肖志祥 盧偉萍 羅小莉
摘要 利用1979—2018年青藏高原(簡稱高原,下同)衛(wèi)星積雪數(shù)據(jù)集、華南地區(qū)261站逐日降水及ERA5再分析資料,探討了高原冬季積雪與華南前汛期降水的聯(lián)系。結(jié)果表明:1)高原西部積雪與華南前汛期降水的正相關(guān)關(guān)系最為穩(wěn)定,其主要影響前汛期的鋒面降水,對夏季風(fēng)降水的影響較小;2)華南前汛期在高原西部積雪偏多年比偏少年偏早20 d,使得前汛期降雨日數(shù)偏多,持續(xù)時間偏長,總降水量偏多,而降水強度受積雪的影響較小;3)高原積雪偏多年,積雪的冷卻作用形成了低層異常反氣旋環(huán)流,而東亞沿岸為“+-+”的位勢高度異常,中緯度“西高東低”的環(huán)流配置有利于中高緯冷空氣南侵,使得華南上空溫度偏低,同時偏強偏南的西太平洋副熱帶高壓加強了低緯地區(qū)偏南氣流和水汽輸送。3—4月鋒面在華南北部南北擺動,4月初偏北干冷空氣南侵和偏南暖濕氣流的持續(xù)北推使得鋒面加強,觸發(fā)了前汛期的較早建立;積雪偏少年冷空氣和偏南暖濕氣流均較弱,華南北部鋒面在4月初中斷,4月中下旬華南北部鋒面在偏北弱冷空氣和偏南暖濕氣流的共同作用下重新建立,從而華南前汛期開始偏晚。
關(guān)鍵詞 青藏高原; 積雪深度; 華南前汛期; 開始日期; 鋒面
華南地區(qū)降水集中在每年4—9月,年降水量可超過2 000 mm,是我國降水最為充沛的地區(qū)之一。根據(jù)影響天氣系統(tǒng)的差異和不同氣候特征,華南雨季可劃分為前汛期(4—6月)和后汛期(7—9月)(李江南等,2002;池艷珍等,2005;強學(xué)民和楊修群,2008)。前汛期降水占全年降水量的40%~50%,且降水強度大,是華南地區(qū)大范圍洪澇災(zāi)害發(fā)生的主要時段(Luo,2017)。前汛期強降水常發(fā)生在鋒前200~300 km的暖區(qū),具有顯著的“暖區(qū)暴雨”特征(黃士松等,1986)。前汛期暖區(qū)暴雨可在無明顯天氣尺度系統(tǒng)強迫的低空偏南氣流(Wang et al.,2014;Li et al.,2021)發(fā)生,雙低空急流的作用也可使得降水量顯著增強(智協(xié)飛等,2022)。此外,數(shù)值模式預(yù)報結(jié)果容易受到華南復(fù)雜地形的影響(陳靜等,2022)。因此,華南前汛期強降水日常業(yè)務(wù)預(yù)報極為困難,有時事后也難以系統(tǒng)解釋(林良勛,2006),華南前汛期降水是業(yè)務(wù)預(yù)報和氣象研究中的難點之一。
華南前汛期降水的復(fù)雜性還體現(xiàn)在不同階段環(huán)流特征、降水性質(zhì)的差異上。夏季風(fēng)爆發(fā)前后,華南地區(qū)水汽源地、大氣環(huán)流、熱力狀況等均有較大不同,使得季風(fēng)爆發(fā)前后兩個時段的降水特征也明顯不同(Li et al.,2020)。池艷珍等(2005)指出前汛期鋒面降水主要集中在4月,這期間華南大氣層結(jié)穩(wěn)定,西北太平洋副熱帶高壓南側(cè)西南暖濕氣流和北方冷空氣是影響降水的兩個主要系統(tǒng);而夏季風(fēng)降水集中在6月,此時大氣層結(jié)不穩(wěn)定且對流非常旺盛,以孟加拉灣、中南半島和越赤道氣流影響為主。李春暉等(2007)認為前汛期初期主要是鋒面降水過程,當南海夏季風(fēng)爆發(fā)推進到華南上空時又形成了另一個峰值降水,不宜將華南前汛期降水作為一個整體進行研究。因此,前人通過華南上空高層風(fēng)場、低層假相當位溫、南海夏季風(fēng)爆發(fā)時間等動力和熱力途徑將前汛期降水劃分為鋒面降水和夏季風(fēng)降水(鄭彬等,2006;馬玉坤等,2015;Jiang et al.,2017;劉亞楠等,2019)。