2016 年梅雨持續(xù)性強(qiáng)降水期間大氣環(huán)流穩(wěn)定分量研究

孫樹鵬 封國林 鄭志海 謝均 趙俊虎

1 天津市津南區(qū)氣象局，天津 300350

2 國家氣候中心氣候研究開放實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

3 天津市氣候中心，天津 300074

4 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），珠海 519000

1 引言

中國梅雨（以下簡稱梅雨）是東亞夏季風(fēng)活動(dòng)的典型降水階段，梅雨期的持續(xù)性強(qiáng)降水往往給當(dāng)?shù)貛韲?yán)重的洪澇災(zāi)害。2016 年6 月中下旬至7月上旬，長江中下游地區(qū)及周邊多地連續(xù)遭受強(qiáng)暴雨襲擊，江蘇、湖北等10 余省市均受到嚴(yán)重?fù)p失。2016 年梅雨期持續(xù)性強(qiáng)降水背后的主要機(jī)制是什么，大氣環(huán)流中哪些關(guān)鍵系統(tǒng)的配置導(dǎo)致了這次強(qiáng)降水的異常持續(xù)維持？研究梅雨期異常持續(xù)強(qiáng)降水期間的異常環(huán)流形勢，從而準(zhǔn)確預(yù)測梅雨趨勢，對于當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有十分重要的指導(dǎo)意義。

梅雨期降水及環(huán)流系統(tǒng)存在顯著的階段性變化特征。Ninomiya et al.（2002）研究指出，1991 年“梅雨相”（7 月20～27 日）和“非梅雨相”（7月1～13 日）期間的大氣環(huán)流特征明顯不同。李維京（1999）、Li et al.（2001）、周 兵 和 文 繼 芬（2007）研究了1998 年夏季大尺度環(huán)流系統(tǒng)對長江流域“二度梅”的影響。封國林等（2012）研究了2011 年梅雨期長江中下游地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)的成因。梁萍和丁一匯（2011）對2009 年梅雨異常情況進(jìn)行了研究，指出在通常的梅雨期（6 月中旬～7 月上旬）降水過程持續(xù)時(shí)間短，降水量以偏少為主，但在通常的寡雨時(shí)段該年7 月下旬～8 月初又出現(xiàn)了所謂“二度梅”或“晚梅雨”的現(xiàn)象。梅雨降水的階段變化受什么機(jī)制影響和控制值得深入研究。

低頻振蕩是影響梅雨階段性變化的重要因素。大氣低頻振蕩通常是指時(shí)間尺度在10～100 d 的大氣變化，主要包括周期為10～20 d 的準(zhǔn)雙周振蕩和周期為30～60 d 的季節(jié)內(nèi)振蕩（楊雙艷等,2013）。低頻振蕩最早在熱帶地區(qū)發(fā)現(xiàn)（Madden and Julian, 1971），之后更多的研究表明，低頻振蕩不僅存在于低緯（Teng and Wang, 2003; Jiang and Waliser, 2009），而且也存在于中高緯度地區(qū)，具有全球變化的特征（Krishnamurti and Gadgil,1985; 李崇銀, 1991; 何金海和楊松, 1992; 楊秋明，2009）。楊雙艷等（2013）利用功率譜分析和小波分析方法證明了夏季歐亞中高緯地區(qū)存在10～30 d周期的大氣低頻振蕩，通過進(jìn)一步對位勢高度場10～30 d 低頻分量的不同模態(tài)進(jìn)行超前滯后相關(guān)分析，得到循環(huán)周期約為20 d，并利用該方法分析了夏季歐亞中高緯大氣低頻振蕩的緯向傳播特征。梅雨作為東亞夏季風(fēng)向北推進(jìn)過程中的重要天氣氣候現(xiàn)象，其本身也體現(xiàn)出較強(qiáng)的低頻振蕩特征。楊秋明（2009）研究發(fā)現(xiàn)5～8 月長江下游逐日降水主要有10～20、20～30 和60～70 d 的周期振蕩。梁萍和丁一匯（2012）研究了東亞梅雨季節(jié)內(nèi)振蕩的氣候特征，指出低頻振蕩對東亞梅雨的階段性、持續(xù)性降水事件的發(fā)生具有重要作用。東亞梅雨受10～20 及30～60 d 的低頻振蕩影響，梅雨區(qū)峰值降水與熱帶環(huán)流及北方高位渦冷空氣輸送的低頻演變密切關(guān)聯(lián)。龐玥等（2013）研究發(fā)現(xiàn)，梅雨偏多年降水具有明顯的10～30 d 的周期變化，低頻振蕩經(jīng)向上的北傳和緯向上的西傳與江淮流域梅雨期降水的活躍及中斷關(guān)系密切。陳官軍和魏鳳英（2012）發(fā)現(xiàn)，江淮地區(qū)夏季降水具有明顯的20～50 d 周期的低頻振蕩特征。降水的20～50 d低頻振蕩，尤其是峰谷值位相的變化與實(shí)際降水集中期和中斷期的交替有較好地關(guān)系。

