2019年山東夏季降水異常特征及成因分析

胡桂芳，伯忠凱，楊曉霞，徐瑋平

(1. 山東省氣候中心，山東 濟南 250031；2. 山東省氣象臺，山東 濟南 250031)

引言

在短期氣候預(yù)測業(yè)務(wù)中，夏季降水預(yù)測一直是全年預(yù)測的重點，政府部門也對其高度重視。山東地處副熱帶與溫帶的過渡地區(qū)，特殊的地理位置和復雜的地形、地貌，造成了山東夏季降水具有明顯的局地特征。山東夏季雨型與全國雨型之間有一定的聯(lián)系，但不密切[1]，因此，影響山東夏季降水的因素更為復雜，預(yù)測難度也更大。西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱“副高”)強弱及位置、歐亞中高緯環(huán)流異常是影響山東夏季降水多寡的直接原因[2-5]，赤道中東太平洋、北大西洋及熱帶印度洋的海面溫度(以下簡稱“海溫”)異常是影響山東夏季降水的重要外強迫因子[6-8]。對短期氣候預(yù)測而言，如何對錯綜復雜的前兆信號進行綜合分析，抓住影響當年夏季氣候異常的主導因素，是汛期預(yù)測成功的關(guān)鍵。因此，認識山東夏季氣候異常的特征及成因[9-10]，加深氣候異常機理的認識，對提高汛期氣候預(yù)測準確率有著重要意義。

2019年夏季降水總體較常年略偏多(3.0%)，降水偏多主要是由臺風“利奇馬”影響造成，如果去除臺風降水，全省夏季平均降水量較常年偏少41.8%；季內(nèi)前期降水偏少，后期偏多。2019年夏季降水異常與東亞大氣環(huán)流有著怎樣的聯(lián)系，本文針對此問題進行深入分析，并試圖解釋其可能的成因。

1 資料與方法

本文所用降水資料來源于山東省氣象信息中心提供的山東省123個國家級氣象觀測站降水觀測數(shù)據(jù)；位勢高度場及水平風場資料為NCEP/NCAR逐日/逐月再分析格點資料，水平分辨率為2.5°×2.5°[11]；副高指數(shù)采用劉蕓蕓等[12]的定義；海溫指數(shù)來自國家氣候中心海洋指數(shù)監(jiān)測資料，包括熱帶印度洋全區(qū)一致海溫模態(tài)指數(shù)(IOBW)，北大西洋海溫三極子指數(shù)(NAT)。氣候平均值均采用1981—2010年平均。文中采用的技術(shù)方法主要有合成分析及相關(guān)分析。

2 2019年山東夏季降水異常特征

2019年夏季山東全省平均降水量為414.6 mm，較常年(402.5 mm)偏多3.0%，降水整體呈現(xiàn)“中間多、東西少”的分布特征，魯西北東部、魯中北部和魯南的部分地區(qū)偏多，其他地區(qū)偏少(圖1a)。季內(nèi)降水過程較少，大于10 mm的降水過程僅出現(xiàn)8次(表1)，降水主要是由8月10—13日西風槽和臺風“利奇馬”共同影響所致，此過程的降水量全省平均為180.3 mm，占整個夏季降水量的43.5%。如果去除此次臺風降水，夏季降水量較常年偏少41.8%，呈現(xiàn)全省一致偏少的分布態(tài)勢，且大部地區(qū)偏少四成以上(圖1b)。季內(nèi)前期降水偏少，6月偏少45.9%，7月偏少34.3%；后期偏多，8月偏多70.8%。

圖1 2019年山東夏季降水量距平百分率分布(a.夏季，b.去除臺風影響；填色，單位：%)Fig.1 Distribution of summer precipitation anomaly percentage in Shandong in 2019 (a. summer, b. removing the impact of typhoon; shaded, units: %)