此外,華南春季降水還存在顯著的年代際變化特征,受到PDO的調(diào)控作用,但夏季風(fēng)爆發(fā)前后兩個階段降水與PDO正位相呈反相關(guān)關(guān)系(孫照渤等,2017;李麗平等,2018;李俊杰等,2022)。華南前汛期鋒面降水和夏季風(fēng)降水的劃分有助于加深對前汛期降水的理解,為提升前汛期降水預(yù)測能力提供新的思路(馬玉坤等,2015)。
青藏高原積雪是影響華南前汛期降水的一個重要陸面因子,可以將高原積雪作為華南前汛期降水的預(yù)測因子(陳烈庭和閻志新,1979;陳烈庭,1998;蔡學(xué)湛,2001)。馬慧和陳楨華(2005)指出高原前冬春積雪偏多有利于6月華南降水增多。高原3月積雪偏少(多),東印度洋出現(xiàn)異常西(東)風(fēng),有(不)利于南海夏季風(fēng)的爆發(fā)(于樂江和胡敦欣,2008),從而影響前汛期季風(fēng)降水的開始時間。然而,高原冬春積雪年際異常敏感區(qū)變化具有顯著的多尺度空間差異性(伯玥等,2014),積雪反照率的空間差異性也會造成空間非均勻的高原地表加熱,導(dǎo)致中國東部降水對高原積雪的響應(yīng)不同(王澄海和崔洋,2011;楊凱等,2017)。Wu and Qian(2003)指出高原冬季積雪存在不同的異常模態(tài),應(yīng)考慮積雪區(qū)域差異性對降水的不同影響。通過資料分析和數(shù)值模擬,Wang et al.(2017)研究發(fā)現(xiàn)高原冬春南部積雪偏多有利于長江流域和東北地區(qū)夏季降水偏多,而華南降水偏少;當高原北部積雪偏多時,華南和華北降水偏多,長江流域降水偏少。Zhao and Moore(2004)發(fā)現(xiàn)高原東部和西部積雪與印度夏季降水的關(guān)系在1985年以前是反相的,而1985年以后高原東部積雪的作用減小,西部積雪與印度夏季降水的關(guān)系由負相關(guān)轉(zhuǎn)為正相關(guān)。因此,高原積雪的空間差異性對后期的降水有著極大的影響。
綜上可見,華南前汛期降水和高原積雪存在顯著的聯(lián)系,但無論是前汛期降水還是高原積雪的時空差異性同樣顯著,以往大多數(shù)研究都將前汛期降水和高原積雪作為一個整體來考慮。為加深對高原積雪與華南前汛期降水的聯(lián)系,減小作為前期預(yù)測因子的高原冬季積雪對前汛期降水預(yù)測的不確定性,本文將通過資料分析找到高原前冬積雪影響華南前汛期降水的敏感區(qū),探討其與兩種不同性質(zhì)的降水的聯(lián)系及可能影響機制。
1 數(shù)據(jù)和方法
使用的數(shù)據(jù):1)青藏高原逐月衛(wèi)星積雪深度和雪水當量分別來源于國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心中國雪深長時間序列數(shù)據(jù)集(Che et al.,2008)和美國國家冰雪數(shù)據(jù)中心(Armstrong et al.,2005),水平分辨率均為25 km。這兩套積雪數(shù)據(jù)集可有效反映高原積雪異常信號,在高原積雪氣候效應(yīng)的研究中已得到廣泛引用(Liu et al.,2014;Bao and You,2019;Chen et al.,2020)。2)中國氣象局國家氣象信息中心提供的華南261個地面氣象站逐日降水數(shù)據(jù),其中廣西、廣東、海南和福建分別有90、86、66和19站(圖1a黑色圓點)。3)歐洲中期天氣預(yù)報中心第五代逐日全球再分析資料(ERA5;Hersbach et al.,2020),空間分辨率為1°×1°。4)國家氣候中心提供的華南前汛期開始、結(jié)束時間和總降水量(中國氣象局,2017)。雪水當量時間長度為1979—2007年,其余數(shù)據(jù)時間長度均為1979—2018年。本文取前一年12月和當年1—2月共3 mon平均為冬季。
