近20年長江中下游梅汛期雨量異常的環流特征及前兆信號*

婁德君 王永光 陳 晨

1 黑龍江省齊齊哈爾市氣象局，齊齊哈爾 161006 2 國家氣候中心，中國氣象局氣候研究開放實驗室，北京 100081

提 要： 利用長江中下游梅汛期雨量資料、NCEP逐日再分析資料、NOAA月平均海表溫度和北極海冰指數等資料，采用相關分析、回歸分析等方法研究了2000年后長江中下游梅汛期年代際少雨背景下雨量異常的環流特征和前兆信號，建立了預測模型并開展了預測試驗。結果表明，長江中下游梅雨量偏多時，歐亞中緯度巴爾喀什湖和渤海灣附近低值系統較活躍，高空西風急流偏南偏東，低層風場呈經向波列分布，東亞夏季風偏弱，日本海至長江中下游地區梅雨鋒偏強，有強的輻合上升運動和水汽輻合。前冬熱帶中東太平洋海溫、北極海冰異常是長江中下游梅汛期雨量異常的主要前兆信號。當前冬熱帶中東太平洋海溫偏暖和北極海冰異常偏多時，北方冷空氣與副熱帶高壓外圍的西南暖濕氣流在長江中下游交匯，造成該區域有異常的風場和水汽輻合，降水偏多。利用海溫和海冰因子構建了長江中下游梅雨量多元回歸預測模型，擬合和預測效果均較好。

引 言

梅雨期是東亞季風雨帶季節循環中的一個典型階段，主要雨帶位于27°～33°N的長江中下游一帶(丁一匯等，2007)。梅雨期雨量多寡對長江中下游旱澇災害有重要影響，如1954、1969、1980、1991、1996、1998、2020年等長江流域大的洪澇災害均對應著強的梅雨(張明玉，1997；陶詩言等，1998；李維京，1999；張慶云等，2003；劉蕓蕓和丁一匯，2020)。長江流域是我國洪澇災害最為嚴重的地區, 其中近1/3的地區是洪水災害高脆弱性地區(姜彤和施雅風，2003)，洪澇災害的頻繁發生給當地經濟帶來了巨大的損失，也嚴重制約了當地社會經濟發展。因此，研究長江中下游梅雨期降水異常的成因并準確預測梅雨趨勢具有重要意義。

梅雨是東亞夏季風系統與歐亞中高緯環流系統相互作用的體現(丁一匯等，2007；李麗和張耀存，2017)，許多學者做了大量研究，認為梅雨與中高緯度槽、脊(唐玉和李棟梁，2020)、東亞副熱帶西風急流(陶詩言等，1958；李侃等，2018)、西太平洋副熱帶高壓(梁萍等，2007；江麗俐等，2012；趙俊虎等，2016；王永光等，2020)等密切相關。環流因子異常受海溫和海冰等下墊面強迫因子影響。長江流域梅雨與前期赤道中東太平洋、印度洋、西太平洋暖池、北大西洋等關鍵區海溫關系密切(宗海鋒等，2005；魏鳳英，2006；梁萍等，2018)。趙俊虎等(2018)指出受到前冬超強厄爾尼諾衰減和隨后的印度洋海溫偏暖影響，2016年梅雨期西太平洋副熱帶高壓異常偏強，其西南側轉向的水汽輸送偏強，與北方弱冷空氣在長江區和江淮區輻合，導致該區域降水異常偏多。前期中太平洋ENSO事件通過東亞太平洋遙相關型來影響梅雨建立，是梅雨建立年際變化的強信號(汪靖等，2009；Wang et al,2009)。赤道印度洋、南海和西太平洋黑潮海溫偏高有利于出現長江流域降水偏多(宗海鋒等，2005)。冬、春季關鍵區海冰的變化通過異常湍流熱通量激發大氣異常Rossby波源(Honda et al，2009)，這種大氣能量波動以波列的形式向東亞傳播，影響夏季東亞環流，進而影響長江流域的降水變化(王樂等，2019；張若楠等，2018)。

