2019年5月美國持續(xù)性降水異常影響因素分析?

楊 晶， 孫即霖,2??， 寧方悅

(1. 中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院， 山東 青島 266100; 2. 中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100)

政府間氣候變化專門委員會(Intergovemmental Panel on Climate Change，IPCC)2007年的政策制定者斷言:在大多數(shù)陸地地區(qū)，在全球變暖的背景下，據(jù)觀測，大氣中的水汽不斷增加，強(qiáng)降水事件的頻率增加，與氣候變暖和觀測到的大氣水汽增加一致。過去幾年發(fā)表的大量關(guān)于極端降水的研究印證了這一說法[1-3]。持續(xù)性降水因其持續(xù)時(shí)間長、影響范圍廣而具有較高的致災(zāi)性，對持續(xù)性降水的機(jī)理和預(yù)報(bào)研究是當(dāng)前國際大氣科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)和前沿問題。春季連陰雨發(fā)生幾率較小，預(yù)報(bào)難度較大，所以倍受氣象工作者所關(guān)注。持續(xù)性降水往往與穩(wěn)定的大尺度環(huán)流異常有關(guān)[4]。連陰雨是大氣環(huán)流由不穩(wěn)定走向較穩(wěn)定，長波、超長波停滯造成的，它們受多個(gè)系統(tǒng)的交替影響，主要包括中高緯度西風(fēng)帶系統(tǒng)和中低緯度副熱帶系統(tǒng)的相互牽制和共同作用[5]。

研究發(fā)現(xiàn)，降水時(shí)間的頻率和強(qiáng)度在近年來都呈現(xiàn)出增加的趨勢，并且在全球持續(xù)升溫的背景下，中緯度大部分陸地地區(qū)的降水事件將很可能變的更加頻繁，強(qiáng)度也將更大[6]。在美國堪薩斯州，濕期呈增加趨勢，干期趨于減少[7]。

翟盤茂等[8]通過對大量持續(xù)性暴雨歷史個(gè)例的典型環(huán)流分析,發(fā)展并建立了“三維天氣學(xué)概念模型”，即高層急流穩(wěn)定維持，中層中高緯為單阻或雙阻型阻高，西太平洋副熱帶高壓(副高)位于20°N附近,低層為強(qiáng)烈的水汽輸送，可對中國江淮地區(qū)的持續(xù)性降水極端天氣給出解釋。謝巨倫[9]提出了春季連陰雨預(yù)報(bào)的三類高空起始場(阻高型、槽脊型、低壓型)天氣模型。針對大氣環(huán)流的若干問題和北半球冬季阻塞形勢，老一代氣象學(xué)專家發(fā)現(xiàn)不同時(shí)間尺度的天氣過程與不同空間尺度的長波或超長波活動相聯(lián)系[10-11]。李麥村等[12]指出，長江流域春季連陰雨形成是一種超長波在長江流域活動的結(jié)果：東亞急流分支比較清楚，急流上的槽脊位相不同甚至反相，這樣南支向長江中下游輸送的暖濕空氣與北支輸送的冷空氣在長江中下游得以交匯，形成切變線和準(zhǔn)靜止鋒，從而形成陰雨。

春季連陰雨是一種重要?dú)庀鬄?zāi)害。由于陰雨維持時(shí)間長，致使農(nóng)作物水分過剩造成陰濕害、漬害和澇災(zāi)，同時(shí)因光照不足，加之濕度過大，易引發(fā)爛種和爛苗; 當(dāng)降水量過大時(shí)，土壤濕粘度增大，農(nóng)田不能進(jìn)行耕作，春播時(shí)間推遲，會給春播、春管帶來一定影響。王保生等[13]分析了春播低溫陰雨導(dǎo)致減產(chǎn)的重要原因; 吳洪顏等[14]在對春播連陰雨的研究中給出了春季連陰雨與夏糧產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系。由于地理位置的關(guān)系，影響美國連陰雨天氣的大氣環(huán)流特征與中國存在很大尺度的類似。2019年5月，美國連續(xù)兩周飽受惡劣天氣和大雨的困擾，再一次打破了美國自1895年以來全年降雨量最多的紀(jì)錄。2019年5月是美國歷史上第二多雨的月份，全國月平均降雨量約為112.014 mm，略低于2015年5月的112.776 mm。作為糧食出口大國的美國，玉米和大豆的播種均創(chuàng)歷史同期最低水平。

