2019年7月上半月中國南方降水異常偏多成因分析

吳珊珊，鄒海東

（1.江西省氣候中心，江西 南昌 330096；2.江西師范大學鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點實驗室，江西 南昌 330022；3.貴州省務川仡佬族苗族自治縣氣象局，貴州 遵義 564300）

引言

每年7月上半月正值我國南方地區(qū)雙季早稻成熟收割期，降水量偏多會造成早稻谷穗出現(xiàn)發(fā)芽現(xiàn)象，影響雙季稻產(chǎn)量和品質(zhì)，持續(xù)性降水會使早稻長期浸泡，引起倒伏甚至絕收，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟帶來重大影響。因此開展我國南方地區(qū)7月上半月降水異常的研究有重要科學意義和應用價值。

我國南方地區(qū)位于東亞季風區(qū)內(nèi)，受夏季風影響，降水主要集中于4—6月［1］，而7—8月，受西太平洋副熱帶高壓（簡稱“西太副高”）西伸北抬影響，通常為晴熱少雨時段。因此，對我國南方地區(qū)降水的變化特征、形成機理研究也聚焦于降水集中期［2-4］。通常7月上半月是我國南方地區(qū)大氣環(huán)流調(diào)整（如西太副高西伸北抬）的主要時段，且具體調(diào)整時間具有明顯的年際變化特征，這使得該區(qū)域7月上半月的降水情況相對復雜。該時段降水異常不僅與西太副高和中高緯大氣環(huán)流異常有關，還與不同海區(qū)的海溫異常、歐亞和高原積雪、海冰等外強迫有關，且這些影響因子之間存在協(xié)同作用，給該區(qū)域7月上半月的降水預測帶來一定困難［5-7］。

研究發(fā)現(xiàn)西太平洋副熱帶高壓的位置和強度變動是7月我國南方地區(qū)旱澇的最直接原因［8-10］，此外厄爾尼諾通過影響大氣環(huán)流進而間接影響我國南方降水［11-14］。不同海區(qū)的海溫異常也是影響我國南方降水的重要因子，例如熱帶印度洋的海溫偏高，激發(fā)出近地層異常氣旋性環(huán)流，其東側(cè)的異常偏南風向北輸送大量水汽，有利于我國南方地區(qū)降水增多［15-16］；冬季北大西洋海溫三極子指數(shù)為負時，有利于次年夏季烏拉爾山高壓脊發(fā)展，東亞夏季風偏弱，有利于長江中下游及其以南地區(qū)降水偏多［17］。

2019年7月上半月我國南方地區(qū)出現(xiàn)異常降水，其累計降水量大、影響范圍廣、持續(xù)時間長，異常降水導致湖南、江西、福建等地出現(xiàn)較嚴重的洪澇災害，許多農(nóng)田受淹、農(nóng)業(yè)設施受損，給災區(qū)群眾生產(chǎn)生活帶來了嚴重影響［18-20］。本文針對2019年7月上半月我國南方地區(qū)的異常降水，選用非地轉(zhuǎn)濕Q矢量診斷方法（一種對持續(xù)性降水定量診斷分析十分有效的方法）［21］，開展定量診斷分析，以期揭示2019年7月上半月我國南方降水異常的形成機理，為我國南方地區(qū)7月上半月的降水預測提供參考。

1 研究區(qū)域

本文研究區(qū)域為中國南方地區(qū)（110°E—120°E，25°N—30°N），包括湖南、江西、福建、浙江等地，是我國雙季稻的主要產(chǎn)區(qū)，水稻產(chǎn)量和播種面積位居全國前列，在我國糧食安全中有至關重要的作用。7月上半月是該地區(qū)雙季早稻成熟收割時期，持續(xù)性降水會使早稻谷穗發(fā)芽或倒伏。2019年7月上半月該地區(qū)出現(xiàn)了降水異常，從7月1—15日中國區(qū)域降水量及降水距平百分率空間分布（圖略）可以看到，該地區(qū)降水量超過200 mm、降水距平百分率超過200%，累計降水量大、影響范圍廣、持續(xù)時間長，給當?shù)卦绲镜钠焚|(zhì)和產(chǎn)量帶來了嚴重影響。因此，主要針對2019年7月上半月中國南方地區(qū)降水異常進行分析。

