2020年浙江省梅雨異常的大尺度特征及不穩(wěn)定條件分析*

劉圣楠 呂 健 劉漢華 姜嘉俊 黃嘉儀

(1.金華市氣象局,浙江 金華 321000;2.浙江省氣象臺(tái),浙江 杭州 310017;3.寧波市氣象臺(tái),浙江 寧波 315012)

0 引 言

梅雨是東亞夏季風(fēng)向北推進(jìn)的產(chǎn)物[1]。長(zhǎng)江中下游地區(qū)由于不同年份大尺度環(huán)流的熱力和動(dòng)力特征以及梅雨鋒結(jié)構(gòu)等的差異,導(dǎo)致梅雨的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短和降雨量多寡不一[2]。對(duì)于梅雨異常成因,學(xué)者們開展了許多有意義的研究[3-8]。

近年來,引發(fā)暴雨的中尺度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受到廣泛關(guān)注和深入研究[9]。Gao等[10]通過實(shí)例分析證明了濕位渦(MPV)異?？梢暂^為準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)暴雨落區(qū)。梅雨鋒上的極端暴雨與大氣不穩(wěn)定性緊密相關(guān),研究表明鋒面上的濕條件性對(duì)稱不穩(wěn)定(CSI)加強(qiáng)了鋒面次級(jí)環(huán)流,可產(chǎn)生中尺度雨帶,極易引起暴雨增強(qiáng)[11]。Hoskins[12]、Bennetts等[13]討論了MPV與CSI之間的關(guān)系,認(rèn)為當(dāng)大氣滿足垂直方向?qū)α鞣€(wěn)定和水平方向慣性穩(wěn)定時(shí),MPV<0是CSI存在的必要條件。黃明策等[14]在研究中國(guó)東部夏季風(fēng)雨帶向北推進(jìn)與條件性對(duì)稱不穩(wěn)定的關(guān)系時(shí),構(gòu)建了一個(gè)與MPV有關(guān)的指數(shù),發(fā)現(xiàn)其與梅汛期暴雨關(guān)系密切。

根據(jù)國(guó)家氣候中心梅雨監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn),將浙江省中北部地區(qū)49個(gè)站定為梅雨指標(biāo)站,2020年浙江省中北部梅雨總量為1951年以來第一位。2020年梅汛期內(nèi)暴雨過程頻繁,比如6月30日夜里浙江省中部地區(qū)出現(xiàn)區(qū)域性大暴雨天氣,造成中小河流洪水和人員傷亡,又如7月7日新安江流域的大暴雨過程導(dǎo)致新安江水位持續(xù)上漲,在7月8日達(dá)歷史最高水位(108.39 m),超浙江省梅控水位1.89 m。新安江水庫建庫61 a來于2020年7月8日首次開啟9孔泄洪,暴雨強(qiáng)度之強(qiáng)超乎預(yù)計(jì)。本文旨在通過對(duì)大尺度環(huán)流形勢(shì)和物理量場(chǎng)的分析,揭示2020年浙江省梅汛期異常降水成因,以期加深對(duì)浙江省梅汛期暴雨形成機(jī)理的理解與認(rèn)識(shí),提高梅汛期暴雨的預(yù)報(bào)能力。

1 梅雨概況

2020年浙江省于5月29日入梅,7月18日出梅。呈現(xiàn)出梅期時(shí)間長(zhǎng)(入梅早、出梅晚)、梅雨總量大、暴雨過程多、強(qiáng)降雨區(qū)重疊等共4個(gè)特點(diǎn)。浙江省常年入梅時(shí)間為6月10日,2020年入梅時(shí)間偏早12 d;常年出梅時(shí)間為7月10日,2020年出梅時(shí)間偏晚8 d;常年梅雨期日數(shù)30 d,2020年偏多20 d。根據(jù)國(guó)家氣象觀測(cè)站統(tǒng)計(jì)資料可知,5月29日08時(shí)至7月18日08時(shí),全省平均面雨量為548 mm,其中浙中北梅雨量為633 mm,為1951年以來歷年梅雨量第一位(第二位為1954年623 mm),最大市面雨量為衢州市873 mm,有29個(gè)縣(市、區(qū))平均面雨量超過600 mm,最大為開化1 151 mm,單站最大為開化齊溪鎮(zhèn)錢江源站1 493 mm,新安江庫區(qū)(含安徽段)總雨量達(dá)1 065 mm,比常年偏多近2倍。

從5月29日—7月17日浙江省面雨量逐日演變可以發(fā)現(xiàn),2020年梅汛期浙江省共出現(xiàn)9輪較大范圍的強(qiáng)降雨過程,分別出現(xiàn)在5月29—30日、6月2—6日、6月10—11日、6月19—22日、6月24—27日、6月29—30日、7月2—4日、7月6—10日、7月15—16日。

