1979—2018年江淮氣旋時空分布特征

吳 瓊，馮佳瑋，王 揚，程 遠，張麗婷

(1.揚州市氣象局，江蘇揚州 225000；2.鎮江市氣象局，江蘇鎮江 212000)

前人往往將江淮氣旋的時空分布特征與個例診斷分開研究，將氣候特征和天氣學診斷結合的研究相對較少。本文在對1979—2018年的585個江淮氣旋進行氣候特征分析時發現，其時間分布規律在冷暖季存在顯著差異。本文對江淮氣旋的時空分布特征進行統計分析后，運用天氣學方法從環流形勢、鋒生條件、水汽條件和急流分布等方面，診斷分析了冷暖季江淮氣旋發生次數不同的原因。一方面解釋了統計分析中發現的江淮氣旋時間分布規律，另一方面也從天氣學角度更加深入地分析了江淮氣旋發生的有利條件。

1 數據和方法

利用MICAPS地面觀測資料和中央氣象臺歷史天氣圖資料，對1979—2018年的585個江淮氣旋發生次數年變化的周期，月、季分布規律，氣旋生成的空間分布等方面進行了氣候特征研究；根據發生次數的月、季分布特征，劃分暖季(4、5、6月)和冷季(10、11、12月)，利用ERA Interim的monthly means of daily means的1.5°×1.5°資料，從大尺度環流背景，對冷暖季的平均背景場進行對比分析，進而得出暖季和冷季相比,更有利于江淮氣旋生成的氣象條件。

2 江淮氣旋時空分布特征

2.1 定義

根據江蘇省氣象臺規定，定義在長江中下游和淮河流域(圖1)、生命史在12 h以上、具有明顯冷、暖鋒結構的低值系統稱為江淮氣旋。在圖1框區內第一次出現具有明顯冷、暖鋒結構的氣旋或氣旋波，稱為江淮氣旋的發生。而其發展的標準是：在125°E以西、35°N以南，以2.5 hPa間隔分析等壓線，任意12 h內氣旋中心值下降1 hPa以上，同時氣旋閉合等壓線達到兩條；或是在125°E以西、35°N以南，氣旋活動過程中有一個時次閉合等壓線達到三條以上或12 h降壓幅度在5 hPa以上。

圖1 江淮氣旋定義框區

2.2 月、季分布特征及其周期特征

利用1979—2018年MICAPS地面觀測資料以及中央氣象臺歷史天氣圖，按照江淮氣旋的定義，對40 a內發生的585個江淮氣旋個例進行了統計分析。1979—2018年，江淮氣旋年生成的次數存在年際變化，平均每年發生14.63次；發生次數最多的是2012年，共發生23次；最少的是2004年，僅8次。為了進一步研究江淮氣旋年發生次數年變化的周期規律，采用MORLET小波變換[8-9]，對40 a江淮氣旋生成次數進行了小波變換，計算出小波變換系數的實部(圖2)。結果顯示，江淮氣旋的年生成次數具有一定的周期性。1979—2018年江淮氣旋生成次數的年變化存在著3 a、5 a、9～10 a、17～19 a的周期，長、中、期尺度共存。在2000年以后，短周期由3 a和5 a轉為準4 a。

圖2 1979—2018年江淮氣旋發生次數小波分析

江淮氣旋的發生次數不僅存在明顯的年際差異，也存在較大的季節差異。按照常規的季節劃分標準將四季劃分為春季(3—5月)，夏季(6—8月)，秋季(9—11月)，冬季(12—次年2月)。從季節變化(圖3a)來看，春、夏兩季最容易發生江淮氣旋，分別占總次數的38.87%和32.84%；冬季和秋季的總和僅為28.29%，其中秋季最少，占12.42%。可以看出,由于環流形勢和天氣背景的差異, 在不同季節江淮氣旋的發生次數也存在著較大的差異。

圖3 江淮氣旋發生次數的季節(a)和月(b)分布

進一步按照月的時間尺度，對1979—2018年江淮氣旋的發生次數進行詳細分析(圖3b)，可以看出4、5、6月江淮氣旋最為活躍，共計出現244次，占總次數的41.71%，其中6月發生次數最多，共96次。發生江淮氣旋最少的月份為10—12月，共出現40次，僅占總次數的6.84%。40 a中江淮氣旋發生次數最少的月份為12月，共計11次。

