江淮梅雨期強(qiáng)降水和大氣不同時(shí)間尺度波動的關(guān)系

周寧芳，李勇，賈小龍

(1. 國家氣象中心，北京100081；2. 南京信息工程大學(xué)/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京210044；3. 國家氣候中心/中國氣象局氣候研究開放實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

1 引 言

中國的江淮梅雨是春末夏初東亞夏季風(fēng)向北推進(jìn)過程中特有的雨季，梅雨最早5 月底開始，最晚8 月初結(jié)束，多年平均的梅雨期在6 月中旬—7月中旬，該時(shí)段也是降水最強(qiáng)的時(shí)段。梅雨期降水量具有很大的年際變化，降水可以是幾天到幾周的連續(xù)性降雨，也可以是間歇性的，梅雨期降水量幾乎占整個(gè)夏季降水的一半[1]。梅雨是熱帶、副熱帶和中高緯度天氣系統(tǒng)相互作用的產(chǎn)物[2-5]，梅雨期持續(xù)性強(qiáng)降水過程容易造成江淮地區(qū)的洪澇災(zāi)害發(fā)生，對人民的生命財(cái)產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)都將產(chǎn)生巨大影響，因此，研究江淮地區(qū)的強(qiáng)降雨過程并能準(zhǔn)確提前預(yù)報(bào)對于防災(zāi)減災(zāi)具有重要的作用[6-8]。

大氣運(yùn)動極其復(fù)雜，在空間上和時(shí)間上都存在不同尺度的運(yùn)動，陶詩言1980 年的研究[9]就指出多尺度的大氣環(huán)流相互作用對于中國東部降水的發(fā)生十分重要。行星大尺度背景下低頻天氣系統(tǒng)的發(fā)展和移動會造成梅雨鋒上中小尺度對流系統(tǒng)發(fā)展，從而產(chǎn)生強(qiáng)降水[10-12]。許多研究[13-14]發(fā)現(xiàn)江淮地區(qū)洪澇年大氣環(huán)流系統(tǒng)的季節(jié)內(nèi)振蕩的活躍性和傳播特征比干旱年要明顯許多，持續(xù)性強(qiáng)降水過程具有顯著的低頻振蕩特征，強(qiáng)降水通常發(fā)生在低頻振蕩的活躍位相。熱帶地區(qū)季節(jié)內(nèi)低頻振蕩向北傳播、印度洋季風(fēng)區(qū)季節(jié)內(nèi)振蕩向東傳播和西太平洋的季節(jié)內(nèi)振蕩向西傳播對中國長江中下游降水有顯著影響[15-16]。熱帶準(zhǔn)雙周振蕩作為重要的低頻系統(tǒng)之一，受到很大關(guān)注并開展了很多研究，研究表明其動能有時(shí)比30～60 天還要大[17]。對東亞夏季風(fēng)環(huán)流和降水的研究也表明，其存在顯著的準(zhǔn)雙周振蕩，持續(xù)性強(qiáng)降雨過程的準(zhǔn)雙周低頻信號主要來源于西北太平洋和菲律賓上空[18-19]，其它低頻振蕩的貢獻(xiàn)方差比準(zhǔn)雙周要小，但是對江淮地區(qū)的強(qiáng)降水也有一定的影響。還有一些工作研究了和降水有密切關(guān)系的夏季風(fēng)、南海越赤道氣流及副熱帶急流等大尺度天氣系統(tǒng)的多尺度特征[20-22]。

綜上研究表明，梅雨強(qiáng)降水和其相應(yīng)的環(huán)流系統(tǒng)具有復(fù)雜的多尺度特征，以往的研究較多關(guān)注個(gè)例分析或僅關(guān)注低頻尺度，較少研究系統(tǒng)對江淮梅雨期強(qiáng)降水的天氣尺度和低頻尺度擾動的關(guān)系及其相應(yīng)關(guān)鍵環(huán)流系統(tǒng)的波動的起源、結(jié)構(gòu)和演變特征。本文將就這些方面展開對比分析研究，這對于深入了解這些不同時(shí)間尺度的波動如何作用并影響到江淮強(qiáng)降雨有一定意義。

