2021年華北雨季氣候特征及華北降水偏多成因初探

趙 琳， 孫林海， 竺夏英， 張永濤， 崔 童，李 威， 艾婉秀， 尹宜舟

(1.國家氣候中心，北京 100081； 2.中國氣象局·河南省農業氣象保障與應用技術重點實驗室，鄭州 450003；3.河南省氣候中心，鄭州 450003)

引 言

從氣候角度來說，我國東部地區汛期降水主要受東南季風和高原季風的影響，各地雨季的長短和雨量的多寡都與夏季風雨帶的進退、移動和停滯有關[1-4]。夏季風雨帶從冬到夏逐漸向北推移，一般在7月份到達華北[5]。華北地區由于受到季風氣候的影響，降水季節分配不均，降水量主要集中在夏季，約占全年降水量的65%-75%，是我國東部地區降水集中程度最大的一個地區。華北雨季一般集中在7-8月，但因逐年雨季來臨遲早不一、強弱變化差異顯著，相應的夏季出現的旱澇災害也較為頻繁[6-7]，對國民經濟和工農業生產有著直接的影響。

雨季一般指降水較集中的濕潤多雨季節，是某一地區每年雨量最大的若干天，往往與干季周期性交替出現。在降水分配不均勻的其他地區，也有將相對多雨的季節劃分為雨季的，如我國通常將4、5月劃為華南和南嶺山區的雨季，6、7月間為江淮地區的梅雨季節等。華北地區的降雨主要集中在7-8月，其中又以7月下旬和8月上旬最為集中，俗稱“七下八上”。尤其是北京，這個時期是一年當中雨水最活躍的，平均降雨量占年平均降雨量的60%左右，且降雨強度大，分布極為不均。而華北地區的河北、天津等地，7-8月的降雨量也都超過年平均降雨量的一半。長期以來，我國氣象工作者對華北雨季和夏季華北降水進行了大量研究[8-13]，取得豐碩的科研成果：華北雨季降水的多少與東亞夏季風的強弱有很好的對應關系[14-15],除了受東亞夏季風系統成員的直接影響外[16-19]，華北雨季降水還間接地受熱帶太平洋海溫、印度洋海溫、北大西洋海溫、南大西洋海溫、南極濤動、北極海冰及其導致的異常波列等因素的影響[20-26]。

1 資料與方法

1.1 數據來源

本文所使用的資料包括：國家氣候中心1961-2021年華北雨季的監測數據；國家氣象信息中心提供的華北地區236個測站1961-2021年逐日降水量；NCEP/NCAR的日和月平均再分析數據，時間范圍為1948-2021年，空間分辨率為 2.5°×2.5°。氣候值均采用1981-2010年平均。

本文分析方法主要有統計分析、環流合成分析等。華北雨季監測區、起始日、綜合強度等劃分方法詳見1.2。

1.2 華北雨季劃分方法

華北雨季是指受東亞夏季風向北推進影響，每年7月中下旬至8月上中旬為華北地區降水最集中的時期。華北雨季降水強度大，時空分布極為不均，可伴隨雷電、大風、冰雹等強對流天氣；同時，受季風氣候影響，華北雨季長度年際變化大，強弱變化差異顯著。

1.2.1 雨季監測區劃分

根據中華人民共和國氣象行業標準《中國雨季監測指標 華北雨季》(QX/T 495-2019)[27]，華北雨季共分為3個監測區，即京津冀監測區(包括北京市16站、天津市9站、河北省72站)、晉監測區(包括山西省108站)和內蒙古監測區(包括內蒙古中部31站,圖1)。

1.2.2 雨季起始日劃分

自7月1日開始，當5 d平均的西北太平洋副熱帶高壓脊線位置在25°N以北時，某站5 d滑動累積降水量不小于35 mm(京津冀和晉監測區)或25 mm(內蒙古監測區)，且5 d內至少有一天日降水量不小于10 mm，則首個日降水量不小于10 mm的日期為該站雨季開始日。雨季開始后，某站截至某日，連續10 d中5 d滑動累積降水量均不大于35 mm(京津冀和晉監測區)或25 mm(內蒙古監測區)，則將此日定為雨季結束日。分區內雨季已經開始的站點累計比例達到或超過該分區所對應的比例閾值時，則將該日定為該分區雨季開始日；分區內雨季已經結束的站點累計比例達到或超過該分區所對應的比例閾值時，則將該日定為該分區雨季結束日。各分區雨季開始日和結束日閾值見表1。3個監測區域中，最早進入雨季的某區域雨季開始日期作為華北雨季的開始日期，最晚結束的某區域雨季結束日作為華北雨季的結束日期。

