2015-2019年長三角地區(qū)高空“干”過程大氣水汽含量時(shí)空分布特征及天氣分型

高溪遠(yuǎn)

(南京信息工程大學(xué)，中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京 210044)

0 引言

在全球變暖背景下長三角地區(qū)的氣候發(fā)生了明顯變化，極端異常氣候事件發(fā)生頻數(shù)增加[1]。近幾年，長三角地區(qū)干旱災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)人們的生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了巨大影響。高空相對(duì)濕度較低，水汽量較少，是干旱形成的重要原因之一[2]。而大氣中水汽的分布結(jié)構(gòu)和時(shí)空變化特征決定著干旱事件的發(fā)生，故而了解長三角地區(qū)在高空水汽極少情況下其水汽含量的時(shí)空分布特點(diǎn)和天氣形勢(shì)的變化情況對(duì)長三角地區(qū)干旱災(zāi)害的發(fā)生和極端事件的相關(guān)研究有一定的參考價(jià)值，對(duì)長三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展及可持續(xù)發(fā)展起到了積極的作用。

垂直探空觀測(cè)中出現(xiàn)的對(duì)流層中下層相對(duì)濕度較低、大氣異常偏干的現(xiàn)象不是個(gè)別現(xiàn)象，具有相當(dāng)?shù)钠毡樾訹3]。在1992年11月-1993年2月熱帶海洋全球大氣耦合響應(yīng)試驗(yàn)(TOGA COARE)加強(qiáng)觀測(cè)期間(IOP)，研究學(xué)者就發(fā)現(xiàn)了在赤道西太平洋海域上空對(duì)流層中下部頻繁出現(xiàn)空氣極度干燥、相對(duì)濕度極低的現(xiàn)象[4]。高空“干”過程還對(duì)溫室效應(yīng)[5]、對(duì)流活動(dòng)[6]、大氣輻射[7]及云的發(fā)展[8]有著重要影響。我國對(duì)于高空“干”過程的系統(tǒng)分析較少。張宇對(duì)新巴爾虎左旗國家級(jí)氣象站觀測(cè)到的低濕觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，低濕觀測(cè)值的出現(xiàn)與冷空氣活動(dòng)相關(guān)[9]。唐南軍等人認(rèn)為，我國對(duì)流層中下層出現(xiàn)偏干情況并非異常現(xiàn)象，在中國西南和東部沿海地區(qū)出現(xiàn)的概率約為20%～40%，且具有明顯的季節(jié)變化特征[10]。目前，國內(nèi)研究學(xué)者對(duì)高空“干”過程處于初步分析階段，對(duì)其高空水汽含量時(shí)空分布特征沒有進(jìn)行詳細(xì)描述，對(duì)高空“干”過程中的天氣分型研究較少。

針對(duì)以上不足，選取ERA5資料和MICAPS資料，對(duì)2015-2019年我國長三角地區(qū)高空“干”過程發(fā)生時(shí)的大氣水汽含量基本特征進(jìn)行分析，利用主觀天氣分型方法應(yīng)用天氣學(xué)原理對(duì)高空“干”過程的天氣形勢(shì)進(jìn)行分類和統(tǒng)計(jì)，探究不同天氣形勢(shì)下氣流輸送對(duì)此過程發(fā)生發(fā)展的影響，為長三角地區(qū)干旱研究、預(yù)防旱澇災(zāi)害提供理論依據(jù)，對(duì)天氣演變機(jī)制相關(guān)研究有一定的參考價(jià)值。

1 資料與方法

基于ECMWF提供的空間分辨率0.25°×0.25°、時(shí)間分辨率為1 h的ERA5 資料，選取我國范圍內(nèi)2015-2019年800～300 hPa氣壓層比濕數(shù)據(jù)，計(jì)算大氣水汽含量。采用2015-2019年逐日08、20時(shí)的MICAPS氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)的高空填圖數(shù)據(jù)，對(duì)700 hPa高度上影響長三角地區(qū)的天氣形勢(shì)進(jìn)行歸類分析。

大氣水汽含量表示假設(shè)整個(gè)空氣柱中的水汽凝結(jié)時(shí)所能得到的液態(tài)水汽量[11]，公式為：

(1)

式中：W為單位面積上整層大氣的總水汽含量，q為比濕，g為重力加速度，Px和P分別為底層氣壓和頂層氣壓，單位為mm。

2 2015-2019年長三角地區(qū)高空“干”過程基本特征

據(jù)國家氣象中心下發(fā)的《中尺度天氣圖分析技術(shù)規(guī)范》對(duì)高空干區(qū)的定義，將發(fā)生在1 000～400 hPa、氣層相對(duì)濕度<20%、持續(xù)48 h以上的低濕過程定義為高空“干”過程，這一標(biāo)準(zhǔn)與前人的定義一致[12]。