2 資料和方法

文中使用的資料包括：(1) 1979—2017年全國逐日臺站觀測降水資料，取自中國氣象局國家氣象信息中心整理發(fā)布的《中國國家級地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集(V3.0)》。(2) 大氣環(huán)流資料為歐洲中期預(yù)報(bào)中心逐日再分析資料(ERAinterim)，包括500 hPa 位勢高度場、850 hPa 和200 hPa 水平風(fēng)場，對流層1 000～300 hPa 共12 層溫度、濕度和垂直速度，水平空間分辨率為2.5 °×2.5 °。文中氣候平均值取逐日再分析資料計(jì)算得到的1981—2010年平均值。每年的江淮梅雨開始結(jié)束的時(shí)間有所差異，但多集中在6—7月，因此將6—7月作為本文研究時(shí)段。

本文所用方法主要有Morlet 小波方法、Lanzos 帶通濾波、超前-滯后合成分析及顯著性t檢驗(yàn)方法，這些方法在大氣科學(xué)領(lǐng)域得到比較廣泛的應(yīng)用[23-24]。

3 江淮梅雨期降水的多時(shí)間尺度特征

根據(jù)中國氣象局國家氣候中心制定的梅雨監(jiān)測業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，選取標(biāo)準(zhǔn)中江淮及其長江中下游地區(qū)的277個(gè)指標(biāo)站作為梅雨雨量監(jiān)測站，這些臺站涵蓋了江淮梅雨的所有區(qū)域，空間分布較均勻，并且降水資料完整連續(xù)。本文將這些臺站降水資料做算術(shù)平均之后得到江淮區(qū)域1979—2017年逐年6—7 月的逐日降水時(shí)間序列，分別對每年6—7 月的逐日降水序列做小波分析，選取小波系數(shù)實(shí)部的最大值，得到對應(yīng)的逐年最顯著周期，通過0.10顯著性檢驗(yàn)的實(shí)部為正值(圖1中陰影)。

從圖1可看到，近39年有3個(gè)主要的周期比較頻繁出現(xiàn)，分別是1～9 天(天氣尺度)、10～20 天(準(zhǔn)雙周)和21～30 天。天氣尺度1～9 天出現(xiàn)最多，每年都有顯著的天氣尺度周期，準(zhǔn)雙周10～20天次多，39 年中有17 年準(zhǔn)雙周周期通過了0.10 顯著性檢驗(yàn)，11 年存在顯著的21～30 天振蕩周期，30 天以上的低頻周期超過顯著性檢驗(yàn)的年份最少，只有4 年。Yang 等[14]對長江中下游地區(qū)1979—2002 年夏季季節(jié)內(nèi)尺度的降水進(jìn)行功率譜分析，其結(jié)果也表明在15 天準(zhǔn)雙周尺度以及20～30天尺度上有兩個(gè)峰值，且占總低頻降水的57%以上。由此可知天氣尺度、準(zhǔn)雙周以及21～30 天這三個(gè)時(shí)間尺度是江淮降水過程的主要周期。計(jì)算了近39 年6—7 月三個(gè)時(shí)間尺度降水占總降水的方差貢獻(xiàn)，天氣尺度的降水方差貢獻(xiàn)在20%～43%，平均為29.6%，準(zhǔn)雙周降水方差比為10%～40%，平均為15%，21～30 天尺度降水方差比在2%～33%，平均為7%。從以上結(jié)果可看到，天氣尺度降水出現(xiàn)頻率和占降水的方差最多最大，而準(zhǔn)雙周降水次之，21～30 天周期的降水方差貢獻(xiàn)相對最少，但各個(gè)時(shí)間尺度降水的方差貢獻(xiàn)逐年差異較大。

4 江淮地區(qū)不同周期低頻強(qiáng)降雨的特征

利用Lanzos 帶通濾波分別從1979—2017 年6—7 月江淮區(qū)域平均逐年逐日的降水序列中分離出1～9天、10～20天和21～30天這三種時(shí)間尺度的濾波曲線，挑選每一年不同時(shí)間周期濾波曲線標(biāo)準(zhǔn)化距平大于或等于1.5 代表一個(gè)強(qiáng)降水日，峰值日代表強(qiáng)降水過程峰值，這樣分別挑選出天氣波動周期強(qiáng)降水過程152 次、準(zhǔn)雙周強(qiáng)降水過程76次和21～30天周期強(qiáng)降水過程47次，三個(gè)周期平均每年強(qiáng)降水過程分別為3.90次、1.95次和1.21次，三個(gè)周期尺度上平均每年強(qiáng)降水日數(shù)分別為4.97 天、5.13 天和4.62 天，平均每次強(qiáng)降水過程中強(qiáng)降水日數(shù)分別為1.3天、2.6天和3.7天。

