浙江省2015年多梅年和2018年少梅年大尺度環(huán)流特征的對比分析

王麗娟 鄧方俊

(臺州市氣象局,浙江 臺州 318000)

0 引 言

每年6—7月江淮流域常常有一段降水集中的連陰雨天氣,也就是人們所稱的“梅雨”。由于梅雨持續(xù)時間的長短和降雨量的多寡與旱澇災害密切相關,長期以來對梅雨的研究與預報一直受到人們的特別關注。我國氣象工作者對梅雨的研究由來已久,尤其從各方面探討江淮梅雨預報,獲得不少有價值的結論。周曾奎[1]在對1991年異常梅雨的研究中指出,1991梅雨異常偏多除了與副高脊線穩(wěn)定維持在20°～25°N有關外,還與中高緯度阻高關系非常密切。劉梅等[2]討論了南亞高壓特征與江蘇梅雨的關系,指出南亞高壓特征指數(shù)和西風槽移動與江蘇梅雨期有密切關系,梅雨期南亞高壓脊線和東伸指數(shù)對梅雨強度預報有一定的指示意義。王登炎等[3]研究了南亞高壓東西振蕩對湖北極端暴雨的影響,得出結論,若中低層形勢有利,很可能造成極端暴雨事件。張建海等[4-5]和張春艷等[6]在診斷分析2008年和2011年浙江梅汛期梅雨鋒結構時,發(fā)現(xiàn)冷空氣影響使梅雨鋒兩側有明顯的溫度對比,梅雨鋒向北傾斜,無冷空氣影響的梅雨鋒向南傾斜。冷春香等[7]在研究西太平洋副高在1998年和2001年梅汛期長江流域大澇大旱中的作用時指出,長江流域梅汛期的旱澇與副高強弱和東西位置關系密切,當副高平均脊線偏南、副高西伸到95°～115°E范圍時,長江流域易產生強降水。胡伯威[8]和隆宵等[9]指出梅雨鋒結構具有復雜性和多樣性的特點,在梅雨鋒暴雨的中尺度特征上強調了中尺度系統(tǒng)是暴雨的直接制造者。毛文書等[10]利用1954—2001年江淮地區(qū)入、出梅日期和雨量資料,比較了豐、枯梅年的大氣環(huán)流差異,豐梅年南亞高壓呈緯向分布,強度增強，副高120°E脊線位于20°～25°N之間。牛若云等[11]分析了2008年江淮梅雨異常的大尺度環(huán)流成因,認為該年入梅偏早是東亞大氣環(huán)流由冬季型向夏季型轉換提前所致,出梅偏早主要是受冷空氣活動的影響。俞燎霓等[12]分析了浙江梅雨氣候特征及梅汛期暴雨的形勢發(fā)現(xiàn),暖鋒切變型雨帶以東西向為多見,東北冷渦型雨帶分布特征不明顯；冷切低渦型、低槽型雨強相對大一些,出現(xiàn)大暴雨的概率更高。王建捷等[13]分析了1998年的梅雨鋒結構指出,與一般認為梅雨鋒只存在于800 hPa以下不同,該鋒區(qū)可伸展至600 hPa,強降水出現(xiàn)時梅雨鋒則演變?yōu)榻橛跍貛тh面結構和ITCZ結構之間的副熱帶鋒系結構。江麗俐等[14]研究了2011年長江中下游梅雨的環(huán)流特征指出，通過對比分析2次梅雨鋒暴雨過程發(fā)現(xiàn),第一次上冷下暖不穩(wěn)定層結造成強降水,第二次無明顯冷空氣影響,西南渦沿切變線東移造成強降水。尹東屏等[15]分析了江蘇的典型梅雨和非典型梅雨的梅雨鋒暴雨特征指出,典型梅雨鋒暴雨在600 hPa以下有較強的鋒生現(xiàn)象；非典型梅雨鋒暴雨近地面鋒生明顯弱于典型梅雨鋒暴雨,鋒區(qū)垂直分布呈不連續(xù)狀態(tài)。