2 資料

利用國家氣象信息中心提供的中國區(qū)域約2400個國家地面氣象站1981—2010年及2019年7月1—31日逐日降水量進行降水實況分析。選用美國國家環(huán)境預報中心和大氣研究中心（National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research，NCEP/NCAR）提供的再分析資料，具體為：（1）水平分辨率為2.5°×2.5°的1981—2010年及2019年7月1—15日逐日再分析資料，包括850～200 hPa風場和位勢高度場、700 hPa比濕，用于大氣環(huán)流分析；（2）水平分辨率為1°×1°的2019年7月1—15日 逐6 h FNL（final operational global analysis）全球分析資料，包括850～500 hPa風場、溫度場、垂直速度、相對濕度等，用于定量診斷分析。選用美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）提供的水平分辨率為2°×2°的1981—2010年及2019年7月1—15日ERSST v5海表溫度資料，用于海溫異常分析。各種資料的氣候平均態(tài)均為1981—2010年平均。

3 2019年7月南方地區(qū)降水分布及環(huán)流形勢

3.1 7月降水分布

圖1為2019年7月南方地區(qū)區(qū)域平均降水量的逐日變化。可以看出，降水主要發(fā)生在7月1—15日，其中3—9日和12—14日先后出現(xiàn)兩次強降水集中時段，且9日區(qū)域平均降水量超過40 mm。由于降水范圍廣、強度大，且第二次強降水集中時段的降水范圍與第一次強降雨區(qū)重疊度高，導致湖南、江西、福建多地出現(xiàn)較為嚴重的洪澇災害。7月15日隨著西太副高北跳并控制我國南方地區(qū)，集中降水期結(jié)束，并出現(xiàn)持續(xù)高溫天氣。

圖1 2019年7月南方地區(qū)區(qū)域平均逐日降水量Fig.1 The average daily precipitation in the southern China in July 2019

3.2 7月上半月大尺度環(huán)流形勢

圖2 2019年7月上半月500 hPa（a）、200 hPa（b）、850 hPa（c）、700 hPa（d）位勢高度場（a、b、c，黑色等值線，單位：gpm）、位勢高度距平場（a，彩色填色區(qū)，單位：gpm）、散度距平場（b，彩色填色區(qū)，單位：10-6s-1）、風場距平（c，箭矢，單位：m·s-1）、水汽通量距平（d，箭矢，單位：10-3g·hPa-1·cm-1·s-1）及水汽通量散度距平場（d，灰色填色區(qū)為水汽輻合區(qū)，單位：10-8g·hPa-1·cm-2·s-1）（紅色實線分別為氣候平均態(tài)5880 gpm線及12 500 gpm線）Fig.2 The geopotential height fields（a，b，c，black isolines，Unit：gpm），geopotential height anomaly field（a，color shaded areas，Unit：gpm），divergence anomaly field（b，color shaded areas，Unit：10-6 s-1），wind anomaly field（c，vectors，Unit：m·s-1），water vapor flux anomaly field（d，vectors，Unit：10-3g·hPa-1·cm-1·s-1）and water vapor flux divergence anomaly field（d，grey shaded areas represents convergence areas，Unit：10-8g·hPa-1·cm-2·s-1）at 500 hPa（a），200 hPa（b），850 hPa（c）and 700 hPa（d）in the first half of July in 2019（The red solid lines are 5880 gpm line and 12 500 gpm line of climate mean state，respectively）

2019年7月上半月500 hPa位勢高度場［圖2（a）］顯示，歐亞中高緯地區(qū)為“兩槽一脊”型，其中高壓脊位于貝加爾湖附近，低壓槽分別位于烏拉爾山和鄂霍茨克海附近。中低緯地區(qū)，西太副高脊線位于20°N附近，較常年同期偏南5°N左右，5880 gpm線西脊點位于117°E附近，較常年同期偏西4°E。在貝加爾湖高壓脊與西太副高之間，有一東北—西南向的低壓槽從我國東北一直延伸至江南地區(qū)。我國中東部至日本東部海洋地區(qū)為位勢高度負異常區(qū)，負異常中心位于渤海附近。位勢高度負異常區(qū)正好位于500 hPa位勢高度場的槽線附近，表明2019年7月上半月我國中東部地區(qū)的低壓槽明顯偏強。偏強偏南偏西的西太副高和偏強的低壓槽有利于來自南海及西太平洋的暖濕氣流和低壓槽后干冷的西北氣流在江南地區(qū)交匯。200 hPa南亞高壓脊線在25°N附近，與氣候平均態(tài)相比明顯偏南，南亞高壓的東脊點（12 500 gpm等值線）位于150°E附近，較常年同期偏東約12°E［圖2（b）］。受南亞高壓偏南偏東影響，7月上半月主雨帶集中于我國南方地區(qū)。華南至江南地區(qū)高空（200 hPa）輻散明顯偏強，有利于中低層上升運動加強。受中層（500 hPa）我國中東部地區(qū)異常偏強的低壓槽影響，低層（850 hPa）風場距平顯示華南至日本南部地區(qū)出現(xiàn)明顯的氣旋性環(huán)流［圖2（c）］，氣旋性環(huán)流南側(cè)正好位于南海低壓槽前，導致我國南方地區(qū)風場輻合，且該區(qū)域上空存在水汽異常輻合區(qū)［圖2（d）］，有利于強降水出現(xiàn)。綜上所述，2019年7月上半月高層南亞高壓偏南偏東、中層西太副高偏強偏南偏西、我國中東部地區(qū)異常偏強的低壓槽、低層江南華南地區(qū)位勢高度場偏弱共同造成該時段南方地區(qū)的異常持續(xù)性降水。

