西風(fēng)季風(fēng)協(xié)同作用對(duì)云南春末5月降水的影響

馮亮亮 , 華 維,2

（1. 成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院/高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/四川省氣象災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警工程實(shí)驗(yàn)室,成都 610225；2. 中國科學(xué)院大氣物理研究所竺可楨—南森國際研究中心, 北京 100029）

引言

云南地處我國西南，境內(nèi)山脈縱橫，地形復(fù)雜，氣候干濕分明。冬季，云南天氣氣候同時(shí)受南支西風(fēng)、東亞冬季風(fēng)和高原冬季風(fēng)的共同作用，而夏季云南則主要受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)以及中高緯天氣系統(tǒng)的協(xié)同影響[1]。春末5月是北半球冬季環(huán)流型向夏季環(huán)流型轉(zhuǎn)換的過渡期[2]，也被認(rèn)為是多數(shù)季風(fēng)區(qū)雨季的開始期[3]，5月雨量的多寡可在很大程度上對(duì)區(qū)域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

已有研究[4]表明，云南春末5月降雨量存在明顯的年際變化，降雨量最多的年份可超過300 mm，而最少的年份5月降水僅有8 mm。與此同時(shí)，對(duì)云南5月降水長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的研究也發(fā)現(xiàn)云南5月雨量存在顯著的年代際轉(zhuǎn)折突變，但在年際尺度上并不明顯[5]。梁家昌等[6]進(jìn)一步對(duì)云南5月降水的變化特征進(jìn)行分析后指出，云南5月降水量的增加趨勢(shì)同樣存在明顯的空間差異，主要表現(xiàn)為云南西北部降水呈顯著的增加趨勢(shì)，其原因主要與雨強(qiáng)的空間變化有關(guān)。對(duì)云南5月降水量的經(jīng)驗(yàn)正交分解表明，云南5月降水的空間分布主要呈全區(qū)一致型，且方差占比高，大值中心主要分布在滇南和滇西南地區(qū)[7]。嚴(yán)華生等[4]研究了與云南5月降水相關(guān)的天氣成因和大氣環(huán)流背景，并指出赤道輻合帶、南亞高壓、西太副高以及大氣環(huán)流季節(jié)性轉(zhuǎn)換等因素是影響降水多寡的重要因素。肖子牛等[8]發(fā)現(xiàn)前期4月印度洋赤道地區(qū)的低頻信號(hào)東傳能夠顯著影響云南季風(fēng)建立的早晚和降水量的變化。鄭建萌等[9]認(rèn)為云南不同地區(qū)5月降水量與全球不同地區(qū)海表溫度的聯(lián)系差異明顯。張瑾文等[10]從大氣環(huán)流的角度出發(fā)分析了前期南半球大氣環(huán)流對(duì)云南5月降水的影響，并指出南半球西風(fēng)帶位勢(shì)異常與云南5月降水的多寡有關(guān)。何媛等[11]用小波凝聚譜方法討論北極濤動(dòng)與北半球雪蓋的位相特征，并討論了兩者的變化與云南5月降水的關(guān)系。李汀等[12]研究了熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩不同位相下云南5月降雨量的差異，并指出熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩的東傳導(dǎo)致熱帶對(duì)流北傳，從而影響著云南5月降水。可見，影響云南5月降水的因素十分復(fù)雜：一方面5月是云南干濕季轉(zhuǎn)換期，在干季主要受西風(fēng)氣流影響，而濕季西風(fēng)氣流減弱至消失，西南季風(fēng)爆發(fā)帶來大量水汽，這種大氣環(huán)流的季節(jié)性轉(zhuǎn)變直接或間接影響著各環(huán)流系統(tǒng)的演變；另一方面，不同影響因子在不同時(shí)間尺度上的相互作用造成了云南春末5月降水的復(fù)雜性。

