夏季我国东部暴雨带位置变化的诊断分析

夏季我国东部暴雨带位置变化的诊断分析

副高活动与西太平洋副高北跳夏季西太平洋副热带高压（以下简称副高）是影响中国夏季气候和气候的重要系统。副高的季节内变化决定我国东部雨带的几次向北推移,而其年际变化决定我国东部旱涝的出现。熊安元指出夏季西太平洋副热带高压等气候因子的年代际变化为20世纪90年代长江中游夏季异常多雨提供了一个十分有利的气候变化背景。近几年来,长江流域的灾害性天气频繁出现,例如,1998年夏季长江流域特大洪水以及2003年7月中下旬江南地区持续高温酷暑天气。这些异常天气均与西太平洋副高的活动有着密切的关系。因此,副高的活动一直是我国预报员所关心的问题。图1是1971—2000年7月平均的200hPa,500hPa和850hPa位势高度分布以及200hPa纬向风速平均分布图。月平均纬向风速的分布用来表示高空副热带急流的位置。在200hPa(图1a)图上副热带地区从青藏高原向东西扩展的椭圆形南亚高压1248dagpm等高线的东西范围从30°E伸展到150°E,而在太平洋中部有一个只出现在对流层上部的大洋中部低压槽。在500hPa(图1b)西太平洋副高表现为从120°E至160°W的东西走向的高压系统,一般取588dagpm(或586dagpm)等高线作为特征线,副高脊线平均在27°N。在我国业务天气分析和一般研究中,主要抓住500hPa副高的活动,本文后面所称的副高是指500hPa的副高。850hPa上(图1c)西太平洋副高表现为从东太平洋的高压中心向西伸展过来的高压脊,在这个高压脊西面是季风低气压区,两者之间是比较密集的南北走向的等高线,表明低空的西南季风在南海折向北,流到我国东部和日本。从气候上讲,副高脊线有明显季节内突变性北跳,5月20日左右,副高脊线北跳到15°N以北,南海夏季风爆发,华南前汛期雨季开始。6月18日左右,副高脊线北跳到25°N,华南前汛期雨期结束,长江流域中下游地区梅雨开始。7月10日前后,副高脊线北跳到30°N,长江流域梅雨期结束。7月底副高脊线北跳到35°N,日本和韩国的梅雨期结束。各年副高的季节内变化与平均情况相比较有很大出入。怎样预报每年副高的几次西伸北跳是预报员最关心的问题。我国预报员对副高的西伸北跳或者东撤南退已总结出一些经验规则。例如,当500hPa西风带有一个高压脊移近我国沿海海岸时,副高有一次加强。陶诗言等根据夏季静止Rossby波的波数为6个波的假定,指出当大形势调整到里海以东80°E出现一个静止的长波槽,而在115°E附近出现一个静止长波脊时,这时副高就西伸北跳;相反,当80°E出现静止长波脊,115°E出现静止长波槽时,副高南退东撤。陶诗言等指出,当200hPa的南亚高压和西太平洋副高相向而行时,副高就会西伸北进。李双林等通过一次出梅时副高北进过程,利用IAPT42L9全球谱模式对影响副高北进的因子进行了数值试验。指出对应出梅时的环流形势,大气内部的动力调整过程具有使副高增强北进的趋势,这是副高北进的主导因子。曹杰等研究发现在副热带高压偏北年,前期强的经向和纬向外部热力差异使得大气环流的演变过程存在波波相互作用和波流相互作用。任荣彩等研究副高短期变异的动力和热力机制时,指出它与南亚高压的异常活动和中高纬度环流系统的异常有着密切的联系。日本的学者也注意副高的北跳和对流层下部副高的西伸。Nitta指出,当热带西太平洋暖池对流活动强烈时,会激发静止Rossby波的能量传播,出现PJ型的遥相关型。这时副高加强并向北伸展到日本,造成高温酷暑天气。