司東等(2010)、Si et al(2010)、蔣薇和高輝(2013)研究表明，長江流域梅雨在2000年后明顯減弱，梅雨雨帶明顯北移，而對梅雨年代際減少背景下的預測研究還不多。因此本文在分析2000年后長江中下游梅雨及環流異常特征的基礎上，研究影響梅汛期降水異常的海溫、北極海冰等下墊面強迫因子的異常特征, 并進行預測試驗。

1 資料和方法

本文所用資料包括：國家氣候中心整編的長江區/長江中下游梅雨監測資料(周兵等,2017)。NCEP逐日再分析資料(Kalnay et al,1996)，資料水平分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向為17層。NOAA 的ERSST V 5月海表溫度資料(以下簡稱海溫)，資料水平分辨率為2°×2°(Huang et al，2017)。上述資料時段均為1961—2020年。北極海冰指數資料由國家氣候中心網站下載(http:∥cmdp.ncc-cma.net/pred/seaice.php?product=seaice_moni)，時段為1982—2020年。文中梅汛期雨量為長江區每年梅雨期內的雨量。長江中下游入梅和出梅時間年際變率較大，為分析環流特征，本文參照氣候態將每年6月下半月至7月上半月30天梅雨期(Meiyu season，MYS)的平均環流場作為梅汛期環流場。采用相關分析、回歸分析、多元回歸等統計方法，相關分析和回歸分析時資料的線性趨勢均已去除。

2 結果分析

2.1 長江中下游梅汛期雨量變化特征

1961年以來長江中下游地區梅汛期雨量隨時間呈略增加趨勢(圖1)，氣候傾向率為19.6 mm·(10 a)-1，增加趨勢通過了0.10的顯著性水平檢驗。梅汛期雨量具有明顯的階段性變化特征，20世紀60年代至80年代降水總體偏少，其中1965年梅汛期雨量僅有46.9 mm，為1961年以來最少。90年代降水偏多，21世紀00至10年代前期降水急劇減少，10年代中期至今降水又有增多趨勢，尤其是2020年梅汛期雨量達到753.9 mm，為1961年以來最多。

對降水序列進行滑動t檢驗突變檢測(圖略)發現，梅汛期雨量在2000年前后發生了明顯突變，2000年后較20世紀90年代降水明顯減少。梅汛期雨量的減少與長江中下游2001年以后入梅日偏晚和梅汛期長度明顯縮短是一致的(圖略)。下文著重分析2000年后年代際少雨背景下的梅汛期雨量異常的環流特征及前兆信號。

2.2 長江中下游梅雨量異常的環流特征

圖2是2000—2020年長江中下游梅雨序列與梅汛期500 hPa位勢高度、200 hPa緯向風、850 hPa風和整層水汽通量和水汽通量散度距平場的回歸系數分布，圖中淺色、深色陰影區分別代表通過0.10和0.05的顯著性水平檢驗的區域。由圖2a可知，烏拉爾山附近、貝加爾湖至中國東北地區北部、東亞副熱帶地區為正高度距平區，巴爾喀什湖—渤海灣—日本島南部為負高度距平區。其中巴爾喀什湖和渤海灣附近的負異常通過了0.10以上顯著性水平檢驗。表明長江中下游梅雨偏多年中緯度巴爾喀什湖、渤海灣地區冷空氣活動頻繁。圖2b通過顯著性水平檢驗的區域表明，梅雨偏多年副熱帶西風急流軸較氣候態偏南，急流中心位置偏東，長江中下游地區位于急流出口區右側，高層輻散。圖2c表明，梅雨偏多年低層850 hPa風場上貝加爾湖至東北地區有異常反氣旋式距平環流，日本海至華東沿海為異常的氣旋式距平環流，巴士海峽附近有異常的反氣旋式距平環流。東亞沿岸距平風場呈經向的“反氣旋—氣旋—反氣旋”分布，中低緯以偏北風距平為主，夏季風偏弱，長江中下游梅雨鋒偏強，有距平風場輻合。水汽通量和水汽通量散度回歸場顯示(圖2d)，梅雨量偏多年長江中下游地區為水汽通量距平大值區和水汽通量距平輻合區。對梅雨量偏多年和偏少年的環流場合成分析也可以得到一致的結論(圖略)。

圖1 1961—2020年長江中下游梅汛期雨量時間序列Fig.1 Time series of Meiyu rainfall in the middle and lower reaches of the Yangtze River from 1961 to 2020