4 診斷分析

Q矢量是診斷垂直運動的常用方法之一，為考慮非絕熱加熱作用，姚秀萍等［21］還提出了非地轉(zhuǎn)Q*=(Qx*,Qy*)矢量，其中Qx*、Qy*分別是x和y方向的非地轉(zhuǎn)濕Q矢量分量，具體公式如下：

在運用非地轉(zhuǎn)濕Q矢量散度分解熱力、動力因子前，首先需要檢驗非地轉(zhuǎn)濕Q矢量散度與垂直速度的關系，如果非地轉(zhuǎn)Q矢量散度與相應時刻的垂直速度對應關系較好，則說明診斷結(jié)果可信。

降水是由富含水汽的空氣抬升冷卻凝結(jié)而成，抬升（上升）運動是降水發(fā)生的必要條件。圖3為2019年7月上半月南方地區(qū)平均500 hPa垂直速度、850～550 hPa平均非地轉(zhuǎn)濕Q矢量散度及其3個分量的逐6 h演變?？梢钥闯觯?019年7月上半月我國南方地區(qū)存在強烈的上升運動（垂直速度小于0 Pa·s-1），且垂直速度與降水的相關系數(shù)達-0.82（通過α＝0.01的顯著性檢驗）。可見，對垂直運動（特別是上升運動）進行診斷可以揭示2019年7月上半月我國南方地區(qū)降水偏多的原因。

圖3 2019年7月上半月中國南方地區(qū)500 hPa平均垂直速度、850～550 hPa平均非地轉(zhuǎn)濕Q矢量散度及其3個分量的逐6 h演變Fig.3 The 6-hourly variation of 500 hPa regional mean vertical velocity，mean ageostrophic wet Q-vector divergence from 850 hPa to 550 hPa and its three components over the southern China in the first half of July in 2019

由2019年7月1—15日南方地區(qū)500 hPa（無輻散層）平均垂直速度逐6 h演變看出，3—9日和12—14日該區(qū)域上空垂直速度出現(xiàn)明顯負值，與圖1中降水集中期正好對應，說明通過診斷垂直運動來診斷降水成因可信。由于500 hPa垂直速度主要是中低層非地轉(zhuǎn)濕Q矢量散度的整體體現(xiàn)，因此由2019年7月上半月南方地區(qū)中低層（850～550 hPa）非地轉(zhuǎn)濕Q矢量散度平均值逐6 h演變看出，非地轉(zhuǎn)濕Q矢量散度與垂直速度變化較為一致，兩者相關系數(shù)達0.80（通過α＝0.05的顯著性檢驗），且在降水集中期（3—9日和12—14日）非地轉(zhuǎn)濕Q矢量散度主要為負值，與上升運動（垂直速度小于0 Pa·s-1）吻合較好，表明可以用非地轉(zhuǎn)濕Q矢量散度來進一步診斷這段時期南方地區(qū)垂直運動的成因。

2019年7月1—15日非地轉(zhuǎn)濕Q矢量散度的3個分量演變（圖3）顯示，第三個分量（非絕熱加熱項）最大，起決定性作用，第一個（斜壓項）及第二個分量（溫度梯度項）數(shù)值較小，說明該時段上升運動（降水）主要由非絕熱加熱造成。大氣中的非絕熱加熱是維持大氣環(huán)流和天氣系統(tǒng)發(fā)展的主要熱力強迫因子，非絕熱加熱可以通過影響夏季風、西太副高等天氣系統(tǒng)［23-25］，進而對降水產(chǎn)生調(diào)控作用，陳桂興等［26］、鄒海波等［27］通過對夏季暴雨過程進行診斷后也得到相似的結(jié)果。