在經(jīng)濟(jì)全球化的當(dāng)下，中國需要從作為大豆出口大國的美國進(jìn)口玉米和大豆，春季連陰雨天氣對春播、春管具有重要的影響，并且美國與中國同處北半球中緯度地區(qū)，都受北極冷空氣的影響，北極極渦偏西則美國偏冷、中國對應(yīng)高溫，影響的主要天氣系統(tǒng)近似，對于中國持續(xù)性降水也有一定的借鑒意義。對2019年5月美國連續(xù)降水的氣候特征及成因進(jìn)行分析和研究，深入理解極端天氣和氣候事件，為中長期天氣預(yù)報(bào)和短期氣候預(yù)測提供參考，具有明顯的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 資料與方法

本文采用美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心/國家大氣研究中心(NCEP/NCAR)聯(lián)合執(zhí)行的全球大氣30年日平均再分析資料，格距為2.5(°)×2.5(°)，垂直方向從1 000～10 hPa分為17層，所用變量包括海平面氣壓場、風(fēng)場、位勢高度場等，資料年代為1981—2019年。降水?dāng)?shù)據(jù)為美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanal and Atmospheric Administrator，NOAA)氣候預(yù)測中心(Climate Prediction Center，CPC)全球統(tǒng)一降水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)品，格距為0.5(°)×0.5(°)。海溫場資料采用美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)擴(kuò)展重建的海洋溫度(ERSST)數(shù)據(jù)集為版本4(V4)，格距為2(°)×2(°)。

本文在給出降水變化特征的基礎(chǔ)上，首先利用空間諧波分析方法分別提取了不同緯度大氣平均層位勢高度1981—2010年氣候日平均和2019年5月日平均場的1～5波，對不同緯度帶大氣超長波與長波的特征進(jìn)行了分析，然后利用診斷和對比，以500和850 hPa等壓面上垂直運(yùn)動分別分析了對流降水和鋒面抬升降水的影響，結(jié)合850 hPa上的水汽通量分布特征，綜合分析了造成2019年5月美國極端持續(xù)性降水的天氣和氣候特征。

2 結(jié)果分析

2.1 2019年5月美國降水特征

2019年5月下旬，美國連續(xù)兩周飽受惡劣天氣和大雨的困擾。從圖1看出，美國大部分時(shí)間降水都高于年平均值，其中主要分為兩個(gè)階段：5月1—12日和5月17—30日。為了對比兩次降水過程的發(fā)生及持續(xù)原因，選取兩個(gè)階段中降水較為明顯的時(shí)間段5月8—12日和5月18—22日進(jìn)行比較。從圖2看出，5月8—12日降水主要分布在美國東南部，而5月18—22日降水主要分布在美國中部地區(qū)。

圖1 美國地區(qū)(30°N—50°N, 80°W—120°W)2019年5月(藍(lán)色柱)及氣候態(tài)平均(黑色折線)日降水量Fig.1 Daily precipitation in May， 2019 (blue column) and climate states(black line) in the United States(30°N—50°N, 80°W—120°W)

圖2 2019年5月美國日平均降水量異常(填色，單位: mm·d-1)

