2015年1月中國南方大范圍持續(xù)暴雨的過程分析?

李 妍， 李 春

(中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 海洋科學(xué)與技術(shù)青島協(xié)同創(chuàng)新中心 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室中國海洋大學(xué)海洋-大氣相互作用與氣候山東高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100)

繼2013年12月13—17日南方大范圍持續(xù)性降水[1]后，2015年1月8—13日，再次出現(xiàn)持續(xù)性暴雨天氣過程，對(duì)人民的生活造成了嚴(yán)重影響，其中云南地區(qū)多站日降水量超過了當(dāng)?shù)赝诮邓康淖畲笾礫2]。

2008年初，中國南方地區(qū)經(jīng)歷了一次罕見的低溫雨雪冰凍災(zāi)害，給人民的生產(chǎn)生活帶來了嚴(yán)重的災(zāi)難，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1 000多億元[3]。中高緯度阻塞高壓穩(wěn)定維持，南支槽系統(tǒng)異?；钴S，西太平洋副熱帶高壓異常偏西偏北，這一系列異常環(huán)流系統(tǒng)相互配合和疊加是這次災(zāi)害形成的主要原因[4-8]。由于冬季南方持續(xù)性降水具有概率低但致災(zāi)性強(qiáng)的特點(diǎn)，眾多專家對(duì)此類事件進(jìn)行了深入研究。杜小玲等[9]對(duì)2011年1月貴州持續(xù)低溫雨雪冰凍天氣的分析指出云貴準(zhǔn)靜止鋒的穩(wěn)定維持是雨雪冰凍天氣的重要原因。2013年12月13—17日，中國南方發(fā)生大范圍持續(xù)性降水，Li和Sun[1]研究表明，歐洲西部脊加強(qiáng)誘導(dǎo)強(qiáng)冷空氣在地中海入侵西風(fēng)急流，形成西方擾動(dòng)，該擾動(dòng)沿急流向東傳播，加深印緬槽，在中高緯度阻塞形式的配合下，造成了中國南方大范圍持續(xù)性強(qiáng)降水。急流中Rossby波列的傳播與中國南方持續(xù)性雨雪天氣環(huán)流形勢(shì)的形成密切相關(guān)。北大西洋濤動(dòng)(NAO)可能通過地中海影響到中東西風(fēng)急流[1, 10]，歐亞西風(fēng)急流增強(qiáng)有利于上游擾動(dòng)的傳播[10-11]。Rossby波的能量沿著西風(fēng)急流向東亞傳播，產(chǎn)生大氣強(qiáng)迫，導(dǎo)致高空存在強(qiáng)輻散場，并引起強(qiáng)烈的垂直對(duì)流，有利于中國東部暴雨[12]。歐亞遙相關(guān)型的變化超前于中國溫度和降水的變化約2～4 d[13]，在北大西洋和歐洲的波列可以看作中國南方極端降水的前兆信號(hào)，對(duì)與極端降水事件有關(guān)的Rossby波的傳播有貢獻(xiàn)。這些波包主要沿著北非-亞洲副熱帶西風(fēng)急流波導(dǎo)向東亞傳播，沿該波導(dǎo)的低頻擾動(dòng)有助于南支槽和副高的增強(qiáng)以及東亞大槽的減弱，為極端降水提供有力的條件[14-15]。2015年1月極端降水過程的成因是什么？Li和Sun[1]提出的副熱帶西風(fēng)急流波導(dǎo)機(jī)制是否適用于本次降水過程？這將是本文研究的主要內(nèi)容。

1 資料和方法

本文所用數(shù)據(jù)為2015年1月4—14日和1980—2010年平均的1月4—14日NCEP/NCAR逐日再分析資料，其水平分辨率為2.5°×2.5°，氣象要素包括位勢(shì)高度、風(fēng)場、溫度、相對(duì)濕度、海平面氣壓等；降水資料取自中國地面國際交換站氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)，時(shí)間為2015年1月。

為了分析本次降水的天氣條件，本文合成了2015年1月8—13日的天氣圖。勢(shì)(流)函數(shù)滿足拉普拉斯方程[16]：

D=▽2χ，

ζ=▽2ψ。

(1)

其中：D為流體的散度；χ為勢(shì)函數(shù)；ζ為流體的相對(duì)渦度；ψ為流函數(shù)。勢(shì)(流)函數(shù)利用超松弛迭代法求解方程(1)得到。環(huán)流的輻合輻散特征用速度勢(shì)表示。