黄荣辉等对西太平洋暖池区热状况进行了研究,指出当热带西太平洋暖池增温时,从菲律宾周围经南海到中印半岛上空的对流活动将增强,西太平洋副高的位置偏北;从东南亚经东亚到北美西海岸上空大气环流的异常呈现出一个遥相关型——东亚太平洋型。天气分析的经验指出,当夏季有多次副高西伸北跳时,暖池并不一定对流活动最强。1988年和1999年夏季是典型的LaNin˜n˜a年,但在日本副高并不北伸,出现多雨天气。徐海明等还研究了江淮入梅前后大尺度大气环流的演变特征和西太平洋副热带高压增强西伸的可能机制。指出热带ITCZ和孟加拉湾北部对流的异常活跃可能对副热带高压的增强西伸产生影响。Enomoto等的研究发现,在日本7月末往往有一次副高强烈的西伸北跳造成日本梅雨的结束并出现高温酷暑天气。在分析1985年8月日本一次副高西伸北跳的成因机理时指出,在日本附近的高空副热带急流中出现一个相当正压结构的反气旋,这个高压系统引起日本副高(日本学者称作小笠原高压)向北伸。他们认为这是由于高空急流中静止Rossby波的能量传播过程中所引起“下游效应”的结果,这是个创新的观点。文献还分析了各年日本副高的年际变化。Enomoto的研究只限于8月日本地区,本文的研究将他的观点推广到其他月份,地区扩展到整个东亚范围。1次副高西伸北跳和5年8月5日极端天气图2a是2005年6—8月我国东部(110°～120°E)200hPa区域平均西风分量的经向-时间分布图,表示高空副热带西风急流位置的南北变化。图2b是110°～120°E区域平均500hPa表示副高特征的586dagpm等高线经向-时间分布,用来追踪副高的北跳和南撤,图上也给出110°～120°E区域平均整层(地面至300hPa)积分的水汽输送通量经向-时间分布,表示来自南边的季风涌强度,图上的阴影区表示OLR距平的经向-时间分布,表示热带强对流活动区以及对流降水区(锋面)的位置。图2c是27.5°～32.5°N纬度范围平均的500hPa位势高度纬向-时间分布,表示副高脊线的西伸和东退,图上还给出27.5°～32.5°N纬度范围平均OLR距平小于15W·m-2区域,表示在这个地区内对流活动的活跃程度。2005年夏季8月25日以前,副高有3次西伸北跳,两次南退东撤。在6月底以前造成前汛期暴雨的静止锋停留在广西、广东和福建,引起广西和福建100年一遇的洪水灾害。这时副高位于20°N以南,高空西风急流轴位于35°N。6月底至7月初副高出现第一次西伸北跳,586dagpm特征线移到30°N,副高脊伸至110°E,造成长江中下游地区出现空梅,主要降水带出现在淮河流域,淮河上游出现洪涝。这时高空急流北移到40°N。7月中旬副高出现2005年最强的一次西伸北跳,586dagpm特征线移至45°N,这时淮河流域的降水结束,整层水汽输送通量达到40°N,7月23日北京房山出现150mm的强降水。这时高空急流北移至50°N以北。8月第一候副高有一次南退东撤,这时麦莎台风沿着120°E北上(图2b)造成南北走向一条雨带。在这期间高空急流南移到40°N以南。8月第三候副高出现第三次西伸北跳,高空急流北移到50°N,586dagpm特征线移到40°N,雨带主要出现在华北。8月12—14日辽宁西部出现暴雨洪涝,8月15日北京密云特大暴雨引起泥石流灾害。8月第四候随着副高第二次南退东撤,淮河流域再次出现强降水,30°N以南的华南地区也出现强降水。从2005年的例子看出,随着副高的西伸北跳或南退东撤,我国东部的主要降水区均出现明显的调整。随着季节从初夏到盛夏,西太平洋副高3次西伸所在的纬度,不断向北:第一次西伸沿着30°N,第二次西伸沿着32°N,第三次西伸沿着35°N。