綜上所述，對(duì)于云南春季5月降水的時(shí)空特征和影響機(jī)理的研究已取得了豐富的成果，深化了對(duì)我國西南地區(qū)氣候變化的認(rèn)識(shí)。然而，由于云南地理位置的特殊性，春季尤其春末5月往往受到青藏高原南側(cè)南支西風(fēng)以及西南季風(fēng)與東南季風(fēng)的共同作用，其降水的時(shí)空變化特征及其影響機(jī)理較為復(fù)雜[13～14]。因此，有必要對(duì)其進(jìn)行深入分析。本文選取1961～2020年近60 a 高分辨率格點(diǎn)降水量資料和大氣環(huán)流再分析資料，通過多種統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)云南春末5月降水的時(shí)空變化特征及其與西風(fēng)、季風(fēng)協(xié)同作用的關(guān)系進(jìn)行研究，以期加深對(duì)云南春季降水規(guī)律和影響機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

1 資料和方法

1.1 資料

本文所用大氣環(huán)流場(chǎng)資料為歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心提供的第五代全球再分析資料（ERA5）[15]，時(shí)間范圍選取1961～2020年，資料水平分辨率0.25°×0.25°，包括月平均緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)、垂直速度、位勢(shì)高度和水汽通量等要素。

降水量資料采用吳佳等[16]利用中國境內(nèi)2400 多個(gè)氣象臺(tái)站降水量觀測(cè)資料插值得到的CN05.1 逐日格點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)集，該資料水平分辨率為0.25°×0.25°，采用距平逼近法，由氣候場(chǎng)和距平場(chǎng)分別插值后疊加獲得。

1.2 方法

本文所用統(tǒng)計(jì)分析方法包括經(jīng)驗(yàn)正交分解（Empirical Orthogonal Function，簡(jiǎn)稱EOF）、相關(guān)分析、合成分析以及回歸分析等。基于Song 等[17]定義的西風(fēng)季風(fēng)協(xié)同指數(shù)（Westerly-monsoon interplay index，簡(jiǎn)稱IWMI）分析西風(fēng)季風(fēng)協(xié)同作用對(duì)云南春末5月降水的影響，具體計(jì)算公式如下：

式中：r1、r2分別代表西風(fēng)指數(shù)（Westerly index，簡(jiǎn)稱WI）和季風(fēng)指數(shù)（Monsoon index，簡(jiǎn)稱MI）與降水量之間的相關(guān)系數(shù)，并作為權(quán)重因子調(diào)整協(xié)同指數(shù)中季風(fēng)與西風(fēng)分量的比重。WI為標(biāo)準(zhǔn)化西風(fēng)指數(shù)，即首先選定云南5月降水序列與600 hPa 緯向風(fēng)分量相關(guān)系數(shù)超過95%水平的顯著性檢驗(yàn)區(qū)域，再將該區(qū)域內(nèi)u分量進(jìn)行面積平均，最后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后處理即得到WI。同理，選定云南5月降水序列與700 hPa 經(jīng)向風(fēng)分量的過檢區(qū)，將該區(qū)域內(nèi)v分量進(jìn)行面積平均并標(biāo)準(zhǔn)化得到季風(fēng)指數(shù)MI。該方法可將風(fēng)場(chǎng)分解為u、v分量，從而綜合考慮西風(fēng)和季風(fēng)對(duì)降水的協(xié)同影響。