統(tǒng)計(jì)長三角地區(qū)2015-2019年高空“干”過程的發(fā)生情況(結(jié)果如表1所示)，可以看出5年間高空“干”過程的發(fā)生次數(shù)分別為6、13、13、13、11次，沒有顯示一致的變化趨勢(shì)，發(fā)生次數(shù)也波動(dòng)變化，即高空“干”過程不具備明顯的年際變化特征。高空“干”過程具有明顯的季節(jié)變化特征，根據(jù)表格可以看出長三角地區(qū)2015-2019年夏季6、7、8月份沒有發(fā)生高空“干”過程，春、秋、冬三季高空“干”過程發(fā)生頻率較為相近，每季分別發(fā)生了共計(jì)17、19、20次。高空“干”過程在春、秋、冬三季的生命周期分別為70.5 h/次(約為3 d/次)、117.6 h/次(約為5 d/次)、99.6 h/次(約為4 d/次)，其中秋季高空“干”過程生命周期持續(xù)時(shí)間最久。

表1 長三角地區(qū)2015-2019年高空“干”過程發(fā)生次數(shù)Tab.1 Frequencies of upper-air “dry” process in Yangtze River Delta from 2015 to 2019

3 2015-2019年長三角地區(qū)的高空“干”過程大氣水汽含量時(shí)空分布特征

研究表明，我國空中大氣水汽含量的時(shí)空分布具有明顯的季節(jié)變化特征[13]。根據(jù)ERA5數(shù)據(jù)，對(duì)2015-2019年長三角地區(qū)不同季節(jié)和發(fā)生高空“干”過程時(shí)的平均大氣水汽含量分別進(jìn)行了計(jì)算，其中由于夏季未發(fā)生高空“干”過程，不再對(duì)其進(jìn)行分析。

3.1 春季高空“干”過程大氣水汽含量分布特征

圖1所示為春季3-5月800～300 hPa大氣水汽含量分布。由圖1(a)可知，2015-2019年春季平均大氣水汽含量明顯高于“干”過程大氣水汽含量，長三角地區(qū)北端水汽含量約為5 mm左右，整體水汽分布從北至南梯狀遞增，在32°N附近已經(jīng)增加至20 mm以上，安徽南部和浙江省的水汽含量均在25～30 mm，高值區(qū)位于長三角地區(qū)西南方向。由圖1(b)可以看出，高空“干”過程發(fā)生時(shí)大氣中水汽含量極小，接近0值，與季節(jié)平均水汽含量相差較大，其分布特征與季節(jié)平均分布特征有所不同，干區(qū)域呈西北-東南走向分布，西南方向水汽略高于東北地區(qū)，西南地區(qū)水汽含量約為6 mm左右。

(a)季節(jié)平均 (b)高空“干”過程期間圖1 春季長三角地區(qū)800～300 hPa大氣水汽含量分布Fig.1 Distribution of 800～300 hPa atmospheric moisture content in spring in Yangtze River Delta

3.2 秋季高空“干”過程大氣水汽含量分布特征

圖2所示為秋季9-11月800～300 hPa大氣水汽含量分布。由圖2(a)可知，2015-2019年秋季平均大氣水汽含量分布特征與春季相同，為從北至南梯狀遞增趨勢(shì)，但水汽含量與春季相比明顯較少，長三角地區(qū)北端水汽含量約為3 mm左右，在32°N附近增加至5 mm左右，安徽南部和浙江省的水汽含量均在8～10 mm，高值區(qū)位于長三角地區(qū)東南方向，最大值約為12 mm。由圖2(b)可以看到，秋季高空“干”過程發(fā)生時(shí)大氣水汽含量高于春季，且與季節(jié)平均的差值也小于春季，長三角大部分地區(qū)水汽含量在5 mm左右，浙江南部地區(qū)略有升高至8～10 mm，分布特征與春季類似，長三角西側(cè)和南側(cè)水汽含量較高。

(a)季節(jié)平均 (b)高空“干”過程期間圖2 秋季長三角地區(qū)800～300 hPa平均大氣水汽含量分布Fig.2 Distribution of 800～300 hPa average atmospheric moisture content in autumn in Yangtze River Delta

