春季次天氣尺度氣旋年際變化對江淮地區降水的影響

盧楚翰 王思濤 葉佳馨 楊敏 李芹芹 何文悅 周潔雯

摘要 基于1979—2013年ERA-Interim逐日6 h的850 hPa位勢高度場資料，利用氣旋最外圍閉合等值線自動識別方法提取了春季影響江淮地區的二維氣旋集，研究了次天氣尺度氣旋活動年際異常與江淮地區降水異常的聯系。結果表明：次天氣尺度氣旋活動對江淮大部分地區春季降水作用明顯，貢獻率達25%以上，次天氣氣旋活動出現對應顯著的區域對流層低層氣旋式渦旋和輻合運動，為局地降水增強提供了有利的動力條件。次天氣尺度氣旋強度的年際變化與春季江淮地區東南部降水異常及強降水頻次存在顯著正相關關系。當江淮地區次天氣尺度氣旋增強時，青藏高原至中國長江中下游地區出現異常的倒槽型環流，有利于江淮地區形成氣旋式環流異常;同時，隨著南方地區西南暖濕氣流增強，對流層下部大氣斜壓性增強，促進了江淮地區次天氣尺度氣旋活動增強。春季青藏高原地區氣柱異常加熱，引起對流層低層位勢高度降低，促進了南方地區西南風加強，導致江淮地區次天氣尺度氣旋活動增強。

關鍵詞 次天氣尺度氣旋;自動識別;降水異常;江淮地區

江淮流域人口密集、工農業發達，但受東亞季風系統、ENSO等多尺度大氣環流以及外強迫信號影響，區域天氣、氣候變化復雜（王志毅等，2017;李麗平等，2019;王黎娟等，2020）。眾多研究表明，氣旋系統的生消、移動與極端天氣氣候事件的發生相聯系（陶詩言，1980）。特別地，由于受到春季江淮氣旋等天氣系統的頻繁影響，該地區極端強降水、持續性連陰雨以及沿海大風等災害性天氣氣候事件時有發生。

隨著全球再分析資料的豐富以及計算機技術的提升，當前主要通過自動識別方法研究溫帶氣旋的長期活動以及其影響（姚素香等，2003;Zhang et al.，2012;秦育婧和盧楚翰，2017;王黎娟等，2019）。以往自動氣旋識別算法主要基于個體的最低（中心）點，例如，Neu et al.（2013）比較了15種流行的氣旋自動算法，有61%的算法使用了最低中心點算法。但由于許多溫帶氣旋具有復雜的外形結構，存在多中心氣旋的合并以及分裂等復雜情況，使得中心點算法對于短生命周期或者尺度較小的氣旋捕捉相對困難，存在一定的不確定性。因此，以往研究主要集中在天氣尺度的氣旋活動，而對生命周期較短以及影響范圍較小的氣旋系統長期活動的研究較少。研究表明，短生命周期/次天氣尺度氣旋活動同樣不能忽視，在部分區域相當活躍。Hewson（2009）指出在北大西洋的氣旋活動中，短生命周期氣旋占29%。盡管生命周期較短，但中尺度、次天氣尺度氣旋活動同樣能引起強烈的天氣。Irving et al.（2010）針對影響半徑在500 km以下的南半球熱帶外中尺度氣旋的長期活動進行了自動識別和系統分析，并指出它們的活動與局地的極大風速事件有著較好的聯系。

我國南方氣旋以江淮氣旋、西南低渦為主要代表，其水平尺度通常交斜壓性較強的中緯度氣旋小，中小尺度的氣旋發生頻繁（王黎娟等，2019）。研究表明，中尺度渦旋系統是暴雨的直接產生系統（陳忠明，1991;劉敦訓和郝家學，2000）。而梁軍等（2012）的研究則指出了次天氣尺度氣旋系統對風力的重要影響。由于此類氣旋尺度較小，其影響范圍較為局地，但一般移速較快（陶詩言等，1980）。西南低渦在有利條件下可一路東移影響江淮地區。Fu et al.（2015）利用模式研究大別山低渦活動發現，渦旋的幾何特征和渦旋演變、對流過程、降水及環流場有關，當渦旋傾向于東西向時更容易產生強對流過程和降水。