2.2 原因分析

2.2.1 不同緯度行星尺度波動的異常特征 從圖1和2可以看出，短期氣候降水異常與天氣過程降水密切聯(lián)系，月平均降水的偏多主要與兩個(gè)階段持續(xù)性強(qiáng)降水的天氣過程相聯(lián)系。為了探究其原因，本文首先通過諧波分析對500 hPa位勢高度在1981—2010年氣候日平均和2019年5月日平均時(shí)間尺度上，北半球不同緯度波動能量的分布進(jìn)行了計(jì)算(見圖3)。Luo等[15]指出，天氣尺度波與行星尺度波相互作用并向行星尺度波傳遞能量，進(jìn)而使行星尺度波發(fā)生異常變化。通過圖3看出，與1981—2010年日平均氣候平均的大氣波動特征相比，2019年5月份北半球的大氣波動特征具有明顯的異常特征：在45°N—60°N是為2波主導(dǎo)的分布且3波較氣候態(tài)異常偏強(qiáng)，而在60°N以北的極區(qū)則表現(xiàn)為異常明顯的1波為主且遠(yuǎn)較氣候態(tài)振幅偏強(qiáng)的特征。在60°N附近表現(xiàn)為4波為主且較氣候態(tài)異常偏強(qiáng)的特征。

持續(xù)性降水發(fā)生與影響降水天氣系統(tǒng)的移動緩慢或準(zhǔn)靜止波動的存在有密切關(guān)系。根據(jù)Rossby波速傳播公式，大氣波動傳播的速度主要受波長、平均西風(fēng)速度和地理緯度的影響。由于波長的原因，1～4波移動緩慢甚至靜止或西向緩慢移動。

圖3 2019年5月(a)和1981—2010年平均5月(b)北半球緯向1～5波振幅隨緯度的分布

對比圖3(a)和3(b)可以得出：從大氣波動能量的角度，影響北美2019年5月持續(xù)性異常降水的大氣環(huán)流主要體現(xiàn)在40°N以北直到北極地區(qū)的高緯度地區(qū)。北極區(qū)具有1波特征的超長波遠(yuǎn)較氣候平均態(tài)明顯可能具有影響作用，而40°N—60°N緯度帶內(nèi)的大氣超長波、長波導(dǎo)致的大氣環(huán)流異?？赡軐Τ掷m(xù)性異常降水具有直接的影響。

2.2.2 兩次持續(xù)性強(qiáng)降水階段的大氣環(huán)流及異常環(huán)流特征 由于諧波分析無法得出波動的空間分布，采用候平均的位勢高度場濾除天氣尺度系統(tǒng)的天氣形勢場進(jìn)行分析(見圖4)。

圖4 500 hPa位勢高度異常場(填色，單位: gpm)及位勢高度平均場(黑色等值線)

圖5 300 hPa風(fēng)場平均場(矢量,單位:m·s-1)及風(fēng)場異常場(填色，單位：m·s-1)

2.2.3 兩次持續(xù)性強(qiáng)降水階段的垂直運(yùn)動特征 在水汽條件滿足后，垂直運(yùn)動是造成降水的主要原因。在候平均時(shí)間尺度上，由于不同緯度上行星尺度波動相互影響可形成行星尺度的鋒區(qū)。圖6給出了兩次持續(xù)性強(qiáng)降水階段，行星鋒區(qū)的空間分布。從圖中可以看出，5月8—12日的階段，由于阿拉斯加灣附近上空阻塞高壓的存在，行星鋒區(qū)被分為兩段，對應(yīng)的高空西風(fēng)急流也分為兩支，而5月18—22日的階段，北支急流明顯減弱接近消失；南支急流的強(qiáng)度增大(見圖5)。對比圖2發(fā)現(xiàn)，第1個(gè)階段的降水區(qū)域分布與鋒區(qū)的走向一致，而第2個(gè)階段的降水區(qū)域分布則與行星鋒區(qū)的走向具有比較大的差異。不僅如此，降水區(qū)中第2次降水的強(qiáng)度明顯偏強(qiáng)。為分析兩次過程中造成降水區(qū)域和降水強(qiáng)度差異的原因，作者根據(jù)雨層云降水時(shí)850 hPa附近的垂直上升運(yùn)動相對明顯，而對流性降水情況下，500 hPa附近的垂直上升運(yùn)動相對更加顯著的特征，對兩次過程的垂直運(yùn)動場的分布特點(diǎn)進(jìn)行了分析(見圖7)。