5 海溫異常及其對大氣環(huán)流的影響

非地轉(zhuǎn)濕Q矢量的診斷結(jié)果表明，造成2019年7月上半月我國南方地區(qū)異常降水的上升運動主要由非絕熱加熱造成，那是什么原因造成南方地區(qū)的非絕熱加熱強盛呢？前文大尺度環(huán)流分析表明，2019年7月上半月500 hPa我國中東部地區(qū)的低壓槽較常年深厚，西太副高較常年偏強偏南偏西。槽后的偏北干冷氣流和西太副高西北側(cè)的暖濕西南氣流在南方地區(qū)匯合，有利于暖濕空氣凝結(jié)成液態(tài)水，并釋放潛熱（即非絕熱加熱）反過來加熱大氣。我國南方地區(qū)的水汽通量呈現(xiàn)出明顯輻合，這也驗證了大氣環(huán)流異常造成的低層水汽通量輻合是2019年7月上半月我國南方地區(qū)非絕熱加熱強的主要原因之一。

我國南方地區(qū)的風場距平與水汽通量距平場非常相似（圖2），說明水汽通量的異常主要由風場異常造成，而風場異常即大氣環(huán)流異常與海表溫度等外強迫源的異常密切相關。2018—2019年發(fā)生了一次弱中部型厄爾尼諾事件［28］，2018年9月進入厄爾尼諾狀態(tài)，2019年1月達到厄爾尼諾事件標準，2019年7月結(jié)束，持續(xù)時間達10個月（2018年9月至2019年6月）。中部型厄爾尼諾事件當年夏季，對我國南方降水偏多的影響更為顯著［29-30］。2019年7月上半月海表溫度距平場［圖4（a）］顯示，從我國南海及菲律賓附近的海洋性大陸地區(qū)至赤道中東太平洋海表溫度仍然是正異常，而印度尼西亞群島鄰近海域為負異常，這在赤道西太平洋（120°E—160°E）形成了較大的水平海溫梯度，有利于越赤道氣流的形成和加強［31］，使得低層空氣在赤道以北的低空堆積輻合上升［圖4（b）］，在高層偏東風氣流的引導下向西輸送，并在80°E—120°E的高空堆積下沉，形成了一個類似于Walker cell的緯向環(huán)流。該緯向環(huán)流的下沉支位于孟加拉灣至菲律賓一帶，且異常的下沉氣流有利于激發(fā)反氣旋環(huán)流異常，使西太副高加強和南伸，增加孟加拉灣和南海向我國南方地區(qū)的水汽輸送，為2019年7月上半月我國南方地區(qū)的強降水提供有利條件。

6 結(jié)論

7月上半月正值我國南方地區(qū)雙季早稻成熟收割期，此時降水異常會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟帶來重大影響。2019年7月上半月我國南方地區(qū)出現(xiàn)較為嚴重的洪澇災害，本文對2019年7月上半月該區(qū)域降水異常進行診斷分析，得到以下結(jié)論：

（1）2019年7月上半月南方地區(qū)的異常持續(xù)性降水發(fā)生在高層南亞高壓偏南偏東、中層西太副高偏強偏南偏西及我國中東部地區(qū)異常偏強的低壓槽、低層江南華南地區(qū)位勢高度場偏弱（氣旋性環(huán)流異常）的環(huán)境中。

（2）持續(xù)性降水主要由持續(xù)性上升運動造成，2019年7月上半月，非地轉(zhuǎn)濕Q矢量3個分量中非絕熱加熱項最大，起決定性作用，說明該時段南方地區(qū)的上升運動（降水）主要由非絕熱加熱造成。

（3）2019年7月上半月南方地區(qū)的對流層低層處于水汽通量輻合區(qū)，南方地區(qū)強盛的非絕熱加熱主要由中低層強盛的水汽通量輻合造成。

（4）赤道西太平洋較大的海溫水平梯度，有利于越赤道氣流的加強，造成低層空氣在赤道以北輻合上升，上升氣流在高層偏東風作用下在80°E—120°E附近堆積下沉，形成一個類似Walker cell的緯向環(huán)流，且下沉支有利于孟加拉灣至菲律賓一帶出現(xiàn)反氣旋環(huán)流異常，增加孟加拉灣和南海向北的水汽輸送，為2019年7月上半月我國南方地區(qū)的強降水提供了有利條件。