以上對梅汛期降水的研究只局限于一年的研究,對比分析多梅年和少梅年的大尺度環(huán)流特征,可以更好地分析研究梅汛期的成因。2015年是浙江繼1999年之后梅雨量降水最大的年份,而2018年梅雨量明顯偏少,特別是浙中南一帶,入梅遲,梅期偏短。因此本文對這兩年梅汛期間的大尺度環(huán)流特征進行了對比分析,進一步總結浙江省梅雨預報的著眼點。

本文所采用的資料有：(1)美國國家環(huán)境預報中心(NCEP)和美國國家大氣研究中心(NCAR)再分析資料,水平分辨率為2.5°×2.5°,格點數(shù)為144×73,垂直方向17層；(2)國內氣象觀測資料和浙江區(qū)域自動站降水資料。

1 2015年和2018年梅汛期降水特征

2015年浙江省6月7日入梅,比常年略早(常年6月10日),7月12日出梅,梅期35 d,梅雨量總體比常年明顯偏多,全省面雨量達472 mm,比常年偏多57%,其中市平均面雨量最大為衢州659 mm,最少為溫州249 mm,是1999年以來梅雨量最多的年份,梅汛期共出現(xiàn)了3輪集中降水過程,分別出現(xiàn)在6月7—11日、6月13—19日和7月1—6日,7月8—12日主要受1509臺風“燦鴻”的影響,浙江省中東部和東南沿海出現(xiàn)了強降水,不屬于典型的梅汛期降水。

2018年浙江省于6月20日入梅,比常年偏晚(常年6月10日),7月9日出梅,梅期共19 d。全省平均面雨量為229 mm,比常年平均梅雨量(301 mm)偏少24%，只有2015年降水量的一半。強降水主要集中在浙中北地區(qū),市平均面雨量最大為杭州296 mm,最少為麗水只有140 mm。梅期汛有2個降水時段。第一時段是6月19日夜里至23日，浙中北地區(qū)出現(xiàn)了兩輪較強降水；第二時段是6月29日至7月9日，出現(xiàn)了多雷陣雨和對流天氣,大部分氣溫達到32～35℃,甚至35℃以上。2018年梅汛期總體呈現(xiàn)了2個特點：一是入梅明顯偏遲，出梅正常,梅期短,梅雨量偏少；二是梅雨類型不典型。

由梅汛期累積降水量分布可知,2015年累積降水量明顯比2018年多,2015年降水大值區(qū)主要分布在浙中偏北一帶地區(qū),浙南和浙北相對偏少,出現(xiàn)了中間多兩頭少的格局；而2018年降水相對大值區(qū)位于浙北和沿海中北部一帶。

2 梅汛期降水的大尺度環(huán)流對比分析

2.1 梅汛期降水的500 hPa高度場特征

本文對2015年和2018年整個梅汛期間平均500 hPa高度場(圖1)進行了分析。從中低緯看,副熱帶高壓強度都達到了591 hPa,但不同的是2015年副高110°～130°E緯向平均的脊線在23°N附近,西脊點西伸到東經(jīng)118°E,這樣的副熱帶高壓位置有利于其西北側西南暖濕氣流北上,并將孟加拉灣、南海的水汽持續(xù)輸送至浙江省上空,提供浙江梅汛期降水的水汽條件；同時中高緯度顯示為兩槽一脊的形勢,鄂霍次克海槽比較強,其槽后西北氣流有利于冷空氣南下,同時中緯度南支槽前西南氣流和副高西北側西南氣流疊加,冷空氣偏強和西南氣流偏強造成2015年降水明顯偏多。而2018年副高西脊點明顯偏東,在130°E以東,主體脊線位置達到了28°N左右,副高位置持續(xù)偏東,同時脊線偏北,不利于水汽輸送,中高緯度鄂霍次克海處于橫槽狀態(tài),冷空氣輸送能力弱,造成浙江降水偏少。

圖1 平均500 hPa高度場(a.2015年6月7日—7月12日、b.2018年6月20日—7月9日)(單位：dagpm)