華南前汛期降水由鋒面降水和季風(fēng)降水兩種不同性質(zhì)的降水組成。有些研究(Jiang et al.,2017;劉亞楠等,2019)直接采用南海夏季風(fēng)爆發(fā)日期作為劃分依據(jù),但通常南海夏季風(fēng)爆發(fā)后北推到華南地區(qū)仍需1—2侯,甚至更長時間(鄭彬等,2007;馬玉坤等,2015)。因此,本文采用鄭彬等(2007)考慮華南上空環(huán)流轉(zhuǎn)換的劃分方法,使得兩類降水的劃分更為合理,即華南上空(110°~120°E,20°~23°N)100 hPa緯向風(fēng)由西風(fēng)轉(zhuǎn)為東風(fēng)并穩(wěn)定維持5 d以上。值得注意的是這里劃分的鋒面降水和夏季風(fēng)降水是基于華南地區(qū)大氣環(huán)流差異進行劃分,與一般天氣過程區(qū)分的鋒面降水、暖區(qū)降水(黃士松等,1986)有所區(qū)別。本文利用ERA5再分析資料和該判據(jù)計算獲得每一年季風(fēng)降水的開始時間,將發(fā)生在前汛期開始時間和季風(fēng)降水開始時間之間的降水劃分為鋒面降水,季風(fēng)降水開始時間到前汛期結(jié)束之間的降水記為季風(fēng)降水。合成分析和相關(guān)系數(shù)的顯著性檢驗均采用t檢驗方法。
2 高原積雪與華南前汛期降水的聯(lián)系
圖1b為高原冬季積雪深度的空間分布??梢钥吹礁咴痉e雪存在顯著的空間差異性,高原中部及東北部是積雪較少的區(qū)域,而80°E以西和東南部是積雪最深的兩個地區(qū),氣候平均最大雪深超過20 cm。圖2為1979—2018年華南前汛期開始、結(jié)束、季風(fēng)降水開始時間及年總降水量的時間序列。這幾個量都存在顯著的年際變化特征,開始時間有略微推遲的趨勢。華南前汛期平均在4月7日開始,7月4日結(jié)束,平均持續(xù)時間為89 d,年平均降水量為709.39 mm,季風(fēng)降水平均在5月28日開始。
為了解華南前汛期降水與高原冬季積雪的關(guān)系,將前汛期開始時間、持續(xù)時間和總降水量分別與前冬積雪求相關(guān)(圖3)??梢钥吹礁咴鞑亢蜄|南部這兩個區(qū)域的積雪與華南前汛期的關(guān)系最顯著。當這兩個區(qū)域的積雪偏多時,華南前汛期開始時間偏早(圖3a),持續(xù)時間偏長(圖3c),總降水量偏多(圖3e)。當高原積雪和前汛期各變量的長期趨勢去除后,高原西部的顯著相關(guān)區(qū)仍然穩(wěn)定存在,而高原東南部的顯著面積明顯減少,相關(guān)系數(shù)減小(圖3b、d、f)。因此,高原東南部和中北部積雪與華南前汛期降水的關(guān)系并不穩(wěn)定,而高原西部積雪是與前汛期降水關(guān)系最為穩(wěn)定的前期信號。
