江淮流域人口密集、工农业发达,但受东亚季风系统、ENSO等多尺度大气环流以及外强迫信号影响,区域天气、气候变化复杂(王志毅等,2017;李丽平等,2019;王黎娟等,2020)。众多研究表明,气旋系统的生消、移动与极端天气气候事件的发生相联系(陶诗言,1980)。特别地,由于受到春季江淮气旋等天气系统的频繁影响,该地区极端强降水、持续性连阴雨以及沿海大风等灾害性天气气候事件时有发生。

随着全球再分析资料的丰富以及计算机技术的提升,当前主要通过自动识别方法研究温带气旋的长期活动以及其影响(姚素香等,2003;Zhang et al.,2012;秦育婧和卢楚翰,2017;王黎娟等,2019)。以往自动气旋识别算法主要基于个体的最低(中心)点,例如,Neu et al.(2013)比较了15种流行的气旋自动算法,有61%的算法使用了最低中心点算法。但由于许多温带气旋具有复杂的外形结构,存在多中心气旋的合并以及分裂等复杂情况,使得中心点算法对于短生命周期或者尺度较小的气旋捕捉相对困难,存在一定的不确定性。因此,以往研究主要集中在天气尺度的气旋活动,而对生命周期较短以及影响范围较小的气旋系统长期活动的研究较少。研究表明,短生命周期/次天气尺度气旋活动同样不能忽视,在部分区域相当活跃。Hewson(2009)指出在北大西洋的气旋活动中,短生命周期气旋占29%。尽管生命周期较短,但中尺度、次天气尺度气旋活动同样能引起强烈的天气。Irving et al.(2010)针对影响半径在500km以下的南半球热带外中尺度气旋的长期活动进行了自动识别和系统分析,并指出它们的活动与局地的极大风速事件有着较好的联系。

我国南方气旋以江淮气旋、西南低涡为主要代表,其水平尺度通常交斜压性较强的中纬度气旋小,中小尺度的气旋发生频繁(王黎娟等,2019)。研究表明,中尺度涡旋系统是暴雨的直接产生系统(陈忠明,1991;刘敦训和郝家学,2000)。而梁军等(2012)的研究则指出了次天气尺度气旋系统对风力的重要影响。由于此类气旋尺度较小,其影响范围较为局地,但一般移速较快(陶诗言等,1980)。西南低涡在有利条件下可一路东移影响江淮地区。Fu et al.(2015)利用模式研究大别山低涡活动发现,涡旋的几何特征和涡旋演变、对流过程、降水及环流场有关,当涡旋倾向于东西向时更容易产生强对流过程和降水。

Qin et al.(2017)利用改进的气旋区识别算法,将春季影响江淮地区的气旋按照水平尺度进行分类,发现次天气尺度气旋出现频率达68.6%,是春季影响江淮气旋最为频繁的一类,且它们的活动强度与江淮地区同期降水存在显著正相关关系。卢楚翰等(2019)则指出,天气尺度气旋同样对春季江淮区域同期降水存在显著影响,并指出江淮地区对流层低层横槽型异常环流配置有利于该地区天气尺度气旋的活动增强以及降水增多。鉴于以往对于次天气尺度气旋的长期活动及其气候效应的研究较少,且其在春季江淮地区活动频繁,影响江淮地区次天气尺度气旋活动的环流配置和影响因子并对江淮区域降水异常联系密切,值得深入研究。因此,本文拟从气候学角度分析近三十多年来次天气尺度气旋活动的变化特征以及影响其活动变化的环流异常配置,并探讨气旋活动与江淮地区同期降水的联系以及联系途径。

1 资料与方法

1.1 资料

1)利用1979—2013年春季(3、4、5月)欧洲中期天气预报中心ERA-Interim再分析资料,在捕捉气旋时使用了水平分辨率接近0.7°×0.7°(T255高斯格点)的逐日4次的850hPa位势高度场(Z₈₅₀)。此外,月平均高空风场、位势高度、温度、比湿、散度及云量等要素水平分辨率取0.75°×0.75°(Berrisford et al.,2009)。