圖2給出了近39年平均的6—7月逐日降水量和三個(gè)不同時(shí)間周期的強(qiáng)降水日的統(tǒng)計(jì)分布，天氣尺度(1～9 天)和準(zhǔn)雙周尺度(10～20 天)的強(qiáng)降水日在6月上旬就開始先增多，上中旬天氣尺度(1～9 天)強(qiáng)降水日數(shù)明顯多于21～30 天的日數(shù)，也多于10～20 天的日數(shù)。21～30 天的強(qiáng)降水日在6月中旬后期到7月中旬前期明顯增多，而天氣尺度(1～9天)強(qiáng)降水日較前期卻有所減少，李勇等[25]的研究表明持續(xù)時(shí)間較長的強(qiáng)降雨過程都出現(xiàn)在梅雨期，而多年平均的梅雨期就是6月14日—7月15日，這也是21～30 天強(qiáng)降水日在該時(shí)段明顯增多的原因。進(jìn)入7月上旬后期，天氣尺度和準(zhǔn)雙周尺度的強(qiáng)降水日數(shù)明顯減少，7 月中旬后期開始，21～30天的強(qiáng)降水日數(shù)也明顯減少。上述結(jié)果表明江淮梅雨降水集中期開始前多伴有1～9 天和10～20 天尺度的強(qiáng)降水日數(shù)增多，而梅雨期降水集中期時(shí)，21～30 天時(shí)間尺度天氣背景下的強(qiáng)降水增多，持續(xù)性強(qiáng)降水過程增多，累計(jì)降水量增多。21～30 天低頻尺度的強(qiáng)降水日到7 月中旬后期才明顯減少。

圖2 1979—2017年平均的6—7月江淮地區(qū)日平均降水時(shí)間序列（黑色柱狀,單位：mm/天）和不同時(shí)間尺度強(qiáng)降水日數(shù)（彩色點(diǎn)）的逐日分布

為了比較三個(gè)不同時(shí)間尺度強(qiáng)降水過程產(chǎn)生的環(huán)境場變量，圖3給出了根據(jù)江淮地區(qū)三個(gè)時(shí)間尺度強(qiáng)降水過程合成的超前10天～滯后10天的平均降水量、垂直速度、絕對濕度的分布，以及假相當(dāng)位溫θse的垂直分布?？煽吹诫S著時(shí)間周期尺度的增長，雖然降水強(qiáng)度有所減小，但是降水的持續(xù)時(shí)間增加，低頻尺度的環(huán)境場對持續(xù)性強(qiáng)降水的發(fā)生更加重要。低頻周期10～20 天和21～30 天波動比天氣尺度波動(1～9 天)可以觸發(fā)更長時(shí)間的垂直上升運(yùn)動，得到持續(xù)時(shí)間更長的水汽輸送。從θse的垂直分布隨時(shí)間的演變可以得知，低頻周期的大氣波動提供的暖平流維持時(shí)間更長，厚度更厚，從而有利于持續(xù)性強(qiáng)降水的發(fā)生。從大氣環(huán)境場要素的強(qiáng)度而言，10～20 天和1～9 天的大氣環(huán)境場各項(xiàng)要素強(qiáng)度較相近，而21～30 天的強(qiáng)度明顯減弱，暖平流擾動強(qiáng)度也不如準(zhǔn)雙周和天氣尺度，但其維持時(shí)間最長。

圖3 不同時(shí)間周期尺度強(qiáng)降水過程合成的超前滯后10天平均降水量距平（a～c；單位：mm）和垂直速度（黑色等值線，單位：Pa/s）、絕對濕度（填色，單位：kg/m3）以及假相當(dāng)位溫θse（紅色實(shí)線，單位：K）的垂直分布(e～f)