考慮地形的影響，本文采用整層水汽通量表示水汽輸送強(qiáng)度[16]。整層積分水汽通量Vq的計(jì)算公式為：

(2)

式(2)中：V為風(fēng)速；q為相對(duì)濕度；ps是海平面氣壓；氣柱上限pt取為500 hPa。整層水汽通量散度A被用來表示水汽的集中程度[16]，A的負(fù)值中心位置與強(qiáng)降水落區(qū)的中心位置對(duì)應(yīng)較良好。

為了進(jìn)一步分析降水過程中環(huán)流形勢(shì)的演變，本文給出了逐日的250 hPa位勢(shì)高度距平場和緯向風(fēng)場。本文以多年(1980—2010年)氣候平均場為基本流場，距平(擾動(dòng))場為降水期間環(huán)流場減去基本流場。因?yàn)槟现Р?、西太平洋副熱帶高壓的變化均與副熱帶西風(fēng)急流中Rossby波的傳播有關(guān)，所以本文計(jì)算了P1um[17]所導(dǎo)出的線性、準(zhǔn)地轉(zhuǎn)定常波的波作用通量F來診斷Rossby波的能量頻散特征。在球坐標(biāo)系下，水平方向波作用通量的公式為：

(3)

此外，在250 hPa位勢(shì)高度場，波作用通量場的時(shí)間-經(jīng)度剖面被用來進(jìn)一步分析副熱帶西風(fēng)帶中Rossby波的傳播。最后，本文還給出了速度勢(shì)、垂直速度、整層水汽通量散度的時(shí)間-經(jīng)度剖面。通過上述時(shí)間-經(jīng)度剖面可以清楚的看到降水過程中上升運(yùn)動(dòng)和水汽輸送的變化。

2 環(huán)流特征及降水成因

2.1 環(huán)流概述

2015年1月8—13日，中國南方發(fā)生了一次大范圍持續(xù)性降水過程。本次降水過程于1月8日從云南開始，最大日降水量超過50 mm，達(dá)到暴雨量級(jí)，之后降水區(qū)向東北方向移動(dòng)，到13日降水區(qū)從浙江附近移出中國(見圖1)。因?yàn)榇舜谓邓^程集中在1月8—13日，所以本文合成了這段時(shí)間的天氣圖(見圖2)來分析此次降水的環(huán)流條件。

圖1 2015年1月8—13日日降水量(單位：mm)

降水過程的環(huán)流型為經(jīng)向環(huán)流型。在對(duì)流層高層(見圖2(a))，亞洲急流異常強(qiáng)大。從經(jīng)向風(fēng)場和速度勢(shì)場可以看出，Rossby波的波動(dòng)分為南北兩支，輻合輻散中心交替出現(xiàn)，其中副熱帶地區(qū)的波動(dòng)中心更為明顯，波動(dòng)振幅更大，中國南方地區(qū)處于高空氣流輻散區(qū)。在對(duì)流層中層(見圖2(b))，高緯度地區(qū)的貝加爾湖附近存在一個(gè)長波脊，但降水過程中并沒有形成阻塞形勢(shì)。與高層對(duì)應(yīng)，副熱帶急流區(qū)中有明顯的上升和下沉運(yùn)動(dòng)。在阿拉伯海和西北太平洋上各有一個(gè)副熱帶高壓中心，中國南方地區(qū)位于南支槽槽前，有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)。在對(duì)流層低層，非洲西部和阿拉伯海有反氣旋式環(huán)流，地中海中東部到阿拉伯半島和中國南部地區(qū)有氣旋式環(huán)流。對(duì)流層中低層的輻合輻散中心也分為南北兩支，北支系統(tǒng)與高層一致；南支系統(tǒng)與高層基本相反。中國南方地區(qū)位于200 hPa東亞高空西風(fēng)急流入口區(qū)的右側(cè)，低層是輻合中心，高層是輻散中心，導(dǎo)致了強(qiáng)烈的對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)。從整層水汽通量場(見圖2(b))上來看，南支槽前的西南暖濕氣流為降水提供了充足的水汽。

