江西省夏季降水年際變化的機(jī)理研究

汪甫 郭建茂 葉曉歆 胡康 林嘉寶 趙奕

(1 南京信息工程大學(xué)，南京 210044；2 南昌市氣象局，南昌 330000；3 江西省氣象服務(wù)中心，南昌 330000)

引 言

江西省位于中國(guó)東南部、長(zhǎng)江中下游南部地區(qū)，屬于亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)區(qū)。夏季主要受偏南季風(fēng)控制，偏南季風(fēng)將阿拉伯海、南海和西太平洋地區(qū)的暖濕空氣帶至東亞內(nèi)陸，引發(fā)降水[1-2]。當(dāng)夏季風(fēng)的強(qiáng)度偏強(qiáng)時(shí)，偏南季風(fēng)所攜帶的水汽量增加，江西省夏季平均降水量便會(huì)偏多，從而引發(fā)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害，反之亦然。1998年長(zhǎng)江流域發(fā)生歷史罕見的大洪水，江西省是受災(zāi)最為嚴(yán)重的地區(qū)之一；2020年江西省又遭遇了1950年以來歷史上最多的降水，其導(dǎo)致的洪澇災(zāi)害使得江西省近700萬(wàn)人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)202.2億元。深入認(rèn)識(shí)江西省夏季降水的變化特征及其內(nèi)在變化規(guī)律，可為夏季降水災(zāi)害防控提供理論支撐。

夏季，江西省所屬的季風(fēng)區(qū)主要受東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)控制。本質(zhì)上，東亞夏季風(fēng)為副熱帶季風(fēng)，其系統(tǒng)內(nèi)的主要成員包括南?！魈窖蠹撅L(fēng)槽，熱帶輻合帶、西太平洋副熱帶高壓、澳大利亞冷高壓、高低空空越赤道氣流以及高空東風(fēng)急流等[3-4]。因此，不同于屬于熱帶季風(fēng)系統(tǒng)的南亞季風(fēng)，東亞夏季風(fēng)的變率不僅受熱帶地區(qū)的系統(tǒng)過程影響，還會(huì)受到中緯度地區(qū)的系統(tǒng)過程影響[5-6]。當(dāng)中緯度系統(tǒng)和熱帶系統(tǒng)的活動(dòng)都偏強(qiáng)時(shí)，受中緯度系統(tǒng)影響南下的干冷空氣與受熱帶系統(tǒng)影響北進(jìn)的暖濕空氣在江南地區(qū)交餒，引起夏季降水增加。此外，除了受到大氣內(nèi)部變率的影響，東亞夏季風(fēng)還會(huì)受到許多外強(qiáng)迫的影響：如熱帶海表面溫度(Sea Surface Temperature， SST)、高緯地區(qū)的雪蓋、青藏高原的熱力情況以及局地的土壤濕度等[7-9]。在眾多的影響因子中，厄爾尼諾—南方濤動(dòng)(El Nio Southern Oscillation，ENSO)被普遍認(rèn)為是外強(qiáng)迫中最重要的因子之一[10]。研究表明，當(dāng)El Nio處于消亡階段時(shí)，東亞夏季風(fēng)的強(qiáng)度往往會(huì)偏強(qiáng)。

前人主要將東亞夏季風(fēng)作為整體來研究[11]，較少關(guān)注東亞夏季風(fēng)子區(qū)域內(nèi)降水的變異原因。而不同于形勢(shì)場(chǎng)的變化有非常大的局地差異性和空間分布不均勻性；此外，不同外強(qiáng)迫因子影響東亞夏季風(fēng)降水的空間差異非常大，且影響區(qū)域會(huì)隨著季節(jié)發(fā)生變化。因此，盡管東亞夏季風(fēng)子區(qū)域內(nèi)的降水變率和整個(gè)東亞夏季風(fēng)區(qū)的降水變率相似，但仍存在差異。本文將從降水場(chǎng)出發(fā)，研究影響江西省夏季降水年際變化的主要原因。