從2015年3個主要的強降水時段平均的500 hPa高度場(圖略)看,西太平洋副熱帶高壓110°～130°E平均的脊線位置穩(wěn)定在19°～23°N之間,西脊點穩(wěn)定在100°～125°E之間,這樣的配置均有利于浙江梅汛期降水持續(xù)；而2018年6月20—23日的110°～130°E平均脊線在22°N左右,西脊點達到了118°E,在這期間,浙中北降水較明顯,屬于典型的梅汛期降水形勢,但持續(xù)時間特別短。從6月底到梅汛期結束,副高位置明顯偏東,西脊點在135°E左右,脊線達到了30°N,這種形勢不利于典型梅汛期降水的發(fā)生,浙中北地區(qū)多雷陣雨和強對流天氣,不屬于典型梅雨。這也驗證了之前的文獻[16]提到的只有副高西脊點達到120°E,才能建立有利的水汽輸送通道,梅雨鋒才能穩(wěn)定建立。

從整個6—7月西太平洋副熱帶高壓110°～130°E平均脊線隨時間的演變(圖2a、圖2b)來看,2015年梅汛期脊線比較穩(wěn)定,整個梅汛期降水時段脊線維持在19°～23°N,7月6日臺風影響期間開始北跳,8日后北跳至30°N以北,雨帶隨之北跳。而2018年副高脊線南北擺動比較大,20日之前脊線偏南在18°N以南地區(qū),導致入梅明顯偏遲,21—23日副高脊線穩(wěn)定在20°～24°N,25日開始至梅汛期結束之前,脊線一直維持在25°N以北,導致浙江第二階段降水不明顯。從6—7月西太平洋副高西脊點的逐日演變(圖2c、圖2d)看,2015年梅汛期間西脊點相對比較穩(wěn)定,7月2日之前穩(wěn)定在120°E以西地區(qū),2日到梅汛期結束也是持續(xù)在120°～130°E。而2018年西太平洋副高西脊點東西擺動比較大,平均西脊點位置明顯偏東,梅汛期6月下旬之前西脊點在120°E以西,從6月29日一直到梅汛期結束,西脊點明顯偏東,持續(xù)維持在130°E以東。西脊點偏東不利于水汽向浙江地區(qū)輸送,不利于梅汛期降水產生。

2.2 梅汛期降水的100 hPa高度場特征

南亞高壓的位置與梅汛期雨帶的位置和季節(jié)性變化有密切關系。從2015年梅汛期間100 hPa平均高度場(圖3a)來看,2015年南亞高壓中心位于60°E、33°N附近,120°E附近脊線大概在28°N附近,1676 dagpm線東脊點位于125°E附近。而2018年南亞高壓中心偏東(圖3b),中心位于90°E、32°N附近,120°E附近脊線大概在30°N附近,比2015年偏北,1676 dagpm線東脊點位于120°E附近,比2015年明顯偏西,從強度來說2018年南亞高壓強度比2015年強。

圖3 梅汛期間100hPa平均高度場(a.2015年、b.2018年)和南亞高壓120°E脊線和東脊點逐日演變(c.2015年6—7月、d.2018年6—7月)

以100 hPa 1676 dagpm線東脊點的經(jīng)度表征南亞高壓東伸脊點,用南亞高壓東西向脊線與120°E經(jīng)線交點處緯度來分析南亞高壓脊線位置變化。由6—7月南亞高壓120°E脊線位置和東脊點變化的逐日演變(圖3c)可知,2015年6月1日至7月10日南亞高壓脊線基本穩(wěn)定在24°～29°N之間,也就是說2015年整個梅汛期南亞高壓120°E脊線穩(wěn)定在24°～29°N之間,東脊點維持在100°～130°E之間,7日開始南亞高壓雖沒有北跳,但是東脊點東伸到130°～180°E,對應臺風影響期,不利于典型梅汛期降水。而2018年120°E脊線一路北跳(圖3d),同時東伸脊點也一路東伸,從6月1—16日基本維持在21°～24°N之間,17日北跳,一直到24日維持在26°～29°N之間,6月25日開始脊線就已經(jīng)到達32°N,之后一直到7月底,除了偶爾1～2 d外,都持續(xù)在30°N以北地區(qū),而東伸脊點在梅汛期降水期間維持在110°～120°E,前期脊點偏西,后期偏東。南亞高壓120°E脊線在30°N以北,東脊點偏東或者偏西,都不利于浙江省典型梅汛期降水的發(fā)生。南亞高壓120°E脊線位于24°～29°N之間,東脊點在100°～130°E之間,有利于浙江梅汛期降水的發(fā)生。