((a) 250 hPa速度勢(shì)(填色， 105·m2·s-1)，緯向風(fēng)(紅色等值線，CI=30，……，70 m·s-1)和經(jīng)向風(fēng)(黑色等值線，CI=4 m·s-1)；(b) 500 hPa位勢(shì)高度(等值線，CI=40 gpm)，垂直速度(填色， 10-1·Pa·s-1)和整層水汽通量(矢量， g·m·kg-1·s-1)；(c) 850 hPa位勢(shì)高度場(黑色等值線，CI=40 gpm)，溫度場(紅色等值線，CI=4 ℃)，速度勢(shì)(填色，105·m2·s-1), 風(fēng)場(流線圖)。(a) Velocity potential (shaded, 105·m2·s-1)，zonal wind (CI=30, …… ,70 m·s-1) and meridional wind(contours, m·s-1) at 250 hPa; (b) Geopotential height (contours,CI= 40 gpm) , vertical velocity (shaded, 10-1·Pa·s-1) at 500 hPa and total moisture transport (vectors, g·m·kg-1·s-1); (c) Geopotential height (contours, black,CI=40 gpm), temperature (contours, red,CI=4 ℃), wind (vectors, m·s-1) at 850 hPa. and velocity potential (shaded, 105·m2·s-1).)

圖2 2015年1月8—13日天氣合成圖
Fig.2 Composite weather maps during 8—13 Jan. 2015

2.2 環(huán)流形勢(shì)演變

環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定，降水系統(tǒng)移動(dòng)緩慢，是本次降水能夠在中國南方持續(xù)6天的重要原因。位勢(shì)高度異常場的垂直剖面圖(見圖3(a))顯示，東亞降水區(qū)域?yàn)樾眽航Y(jié)構(gòu)，位勢(shì)高度異常場在對(duì)流層低層和高層的符號(hào)相反，圖中其它地區(qū)具有準(zhǔn)正壓的垂直結(jié)構(gòu)，對(duì)流層低層與高層位勢(shì)高度異常的符號(hào)一致。Rossby波的強(qiáng)度隨高度增加，與對(duì)流層低層相比，對(duì)流層高層的波動(dòng)信號(hào)更加明顯，位勢(shì)高度異常的最強(qiáng)信號(hào)出現(xiàn)在300～200 hPa附近?？紤]到南支槽和西太平洋副熱帶高壓是本次降水的主要影響系統(tǒng)，它們的變化與波能量沿著副熱帶西風(fēng)急流東傳密切相關(guān)。圖4(a)～(h)給出了8—13日250 hPa逐日位勢(shì)高度異常場，緯向風(fēng)場和波作用通量場，其總體特征與圖2一致。

1月6日(見圖4(a)),位于歐洲的位勢(shì)高度異常中心加強(qiáng)，波動(dòng)能量在地中海中東部-里海地區(qū)侵入中東急流，形成擾動(dòng)。副熱帶急流類似一條波導(dǎo)，使波動(dòng)能量沿急流向下游頻散[19]。在正壓大氣中，Rossby波能量的頻散是以群速度傳播的，因?yàn)镽ossby波的群速度大于相速度，所以，位于歐洲的位勢(shì)高度異常中心加強(qiáng)會(huì)使下游東亞地區(qū)出現(xiàn)新的波動(dòng)或加強(qiáng)原有波動(dòng)[12, 20-22]。1月8日降水過程開始(見圖1(a))，地中海中東部-里海的位勢(shì)高度負(fù)異常中心的強(qiáng)度基本不變，位置略有東移。波動(dòng)能量傳播至青藏高原以東，波作用通量在此處有明顯的輻合，南支槽加深。西太平洋副熱帶高壓加強(qiáng)北擴(kuò)(見圖4(b))，與其北側(cè)位勢(shì)高度正異常中心的變化相對(duì)應(yīng)[23]。1月8—9日，由于南支槽處在高空西風(fēng)急流的入口區(qū)，西風(fēng)分量減小，Rossby波傳播的相速度減小[16]，接近于零，波動(dòng)呈準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)，所以南支槽位置基本不變，這是云南地區(qū)連續(xù)兩天強(qiáng)降水的主要原因。1月11日上游地區(qū)的位勢(shì)高度異常顯著減弱，但仍有波能量在里海附近侵入中東急流，為南支槽的維持提供能量，西風(fēng)增強(qiáng)，Rossby傳播的相速度增大[16]，南支槽位置東移，西太平洋副熱帶高壓西伸脊點(diǎn)東退至菲律賓群島附近，降水帶也隨之東移至兩廣地區(qū)(見圖4(f))。1月12日，上游里海地區(qū)不再有能量向下游傳播(見圖4(g))。1月13日，副熱帶西風(fēng)急流重新變得較為平直，東亞地區(qū)的波能量傳播至日本附近(見圖4(h))，降水停止(見圖1(f))。

圖3 (a)沿急流軸線的2015年1月08—13日平均位勢(shì)高度異常垂直剖面；(b)250 hPa沿急流軸線位勢(shì)高度異常(填色，10 gpm)和對(duì)應(yīng)的Plum波作用通量(矢量，m2·s-2)經(jīng)度-時(shí)間剖面

(綠色等值線為500 hPa、5 870 gpm。The green lines denote the 5 870 gpm geopotential height at 500 hPa.)