2)降水资料取自中国气象数据网(http://data.cma.cn/data/detail/dataCode/SURF_CLI _CHN _MUL _DAY_V3.0.html)提供的中国地面气候资料日值数据集(V3.0),共824个基准、基本气象站,所选时段与1)相同。该资料经过质量控制,数据质量和完整性相对于以往发布的地面同类数据产品明显提高。

1.2 方法

采用Lu(2017)基于最外围闭合等值线的气旋区识别方法,以逐日4次的Z₈₅₀为识别要素,首先将局地位势高度低点定为气旋中心点,按4gpm等值线间隔搜索其外围闭合等值线,将有闭合等值线的中心判定为闭合气旋,并以最后外围一圈闭合等值线内区域作为气旋区,记录气旋区范围内的相关要素信息,实现了东亚区域春季气旋的二维识别。通过相邻时次的临近中心或气旋区是否重合,对气旋路径进行追踪。

选取110°~122.5°E、28°~34°N范围为江淮区域,当气旋区落入该区域则将其记录为影响江淮地区的气旋。在1979—2013年春季总的12 880个时次中,按时次计算,从识别的东亚区域气旋中总共获取了5 223个影响江淮区域的温带气旋个体。另外根据气旋区覆盖的球面面积,计算等面积圆,将圆的直径d作为该气旋的相当直径,并根据直径d划分直径大于1 000km的气旋为天气尺度气旋,直径介于300~1 000km的为次天气尺度气旋。图1给出了1981年3月20日12时和1981年4月18日06时(世界时,下同)的影响江淮地区气旋个例,可以看出该方法能够较准确地描述气旋外形以及影响范围,从而可根据气旋区的影响水平范围进一步划分不同尺度气旋。在35a春季影响江淮地区的882条温带气旋路径统计信息中,次天气尺度气旋数目最多,占比达到60%以上,生命周期主要在48h以内;天气尺度气旋数目次之,所占比例在35%左右,生命周期均在12h以上。另外,直径在300km以下的中尺度气旋为5%,文中使用约0.7°水平分辨率资料对中小尺度气旋识别度不够,是其频次较小的原因之一。上述统计结果与Qin et al.(2017)研究结果一致,表明除了以往关注的天气尺度气旋外,次天气尺度气旋对江淮地区区域天气气候的影响也不容忽视。

根据气旋相对于其对应最外围闭合等值线值的深度定义了每个格点的春季(3、4、5月)气旋强度:

式中:Z_{t_d}为特定时次影响气旋落入江淮区域内格点的Z₈₅₀;C_n为对应气旋最外围闭合等值线值;a_ij是序号ij格点的面积。进行日、季度累计(1d共4个时次,春季总共为92d)后,即为该年该格点春季气旋强度。再根据格点强度D_ij区域求和值定义了江淮区域(共18×9=162个格点)气旋强度指数:

利用次天气尺度(气旋直径为300~1 000km)气旋区深度构造强度指数并作标准化,得到江淮区域逐年次天气尺度气旋强度指数I₁。当某一年份I₁指数值偏大时,表明该年份春季影响江淮地区的次天气尺度气旋平均深度值较大,即气旋活动强度较强,反之亦然。

此外,利用1 000hPa、850hPa和700hPa大气资料计算850hPa的最大涡旋增长率以表征低层大气斜压性,计算公式为:

式中:f是科里奥利参数;N是Brunt-$\text{Väisälä}$频率;$\left|\overline{\mathit{V}}\right|$是水平风速。这一指标被广泛应用于大气斜压性与瞬变涡旋活动的研究中(Ren et al.,2010)。

2 江淮次天气尺度气旋活动对降水异常的影响

为直观显示江淮区域次天气尺度气旋活动对降水的影响,首先给出了江淮地区出现次天气尺度影响气旋时伴随的降水量与春季总降水量的比率(图2)。可以看出,次天气尺度气旋活动对江淮大部分地区的降水贡献率达25%,贡献率自西向东逐渐增大。其中,江淮东北部最大,贡献率达40%。由此表明,次天气尺度气旋是春季影响江淮区域降水的主要影响系统之一。通过出现次天气尺度影响气旋时次和未出现次天气尺度影响气旋时次的850hPa相对涡度和散度的合成差值场(图3a、3b),可看出次天气气旋活动出现时对应显著的江淮区域对流层低层气旋式涡旋运动,同时引起江淮地区东南部以及东海区域显著的辐合运动,这为江淮区域降水增强提供了有利的动力条件。