對比分析圖5、6和7，可以發(fā)現(xiàn)，第1次降水過程受鋒面直接影響產(chǎn)生的垂直上升運(yùn)動對降水的影響相對較大，而第2次降水過程則主要受對流運(yùn)動有關(guān)的上升運(yùn)動影響。

兩次降水過程中，高空急流南側(cè)的輻散導(dǎo)致的對流上升運(yùn)動都對降水過程的影響具有顯著影響，但第2次降水過程中緯度較高地區(qū)的上升運(yùn)動則與高空急流出口區(qū)的強(qiáng)上升運(yùn)動緊密聯(lián)系在一起，而中低緯度地區(qū)的降水區(qū)域與行星鋒區(qū)緊密聯(lián)系。第2次過程中降水區(qū)域在500和850 hPa上，垂直運(yùn)動異常場都表現(xiàn)為明顯的上升運(yùn)動。

由兩次持續(xù)性強(qiáng)降水階段的垂直上升運(yùn)動特征可以得出：在候平均時(shí)間尺度上，由于熱成風(fēng)原理，行星鋒區(qū)與高空西風(fēng)急流位置具有很好的對應(yīng)關(guān)系。由于行星鋒區(qū)(高空西風(fēng)急流)的形狀與行星尺度波動密切聯(lián)系，因此，根據(jù)不同緯度行星尺度波動影響的行星鋒區(qū)的位置和強(qiáng)度變化，可用于持續(xù)性降水落區(qū)的分析和判斷。

圖6 850 hPa位勢高度(黑色實(shí)線)與氣溫(紅色實(shí)線)的水平分布

豐富的水汽是持續(xù)強(qiáng)降水的必要條件。分析兩次降水過程的水汽輸送條件，發(fā)現(xiàn)：在第2次持續(xù)性強(qiáng)降水階段，由于阿拉斯加灣上空的阻塞高壓接近消失，行星鋒區(qū)北側(cè)的冷氣團(tuán)勢力增強(qiáng)，而墨西哥灣上空的副熱帶高壓在兩次降水過程中都非常穩(wěn)定，導(dǎo)致鋒區(qū)的強(qiáng)度增加。但鋒生作用的強(qiáng)弱在行星鋒區(qū)的不同位置具有明顯的差異：鋒區(qū)強(qiáng)度增強(qiáng)地區(qū)上空的西風(fēng)急流加速，在與下游鋒區(qū)強(qiáng)度變化不大的位置上形成了西風(fēng)急流的出口區(qū)。在對流層低層，受鋒生作用影響大的地區(qū)風(fēng)速增大，850 hPa水汽通量場(見圖8)可以看出，盡管5月8—12日和18—22日兩次過程的水汽都主要來自墨西哥灣的暖濕氣流輸送，而18—22日水汽正異常值偏大，在西風(fēng)急流出口區(qū)的下方，水汽通量的輻合程度也明顯增大，與急流出口區(qū)的強(qiáng)上升運(yùn)動一起，造成了較高緯度強(qiáng)降水中心的形成。

