黃山地區(qū)冬季連陰雨氣候特征及異常個例分析

孫蓓蓓 ， 岳如畫 ， 段春鋒 ， 王 婧 ， 王閏芳

1. 黃山市氣象局, 安徽 黃山 245000

2. 安徽省氣候中心, 安徽 合肥 230031

0 引 言

連陰雨是指持續(xù)多日的陰雨天氣過程，是長江中下游主要的自然災害之一。連陰雨出現(xiàn)時，一般降水強度不大，但降水多、日照少、空氣濕度大，還伴生農(nóng)田漬澇和農(nóng)業(yè)病害，其影響、危害非常大。許多氣象學者針對連陰雨做了大量的研究，如曹磊等(2021)指出中國南方地區(qū)冬春季低溫連陰雨超過15 d的臺站集中在25°—31°N區(qū)域，且連陰雨日數(shù)總體表現(xiàn)為一致偏多或偏少分布型，平均低溫連陰雨日數(shù)總體呈減少趨勢。連陰雨是一種大范圍的天氣過程，其發(fā)生主要受大型環(huán)流形勢支配，這種天氣現(xiàn)象與副熱帶急流、東亞Hadley環(huán)流及行星尺度輻散風場相聯(lián)系(仇永炎等，1993;陳晨等,2015)；其發(fā)生和持續(xù)過程具有北半球中高緯長波和超長波的特征，以及南北兩支西風帶系統(tǒng)相互作用的事實(施寧等，1990；支風梅等，2012)。劉高平(2015)、王麗娟(2020)等研究指出，歐亞大陸中高緯度烏拉爾山高壓脊、鄂霍次克海低壓槽和赤道中東太平洋海溫等因子與春季連陰雨關(guān)系密切。連陰雨影響過程的環(huán)流垂直結(jié)構(gòu)深厚、弱冷空氣反復滲透、水汽輸送充沛、西太平洋副熱帶高壓偏強和穩(wěn)定維持以及熱帶海表溫度強迫，都利于連陰雨的發(fā)生(尹潔和劉獻耀,2001；楊愛萍等,2014;何冬燕等,2019)。郭莉等(2019)研究指出，2018/2019年冬季西太平洋副熱帶高壓異常偏強西伸、低空水汽輻合強、東亞冬季風次季節(jié)顯著周期長導致江南地區(qū)次季節(jié)強弱降水過程交替出現(xiàn)，從而造成超長連陰雨天氣過程。

黃山地區(qū)地處長江中下游的皖南山區(qū)，連陰雨是其較常見的災害性天氣。以往有關(guān)黃山地區(qū)連陰雨的研究，大多針對春、秋季連陰雨，而針對冬季的研究較少。文中，利用1961—2019年常規(guī)氣象觀測資料和NCEP/NCAR再分析資料，統(tǒng)計分析黃山地區(qū)冬季(上年12月至2月)連陰雨主要氣候特征，并對異常過程及其環(huán)流特征進行診斷，以期為冬季連陰雨預報和防災減災服務提供參考。

1 資料和方法

1.1 資 料

文中所用資料包括1961—2019年黃山地區(qū)6個國家氣象站(高山站除外)觀測資料和NCEP/NCAR再分析資料。冬季數(shù)據(jù)選用上年12月至2月的資料。雨日定義為日降水量≥0.1 mm，微量降水不作考慮。黃山地區(qū)的平均狀況采用6個站點的平均值代表。歷史同期值取1981—2010年平均值。

1.2 方 法

參考安徽省連陰雨業(yè)務監(jiān)測指標來定義單站連陰雨過程的監(jiān)測指標：連續(xù)5 d內(nèi)有4 d及以上雨日或連續(xù)10 d內(nèi)有7 d及以上雨日，其中無降水日的日照時數(shù)小于2 h，或者有微量降水但該日的日照時數(shù)應小于4 h。

在確定冬季連陰雨天氣過程的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計過程期間的降水量、降水日數(shù)、日照時數(shù)三個特征量，計算連陰雨過程的強度，其指數(shù)(MLYY)計算式為

(1)