5 不同周期強(qiáng)降水的環(huán)流特征分析

為了研究江淮地區(qū)不同時(shí)間尺度強(qiáng)降水過程對應(yīng)的環(huán)流特征及其發(fā)展演變特征，利用帶通濾波從原始環(huán)流要素時(shí)間序列分離出1～9 天、10～20 天和21～30 天不同時(shí)間尺度環(huán)流要素場，進(jìn)一步討論不同時(shí)間尺度的環(huán)流演變和江淮強(qiáng)降水過程的關(guān)系。

5.1 對流層高層200 hPa

圖4a 給出了根據(jù)1～9 天尺度強(qiáng)降水峰值日合成的超前10～0 天的200 hPa 風(fēng)場距平和散度場距平，可看到在超前8天左右上游里海地區(qū)開始有異常氣旋性環(huán)流發(fā)展，其下游中亞地區(qū)為一反氣旋環(huán)流；到超前6天，這一波列向下游傳播，中亞的反氣旋環(huán)流傳播進(jìn)入我國新疆地區(qū)；超前4 天時(shí)，隨著波列向下游傳播發(fā)展，新疆的反氣旋環(huán)流進(jìn)入青藏高原上空，其下游的氣旋性環(huán)流移出高原后并得到加強(qiáng)；超前2 天時(shí)，高原上的反氣旋環(huán)流移下高原，經(jīng)過高原的增幅作用，強(qiáng)度明顯加強(qiáng)，其上游的氣旋性環(huán)流也加強(qiáng)并進(jìn)入我國新疆和高原地區(qū)，其下游異常的氣旋性環(huán)流控制了我國南方地區(qū)，伴隨著高空異常的輻合，對應(yīng)了梅雨降水偏少(圖3a)；到超前1 天時(shí)，高原東部的反氣旋環(huán)流加強(qiáng)東移，中心位于江漢地區(qū)，江淮也處于反氣旋環(huán)流控制中，高空輻散開始加強(qiáng)，降水開始發(fā)生；超前0天時(shí)反氣旋環(huán)流中心東移至江淮地區(qū)上空，而其西側(cè)上游的氣旋性環(huán)流移出高原后強(qiáng)度也得到加強(qiáng)，異常的高空輻合在高原東部及江漢地區(qū)，這種高空輻合輻散的配置，有利于江淮地區(qū)對流的加強(qiáng)，對應(yīng)了強(qiáng)降水的峰值。以上分析可看到，在對流層上層1～9 天天氣尺度強(qiáng)降水的發(fā)生與上游來自里海向下游傳播并經(jīng)青藏高原加強(qiáng)的Rossby波的傳播有著密切關(guān)系。