为分析次天气尺度气旋活动的年际变化,利用公式(2)构造了近35a的I₁指数(图4),可以看出其具有明显的年际振荡特征。进一步利用I₁指数,对824站春季月平均降水及强降水频次进行相关分析和合成分析,研究了春季影响江淮的次天气尺度气旋活动与我国同期降水的联系。合成分析时,I₁指数>0.75(<-0.75)定义为异常强(弱)年,得出8个高值异常年,分别为:1983、1989、1991、1992、1994、1999、2004、2006年;8个低值异常年,分别为:1979、1986、1997、2003、2005、2007、2011、2013年。

从图5a可以看到,江淮地区东南部的春季月平均降水与I₁指数存在显著的正相关关系,相关系数在0.33以上(通过95%置信度的t检验)。从I₁指数强弱年对降水的合成差值看,平均春季降水差异达到24mm以上。同时,I₁和整个江淮地区的区域月平均降水也存在显著的正相关,其相关系数为0.43(通过99%置信度的t检验)。上述分析表明次天气尺度气旋活动增强对江淮地区的降水存在明显的促进作用,但其影响范围主要集中在江淮地区东南部。此外,江淮地区南部春季强降水(大于25mm/d)事件的频次与I₁指数也呈显著的正相关(图5b)。合成场上,强降水频次偏多地区与显著正相关区域一致,同样主要集中在江淮长江以南地区,说明次天气尺度气旋有利于江淮南部地区春季强降水事件发生。区域性强降水(超过30%的站点降水超25mm/d)的频数与I₁的相关系数为0.40,也说明了次天气尺度频率增多可能增大春季江淮地区发生区域性强降水出现概率。

3 江淮次天气尺度气旋的环流配置

为进一步分析影响江淮的次天气尺度气旋发生发展的背景,给出了与I₁指数相联系的异常环流结构。图6为850hPa、500hPa位势高度及水平风场对I₁的回归系数。结果显示,在500hPa位势高度场上,贝加尔湖地区负值异常数值以及显著范围明显增大,日本以东的西北太平洋上同样位势高度异常正值带,青藏高原地区的负位势高度异常中心在对流层中高层则没有反映。与江淮地区次天气尺度气旋增强相联系的850hPa位势高度异常在东亚地区呈现两低一高分布。其中东亚地区大路上存在两个负中心,分别位于青藏高原、贝加尔湖及其西南部邻近区域,且青藏高原的负值中心较强,且负值带延伸至我国长江中下游地区形成倒槽型环流异常;日本以东的西北太平洋上则出现显著的高值带。该环流异常形势有利于江淮地区形成气旋式环流异常以及增强中国南部的西南气流。

进一步分析次天气尺度气旋活动与春季准定常大气环流异常的联系,分别计算了由500hPa涡度平流包括异常风涡度平流$-u^{\mathrm{\text{'}}}\frac{\partial \stackrel{-}{\zeta }}{\partial x}-v^{\mathrm{\text{'}}}\frac{\partial \stackrel{-}{\zeta }}{\partial y}$以及定常风异常涡度平流$-\stackrel{-}{u}\frac{\partial {\zeta }^{\mathrm{\text{'}}}}{\partial x}-\stackrel{-}{v}\frac{\partial {\zeta }^{\mathrm{\text{'}}}}{\partial y}$两个分量以及对流层低层(925~700hPa)的温度平流对I₁高低年的合成差值(图8)。图上显示,500hPa上江淮地区东南部为正异常涡度平流,江淮西北区域则为负异常涡度平流(图7a),与江淮地区850hPa涡度合成分布情况较为一致。进一步分析发现,定常风异常涡度平流引起的涡度平流异常与图8a比较一致,但异常风涡度平流则反之(图略),这说明高空异常风对江淮地区局地次天气尺度气旋活动增强作用并不明显。另一方面,我国南部沿海的低层出现较强的暖平流异常,暖平流一致延伸值至江淮地区东南部(图7b)。由ω方程可知,江淮地区东南部高空正涡度平流和低层暖平流有利于形成垂直上升运动以及加强局地气旋。