2 結(jié)果分析

2.1 云南春季降水及環(huán)流特征

圖1 給出了1961～2020年云南春季逐月降水的時(shí)空變化特征。分析春季各月降水空間分布（圖1a～c）可知，由于滇西北怒江地區(qū)“雙雨季”的存在，故3月和4月滇西北地區(qū)降水較多，同時(shí)滇南地區(qū)也存在一個(gè)降水大值區(qū)，其余地區(qū)降水相對(duì)較少。進(jìn)入5月后，除滇西北地區(qū)以外，云南其余地區(qū)降水均明顯增加，尤其滇南和滇東地區(qū)降水基本達(dá)到120 mm 以上，而滇中和滇北地區(qū)則為降水低值區(qū)，降水基本介于60～80 mm。對(duì)比分析云南春季3～5月降水量標(biāo)準(zhǔn)差的空間分布（圖1d～f）可知，相較于5月，云南3～4月降水量標(biāo)準(zhǔn)差空間分布主要表現(xiàn)為滇西北和滇東南變化較大而滇中地區(qū)變化較小的特征，5月標(biāo)準(zhǔn)差則表現(xiàn)出由南向北逐步增大的特點(diǎn)?？傮w上，降水較大區(qū)域其變異性同樣較大。進(jìn)一步分析春季各月降水量長(zhǎng)期線性趨勢(shì)的空間分布（圖1g～i）可知：近60 a 來云南3月降水除滇東南有所增加外，其余地區(qū)變化均不明顯；4月滇西南地區(qū)降水量呈顯著增加的趨勢(shì)；5月滇中地區(qū)降水有所減少，其余地區(qū)均有所增加，但總體變化趨勢(shì)并不明顯。

圖1 1961～2020年云南春季逐月（從左至右依次為3月、4月和5月）降水的時(shí)空變化特征（a～c. 降水空間分布，單位：mm；d～f. 標(biāo)準(zhǔn)差，單位：mm；g～i. 線性趨勢(shì)，打點(diǎn)區(qū)域代表通過95%水平的顯著性檢驗(yàn)，單位：mm/a）

為研究與云南春季降水相關(guān)的大氣環(huán)流特征，圖2給出了近60 a 平均的3～5月大氣環(huán)流的空間分布特征。如圖2a 所示，春季3月北半球大氣環(huán)流仍以冬季環(huán)流型為主，亞洲大陸高層主要是明顯的西風(fēng)氣流，云南上空200～850 hPa均為明顯的西風(fēng)氣流分布。如圖2b 所示，4月南亞高壓逐步北抬，云南上空西風(fēng)氣流開始減弱，但200 hPa 仍以平直的緯向西風(fēng)氣流為主。如圖2c 所示，5月200 hPa 西風(fēng)帶明顯北移，南亞高壓中心移至青藏高原，位于25°N 附近。受南亞高壓控制，高層氣流向外輻散有利于上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，而500 hPa（圖2f）云南上空由西風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為西南風(fēng)，且西風(fēng)南支槽開始形成，槽前西南風(fēng)將孟加拉灣地區(qū)的水汽向中南半島輸送。在850 hPa，4月已出現(xiàn)越赤道氣流，至5月（圖2i）索馬里越赤道氣流顯著增強(qiáng)，同時(shí)從阿拉伯海到孟加拉灣為明顯的風(fēng)速大值帶，西南季風(fēng)開始影響中南半島?？傮w來看，西風(fēng)帶北移后，云南上空中高層西風(fēng)顯著減小，而中低層西南季風(fēng)開始向云南輸送水汽。此外，孟加拉灣槽的長(zhǎng)期穩(wěn)定也是云南春末降水形成的有利因素。

圖2 近60 a 平均的春季逐月（從左至右依次為3月、4月和5月）風(fēng)場(chǎng)（矢量箭頭，單位：m/s）和高度場(chǎng)（等值線，單位：dagpm）的空間分布特征（a～c. 200 hPa，d～f. 500 hPa，g～i. 850 hPa，深色陰影代表海拔高度＞3000 m 地區(qū)）