運用氣候統(tǒng)計方法分析冬季連陰雨主要氣候特征，并對2019年冬季異常過程及其環(huán)流特征進行深入分析。

2 冬季連陰雨氣候特征

2.1 時間分布

2.1.1 年際特征

黃山地區(qū)1961—2019年冬季連陰雨期間年平均降水量為184 mm，超過歷史同期平均值50%的年份為1969、1973、1985、1991、1998、2003、2009、2012、2019年(圖1a)，其中2019年異常偏多1.8倍，為歷史同期罕見。冬季連陰雨年平均日數(shù)為28 d，長達40 d以上的年份為1969、1973、1985、1991、1998、2005、2012、2019年(圖1b)，其中2019年異常偏多1倍。冬季連陰雨年平均降水日數(shù)為24 d(圖1c)，降水異常偏多年份與連陰雨日數(shù)異常偏多年份對應一致。冬季連陰雨年平均日照時數(shù)為15 h，低于歷史平均值的年份有25 a(圖1d)。

圖1 黃山地區(qū)冬季連陰雨期間降水量、連陰雨日數(shù)、降水日數(shù)和日照時數(shù)的時間演變(直線表示多年平均值)

2.1.2 年代際特征

黃山地區(qū)冬季連陰雨期間降水量、連陰雨日數(shù)和降水日數(shù)的年代際變化特征分布對應較好，三者都在20世紀60年代至70年代初上升，70年代中期至80年代末回落，90年代初至21世紀初回升，21世紀初后期至10年代中后期回落，之后又回升。目前黃山地區(qū)冬季連陰雨降水量、連陰雨日數(shù)和降水日數(shù)均處于偏多階段。冬季連陰雨過程日照時數(shù)年代際分布特征則相對簡單，在20世紀60年代至70年代初上升，70年代中期至20世紀末回落，21世紀初至10年代中后期略微回升。

2.2 空間分布

黃山地區(qū)1961—2019年冬季連陰雨期間平均降水量分布呈西南部多、東北部少，降水量普遍為165—180 mm，中南部地區(qū)明顯偏多，其中休寧縣達195 mm(圖2a)；連陰雨日數(shù)和降水日數(shù)空間分布特征相對一致，兩者均呈中南部多、西北部及東部少，最多的區(qū)域均為屯溪區(qū)，分別達29 d和25 d(圖2b、c)；日照時數(shù)均較少，普遍為12—14 h，其中西南部地區(qū)為10—12 h(圖2d)。

圖2 黃山地區(qū)1962—2019年冬季連陰雨期間降水量(a,單位:mm)、連陰雨日數(shù)(b,單位:d)、降水日數(shù)(c,單位:d)和日照時數(shù)(d,單位:h)年平均值的空間分布

3 異常個例分析

2019年冬季黃山地區(qū)遭受了歷史罕見的連陰雨天氣，連陰雨降水量、持續(xù)時間、影響范圍、降水日數(shù)、降水強度和日照時數(shù)均突破歷史同期極值，導致當?shù)剞r(nóng)作物光照不足，果蔬生長緩慢、病害重，早春茶芽生長緩慢，對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和交通運輸產(chǎn)生不利影響。因此，文中選取2019年為異常個例，重點分析此次冬季連陰雨過程及其間的環(huán)流特征。

3.1 連陰雨氣候背景

2019年冬季黃山地區(qū)多雨雪天氣，平均降水日數(shù)為62 d，較常年同期偏多27 d，為1962年以來最多(圖3c)；中北部異常偏多明顯，其中黃山區(qū)異常偏多94%(圖3d)，創(chuàng)歷史同期極值。最長連續(xù)降水日數(shù)為9—18 d，主要出現(xiàn)在2018年12月上旬、2019年1月上旬和2月。平均日照時數(shù)為128.6 h，較歷史同期(318.8 h)偏少60%，為1962年以來最少(圖3e)；各區(qū)縣日照普遍較常年偏少150 h以上，為歷史同期最少(圖3f)。

圖3 黃山地區(qū)冬季降水量(a)、降水日數(shù)(c)、日照時數(shù)(e)的時間分布及其對應的距平(b、d、f，單位：%)空間分布(直線表示多年平均值)

3.2 連陰雨過程

2019年冬季黃山地區(qū)連陰雨過程長達62 d，季節(jié)內(nèi)2018年12月2—16日、12月19—23日、12月30日—2019年1月12日、2月7日—3月6日出現(xiàn)四段較長的區(qū)域性連陰雨過程(表1)。

