江南春雨的時空分布特征及其旱澇年環(huán)流差異

王黎娟 高龍龍

摘要利用1979-2010年中國753站逐日降水資料，定義了江南春雨時間范圍（12-27候）和空間范圍（110～120°E，23～30°N），并通過EOF方法分析了江南春雨的時空分布特征，得到3個主要模態(tài)：全區(qū)一致型、南北反相型和東西反相型。在此基礎(chǔ)上，利用NCEP/NCAR再分析資料合成分析了江南春雨的旱澇年的環(huán)流差異。結(jié)果表明：江南春雨偏澇年，上游青藏高原東南側(cè)的西南風(fēng)增強(qiáng)，西太平洋副熱帶高壓加強(qiáng)西伸，有利于來自副高南側(cè)的水汽與高原南側(cè)的水汽匯合向江南地區(qū)輸送，而江南地區(qū)的上升運(yùn)動也明顯加強(qiáng)，有利于江南地區(qū)降水的產(chǎn)生。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)在春雨期澇年青藏高原的熱源強(qiáng)度明顯強(qiáng)于旱年，導(dǎo)致高原東南側(cè)的繞流增強(qiáng)，進(jìn)而有利于江南地區(qū)的降水，而旱年情況大致相反。此外，比較旱澇年西太平洋一東亞大陸之間的緯向海陸熱力差異發(fā)現(xiàn)，澇年大約在第11候發(fā)生冷熱源的反轉(zhuǎn)，旱年則在第16候反轉(zhuǎn)。澇年江南地區(qū)春雨期熱源強(qiáng)度也明顯強(qiáng)于旱年，進(jìn)一步說明江南地區(qū)冷熱源的反轉(zhuǎn)以及增強(qiáng)對于江南地區(qū)的降水具有重要的作用，同時對于判定江南春雨的季風(fēng)降水性質(zhì)具有重要指示意義。

關(guān)鍵詞江南春雨；時空分布；環(huán)流差異；緯向海陸熱力差異

傳統(tǒng)的研究觀點(diǎn)認(rèn)為中國的主汛期為6-8月，即夏季，但是在南海季風(fēng)爆發(fā)之前，長江以南、南嶺以北地區(qū)就已經(jīng)盛行降水（高由禧等，1962；吳寶俊和彭治班，1996），而且根據(jù)王謙謙和陳紹東（2004）研究認(rèn)為3-6月的降水占全年降水的54.8%。Yeh et al.（1959）發(fā)現(xiàn)，全年實(shí)際只有兩個季節(jié)，夏季和冬季。冬季是相當(dāng)長的，而過渡季節(jié)短的簡直可以忽略。所以，在氣候研究方面，與江南春雨相關(guān)的降水和環(huán)流特征很少被關(guān)注，很少有涉及到江南春季的持續(xù)性降水。直到Tian and Yasunari（1998）提出春季持續(xù)降水的概念（SPR，Spring PersistentRain），首次將該多雨期作為氣候事件來研究。

從20世紀(jì)70年代開始，有關(guān)我國南方春季連陰雨天氣現(xiàn)象的研究受到有關(guān)學(xué)者的重視（李麥村等，1977；包澄瀾，1987），對于江南春雨的開始日期，結(jié)束日期，空間范圍等都有很多研究。丁一匯和張莉（2008）用110°E、25～28°N以東地區(qū)代表江南；Zhao et al.（2007）分析了中國東部降水的年循環(huán)情況，發(fā)現(xiàn)中國東部在第10候降水開始增加，到16候以后穩(wěn)定維持在5 mm/d；Tian and Yasunari（1998）確定的江南春雨期為第12-26候，空間范圍是（110～120°E，25～30°N）；吳寶俊和彭治班（1996）也對江南嶺北春季連陰雨的動力和熱力特征分布進(jìn)行了個例的天氣學(xué)分析，所選取的區(qū)域是中國大陸110°E、25～30°N以東的地區(qū)。萬日金等（2008）、萬日金和吳國雄（2008）采用降水量和850hPa風(fēng)場作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，得到江南春雨爆發(fā)的平均日期為第13.8候。另外，劉宣飛和袁旭（2013）通過滑動f檢驗(yàn)方法，發(fā)現(xiàn)江南地區(qū)的春季降水分別在第10、16候出現(xiàn)突增，因而將江南春雨劃分成兩個階段：第一階段為第10-15候，第二階段為第16-27候。Chou et al.（2009）分析發(fā)現(xiàn)115～135°E、25～30°N區(qū)域平均的降水量在第9候與第10候之間發(fā)生跳躍性增加，由此將第10候定為江南春雨的建立日期，并且將第10-27候劃分為江南春雨期。