圖5 2015年1月6—13日逐日24 h變溫(等值線，℃)，整層水汽通量(矢量，g·m·kg-1·s-1)和整層水汽通量散度(填色，kg·m-2·m·s-1)Fig.5 Daily ΔT24(contours,℃), total moisture transport(vectors, g·m·kg-1·s-1), total moisture flux divergence(shaded, kg·m-2·m·s-1)during 6～13 Jan.2015

位勢(shì)高度異常和波作用通量的時(shí)間-經(jīng)度剖面(見圖3(b))能更直觀的反映波能量的傳播過程，Rossby波能量的西傳可以追溯到1月4日。地中海中東部-里海地區(qū)(20°E～60°E)位勢(shì)高度異常中心的加強(qiáng)和東移發(fā)生在在1月6—12日，在8日中心強(qiáng)度二次加強(qiáng)。與南支槽活動(dòng)相對(duì)應(yīng)的位勢(shì)高度異常中心(80°E～120°E)在1月8—14日期間加強(qiáng)并且東移，中心強(qiáng)度二次加強(qiáng)發(fā)生在10日。地中海中東部-里海位勢(shì)高度異常中心的強(qiáng)度和位相變化超前南支槽對(duì)應(yīng)位勢(shì)高度異常中心的變化兩天左右。當(dāng)?shù)刂泻?里海地區(qū)的高空槽發(fā)展時(shí)，能夠激發(fā)出一條準(zhǔn)靜止的Rossby波，Rossby波沿著急流波導(dǎo)傳播，約兩天后南支槽會(huì)發(fā)展加深，在水汽輸送和大氣動(dòng)力強(qiáng)迫造成的強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)的共同作用下，有利于中國南方出現(xiàn)暴雨過程。

總之，Rossby波能量在地中海中東部-里海地區(qū)侵入副熱帶急流，隨后沿急流波導(dǎo)向中國南方傳播，能在中國南方地區(qū)形成一個(gè)長波槽。因?yàn)樯嫌蔚貐^(qū)不斷有能量輸入，所以南支槽能夠加深并在中國南方地區(qū)維持一段時(shí)間，為降水提供穩(wěn)定的環(huán)流形勢(shì)。

2.3 水汽條件分析

南支槽前的西南暖濕氣流為降水提供了充足的水汽。圖5給出了這一時(shí)段逐日的整層水汽通量，水汽通量散度和24 h變溫。在降水前，中國經(jīng)歷了一次全國性中等強(qiáng)度寒潮，東北低渦后部的西北氣流引導(dǎo)來自西伯利亞的冷空氣入侵中國，使得中國東部地區(qū)出現(xiàn)比較明顯的降溫。1月7日，寒潮過程停止，除西南地區(qū)外全國大部分地區(qū)氣溫回升。1月8—9日，受高原冷空氣影響，云貴地區(qū)氣溫持續(xù)走低，南支槽前西南氣流攜帶了大量的暖濕空氣，冷暖空氣在西南地區(qū)交匯。水汽主要是沿西太平洋副熱帶高壓外圍，由南支槽前西南氣流輸送的。在降水過程中，由于Rossby波的傳播，副高和南支槽的位置東移，所以水汽源的位置也發(fā)生了改變。8—10日降水的水汽主要來自于孟加拉灣。11—13日降水的水汽主要來源于中國南海。