3.3 冬季高空“干”過程大氣水汽含量分布特征

圖3所示為冬季12-次年2月800～300 hPa大氣水汽含量分布。由圖3(a)可知，2015-2019年冬季平均大氣水汽含量少于春季和秋季，其分布特征不同于前兩個(gè)季節(jié)，冬季水汽含量由東北向西南方向遞增，由2 mm逐漸增加至最大值10 mm附近。這是由于冬季長三角地區(qū)盛行西北風(fēng)，干冷的西北氣流流過長三角地區(qū)使得水汽含量減少，但由于西南地區(qū)靠近海域，水汽含量較多，西南氣流對(duì)長三角地區(qū)的影響東北部較強(qiáng)，西南部較弱，所以水汽呈如圖所示的向西南方向逐漸增加趨勢(shì)。由圖3(b)可知，冬季高空“干”過程的水汽含量約為2～4 mm，高空處于水汽量極小的地勢(shì)狀態(tài)，與春季水汽含量相似，均小于秋季，分布特征與前兩季相同，長三角地區(qū)西南側(cè)水汽含量相對(duì)高于東北區(qū)域，約為5 mm。

(a)季節(jié)平均(b)高空“干”過程期間圖3 冬季長三角地區(qū)800～300 hPa平均大氣水汽含量分布Fig.3 Distribution of 800～300 hPa average atmospheric moisture content in winter in Yangtze River Delta

4 2015-2019年長三角地區(qū)的高空“干”過程天氣分型

天氣形勢(shì)是天氣現(xiàn)象和過程發(fā)生、維持、演變的背景條件，往往決定著區(qū)域上空水汽輸送基本特征和水汽分布情況。根據(jù)2015-2019年長三角地區(qū)高空“干”過程期間逐日08、20時(shí)700 hPa高度天氣圖，采用主觀天氣分型方法，根據(jù)天氣學(xué)原理，將52次(其中有5次過程數(shù)據(jù)缺測(cè))高空“干”過程期間的天氣類型進(jìn)行歸類，概括出每個(gè)“干”過程演變過程中的主要天氣類型，共計(jì)5種，分別為受低槽東移影響天氣形勢(shì)，為低槽型；受高脊東移影響天氣形勢(shì)，為高脊型；受低壓影響天氣形勢(shì)，為低壓型；受高壓影響天氣形勢(shì)，為高壓型；沒有較強(qiáng)且明顯的天氣系統(tǒng)存在，基本處于均壓場(chǎng)狀態(tài)，為均壓場(chǎng)型。5種天氣過程的出現(xiàn)次數(shù)和頻率見表2。

表2 2015-2019年長三角地區(qū)52次高空“干”過程的天氣類型Tab.2 Weather types of 52 times of upper-air“dry” process in Yangtze River Delta from 2015 to 2019

可以看出，高脊型和低槽型出現(xiàn)的次數(shù)最多，合計(jì)占比為67.3%，均壓型和高壓型出現(xiàn)次數(shù)相近分別為7次和6次，低壓型出現(xiàn)頻次最少，頻率僅為7.7%。

4.1 低槽型

此次高空“干”過程長三角地區(qū)主要受低槽東移的影響。由圖4(a)可以看出，5月20時(shí)，長三角位于低槽上，圖4(b)6日08時(shí)槽向東北方向移動(dòng)，長三角地區(qū)基本位于低槽后部。低槽天氣形勢(shì)下，氣壓分布為內(nèi)側(cè)低、外側(cè)高，氣流沿逆時(shí)針向槽內(nèi)輸送，槽內(nèi)空氣輻合上升，槽外空氣輻散下沉，長三角地區(qū)在低槽影響過程中氣壓略有降低，整體為干冷的西北氣流輸送，高空“干”過程由于西北干氣流的下沉輸送至長三角地區(qū)而不斷發(fā)生發(fā)展。在低槽東移的天氣形勢(shì)下，長三角地區(qū)處于低槽外圍，西北干冷氣流不斷輸送使得“干”區(qū)域向東南方向移動(dòng)。

(a)2016年12月5日20時(shí) (b)6日08時(shí)圖4 700 hPa低槽型天氣圖Fig.4 700 hPa low trough weather

4.2 高脊型

此次高空“干”過程長三角地區(qū)主要受高脊東移過境的影響。圖5(a)可以看到，8日08時(shí)珠三角地區(qū)存在一個(gè)高壓中心，向西北方向延伸出高壓脊，此時(shí)長三角地區(qū)位于高脊前部，圖5(b)高壓逐漸東移減弱，長三角地區(qū)受高壓脊控制，為西北氣流輸送。高脊天氣形勢(shì)下多為晴好天氣，脊內(nèi)為明顯的下沉氣流，氣流在下沉過程中隨高度的降低溫度不斷升高，水汽不斷蒸發(fā)，飽和水氣壓也逐漸增加，使得氣塊相對(duì)濕度隨之降低，使得高空干冷空氣下沉至長三角地區(qū)促使“干”過程的發(fā)生。

(a)2016年2月8日08時(shí) (b)9日08時(shí)圖5 700 hPa高脊型天氣圖Fig.5 700 hPa high ridge weather