2.3 氣旋生成空間分布

魏建蘇等[7]對1981—2009年江淮氣旋生成進行空間分布特征研究時發現，江淮氣旋生成主要集中在以下三個區域：蘇皖浙交界及淮河上游；大別山東北側、黃山北麓的蘇皖平原；鄱陽湖及其以北。江蘇省氣象局江淮氣旋課題組[10]在研究1961—1980年江淮氣旋源地時指出，氣旋發生主要集中在四個區域：淮河上游；大別山區東北側、黃山北麓的蘇皖平原；洞庭湖盆地；鄱陽湖盆地。

分析1979—2018年江淮氣旋生成次數的空間分布(圖4)，可以看出氣旋生成次數最多的區域位于114°E～116°E、28°N～31°N鄱陽湖盆地附近，此區域40 a間生成江淮氣旋平均可達20次以上：其西部洞庭湖盆地是另一高值區，達14～18次；在淮河上游和大別山東北側一帶，江淮氣旋的生成次數平均在10次以上，也是江淮氣旋的主要生成源地。

(1)生成k個滿足假設5和假設6的隨機整數xk，表示第k個時間段乘坐電梯的人數，并將xk個人隨機的分到第l樓；

圖4 1979—2018年江淮氣旋生成次數(單位：次)的空間分布

可以看出，雖然研究時段不同，但是江淮氣旋生成次數的空間分布并無太大差別，一方面說明了近40 a江淮地區及上游的氣候背景并未發生太劇烈的變化，另一方面說明江淮氣旋發生較多的區域具備有利于江淮氣旋發生的氣象條件。長江中下游及淮河流域位于青藏高原東側，由于背風坡的減壓，以及高原南側氣流繞流作用，高原東側多低槽東移，槽前正渦度平流有利于低空減壓；此外，江淮流域位于南方鋒生帶中，冷暖空氣交匯頻繁，有利于氣旋鋒生。

按照季節分析江淮氣旋的空間分布可以發現：春季(圖5a)，江淮氣旋最常發生在鄱陽湖盆地、洞庭湖盆地和大別山東北部附近。由于鄱陽湖盆地、洞庭湖盆地常有倒槽產生，當冷空氣進入倒槽后，在倒槽頂端氣旋性曲率最大處往往有氣旋發生。夏季(圖5b)，氣旋發生的大值區有所北移，并在武漢以北增加了一個新的大值中心，集中在鄱陽湖盆地、洞庭湖盆地及其偏北部、淮河上游和大別山東北部。考慮這種變化與副熱帶高壓季節性北抬后，鋒區也跟著北抬有關。秋冬季節(圖5c、圖5d)，東亞大槽建立，北方冷空氣常大舉南下，江淮流域多處于槽后受西北氣流控制，江淮氣旋發生次數明顯減小。鄱陽湖盆地、洞庭湖盆地附近的大值中心依然存在，其位置與夏季相比略有南落；在淮河流域和大別山東北側偶有江淮氣旋發生。綜上分析了江淮氣旋發生次數的空間分布隨季節變化的情況，可知鄱陽湖盆地、洞庭湖盆地的大值區是長期存在且最主要的，但會隨著大氣環流的季節變化而發生一定的南北偏移。

3 暖、冷季江淮氣旋環境條件

根據江淮氣旋逐月發生次數的分布情況，將江淮氣旋出現較多的月份(4、5、6月)重新定義，稱為暖季，在暖季發生的江淮氣旋稱為暖季江淮氣旋；將江淮氣旋出現較少的月份(10、11、12月)，稱為冷季，在冷季發生的江淮氣旋稱為冷季江淮氣旋。

暖季江淮氣旋活躍，平均發生次數占全年總次數41.71%，而冷季江淮氣旋則發生較少，僅占6.84%，不足暖季的六分之一。針對這個現象，通過對比分析冷、暖季的平均溫壓場配置[11-14]、鋒生條件和水汽條件[15]等方面的差異，得出冷、暖季有利于和不利于江淮氣旋發生的氣象條件，嘗試說明為何暖季江淮氣旋發生次數遠多于冷季。