2.3 低層風場特征對比分析

梅雨鋒是西南季風和北方冷空氣之間的交界面,季風進退與梅雨形成和雨帶南北擺動密切相關。

從2015年850 hPa緯向風和經(jīng)向風110°～120°E平均緯度時間演變圖(圖4a、圖4c)看,6月7—11日西風中心區(qū)和13—20日西風中心區(qū)與北面東風中心交匯在30°N附近,而7—20日經(jīng)向風顯示,大部分時間段南北風交匯在30°N附近,說明穩(wěn)定的暖濕氣流和冷空氣交匯在30°N附近,形成梅雨鋒和中低層切變線,對應第一次和第二次降水過程。23日至月底西風中心區(qū)向北擴展到35°N附近，與東風中心區(qū)交匯,同時南風中心也非常強,向北擴展到45°N甚至50°N以北,說明暖濕氣流很強,且北抬明顯,雨區(qū)也隨之北抬,降水中斷。7月1—2日東西風交匯中心南撤到25°N,南北風也交匯到30°N附近,對應第三次降水。3日開始持續(xù)到11日東西風和南北風交匯中心都南撤到15°～20°N之間。

從2018年850 hPa緯向風和經(jīng)向風110°～120°E平均緯度時間演變圖(圖4b、圖4d)看,19日之前,東西風交匯位置在25°N以南,同時冷空氣影響偏南,南北風交匯在20°N附近,造成入梅偏遲。19—23日西風中心與東風中心交匯到30°N附近,同時19—21日南北風交匯到30°N附近,21—23日南風向北擴展到45°～50°N,東西風和南北風都交匯到30°N,造成2018年第一次降水。之后一直到梅汛期結束前南風氣流非常強盛,暖濕氣流較強但冷空氣影響弱,導致2018年第二階段降水偏弱。

圖4 850 hPa緯向風110°～120°E平均緯度時間演變(a.2015年、b.2018年)和850 hPa經(jīng)向風110°～120°E平均緯度時間演變(c.2015年、d.2018年)(單位：m.s-1)

由此可見，2015年梅汛期暖濕氣流和冷空氣交匯在30°N附近,使中低層切變和梅雨鋒在浙江附近維持,降水偏多。而2018年前期南北風交匯偏南,冷空氣強,暖濕氣流偏弱,后期暖濕氣流偏強造成北推明顯,降水偏少。

2.4 高層風場特征對比分析

由2015年200 hPa緯向風110°～130°E平均緯度時間演變圖(圖5a)可以看到,2015年高空副熱帶西風急流很強,且相對比較穩(wěn)定,從6月1日到7月6日,維持穩(wěn)定不變的強西風急流,南界位置穩(wěn)定在30°～32°N之間,6月7日梅汛期開始,高空西風急流中心達到50m.s-1以上,之后位置穩(wěn)定少動,但是強度有所減弱,7月1—6日強度又有所加強,6日后急流消失。梅汛期高空急流入口處右側和低空西南急流左側形成高空輻散低空輻合的配置,為梅汛期降水的發(fā)生提供非常有利的動力條件。2018年高空副熱帶西風急流明顯偏弱(圖5b),16日之前高空也維持較強的西風急流,但由于低空輻合不明顯,高低空配合較差,未發(fā)生較強降水。17—22日有高空急流存在,南界在35°N附近,但強度不強,配合低空輻合,對應第一次降水。2—5日也有較弱高空急流存在,南界在35°N附近,該期間也有降水發(fā)生。

圖5 200 hPa緯向風110°～130°E平均緯度時間演變(a.2015年、b.2018年)(單位：m.s-1,陰影區(qū)大于30m.s-1)

