冬季南支槽活動頻次與中國南方降水的年際關(guān)系研究

吳樹炎，張 超，汪衛(wèi)平，王敏敏，陳曉丹

(1.貴州省黎平縣氣象局，貴州 黎平 557300；2.貴州省黔東南苗族侗族自治州氣象局，貴州 凱里 556000；3.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002)

0 引言

南支槽又稱為副熱帶南支西風(fēng)槽，是冬半年(11月—次年5月)對流層中低層的強西風(fēng)帶，在青藏高原大地形影響下被迫繞流而形成的動力性低槽，它是存在于高原南側(cè)孟加拉灣地區(qū)的半永久性低壓槽[1-2]。索渺清和丁一匯[3]的相關(guān)研究表明，南支槽對北半球的大氣環(huán)流轉(zhuǎn)換有十分重要的指示意義：10月，南支槽的建立代表著北半球的大氣環(huán)流形勢由夏季型轉(zhuǎn)為冬季型，次年6月，南支槽的消失及孟加拉灣槽的建立則是南亞夏季風(fēng)爆發(fā)的重要標(biāo)志。因南支槽系統(tǒng)在向東移動過程中易將孟加拉灣地區(qū)的暖濕水汽輸送到我國大陸[4-7]，造成我國南方冬季的雨雪天氣過程[8-9]。因此，在我國南方冬季的氣象預(yù)報和預(yù)測中，南支槽的作用是十分重要的。

由于南支槽是冬季影響我國南方天氣的主要系統(tǒng)，其強度和位置對南方地區(qū)的降水和氣溫有著重要的影響。段旭等[10]2012年統(tǒng)計了冬半年500 hPa高度上影響云南省降水的南支槽個例，結(jié)果表明，在統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)南支槽平均每年出現(xiàn)了約19次，且冬半年的11月—次年5月平均各月出現(xiàn)頻次相當(dāng)。林志強[11]指出當(dāng)南支槽處于不同位置時，其降水影響區(qū)域有較大的差異。丁一匯等[12]在對2008年1月我國南方罕見的冰雪凝凍災(zāi)害過程的研究指出，產(chǎn)生凍雨和雪災(zāi)的一個非常關(guān)鍵因子是南支槽的明顯發(fā)展。Li Chun等[13]對2013年12月中國南方一次冬季大范圍強降水的研究表明，南支槽在這次強降水過程中發(fā)揮著十分重要的作用，南支槽從孟加拉灣、南海向我國南方地區(qū)輸送了大量暖濕水汽，從而造成了當(dāng)年冬季南方罕見的大范圍降水天氣。

過去對南支槽活動的研究工作主要集中于天氣個例的分析或者利用南支槽統(tǒng)計范圍內(nèi)的高度場資料、氣壓場所定義的南支槽強度指數(shù)來分析南支槽的長期變化趨勢及其對中國氣候的影響[14-15]，而從南支槽活動頻率來分析其與大氣環(huán)流之間的關(guān)系研究較少，這可能與缺乏逐日南支槽活動資料而造成的困難有關(guān)。隨著計算機(jī)科學(xué)的迅猛發(fā)展，使得將客觀識別技術(shù)應(yīng)用于低壓槽的識別成為了可能，吳樹炎[16]2018年利用客觀識別方法從ERA-interim逐日的再分析資料中獲得了逐日的南支槽活動資料，使得從南支槽活動頻率的角度研究其與我國南方降水及與大氣環(huán)流之間的關(guān)系提供了可能。本文采用1979—2015年逐日南支槽活動資料分析了南支槽活動頻率對中國南方降水的影響及其與大氣環(huán)流之間的關(guān)系，分析結(jié)果將有利于人們進(jìn)一步認(rèn)識南支槽與中國南方降水的聯(lián)系，為開展南方冬季氣候的異常變化和預(yù)測工作提供參考依據(jù)。