江南春雨形成原因也不盡相同，主要是動力和熱力兩個方面。1）動力方面：韋晉等（2013）深入的研究了高原東南側(cè)南風(fēng)，發(fā)現(xiàn)其與我國南方春季降水有著非常好的對應(yīng)關(guān)系。Wan et al.（2009）研究認(rèn)為高原東南側(cè)西南風(fēng)風(fēng)速中心的出現(xiàn)是江南春雨氣候形成的直接原因，其在下游引起強(qiáng)烈的風(fēng)速輻合，是使江南出現(xiàn)強(qiáng)烈的水汽輸送和水汽輻合的關(guān)鍵。對中國東部850 hPa風(fēng)場的緯向平均（110～120°E）時間演變分析（萬日金等，2008；趙平等，2008）來看，30°N以南有短暫的西南風(fēng)增強(qiáng)，第13候開始，一直持續(xù)到第27候。2）熱力方面：何金海等（2007）討論了緯向海陸熱力差異的季節(jié)轉(zhuǎn)換與東亞副熱帶季風(fēng)環(huán)流的關(guān)系，表明沿25°N的緯帶上500 hPa溫度緯向偏差，在120°E以西（華南地區(qū)）增暖最早，14候后轉(zhuǎn)為暖區(qū)，這與江南春雨的爆發(fā)日期幾乎同時。陳紹東等（2003）發(fā)現(xiàn)影響江南汛期降水的海溫異常關(guān)鍵區(qū)位于121～129°E、1°s～9°s，關(guān)鍵影響時段為前一年的5—7月。尚可等（2013）聯(lián)系西太平洋暖池地區(qū)的熱含量和海表溫度，與江南春雨做了相關(guān)性的對比研究，認(rèn)為熱含量可以作為江南春雨預(yù)報的首要因子，并且給出了敏感海區(qū)位于130-170°E、4～16°N，預(yù)報關(guān)鍵時段為前一年7-12月。盧楚翰等（2014）通過診斷分析認(rèn)為冬季暖池區(qū)熱含量異常間接地影響之后春夏季西太平洋副熱帶高壓，進(jìn)而對東亞沿岸氣候產(chǎn)生影響。

綜上所述，目前有關(guān)江南春雨的起止劃分仍然存在爭議，春雨開始日期的確定仍是天氣分析和預(yù)報上的難點(diǎn)。因研究目的不同和資料限制，各自強(qiáng)調(diào)的特征也有差別。所以，本文采用Ting and Wang（1997）較為客觀地劃分降水區(qū)的方法定義江南春雨，分析江南春雨的時空變化特征，比較江南春雨期旱澇年的環(huán)流差異，這將為江南春雨的天氣預(yù)報和短期氣候預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)和思路。