不少學(xué)者的研究也指出，梅雨降水還與更長時(shí)間尺度（如季節(jié)變化、冬夏半年轉(zhuǎn)換、年循環(huán)）的低頻變化有關(guān)（梁萍和丁一匯, 2012; 楊雙艷等,2013）。對于特定的研究時(shí)段而言，基于經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解（EOF）的穩(wěn)定分量分析更具優(yōu)勢。李志錦和紀(jì)立人（1996）和鄭志海等（2010, 2013）研究表明，EOF 分量往往同低頻的大氣環(huán)流型相聯(lián)系。對于延伸期尺度而言，穩(wěn)定分量既包括了10～30 d 的主要低頻振蕩信息，又能最大限度的保留更長時(shí)間尺度的變化信息。曾宇星（2016）指出穩(wěn)定分量對大氣的整體變化趨勢存在較好的記憶性。即穩(wěn)定分量能夠很好地表征10～30 d 尺度內(nèi)天氣系統(tǒng)的主體信息，并且這部分信息在之后的時(shí)間段內(nèi)有著非常好的穩(wěn)定性，能夠表征大氣系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的整體趨勢特征。

本文擬從2016 年持續(xù)近20 d 的梅雨期強(qiáng)降水出發(fā)，結(jié)合其主要影響系統(tǒng)的低頻振蕩特征，提取大氣環(huán)流系統(tǒng)的延伸期尺度穩(wěn)定分量，進(jìn)而對其分布和演變特征進(jìn)行研究。試圖探尋影響此次持續(xù)強(qiáng)降水的關(guān)鍵穩(wěn)定分量，分析其主要影響機(jī)制，以提高對梅雨期持續(xù)強(qiáng)降水的科學(xué)認(rèn)識和預(yù)測水平。

2 資料和方法

2.1 資料

（1）本文所用資料主要包括：NCEP-DOE Reanalysis 2（Kanamitsu et al., 2002）全球位勢高度場、溫度場、風(fēng)場和相對濕度場1979～2016 年逐日再分析資料，水平空間分辨率為2.5°×2.5°，垂直方向從1000～10 hPa 共17 層等壓面。降水?dāng)?shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心整編的中國地面日值資料。依據(jù)中國氣象局預(yù)報(bào)與網(wǎng)絡(luò)司2014 年發(fā)布的《梅雨監(jiān)測業(yè)務(wù)規(guī)定》①中國氣象局預(yù)報(bào)與網(wǎng)絡(luò)司. 2014. 關(guān)于印發(fā)《梅雨監(jiān)測業(yè)務(wù)規(guī)定》的通知, 氣預(yù)函（2014）28 號 [R].，選取1979～2016 年梅雨區(qū)277 個(gè)測站的逐日降水量。梅雨區(qū)經(jīng)緯度范圍為（28°～34°N，110°～123°E），包含的站點(diǎn)分布在上海、江蘇、安徽、浙江、江西、湖北、湖南等6 省1 市（圖1）。

2.2 穩(wěn)定分量的提取方法

研究方法主要采用Pearson（1901）提出的經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）分解及其逆運(yùn)算，具體方法見施能（2009）編著的《氣象統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)》。

影響梅雨的主要影響系統(tǒng)存在明顯的準(zhǔn)雙周振蕩特征，2016 年梅雨期持續(xù)強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間近20 天，大致包含了一個(gè)完整的準(zhǔn)雙周振蕩周期的變化信息。因此，選取6 月18 日至7 月7 日持續(xù)發(fā)生強(qiáng)降水的20 天作為研究時(shí)段。

李志錦和紀(jì)立人（1996）和鄭志海等（2010,2013）研究表明，利用EOF 方法可以壓縮自由度，從歷史資料中找出支撐氣候變化吸引子的獨(dú)立變量，其中解釋方差較大的EOF 分量能夠反映原變量場變化的大部分信息，并主要表示實(shí)際大氣的慢變部分，往往具有較高的可預(yù)報(bào)性。本文基于EOF 方法提取穩(wěn)定分量，各變量各層次分別進(jìn)行，下面以500 hPa 位勢高度場為例，具體步驟如下：（1）對1981～2010 年研究時(shí)段歷史同期位勢高度距平場進(jìn)行EOF 分解：

圖 1 梅雨監(jiān)測區(qū)域劃分及監(jiān)測站點(diǎn)空間分布示意圖。Fig. 1 Schematic of the divisions in the monitoring area and the spatial distribution of the monitoring stations

其中，F(xiàn) 是由位勢高度距平場構(gòu)建的資料陣，V 為空間函數(shù)陣，T 為時(shí)間函數(shù)陣。由于V 和T 是根據(jù)資料陣F 進(jìn)行正交分解而得到的，常把空間函數(shù)陣V 看作一組正交基向量，時(shí)間函數(shù)T 看作各個(gè)正交向量的權(quán)重系數(shù)，則不同時(shí)間的要素場是若干個(gè)典型場按不同權(quán)重線性疊加的結(jié)果。（2）通過計(jì)算進(jìn)一步可以得到V 的逆矩陣V'，V'也為一組正交基向量，