根據(jù)上文分析可知，受西風(fēng)和季風(fēng)的共同影響，5月是云南春季降水量最大月份。為進(jìn)一步揭示近60 a云南5月降水的時(shí)空變化特征，采用EOF 方法對(duì)云南5月降水進(jìn)行分析（圖3）。云南5月降水EOF分解前5個(gè)模態(tài)累積方差貢獻(xiàn)達(dá)到89.2%，且均通過North 檢驗(yàn)[18]，其中第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)達(dá)65.4%，表明該模態(tài)能夠較好地代表云南5月降水的主要時(shí)空分布特征。因此，下面主要對(duì)云南5月降水EOF 第一模態(tài)進(jìn)行分析。由EOF 第一模態(tài)空間分布（圖3a）可知，云南5月降水表現(xiàn)出明顯的全區(qū)一致型變化特征，而對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)（圖3b）也表明，云南5月降水年際變化較為明顯，而在年代際尺度上則主要表現(xiàn)為1960s～2000s降水偏多，之后降水偏少的特點(diǎn)。

圖3 云南5月降水量EOF 分解第一模態(tài)空間分布（a）和時(shí)間系數(shù)（b）

2.2 協(xié)同指數(shù)的建立以及與云南5月降水的聯(lián)系

為分析西風(fēng)季風(fēng)對(duì)云南5月降水的協(xié)同影響，首先對(duì)云南5月降水量進(jìn)行區(qū)域平均，得到近60 a 降水年際序列，并計(jì)算該序列與600 hPa 緯向風(fēng)和700 hPa經(jīng)向風(fēng)的相關(guān)系數(shù)（圖4）。由圖4a 可知，云南5月降水與赤道印度洋上空600 hPa 緯向風(fēng)之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，而與青藏高原南部、阿拉伯海及周邊地區(qū)緯向風(fēng)為顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明云南上游地區(qū)600 hPa 西風(fēng)氣流可導(dǎo)致云南5月降水顯著減少。進(jìn)一步分析云南5月降水與700 hPa 經(jīng)向風(fēng)的相關(guān)系數(shù)分布（圖4b）可知，顯著正相關(guān)區(qū)主要位于中南半島和云南南部，表明南風(fēng)異常有利于降水增加。為建立西風(fēng)季風(fēng)協(xié)同指數(shù)，選取云南5月降水時(shí)間序列與600 hPa 緯向風(fēng)的顯著正相關(guān)區(qū)以及與700 hPa 經(jīng)向風(fēng)的顯著負(fù)相關(guān)區(qū)作為影響云南春末5月降水的關(guān)鍵區(qū)，西風(fēng)關(guān)鍵區(qū)范圍選取為60°～75°E、18°～30°N，季風(fēng)關(guān)鍵區(qū)范圍選取為95°～106°E、12°～25°N。

圖4 云南5月降水時(shí)間序列與600 hPa 緯向風(fēng)（a）和700 hPa 經(jīng)向風(fēng)（b）的相關(guān)系數(shù)分布（淺灰色陰影表示通過95%水平的顯著性檢驗(yàn)，深色陰影代表海拔高度＞3000 m 地區(qū)）

分別對(duì)西風(fēng)和季風(fēng)關(guān)鍵區(qū)風(fēng)速進(jìn)行區(qū)域平均并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到西風(fēng)指數(shù)（WI）和季風(fēng)指數(shù)（MI）序列，進(jìn)而計(jì)算出西風(fēng)季風(fēng)協(xié)同指數(shù)（IWMI）。圖5 給出了三類指數(shù)及云南5月降水量的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間曲線。如圖所示，相較于WI 和MI，IWMI能夠更好地表征云南春末5月降水的年際變化。進(jìn)一步計(jì)算WI、MI 和IWMI與云南5月降水的相關(guān)系數(shù)可知，其相關(guān)系數(shù)分別為-0.60、0.61 和0.71，均通過95%水平的顯著性檢驗(yàn)?？傮w來看，對(duì)流層低層西風(fēng)偏強(qiáng)可導(dǎo)致云南5月降水減少，而南風(fēng)增強(qiáng)則有利于云南5月降水增加。值得注意的是，相較于西風(fēng)或季風(fēng)單一指數(shù)，西風(fēng)季風(fēng)協(xié)同指數(shù)與云南5月降水量之間的相關(guān)性更好，表明西風(fēng)季風(fēng)協(xié)同指數(shù)可能對(duì)云南5月降水具有更好的指示作用。