從10～20 天濾波后的200 hPa 風(fēng)場距平可看到(圖4b)，在提前10～5天時(shí)，40～50 °N 中亞上空的氣旋性環(huán)流逐步發(fā)展，但位置相對穩(wěn)定，其東側(cè)下游內(nèi)蒙古中部上空的反氣旋性環(huán)流也隨著加強(qiáng)。提前6 天時(shí)，我國東北部氣旋性環(huán)流開始發(fā)展，內(nèi)蒙古反氣旋逐步南壓。提前4 天時(shí)，中亞氣旋環(huán)流已經(jīng)明顯減弱(其北部開始有反氣旋環(huán)流發(fā)展)，我國東北上空氣旋性環(huán)流增強(qiáng)，輻合范圍向西向南伸展，內(nèi)蒙古反氣旋環(huán)流中心也南移至西北地區(qū)東部；到超前2 天時(shí)，中亞及其以北地區(qū)已轉(zhuǎn)變?yōu)辇嫶蟮姆礆庑h(huán)流控制，其東側(cè)的東北地區(qū)上空的氣旋性環(huán)流發(fā)展并西伸，控制了我國整個(gè)北方地區(qū)。歐亞中高緯環(huán)流維持大尺度的一波結(jié)構(gòu)，環(huán)流型較穩(wěn)定維持，強(qiáng)度不斷加強(qiáng)。西北地區(qū)東部的反氣旋環(huán)流已經(jīng)東移南壓到江淮地區(qū)上空，對應(yīng)了高層的輻散異常，江淮地區(qū)強(qiáng)降水開始(圖3b)。到強(qiáng)降水峰值時(shí)，江淮上空的反氣旋環(huán)流強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，位于江淮地區(qū)上空且維持至降水峰值過后2天。同時(shí)值得注意的是，江淮上空反氣旋的發(fā)展，也伴隨了南海-西太平洋地區(qū)準(zhǔn)雙周振蕩波列的西北向傳播。超前2天時(shí)，菲律賓以東的氣旋性環(huán)流已經(jīng)加強(qiáng)控制南海，超前0天環(huán)流中心進(jìn)入南海，強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)，對其北側(cè)的江淮反氣旋性環(huán)流也起到了加強(qiáng)作用。綜上分析表明，與1～9 天周期強(qiáng)降水的環(huán)流系統(tǒng)不同，江淮地區(qū)10～20 天強(qiáng)降水的發(fā)生在200 hPa 上與中高緯和南海-西太平洋地區(qū)的低頻環(huán)流的發(fā)展和移動都有關(guān)系。中亞和東北地區(qū)環(huán)流系統(tǒng)發(fā)展導(dǎo)致內(nèi)蒙古低頻反氣旋環(huán)流發(fā)展后并南壓東移，南海-西太平洋準(zhǔn)雙周振蕩西北向的傳播，導(dǎo)致反氣旋性環(huán)流長時(shí)間維持在江淮地區(qū)。這一過程中伴隨了中亞地區(qū)低頻氣旋性環(huán)流向反氣旋性環(huán)流的演變，對江淮低頻反氣旋的南壓東移發(fā)展過程也可能起到了一定作用，而且其環(huán)流轉(zhuǎn)變具有4～5 天的超前性，對于江淮強(qiáng)降雨過程預(yù)報(bào)具有一定的指示意義。準(zhǔn)雙周尺度強(qiáng)降水的低頻環(huán)流相對天氣周期的環(huán)流系統(tǒng)，其傳播速度要緩慢很多，空間尺度也更大，在江淮地區(qū)維持的時(shí)間更長，因此造成的強(qiáng)降水持續(xù)時(shí)間也較長，可達(dá)4～5天。

21～30 天濾波后的200 hPa 風(fēng)場(圖4c)與10～20 天周期不同，從超前8 天到超前0 天，中緯度沒有明顯的低頻系統(tǒng)向江淮上空移動，但江淮地區(qū)上空經(jīng)歷了氣旋性環(huán)流減弱到反氣旋性環(huán)流增強(qiáng)的過程。江淮地區(qū)北側(cè)，即貝加爾湖及其以東地區(qū)氣旋環(huán)流和南海-西太平洋氣旋環(huán)流的發(fā)展對江淮反氣旋環(huán)流的增強(qiáng)也起到了重要作用?？煽吹皆诔?天時(shí)，江淮至江南地區(qū)為顯著的氣旋式環(huán)流控制，北方貝加爾湖地區(qū)存在反氣旋式環(huán)流，之后到超前6 天，江淮上空的氣旋性環(huán)流已看不出，北方的氣旋性環(huán)流加強(qiáng)，渤海地區(qū)上空的輻散加強(qiáng)；到超前4天，隨著北方的氣旋性環(huán)流加強(qiáng)，南側(cè)西風(fēng)加強(qiáng)，同時(shí)南海-西太平洋地區(qū)也有氣旋性環(huán)流發(fā)展，其北側(cè)東南風(fēng)加強(qiáng)，致使我國東部大部地區(qū)受反氣旋性環(huán)流控制，之后到超前0天該反氣旋性環(huán)流進(jìn)一步增強(qiáng)，位置變化小，維持時(shí)間長，高空輻散逐步加強(qiáng)，輻散中心位于江淮地區(qū)上空。

5.2 對流層中層500 hPa

進(jìn)一步分析對流層中層環(huán)流的配置。圖5a是1～9 天尺度的強(qiáng)降水過程對應(yīng)的500 hPa 相對渦度和高度場的演變。對1～9 天尺度強(qiáng)降水而言，可看到在超前8天，西西伯利亞和里海就有正的渦度異常向東向南傳播，到超前4 天，正渦度進(jìn)入我國新疆，之后超前2 天時(shí)，該正渦度中心和北方貝加爾湖南擴(kuò)的正渦度異常在青藏高原東部匯合加強(qiáng)。到超前0天強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，正渦度東移控制了華北、江淮地區(qū)，中心位于江淮上空，東部海域的負(fù)渦度最強(qiáng)，江淮地區(qū)處于西風(fēng)槽前，東部海域反氣旋性環(huán)流最強(qiáng)，有利于強(qiáng)降水發(fā)生。