3 東亞大氣環(huán)流特征及其影響

導致2019年夏季氣候異常最直接的原因是大氣環(huán)流的異常。由2019年夏季500 hPa位勢高度及距平場(圖2a)可見，歐亞中高緯呈“兩槽一脊”環(huán)流型，烏拉爾山及以北地區(qū)為寬廣的低槽，負距平中心值低于-40 gpm，東亞沿岸的中緯地區(qū)為另一寬廣的槽區(qū)，千島群島和日本海附近分別為負距平中心控制；貝加爾湖地區(qū)為強大的高壓脊，正距平中心值超過60 gpm，山東處于強大的貝加爾湖高壓脊的前部、東亞沿岸低壓槽的后部，以較強的偏北氣流影響為主。東亞沿岸由南向北為“正—負—正”距平分布，呈現(xiàn)出東亞-太平洋型(EAP)遙相關(guān)負位相特征[13-14]，30°N以南為距平正異常，即副高較常年偏強、偏西，脊線偏南，指數(shù)監(jiān)測顯示，2019年夏季副高明顯偏強，為1951年以來第5強，西伸脊點位于105.2°E，比常年(119.5°E)明顯偏西，脊線位置為25.6°N，較常年(26.5°N)偏南。850 hPa距平風場(圖2b)上，最顯著的特征是從華東至日本南部為異常氣旋性環(huán)流控制，中心位于東海，山東位于中心西北部，受一致的偏北距平風影響，缺乏偏南暖濕氣流的水汽輸送?？傮w來看，2019年夏季對流層中低層一致反映出暖濕氣流偏南、偏弱的特征，山東因缺乏水汽的輸送而導致夏季降水整體偏少。由臺風造成的強降水而引起的夏季降水總量略偏多的環(huán)流特征，在夏季平均環(huán)流場上未顯現(xiàn)。夏季的環(huán)流形勢場與全省降水一致偏少模態(tài)有非常好地吻合[4]。

圖2 2019年夏季(6—8月)500 hPa平均位勢高度場(等值線；紅色等值線表示氣候平均5 880 gpm，下同)及其距平場(填色)(a；單位：gpm)和850 hPa距平風場(b；單位：m·s-1)Fig.2 Mean geopotential height (contour; red contour for the climatological 5 880 gpm contours, the same hereafter) and its anomaly (shaded) at 500 hPa (a; units: gpm) and wind anomaly (b; units: m·s-1) at 850 hPa in summer (from June to August) 2019

表1 2019年夏季山東主要降水過程

2019年夏季環(huán)流形勢存在明顯的階段性變化，6月至7月中旬(圖3a)，500 hPa歐亞中高緯地區(qū)的“兩槽一脊”分布型尤為突出，河套地區(qū)至華北為高壓脊控制，黃海到日本海及其以北地區(qū)為低壓槽區(qū)，在這種“西高東低”的環(huán)流型控制下，山東受高壓脊前西北氣流控制，降水明顯偏少，僅出現(xiàn)3次大于10 mm的降水過程，且以高空冷渦影響的對流性天氣為主；7月下旬至8月上旬(圖3b)，副高迅速北移，副高北界位置到達35°N附近，西伸脊點位于122°E附近，受副高西側(cè)暖濕氣流及貝加爾湖南側(cè)西風槽帶來的冷空氣共同影響，山東降水增多，7月23日進入雨季。7月下旬至8月上旬全省出現(xiàn)了4次大范圍降水天氣過程，由于半島地區(qū)位于副高的反氣旋環(huán)流中，降水持續(xù)偏少，多雨區(qū)主要集中在山東的中西部地區(qū)。8月中旬，受臺風北上的影響，副高東撤。8月10—13日，受西風槽和臺風“利奇馬”的共同影響，山東出現(xiàn)強降水過程。受臺風“羅莎”、西太平洋副高和西風槽的共同影響，臺風“利奇馬”在浙江溫嶺登陸后沿海北上，在山東半島南部的黃島第二次登陸，向西北方向移動并在渤海灣停滯打轉(zhuǎn)，與河套東部的西風槽結(jié)合，在山東中西部地區(qū)產(chǎn)生持續(xù)性強降水，累計雨量：250 mm以上為28站，100～250 mm為52站，全省平均降水量為180.3 mm，占整個夏季降水量的43.5%，超過8月降水總量常年值(151.6 mm)。臺風過后，貝加爾湖以東及以南為寬廣深厚的槽區(qū)，副高東退，西伸脊點東退到140°E附近，對山東基本無影響，山東主要受西風帶低槽影響，出現(xiàn)弱降水過程；8月下旬，西太平洋副高與大陸高壓打通，呈異常偏強、偏西狀態(tài)，阻斷了南方向山東的水汽輸送，導致降水異常偏少，雨季于8月27日結(jié)束。