選取兩個顯著區(qū)域(圖3a兩個紅色方框)分別代表高原西部和東南部,并與華南前汛期降水求相關(guān)(表1)。去除長期趨勢后,高原西部積雪深度與華南前汛期開始時間、持續(xù)時間和總降水量的相關(guān)系數(shù)有所減小,但仍通過了置信度為99%的顯著性檢驗。而高原東南部積雪在去除長期趨勢后僅與華南總降水量顯著相關(guān)。無論是高原西部還是東南部積雪,都與前汛期的結(jié)束時間無顯著的相關(guān)性,說明高原積雪主要影響前汛期的開始時間,從而使得前汛期持續(xù)時間增長。當前高原積雪產(chǎn)品仍存在一定的不確定性,為了進一步明確高原冬季積雪與華南前汛期的聯(lián)系,用這兩個區(qū)域1979—2007年衛(wèi)星雪水當量分別與前汛期開始時間、持續(xù)時間和降水量計算相關(guān)系數(shù)(表1),得到的結(jié)論與積雪深度一致,驗證了高原西部積雪是與華南前汛期聯(lián)系最為緊密的區(qū)域。相對而言積雪深度與前汛期降水的關(guān)系更穩(wěn)定(表1),時間也更長(1979—2018年),樣本量更多。因此,后文的分析主要討論高原西部積雪深度與華南前汛期降水的聯(lián)系。
3 高原積雪典型年份華南前汛期降水特征
華南前汛期降水由鋒面降水和夏季風(fēng)降水兩部分組成(鄭彬等,2006)。圖4給出了高原西部積雪深度、華南前汛期鋒面降水和季風(fēng)降水的標準化時間序列。將華南前汛期降水分為兩部分后,積雪與華南鋒面降水的相關(guān)系數(shù)為0.36(通過95%置信度的顯著性水平檢驗),而與季風(fēng)降水的相關(guān)系數(shù)僅為0.13,說明鋒面降水與高原積雪的關(guān)系更為密切,受積雪的影響更大,而季風(fēng)降水受積雪的影響較小。選取超過積雪深度±0.8個標準差的年份作為典型年份,獲得10 a多雪年(1982、1983、1986、1995、2001、2007、2010、2012、2013和2016年)和7 a少雪年(1980、1988、1991、1999、2011、2017、2018年)。
在多雪年,前汛期平均開始時間為4月3日,較氣候態(tài)提前4 d,而在少雪年前汛期平均開始時間為4月23日,較氣候態(tài)偏晚16 d。多雪年和少雪年季風(fēng)降水開始時間分別為5月26日和24日,相差不大。前汛期開始時間的差異使得多雪年平均鋒面降水時長比少雪年多21.8 d。圖5為高原積雪典型年份華南前汛期降水日數(shù)和日降水量合成差值場??梢钥吹?,在多雪年華南前汛期降雨日數(shù)明顯比少雪年偏多,福建、廣東和廣西東北部偏多16 d以上,廣西西南部和海南地區(qū)在8 d以下(圖5a)。這主要是鋒面降水日數(shù)(圖5c)偏多的貢獻,季風(fēng)降雨日數(shù)雖然也偏多(圖5e),但并不顯著。從日平均降水量看(圖5b—f),總降水和季風(fēng)降水日平均降水量略有增強,而鋒面日平均降水略微減弱,但均沒有通過顯著性檢驗。此外,通過對小雨、中雨、大雨和暴雨日數(shù)和日降水量的統(tǒng)計也發(fā)現(xiàn)主要是鋒面降水期間各量級降雨日數(shù)的明顯增多,日平均降水量也無顯著差異(圖略)。可見,高原多雪年有利于華南前汛期開始提前,使得華南降水日數(shù)增多,積雪對降水強度的影響較小。
在高原多雪年華南降雨強度無明顯變化的情況下,降雨日數(shù)的顯著增多必然導(dǎo)致前汛期降水量的增多。伍紅雨等(2015)也指出華南開汛偏早有利于降水偏多。在多雪年,福建、廣東大部和廣西東部地區(qū)前汛期鋒面降水量均在450 mm以上(圖6a),比少雪年(圖6b)偏多150 mm以上,季風(fēng)降水量的差異在100 mm以內(nèi)。多雪年鋒面降水量的增多使得華南大部地區(qū)鋒面降水比例超過50%,但廣西西部和海南仍以季風(fēng)降水為主(圖6e)。在少雪年(圖6f),僅廣東北部為以鋒面降水為主,其余地區(qū)則以季風(fēng)降水為主。
4 高原積雪異常對華南開汛的影響
上述分析表明,高原西部積雪的異常主要是有利于華南前汛期開始時間提前,從而導(dǎo)致了降水日數(shù)和降水總量的顯著增多。那么高原積雪是通過什么途徑觸發(fā)了華南前汛期較早開始呢?