4.3 低壓型

此次高空“干”過程長三角地區(qū)始終處于低壓后部。由圖6(a)可以看到，5日08時(shí)，長三角地區(qū)東側(cè)海域上存在一個(gè)臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)，中部地區(qū)及廣西南部均有高壓存在，此時(shí)長三角地區(qū)處于臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)低壓后部。臺(tái)風(fēng)始終沒有登陸，沿大陸邊緣向北移動(dòng)。由圖6(b)可見，長三角地區(qū)仍處于低壓后部，臺(tái)風(fēng)外圍位置。低壓天氣形勢(shì)下，中心位置有上升的氣流，臺(tái)風(fēng)過程發(fā)生時(shí)中心有極強(qiáng)的對(duì)流，中心氣流劇烈上升，外圍地區(qū)空氣做下沉運(yùn)動(dòng)。低壓外圍空氣呈逆時(shí)針方向輻合，長三角地區(qū)位于低壓后部，受下沉的西北氣流影響，干而冷的空氣輸送至長三角地區(qū)，使得濕度降低至20%以下，“干”過程發(fā)生。

(a)2018年10月5日08時(shí) (b)6日08時(shí)圖6 700 hPa低壓型天氣圖Fig.6 700 hPa low-pressure weather

4.4 高壓型

此次高空“干”過程長三角地區(qū)受高壓東移的影響。由圖7(a)可以看到，2日20時(shí)，長三角地區(qū)位于高壓中心東南方向，處于高壓控制下。圖7(b)可以看到，3日08時(shí)，高壓東移減弱至海上，長三角地區(qū)處于高壓控制下的均壓場(chǎng)天氣形勢(shì)下。高壓天氣形勢(shì)下，大氣層結(jié)穩(wěn)定，中心位置為下沉氣流，高壓周圍氣流呈順時(shí)針向外輻散，長三角高空呈現(xiàn)干空氣下沉，低層水汽向外輻散使相對(duì)濕度保持低于20%的狀態(tài)。

(a)2015年11月2日20時(shí) (b)3日08時(shí)圖7 700 hPa低壓型天氣圖Fig.7 700 hPa low-pressure weather

4.5 均壓場(chǎng)型

圖8為2015年2月9日08時(shí)700 hPa高度高壓型天氣形勢(shì)圖，可以看到此次高空“干”過程長三角地區(qū)沒有明顯的天氣系統(tǒng)出現(xiàn)，我國西南部有弱槽弱脊出現(xiàn)，但并未影響到長三角地區(qū)，等壓線與我國東北部地區(qū)相比較為稀疏，風(fēng)速較小，即大氣層結(jié)處于極其穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖8 700 hPa均壓場(chǎng)型天氣圖2015年2月9日08時(shí)Fig.8 700 hPa voltage-sharing weather at 8 o’clock, February 9, 2015

5 結(jié)論

利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)提供的ERA5再分析資料，分析了2015-2019年長三角地區(qū)高空“干”過程發(fā)生頻率、生命周期的季節(jié)變化特征，根據(jù)其不同季節(jié)高空“干”過程發(fā)生時(shí)的大氣水汽含量，分析其時(shí)空分布特征，根據(jù)MICAPS資料對(duì)高空“干”過程期間的天氣形勢(shì)進(jìn)行分類，分析不同天氣形勢(shì)下高空“干”過程的氣流輸送情況，探究此過程發(fā)生的原因。結(jié)果表明，長三角地區(qū)2015-2019年共發(fā)生高空“干”過程57次，其中2015年發(fā)生次數(shù)最少，發(fā)生頻率為0.5次/月，2017、2018、2019年的發(fā)生次數(shù)相同且最多，發(fā)生頻率均為1.08次/月，高空“干”過程不具備明顯的年際變化特征。高空“干”過程具有明顯的季節(jié)變化特征，長三角地區(qū)2015-2019年春、秋、冬三季均發(fā)生了“干”過程，且發(fā)生頻率相近，其平均持續(xù)時(shí)間分別為70.5 h/次(約為3 d/次)、117.6 h/次(約為5 d/次)、99.6 h/次(約為4 d/次)，5年內(nèi)，夏季6、7、8月份均沒有出現(xiàn)高空“干”過程。2015-2019年長三角地區(qū)800～300 hPa高空“干”過程大氣水汽含量均小于季平均水汽含量，其中秋季高空“干”過程水汽含量在三季中最高，約為在5 mm左右，春、冬季水汽含量接近0值，其水汽含量分布均從東北向西南方向遞增。將2015-2019年長三角地區(qū)52次高空“干”過程的天氣類型進(jìn)行歸類，概括為5種主要的天氣類型，分別為低槽型、高脊型、低壓型、高壓型和均壓場(chǎng)型，其中高脊型和低槽型出現(xiàn)的次數(shù)最多，合計(jì)占比為67.3%。