1 資料與方法

使用的降水資料來自中國(guó)氣象局的全國(guó)160個(gè)氣象臺(tái)站的逐月降水資料，其中6個(gè)站點(diǎn)位于江西省(圖1)，且6個(gè)臺(tái)站分布較均勻；此外，使用了英國(guó)東英格利亞大學(xué)氣候研究所(Climatic Research Unit, CRU)提供的V4.04版本的降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。首先，對(duì)江西省夏季降水進(jìn)行了EOF分析，其中EOF1為全省一致型的空間模態(tài)，其解釋方差為70.4%，因此這6個(gè)站點(diǎn)的降水能夠代表江西省夏季降水變化；其次，基于臺(tái)站數(shù)據(jù)和CRU格點(diǎn)資料得到的江西省夏季降水的時(shí)間序列在1979—2018年的相關(guān)系數(shù)為0.92，通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。盡管反映江西省夏季降水的氣象臺(tái)站數(shù)據(jù)較少，但仍能較好地反映江西夏季降水的年際變率。

再分析數(shù)據(jù)為來自日本氣象局的逐月平均的JRA-55數(shù)據(jù)集[12]，海溫?cái)?shù)據(jù)為來自英國(guó)哈德萊中心的HadISST海溫?cái)?shù)據(jù)集[13]，向外長(zhǎng)波輻射(Outward Longwave Radiation，OLR)資料來自美國(guó)國(guó)家海洋大氣中心，用以近似代表降水活動(dòng)[14]。研究時(shí)段為1979—2018年，其中夏季取6—8月。

圖1 江西省地面氣象臺(tái)站分布(紅點(diǎn))Fig.1 Distribution of meteorological stations inJiangxi Province (red spots)

為了刻畫大氣Rossby波的傳播特征，本文使用Takaya, et al[15]提出的波活動(dòng)通量來診斷Rossby的能量頻散傳播：

(1)

其中:ψ、R、f0、N、T、p0分別代表干空氣比氣體常數(shù)、45°N的科里奧利參數(shù)，浮力頻率以及標(biāo)準(zhǔn)化后的氣壓值(氣壓除以1 000 hPa)；V=(u,v)是緯向風(fēng)和經(jīng)向風(fēng)；腳標(biāo)x和y分別代表緯向和經(jīng)向的偏導(dǎo)數(shù)。橫線和撇號(hào)分別代表氣候態(tài)和異常值。在WKB近似假定下，Takaya-Nakamura(TN)通量不依賴于行星波的空間位相，其方向與行星波局地的群速度方向一致。由于該通量可以適用于緯向和經(jīng)向上不均勻的基本流場(chǎng)，因此非常適合描述在夏季蜿蜒背景流上傳播的行星波活動(dòng)。

本文主要采用線性回歸的方法研究與江西夏季降水年際變化有關(guān)的物理過程，并使用t檢驗(yàn)來檢測(cè)統(tǒng)計(jì)信度。

2 影響江西夏季降水年際變化的熱帶外因子

圖2給出了1979—2018年江西省夏季降水量的時(shí)間演變。可以看出，江西省夏季降水呈明顯的年際變化，如1999年的夏季降水量接近900 mm，1981年的夏季降水量約為300 mm，前者的降水量接近為后者的三倍。夏季降水年代際變化上，1980s降水偏少，1990s降水偏多，2000年后降水偏少，近年來的夏季降水又有增多的趨勢(shì)。本文將重點(diǎn)分析江西夏季降水的年際變化。

圖2 1979—2018年江西省夏季降水量的時(shí)間序列(單位：mm)Fig.2 Time series of summer rainfall in Jiangxi from1979 to 2018 (unit: mm)