表1 2019年冬季單站連陰雨天氣過程

分析表1發(fā)現(xiàn)，2019年冬季單站連陰雨降水量、連陰雨日數(shù)和降水日數(shù)均以2月7日—3月6日過程為最多。其中，單站連陰雨降水量較常年同期異常偏多1—1.3倍，最多為屯溪，位居歷史排序第2位；連陰雨日數(shù)大部分區(qū)域為25 d及以上，最多為屯溪，其次為歙縣，均突破當?shù)貧v史極值；降水日數(shù)均較常年同期偏多11—13 d，各區(qū)縣均突破單站歷史極值。日照時數(shù)均以2018年12月30日—2019年1月12日過程為最少，各區(qū)縣均突破單站歷史極值。

從2019年冬季單站連陰雨過程日均降水強度來看，2018年12月2—12日過程最強，單站日均降水強度9.7—13.3 mm，最強為屯溪；2019年2月7日—3月6日過程次之，單站日均降水強度9.0—12.5 mm，最強為祁門和休寧。

根據(jù)式(1)計算得到，黃山地區(qū)2019年冬季最強連陰雨過程平均強度指數(shù)為8.1，為1962年以來第二高，僅次于2009年的8.4。

從冬季單站連陰雨過程來看，將黃山地區(qū)冬季所有連陰雨過程排序，根據(jù)百分位數(shù)法對強度指數(shù)進行分類：強度指數(shù)達第95百分位值對應于強度指數(shù)5.1，第90百分位值對應于強度指數(shù)4.1，第80百分位值對應于強度指數(shù)3.4，第60百分位值對應于強度指數(shù)2.4。統(tǒng)計結(jié)果(表1)表明，黃山地區(qū)2019年冬季連陰雨過程以2月7日—3月6日最強，其中屯溪累計雨量達324.5 mm，強度指數(shù)為9.4，突破歷史極值。其間，單站連陰雨過程長達26—28 d，強度指數(shù)都達到第95百分位值，普遍達到中到重度濕漬害。2018年12月2—16日連陰雨過程長達15 d，強度指數(shù)最大為休寧的5.1，達到第95百分位值，其余區(qū)縣均達到第90百分位值。

3.3 連陰雨環(huán)流特征

連陰雨是大氣環(huán)流相對穩(wěn)定、長波系統(tǒng)在一定地區(qū)停滯的產(chǎn)物，是中高緯西風帶系統(tǒng)和中低緯副熱帶系統(tǒng)共同作用而形成的(朱乾根等，2007)。從2019年冬季500 hPa層平均位勢高度及其距平場(圖4a)可以看出，極渦主體位置偏向東半球，亞洲高緯地區(qū)環(huán)流表現(xiàn)為明顯的經(jīng)向型特征。其中，烏拉爾山附近為一高壓脊，貝加爾湖和蒙古地區(qū)存在明顯的低壓槽，中高緯度地區(qū)穩(wěn)定維持“兩槽一脊”形勢。烏拉爾山阻塞高壓脊前不斷有冷空氣自北冰洋南下并在西伯利亞及蒙古地區(qū)堆積，之后東擴影響中國中東部地區(qū)(圖4b)。西伯利亞高壓和冬季風階段性活躍，西路冷空氣頻繁南下、東擴(圖4c)，導致黃山地區(qū)多冷空氣活動。中低緯長波脊的穩(wěn)定維持使得東亞低緯度環(huán)流平直，南支槽波動活躍，槽前西南氣流將南海和孟加拉灣的水汽輸送到中國大陸地區(qū)。這樣北方頻頻南下冷空氣與南支槽前暖濕氣流在長江中下游地區(qū)交匯，并且穩(wěn)定維持，形成切變線和靜止鋒，造成了黃山地區(qū)異常連陰雨天氣。這也與張建海等(2011)研究得到的2010年早春浙江罕見連陰天氣過程環(huán)流特征基本吻合。

圖4 2019年冬季(a)500 hPa位勢高度(等值線,單位：gpm)及其距平(填色區(qū),單位：gpm)，(b)海平面氣壓距平(單位：hPa)和(c)西伯利亞高壓指數(shù)的時間演變