對突變前(1961—1999年)梅汛期降水序列也做上述分析(圖略)可知，1961—1999年與近20年影響梅汛期降水異常的環流差異主要反映在中低緯度地區。1961—1999年西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)異常偏強偏南，副熱帶西風急流軸更偏南，中心偏東，東亞太平洋遙相關型(EAP)波列顯著。菲律賓反氣旋距平環流異常偏強，副高前部有充沛的暖濕水汽輸送。暖濕氣流與渤海灣附近冷空氣在長江中下游地區交匯，水汽通量輻合區范圍明顯偏大。突變前后環流場差異與梅雨量在突變后明顯減少的特征一致。

綜上所述，近20年長江中下游梅雨偏多的主要環流特征是：歐亞中緯度巴爾喀什湖和渤海灣附近低值系統較活躍，高空西風急流偏南偏東，低層風場呈經向波列分布，東亞夏季風偏弱，日本海至長江中下游地區梅雨鋒偏強，有強的輻合上升運動和水汽輻合。突變前，梅汛期環流EAP顯著偏強，副高偏強偏南。

2.3 長江中下游梅雨量異常的前兆信號及可能影響機制

研究表明，海溫、海冰等是影響長江流域夏季降水的重要下墊面強迫因子(宗海鋒等，2005；王樂等，2019)，因此下面著重分析前期海溫和海冰與長江流域梅雨量的相關。

圖2 2000—2020年長江中下游梅雨量標準化時間序列與梅汛期各氣象要素距平場的回歸(a)500 hPa位勢高度，(b)200 hPa緯向風(其中粗實線表示氣候平均的25、30 m·s-1線)，(c)850 hPa風，(d)整層水汽通量(箭頭)和水汽通量散度(等值線)(淺色、深色陰影分別代表通過0.10和0.05顯著性水平檢驗，下同)Fig.2 Regression maps of (a) 500 hPa geopotential height, (b) 200 hPa zonal wind (Bold contours indicate the climate mean 25 m·s-1 and 30 m·s-1), (c) 850 hPa wind, (d) vertically integrated water vapor flux (vectors) and water vapor flux divergence (contours) anomalies in MYS on the normalized Meiyu rainfall time series in MLRYR from 2000 to 2020(Light and dark shadows indicate the regions having passed the significance test at levels of 0.10 and 0.05, respectively, the same below)

2.3.1 海 溫

圖3 (a)2000—2020年和(b)1961—1999年長江中下游梅雨量與前冬海溫場的距平相關系數分布Fig.3 Distribution of anomaly correlation coefficients between the Meiyu rainfall in the middle and lower reaches of the Yangtze River and the sea surface temperature in the previous winter (a) from 2000 to 2020 and (b) from 1961 to 1999

圖4 2000—2020年前冬區海溫標準化指數與各氣象要素距平場的回歸(a)前冬500 hPa高度(等值線)和風(箭頭)，(b)梅汛期500 hPa高度(等值線)和風(箭頭)，(c)梅汛期200 hPa緯向風，(d)梅汛期850 hPa風，(e)梅汛期100°～120°E平均的垂直速度的緯度-高度剖面Fig.4 Regression maps of (a) previous winter 500 hPa geopotential height (contours) and wind (vectors), (b) 500 hPa geopotential height (contours) and wind (vectors) in MYS, (c) 200 hPa zonal wind in MYS, (d) 850 hPa wind in MYS, (e) 100°-120°E average latitude-height cross-section of vertical velocity anomalies in MYS on the normalized indices in the previous winter from 2000 to 2020

2.3.2 海 冰

計算突變后和突變前長江中下游梅雨量和前一年秋、冬季及當年春季北極海冰指數的相關，得到只有突變后的近20年前冬北極海冰指數與長江中下游梅雨量相關顯著，相關系數為0.58，通過了0.01 的顯著性水平檢驗，其余季節和時段二者相關均較弱。計算得到冬季北極海冰指數在1997、2011年前后發生了2次突變，1997年后指數偏高，2011年后又轉入偏低。21年滑動相關也表明梅汛期雨量與前冬北極海冰指數在1997年開始由相關不明顯變化為顯著相關。20世紀90年代末期冬季北極海冰指數發生突變時間略早于梅汛期雨量突變時間，突變后二者相關明顯加強，近20年前冬北極海冰指數也是影響梅汛期雨量的主要前兆信號之一。