（3）將同期歷史資料分別在正交基V'投影展開：

由于V'是一組正交基向量組成的空間函數(shù)陣，因此可以分別計(jì)算各個(gè)正交基分量所占解釋方差比重，并據(jù)此進(jìn)行排序，取解釋方差較大且明顯高于多年氣候平均的少數(shù)EOF 分量進(jìn)行合成，即可得到該層次的穩(wěn)定分量。

3 梅雨盛期天氣形勢分析

3.1 降水量演變情況

根據(jù)《梅雨監(jiān)測業(yè)務(wù)規(guī)定》判斷，2016 年5月25 日江南區(qū)率先入梅，7 月21 日長江區(qū)最后出梅，整個(gè)梅雨期持續(xù)時(shí)間較長，降水量較常年偏多一倍以上（趙俊虎等, 2018）。由圖2 可知，在2016 年梅雨期中梅雨區(qū)平均降水量呈現(xiàn)明顯的階段性變化，在梅雨期開始階段5 月25 日至6 月3日為多雨期，出現(xiàn)2 次較強(qiáng)的降水過程，而6 月4～17 日為間歇少雨期，僅有3 天降水量超過氣候平均值。6 月18 日至7 月7 日則為降水強(qiáng)盛的多雨期，期間有15 d 降水量超過氣候平均值，有8 d超過氣候平均值兩倍以上。7 月8～21 日又轉(zhuǎn)入降水相對較平穩(wěn)階段。6 月18 日至7 月7 日整個(gè)梅雨區(qū)均處于梅雨盛期，在此期間梅雨區(qū)有77 個(gè)監(jiān)測站累計(jì)降水量超過500 mm，最大超過1000 mm，梅雨區(qū)277 個(gè)監(jiān)測站平均累計(jì)降水量達(dá)388.2 mm，比歷史同期平均（1981～2010 年平均降水量172.1 mm）偏多一倍以上，為1981 年以來歷史同期最高，這一階段出現(xiàn)的持續(xù)強(qiáng)降水值得重點(diǎn)研究，本文選取2016 年6 月18 日至7 月7 日作為研究時(shí)段，重點(diǎn)研究影響該階段的關(guān)鍵穩(wěn)定分量。

3.2 天氣形勢分析

根據(jù)梅雨區(qū)（277 站平均）平均要素場的時(shí)間—高度剖面圖（圖3）可知，研究時(shí)段（2016 年6月18 日至7 月7 日）主要包含了3 次連續(xù)較強(qiáng)的降水天氣過程，期間梅雨區(qū)中低層相對濕度較大，水汽垂直分布也較為深厚，反映了充足的水汽條件，結(jié)合圖4 可以看出西南暖濕氣流提供了重要的水汽來源。另外，風(fēng)場的切變也有利降水的維持。

圖 2 2016 年5 月25 日至7 月21 日梅雨區(qū)（277 站平均）逐日降水量演變圖（曲線為氣候平均，單位：mm）Fig. 2 Regional (277 stations in the Meiyu region) average daily precipitation from 25 May to 21 July 2016. The curve indicates climate a verage (units: mm)

圖 3 2016 年6 月18 日至7 月7 日（研究時(shí)段，下同）梅雨區(qū)（ 277 站平均）氣溫（等值線，單位：°C）、風(fēng)和相對濕度（陰影區(qū)）時(shí)間—高度剖面Fig. 3 Time-height cross sections of the average air temperature(contours, units: °C),wind and relative humidity (shadings) in the Meiyu region (277-station average) from 18 Jun to 7 Jul 2016 (the research period, the same below)

從研究時(shí)段的平均位勢高度場和相對濕度場分布情況來看（圖4），在對流層高層100 hPa（圖4a），中高緯地區(qū)呈西高東低的分布形勢，有利于引導(dǎo)冷空氣南下影響梅雨區(qū)。在中低緯南亞高壓勢力更為強(qiáng)盛，16720 gpm 閉合曲線覆蓋范圍更廣，比氣候平均態(tài)向東延伸多出50 個(gè)經(jīng)距以上，表明南亞高壓整體覆蓋范圍面積更大，控制范圍更偏東。與之相對應(yīng)，在對流層中層500 hPa（圖4b），西太平洋副熱帶高壓（副高）偏西偏強(qiáng)，這非常有利于副高西側(cè)暖濕氣流輸送至梅雨區(qū)，高壓系統(tǒng)的強(qiáng)盛也有利于阻擋北部冷空氣，在梅雨區(qū)形成冷暖對峙，利于誘發(fā)和維持準(zhǔn)靜止鋒等天氣系統(tǒng)。中高緯度槽脊波動(dòng)特征更為明顯，在烏拉爾山附近地區(qū)和鄂霍次克海附近地區(qū)各有一個(gè)明顯的高壓脊，對應(yīng)阻塞高壓的形成和發(fā)展。而中間的槽區(qū)則有利于冷空氣南下影響梅雨區(qū)。從低層700 hPa 流場和850 hPa流場（圖4c-d）來看，在中高緯地區(qū)與500 hPa 烏拉爾山和鄂霍次克海附近高壓脊相對應(yīng)的區(qū)域多表現(xiàn)為較強(qiáng)的反氣旋式環(huán)流，在兩個(gè)高壓脊的中間則是較強(qiáng)的北風(fēng)氣流，大量的冷空氣由此南下。在中低緯度地區(qū)，副高控制區(qū)域反氣旋式環(huán)流較為強(qiáng)盛，同時(shí)在孟加拉灣一帶表現(xiàn)為較強(qiáng)盛的西南暖濕氣流，相對濕度大值區(qū)由此區(qū)域一直向東向北延伸至梅雨區(qū)。由圖4c 可知，梅雨區(qū)處于南側(cè)暖濕氣流的北端和北側(cè)西風(fēng)帶氣旋式彎曲的交匯區(qū)域，冷暖空氣和水汽輻合在梅雨區(qū)配合非常好，因而造成了梅雨區(qū)的持續(xù)強(qiáng)降水。