1資料和方法

所用資料主要包括：1）國家氣象局提供的全國753站逐日降水資料，資料長度為1979-2010年（考慮站點(diǎn)遷移、存在缺測等原因選取了其中602站）；2）國家氣候中心氣候系統(tǒng)診斷預(yù)測室提供的1979-2010年74項(xiàng)環(huán)流特征量資料；3）1979-2010年CMAP（Climate Prediction Center Merged A-nalysis of Precipitation）的逐候降水資料；水平分辨率是2.5°x2.5°，范圍是1.25～358.75°E、88.75°N～88.75°s；4）美國國家環(huán)境預(yù)報中心和美國國家大氣研究中心（NCEP/NCAR）逐日再分析資料，包括溫度、位勢高度、風(fēng)場、比濕、地面氣壓等資料，水平分辨率均為2.5°×2.5°，資料長度為1979-2010年。另外，為了保持逐候資料的一致性，采用CMAP逐候降水資料的處理方法，每年共73候。

2江南春雨的時空分布

對于江南春雨經(jīng)度的范圍，前人基本劃定在110～120°E之間，本文也將采用這一范圍。圖1是1979-2010年CMAP候降水與年平均降水差值沿110～120°E的緯度一時間（候）剖面，負(fù)值表示逐候降水低于年平均降水，相應(yīng)的正值表示逐候降水大于年平均降水。由圖1可見，最先出現(xiàn)正值的區(qū)域位于30°N以南地區(qū)（即長江以南），時間大約在第10候，第12候左右正值范圍擴(kuò)大，之后基本維持到27候，之后南海季風(fēng)爆發(fā)（高輝和朱艷峰，2009），雨帶南擴(kuò)，然后逐漸向北推進(jìn)，先后形成江淮梅雨，華北雨季。

2.1江南春雨的起止時間

采用國家氣象局提供的全國753站逐日降水資料，參考現(xiàn)有研究的定義（Tian et al，1998；萬日金和吳國雄，2008），將長江以南、南嶺以北出現(xiàn)大范圍降水（4 mm/d以上），且能夠一直穩(wěn)定維持雨帶的候數(shù)定義為江南春雨的開始。如圖2所示，第12候的降水量（圖2b）明顯比第11候（圖2a）增大，且江南區(qū)域降水達(dá)到4 mm/d以上，從第13候以后，江南區(qū)域基本維持穩(wěn)定的降水分布（圖略），因此本文將第12候定義為江南春雨開始的日期。一般認(rèn)為，南海季風(fēng)于28候爆發(fā)，冬季環(huán)流向夏季環(huán)流轉(zhuǎn)變，從圖2c發(fā)現(xiàn)，第27候江南地區(qū)仍是雨帶中心，但第28候（圖2d）時雨帶明顯南移到華南沿海地帶，所以將第27候定義為江南春雨的結(jié)束日期。

2.2江南春雨的空間范圍

采用前人對江南春雨的研究區(qū)域都包含110～120°E、25～28°N，稱之為核心關(guān)鍵區(qū)，然后根據(jù)Ting and Wang（1997）劃分降水區(qū)的方法，確定江南春雨核心區(qū)域降水變率最大的站為廣昌站，其位于116.20°E、26.51°N，再以該站為基點(diǎn)，計算其與全國其他站降水的單點(diǎn)相關(guān)，如圖3所示，相關(guān)系數(shù)在基點(diǎn)處為1，然后向周圍逐漸減小，當(dāng)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.442時，通過99%的置信度檢驗(yàn)。另外，排除東北地區(qū)和西南邊境的部分站點(diǎn)，位于江南春雨區(qū)的站點(diǎn)共有48個。因此，本文確定的江南春雨區(qū)包括浙江西南部、福建、江西、湖南南部、廣東中北部，約位于110～120°E、23～30°N。需要特別指出的是，本文所確定的站點(diǎn)相對前人更為客觀，更能代表江南春雨的降水信息，而不是一個籠統(tǒng)區(qū)域的所有站點(diǎn)。因此，本文將以這48站降水量的平均值作為江南春雨的降水量。