3.4 低層大氣環(huán)流

連陰雨是由冷暖氣流長時間交匯產(chǎn)生的，低層暖濕氣流在連陰雨形成過程中起重要作用。分析2019年冬季850 hPa層平均風場(圖5a)發(fā)現(xiàn)，盛行于孟加拉灣的西北氣流在越過中南半島后轉(zhuǎn)為西南氣流，在孟加拉灣東部形成一個完整的低槽，槽前的西南氣流將孟加拉灣水汽源源不斷地輸送到長江中下游地區(qū)。另一部分西南氣流由西太平洋副熱帶高壓南側(cè)部分偏東氣流在南海轉(zhuǎn)向并匯入構(gòu)成，與在中南半島轉(zhuǎn)向的西南氣流在中國華南沿海合并，使得西南氣流在華南地區(qū)顯著加強。攜帶豐富水汽的西南氣流在30°N附近與北側(cè)南下弱冷空氣持續(xù)交匯，為黃山地區(qū)連陰雨天氣的形成提供了充足的水汽條件。

圖5 2019年冬季850 hPa層風場(a)及其距平場(b)(單位：m/s)

分析風矢量距平分布(圖5b)發(fā)現(xiàn)，中國東部至蒙古國一帶為弱的偏南風，表明2019年冬季北方冷空氣勢力較常年偏弱，而低緯低空經(jīng)向和緯向氣流都較常年偏強，西南沿海為顯著的西南風異常，加強了來自南海和孟加拉灣的水汽輸送。

3.5 水汽輸送

2019年冬季西太平洋副熱帶高壓強度異常偏強，面積異常偏大，整體位置明顯偏西、偏北。其中，588 dagpm線西脊點伸至90°E處，較常年平均位置顯著偏西；脊線位置在18°N附近，較平均場偏北3個緯距(圖6)。西太平洋副熱帶高壓將南側(cè)暖濕水汽源源不斷往長江中下游地區(qū)輸送，為此次異常連陰雨天氣過程持續(xù)輸送充沛的水汽。

圖6 2019年冬季西太平洋副熱帶高壓面積(a)、強度(b)、脊線(c)和西伸脊點(d)時間演變

從對流層整層積分水汽輸送及其輻合輻散距平場(圖7)來看，2019年冬季在副熱帶高壓西側(cè)形成低空西南急流并源源不斷地向北輸送暖濕水汽，水汽輸送大值區(qū)北界主要位于長江中下游和江淮地區(qū)，黃山地區(qū)存在明顯的水汽輻合。

4 小 結(jié)

利用氣象觀測資料和再分析資料對1961—2019年黃山地區(qū)冬季連陰雨氣候特征及2019年冬季異常個例進行分析，得到：

1) 黃山地區(qū)冬季連陰雨期間年平均降水量為184 mm,連陰雨日數(shù)為28 d,降水日數(shù)為24 d,日照時數(shù)為15h。冬季連陰雨天氣降水量、連陰雨日數(shù)和降水日數(shù)年代際分布特征具有較好的一致性。冬季連陰雨過程的降水量空間分布呈西南部多、東北部少；日數(shù)和降水日數(shù)空間分布特征較為一致，兩者均呈中南部多、西北部及東部少；日照時數(shù)均較少。

2) 2019年冬季連陰雨期間降水量、連陰雨日數(shù)和降水日數(shù)均為1962年以來最多；單站連陰雨降水量、連陰雨日數(shù)和降水日數(shù)均以2月7日—3月6日過程為最多，屯溪和歙縣連陰雨日數(shù)破歷史極值，各區(qū)縣降水日數(shù)均破歷史極值；日照時數(shù)均以2018年12月30日—2019年1月12日過程為最少，各區(qū)縣均破歷史極值。連陰雨平均強度指數(shù)為1962年以來第二高值，各區(qū)縣均達連陰雨最強等級。

3) 2019年冬季連陰雨期間烏拉爾山地區(qū)長波脊長久維持，歐亞中高緯區(qū)域大氣環(huán)流經(jīng)向度大，西路冷空氣頻繁南下，從而為黃山地區(qū)陰雨天氣提供冷空氣。長波脊的穩(wěn)定使東亞中緯度環(huán)流較平直，青藏高原南緣的南支低槽系統(tǒng)活躍。西太平洋副熱帶高壓強度異常偏強，位置偏西偏北，與穩(wěn)定維持的南支槽共同為持續(xù)連陰雨提供充足的水汽。冷暖空氣在黃山地區(qū)持續(xù)交綏，從而造成罕見的冬季連陰雨天氣。