圖3 2019年6月1日—7月20日(a)和7月21日—8月10日(b)500 hPa高度場(等值線)及距平場(填色)(單位：gpm)Fig.3 Geopotential height (contour) and its anomaly (shaded) at 500 hPa (units: gpm) from 1 June to 20 July (a) and from 21 July to 10 August (b) 2019

4 海溫異常對東亞大氣環(huán)流及山東夏季降水的影響

4.1 赤道中東太平洋及熱帶印度洋海溫的影響

ENSO作為最強的年際信號是氣候預(yù)測業(yè)務(wù)中的重點參考對象。根據(jù)國家氣候中心的ENSO歷史事件統(tǒng)計表，2018年9月開始的厄爾尼諾事件，當年11月達到峰值，峰值強度為1.0 ℃，持續(xù)時間為10個月。熱帶印度洋海溫于2018年11月開始轉(zhuǎn)為偏暖狀態(tài)，并呈緩慢加強趨勢，2018/2019年冬季、2019年春季和夏季IOBW值分別為0.20 ℃、0.27 ℃和0.30 ℃。2019夏季降水排除臺風影響，全省大部地區(qū)降水偏少，與異常偏強、偏西、偏南的西太平洋副高配合歐亞中高緯的“兩槽一脊”環(huán)流型密切相關(guān)。副高的偏強偏西可能受到年代際及年際信號的共同影響[15]。根據(jù)已有的研究，厄爾尼諾對副高的影響體現(xiàn)在前期冬季和春季，5月后迅速衰減，而熱帶印度洋海溫像“充電器”一樣延續(xù)了厄爾尼諾對大氣環(huán)流和氣候異常的影響，它對副高的影響從前期冬季到當年夏季始終是顯著的[16-17]，因此，此次厄爾尼諾事件及熱帶印度洋海溫的持續(xù)偏暖是2019年夏季副高的偏強、偏西、偏南的主要原因。

厄爾尼諾事件的結(jié)束時間與山東夏季降水的多寡有著密切聯(lián)系。1980年以來的厄爾尼諾事件5月以前結(jié)束(以下簡稱“結(jié)束早年”)的共有9 a，分別為 1980、1988、1995、1998、2003、2005、2007、2010、2016年，除1980年和1988年外，其他7 a均偏多；6月以后結(jié)束或持續(xù)的有4 a(以下簡稱“結(jié)束晚年”)，分別為1983、1987、1992、2015年，降水均偏少。

已有的研究表明，厄爾尼諾發(fā)展期的夏季，西太平洋副熱帶高壓偏弱、偏南，影響我國的西南氣流偏弱，東亞夏季風偏弱；厄爾尼諾衰減期的夏季，西太平洋副熱帶高壓偏強、偏北，影響我國的西南氣流偏強，東亞夏季風偏強[18-19]；相比厄爾尼諾衰減年，在厄爾尼諾轉(zhuǎn)為拉尼娜的年份，7—8月500 hPa日本海到渤海正位勢高度距平加強，更符合華北雨季降水偏多年的典型環(huán)流特征[20]。同樣，厄爾尼諾結(jié)束早(晚)年，山東夏季降水的多(寡)與東亞夏季大氣環(huán)流對其不同的響應(yīng)有著必然聯(lián)系。圖4為厄爾尼諾結(jié)束早年和結(jié)束晚年的夏季500 hPa高度距平場合成圖，厄爾尼諾結(jié)束早年(圖4a)東亞沿岸由南向北基本為正距平，我國東南至西太平洋的10°～30°N附近地區(qū)正距平明顯，通過了95%的信度檢驗，反映了西太平洋副高偏強、偏西，南北位置接近常年；歐亞中高緯地區(qū)也基本為正距平，烏拉爾山地區(qū)和鄂霍次克海附近是兩個正距平中心，反映了這兩個區(qū)域阻塞高壓的發(fā)展和加強，貝加爾湖東側(cè)是相對偏低區(qū)域，意味著該區(qū)域經(jīng)常有低槽活動，引導冷空氣南下，與副高西北側(cè)的暖濕氣流在山東匯合，造成山東夏季降水偏多；厄爾尼諾結(jié)束晚年(圖4b)，東亞沿岸自南向北呈現(xiàn)“+、-、 +”距平分布，東北亞地區(qū)為弱的正距平，東亞中緯度至白令海地區(qū)為明顯的負距平，中心區(qū)域通過了95%的信度檢驗，江南為正距平，此時，貝加爾湖到華北、東北及華東北部長期為低槽控制，冷空氣從貝加爾湖東側(cè)東移南下影響山東，另一方面，低緯地區(qū)的副高偏南，其西側(cè)的暖濕氣流不能到達山東，因而夏季降水偏少。2019年夏季環(huán)流場特征與圖4b相似，只是貝加爾湖地區(qū)的正異常明顯偏強，東亞中緯度地區(qū)的負異常明顯偏弱。