4 穩(wěn)定分量分析

4.1 穩(wěn)定分量的空間分布特征

圖 4 研究時(shí)段平均位勢高度場、相對濕度場和流場分布：（a） 100 hPa；（b） 500 hPa；（c） 700 hPa；（d） 850 hPa。圖（a，b）中藍(lán)色等值線為位勢高度，紅色等值線為氣候平均，單位：gpm；圖（a-d）陰影區(qū)為相對濕度Fig. 4 Distribution of the average geopotential height field, relative humidity field, and stream field during the research period at (a) 100 hPa, (b) 500 hPa,(c) 700 hPa, and (d) 850 hPa. The shaded areas in (a-d) indicate relative humidity, the contours in (a, b) indicate geopotential height, the red isolines indicate climate average (units: gpm)

提取研究時(shí)段各高度層次的位勢高度場、風(fēng)場和相對濕度場的穩(wěn)定分量（圖5）。圖5a，b 中位勢高度場穩(wěn)定分量正負(fù)距平中心位置和強(qiáng)度與圖4位勢高度場的槽脊分布有較好的對應(yīng)關(guān)系：在對流層高層100 hPa（圖5a），在南亞高壓區(qū)域均為一致的正距平區(qū)，尤其在梅雨區(qū)上空為一閉合的正距平中心，反映了南亞高壓對梅雨區(qū)的影響異常增強(qiáng)；在中高緯度，從歐亞大陸到北太平洋上空為兩高一低的“＋－＋”分布形勢，有利于加強(qiáng)中低層對應(yīng)系統(tǒng)的發(fā)展；在對流層中層500 hPa（圖5b），與圖4b 中烏拉爾山阻塞高壓和鄂霍次克海阻塞高壓相對應(yīng)的區(qū)域分別表現(xiàn)為較強(qiáng)的正距平區(qū)，在梅雨區(qū)東側(cè)有一個(gè)較強(qiáng)的閉合正距平中心，與圖4b 中偏西偏強(qiáng)的副高也有較好的對應(yīng)關(guān)系。在圖5b 中也可以看出從青藏高原向東北方向有一個(gè)波列存在，這與王麗娟（2008）等的發(fā)現(xiàn)較為一致，該波列的存在加強(qiáng)了梅雨區(qū)北側(cè)的槽脊分布形勢，利于槽區(qū)在梅雨區(qū)北側(cè)的維持和加強(qiáng)。在對流層低層700 hPa和850 hPa（圖5c，d），中高緯度的兩個(gè)阻塞高壓區(qū)域各對應(yīng)有一個(gè)反氣旋式環(huán)流形勢，在雙阻之間則為較強(qiáng)的北風(fēng)環(huán)流，表示在此區(qū)域有更強(qiáng)的冷空氣向南輸送，在梅雨區(qū)東側(cè)也表現(xiàn)為一個(gè)較明顯的反氣旋式環(huán)流，與偏強(qiáng)的副高對應(yīng)較好，梅雨區(qū)處于東側(cè)反氣旋式環(huán)流和北側(cè)氣旋式環(huán)流的輻合區(qū)，從而在梅雨區(qū)形成自西南向東北輻合的環(huán)流形勢，有利于降水的產(chǎn)生。從相對濕度穩(wěn)定分量場分布來看，梅雨區(qū)南側(cè)的水汽輸送與氣候平均相比并沒有明顯增強(qiáng)，但梅雨區(qū)北側(cè)槽區(qū)的相對濕度卻有明顯的增加，這表明北支氣流的水汽輸送和匯聚作用對于此次梅雨持續(xù)降水的發(fā)生和維持起到了非常重要的作用。綜上，穩(wěn)定分量的分布不僅能夠體現(xiàn)原始場的主要特征，突出反映關(guān)鍵環(huán)流系統(tǒng)，而且還能夠揭示內(nèi)在的波動(dòng)變化特征。