圖5為近20年前冬北極海冰標準化指數和前冬500 hPa高度場和風場、梅汛期500 hPa高度場和風場、200 hPa 緯向風場、850 hPa風場、垂直速度場距平場的回歸系數分布。由圖可知，當前冬海冰異常偏多時，冬季500 hPa對流層中緯度地區高度距平場呈“兩脊一槽”型分布，烏拉爾山和日本海附近為高壓脊，兩脊之間為寬廣槽區，高原高度場顯著偏低。西伯利亞高壓及東亞大槽均偏弱，東亞沿岸冬季風環流減弱(圖5a)。隨后的梅汛期對流層中層歐亞中高緯也呈“兩脊一槽”型分布，但東亞高壓脊的位置較冬季明顯偏北。烏拉爾山、貝加爾湖以東至鄂霍次克海為高壓脊，烏拉爾山脊異常偏強。兩脊之間為低槽，低值區由巴爾喀什湖一直延伸到日本島南部，其中巴爾喀什湖東側和朝鮮半島附近負異常通過0.10以上顯著性水平檢驗。低緯度副高略偏強偏西(圖5b)。對流層高層東亞西風急流中心位置略偏南偏東(圖5c)。對流層低層距平風場渤海灣以北有異常的偏東風，貝加爾湖以東—渤海灣距平風場呈經向的反氣旋—氣旋式分布，長江中下游附近有距平風場輻合(圖5d)。沿100°～120°E平均的垂直速度場在25°N附近對流層有異常的下沉運動，長江中下游地區低層有異常上升運動，高層為下沉運動(圖5e)。可以看出500 hPa高度場、200 hPa 緯向風場和850 hPa風場環流配置與圖2均非常相似。由上可知，當前冬北極海冰異常偏多時，冬季風偏弱，隨后的梅汛期渤海灣附近低槽加強，高空西風急流偏南偏東，東亞沿岸俄羅斯遠東地區—渤海距平風場環流呈反氣旋—氣旋波列分布，夏季風偏弱，長江中下游地區低層輻合高層輻散，降水偏多。

黃榮輝和陳文(2002)、陳麗娟等(2013)研究表明，當前冬海溫場呈現ENSO暖位相特征時，熱帶中東太平洋上空對流活動加強，菲律賓附近對流活動受到抑制，在對流層低層激發Rossby波列，南海附近強迫出異常的反氣旋環流，冬季風偏弱。劉毓赟等(2008)研究也證實冬季熱帶中東太平洋和印度洋同時偏暖時，通過西太平洋地區強迫出的異常南風分量，使得冬季風偏弱。當前冬北極海冰異常偏多時，北極氣溫偏低，歐亞大陸北部向極的大氣熱力梯度和厚度梯度加大，緯向西風增強，影響歐亞大陸的冷空氣活動減弱，西伯利亞高壓偏弱，也造成冬季風環流減弱(Francis and Vavrus，2012；武炳義等，2011；Wu et al,2011)。冬季風減弱使得東亞上空吹向海洋的偏北風減弱，近海地區海溫偏暖，隨后的夏季近海暖海溫維持使得東亞地區海陸溫差減小，東亞夏季風減弱(李瑜，2015)。另外作為對ENSO暖位相響應，印度洋海溫會在隨后的春季繼續增暖，暖海溫不斷向東擴展，使得南海至菲律賓反氣旋異常持續到夏季，致使副高持續偏強偏西(吳國雄等，2000；劉蕓蕓等，2021；司東等，2016；高輝等，2017)，南海季風槽減弱，夏季風減弱。因此，當前期冬季熱帶中東太平洋海溫偏高或北極海冰偏多時，在隨后的梅雨期北方冷空氣會與沿副高外圍的暖濕水汽在長江中下游交匯，使該地區上空有異常的風場和水汽輻合，降水偏多。