圖1 華北雨季監測站點分布

表1 華北雨季各分區雨季起訖的站點累計比例閾值 %

1.2.3 雨季綜合強度

華北雨季綜合強度指數(M)計算公式為

(1)

式中，L為某年雨季長度,L0為雨季長度的氣候平均值,P為某年雨季降水量,P0為雨季降水量的氣候平均值,(P/L)為某年雨季內平均日降水強度,(P0/L0)為雨季內平均日降水強度的氣候平均值。

2 華北雨季氣候特征及成因分析

2.1 2021年華北雨季氣候特征

2.1.1 雨期長，雨量大

2021年華北雨季于7月12日開始，較常年(7月18日)偏早6 d；于9月9日結束，較常年(8月18日)偏晚22 d；雨季長度為59 d，為1961年以來第2長，僅次于1973年的60 d(圖2)。2021年華北雨季平均雨量為276.4 mm，較常年(136.0 mm)偏多103.2%，為1961年以來第3多年份，僅次于1988年的311.9 mm和1996年的309.5 mm(圖3)。

圖2 1961-2021年華北雨季長度歷年變化

圖3 1961-2021年華北雨季平均雨量歷年變化

2.1.2 雨季綜合強度大，降水極端性強

2021年華北雨季綜合強度為1.92，達“強”等級，為1961年以來第3強(見圖4)。華北雨季期間(7月12日至9月8日)，華北雨季監測區(以下簡稱監測區)平均暴雨日數為1.04天，較常年同期偏多0.44天。北方共出現4次區域性暴雨過程，其中對華北地區影響明顯的是7月10-13日、7月24-30日過程，降水集中在7月11-13日和7月29-30日。

雨季期間，監測區共有34個國家級氣象觀測站日降水量達極端事件監測標準，其中北京順義(223.3 mm)和山西永濟(111.5 mm)的日降水量突破當地歷史極值；有23個國家級氣象觀測站連續降水日數達極端事件監測標準，其中內蒙古察右前旗(14 d)和河北唐山(11 d)2站連續降水日數突破當地歷史極值；有28個國家級氣象觀測站連續降水量達極端事件監測標準，其中山西平順(321.8 mm)和陵川(220.2 mm)連續降水量突破當地歷史極值。

圖4 1961-2021年華北雨季綜合強度歷年變化

2.1.3 氣溫呈東低西高分布，降水偏多且階段性明顯

雨季期間，監測區平均氣溫為22.6 ℃，接近常年同期值，氣溫呈東低西高分布。北京、天津和河北中北部等地氣溫較常年同期值偏低，其中北京北部、天津北部及河北東北部偏低0.5～1.5 ℃；河北中南部、山西大部氣溫較常年同期偏高，其中山西中西部偏高0.5～1.0 ℃(圖5a)。

雨季期間，監測區平均降水量為276.4 mm，較常年同期值偏多33.7%，呈東多西少分布。北京、天津、河北大部及山西東南部降水量較常年同期值偏多2成至1倍，局地偏多1倍以上；山西中西部降水量偏少2～5成(圖5b)。京津冀監測區降水量(398.9 mm)較常年同期值偏多65%，為1961年以來歷史同期降水量第5多，其中北京偏多近1倍，為歷史同期降水量最多。

雨季期間降水階段性特征明顯，主要集中在3個時段(圖6)：第1個時段為7月12日至30日，監測區累計雨量為135.1 mm，較常年同期值偏多83.7%；第2時段為8月15日至24日，累計雨量為51.0 mm，較常年同期值偏多70.7%；第3階段為8月30日至9月6日，累計雨量為56.6 mm，較常年同期值偏多2.1倍。

圖5 2021年華北雨季期間監測區氣溫距平(a)和降水距平百分率(b)分布圖

圖6 2021年華北雨季期間監測區降水量逐日變化

2.1.4 暴雨洪澇與干旱等氣象災害并發

強降雨致海河流域灤河發生洪水。7月11-13日，華北大部地區出現降水，累計降水量一般有25～100 mm，華北東部和南部部分地區超過100 mm。京津冀晉4省(市)50 mm及以上累計降水覆蓋面積達14.9萬km2，影響人口7738.5萬人。受其影響，7月13日海河流域灤河發生洪水，北京、河北和山西等地農作物受災。