1 資料與方法介紹

1.1 資料介紹

本文使用資料包含：

①歐洲中心(ECMWF)提供的ERA-Interim逐日再分析資料，其水平分辨率為1°×1°，所使用的氣象要素包括位勢高度場、風(fēng)場。選用該逐日再分析資料集的時段為1979年12月—2016年2月。

②中國氣象局國家氣象信息中心提供的全國無缺測的823個基準(zhǔn)、基本氣象臺站逐日降水資料，下載地址為中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)，數(shù)據(jù)集的時間跨度為1979年12月—2016年2月。

本文所指的冬季為當(dāng)年12月—次年2月，例如：1979/1980年冬季(在文中簡寫為1979年)指的是1979年12月—1980年2月的平均值。本文分析時間段為1979—2015年。

1.2 南支槽的識別方法

楊鑒初[1]及索渺清[3]等的研究結(jié)果表明，南支槽在700 hPa高度上最為明顯，圖1給出了1979—2015年冬季氣候平均狀態(tài)下700 hPa和500 hPa位勢高度場的分布。從圖1b可以看出，氣候平均狀態(tài)下的500 hPa等高線在高原南側(cè)及孟加拉灣地區(qū)較為平直，南支槽并不明顯；在氣候平均狀態(tài)的700 hPa高度場(圖1a)上，高原中部南側(cè)等高線出現(xiàn)明顯的彎折，在南支槽統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)等高線的彎折十分顯著，故識別南支槽活動在700 hPa高度上更為合理。另，本文參考Wang Tongmei et al.[17]的研究區(qū)域采用(15～25°N，80～100°E)范圍分析南支槽。

參照García et al.[18]及Knippterz[19]提出的低壓槽客觀識別方法，林志強[20]首次將該方法用于判別冬半年500 hPa南支槽，但可能因入選為槽點的閾值較低(≥25 gpm)，使得識別出的該層次上的南支槽活動頻次比段旭采用人工統(tǒng)計的頻次[10]高出許多。因此本文在識別700 hPa南支槽時，將采取適當(dāng)提高閾值的方法，以(15～25°N，80～100°E)經(jīng)緯度為界的許多天氣過程的識別試驗顯示，采用閾值≥35 gpm，在700 hPa高度上識別效果較為理想?？陀^識別詳細(xì)識別步驟可參考吳樹炎[16]，這里不再贅述。

文中所使用到的方法還有相關(guān)性分析、合成分析及t檢驗等統(tǒng)計學(xué)方法[21]。

圖1 1979—2015年冬季平均位勢高度場(單位：gpm)(a，500 hPa；b，700 hPa；黑框表示南支槽統(tǒng)計區(qū)域)Fig.1 Mean geopotential height field (unit: gpm) for 1979—2015 a in winter (a,500 hPa;b,700 hPa;The black box indicates south branch trough statistical area)

2 結(jié)果分析

2.1 南支槽活動頻次指數(shù)的定義

為探討冬季南支槽活動頻次的規(guī)律，根據(jù)南支槽的客觀識別結(jié)果和篩選條件[16]，將識別出明顯南支槽的日期稱為“南支槽活動日”，反之，則稱為“無槽日”。

圖2給出了1979—2015年冬季南支槽活動日的天數(shù)分布圖，從近37 a南支槽活動日的統(tǒng)計來看，冬季南支槽的年平均活動天數(shù)為44.5 d，南支槽活動日天數(shù)最多的為1992年，高達(dá)70 d，活動日天數(shù)最少的為1983年，僅為13 d，從圖2可以看出各年有較大的差別。南支槽活動日天數(shù)越多表明該年冬季南支槽活動越活躍。