Qin et al.（2017）利用改進的氣旋區識別算法，將春季影響江淮地區的氣旋按照水平尺度進行分類，發現次天氣尺度氣旋出現頻率達68.6%，是春季影響江淮氣旋最為頻繁的一類，且它們的活動強度與江淮地區同期降水存在顯著正相關關系。盧楚翰等（2019）則指出，天氣尺度氣旋同樣對春季江淮區域同期降水存在顯著影響，并指出江淮地區對流層低層橫槽型異常環流配置有利于該地區天氣尺度氣旋的活動增強以及降水增多。鑒于以往對于次天氣尺度氣旋的長期活動及其氣候效應的研究較少，且其在春季江淮地區活動頻繁，影響江淮地區次天氣尺度氣旋活動的環流配置和影響因子并對江淮區域降水異常聯系密切，值得深入研究。因此，本文擬從氣候學角度分析近三十多年來次天氣尺度氣旋活動的變化特征以及影響其活動變化的環流異常配置，并探討氣旋活動與江淮地區同期降水的聯系以及聯系途徑。

1 資料與方法

1.1 資料

1）利用1979—2013年春季（3、4、5月）歐洲中期天氣預報中心ERA-Interim再分析資料，在捕捉氣旋時使用了水平分辨率接近0.7°×0.7°（T255高斯格點）的逐日4次的850 hPa位勢高度場（Z850）。此外，月平均高空風場、位勢高度、溫度、比濕、散度及云量等要素水平分辨率取0.75°×0.75°（Berrisford et al.，2009）。

2）降水資料取自中國氣象數據網（http：//data.cma.cn/data/detail/dataCode/SURF_CLI _CHN _MUL _DAY_V3.0.html）提供的中國地面氣候資料日值數據集（V3.0），共824個基準、基本氣象站，所選時段與1）相同。該資料經過質量控制，數據質量和完整性相對于以往發布的地面同類數據產品明顯提高。

1.2 方法

采用Lu（2017）基于最外圍閉合等值線的氣旋區識別方法，以逐日4次的Z850為識別要素，首先將局地位勢高度低點定為氣旋中心點，按4 gpm等值線間隔搜索其外圍閉合等值線，將有閉合等值線的中心判定為閉合氣旋，并以最后外圍一圈閉合等值線內區域作為氣旋區，記錄氣旋區范圍內的相關要素信息，實現了東亞區域春季氣旋的二維識別。通過相鄰時次的臨近中心或氣旋區是否重合，對氣旋路徑進行追蹤。

選取110°～122.5°E、28°～34°N范圍為江淮區域，當氣旋區落入該區域則將其記錄為影響江淮地區的氣旋。在1979—2013年春季總的12 880個時次中，按時次計算，從識別的東亞區域氣旋中總共獲取了5 223個影響江淮區域的溫帶氣旋個體。另外根據氣旋區覆蓋的球面面積，計算等面積圓，將圓的直徑d作為該氣旋的相當直徑，并根據直徑d劃分直徑大于1 000 km的氣旋為天氣尺度氣旋，直徑介于300～1 000 km的為次天氣尺度氣旋。圖1給出了1981年3月20日12時和1981年4月18日06時（世界時，下同）的影響江淮地區氣旋個例，可以看出該方法能夠較準確地描述氣旋外形以及影響范圍，從而可根據氣旋區的影響水平范圍進一步劃分不同尺度氣旋。在35 a春季影響江淮地區的882條溫帶氣旋路徑統計信息中，次天氣尺度氣旋數目最多，占比達到60%以上，生命周期主要在48 h以內;天氣尺度氣旋數目次之，所占比例在35%左右，生命周期均在12 h以上。另外，直徑在300 km以下的中尺度氣旋為5%，文中使用約0.7°水平分辨率資料對中小尺度氣旋識別度不夠，是其頻次較小的原因之一。上述統計結果與Qin et al.（2017）研究結果一致，表明除了以往關注的天氣尺度氣旋外，次天氣尺度氣旋對江淮地區區域天氣氣候的影響也不容忽視。

2 江淮次天氣尺度氣旋活動對降水異常的影響

為直觀顯示江淮區域次天氣尺度氣旋活動對降水的影響，首先給出了江淮地區出現次天氣尺度影響氣旋時伴隨的降水量與春季總降水量的比率（圖2）。可以看出，次天氣尺度氣旋活動對江淮大部分地區的降水貢獻率達25%，貢獻率自西向東逐漸增大。其中，江淮東北部最大，貢獻率達40%。由此表明，次天氣尺度氣旋是春季影響江淮區域降水的主要影響系統之一。通過出現次天氣尺度影響氣旋時次和未出現次天氣尺度影響氣旋時次的850 hPa相對渦度和散度的合成差值場（圖3a、3b），可看出次天氣氣旋活動出現時對應顯著的江淮區域對流層低層氣旋式渦旋運動，同時引起江淮地區東南部以及東海區域顯著的輻合運動，這為江淮區域降水增強提供了有利的動力條件。