圖5 1979—2018年江淮氣旋春(a)、夏(b)、秋(c)、冬(d)的發生次數(單位：次)分布

3.1 環流對比

對比500 hPa暖季(圖6a)和冷季(圖6b)的平均高度和溫度場可以看出，平均溫度場略落后于平均高度場。暖季，等高線在孟加拉灣處可以分析出南支槽；而冷季，該處環流較平直，為偏西氣流，略有氣旋性彎曲。暖季孟加拉灣明顯有南支槽的存在，一方面有利于孟加拉灣水汽通過槽前西南氣流向江淮氣旋的上游地區輸送，另一方面槽前的正渦度平流也有利于槽前區域的減壓。從溫度平流來看，暖季和冷季亞洲東岸均為溫度槽，暖季在30°N以北為冷平流，以南為暖平流，暖平流有利于高空槽的加深，從而通過增強槽前渦度平流間接加強低層系統的減壓作用；冷季，中國大部分地區受冷平流控制，不利于低層氣旋的發生。

對比700 hPa平均高度和溫度場可以看出，暖季(圖6c)在孟加拉灣一帶也有較強的南支槽，且在高原地區可以分析出平均高原槽的存在，而高原槽東移時槽前的正渦度平流正是江淮氣旋發生發展的有利動力條件；冷季(圖6d)在孟加拉灣北側有弱的淺槽，槽的強度偏弱，位置偏北，對暖濕氣流的輸送比暖季弱得多，高原附近雖然也可以分析出平均淺槽波動，但強度比暖季弱。從溫度平流的分布可以看出，暖季在長江中下游區域為暖平流控制，有利于低層減壓；而冷季不僅貝加爾湖以西的冷平流更強，而且在長江中下游的廣泛區域內主要是冷平流控制，冷平流有利于低層增壓，不利于氣旋發展。

850 hPa上，暖季(圖6e)和冷季(圖6f)的平均高度場在孟加拉灣處為反位相，暖季在孟加拉灣處是深厚的南支槽，長江中下游區域均處于槽前，非常有利于低層暖濕氣流和槽前正渦度平流輸送；而冷季孟加拉灣存在一個高壓脊，阻礙了低層暖濕氣流輸送，也沒有正的渦度平流輸送。此外，暖季在東北北部有平均低渦，低渦槽后冷空氣自河套南下，冷暖氣流在江淮地區交匯，而冷季的低渦和低槽位置偏東偏北，我國大部分地區受冷平流控制。

綜上可知：在暖季中低層，孟加拉灣地區有較深厚的南支槽存在，槽前西南氣流有利于高溫高濕氣流的輸送，長江中下游處于槽前正渦度平流和暖平流的輸送帶內，有利于低層系統減壓，且暖濕氣流與亞洲東岸平均槽后的冷空氣在江淮流域相匯，有利于鋒生；而在冷季只有700 hPa可以分析出孟加拉灣北側和高原有淺槽波動，850 hPa該地區為高壓脊，且冷季我國大部分地區為冷平流控制，不利于天氣系統發展。

圖6 暖季(a 500 hPa，c 700 hPa，e 850 hPa)與冷季(b 500 hPa，d 700 hPa，f 850 hPa)平均高度場(實線，單位為hPa)、溫度場(虛線，單位為K)對比

3.2 鋒生作用對比

江淮氣旋是鋒面氣旋[16]。在中國境內南北各有一條鋒生區，分別是華南到長江流域以及河西走廊到東北兩個區域，南北兩個鋒生帶分別與南北兩支高空鋒區相對應，鋒生帶隨著高空鋒區的季節變化相應地發生一定位移。在江淮流域一帶，700 hPa圖上常會出現變形場，有利于鋒生。

對比暖季和冷季在700 hPa的鋒生函數[17-18]可以發現，暖季(圖7a)江淮流域一帶均處在鋒生正值區內，尤其是在江淮地區的上游區域，云南、貴州和四川交界處是鋒生正值區，可以分析出8×10-11K/(m·s)以上的中心；但是在冷季(圖7b)，江淮流域正值區不連續，鋒生正值大值區在河套東南部，位置偏北，而在江淮地區的上游區域四川省內則是鋒生負值中心，利于鋒消，不利于鋒面系統的發展。