對比2015年和2018年高空200 hPa緯向風,2015年梅汛期高空西風急流偏強,且穩(wěn)定少動,梅汛期降水發(fā)生期間,南界穩(wěn)定在30°～32°N之間；而2018年梅汛期高空西風急流偏弱,且位置隨時間北跳明顯,梅汛期降水發(fā)生期間,南界穩(wěn)定在35°N，比2015年偏北。由此可見,高空急流強且位置穩(wěn)定,造成高空輻散加強,2015年降水偏多；而2018年高空急流明顯偏弱,且北跳明顯,位置偏北,造成2018年降水偏少。

3 梅汛期降水時段溫濕場及梅雨鋒結構對比分析

3.1 梅汛期降水時段溫濕場特征

分析2015年和2018年梅汛期強降水期間平均溫度場和濕度場分布可知,2015年第一階段和第二階段浙江均處于溫度梯度大值區(qū)偏暖空氣一側,第三階段降水期間北側極地冷氣團南壓,水平溫度梯度加大,且位置也有所南壓,浙江處于水平溫度梯度大值區(qū)內。濕度場分布顯示3個階段浙江均處于大值濕度區(qū)內,第三階段濕度最大,實況顯示第三階段降水最明顯；2018年第一階段降水期間浙江處于水平溫度梯度大值區(qū),第二階段浙江在水平溫度梯度大值區(qū)南側暖空氣一側。濕度場分布顯示第一階段浙江處在濕度大值區(qū)內,第二階段濕度大值區(qū)位于其北側,主要降水發(fā)生在蘇皖一帶。由此可見,強降水不一定發(fā)生在水平溫度梯度大值區(qū)內,但是都處于相對濕度大值區(qū)內。

3.2 梅雨鋒水平和垂直分布特征

假相當位溫是表征大氣溫度、壓力、濕度的綜合特征量,其分布反映大氣中能量分布,是一個能綜合反映溫度和水汽條件(濕度)的物理量,其高值區(qū)也是高能區(qū),可用來表征梅雨鋒的溫濕分布特征。從2015年和2018年各降水階段的平均850 hPa假相當位溫圖來看(圖6),2015年25°N以南地區(qū)存在一個東北—西南向的假相當位溫大值區(qū),代表高溫高濕的熱帶海洋氣團,30°N以北地區(qū)是假相當位溫低值區(qū),代表干冷的極地大陸氣團；2個氣團之間是假相當位溫密集分布區(qū),即梅雨鋒所在的位置；以345 K作為梅雨鋒南界,325 K作為北界,在強降水的第一和第二階段，假相當位溫密集帶(梅雨鋒區(qū))位置類似；在降水的第三階段，假相當位溫密集帶明顯南壓。3個階段浙江均處在非常明顯的干冷空氣和暖濕空氣之間的假相當位溫密集區(qū)即梅雨鋒內,說明3段降水均是冷暖空氣配合造成明顯降水的。而2018年第一階段降水假相當位溫仍存在密集帶,但位置比2015年3個階段都偏北,且呈西北—東南向,浙江處于假相當位溫密集區(qū)南側的高溫高濕氣團內,說明該階段浙江降水主要是以暖區(qū)降水為主,受冷空氣影響不大；2018年第二階段降水北側梅雨鋒區(qū)進一步北抬,浙江位于梅雨鋒密集帶南側,由于梅雨鋒位置太偏北且鋒區(qū)較弱,造成降水偏弱。

圖6 平均850 hPa假相當位溫(a.2015年6月7—11日、b.2015年6月13—19日、c.2015年7月1—6日)和2018年平均850 hPa假相當位溫(d.2018年6月20—23日、e.2018年6月29—7月9日)(單位：K)