為分析次天氣尺度氣旋活動的年際變化，利用公式（2）構造了近35 a的I1指數（圖4），可以看出其具有明顯的年際振蕩特征。進一步利用I1指數，對824站春季月平均降水及強降水頻次進行相關分析和合成分析，研究了春季影響江淮的次天氣尺度氣旋活動與我國同期降水的聯系。合成分析時，I1指數>0.75（<-0.75）定義為異常強（弱）年，得出8個高值異常年，分別為：1983、1989、1991、1992、1994、1999、2004、2006年;8個低值異常年，分別為：1979、1986、1997、2003、2005、2007、2011、2013年。

從圖5a可以看到，江淮地區東南部的春季月平均降水與I1指數存在顯著的正相關關系，相關系數在0.33以上（通過95%置信度的t檢驗）。從I1指數強弱年對降水的合成差值看，平均春季降水差異達到24 mm以上。同時，I1和整個江淮地區的區域月平均降水也存在顯著的正相關，其相關系數為0.43（通過99%置信度的t檢驗）。上述分析表明次天氣尺度氣旋活動增強對江淮地區的降水存在明顯的促進作用，但其影響范圍主要集中在江淮地區東南部。此外，江淮地區南部春季強降水（大于25 mm/d）事件的頻次與I1指數也呈顯著的正相關（圖5b）。合成場上，強降水頻次偏多地區與顯著正相關區域一致，同樣主要集中在江淮長江以南地區，說明次天氣尺度氣旋有利于江淮南部地區春季強降水事件發生。區域性強降水（超過30%的站點降水超25 mm/d）的頻數與I1的相關系數為0.40，也說明了次天氣尺度頻率增多可能增大春季江淮地區發生區域性強降水出現概率。

3 江淮次天氣尺度氣旋的環流配置

為進一步分析影響江淮的次天氣尺度氣旋發生發展的背景，給出了與I1指數相聯系的異常環流結構。圖6為850 hPa、500 hPa位勢高度及水平風場對I1的回歸系數。結果顯示，在500 hPa位勢高度場上，貝加爾湖地區負值異常數值以及顯著范圍明顯增大，日本以東的西北太平洋上同樣位勢高度異常正值帶，青藏高原地區的負位勢高度異常中心在對流層中高層則沒有反映。與江淮地區次天氣尺度氣旋增強相聯系的850 hPa位勢高度異常在東亞地區呈現兩低一高分布。其中東亞地區大路上存在兩個負中心，分別位于青藏高原、貝加爾湖及其西南部鄰近區域，且青藏高原的負值中心較強，且負值帶延伸至我國長江中下游地區形成倒槽型環流異常;日本以東的西北太平洋上則出現顯著的高值帶。該環流異常形勢有利于江淮地區形成氣旋式環流異常以及增強中國南部的西南氣流。

進一步分析次天氣尺度氣旋活動與春季準定常大氣環流異常的聯系，分別計算了由500 hPa渦度平流包括異常風渦度平流-u′x-v′y以及定常風異常渦度平流-ζ′x-ζ′y兩個分量以及對流層低層（925～700 hPa）的溫度平流對I1高低年的合成差值（圖8）。圖上顯示，500 hPa上江淮地區東南部為正異常渦度平流，江淮西北區域則為負異常渦度平流（圖7a），與江淮地區850 hPa渦度合成分布情況較為一致。進一步分析發現，定常風異常渦度平流引起的渦度平流異常與圖8a比較一致，但異常風渦度平流則反之（圖略），這說明高空異常風對江淮地區局地次天氣尺度氣旋活動增強作用并不明顯。另一方面，我國南部沿海的低層出現較強的暖平流異常，暖平流一致延伸值至江淮地區東南部（圖7b）。由ω方程可知，江淮地區東南部高空正渦度平流和低層暖平流有利于形成垂直上升運動以及加強局地氣旋。

此外，計算了850 hPa最大Eady增長率（σBI）與I1指數進行合成，以分析低層大氣斜壓性與江淮氣旋活動的聯系。圖8a顯示江淮地區北部及其以北的華北地區σBI主要為負值，而江淮地區南部及其以南的華南地區σBI則主要為正值，說明中國南方地區局地斜壓性增強有利于江淮地區次天氣尺度低渦活動加強。由圖8b可知，與I1指數增強對應，對流層中低層的大氣斜壓垂直風切變在中國南方地區出現明顯的正值帶，這與σBI分布一致，這說明垂直風切變是引起江淮東南部大氣斜壓性變化以及次天氣尺度氣旋活動增強的主導因子。反之，江淮北部至華北地區的大氣斜壓性有明顯下降，并且與低層風速垂直切邊減小相對應。結合前文對應異常風場的分析，由于次天氣尺度氣旋活動強年中國南方沿海及江淮東南部的低層西南風加強，導致以上地區大氣斜壓性以及次天氣尺度氣旋活動增強。