此外,计算了850hPa最大Eady增长率(σ_BI)与I₁指数进行合成,以分析低层大气斜压性与江淮气旋活动的联系。图8a显示江淮地区北部及其以北的华北地区σ_BI主要为负值,而江淮地区南部及其以南的华南地区σ_BI则主要为正值,说明中国南方地区局地斜压性增强有利于江淮地区次天气尺度低涡活动加强。由图8b可知,与I₁指数增强对应,对流层中低层的大气斜压垂直风切变在中国南方地区出现明显的正值带,这与σ_BI分布一致,这说明垂直风切变是引起江淮东南部大气斜压性变化以及次天气尺度气旋活动增强的主导因子。反之,江淮北部至华北地区的大气斜压性有明显下降,并且与低层风速垂直切边减小相对应。结合前文对应异常风场的分析,由于次天气尺度气旋活动强年中国南方沿海及江淮东南部的低层西南风加强,导致以上地区大气斜压性以及次天气尺度气旋活动增强。

4 青藏高原热力作用

由于青藏高原的动力和热力强迫作用对东亚季风区气候异常产生重要影响(叶笃正和高由禧,1979;吴国雄等,1997),由图6可知,当春季江淮地区气旋活动增强时,青藏高原至我国长江流域出现显著的负异常高度区,为探讨气旋活动与青藏高原热力强迫的联系。进一步根据倒算法,计算了大气视热源Q₁对I₁的回归系数(图9a),发现对于整层大气而言,青藏高原地区出现异常加热分布,相应地该区域以及其以南至孟加拉湾北部对流层中低层(700—500hPa)平均气温也出现了明显的正异常大值区(图9b),表明该区域大气柱受到异常加热作用。由于气柱异常加热使得近地面减压以及对流层低层位势高度降低,这可能使得由青藏高原地区以及下游区域东移的次天气尺度生成以及加强。此外,高原至长江流域的异常低压带也有利于中国南方地区西南风加强,增加这些区域低层的大气斜压性,促进次天气尺度气旋活动增强。因此,春季青藏高原地区的大气异常加热可能是引起我国江淮地区次天气尺度气旋活动增加,其中高原区域雪盖变化伴随的非绝热加热对气柱加热异常以及影响其下游长江流域区域的可能起关键作用(Wu and Kirtman,2007)。

5 结论

利用气旋自动识别和追踪算法,提取了春季影响江淮地区的次天气气旋活动信息,研究了气旋年际活动异常与站点降水异常的关系。得到以下主要结论:

1)次天气尺度气旋活动对江淮大部分地区春季降水作用明显,贡献率达25%以上,次天气气旋活动出现对应显著的区域对流层低层气旋式涡旋和辐合运动,为局地降水增强提供了有利的动力条件。

2)青藏高原至我国长江中下游地区出现异常的倒槽型环流,有利于江淮地区形成气旋式环流异常。同时,伴随着中国南部的西南暖湿气流增强,有利于我国南方地区低空的大气斜压性增强,促进了江淮地区次天气尺度气旋活动增强,以及局地的辐合抬升,从而加强了春季江淮尤其是其东南部异常降水的增多。

3)青藏高原地区大气热力状况与青藏高原至我国长江中下游地区异常倒槽型环流出现存在密切联系,当高原地区气柱异常加热,引起使得对流层低层位势高度降低,可能使得由青藏高原地区以及下游区域东移的次天气尺度生成以及加强,同时促进中国南方地区西南风加强,有利于次天气尺度气旋活动增强。

致谢:感谢欧洲中期天气预报中心(ECMWF)和中国气象科学数据共享服务网提供的高分辨率资料数据集。感谢审稿专家和编辑对本文的改进提出的宝贵意见。

参考文献