華北多地遭受大風、冰雹等強對流天氣影響冰雹等強對流天氣影響。8月13-15日，河北承德和保定等地受強對流天氣影響，4萬多人受災，直接經濟損失超過1億元。

華北西部降水偏少出現氣象干旱。7-8月，華北西部降水量持續偏少，較常年同期偏少2～5成，局地偏少5成以上。7月下旬華北西部氣象干旱開始露頭并發展，8月18日中旱及以上面積最大為9.4萬km2。8月中旬和9月初旱區出現降水，干旱形勢緩和。受干旱影響，山西多地農作物生長受到影響，部分地區出現人畜飲水困難。

2.2 成因和預測信號

拉尼娜事件是2021年華北雨季偏強的重要外因，也是最重要的年際預測信號。自2020年8月開始，赤道中東太平洋經歷了一次中等強度的拉尼娜事件，于2021年4月結束。研究表明，拉尼娜事件發生次年夏季西太平洋副熱帶高壓容易偏北，東亞夏季風偏強，夏季華北地區上空垂直上升運動加強，有利于我國夏季主雨帶偏北，華北地區降水易偏多[28]。此外，2020年冬季和2021年春季青藏高原積雪也是另一年際預測信號。2020年冬季和2021年春季青藏高原積雪明顯偏少,高原與海洋熱力對比大，季風經圈環流偏強，東亞夏季風偏強，有利于夏季華北降水偏多[29]。圖7是2021年華北雨季期間110°-120°E平均的經圈環流距平場，從總體上看,華北雨季期間,我國東部地區基本都為上升運動，說明季風環流偏強，與我國東部降水整體偏強相對應，華北地區(35°-45°N)也呈上升運動，對應華北地區降水偏多。

圖7 2021年華北雨季期間110°-120°E平均的經圈環流距平場和垂直速度陰影為垂直速度，單位：0.01 Pa/s

造成2021年華北雨季偏強的直接原因則是大氣環流異常。從2021年華北雨季期間500 hPa環流及其距平場(圖8)上可以看出，在東亞中高緯，500 hPa距平環流場呈現“東高西低”分布，是較為典型的我國東部降水偏多的環流形勢，貝加爾湖至我國長江下游的大槽也很明顯，非常有利于冷空氣的南下。結合整層水汽通量距平場及水汽通量散度(圖9)和低層850 hPa距平風場(圖略)分析，2021年華北雨季期間，我國東海南部對流層低層850 hPa距平風場為異常氣旋式環流控制，我國江淮東部、黃淮東部和華北東部受到該異常氣旋環流東北側的偏南風距平影響，來自海上的暖濕水汽源源不斷地向我國北方地區輸送，形成低層水汽匯合，水汽條件持續偏好，冷暖空氣在北方地區交匯，直接造成華北東部等地降水偏多。

圖8 2021年華北雨季期間500 hPa環流場及其距平場紅色線為1981-2010年氣候值;陰影為高度距平，單位：gpm

圖9 2021年華北雨季期間對流層整層積分水汽通量距平場及水汽通量散度矢量為水汽通量，單位：kg/(s·m)；陰影為水汽通量散度，單位：10-5kg/(s·m2)

3 結果與討論

本文利用降水資料、NCEP再分析資料，通過合成分析等統計方法，分析了2021年華北雨季的氣候特征和華北地區降水偏多的成因及其預測信號，結論如下:

(1)2021年華北雨季開始早、結束晚、雨期長、雨量大。2021年華北雨季開始日期較常年始日偏早6 d；結束日期較常年結束日偏晚22 d；雨量較常年雨量偏多103.2%；雨季長度為1961年以來的第2長。

(2)雨季綜合強度大，降水極端性強，多種氣象災害并發。2021年華北雨季綜合強度達“強”等級，為1961年以來的第3強。監測區多站日降水量、連續降水日數和連續降水量突破當地歷史極值。雨季期間，華北地區暴雨洪澇與干旱等氣象災害并發，部分地區受災嚴重。

(3)2020年8月至2021年4月的拉尼娜事件是2021年華北雨季偏強的重要外因，也是最重要的年際預測信號。另外，2020年冬季和2021年春季青藏高原積雪偏少是2021年我國北方降水偏多的另一年際預測信號。

(4)造成2021年華北雨季偏強的直接原因是大氣環流異常，500 hPa東亞中高緯呈現“東高西低”距平環流分布，貝加爾湖至我國長江下游的大槽非常有利于冷空氣南下，850 hPa我國長江以北地區受到異常氣旋環流東北側的偏南風距平控制，給北方地區帶來良好的水汽輸送。冷暖空氣在北方地區交匯，造成華北東部等地降水偏多。