2 環(huán)流特征

2.1 對(duì)流層高層環(huán)流特征

南亞高壓東伸北抬是浙江省進(jìn)入梅汛期的重要信號(hào)[1]。從120°E脊線位置演變可知,5月29日—7月17日南亞高壓脊線一直維持在20～25°N,特別是6月10日起南亞高壓脊線穩(wěn)定在25°N附近。浙江省位于南亞高壓東北部,為高空強(qiáng)輻散區(qū),有利于上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展,進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)降水。與常年平均相比,2020年梅汛期南亞高壓脊線位置明顯偏北且強(qiáng)度明顯偏強(qiáng),其北抬日期也比常年提前,有利于浙江省提前入梅。

2.2 對(duì)流層中層環(huán)流特征

西太平洋副熱帶高壓(簡(jiǎn)稱副高)是影響梅雨的重要行星尺度天氣系統(tǒng),它的異常對(duì)梅雨異常有重要影響。與常年平均相比,西太平洋副熱帶高壓北抬偏早且強(qiáng)度偏強(qiáng)(圖略),是2020年浙江省入梅偏早且梅雨異常偏多的重要原因之一。對(duì)比2020年浙江省梅汛期與常年同期的歐亞地區(qū)500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)和距平場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn),2020年梅雨期間,中高緯50～70°N阻高呈現(xiàn)明顯的雙阻型,西阻高位于烏拉爾山以西、東阻高位于雅庫茨克附近,兩個(gè)阻高之間是寬廣的低壓槽;中緯度35～40°N為較為平直的西風(fēng)帶,低緯度30°N以南的廣大地區(qū)為副熱帶高壓所在地區(qū)。由2020年與1990—2019年30 a平均位勢(shì)高度場(chǎng)相減得到距平場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn),常年同期的500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上阻高偏弱、副高偏弱,90～150°E、30～60°N區(qū)域出現(xiàn)負(fù)距平,表明該地區(qū)2020年梅雨期間低壓槽等低值系統(tǒng)較30 a同期平均更強(qiáng),有利于北方冷空氣南下;而副高偏強(qiáng)則有利于暖濕氣流輸送。2020年冷、暖氣流相互作用更強(qiáng),是造成梅雨異常偏多的重要原因。

2.3 對(duì)流層低層環(huán)流特征

從夏季風(fēng)進(jìn)退的角度可以發(fā)現(xiàn),5月29日開始夏季風(fēng)明顯向北推進(jìn)且強(qiáng)度加強(qiáng),對(duì)應(yīng)梅雨期開始,此后一直到7月17日都維持強(qiáng)盛的西南季風(fēng)(圖1a),7月18日之后西南季風(fēng)明顯減弱南退,對(duì)應(yīng)梅雨期結(jié)束。西南季風(fēng)有利于將熱帶和副熱帶暖濕氣流向北輸送,有利于暴雨產(chǎn)生。與常年平均(圖1b)相比,2020年梅汛期內(nèi)夏季風(fēng)北跳時(shí)間(5月下旬)明顯早于常年(6月上旬),且西南風(fēng)風(fēng)速也較常年明顯偏大,使得入梅偏早;此外，還可發(fā)現(xiàn),2020年夏季風(fēng)南退時(shí)間(7月下旬后期)明顯晚于常年(7月中旬后期),這與出梅偏晚密切相關(guān)。2020年入梅早、出梅晚,造成梅期長(zhǎng)、累計(jì)雨量大。

圖1 5月20日—7月31日沿117.5～122.5°E平均的850 hPa經(jīng)向風(fēng)速(陰影)及風(fēng)矢量(箭頭,單位:m/s)的緯度—時(shí)間剖面(a.2020年、b.1990—2019年30 a平均)

冷暖氣流匯合才能鋒生,并有利于產(chǎn)生多尺度的上升運(yùn)動(dòng),進(jìn)而造成暴雨。如果說低緯度夏季風(fēng)能較好地表征暖氣團(tuán),那么沿30°N的117.5～122.5°E平均經(jīng)向風(fēng)能較好地表征中高緯度冷氣團(tuán)(圖2),2020年浙江省梅雨期間,冷空氣活動(dòng)頻繁,且冷空氣強(qiáng)度較常年明顯偏強(qiáng)。季風(fēng)涌北上(圖1)以及冷空氣活動(dòng)(圖2)有利于梅雨鋒維持,而副熱帶高壓穩(wěn)定又使梅雨鋒位置移動(dòng)少,使強(qiáng)降雨頻繁出現(xiàn)在浙江一帶。