夏季我国东部地区常出现2～3次副高的西伸北跳,可以再以1998年个例来说明。1998年6—7月(图3)长江流域出现100年一遇的特大洪涝灾害,6月珠江流域和闽江也出现洪涝。从图3看出,6月主要雨带出现在30°N以南地区,该年梅雨在6月16日开始,这时华南仍持续有强降水,高空急流轴位于35°N。7月初副高出现第一次西伸北跳(图3b,3c),586dagpm特征线移到35°N,高空急流移到40°N以北,长江中下游第一场梅雨结束并出现高温酷暑天气,华北出现强降水,北京昌平曾出现300mm的强降水。在7月第三候副高有一次南退东撤,586dagpm特征线南移至25°N,高空急流也南退到35°N,长江流域再次出现强降水(称作二度梅)。8月初副高出现第二次西伸北跳,586dagpm特征线移到35°N,高空急流移到40°N,这时长江中下游的第二次梅雨结束,雨带移至黄河和海河流域。从这两个例子看出,副高西伸北跳平均周期为15～20d。陶诗言等指出夏季副高往往以20d周期由东向西扩展,当西太平洋副高的588dagpm等高线扩展到120°E以西时,亚洲夏季风强度偏强,江淮流域夏季降水偏少。2高空副热带特性本研究首先选取2005年7月16—20日的一次副高西伸北跳过程,作为典型个例进行分析。图4a,4c,4d是这个时期的200,500,850hPa平均位势高度场。在欧亚大陆上空出现一个静止Rossby波列,地中海(30°E)、帕米尔高原(90°E)、日本以及日本以东洋面(150°E)为长波槽的位置,里海(60°E)和我国沿海上空(120°E)为长波脊的位置。在从上到下不同层次等压面上,这些气压系统呈现出相当正压的结构。对流层上部的青藏高压分裂成两部分,称作东部型和西部型高压。500hPa副高脊线呈西北—东南走向,伸向中纬度长波脊的方向,青藏高压和副高的“相向”而行,表现非常清楚。这与1964年陶诗言等以及1963年陶诗言等的研究结果一致。在850hPa上太平洋副高的西部(图1d)脊线向西北方向翘起,在日本的天气预报手册中称作“翘尾巴型”副高。2005年7月19日移至我国沿海的海棠台风沿着副高的西南边缘移入我国大陆。图4b是5d平均300hPa的位势高度对纬圈平均的偏差场以及表示静止Rossby波能量传播的波活动矢量的水平分量。可以看到在这个时期,亚欧上空静止Rossby波列很清楚,同时,在120°E附近的静止高压脊处,波活动矢量最强,而且矢量出现强烈的辐散,表示这个静止脊处在强烈发展中。逐日350K等熵位涡分布可以揭示出准静止Rossby波的演变过程。在7月15日(图5a)欧亚上空高空副热带急流表现为平直的环流,急流的弯曲不明显。7月17日(图5b)里海上空有一个低值位涡脊伸起来,这时在东亚沿海岸地区高压脊仍没有多大发展。到了7月19日(图5c)里海上空的脊开始变平,而东亚上空发展出一个强烈向北伸的低位涡脊。在这个发展过程中,90°E附近的高位涡槽也强烈发展,造成7月16日河西走廊强烈的沙尘暴天气。取等熵面上位涡等于2PVU线,得出这3d的分布图(图5d),这3d位涡的槽或脊基本上固定在同一经度。但等熵位涡线南北起伏很明显,在里海上空等位涡线7月15—17日是向北伸展的,7月17日达到最北,7月19日等熵位涡线南退到15日的纬度,而在东亚上空等熵位涡线一直向北伸展,7月19日达到最北。这条等熵位涡特征线的南北起伏变化揭示静止Rossby波能量东传的过程。7月15—17日里海上空的高压脊强烈发展,在两天以后东亚上空的高压脊也强烈发展。这说明当里海上空有一个高压脊发展时,会激发出一个静止Rossby波列,使得下游(在我国沿海附近)2d以后发展出另一个高压脊,这种过程天气学上称作“下游效应”。