圖5 三類指數(shù)與云南5月降水量的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列

為分析各指數(shù)對(duì)云南5月極端降水的指示性，以5月降水量標(biāo)準(zhǔn)化指數(shù)≥1 代表異常偏多年（共8年），≤-1 代表異常偏少年（共9年），其余為正常年（共43年），統(tǒng)計(jì)出降水異常偏多、偏少年以及正常年各指數(shù)與降水距平同號(hào)率（表1）。由于西風(fēng)指數(shù)與降水序列為負(fù)相關(guān)關(guān)系，為便于理解，對(duì)西風(fēng)指數(shù)乘以-1。由表可見，降水正常年和異常偏少年三類指數(shù)區(qū)別并不明顯，而降水異常偏多年IWMI與5月降水距平的同號(hào)率更高，表明相較于單一指數(shù)，該指數(shù)能夠更好地表征云南5月降水異常偏多年份。

表1 降水異常年和正常年三類指數(shù)與云南5月降水距平的同號(hào)年份數(shù)和同號(hào)率

2.3 西風(fēng)季風(fēng)協(xié)同作用對(duì)云南5月降水的影響機(jī)理

為了解西風(fēng)季風(fēng)協(xié)同作用對(duì)云南春末5月降水的影響機(jī)理，選取IWMI≥1 和≤-1 的年份為異常年對(duì)高度場(chǎng)（圖6）和風(fēng)場(chǎng)（圖7）進(jìn)行合成。在200 hPa，IWMI異常偏強(qiáng)年，青藏高原以西地區(qū)為顯著的位勢(shì)高度正異常（圖6a），對(duì)應(yīng)風(fēng)場(chǎng)上該地區(qū)為反氣旋性環(huán)流所控制，云南上空為明顯的偏北輻散氣流（圖7a），有利于上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)；IWMI異常偏弱年則與之相反，200 hPa 青藏高原以西地區(qū)為顯著的位勢(shì)高度負(fù)異常（圖6b），云南上空則以輻合氣流為主，不利于上升運(yùn)動(dòng)（圖7b）。在500 hPa，IWMI異常強(qiáng)年，青藏高原西側(cè)為顯著的位勢(shì)高度正異常區(qū)，其南側(cè)為負(fù)異常區(qū)（圖6c），與之對(duì)應(yīng)的青藏高原西側(cè)為反氣旋環(huán)流控制，其東部偏北風(fēng)經(jīng)高原東部南下到達(dá)云南南部，而阿拉伯海和孟加拉灣上空盛行西南氣流在100°E 附近與低緯異常東風(fēng)氣流交匯，并經(jīng)過中南半島向北運(yùn)動(dòng)，云南地區(qū)位于南北氣流交匯區(qū)，有利于形成降水（圖7c）；IWMI異常弱年，500 hPa 阿拉伯海和孟加拉灣存在顯著的位勢(shì)高度正異常中心（圖6d），青藏高原西側(cè)的位勢(shì)高度差值場(chǎng)也由正轉(zhuǎn)負(fù)，顯著的南北位勢(shì)梯度造成南支西風(fēng)氣流異常強(qiáng)大，導(dǎo)致云南上空為一致偏西風(fēng)控制（圖7d）。在700 hPa，IWMI異常強(qiáng)年，阿拉伯海以及孟加拉灣表現(xiàn)為氣旋性差值環(huán)流（圖7e），低層西南氣流攜帶大量水汽進(jìn)入云南南部，同時(shí)來自低緯地區(qū)的東南氣流同樣向云南東部輸送大量水汽，氣流的交匯作用有利于降水增多；而IWMI異常弱年則與之相反。

圖6 IWMI 異常偏強(qiáng)年（左）和異常偏弱年（右）位勢(shì)高度距平空間分布（a、b. 200 hPa，c、d. 500 hPa，e、f. 700 hPa，單位：gpm，淺灰色陰影表示通過95%水平的顯著性檢驗(yàn)，深色陰影代表海拔高度＞3000 m 地區(qū)）