2.3江南春雨的時空分布特征

首先，對挑選的江南春雨區(qū)48個代表站1979-2010年春雨期降水序列做標(biāo)準(zhǔn)化處理。然后進(jìn)行EOF展開，從而了解江南春雨的時空分布特征。結(jié)果表明，前3個特征向量的累積方差貢獻(xiàn)為74.67%，利用North判別準(zhǔn)則（North et al，1982），其結(jié)果收斂很快，滿足能量自由度均分，是穩(wěn)定可分的，因此具有實(shí)際的物理意義。

圖4是EOF分解前3個特征向量空間分布及其時間系數(shù)演變圖。EOF第1模態(tài)（圖4a）占總方差的52.42%，空間分布為全區(qū)一致型，春雨區(qū)降水具有同位相特征，有一個大值中心，位于武夷山脈西側(cè)，南嶺北側(cè)，這與春雨的降水中心基本一致；從其相對應(yīng)的時間系數(shù)（圖4d）來看，90年代以前SPR具有較明顯的準(zhǔn)2～3 a變化特征，90年代以后來降水有減少的趨勢。第2模態(tài)（圖4b）占總方差的15.41%，空間分布成南北反相型，SPR降水在26～27°N之間為界呈南北反位相變化，即所謂“南澇（旱）北旱（澇）”，反映江南地區(qū)南北部空間差異；從第二特征向量的時間系數(shù)（圖4e）來看，有明顯的年代際變化，從20世紀(jì)70年末到80年末基本是負(fù)值，即江南地區(qū)是南澇北旱，其中80年初較為明顯，到了20世紀(jì)90年代初到21世紀(jì)初正負(fù)值交替且時間系數(shù)絕對值較大，說明這一期間降水南北旱澇急轉(zhuǎn)比較明顯。第3模態(tài)（圖4c）占總方差的6.83%，空間分布大致是東西反相型，也可以說沿海一內(nèi)陸型，分布狀況可能與地形和水汽輸送有關(guān)；從相應(yīng)的時間系數(shù)（圖4f）可見，在20世紀(jì)80年代基本是正值，SPR降水在沿海多內(nèi)陸少，之后呈較明顯的年際變化。

3江南春雨的旱澇年的環(huán)流差異

3.1江南春雨旱澇年的選取

采用上文中48站降水量的平均值作為江南春雨的降水量，圖5是1979-2010年江南春雨平均降水量的時間序列，可見，32 a平均降水量是6.24mm/d，且總體呈逐年減少趨勢；降水量最多的是1980年，達(dá)到9.23 mm/d，其正異常是標(biāo)準(zhǔn)方差的2.54倍；年降水量最少的是2007年，平均只有4.32mm/d，其負(fù)異常是標(biāo)準(zhǔn)方差的1.62倍。以上表明江南地區(qū)降水年際變率大，易造成極端旱澇年，影響該地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)的增長。因此，了解江南春雨旱澇年大氣環(huán)流異常，做好江南地區(qū)春雨預(yù)報，提前做好應(yīng)對措施，十分必要。

對于旱澇年的確定，根據(jù)圖5的降水標(biāo)準(zhǔn)化距平序列，以標(biāo)準(zhǔn)化距平的絕對值大于0.8個標(biāo)準(zhǔn)差為判斷江南春雨的旱澇年，其中澇年為1980、1981、1983、1992、2010年；旱年為1985、2003、2007、2008、2009年。下面根據(jù)選定的年份合成分析江南春雨旱澇年大氣環(huán)流差異。