將南支槽活動日天數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后定義為南支槽活動頻次指數(shù)(SBTI)，簡稱為南支槽活動指數(shù)。圖3給出了南支槽活動指數(shù)的時間序列，由圖可見，南支槽活動指數(shù)在1987年和2007年前后發(fā)生了較明顯的變化，1979—1986年南支槽活動指數(shù)為負(fù)值，表明南支槽活動較少，1987年南支槽活動日天數(shù)由下降的趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)槠浜蟮纳仙厔?，表明南支槽處于活躍階段，在2007年以后，南支槽活動指數(shù)又轉(zhuǎn)為下降的趨勢，表明南支槽活動減少。

圖2 1979—2015年冬季南支槽活動日天數(shù)分布Fig.2 Distribution of the days of Southern Branch Trough activity from 1979 to 2015 in winter

圖3 南支槽活躍指數(shù)(SBTI)的時間序列Fig.3 Temporal variation of Southern Branch Trough activty index (SBTI)

2.2 南支槽活動影響冬季南方降水的年際關(guān)系

為分析南支槽活動與中國同期冬季降水的關(guān)系，計算了南支槽活動指數(shù)(SBTI)與全國823個氣象臺站冬季降水的相關(guān)系數(shù)(圖4)，由圖4可見，南支槽活動日與我國南方降水呈現(xiàn)較顯著的正相關(guān)關(guān)系，其中顯著的正相關(guān)區(qū)域位于西藏中部、重慶、湖北西部、貴州東北部，相關(guān)系數(shù)很高，有的地區(qū)甚至超過了99%顯著性檢驗。表明當(dāng)南支槽偏多(少)時，易造成西藏中部、重慶、湖北西部、貴州東北部等地區(qū)冬季降水偏多(少)。

為了進(jìn)一步分析南支槽活動與冬季南方降水的關(guān)系，將圖3中的南支槽活動指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差大于1和小于1的年份稱之為南支槽偏多年和南支槽偏少年。由圖3可知，南支槽偏多的年份有1991、1992、1994、1998、2000、2003和2006年，共7 a；南支槽偏少的年份有1983、1985、2009、2011和2013，共5 a。

圖5給出了南支槽偏多年和偏少年的全國823個氣象臺站的降水距平，結(jié)果表明，南支槽偏多年時，從西南到長江中游一帶均降水偏多，正距平中心位于云南東部、重慶和湖北等地區(qū)；當(dāng)南支槽偏少年時，在西南、華南及長江中下游以南的地區(qū)均表現(xiàn)為負(fù)異常，降水較常年偏少，負(fù)距平中心位于湖南、湖北和江西東部等地區(qū)。

圖4 SBTI與1979—2015年冬季全國降水相關(guān)系數(shù)分布(填色表示分別通過90%和95%顯著性檢驗)Fig.4 Distribution of correlation coefficient between SBTI and precipitation in Chinal of 1979—2015 in winter(The shaded areas from light to dark have passed the significant level at 0. 1,0. 05,respectively)

圖5 全國1979—2015年冬季降水距平分布(單位：mm)(a，南支槽偏多年；b，南支槽偏少年)Fig.5 Distribution of precipitation anomaly of China of 1979—2015 a in winter(unit: mm) (a,the years with more active Southern branch trough;b,the years with less active Southern branch trough)

2.3 南支槽活動與大氣環(huán)流的關(guān)系

為探究南支槽活動與南方降水的大氣環(huán)流的年際關(guān)系，圖6給出了南支槽偏多年和偏少年的冬季700 hPa風(fēng)場的距平合成。由圖6a可見，南支槽偏多年，在阿拉伯海區(qū)域有一個“異常反氣旋”，而在高原南側(cè)的南支槽統(tǒng)計區(qū)域存在著一個“異常氣旋”，華南地區(qū)位于該異常氣旋外圍，從南海海上源源不斷給上述地區(qū)帶來豐沛的暖濕水汽，導(dǎo)致該地降水異常偏多。