2.4 上升運(yùn)動(dòng)分析

本次過程中的上升運(yùn)動(dòng)主要是由高層輻散，低層輻合引起的大范圍動(dòng)力性上升運(yùn)動(dòng)。圖6(a),(d)是22.5°N～27.5°N的垂直速度異常和速度勢(shì)異常垂直剖面圖。圖6(b),(c),(e),(f)分別是500 hPa垂直速度、整層水汽通量散度、250 hPa速度勢(shì)、850 hPa速度勢(shì)經(jīng)度-時(shí)間剖面圖。在降水區(qū)域中，垂直速度最大層在500～400 hPa附近(見圖6(a))，對(duì)流層上層的輻散運(yùn)動(dòng)強(qiáng)于下層的輻合運(yùn)動(dòng)(見圖6(d)-(f))，說明上升運(yùn)動(dòng)主要是由對(duì)流層上層的輻散運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的。最大上升運(yùn)動(dòng)區(qū)和水汽通量輻合區(qū)對(duì)應(yīng)良好，不穩(wěn)定能量大，有利于產(chǎn)生降水。此外對(duì)比8—10日,11—13日兩個(gè)降水時(shí)段可以發(fā)現(xiàn)，前一時(shí)段中的上升運(yùn)動(dòng)更強(qiáng)，這與云南部分地區(qū)有短時(shí)雷雨大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣相對(duì)應(yīng)；后一時(shí)段雖然上升運(yùn)動(dòng)比之前有所減弱，但是水汽條件更好。值得注意的是，因?yàn)殡S著降水區(qū)域的移動(dòng)，云貴地區(qū)(閩粵地區(qū))的水汽通量散度，垂直速度經(jīng)歷了由負(fù)向正(由正向負(fù))的轉(zhuǎn)變，所以在合成天氣圖(見圖2)中各物理量的量級(jí)有所減小。

( (a) 2015年1月08-13日平均垂直速度異常垂直剖面(Pa·s-1)； (d) 2015年1月8—13日平均速度勢(shì)異常垂直剖面(105·m2·s-1)； (b) 2015年1月06～14日逐日500 hPa垂直速度經(jīng)度一時(shí)間剖面； (c) 2015年1月06～14日逐日,但為整層水汽通量散度(kg·m-2·m·s-1)；(e) 2015年1月06～14日逐日,但為250 hPa速度勢(shì)； (f) 2015年1月06～14日逐日,但為850 hPa速度勢(shì)。 (a) Composite vertical structure of anomalous vertical velocity (Pa·s-1)； (d) The same as(a),but for anomalous velocity potential ( 105·m2·s-1); (b)Latitude-time section of anomalous vertical velocity at 500 hPa； (c) The same as(b),but for total moisture flux divergence (kg·m-2·m·s-1)； (e) The same as(b) but for velocity potential at 250 hPa； (f) The same as(b),but for Velocity potential at 850 hPa.)

圖6 22.5°N～27.5°N平均剖面圖
Fig.6 Composite section averaged over 22.5°N～27.5°N

3 結(jié)論

2015年1月8—13日中國南方出現(xiàn)大范圍持續(xù)性極端強(qiáng)降水天氣，過程長達(dá)6天，具有持續(xù)時(shí)間長、降雨強(qiáng)度大、多地破極值的特征。本文利用全國194站降水觀測(cè)資料和NCEP/NCAR再分析資料，對(duì)此次極端降水過程的中期演變特征及其成因進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

(1) 降水過程的環(huán)流型為經(jīng)向環(huán)流型，副熱帶地區(qū)的波動(dòng)中心更為明顯，波動(dòng)振幅更大。當(dāng)?shù)刂泻Ｖ袞|部-里海高空槽發(fā)展時(shí)，能夠激發(fā)出一條準(zhǔn)靜止的Rossby波，Rossby波能量在地中海中東部地區(qū)侵入副熱帶急流，隨后波動(dòng)能量沿急流波導(dǎo)向中國南方傳播，約2天后，南支槽發(fā)展加深。中國南方地區(qū)處在高空東亞西風(fēng)急流的入口區(qū)，西風(fēng)分量小，Rossby波移動(dòng)緩慢，南支槽能夠在中國南方地區(qū)維持一段時(shí)間，為降水提供了穩(wěn)定的環(huán)流形勢(shì)。

(2) 持續(xù)偏強(qiáng)的南支槽和西太平洋副熱帶高壓使暖濕空氣源源不斷的從孟加拉灣和中國南海輸送到中國南方，降水區(qū)域也隨著南支槽和副高的東移而變化。對(duì)流層高層強(qiáng)烈的輻散運(yùn)動(dòng)為強(qiáng)降水天氣的發(fā)生提供了動(dòng)力性上升條件，上升運(yùn)動(dòng)區(qū)和水汽輻合區(qū)對(duì)應(yīng)良好。

(3) 地中海中東部-里海位勢(shì)高度異常中心的強(qiáng)度和位相變化超前中國南方降水兩天左右。所以分析地中海中東部-里海地區(qū)的位勢(shì)高度變化，對(duì)預(yù)測(cè)南支槽的變化和中國南方地區(qū)的降水有著很好的指示作用。