圖4 不同時(shí)間尺度強(qiáng)降水過程對應(yīng)的超前10天～0天濾波的200 hPa風(fēng)場距平（單位：m/s，紅色矢量：通過0.10顯著性檢驗(yàn)）和散度距平（陰影，單位：10-6s-1）

圖5b 是10～20 天尺度強(qiáng)降水對應(yīng)的500 hPa渦度場演變，可看到從超前10天開始，東北亞中緯度地區(qū)存在西傳南壓的低頻波列。超前10 天，東北和日本海為負(fù)渦度，日本海以東為正渦度，之后這一波列向西傳播，然后向南移動；到超前6天，負(fù)渦度已經(jīng)控制了我國華北和江淮地區(qū)，后部的正渦度移到了我國東北上空，中亞的負(fù)渦度開始增強(qiáng)；到超前4天正渦度區(qū)已經(jīng)加強(qiáng)并控制了我國東北和日本海上空，此時(shí)，江淮地區(qū)仍受波列前面減弱的負(fù)渦度控制，江淮處于降水偏少期(圖3b)。同時(shí)，從超前6 天開始，菲律賓以西的西太平洋有負(fù)渦度發(fā)展并向西北方向移動，提前2天時(shí)和中高緯西南向傳播的負(fù)渦度合并，西太副高強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，強(qiáng)度明顯強(qiáng)于1～9天時(shí)間尺度，已經(jīng)控制了南海北部，江淮降水開始轉(zhuǎn)入偏多；到超前0 天時(shí)，北方正渦度進(jìn)一步發(fā)展南壓，中心位于江淮地區(qū)北側(cè)，同時(shí)南海的負(fù)渦度加強(qiáng)也進(jìn)一步促進(jìn)了北側(cè)正渦度的增強(qiáng)，對應(yīng)江淮地區(qū)將降水處于峰值。可看出在500 hPa 上，江淮10～20 天強(qiáng)降水的發(fā)生伴隨了中緯度東北亞低頻波的先西傳再向南傳和熱帶準(zhǔn)雙周振蕩的西北傳播，中亞地區(qū)的負(fù)渦度增強(qiáng)東傳也加強(qiáng)了東北亞正渦度的增強(qiáng)，上述系統(tǒng)共同作用，加強(qiáng)了江淮地區(qū)正渦度的發(fā)展，熱帶準(zhǔn)雙周振蕩的西北傳播與西太平洋副熱帶高壓明顯的加強(qiáng)西伸相一致。

對于21～30 天周期強(qiáng)降水而言(圖5c)，超前10～0天烏拉爾山一帶強(qiáng)的負(fù)渦度異常緩慢減弱，我國長江以北大部地區(qū)也為弱負(fù)渦度。同時(shí)貝加爾湖以東地區(qū)有正渦度發(fā)展，并向南擴(kuò)散。受其影響，到超前3天江淮地區(qū)也由之前的負(fù)渦度轉(zhuǎn)為正渦度。同時(shí)，在低緯度的西太平洋地區(qū)從超前8天就可以看到有負(fù)渦度異常從菲律賓以西地區(qū)發(fā)展西傳，到超前4 天負(fù)渦度中心進(jìn)入南海，之后到超前0 天，負(fù)渦度持續(xù)增強(qiáng)，并穩(wěn)定控制南海和西太平洋地區(qū)，增強(qiáng)西傳的負(fù)渦度代表了西太副高的西伸加強(qiáng)，脊線位置穩(wěn)定維持在有利于江淮地區(qū)降水的位置，造成其北側(cè)江淮地區(qū)正渦度的發(fā)展。強(qiáng)降水的發(fā)生也伴隨了西太平洋副熱帶高壓的加強(qiáng)西伸。

圖5 不同時(shí)間尺度強(qiáng)降水過程對應(yīng)的超前10天～0天濾波的500 hPa的相對渦度（黑色等值線，單位：單位：10-6 s-1；藍(lán)色線為通過0.10顯著性檢驗(yàn)）和位勢高度距平（陰影，單位：dagpm；紅色線條是500 hPa高度≥572 dgpa）