圖4 厄爾尼諾結(jié)束早年(a)和結(jié)束晚年(b)夏季500 hPa高度距平場(單位：gpm；填色區(qū)域為通過95%信度檢驗的區(qū)域)Fig.4 Summer geopotential height anomaly at 500 hPa in years when El Nio ends early (a) and years when El Nio ends late (b) (units: gpm; shaded area denotes passing the significance test at 95% level)

4.2 北大西洋海溫的影響

歐亞中高緯呈現(xiàn)“兩槽一脊”環(huán)流型，貝加爾湖地區(qū)高壓脊長時間維持是2019年夏季環(huán)流的主要特征，而歐亞大氣環(huán)流異常與北大西洋海溫的異常有著密切聯(lián)系[21-22]。計算前期冬季、春季和同期夏季北大西洋海溫三極子指數(shù)與夏季500 hPa高度場的相關(guān)系數(shù)(圖5，冬季圖略)可以發(fā)現(xiàn)，烏拉爾山地區(qū)的負相關(guān)及貝加爾湖地區(qū)的正相關(guān)始終存在著，且以春、夏季更為明顯，中心區(qū)域均通過了95%的信度檢驗。這反映了當北大西洋區(qū)域由南向北呈現(xiàn)“-、+、-”(“+、-、+”)的三極型海溫異常時，即三極子處于正(負)位相時，烏拉爾山地區(qū)的高度場為負(正)高度異常，貝加爾湖地區(qū)為正(負)高度異常。2018 /2019年冬季至2019年夏季北大西洋海溫三極子持續(xù)為正位相，冬、春、夏季指數(shù)值分別為0.76、0.89、0.37，有利于夏季烏拉爾山低槽的維持及貝加爾湖地區(qū)高壓脊的發(fā)展，這與2019年夏季環(huán)流場特征非常吻合。

圖5 1981—2018年春季(a)和夏季(b)北大西洋海溫三極子與夏季500 hPa高度場相關(guān)系數(shù)(填色的區(qū)域為通過95%信度檢驗的區(qū)域)Fig.5 Correlation coefficients between the North Atlantic sea surface temperature tripole and geopotential height at 500 hPa in spring (a) and summer (b) from 1981 to 2018 (shaded area denotes passing the significance test at 95% level)

5 結(jié)論與討論

1)2019年山東夏季降水總體略偏多，降水時空分布不均，降水偏多主要由臺風“利奇馬”影響所致。如果去除臺風降水，夏季降水量較常年明顯偏少。季內(nèi)6、7月偏少，8月偏多。

2)西太平洋副高的持續(xù)偏南配合歐亞中高緯的“兩槽一脊”環(huán)流型，是山東排除臺風影響后降水偏少的主要原因。環(huán)流存在明顯的階段性變化，6月至7月中旬，歐亞中高緯“兩槽一脊”環(huán)流型突出，降水持續(xù)偏少；7月下旬至8月上旬，受副高外圍及西風槽影響，降水偏多；8月中旬，臺風“利奇馬”和西風槽共同影響，出現(xiàn)極端強降水過程；8月下旬，副高異常偏強偏西，降水異常偏少。

3)2018年9月至2019年6月的厄爾尼諾事件和熱帶印度洋海溫的持續(xù)偏暖對2019年夏季副高的偏強、偏西、偏南起到重要作用；北大西洋海溫三極子由冬至夏維持正位相與貝加爾湖地區(qū)高壓脊的長時間維持有著密切聯(lián)系。

另外，2019年夏季臺風降水占季降水總量的43.5%，無論是氣候模式還是物理統(tǒng)計方法對這種極端性質(zhì)的降水預(yù)測均存在很大的不確定性，因此在短期氣候預(yù)測業(yè)務(wù)中，如何考慮這種極端性質(zhì)的降水，還需要進一步分析和研究。