圖3 江西省夏季降水回歸的200 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(填色，單位：gpm)和波作用通量場(chǎng)(矢量，其中淺灰點(diǎn)和深灰點(diǎn)分別表示位勢(shì)高度場(chǎng)t檢驗(yàn)通過了α=0.05 和α=0.01的顯著性水平)Fig.3 Regressed geopotential height (shading; unit: gpm) and wave activity flux (vector) with respect to the summer rainfall in Jiangxi (Light and dark spots indicate statistical significance for geopotential height at the 95% and 99% confidence levels， respectively)

為了表明熱帶外因子對(duì)江西省夏季降水年際變率中的作用，圖3為降水回歸的200 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)空間分布。在做回歸前，先將降水序列進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化處理，因此回歸值代表當(dāng)降水量偏多一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差時(shí)所對(duì)應(yīng)的位勢(shì)高度場(chǎng)異常?？梢钥闯?，當(dāng)江西省降水偏多時(shí)，在歐亞大陸存在一支在中高緯度傳播的波列[16-17]，且波列的中心分別位于歐洲東部、巴倫支海和貝加爾湖附近。這一位勢(shì)高度異常的空間結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)著先北傳再南傳的波活動(dòng)通量，證明這支波列為在大圓路徑上傳播的準(zhǔn)靜止Rossby波[18]。

圖4 同圖3，但為850 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)Fig.4 Same as in Fig. 3， but for 850 hPa geopotential height

圖4為降水回歸的850 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)空間分布圖。與高層結(jié)構(gòu)類似，在對(duì)流層低層的巴倫支海和貝加爾湖附近也存在著負(fù)位勢(shì)高度場(chǎng)和正位勢(shì)高度場(chǎng)異常中心，說明這支波列在對(duì)流層內(nèi)的垂直結(jié)構(gòu)主要為正壓的。此外，高層位勢(shì)高度場(chǎng)中心相較于低層位勢(shì)高度場(chǎng)中心偏西，可見這支波列隨著高度略微西傾的斜壓結(jié)構(gòu)。根據(jù)Eady模型，這種結(jié)構(gòu)表明溫度場(chǎng)略微滯后于高度場(chǎng)，有利于平均有效位能向擾動(dòng)有效位能的轉(zhuǎn)換，從而為波列的維持提供能量來源。相比于對(duì)流層上層的位勢(shì)高度場(chǎng)異常，對(duì)流層低層的位勢(shì)高度場(chǎng)和波作用通量的強(qiáng)度較弱。推測(cè)可能由于Rossby主要在對(duì)流層上層傳播，因此相應(yīng)的波振幅和波作用量通量強(qiáng)度在對(duì)流層上層強(qiáng)度較強(qiáng)；相應(yīng)的，Rossby波在對(duì)流層低層的振幅較小，且由于邊界層摩擦和地形耗散作用，使得Rossby波在對(duì)流層低層波作用量振幅較小。

可見，在對(duì)流層上層，當(dāng)從歐洲往東頻散的波動(dòng)能量傳播至貝加爾湖附近時(shí)，可在貝加爾湖地區(qū)形成異常的反氣旋高壓中心。從位渦的角度來看，對(duì)流層高層的異常反氣旋為負(fù)位渦異常，該位渦異?？梢酝ㄟ^影響整層氣柱的溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，在近地面也建立起異常反氣旋性高壓環(huán)流[19]。反氣旋高壓中心東側(cè)的偏北風(fēng)能有利于干冷空氣向南入侵，利于江南地區(qū)鋒生，從而造成江西境內(nèi)降水增加。

3 影響江西夏季降水年際變化的熱帶海溫的作用

圖4表明除了在中高緯度傳播的波列，菲律賓附近存在一個(gè)在對(duì)流層低層維持的反氣旋中心。這個(gè)異常反氣旋性環(huán)流表明西太平洋副熱帶高壓西伸增強(qiáng)，利于水汽輸送至中國(guó)東南部地區(qū)，為江西降水增多提供了有利的背景水汽條件(圖5)。