5.3 對流層低層850 hPa

水汽輸送很大程度上主要是由熱帶和副熱帶西南風(fēng)提供的，中緯度西風(fēng)的貢獻(xiàn)很小，梅雨期我國中東部的水汽來源主要是來自孟加拉灣、南海和西太平洋[26]。對流層中低層的環(huán)流系統(tǒng)直接為強(qiáng)降水的發(fā)生提供水汽和動力條件，需要進(jìn)一步對比分析三種時(shí)間尺度強(qiáng)降水對應(yīng)的低層環(huán)流系統(tǒng)演變的差異。

從1～9 天強(qiáng)降水對應(yīng)的850 hPa 風(fēng)場和水汽通量演變可看到(圖6a)，提前4 天左右時(shí)，對流層高層(200 hPa)反氣旋性環(huán)流位于高原時(shí)，850 hPa風(fēng)場上在高原東側(cè)四川盆地一帶出現(xiàn)反氣旋性環(huán)流異常，后隨著高層反氣旋系統(tǒng)一起東移并顯著加強(qiáng)，超前2 天時(shí)控制江淮地區(qū)，其后部氣旋性環(huán)流異常開始加強(qiáng)也逐步東移，超前0天氣旋性環(huán)流達(dá)到最強(qiáng)，這與梅雨期沿著季風(fēng)槽經(jīng)?？梢杂^測到低渦不斷從青藏高原東側(cè)向東移動的研究結(jié)果比較一致。反氣旋環(huán)流南側(cè)偏南氣流增強(qiáng)了來自南海地區(qū)的水汽向江淮地區(qū)的輸送，從水汽通量的正值可看到，提前2天時(shí)，來自阿拉伯-孟加拉灣一帶的水汽顯著增強(qiáng)，這是這個(gè)時(shí)間尺度上江淮梅雨強(qiáng)降水的主要水汽來源。

10～20 天濾波的850 hPa(圖6b)風(fēng)場顯示，超前10～8 天在南海至菲律賓一帶為氣旋性環(huán)流異常，東側(cè)140 °E附近伴隨反氣旋性環(huán)流發(fā)展，這一波列對應(yīng)的氣旋性環(huán)流和反氣旋性環(huán)流向西北方向移動?？拷箨憰r(shí)，前面的氣旋性環(huán)流減弱，后面的反氣旋性環(huán)流加強(qiáng)，到超前2天時(shí)前面的氣旋性環(huán)流已消失，后部的反氣旋性環(huán)流加強(qiáng)發(fā)展，控制了東南部海域，中心位于臺灣島以東洋面，我國南方受環(huán)流西北側(cè)異常的西南風(fēng)控制，江淮地區(qū)已處于水汽通量輻合區(qū)，強(qiáng)降水開始發(fā)展。到超前2 天時(shí)，低層反氣旋性環(huán)流基本維持少動，隨著高層200 hPa 反氣旋環(huán)流位于江淮-江南一帶，850 hPa風(fēng)場上氣旋性環(huán)流增強(qiáng)，同時(shí)水汽輻合達(dá)到最強(qiáng)，強(qiáng)降水達(dá)到峰值。從850 hPa的水汽通量可看到，西太平洋的水汽通量正異常在提前8 天前最強(qiáng)，之后來自印度洋-孟加拉灣南部-南海的水汽通量緯向傳輸增強(qiáng)，表明強(qiáng)降水前熱帶季風(fēng)的水汽輸送至南海匯集，降水發(fā)生時(shí)隨著副高西伸至南海，其西側(cè)西南氣流將南海的水汽輸送至江淮地區(qū)。

圖6c 中21～30 天的濾波風(fēng)場表明，菲律賓以東西太平洋上的反氣旋性環(huán)流提前8 天時(shí)開始緩慢向西移動并增強(qiáng)，同時(shí)來自印度洋的熱帶水汽通量也減弱。超前4 天時(shí)反氣旋性環(huán)流西北側(cè)西南風(fēng)距平就開始影響我國江淮地區(qū)，之后反氣旋環(huán)流穩(wěn)定維持，中心位于臺灣東南側(cè)，其西北側(cè)的異常西南風(fēng)持續(xù)影響江淮地區(qū)。隨著西太副高的西伸，熱帶低緯度地區(qū)的東風(fēng)異常增強(qiáng)，熱帶季風(fēng)減弱，阿拉伯海-孟灣北部-南海北部為水汽通量正值區(qū)，江淮地區(qū)處于明顯的水汽輻合區(qū)，同時(shí)伴隨了高層輻散的增強(qiáng)；到超前0 天低層輻合，高層輻散達(dá)到最強(qiáng)，強(qiáng)降水達(dá)到峰值。