圖7 700 hPa鋒生函數(單位為10-11 K/(m·s)；a 暖季，b 冷季)

3.3 水汽條件對比

凝結潛熱的釋放對氣旋的發生發展起重要作用[19-20]，而充足的水汽是發生凝結的基本條件[21-22]。850 hPa上，暖季(圖8a)從孟加拉灣至江淮流域有通暢的西南—東北向水汽輸送通道，在江淮氣旋發生的上游地區，云南、貴州和四川有較強的水汽通量輻合，高溫高濕的氣流在上游匯聚，向東傳播，有利于江淮氣旋的發生；而冷季(圖8b)江淮地區為弱的自北向南輸送的水汽通量，水汽通量的輻合和輻散也較弱。925 hPa上，暖季(圖8c)同樣可以分析出通暢的西南—東北向水汽輸送通道，在江淮上游仍有水汽通量散度輻合中心，水汽輻合的范圍和高層相比進一步擴大，說明在江淮氣旋發生的上游地區上空，暖濕氣流的輸送和輻合強且深厚。但在冷季(圖8 d)江淮地區水汽通量是東北—西南向，且沒有明顯的水汽通量輻合，上游地區水汽通量輻合也遠弱于暖季。

3.4 急流對比

低空急流對低層水汽的輸送也有不可忽視的作用[23]。對比暖季和冷季的平均風速可以看出，雖然經過平均后風速有所減小，不能達到12 m/s的低空急流標準，但還是可以清晰地看出風速大值帶的走向。暖季(圖9a)850 hPa風場中可以分析出從孟加拉灣指向江淮地區的一條西南—東北走向的大風速帶，將孟加拉灣水汽源源不斷地向江淮地區輸送，且在江淮地區產生風速輻合，有利于江淮流域氣旋的發生；但是在冷季(圖9b)，大陸上風場是反氣旋環流，且江淮流域沒有平均風速超過4 m/s的風速大值區，風速大值區整體更偏南，位于海上。

根據定義，200 hPa上風速超過30 m/s的風速帶稱為高空急流。在江淮氣旋的發生發展過程中，高空急流也起著不可忽視的作用。根據暖季(圖9c)和冷季(圖9d)的全風速對比可以看出，對流層高層200 hPa上，暖季和冷季均存在著偏西風急流，冷季的高空偏西風急流更強，但急流軸線比暖季略偏南。暖季的高空急流軸線位于華北附近。高空急流入口區右側有利于上升運動，上升運動有利于地面減壓。暖季高空急流入口區右側位于江淮地區，因此更有利于江淮氣旋的發生。

圖8 暖季(a 850 hPa，c 925 hPa)和冷季(b 850 hPa，d 925 hPa)水汽通量(箭矢，單位為g/(cm2·hPa))、水汽通量散度(陰影，單位為10-8 g/(cm2·hPa·s))對比

圖9 暖季(a 850 hPa，c 200 hPa)和冷季(b 850 hPa，d 200 hPa)風場(流線,單位為m/s)、全風速(陰影，單位為m/s)對比

4 結論

(1)江淮氣旋的發生次數年際差異大，有3 a、5 a、9～10 a和17～19 a等多種周期共存，2000年后存在準4 a周期；月差異也較大，4—6月最多，10—12月最少。

(2)江淮氣旋在鄱陽湖盆地、洞庭湖盆地最多，淮河上游和大別山東北側次之，并且空間分布大值區隨著大氣環流的季節變化會出現一定偏移。

(3)暖季孟加拉灣存在深厚南支槽，低空西南急流輸送暖濕氣流，使水汽通量在江淮流域及上游輻合；江淮流域處于暖季鋒生正值中心，且位于高空急流入口區右側，均有利于暖季江淮氣旋生成，是水汽通量輻合區和鋒生的正值中心。

(4)冷季僅在700h Pa的孟加拉灣北側有淺槽，850 hPa為高壓脊，江淮地區為冷平流控制，低空急流不明顯，且無明顯水汽輸送和水汽通量輻合；江淮流域鋒生正值區不連續且上游為鋒消區，高空急流軸偏南，氣象條件不利于江淮氣旋生成。