圖 5 研究時(shí)段位勢高度場、相對濕度場和流場穩(wěn)定分量分布：（a） 100 hPa；（b） 500 hPa；（c） 700 hPa；（d）850 hPa。圖（a，b）等值線為位勢高度（單位：gpm），圖（a-d）陰影區(qū)為相對濕度Fig. 5 Distribution of the stable components of the geopotential height field, relative humidity field, and stream field during the research period at (a)100 hPa, (b) 500 hPa, (c) 700 hPa, and (d) 850 hPa. The shaded areas in (a-d) indicate relative humidity, the contours in (a, b) indicate geopotential height (units: gpm)

從位勢高度場穩(wěn)定分量的空間立體分布形勢分析，可以發(fā)現(xiàn)：（1）在中高緯地區(qū)，在烏拉爾山附近上空存在一個(gè)較強(qiáng)的正距平中心（圖6a，d），從緯向分布來看低層位置偏西，隨高度增加逐漸向東擴(kuò)展（圖6d），從經(jīng)向分布來看低層中心位置偏北，低層從60°N 向北直至北極地區(qū)，而到了高層則向南延伸至30°N 附近（圖6a），與圖5a 相對應(yīng)，其向南伸展區(qū)域與南亞高壓向北伸展的高壓脊相連，共同形成一個(gè)較強(qiáng)的正中心（圖7b）。其作用是促使烏拉爾山阻塞高壓的形成和維持，并在該地區(qū)東側(cè)維持了一個(gè)較強(qiáng)的北風(fēng)氣流帶，非常有利于極地和高緯冷空氣南下。（2）在東部的鄂霍次克海及周邊地區(qū)上空也存在一個(gè)較強(qiáng)的正距平中心（圖6d），中心位置主要在40°～60°N 之間，其作用是促使鄂霍茨克海阻塞高壓的形成和維持（圖6c）。（3）在上述兩個(gè)正距平中心之間則為對應(yīng)低槽區(qū)域的負(fù)距平區(qū)，由圖6d 可知，兩個(gè)正距平區(qū)都是較為深厚的系統(tǒng)，在它們之間從地面向上延伸至近對流層頂則維持了相對深厚的負(fù)距平區(qū)，有利于加強(qiáng)低槽的發(fā)展。同時(shí)由圖6b 可見，在90°～110°E 之 間 從 極 地 向 南 存 在 著 明 顯 的“＋－＋”耦合分布形勢，利于中間負(fù)距平區(qū)域的穩(wěn)定維持，利于冷空氣的向南輸送。（4）亞洲東北部至極地為較強(qiáng)的負(fù)距平區(qū)（圖6c 和圖7b），與中高緯的正距平區(qū)配合，有利于維持和增強(qiáng)AO正位相結(jié)構(gòu)。（5）在中低緯度，由圖6e 可知，大范圍的正距平區(qū)域反映了異常偏強(qiáng)的南亞高壓，在對流層中上層，南亞高壓向東伸展到140°E 附近，加強(qiáng)了副高的偏西偏強(qiáng)的發(fā)展形勢（圖6f）。（6）除了上述較大空間尺度的環(huán)流形勢外，位勢高度場穩(wěn)定分量也在一定程度上體現(xiàn)了梅雨區(qū)周邊的環(huán)流特點(diǎn)，由圖6b，e 可知，在梅雨區(qū)北側(cè)為負(fù)距平區(qū)域，利于低槽的維持和發(fā)展，從而使得冷空氣直接輸送到梅雨區(qū)。另外在梅雨區(qū)東側(cè)和西側(cè)的兩個(gè)正距平區(qū)，客觀上起到輸送和匯聚暖濕空氣的作用，有利于降水的持續(xù)維持。

圖 6 研究時(shí)段位勢高度場穩(wěn)定分量垂直剖面分布（單位：gpm）：（a）沿50°～70°E 經(jīng)度帶平均；（b）沿90°～110°E 經(jīng)度帶平均；（c）沿140°～160°E 經(jīng)度帶平均；（d）沿45°～60°N 緯度帶平均；（e）沿30°～40°N 緯度帶平均；（f）沿20°～30°N 緯度帶平均Fig. 6 Vertical profile distribution of stable components of the geopotential height field during the research period(units: gpm): (a) Regional average along 50°-70°E; (b) regional average along 90°-110°E; (c) regional average along 140°-160°E; (d) regional average along 45°-60°N; (e) regional average along 30°-40°N; (f) regional average along 20°-30°N

對于持續(xù)近20 天的梅雨區(qū)暴雨而言，空間尺度較大的阻塞高壓、南亞高壓和副高的穩(wěn)定維持起到關(guān)鍵的支撐作用。如圖7b 所示，中高緯兩個(gè)較強(qiáng)的正距平中心和中低緯伸展范圍較大的正距平帶，三個(gè)較強(qiáng)的正距平中心相互配合，共同構(gòu)成影響研究時(shí)段持續(xù)性強(qiáng)降水的“三極”關(guān)鍵系統(tǒng)。