圖2 5月20日—7月31日沿30°N的117.5～122.5°E平均經(jīng)向風(fēng)速(單位:m/s)高度—時(shí)間剖面(a.2020年、b.1990—2019年30 a平均)

3 物理量場(chǎng)

3.1 水汽與動(dòng)力條件

水汽輸送通道的建立對(duì)暴雨的形成具有十分重要的作用,主要的水汽輸送來源為對(duì)流層低層(或邊界層)。本文分析了925 hPa水汽通量散度的演變特征。從圖3可以看出,27～31.5°N存在多個(gè)水汽通量大值中心,與強(qiáng)降水區(qū)對(duì)應(yīng)較好,強(qiáng)的水汽輻合對(duì)應(yīng)著9輪明顯的降水過程。比如6月19—22日的強(qiáng)降水時(shí)段對(duì)應(yīng)著29°N附近(1.2～1.6)×10-8g/(s·cm2·hPa)的強(qiáng)水汽通量輻合區(qū)。疊加垂直速度發(fā)現(xiàn),水汽通量輻合區(qū)與上升運(yùn)動(dòng)大值區(qū)對(duì)應(yīng)得很好,水汽通量輻合中心正好對(duì)應(yīng)強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)。水汽源源不斷地輸送至暴雨區(qū)并集中、輻合、向上抬升凝結(jié),使浙江省出現(xiàn)多次暴雨天氣過程。

圖3 2020年5月20日—7月31日沿118～122°E平均的925 hPa水平方向水汽通量散度(陰影,單位:10-9 g/(s·cm2·hPa))和垂直速度(虛線,單位:-10-1 Pa/s)緯度—時(shí)間剖面

梅汛期暴雨與中尺度系統(tǒng)活動(dòng)關(guān)系密切,中尺度系統(tǒng)活動(dòng)是造成暴雨的直接原因。廣義對(duì)流渦度矢量結(jié)合了渦度矢量和廣義位溫梯度,能較好地表征深對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展[15];對(duì)流渦度矢量垂直分量與非絕熱加熱項(xiàng)密切相關(guān),對(duì)流渦度矢量垂直分量可用來診斷與中尺度對(duì)流系統(tǒng)有關(guān)的梅雨鋒鋒生及其相關(guān)的暴雨過程[16]。

2020年梅雨期間,由于長(zhǎng)江中下游梅雨主雨帶總體偏北,廣義對(duì)流渦度矢量垂直分量的主要大值帶位于30°N以北地區(qū)(圖4),但是可以發(fā)現(xiàn)在浙江省緯度范圍內(nèi)27～31.5°N,存在多個(gè)廣義對(duì)流渦度矢量垂直分量的大值中心,這說明2020年梅雨期間,中尺度對(duì)流系統(tǒng)活動(dòng)較頻繁,它們對(duì)浙江省梅汛期暴雨的形成有著直接影響。

圖4 2020年5月20日—7月31日沿118～122°E平均的廣義對(duì)流渦度矢量垂直分量垂直積分(單位:10-5 K/s)的緯度—時(shí)間剖面

衛(wèi)星觀測(cè)的OLR(向外長(zhǎng)波輻射)資料能很好地反映大規(guī)模的上升和下沉區(qū),為了解低緯度地區(qū)的大氣特征及中尺度對(duì)流活動(dòng)提供許多有用的信息[1]。實(shí)時(shí)OLR產(chǎn)品可以反映觀測(cè)地區(qū)對(duì)流活動(dòng)的強(qiáng)弱,與云量分布有較好的一致性[17-18]。圖5為2020年梅汛期平均的OLR水平分布及其距平。由圖5可知,我國(guó)東南沿海至日本南部為明顯的OLR低值區(qū),尤其是蘇皖浙3省交界附近存在一個(gè)OLR低中心(190～200 W/m2),比常年同期偏低18～24 W/m2,表明蘇皖浙地區(qū)云系多、對(duì)流活躍,旺盛的對(duì)流活動(dòng)有利于強(qiáng)降水產(chǎn)生,導(dǎo)致梅雨量偏多。

圖5 2020年5月29日—7月17日平均的向外長(zhǎng)波輻射(OLR)[a.水平分布、b.距平(單位:W/m2)]

3.2 熱力與不穩(wěn)定條件

不穩(wěn)定條件對(duì)暴雨的產(chǎn)生具有十分重要的作用。學(xué)者們多用假相當(dāng)位溫(θse)表征大氣不穩(wěn)定度。由沿120°E的θse高度—緯度剖面(圖略)可知，30°N附近存在θse密集區(qū),對(duì)應(yīng)著梅雨鋒,鋒區(qū)南側(cè)為344 K以上的暖濕蓋,800 hPa附近θse隨高度的增加而遞減,為不穩(wěn)定層結(jié),有利于短時(shí)暴雨出現(xiàn)。