2019年4月，阿拉斯加灣附近的海溫異常偏高(見圖9)。黃榮輝[16]指出，當(dāng)夏季青藏高原熱源增強(qiáng)，其熱力強(qiáng)迫產(chǎn)生的定常行星波可以向?qū)α鲗由蠈觽鬏?，進(jìn)而使大氣環(huán)流產(chǎn)生異常。根據(jù)位勢傾向方程第3項(xiàng)，異常感熱加熱使得500 hPa位勢高度增加。由于海溫異常偏高，熱力強(qiáng)迫脊對阿拉斯加灣附近高壓脊偏強(qiáng)也可能具有影響。Sun等[17]指出，50°N緯度熱傳輸方向向北移動，大多數(shù)熱量從低緯度向高緯度傳輸。結(jié)合AO指數(shù)，2019年4和5月分別為-0.255和-1.231，AO指數(shù)為負(fù)，北極和極地外冷暖空氣交換顯著，阻塞高壓后部的暖空氣進(jìn)入北極，造成阻塞高壓前部北極冷空氣南下，與穩(wěn)定的副高一起，在美國上空形成較強(qiáng)的鋒面和高空西風(fēng)急流，造成持續(xù)性的降水。

圖7 500 hPa(a,b)和850 hPa(c,d)垂直速度異常(填色，單位: m·s-1)

圖8 850 hPa水汽通量異常(填色， 單位: kg·s-1·hPa-1·cm-1)和風(fēng)場異常場(矢量，單位：m·s-1)

圖9 2019年4月海表面溫度異常(填色，單位: ℃)

3 結(jié)論和討論

在全球變暖背景下，極端性天氣過程出現(xiàn)的可能性明顯增加。本文對發(fā)生在2019年5月份美國降水異常偏多事件的分析表明，月平均時(shí)間尺度降水量的偏多可能與持續(xù)性強(qiáng)降水過程具有密切的聯(lián)系。造成持續(xù)性強(qiáng)降水的大氣環(huán)流條件是不同緯度帶行星尺度波動影響的結(jié)果。不同緯度行星尺度波動的配合可以造成行星鋒區(qū)強(qiáng)度的變化，受熱成風(fēng)的影響，對高空西風(fēng)急流的強(qiáng)度和速度的空間分布產(chǎn)生影響。本文的研究表明：

(1) 北半球不同緯度行星尺度波位相的配置構(gòu)成了有利于持續(xù)性降水的環(huán)流形勢：北極區(qū)呈現(xiàn)明顯的1波結(jié)構(gòu)，與45°N—60°N緯度帶中異常偏強(qiáng)的2、3、4波結(jié)構(gòu)相互疊加，造成持續(xù)時(shí)間較長的異常穩(wěn)定環(huán)流形勢，不同波數(shù)大氣超長波和長波在阿拉斯加附近上空的疊加與偏暖的阿拉斯加灣海水的熱力強(qiáng)迫一起，形成了振幅大，移動緩慢的高壓脊;受3波結(jié)構(gòu)影響，墨西哥灣上空的副熱帶高壓位置持續(xù)穩(wěn)定。

(2) 阿拉斯加上空異常偏強(qiáng)高壓脊前的冷空氣造成的鋒區(qū)強(qiáng)度增加，使與行星鋒區(qū)相關(guān)的高空急流異常偏強(qiáng)，兩次過程降水區(qū)域分別位于高空急流入口區(qū)右側(cè)及出口區(qū)左側(cè)的上升運(yùn)動區(qū)，大氣對流層低層來自墨西哥灣充足的暖濕氣流與強(qiáng)上升運(yùn)動區(qū)相配合，造成了兩個(gè)異常強(qiáng)的持續(xù)性降水階段。

(3) 造成月平均降水量偏多與大型降水過程密切聯(lián)系，而行星尺度波動為持續(xù)性降水過程提供了有利的大氣環(huán)流背景條件，影響著行星鋒區(qū)的強(qiáng)度變化和空間分布，由鋒生強(qiáng)度空間分布變化形成的急流出口區(qū)和對流層低層的水汽輻合區(qū)，造成了強(qiáng)垂直上升運(yùn)動區(qū)和強(qiáng)降水落區(qū)。

本文的研究表明，在實(shí)際的中期天氣預(yù)報(bào)和短期氣候預(yù)測的分析中，應(yīng)當(dāng)充分考慮極地大氣對流層超長波與極地外超長波、長波的位相配置在春季持續(xù)性極端強(qiáng)降水的作用。