圖5 江西省夏季降水回歸的1 000～500 hPa垂直積分的水汽通量(矢量，單位：kg·m-2·s-1)和水汽含量(填色；單位：kg·m-3，淺色和深色分別表示水汽含量通過了α=0.05 和α=0.01的顯著性檢驗(yàn)Fig.5 Regressed vertically-integrated water vapor flux (vector; unit: kg·m-2·s-1) and moisture content (shading; unit: kg·m-3) from 1 000 hPa to 500 hPa with respect to the summer rainfall in Jiangxi(Light and dark shadings indicate statistical significance for geopotential height at the 95% and 99% confidence levels， respectively)

由于西太平洋副高的變率和熱帶內(nèi)系統(tǒng)存在著緊密的聯(lián)系，進(jìn)一步研究影響江西夏季降水的熱帶信號(hào)。圖6給出了降水回歸的OLR場(chǎng)，可以看出，當(dāng)江西夏季降水偏多時(shí)，東亞地區(qū)存在一條帶狀的西南—東北走向的降水異常正值區(qū)，表明夏季梅雨期雨量增加。此外，在菲律賓地區(qū)還存在OLR正異常中心，表明該地區(qū)降水偏少。西北太平洋和梅雨降水反位相的空間結(jié)構(gòu)表明東亞—太平洋型遙相關(guān)(East-Asian Pacific，EAP)[20，21]，也稱為太平洋—日本型遙相關(guān)(Pacific-Japan，PJ)[22]異?；顒?dòng)：當(dāng)菲律賓地區(qū)的對(duì)流活動(dòng)發(fā)生異常時(shí)，能在大氣對(duì)流層中層引起潛熱釋放的異常，異常的潛熱能在局地形成Rossby波源，并激發(fā)向北傳播的EAP/PJ波列，形成圖6所示的南負(fù)北正的“蹺蹺板”型空間結(jié)構(gòu)的降水異常結(jié)構(gòu)。

圖6 同圖3，但為OLR場(chǎng)(單位：W·m-2)Fig.6 Same as in Fig. 3， but for OLR field (unit：W·m-2)

關(guān)于引起了EAP/PJ波列異?；顒?dòng)原因。圖7給出了江西夏季降水回歸的SST季節(jié)演變?？梢钥闯觯?dāng)江西降水偏多時(shí)，前期冬季在中東太平洋地區(qū)存在顯著的暖海溫(圖7a)，即El Nio事件的發(fā)生。前冬中東太平洋的暖海溫能一直持續(xù)至春季(圖7b)，并在夏季逐漸減弱(圖7c)。盡管中東太平洋暖海溫的異常強(qiáng)度在夏季已經(jīng)較弱，無法通過引起大氣環(huán)流的異常造成EAP/PJ波列的異?；顒?dòng)。但中東太平洋在前冬的暖海溫異常能通過大氣橋使得印度洋在夏季形成暖海溫異常[23]。為進(jìn)一步探究印度洋對(duì)大氣環(huán)流的作用，圖8給出了印度洋海溫回歸的850 hPa流函數(shù)場(chǎng)。當(dāng)印度洋海溫偏暖時(shí)，在西北太平洋地區(qū)的對(duì)流層低層存在異常的反氣旋性環(huán)流，這意味著副高西伸增強(qiáng)，從而有利于水汽向江西地區(qū)的輸送。XIE，et al[23]研究表明，印度洋海溫的正異常海溫能通過局地的濕對(duì)流調(diào)整過程，激發(fā)向東傳播的Kelvin波。當(dāng)Kelvin波傳播至海洋大陸地區(qū)時(shí)，其能通過大氣邊界層的Ekman抽吸和局地的對(duì)流—環(huán)流反饋過程，在西北太平洋地區(qū)的對(duì)流層低層形成異常的反氣旋環(huán)流，從而進(jìn)而激發(fā)向北傳播的EAP/PJ波列。因此。盡管前期冬季的El Nio事件在夏季時(shí)已逐漸消亡，但通過印度洋的“電容器”機(jī)制[23]，仍能在西太平洋地區(qū)激發(fā)出異常的EAP/PJ波列，造成西北太平洋副高的西伸增強(qiáng)，使江西夏季降水增多。