2.4 預測試驗

計算圖3中3個顯著相關區域(熱帶中東太平洋關鍵區、北太平洋夏威夷島關鍵區、南印度洋澳大利亞西北側關鍵區)的冬季平均海溫，將標準化后的3個區域海溫與標準化后的冬季北極海冰指數作為預報因子，利用多元回歸方法建立梅雨量預測方程。

圖5 同圖4,但為標準化的北極海冰指數Fig.5 Same as Fig.4, but for the normalized Arctic sea ice indices

采用交叉驗證方式進行獨立樣本預測試驗。以預測2015年梅雨量為例，首先去掉資料序列中2015年的梅雨量數據及2014/2015年冬季海溫和海冰因子數據，用其余20年數據建立預測方程，計算方程的擬合相關系數，然后代入2014/2015年冬季4個因子實況值得到2015年梅雨量預測值。得到21年梅雨量預測值后，計算預測值序列與實況序列的相關系數，評估預測效果。結果表明21個預測方程的擬合相關系數均在0.85～0.91，通過了0.001 顯著性水平檢驗，預測方程擬合效果均較好。圖6為交叉驗證預測結果。可以看到預測曲線與實況曲線一致性較好，二者相關系數R=0.82，通過了0.001顯著性水平檢驗，標準化距平的同號率為85.7%(18/21)。總體來說，利用海溫和海冰因子建立的預測方程對梅雨預測效果較好，好于單獨因子的預測效果(圖略)。

圖6 2000—2020年梅雨量交叉驗證預測結果Fig.6 Meiyu rainfall cross-validation forecast results from 2000 to 2020

3 結論與討論

本文主要分析了2000年后長江中下游梅雨量年代際減少背景下的環流異常特征、海溫和海冰等前兆信號及可能影響機制,最后建立了多元回歸預測模型并開展了預測試驗。結論如下：

(1)長江中下游梅雨偏多的主要環流特征是：歐亞中緯度巴爾喀什湖和渤海灣附近低值系統較活躍，高空西風急流偏南偏東，低層距平風場呈經向波列分布，東亞夏季風偏弱，日本海至長江中下游地區梅雨鋒偏強，有強的輻合上升運動和水汽輻合。

(2)影響梅汛期雨量的前兆信號變化有明顯差異。近20年與過去相比前冬赤道中東太平洋海溫信號突變特征不明顯，但與梅汛期雨量之間相關加強，而前冬北極海冰指數則在1997年前后發生了突變，略早于梅汛期雨量突變時間，且突變后二者相關明顯加強。前冬熱帶中東太平洋海溫、北極海冰異常是近20年長江中下游梅汛期雨量的主要前兆信號。當前冬熱帶中東太平洋海溫偏暖時，海溫場呈現ENSO暖位相特征，菲律賓附近對流活動受到抑制，在對流層低層激發Rossby波列，南海附近有異常的反氣旋環流，冬季風偏弱。印度洋對ENSO暖事件的滯后增暖響應及東亞冬季風對海溫的持續性影響均使隨后的夏季副高偏強、東亞夏季風偏弱，長江中下游梅汛期降雨偏多。當前冬北極海冰異常偏多時，歐亞大陸北部大氣熱力梯度增大，緯向西風增強，歐亞大陸冷空氣活動減弱，冬季風減弱。隨后的東亞夏季風也偏弱，長江中下游梅汛期降雨偏多。

(3)利用海溫和海冰因子構建了長江中下游梅雨量多元回歸預測模型，交叉驗證結果表明，對梅汛期雨量的回報和預測效果均較好。預測值序列與實況序列的相關系數達到0.82，通過了0.001顯著性水平檢驗。

前期4—5月北大西洋濤動可以在北大西洋激發海溫三極型異常，海溫異常能夠持續到隨后的初夏，并激發歐亞型遙相關，從而使烏拉爾山脊和鄂霍次克海脊加強或減弱，進一步影響東亞夏季風的強弱，從而影響長江流域梅汛期雨量(Wu et al，2009；王永光和鄭志海，2018)。因此，對北大西洋三極子及熱帶北大西洋海溫異常對長江流域梅雨影響的進一步探討將有助于更加全面地了解長江中下游梅雨的影響機理。本文中建立的預測方程對長江中下游梅汛期雨量有一定的預報能力，但突變后的資料年份較短，可能存在一定的局限性。