓異常偏東，且每當其東伸與副高西伸配合時，在江淮流域會產生一次降水過程與之相應。

⑤南亞高壓東伸是導致副高西伸加強的重要因素之一。

⑥梅雨期江淮區域是全球空間范圍內水汽輻合的大值中心，我國東部到日本附近都有水汽的匯聚，低層到中層的水汽都在江淮輻合，這是該地區降水產生的有利條件之一。

⑦前期北太平洋上存在“馬蹄形”負SSTA、日本附近海域、澳大利亞以東太平洋有正SSTA，同期南海附近海域、熱帶西太平洋表現出正SSTA，匯入江淮的氣流顯著增強，降水區域偏向長江流域。

總之，2016年江淮梅雨所示特征與其相應的大尺度環流背景、水汽輸送及源匯以及海溫異常信號等都有密切關系。但是，本文僅對2016年梅雨特征做了基礎分析，更加具體的物理過程和其他相關因素的分析還有待于今后的進一步研究。