圖7 江西夏季降水回歸的海溫(單位：℃)在前冬(a)、前春(b)和同期夏季(c)分布 (其中淺灰點(diǎn)和深灰點(diǎn)分別表示海溫場(chǎng)通過α=0.05 和α=0.01顯著性檢驗(yàn))Fig.7 Regressed SST field (unit: ℃) with respect to summer rainfall in Jiangxi during preceding winter (a)， preceding spring(b)， and simultaneous summer (c) (Light and dark spots indicate statistical significance for geopotential height at the 95% and 99% confidence levels， respectively)

圖8 夏季印度洋海溫回歸的850 hPa流函數(shù)場(chǎng)(填色，單位：106 m2·s-1；淺灰點(diǎn)和深灰點(diǎn)分別表示位勢(shì)高度場(chǎng)t檢驗(yàn)通過了α=0.05和α=0.01的顯著性水平；印度洋海溫的選取區(qū)域?yàn)?0°～20°N，45°～105°E))Fig.8 Regressed 850 hPa stream fuction with respect to the summer SST over Indian Ocean over (0°-20°N, 45°-105°E)(shading; unit: 106 m2·s-1； Light and dark spots indicate statistical significance for streamfuction at the 95% and 99% confidence levels， respectively， according to a two-tailed Student’s t test)

4 結(jié)論

利用觀測(cè)資料和大氣再分析資料，本文分析了影響江西省夏季降水變率的物理機(jī)制。結(jié)果表明當(dāng)江西省夏季降水偏多時(shí)，歐亞大陸地區(qū)存在“正—負(fù)—正”的準(zhǔn)正壓Rossby波列結(jié)構(gòu)，位于貝加爾湖的正活動(dòng)中心能引導(dǎo)干冷空氣南下，從而有利于江南地區(qū)的鋒生和江西降水的增加。當(dāng)江西省夏季降水偏多時(shí)，前期冬季中東太平洋地區(qū)有El Nio事件的活動(dòng)，并通過大氣橋在夏季印度洋地區(qū)形成正海溫異常。通過“印度洋電容器”機(jī)制，印度洋的暖海溫能激發(fā)向東傳播的Kelvin波，引起菲律賓地區(qū)降水的減少。菲律賓地區(qū)抑制的降水能激發(fā)向北傳播的EAP/PJ波列，使西太平洋副熱帶高壓西伸增強(qiáng)，從而有利于水汽向江南地區(qū)的輸送，并造成江西夏季的降水增加。總體而言，中緯度地區(qū)的準(zhǔn)靜止波列和熱帶關(guān)鍵海區(qū)的海溫異常是造成江西夏季降水異常的主要原因。

降水變率存在明顯的空間分布不均勻性，整個(gè)東亞夏季風(fēng)區(qū)降水變率原因并不一定是江西省降水變率的原因。相比于主要關(guān)注整個(gè)夏季風(fēng)區(qū)或較大空間區(qū)域內(nèi)的夏季降水異常，本文探討了空間范圍較小的江西省夏季降水異常，并明確提出了其變化的物理模型。

本文只分析了江西夏季降水年際變化的主要原因，然而圖2表明江西省夏季降水亦存在著顯著的年代際變化，造成江西省夏季降水的年代際變化的原因，還需要重視。此外，盡管本文指出了ENSO是造成江西省夏季降水變化的主要原因之一，但自1980s以來，中太平洋型ENSO事件發(fā)生的頻率顯著增加。由于中太平洋型ENSO事件與傳統(tǒng)型ENSO事件在演變工程和氣候影響上都有較大的差異[24，25]。因此，在未來的工作中，需要進(jìn)一步探究不同類型的ENSO事件對(duì)江西夏季降水的影響。