3.2江南春雨旱澇年850 hPa風(fēng)場

首先看看低層風(fēng)場，圖6是江南春雨期澇年、旱年850 hPa風(fēng)場分布及澇年與早年差值場。比較圖6a和6b，發(fā)現(xiàn)在江南地區(qū)的上游均存在明顯的西南風(fēng)速中心，位于105～115°E，20～25°N區(qū)域。萬日金和吳國雄（2006）指出青藏高原東南側(cè)的西南風(fēng)速中心使得其下游的江南地區(qū)西南風(fēng)輻合明顯，從而直接導(dǎo)致了水汽的輻合明顯。可見，該西南風(fēng)速中心的出現(xiàn)是江南春雨形成的可能原因。比較澇年和旱年850 hPa風(fēng)場，發(fā)現(xiàn)澇年無論是4 m/s的以上風(fēng)速范圍，還是該區(qū)域最大風(fēng)速值都明顯大于旱年，進(jìn)一步說明西南風(fēng)速中心對江南春雨量的影響。圖6c是澇年與旱年的差值場，存在3個顯著異常區(qū)，分別是蒙古高壓異常環(huán)流、西太平洋副熱帶高壓異常環(huán)流和青藏高原南側(cè)孟加拉灣異常高壓環(huán)流。其中西太平洋副熱帶高壓環(huán)流的西北側(cè)的西南風(fēng)最為顯著，該處的u、v分量都通過了顯著性檢驗(yàn)，表明該處西南風(fēng)的增強(qiáng)有利于江南地區(qū)的降水。另外，結(jié)合圖10可以發(fā)現(xiàn)，在春雨期澇年青藏高原的熱源強(qiáng)度明顯強(qiáng)于旱年，導(dǎo)致高原東南側(cè)的繞流增強(qiáng)，進(jìn)而有利于江南地區(qū)的降水。

3.3江南春雨旱澇年850 hPa高度場

圖7給出了江南春雨期旱澇年850 hPa高度場，在澇年青藏高原東南側(cè)的等高線比旱年密集，這也解釋了西南地區(qū)出現(xiàn)風(fēng)速中心的原因。另外，發(fā)現(xiàn)在澇年1520 gpm線西伸至110°E附近的北部灣地區(qū)，而旱年1520 gpm線位于菲律賓以東洋面上，再比較氣候平均（圖略），發(fā)現(xiàn)澇年西太平洋副熱帶高壓的范圍向南向北擴(kuò)大，增強(qiáng)西伸。反之，旱年1520 gpm線東退至130°E附近。研究表明西太副高指數(shù)與中國降水有著密切的關(guān)系（賈燕和管兆勇，2010），西太副高的東西進(jìn)退與東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)成員相互影響、相互制約（余丹丹等，2014）。本文采用國家氣候中心提供的74項(xiàng)環(huán)流指數(shù)中的3、4月平均的西太平洋副高西伸脊點(diǎn)指數(shù)與江南春雨期的降水做相關(guān)，發(fā)現(xiàn)相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.393，通過95%置信度檢驗(yàn)，說明江南地區(qū)的降水與西太平洋副高西伸有關(guān)，副高偏西（東），江南地區(qū)的降水偏多（少）。

3.4江南春雨旱澇年經(jīng)向垂直環(huán)流

圖8是江南春雨期（12-27候）旱澇年沿110～120°E平均的經(jīng)向垂直環(huán)流。就平均而言，Hadley環(huán)流場已不復(fù)存在，江南地區(qū)表現(xiàn)為上升運(yùn)動，達(dá)到300 hPa以上。比較旱澇年江南地區(qū)的上升運(yùn)動，澇年明顯比旱年增強(qiáng)，有利于水汽的輻合上升。

3.5江南春雨旱澇年水汽輸送通量

江南春雨的多寡與水汽輸送及其輻合的變化有直接的關(guān)系，圖9是江南春雨期旱澇年的整層水汽輸送通量分布，可見，影響江南地區(qū)的水汽輸送帶有兩支：一支是來自阿拉伯海流經(jīng)青藏高原南側(cè)的西風(fēng)水汽輸送帶；另一支是來自西太平洋副高南側(cè)較強(qiáng)勁的東風(fēng)水汽輸送帶。低緯度東風(fēng)水汽輸送帶在中南半島及南海地區(qū)出現(xiàn)偏南風(fēng)的水汽輸送且向東折與中緯度西風(fēng)水汽輸送帶匯合，一起進(jìn)入江南地區(qū)。比較旱澇年的水汽輸送通量，發(fā)現(xiàn)澇年兩支水汽輸送帶上的水汽輸送明顯大于旱年，特別是西太平洋副高南側(cè)轉(zhuǎn)向的西南水汽輸送明顯增強(qiáng)，為江南地區(qū)提供了充分的水汽供應(yīng)。結(jié)合850 hPa西太平洋副高旱澇年的變化（圖7），發(fā)現(xiàn)澇年西太平洋副高加強(qiáng)西伸，在中南半島南端與高原南側(cè)的水汽輸送匯合，有利于水汽向江南地區(qū)輸送；反之，旱年水汽輸送明顯減少。