高原積雪偏多,可以通過水文效應(yīng)和反照率效應(yīng)使得高原陸面加熱減弱(張順利和陶詩言,2001;Wang et al.,2017),積雪的冷卻作用在低空形成異常的反氣旋環(huán)流(圖7a)。吳樹炎等(2018)指出高原多雪年西太平洋地區(qū)500 hPa位勢高度距平為“ +-+”的三極型分布,副高位置異常偏南,且北移明顯推遲(陳烈庭,2001)。圖7a可以看到3月西太平洋地區(qū)500 hPa也存在“ +-+”的三極型位勢高度異常,西高東低的環(huán)流形勢使得中國東部偏北氣流明顯增強(圖7a)。一方面西高東低的環(huán)流配置有利于偏北氣流將冷空氣往低緯輸送,另一方面西太平洋副熱帶高壓偏強偏南有利于華南沿岸低層西南氣流加強,持續(xù)為華南輸送水汽(圖7b)。這樣的大氣環(huán)流形勢有利于冷暖空氣在華南上空交匯從而形成鋒面。華南前汛期降水及其建立與冷暖空氣活動形成的鋒面密切相關(guān)(強學(xué)民和楊修群,2008;羅艷艷等,2015)。到了4月初(19侯),偏北干冷空氣和偏南暖濕氣流在華南上空交匯更加明顯,有利于形成降水,從而激發(fā)前汛期較早建立(圖7c)。
冷空氣和暖濕空氣活動特征可進一步用500 hPa平均偏北風(fēng)和850 hPa上336 K假相當位溫表示(羅艷艷等,2015)。高原多雪年,中高緯地區(qū)3月500 hPa偏北風(fēng)可超過10 m·s -1,且可維持到4月中旬(圖8a)。而少雪年中高緯地區(qū)偏北風(fēng)從3月中旬到4月中旬基本維持在8 m·s -1以下(圖8b)。多雪年4月以前中高緯地區(qū)偏北風(fēng)比少雪年大4 m·s -1(圖8c),一股股冷空氣的南侵使得多雪年華南上空溫度較少雪年明顯偏低。500 hPa上-5 ℃(-10 ℃)等溫線維持在16°N(26°N)超過一個月,而在少雪年-5 ℃等溫線維持在18°N以北,-10 ℃等溫線在26°N以北。由于多雪年華南上空溫度較低,當?shù)蛯优瘽窨諝猓?36 K假相當位溫線)在4月初第一次向北推進到20°N時,此時華南上空850 hPa假相當位溫比少雪年偏高4 K以上(圖8d),冷暖空氣的交匯有利于垂直運動發(fā)展,觸發(fā)了華南前汛期的開始(圖8a)。在少雪年,當暖濕偏南氣流在4月中旬第一次北推到20°N時,由于冷空氣活動偏弱,華南前汛期仍未能開始。
華南地區(qū)鋒面更能清楚表現(xiàn)冷暖空氣交匯的特征,而假相當位溫具有良好的動力學(xué)和熱力學(xué)意義,對鋒區(qū)的指示作用明顯(李真光等,1988;陳翔翔等,2012)。因此,使用850 hPa的緯向梯度密集帶代表鋒區(qū)。高原多雪年,華南北部的鋒面在26°N附近南北擺動,表明冷暖空氣活躍,交替進退,其中心可南壓到25°N,鋒面在3—5月都較為活躍(圖9a)。當4月初,華南上空對流活躍,垂直速度( -0.05 Pa·s -1)第一次向上延伸到700 hPa以上時華南開汛(圖9c)。雖然少雪年華南北部鋒區(qū)在4月以前較多雪年強,但其中心一直穩(wěn)定維持在偏北(26°N)位置,且沒有南北擺動的特征(圖9b),說明冷暖空氣日際活動不明顯、不活躍。4月初冷空氣進一步減弱且偏南暖濕氣流也未能加強(圖8b),華南北部鋒面消失。4月中旬偏北冷空氣和偏南暖濕氣流活動增強后鋒區(qū)在28°N附近重新建立(圖9b)。隨著偏北冷空氣的進一步增強和偏南暖濕氣流持續(xù)北推(圖8b),鋒區(qū)逐漸南壓到26°N,此時華南上空垂直速度急速增大(圖9d),華南前汛期在4月下旬開始。從多雪年和少雪年假相當位溫緯向梯度(圖9e)和垂直速度(圖9f)的差異看,4月初假相當位溫緯向梯度在高原多雪年自北向南有明顯增強的趨勢,并且在華南北部(25°~26°N)位溫梯度異常最強。與此同時,華南上空整層垂直上升運動顯著增強,并且向上延伸到300 hPa,有利于高原多雪年華南前汛期開始偏早。
5 結(jié)論
本文研究了1979—2018年高原前冬積雪與華南前汛期降水的關(guān)系,初步探討了高原積雪對前汛期鋒面降水和季風(fēng)降水的影響,主要結(jié)論如下:
1)高原西部(63°~77°E,33°~40°N)冬季積雪與華南前汛期降水的關(guān)系最穩(wěn)定。高原西部積雪偏多,有利于華南前汛期開汛偏早,持續(xù)時間偏長,降水量偏多。
2)高原西部多雪年,華南前汛期開汛日期較積雪偏少年提前20 d,而季風(fēng)降水開始時間差異不大。積雪使華南開汛日期提前,從而主要影響了華南前汛期鋒面降水日數(shù),對降水強度和季風(fēng)降水的影響均較小。多雪年華南大部地區(qū)以鋒面降水量為主,鋒面降水量較少雪年偏多150 mm以上。