在这种下游效应过程中,60°E附近的高压脊位置固定不动,但有能量传播(频散)到下游,引起另一个高压脊发展,其能量1d大约传播25个经度。为什么当我国沿海岸附近高空副热带急流中有长波脊发展时,副高和青藏高压会向高压脊方向伸展?天气分析中有一条规则:低气压系统向减压的区域移动,而高气压系统向加压区域移动。副高、青藏高压以及沿海附近高空急流中的高压脊都是独立的天气系统。当沿海附近出现长波脊发展时,加压非常明显。按照上述规则,青藏高压和副高都会向这个加压方向移动。喻世华等对副高西伸和副高东退的两种情况作了合成分析,指出当副高西伸时,青藏高压分裂成两个中心,而当副高东退时,青藏高压恢复成一个中心。1998年6—7月长江流域的暴雨带分成前后两段(图3)。7月3—15日由于副高西伸,梅雨中断。下面分析这次副高西伸北跳的过程。图6a是7月3—7日500hPa5d平均位势高度图,在亚欧35°～45°N范围内,出现静止Rossby波列,在120°～125°E范围有一个长波脊发展。这时西太平洋副高伸入到这个高压脊中,青藏高压分裂成两个中心。图6b,6c与6d揭示了这个长波脊的发展过程。7月3日东亚沿海岸为高值位涡舌控制,表示第一段梅雨仍未结束,里海以西有一个低位涡脊向北伸展,7月5日里海附近的脊发展最激烈,我国东部上空发展一个脊,7月7日里海附近的脊减弱,而东亚沿海岸上空的脊发展最强。7月3—7日副高西伸北跳也最显著。副高脊线从江南北跳到32°N,长江中下游第一场梅雨结束,主要降水带出现在黄河和海河流域。北京7月5日出现暴雨,昌平区降水量达300mm。2005年8月1—5日是一次副高南退东撤的典型个例。图7a是500hPa平均等高线分布图,亚欧范围的位于40°N的高空急流中出现静止Rossby波列。在我国沿海海岸上空有一个长波槽。图7b～7d表示8月1—5日大形势调整的过程。7月30日地中海上空有个低压槽强烈发展(图略)。8月1日中亚的巴尔喀什湖上空低压槽强烈发展(图7b),这时中东亚(115°E)上空的低压槽尚未强烈发展。8月3日115°E上空的低压槽向南伸展最盛(图7c),到8月5日这个长波槽趋于衰弱(图7d)。值得注意的是,在8月1—5日期间,东欧南部、伊朗高原和日本上空高气压系统先后有一次发展过程。这个静止Rossby波列的出现,造成东南欧一些国家和日本出现高温酷暑,我国新疆大部出现大范围降水。2005年麦莎台风于8月6日在浙江省南部登陆,并沿着海岸线向北移动。由于115°E的高空槽在8月5日趋于衰亡阶段,台风移入大陆后不能与高空槽耦合,台风北上时不能变性成温带气旋,台风中心气压并不加深,只在沿海岸造成一条南北向雨带。卫捷等1曾分析2004年7月中下旬淮河和湖南的一次暴雨过程,指出这也是由于在静止Rossby波列中110°E上空高空槽发展所引起。8月1—5日我国沿海岸上空长波槽的发展,使得上述2005年7月15—19日副高的一次西伸北跳过程结束,西太平洋副高南退东撤。夏季欧亚大陆对流层上部在青藏高压的北侧有一条东西向的高空急流(图1d),从地中海到里海为急流入口区,90°E以东是急流的出口区。Hoskins等,Terao指出,夏季亚欧大陆上空的急流也是一条波导。Chang指出在这条波导中有天气尺度的波包自西向东传播;在波导中存在波的“下游效应”。当亚欧急流入口区中有高压脊或低压槽强烈发展后,几天以后会在急流出口区中也有高压脊或低压槽发展,图5与图7所示的下游效应,便是具体例子。静止Rossby波列实际上就是遥相关型。