3.6江南春雨旱澇年緯向海陸熱力差異

研究表明，大氣熱源與中國東部降水具有密切的關(guān)系（宋大偉等，2011），而且東亞副熱帶地區(qū)的緯向海陸熱力差異對于江南地區(qū)的降水具有重要影響（何金海等，2007）。本文采用的大氣熱源是指大氣中的非絕熱加熱（以感熱、潛熱和輻射加熱的形式加熱大氣），是大氣環(huán)流的驅(qū)動力。圖10是20～30°N平均的整層大氣熱量源/匯緯向偏差（各經(jīng)度上的大氣熱量源/匯與80～150°E平均熱量源/匯之差）?？梢园l(fā)現(xiàn)，無論是澇年（圖10a）還是旱年（圖10b），大陸和海洋都是以120°E為分界線，年初大陸是冷源，海洋是熱源。西太平洋地區(qū)年初時大氣熱源向冷源轉(zhuǎn)化，在各個經(jīng)度依次向西推進(jìn)的；而江南地區(qū)（110-120°E）年初是冷源，澇年和旱年在冷源轉(zhuǎn)化為熱源的時間上有所差異。澇年大約在第11候轉(zhuǎn)化，早于氣候平均江南春雨開始候；旱年在第16候左右轉(zhuǎn)化，晚于氣候平均春雨開始日期。另外還可以發(fā)現(xiàn)，澇年江南地區(qū)春雨期熱源強(qiáng)度大于旱年，可見江南地區(qū)大氣熱量源/匯的反轉(zhuǎn)和增強(qiáng)對于江南春雨具有重要的影響。緯向海陸熱力差異是副熱帶季風(fēng)的根本推動力，這表明江南地區(qū)春季降水具有副熱帶季風(fēng)降水的性質(zhì)。

4結(jié)論

1）確定了江南春雨的時空范圍（12-27候）和空間范圍（110～120°E，23～30°N）。并且選取了江南地區(qū)48個分布比較均勻的代表站，采用EOF方法分析了江南春雨的時空分布特征，主要有三種空間分布模態(tài)，分別是全區(qū)一致型、南北反相型和東西反相型。

2）江南春雨偏澇年，上游青藏高原東南側(cè)的西南風(fēng)增強(qiáng)，西太平洋副熱帶高壓加強(qiáng)西伸，有利于來自副高南側(cè)的水汽與高原南側(cè)的水汽匯合向江南地區(qū)輸送，而江南地區(qū)的上升運(yùn)動也明顯加強(qiáng)，有利于江南地區(qū)降水的產(chǎn)生。而旱年情況大致相反。

3）東亞大陸一西太平洋之間的緯向海陸熱力差異對江南地區(qū)的降水具有重要影響。澇年大約在第11候發(fā)生熱力轉(zhuǎn)化，早于氣候平均江南春雨開始候；旱年在第16候左右轉(zhuǎn)化，晚于其后平均春雨開始日期。從江南地區(qū)春雨期熱源強(qiáng)度來看，澇年也明顯強(qiáng)于旱年，進(jìn)一步說明緯向海陸熱力差異與江南地區(qū)降水關(guān)系密切，江南地區(qū)春季降水具有副熱帶季風(fēng)降水的性質(zhì)。