3)高原西部多雪年,積雪的冷卻作用在高原西部低層形成反氣旋異常環(huán)流,而中國東部沿岸為“ +-+”的位勢高度異常?!拔鞲邧|低”的環(huán)流配置使得中國東部地區(qū)偏北冷空氣活躍,華南上空氣溫偏低。偏南偏強的西太平洋副熱帶高壓增強了低層偏南暖濕氣流,鋒面在華南北部(26°N)南北擺動。4月初,850 hPa假相當位溫線(336 K)第一次北推到20°N以北時,冷暖空氣的交匯就觸發(fā)了華南較早開汛。而在少雪年,中國東部地區(qū)冷空氣和低緯偏南暖濕氣流均較弱,華南北部鋒面在4月初中斷,不利于華南開汛。4月中下旬,中高緯冷空氣和低緯暖濕氣流再次活躍,暖濕空氣的持續(xù)北推使得華南北部鋒面重新建立,當鋒面南壓到25°N華南前汛期開始。
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Based on satellite-derived snow depth (SD) over the Tibetan Plateau (TP),daily rainfall data from 261 meteorological stations in South China (SC),and the ERA-5 reanalysis dataset during 1979—2018,the relationships between TP winter snow depth and precipitation during the first rainy season (FRS) in SC are investigated in this study.The results show that:1) The connections between SD over the western TP and precipitation during the FRS in SC are the most robust,and TP SD mainly affects frontal precipitation during the FSR,whereas it shows less impact on summer monsoonal rainfall.2) The onset date of the FRS in above-normal TP snow years is about 20 days earlier than that in below-normal snow years,leading to more rainy days,a longer FRS,and more rainfall during the FRS.However,rainfall intensity during the FRS shows little difference between different types of TP snow years.3) The TP is colder in an above-normal snow year,and the cooling effect stimulates abnormal anticyclonic circulation over the TP.However,tripole anomaly patterns of the 500 hPa geopotential height occur in the East Asian coastal region.The circulation configurations facilitate cold air invading SC in middle-high latitude regions,making SC colder.The enhanced northwest Pacific subtropical high intensifies the low-level southerly flow and water vapor supplement.The front swings northward-southward in northern SC during March and April.The FRS is established once the dry,cold,northerly flow and the warm,wet,southerly flow invade the SC in early April.In below-normal TP snow years,both the cold northerly and warm southerly flow are weak and inactive,and the front over northern SC is interrupted in early April.When the northerly and southerly flow invades the SC in mid-to-late April,the front is reverted and the FRS in the SC occurs later.
Tibetan Plateau;snow depth;the first rainy season in South China;onset date;frontal
doi:10.13878/j.cnki.dqkxxb.20220503001
(責(zé)任編輯:袁東敏)