從850 hPa沿120°E的假相當位溫垂直剖面(圖7)看,假相當位溫垂直方向梯度很小,接近垂直分布,反映了梅雨降水濕絕熱過程位溫的守恒性。在25°～30°N假相當位溫等值線呈典型的漏斗狀向上向下伸展,漏斗的中低層是上凸的高溫高濕大氣,700～800 hPa以下假相當位溫隨高度遞減,為強的位勢不穩(wěn)定層結。漏斗以北在30°N附近的密集帶為梅雨鋒,以北是小值區(qū)干冷大氣,以南是大值區(qū)的暖濕大氣。2015年3個降水階段垂直剖面圖均表現(xiàn)出類似特征,梅雨鋒接近垂直分布,而且都持續(xù)到對流層中高層,但都略向北傾斜,表現(xiàn)出一定的斜壓性,說明降水都與冷空氣密切相關。而2018年梅雨鋒密集帶位置明顯偏北,與2015年不同的是梅雨鋒只在600 hPa以下比較明顯,且向南傾斜,說明降水過程沒有冷空氣影響；而第二階段降水期間的梅雨鋒密集帶進一步北移,而且低層大氣也沒有明顯的漏斗狀,但偏北的梅雨鋒密集帶也有向北傾斜,由于梅雨鋒位置太偏北,浙江降水不明顯,雨區(qū)北移。

圖7 沿120°E的假相當位溫垂直剖面圖(a.2015年6月7—11日、b.2015年6月13—19日、c.2015年7月1—6日)和沿120°E的假相當位溫垂直剖面圖(d.2018年6月20—23日、e.2018年6月29—7月9日)(單位：K)

4 結 語

通過NCEP/NCAR再分析資料和實測降水資料,對浙江省2015年多梅年和2018年少梅年梅汛期降水的大尺度環(huán)流特征和各降水時段的溫濕場及梅雨鋒結構進行了對比分析,得到以下幾點結論。

(1)2015年梅汛期西太平洋副熱帶高壓脊線穩(wěn)定,位置持續(xù)在19°～23°N之間,西脊點相對位置比較偏西,副高這種位置利于其西北側西南暖濕氣流與北側冷空氣在浙江交匯,造成降水偏多；而2018年西太平洋副高脊線偏北明顯,西脊點位置明顯偏東,副高西北側未能建立有效的水汽輸送通道,造成降水偏少。2015年梅汛期南亞高壓120°E脊線穩(wěn)定在24°～29°N,而2018年梅汛期南亞高壓120°E脊線位置明顯偏北,大部分時段在30°N以北。西太平洋副熱帶高壓脊線穩(wěn)定在19°～23°N之間,西脊點穩(wěn)定在100°～125°E；南亞高壓120°E脊線穩(wěn)定在24°～29°N,有利于浙江梅汛期降水持續(xù)發(fā)生。

(2)低空西南季風和高空副熱帶西風急流與梅汛期降水關系重大。2015年梅汛期低空西南季風和冷空氣交匯在30°N附近,使中低層切變在浙江附近維持,高空副熱帶西風急流強且穩(wěn)定維持,造成浙江上空高空輻散明顯,降水偏多。而2018年前期冷空氣強,低空西南季風偏弱,后期西南季風偏強北推明顯,冷空氣弱,且高空副熱帶西風急流偏弱,位置偏北,造成降水偏少。低層西南季風和冷空氣交匯在30°N附近，高空副熱帶西風急流強,且穩(wěn)定少動,其南界在30°～32°N之間,有利于浙江梅汛期降水發(fā)生。

(3)2015年850 hPa溫度場和濕度場分布顯示,強降水不一定發(fā)生在水平溫度梯度大值區(qū)內,但是都處于相對濕度大值區(qū)內。2015年850 hPa假相當位溫場顯示3個強降水階段浙江均處于梅雨鋒密集帶內,即處于冷暖氣流交匯處,說明2015年的梅汛期降水都與冷空氣影響密切相關；從2015年3個階段降水的垂直剖面圖可以看出,梅雨鋒持續(xù)到對流層中高層,且垂直方向都是向北傾斜的,同樣也說明降水與冷空氣影響有關。而2018年第一階段降水浙江位于梅雨鋒南側的高溫高濕氣團內,該階段降水與冷空氣無關,梅雨鋒在600 hPa以下比較明顯,且垂直方向向南傾斜,同樣也說明此問題； 2018年第二階段梅雨鋒進一步北移,浙江位于偏北偏弱的梅雨鋒的南側,降水明顯偏弱。冷空氣活動與浙江梅汛期降水的發(fā)生有非常重要的關系,冷空氣偏強造成梅雨鋒偏強維持,有利于浙江梅汛期降水偏重。