圖7 同圖6，但為風(fēng)場(chǎng)距平（單位：m/s）

進(jìn)一步對(duì)IWMI異常年整層積分的水汽通量（圖8）和垂直運(yùn)動(dòng)場(chǎng)（圖9）進(jìn)行合成。分析水汽通量場(chǎng)可知，IWMI異常強(qiáng)年（圖8a），阿拉伯海和孟加拉灣為水汽通量大值區(qū)，存在于孟加拉灣的異常氣旋性差值環(huán)流引導(dǎo)水汽向中南半島輸送，同時(shí)在100°E 以東低緯地區(qū)也存在部分東風(fēng)水汽輸送，兩支水汽在在云南交匯形成輻合，而IWMI異常弱年正好與之相反。圖9 給出了IWMI異常年97°～106°E 平均的經(jīng)向垂直環(huán)流剖面。由圖可知，IWMI異常強(qiáng)年，云南（20°～30°N）上空存在顯著的上升運(yùn)動(dòng)，高層為異常西風(fēng)，低層則以東風(fēng)為主，而IWMI異常弱年，高低層緯向風(fēng)反向變化，盛行下沉氣流，不利于降水形成。

圖8 IWMI 異常偏強(qiáng)年（a）和異常偏弱年（b）整層積分的水汽通量距平場(chǎng)（矢量，單位：kg·m-1·s-1，淺灰色陰影表示通過95%水平的顯著性檢驗(yàn)，深色陰影代表海拔高度＞3000 m 地區(qū)）

圖9 同圖8，但為97°～106°E 平均的經(jīng)向垂直環(huán)流剖面（矢量表示垂直速度，放大100 倍，單位：m·s-1；等值線表示緯向風(fēng)距平，單位：m·s-1）

3 結(jié)論

本文基于1961～2020年降水資料CN05.1 和ERA5再分析資料，采用多種統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)近60 a 云南春季，尤其春末5月降水的時(shí)空變化特征及環(huán)流場(chǎng)進(jìn)行了分析，并通過構(gòu)建西風(fēng)指數(shù)、季風(fēng)指數(shù)和西風(fēng)季風(fēng)協(xié)同指數(shù)研究了西風(fēng)季風(fēng)協(xié)同作用對(duì)云南春末5月降水的影響，得到如下主要結(jié)論：

（1）云南5月降水是春季各月降水最多的月份，且存在明顯的年際變化，其空間分布則主要表現(xiàn)為由南向北減少的趨勢(shì)。EOF 分析也表明，云南5月降水主要表現(xiàn)出全區(qū)一致型特征。在環(huán)流場(chǎng)上，5月云南上空高層西風(fēng)氣流明顯減弱，而低層西南風(fēng)增強(qiáng)，加之南亞高壓北抬，有利于降水的形成。

（2）相較于單一的西風(fēng)指數(shù)或季風(fēng)指數(shù)，西風(fēng)季風(fēng)協(xié)同指數(shù)對(duì)云南5月降水的指示性更好，二者的相關(guān)性達(dá)到0.71，能較好反映出云南5月降水的年際波動(dòng)，同時(shí)西風(fēng)季風(fēng)協(xié)同指數(shù)對(duì)云南5月極端降水也有很好的指示性，其指數(shù)與降水距平間的同號(hào)率均高于西風(fēng)指數(shù)和季風(fēng)指數(shù)。

（3）當(dāng)西風(fēng)季風(fēng)協(xié)同作用偏強(qiáng)（弱）時(shí)，受阿拉伯海異常高（低）壓影響，云南上空以輻散（輻合）為主，有利于上升（下沉）運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，而中低層孟加拉灣主要為異常氣旋（反氣旋）控制，促進(jìn)（抑制）西南水汽向云南輸送，造成5月降水偏多（偏少）。