4.2 穩(wěn)定分量的演變特征

為進(jìn)一步考察穩(wěn)定分量隨時(shí)間的演變情況，從研究時(shí)段向前向后擴(kuò)展各取一個(gè)時(shí)段（前一時(shí)段為2016 年5 月29 日至6 月17 日；后一時(shí)段為2016 年7 月8～27 日），分別計(jì)算位勢高度場穩(wěn)定分量進(jìn)行對比研究。為方便對比，三個(gè)時(shí)段取同一組正交基進(jìn)行投影展開。由圖7 可知：（1）整體而言，在前一時(shí)段在對流層中上層（500 hPa、400 hPa、300 hPa、250 hPa 和200 hPa）平均位勢高度場穩(wěn)定分量以負(fù)距平為主（圖7a），上述“三極”系統(tǒng)尚未建立，在研究時(shí)段（圖7b）中緯度地區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)檎嗥?，“三極”關(guān)鍵系統(tǒng)開始建立并逐步加強(qiáng)，但在極地地區(qū)變化不大仍以負(fù)距平為主，低緯度地區(qū)變化也相對較小。在后一時(shí)段（圖7c），正距平形勢進(jìn)一步增強(qiáng)，“三極”形勢發(fā)生變化，原有的正距平中心不僅范圍有所擴(kuò)大和偏移，中心強(qiáng)度也有明顯增強(qiáng)，并且中低緯地區(qū)有新的正距平中心形成，“三極”形勢演化成“多極”形勢。（2）在前一時(shí)段，60°N 以北的中高緯和極地地區(qū)均為一致的負(fù)距平區(qū)域（圖8a-c 紅色折線），這種南高北低的形勢不利于大范圍冷空氣南下，而且副高也相對較弱，位置偏南偏東，對梅雨區(qū)的影響相對較小，因而該時(shí)段降水總體較弱。（3）在后一時(shí)段，中高緯地區(qū)幾乎全部呈正距平形勢（圖8a-c 綠色折線），烏拉爾山阻塞高壓對應(yīng)的正距平區(qū)域范圍向東擴(kuò)展至100°E 以東地區(qū)，使得原有的冷空氣輸送通道變淺變窄且位置向東偏移，使得影響梅雨區(qū)的冷空氣減弱東移。在中低緯地區(qū)南亞高壓區(qū)域的正距平中心強(qiáng)度增大范圍東擴(kuò)，副高對應(yīng)區(qū)域正值中心強(qiáng)度增大垂直范圍更加深厚但位置略有東移，使得副高外圍的西南暖濕氣流影響區(qū)域偏東，對梅雨區(qū)影響減弱，故這一階段降水有所減弱。

4.3 與其他年份穩(wěn)定分量對比分析

在2016 年梅雨期位勢高度場穩(wěn)定分量的“三極”結(jié)構(gòu)對持續(xù)強(qiáng)降水起到非常重要的影響作用，那么這種“三極”結(jié)構(gòu)在其他年份是否存在？2009 年6 月18 日至7 月7 日也出現(xiàn)了相對穩(wěn)定持續(xù)的降水時(shí)段，但總體降水量遠(yuǎn)小于2016 年。為方便對比，同樣提取該時(shí)段位勢高度場穩(wěn)定分量，并分六個(gè)區(qū)域進(jìn)行平均，考察其隨高度的分布情況（圖9）。從2009 年位勢高度場穩(wěn)定分量空間分布結(jié)構(gòu)來看（圖略），“三極”結(jié)構(gòu)并不存在，2016 年中高緯地區(qū)到極地的正負(fù)距平分布形勢，有利于增強(qiáng)AO 正位相分布形勢，而在2009 年則呈AO 負(fù)位相分布形勢，極地和高緯度地區(qū)呈較強(qiáng)的正距平分布，中高緯度則呈現(xiàn)負(fù)距平分布形勢（圖9a-c）。在中低緯度地區(qū)除三個(gè)較弱的正距平區(qū)域外其余地區(qū)均為負(fù)距平（圖9d-f）。2016年南亞高壓整體東伸位置明顯比2009 年偏東，強(qiáng)度明顯偏強(qiáng)。2009 年副高偏弱偏東，對梅雨區(qū)降水作用影響相對較弱，加之中緯度環(huán)流較為平直，不利于引導(dǎo)冷空氣南下，冷暖空氣配合不好，因而2009 年梅雨區(qū)降水也相對較弱。這也證明了“三極”結(jié)構(gòu)對于梅雨區(qū)持續(xù)強(qiáng)降水的重要支撐作用。