濕位渦(MPV)是綜合了熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征的組合物理量,可以表征大氣不穩(wěn)定性。MPV可以分為垂直項(xiàng)MPV1和水平項(xiàng)MPV2之和,分別代表濕正壓和濕斜壓過程,表達(dá)式為:

(1)

(2)

當(dāng)MPV1<0且MPV2<0時(shí),條件對(duì)稱不穩(wěn)定往往與對(duì)流不穩(wěn)定共存,這時(shí)垂直對(duì)流和傾斜對(duì)流均能發(fā)生;當(dāng)同時(shí)滿足MPV<0、MPV1>0、MPV2<0時(shí),則單純條件對(duì)稱不穩(wěn)定產(chǎn)生[19]。分析逐日的MPV、MPV1和MPV2分布特征(圖6)可以發(fā)現(xiàn),對(duì)流層中低層MPV負(fù)值主要由MPV1貢獻(xiàn),梅雨期間大氣中低層不穩(wěn)定性以對(duì)流不穩(wěn)定為主;同時(shí),MPV2對(duì)MPV貢獻(xiàn)雖小,但在整個(gè)梅雨期間,絕大多數(shù)時(shí)間MPV2小于0,說明梅雨期間條件對(duì)稱不穩(wěn)定與對(duì)流不穩(wěn)定共存,對(duì)流形式既有垂直對(duì)流又有傾斜對(duì)流。

4 結(jié) 語

本文利用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)再分析資料、美國(guó)國(guó)家大氣海洋局向外長(zhǎng)波輻射(NOAA OLR)衛(wèi)星觀測(cè)資料和浙江省常規(guī)氣象觀測(cè)資料,從大尺度環(huán)流形勢(shì)、動(dòng)力和熱力條件、水汽條件以及不穩(wěn)定性等方面,對(duì)2020年浙江省梅汛期異常強(qiáng)降水成因展開分析,得到以下結(jié)論。

(1)2020年浙江省于5月29日入梅,7月18日出梅;入梅偏早12 d,出梅偏晚8 d,梅期偏多20 d,暴雨過程頻繁(共出現(xiàn)9次較大范圍的強(qiáng)降雨過程),強(qiáng)降雨區(qū)重疊,梅雨總量異常偏多。

(2)200 hPa南亞高壓及500 hPa西太平洋副熱帶高壓東伸北抬偏早、西南夏季風(fēng)加強(qiáng)北涌偏早共同造成2020年浙江省入梅偏早;而南亞高壓、西太平洋副熱帶高壓和西南夏季風(fēng)穩(wěn)定維持使梅期偏長(zhǎng)且出梅偏晚。

(3)2020年梅雨期間,500 hPa中高緯度呈“雙阻型”,中緯度平直西風(fēng)帶中多短波槽活動(dòng),異常強(qiáng)盛的西南夏季風(fēng)輸送來的暖濕氣流與北方活躍的干冷空氣多次相互作用、匯合鋒生,加上南亞高壓、西太平洋副熱帶高壓等行星尺度天氣系統(tǒng)穩(wěn)定維持,使暴雨區(qū)在浙江省維持,導(dǎo)致梅雨異常偏多。

(4)從動(dòng)力和水汽條件來看,2020年浙江省梅雨期間廣義對(duì)流渦度矢量存在大值中心以及向外長(zhǎng)波輻射(OLR)異常偏低，說明浙江省上空對(duì)流活動(dòng)多是造成強(qiáng)降雨的重要原因之一。水汽通量輻合區(qū)和強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)中心基本重疊,且與強(qiáng)降雨對(duì)應(yīng)較好,9次強(qiáng)的水汽通量輻合和強(qiáng)烈發(fā)展的上升運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)著9次明顯的降雨過程。

(5)從熱力和不穩(wěn)定條件來看,2020年浙江省梅雨期間南方暖濕氣團(tuán)與北方干冷氣團(tuán)頻繁匯合有利于梅雨鋒的形成及維持,同時(shí)上干冷下暖濕的對(duì)流性不穩(wěn)定層結(jié)有利于對(duì)流發(fā)展。對(duì)流層中低層濕位渦(MPV)負(fù)值主要由垂直項(xiàng)(MPV1)貢獻(xiàn),梅雨期間大氣中低層不穩(wěn)定性以對(duì)流不穩(wěn)定為主;同時(shí),在整個(gè)梅雨期間,絕大多數(shù)時(shí)間MPV2小于0,說明梅雨期間條件對(duì)稱不穩(wěn)定與對(duì)流不穩(wěn)定共存,對(duì)流形式既有垂直對(duì)流又有傾斜對(duì)流。