圖6 不同時(shí)間尺度強(qiáng)降水過程對應(yīng)的超前10天～0天濾波的850 hP風(fēng)場（單位：m/s；藍(lán)色矢量為通過0.10顯著性檢驗(yàn)）和水汽通量（陰影，單位：g/(m·hPa·s)，紅色實(shí)線為通過0.10顯著性檢驗(yàn)）

6 結(jié) 論

本文分析了江淮梅雨期間不同時(shí)間尺度強(qiáng)降雨過程的特征，分析了不同時(shí)間尺度強(qiáng)降水過程對應(yīng)的環(huán)流系統(tǒng)的演變和關(guān)鍵物理過程，主要結(jié)論如下。

(1) 江淮梅汛期降水存在多時(shí)間尺度的特征。江淮梅雨降水集中期開始前多伴有1～9 天和10～20 天尺度的強(qiáng)降水日數(shù)增多，而梅雨降水集中期，21～30天時(shí)間尺度的強(qiáng)降水增多，表明持續(xù)性強(qiáng)降水過程增多。

(2) 隨著降水時(shí)間尺度的增長，降水的強(qiáng)度有所減弱，但降水的持續(xù)性增加。低頻周期波動(10～20 天和21～30 天)比天氣周期波動(1～9 天)可以提供更長時(shí)間、更厚的暖平流輸送，觸發(fā)更長時(shí)間的垂直上升運(yùn)動和持續(xù)的水汽輸送，有利于持續(xù)性降水的發(fā)生。當(dāng)不同尺度疊加時(shí)，有利于降水強(qiáng)度的增幅。

(3) 不同時(shí)間尺度環(huán)流系統(tǒng)的傳播特征表明，在對流層中高層，江淮地區(qū)1～9 天周期尺度強(qiáng)降水的發(fā)生伴隨了自中亞經(jīng)青藏高原向下游傳播并不斷發(fā)展加強(qiáng)的Rossby 波能量傳播，青藏高原對正渦度的增強(qiáng)起到了增幅作用，傳播至江淮地區(qū)上空導(dǎo)致強(qiáng)烈的輻散，底層輻合上升造成強(qiáng)降水的發(fā)生；10～20 天強(qiáng)降水的發(fā)生伴隨了中緯度西北太平洋低頻波的先西傳再東南傳和熱帶準(zhǔn)雙周振蕩的西北傳播，二者共同造成了江淮地區(qū)正渦度的發(fā)展增強(qiáng)，并最終較長時(shí)間維持在江淮地區(qū)是其強(qiáng)降水發(fā)生的主要影響系統(tǒng)；21～30 天周期強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)江淮地區(qū)上空反氣旋性環(huán)流增強(qiáng)的過程與其北南兩側(cè)，即貝加爾湖及其以東地區(qū)氣旋性環(huán)流和南海-西太平洋氣旋性環(huán)流的發(fā)展移動有密切的聯(lián)系。

(4) 對流層低層850 hPa上不同時(shí)間尺度環(huán)流系統(tǒng)和水汽輸送的演變表明，1～9 天周期尺度強(qiáng)降水的發(fā)生伴隨著天氣尺度渦旋移下高原后迅速增強(qiáng)東移，氣旋南側(cè)西南氣流增強(qiáng)了來自阿拉伯海-孟加拉灣的水汽向江淮地區(qū)的輸送。10～20天強(qiáng)降水的水汽輸送主要來自南海，與南海-西太平洋準(zhǔn)雙周振蕩的西北向傳播有密切關(guān)系，伴隨了西太平洋副高的加強(qiáng)西伸。20～30天強(qiáng)降水伴隨了西北太平洋更大尺度更緩慢移動的低頻波的傳播，水汽來自印度洋北部、孟灣北部和南海北部。