Krishnan等指出,在7月咸海和里海上空出现负距平区,蒙古地区出现正距平,韩国和日本出现负距平的遥相关型时,日本的梅雨活跃。Lu等研究夏季非洲北部到亚欧大陆的遥相关也得出类似文献的结果。夏季亚欧副热带急流的静止Rossby波的波数主要为5～7个,平均波数为6.5个。波数不同,静止波中槽、脊的位相也会有不同。从以上分析还可以看出,当东亚沿海岸上空的长波脊不再维持时,副高会南退到该月的气候平均位置,而当东亚沿海岸上空发展一个长波槽时,副高会南退到该月的气候平均位置以南。3调整后的期334e夏季当高空副热带急流中的静止Rossby波列中的高压脊持续维持在120°E附近时,容易引起长江中下游的高温酷暑天气。如果持续时间很长,就会引起旱灾,2003年7月20—31日就是一个例子。图8表示2003年夏季副高西伸北跳的过程。在6月15日以前,雨带维持在华南,586dagpm特征线位于20°N,高空急流位于36°N附近。6月15日至7月初雨带维持在长江以南地区(图8b),586dagpm特征线位于25°N附近,急流轴移到40°N。7月初到7月中旬,雨带维持在淮河流域,这是50年来淮河最严重的洪灾,这时586dagpm特征线北移到30°N。7月16日以后副高有一次明显的西伸北跳,雨区移到海河流域。8月1日以后副高有一次南撤东退,降雨带重新在淮河流域出现。7月21—31日副高脊线持续维持在长江中下游,图9a～9c是这个时期200,500hPa平均等高线图以及350K等熵位涡图。可以看到在对流层中上部出现一个波数为6的静止Rossby波的波列,在30°E,80°E和140°E为静止槽,在60°E和120°E是个静止脊。140°E处的静止槽可以从图8c上沿140°E处的强对流活动区看出,这是因为在洋面上高空低压槽对应着强对流活动区域。在8月1日以后强对流活动区移到120°E,这表明静止Rossby波列有一次调整。图9d为2003年7月10日—8月15日200hPa35°～45°N范围经向风速(南北风速)的时间-纬向剖面。在7月16日以前南风区或北风区均自西向东移动,表示这时是由移动性系统控制。7月16—31日南北风区都是固定在一个经度上,表明这个时期静止的Rossby波列(即波的相速为零)出现。从图中点划线与水平线的斜率可以估计群速度的大小。从图中可以估计群速大约为每天20个经度。这就是说,在0°经度有一个脊发展,大约需要6d便在120°E处发展出一个脊。因此在这个期间内不断有静止Rossby波的能量传到下游,造成120°E维持一个10d之久的静止高压脊。受此西伸副高脊线持续控制,我国南方地区出现38℃以上高温日数是1961年以来的最大。浙江、福建、江西大部以及江苏、安徽、广东、广西等地持续出现酷暑天气,其中浙江丽水在7月31日最高温度达到43.2℃。西欧南部地区在2003年7月出现持续高温酷暑天气,气温比气候平均高3℃,许多地方最高气温超过40℃。这种高温天气也是由于在欧亚范围在高纬度(50°N以北)另外有一个静止Rossby波列(图9a),在欧洲和东亚各有一个阻塞高压出现。在350K位涡图上西欧有一个低位涡舌伸向地中海。2001年7—8月淮河流域也曾出现持续高温少雨天气。副高有两次西伸北跳,第一次出现在6月底到7月初,第二次出现在7月20日到8月10日(图略)。在这两个时段也是在120°E维持一个静止脊,而在140°E维持一个静止槽。静止Rossby波列前后维持达35d,副高脊线持续在江淮流域,造成淮河流域出现了严重干旱。近几年国际上正在实施“全球大气研究计划”,其中“大气观测系统研究和可预报性试验”(简称THORPEX),是一项旨在加快提高1d至2周高影响(灾