4 青藏高原熱力作用

由于青藏高原的動力和熱力強迫作用對東亞季風區氣候異常產生重要影響（葉篤正和高由禧，1979;吳國雄等，1997），由圖6可知，當春季江淮地區氣旋活動增強時，青藏高原至我國長江流域出現顯著的負異常高度區，為探討氣旋活動與青藏高原熱力強迫的聯系。進一步根據倒算法，計算了大氣視熱源Q1對I1的回歸系數（圖9a），發現對于整層大氣而言，青藏高原地區出現異常加熱分布，相應地該區域以及其以南至孟加拉灣北部對流層中低層（700—500 hPa）平均氣溫也出現了明顯的正異常大值區（圖9b），表明該區域大氣柱受到異常加熱作用。由于氣柱異常加熱使得近地面減壓以及對流層低層位勢高度降低，這可能使得由青藏高原地區以及下游區域東移的次天氣尺度生成以及加強。此外，高原至長江流域的異常低壓帶也有利于中國南方地區西南風加強，增加這些區域低層的大氣斜壓性，促進次天氣尺度氣旋活動增強。因此，春季青藏高原地區的大氣異常加熱可能是引起我國江淮地區次天氣尺度氣旋活動增加，其中高原區域雪蓋變化伴隨的非絕熱加熱對氣柱加熱異常以及影響其下游長江流域區域的可能起關鍵作用（Wu and Kirtman，2007）。

5 結論

利用氣旋自動識別和追蹤算法，提取了春季影響江淮地區的次天氣氣旋活動信息，研究了氣旋年際活動異常與站點降水異常的關系。得到以下主要結論：

1）次天氣尺度氣旋活動對江淮大部分地區春季降水作用明顯，貢獻率達25%以上，次天氣氣旋活動出現對應顯著的區域對流層低層氣旋式渦旋和輻合運動，為局地降水增強提供了有利的動力條件。

2）青藏高原至我國長江中下游地區出現異常的倒槽型環流，有利于江淮地區形成氣旋式環流異常。同時，伴隨著中國南部的西南暖濕氣流增強，有利于我國南方地區低空的大氣斜壓性增強，促進了江淮地區次天氣尺度氣旋活動增強，以及局地的輻合抬升，從而加強了春季江淮尤其是其東南部異常降水的增多。

3）青藏高原地區大氣熱力狀況與青藏高原至我國長江中下游地區異常倒槽型環流出現存在密切聯系，當高原地區氣柱異常加熱，引起使得對流層低層位勢高度降低，可能使得由青藏高原地區以及下游區域東移的次天氣尺度生成以及加強，同時促進中國南方地區西南風加強，有利于次天氣尺度氣旋活動增強。

致謝：感謝歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）和中國氣象科學數據共享服務網提供的高分辨率資料數據集。感謝審稿專家和編輯對本文的改進提出的寶貴意見。

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Based on the daily 6 h 850 hPa geopotential height field data from ERA-Interim reanalysis data during 1979—2013，the two-dimensional cyclones affecting the Yangtze-Huaihe River valley （YHV） in spring are extracted by using the automatic identification method of outermost closed contour of cyclones.The relationship between interannual anomaly of subsynoptic-scale cyclone activity and precipitation anomaly in YHV is studied.Results show that the subsynoptic-scale cyclone activity has an obvious effect on spring precipitation in most areas of YHV，with a contribution rate of more than 25%.The subsynoptic-scale cyclone activity has corresponding significant regional cyclonic vortex and convergence motion in the lower troposphere，which provides favorable dynamic conditions for the local precipitation enhancement.The interannual variation of subsynoptic-scale cyclone intensity has a significant positive correlation with the precipitation anomaly and the occurrence frequency of heavy precipitation in the southeast of YHV in spring.When the subsynoptic-scale cyclone intensifies in YHR，an anomalous inverted trough circulation appears from the Qinghai-Tibet Plateau to the lower-middle reaches of the Yangtze River in China，which is conducive to the formation of cyclonic circulation anomaly in YHV.Simultaneously，the atmospheric baroclinicity increases in the lower troposphere when the southwest warm and moist air flow in southern China strengthens，which promotes the enhancement of subsynoptic-scale cyclone in YHV.The anomalous heating of air column over the Qinghai-Tibet Plateau in spring，which leads to the decrease of potential height in the lower troposphere and the strengthening of southwest flow in southern China，may be the main reason for the enhancement of subsynoptic-scale cyclone activity in YHV.

subsynoptic-scale cyclone;automatic identification;precipitation anomaly;Yangtze-Huaihe River valley

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20200407001

（責任編輯：袁東敏）