圖 7 研究時(shí)段及前、后時(shí)段位勢高度場穩(wěn)定分量（單位：gpm）對流層中上層（500～200 hPa）平均分布：（a）前一時(shí)段（2016 年5 月29 日～6 月17 日，下同）；（b）研究時(shí)段（2016 年6 月18 日～7 月7 日）；（c）后一時(shí)段（2016 年7 月8 日～7 月27 日，下同）Fig. 7 Average distribution of stable components of the geopotential height field in the middle and upper troposphere (500-200 hPa) during, before,and after the research period (units: gpm): (a) The previous period (between 29 May and 17 Jun 2016, the same below); (b) research period (between 18 Jun and 7 Jul 2016, the same below); (c) later period (between 8 Jul and 27 Jul 2016, the same below)

4.4 更長時(shí)間尺度穩(wěn)定分量分析

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，不論AO 正負(fù)位相變化還是南亞高壓和副高的強(qiáng)度變化與位置分布，除了與準(zhǔn)雙周的低頻變化有關(guān)外，還受更長時(shí)間尺度的低頻變化影響。因此，要搞清楚影響2016 年梅雨期持續(xù)強(qiáng)降水的關(guān)鍵系統(tǒng)，還需要進(jìn)一步研究“三極”關(guān)鍵系統(tǒng)與更長時(shí)間尺度穩(wěn)定分量的關(guān)系。

不少學(xué)者研究表明（楊秋明, 2009; 梁萍和丁一匯, 2012; 陳官軍和魏鳳英, 2012），梅雨及其影響系統(tǒng)也存在較為明顯的60 d 左右周期的低頻振蕩。將研究時(shí)段向前后擴(kuò)展，取2016 年5 月29 日至7月27 日60 d 按照2.2 節(jié)的方法計(jì)算位勢高度場穩(wěn)定分量。由圖10 可知，影響梅雨區(qū)降水的“三極”系統(tǒng)基本是存在的。在中高緯存在兩個(gè)較強(qiáng)的正距平中心，控制范圍比持續(xù)強(qiáng)降水時(shí)段略小，在兩個(gè)正距平中心存在一個(gè)明顯的負(fù)距平區(qū)域，為冷空氣南下提供有利的輸送通道。在中低緯存在兩個(gè)較弱的正距平區(qū)域，對應(yīng)南亞高壓和副高的正距平取明顯比持續(xù)強(qiáng)降水時(shí)段要弱，這是南亞高壓和副高的準(zhǔn)雙周振蕩變化所導(dǎo)致。整體而言，“三極”系統(tǒng)基本存在，這也導(dǎo)致了2016 年梅雨期降水總體偏強(qiáng)。在60 d 尺度的位勢高度場穩(wěn)定分量提供的環(huán)流背景下，在梅雨期各階段，穩(wěn)定分量呈現(xiàn)出不同特征，在梅雨初期持續(xù)強(qiáng)降水開始之前的時(shí)段，位勢高度場穩(wěn)定分量以負(fù)距平為主，“三極”系統(tǒng)還沒有建立，此時(shí)降水也相對較弱，隨“三極”系統(tǒng)穩(wěn)固建立，梅雨區(qū)進(jìn)入持續(xù)強(qiáng)降水階段，而到了后一時(shí)段“三極”的正距平中心不僅范圍有所擴(kuò)大和偏移，中心強(qiáng)度也有了明顯增強(qiáng)，并且中低緯地區(qū)有新的正距平中心形成，“三極”形勢演化成“多極”形勢，在此階段降水轉(zhuǎn)為平穩(wěn)，降水強(qiáng)度也減弱不少。

圖 8 研究時(shí)段及前后時(shí)段位勢高度場穩(wěn)定分量垂直分布（單位：gpm）：（a）（50°～70°N，50°～70°E）區(qū)域平均；（b）（50°～70°N，90°～110°E）區(qū)域平 均；（c）（50°～70°N，140°～160°E）區(qū)域 平 均；（d）（20°～40°N，50°～70°E）區(qū)域平均；（e）（20°～40°N，90°～110°E）區(qū)域平均；（f）（20°～40°N，140°～160°E）區(qū)域平均Fig. 8 Vertical distribution of the stable components of the geopotential height field during, before, and after the research period (units: gpm):(a) Regional average in (50°-70°N, 50°-70°E); (b) regional average in (50°-70°N, 90°-110°E); (c) regional averagein (50°-70°N, 140°-160°E);(d) regional average in (20°-40°N, 50°-70°E); (e) regional average in (20°-40°N, 90°-110°E); (f) regional average in (20°-40°N, 140°-160°E)

總之，60 d 尺度的位勢高度場穩(wěn)定分量為20 d持續(xù)強(qiáng)降水研究時(shí)段的穩(wěn)定分量提供重要的環(huán)流背景，在此基礎(chǔ)上，由于南亞高壓進(jìn)一步東擴(kuò)加強(qiáng)、副高的進(jìn)一步增強(qiáng)和西伸以及中高緯阻塞高壓的重建和增強(qiáng)，使得“三極”關(guān)鍵系統(tǒng)配置更為有利，從而形成梅雨區(qū)異常強(qiáng)盛的持續(xù)強(qiáng)降水事件。