在南支槽偏少年，700 hPa的距平風(fēng)場合成圖6b和圖6a相比，是完全的反位相分布。在阿拉伯海區(qū)域為“異常氣旋”，在該異常氣旋的后部高緯度偏北風(fēng)異常偏強，原本在高原南側(cè)南支槽統(tǒng)計區(qū)域由“異常反氣旋”取而代之，西南、華南地區(qū)位于該“異常反氣旋”的外圍，處于偏北風(fēng)控制，西南、華南在單一的氣流影響下不利于降水的發(fā)生，導(dǎo)致降水偏少。

圖6 冬季700 hPa風(fēng)場的距平合成(單位：m/s) (a，南支槽偏多年；b，南支槽偏少年；陰影表示分別通過90%和95%顯著性檢驗)Fig.6 Departure composites of wind field in winter at 700 hPa(units:m/s).(a,the years with more active Southern branch trough;b,the years with less active Southern branch trough;The shaded areas from light to dark have passed the significant level at 0.1,0.05,respectively)

圖7給出了南支槽偏多年和南支槽偏少年的500 hPa位勢高度場及其距平合成。當(dāng)南支槽偏多年時(圖7a)，在阿拉伯海和貝加爾湖以東出現(xiàn)正距平，而在青藏高原以南，為負(fù)距平控制，但數(shù)值較小。從貝加爾湖地區(qū)到中南半島，500 hPa高度距平場從高緯到低緯表現(xiàn)為“+-”的分布，表明來自高緯的冷空氣和來自低緯的暖濕氣流在高原以南、西南地區(qū)聚集，有利于西南、華南等地區(qū)降水的偏多。

當(dāng)南支槽偏少時，在阿拉伯海區(qū)域和中高緯度表現(xiàn)為負(fù)距平，在青藏高原以南的南支槽統(tǒng)計區(qū)為正距平，這種“南高北低”的距平分布，由地轉(zhuǎn)關(guān)系可知，西南、華南地區(qū)處于單一暖濕氣流的控制，不利于冷、暖空氣在南方地區(qū)的交綏，不利于上述地區(qū)降水偏多。

3 結(jié)論

本文基于南支槽的客觀識別技術(shù)，使用ERA-interim再分析資料，分析了1979—2015年700 hPa高度上的冬季南支槽活動，并討論了南支槽活動偏多(少)年與我國南方冬季降水及大氣環(huán)流之間的關(guān)系，得到以下主要結(jié)論：

①南支槽活動有明顯的年代際轉(zhuǎn)變，在1979—1986年南支槽活動較少；1987—2006年期間，南支槽活動處于活躍階段；在2007年以后，南支槽活動較少。

②南支槽活動指數(shù)與我國南方冬季降水有較好的正相關(guān)關(guān)系。南支槽偏多年時，西南到長江中游一帶均降水偏多，中心位于云南東部、重慶和湖北西部；當(dāng)南支槽活動偏少年時，在西南、華南及長江中下游以南的地區(qū)降水偏少，中心位于湖南、湖北和江西東部。

③對南支槽活動與大氣環(huán)流的探討發(fā)現(xiàn)，當(dāng)南支槽偏多年時，700 hPa風(fēng)場的距平在高原南側(cè)存在著一“異常氣旋”，華南地區(qū)位于該異常氣旋外圍，從南海海上源源不斷給該地區(qū)帶來充沛的暖濕水汽。同時，500 hPa位勢高度距平表現(xiàn)為“+-”的分布，自高緯的冷空氣和來自低緯的暖濕氣流在高原以南、西南地區(qū)聚集，有利于西南到長江中游一帶降水偏多。

④當(dāng)南支槽偏少年時，700 hPa風(fēng)場的距平在高原南側(cè)為“異常反氣旋”，西南、華南地區(qū)位于該異常反氣旋的外圍，西南、華南被偏北風(fēng)控制，受單一氣流影響。同時，500 hPa位勢高度距平圖表現(xiàn)為“南高北低”的距平分布，我國南方地區(qū)處于單一暖濕氣流的控制，不利于冷、暖空氣在南方地區(qū)的交綏，使得西南、華南及長江中下游以南的地區(qū)降水偏少。