5 結(jié)論和討論

通過上述研究得出如下結(jié)論：（1）在位勢高度場穩(wěn)定分量中存在的“三極”分布形勢，是維持梅雨區(qū)持續(xù)強(qiáng)降水的關(guān)鍵系統(tǒng)。“三極”系統(tǒng)即：在中高緯地區(qū)（50°～80°N，20°～80°E）附近區(qū)域的上空500 ～150 hPa 之間的正距平中心（烏拉爾山阻塞高壓）、（40°～70°N，140°～160°W）上空500～200 hPa 之間較強(qiáng)的正距平中心（鄂霍茨克海阻塞高壓）以及中低緯（20°～40°N，20°～140°E）附近區(qū)域的上空500～100 hPa之間的正距平中心（南亞高壓和副高）。（2）在中高緯度兩個(gè)深厚正距平區(qū)之間，是一片相對深厚的負(fù)距平區(qū)，有利于冷空氣的向南輸送。從相對濕度場穩(wěn)定分量分布來看，梅雨區(qū)北側(cè)槽區(qū)的相對濕度卻有明顯的增加，這表明北支氣流的水汽輸送和匯聚作用對于此次梅雨持續(xù)降水的發(fā)生和維持起到了非常重要的作用。（3）中低緯度的正距平區(qū)域（南亞高壓和副高）呈東西向帶狀分布，且主要存在于對流層中高層，在東側(cè)130°～140°E（偏西偏強(qiáng)的副高）和100°E以西附近（主要對應(yīng)青藏高原及周邊區(qū)域），有兩個(gè)正值區(qū)域向下持續(xù)到對流層低層，它們共同加強(qiáng)了梅雨區(qū)南側(cè)暖濕氣流的匯聚輸送作用。（4）從穩(wěn)定分量隨時(shí)間演變及與其他年份的對比研究發(fā)現(xiàn)，“三極”系統(tǒng)的建立和演化導(dǎo)致梅雨區(qū)降水呈現(xiàn)出強(qiáng)弱不同的階段特點(diǎn)，“三極”結(jié)構(gòu)弱化或不存在的階段，梅雨區(qū)持續(xù)性降水也較弱。（5）60 d 尺度的位勢高度場穩(wěn)定分量為20 d持續(xù)強(qiáng)降水期間的穩(wěn)定分量提供重要的環(huán)流背景，為“三極”關(guān)鍵系統(tǒng)的建立提供重要的基礎(chǔ)條件，從而有利于進(jìn)一步形成梅雨區(qū)異常強(qiáng)盛的持續(xù)強(qiáng)降水事件。

圖 9 2016 年研究時(shí)段及2009 年同期位勢高度場穩(wěn)定分量垂直分布（單位：gpm）：（a）（50°～70°N，50°～70°E）區(qū)域平均；（b）（50°～70°N，90°～110°E）區(qū)域平均；（c）（50°～70°N，140°～160°E）區(qū)域平均；（d）（20°～40°N，50°～70°E）區(qū)域平均；（e）（20°～40°N，90°～110°E）區(qū)域平均；（f）（20°～40°N，140°～160°E）區(qū)域平均Fig. 9 Vertical distribution of stable components of the geopotential height field during the research period in 2016 and 2009 (units: gpm):(a) Regional average in (50°-70°N,50°-70°E); (b) regional average in (50°-70°N, 90°-110°E); (c) regional average in (50°-70°N, 140°-160°E);(d) regional average in (20°-40°N, 50°-70°E); (e) regional average in (20°-40°N, 90°-110°E); (f) regional average in (20°-40°N, 140°-160°E)

圖10 2016年梅雨期60天（2016年5月29日至7月27日）平均位勢高度場穩(wěn)定分量對流層中上層（500～200 hPa）平均分布（單位：gpm）Fig.10 Average distribution of stable components of the geopotential height field in the middle and upper troposphere(500-200 hPa)during the Meiyu period(60-d average between 29 May and 27 July 2016)(units:gpm)

同時(shí)，通過對穩(wěn)定分量的研究，進(jìn)一步明確穩(wěn)定分量的定義和提取方法。分析穩(wěn)定分量應(yīng)著眼于整個(gè)大氣環(huán)流系統(tǒng)，考察其在整個(gè)空間的立體分布結(jié)構(gòu)，提取時(shí)空尺度相匹配、尤其在關(guān)鍵區(qū)域具有異常突出特征的關(guān)鍵穩(wěn)定分量。穩(wěn)定分量具有如下特征：時(shí)空尺度相匹配，在空間范圍具有與研究時(shí)段相匹配的水平尺度和垂直分布范圍；異常特征突出，對氣候平均態(tài)有足夠的補(bǔ)充意義，能夠較好地代表原始變量場的分布情況；對下級更小時(shí)空尺度的系統(tǒng)有較強(qiáng)的持續(xù)影響作用；具有較好的可預(yù)報(bào)性。

另外，影響持續(xù)強(qiáng)降水前后階段穩(wěn)定分量調(diào)整變化的原因機(jī)制也有待進(jìn)一步研究。