2020年初夏貴州省降水異常特征及其歷史相似性分析

王玥彤，何東坡，嚴(yán)小冬，張嬌艷，陳早陽，李忠燕

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省氣象臺(tái)，貴州 貴陽 550002)

0 引言

初夏時(shí)節(jié)正是從春季到夏季的季節(jié)轉(zhuǎn)換時(shí)期，隨著夏季風(fēng)的爆發(fā)，降水開始增加，降水過程開始變得集中，降水異常同時(shí)受到中高緯和低緯大氣環(huán)流系統(tǒng)的影響[1,2]。

貴州省位于東亞夏季風(fēng)影響的關(guān)鍵區(qū)域，汛期(5—9月)降水量占全年降水的72%， 5月20日—7月10日(下文稱初夏)的降水量占整個(gè)汛期降水量的45%左右，貴州東部地區(qū)于4月中旬開始進(jìn)入雨季，每年5月隨著南海季風(fēng)爆發(fā)全省由東到西依次進(jìn)入雨季。暴雨洪澇是貴州省雨季最主要的氣象災(zāi)害之一，其產(chǎn)生的直接原因是暴雨集中、雨帶穩(wěn)定、強(qiáng)降水過程頻繁且持續(xù)時(shí)間長。持續(xù)性暴雨過程產(chǎn)生于穩(wěn)定的大氣環(huán)流背景下，且有充足的、持續(xù)的水汽供應(yīng)和對(duì)流不穩(wěn)定能量釋放[3-6]，其中大尺度的水汽輸送及水汽持續(xù)輻合是暴雨形成的必要條件[7-9]。

2020年入汛以來，我國天氣氣候形勢(shì)復(fù)雜，貴州省更是總體偏澇，全省范圍內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的洪澇災(zāi)害，降水極端性十分突出，暴雨強(qiáng)度總體偏強(qiáng)，影響時(shí)間持續(xù)較長，累計(jì)雨量大，災(zāi)害影響重。據(jù)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，惠水縣在6月24日降水量突破歷史極值，24 h降雨量達(dá)215.6 mm，正安縣碧峰鎮(zhèn)6月12日03—04時(shí)小時(shí)雨量突破歷史極值達(dá)163 mm。期間一共出現(xiàn)了8次區(qū)域性暴雨過程[10]，降水落區(qū)重疊，多地城鎮(zhèn)內(nèi)澇，全省因洪澇災(zāi)害緊急轉(zhuǎn)移安置13.76萬人次。局部特大暴雨的降水過程給貴州省的農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、交通帶來嚴(yán)重的影響。對(duì)2020年貴州省初夏降水異常成因展開研究，分析與之相關(guān)的氣候背景，并結(jié)合歷史氣候異常年開展對(duì)比分析[11]，比較2020年氣候異常與歷史相似年份氣候異常之間的差異，找出預(yù)測(cè)關(guān)鍵因子，為促進(jìn)貴州省汛期短期氣候預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)發(fā)展提供參考和支撐。

1 資料與方法

本文使用的資料主要有：①貴州省1961年以來的初夏時(shí)段降水日值數(shù)據(jù)，時(shí)間為20—20時(shí)。②大氣環(huán)流資料為NCEP/NCAR逐日、逐月再分析資料，分辨率為2.5°×2.5°，時(shí)間為1961—2020年，要素場(chǎng)包括風(fēng)場(chǎng)、相對(duì)濕度和500 hPa高度場(chǎng)。③NOAA提供的海表溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，分辨率為2°×2°，時(shí)間為1961—2020年。④西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱西太副高)各項(xiàng)指數(shù)，以及Bin Wang[12]定義的東亞夏季風(fēng)指數(shù)均來自國家氣候中心的“氣候與氣候變化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”。 ⑤氣候常年值為1981—2010年的平均值。

2 初夏貴州省氣候異常特征

2.1 初夏貴州省降水特征

2020年初夏全省平均降水量為544.1 mm，較常年同期偏多48.5%，為1961年以來歷史同期最多。從1961—2020年初夏時(shí)段全省平均降水量時(shí)間序列(圖1)可看出，貴州省1981—2010年降水量氣候態(tài)為367.8 mm，降水量呈現(xiàn)明顯的年代際變化，在1990年代之前，降水明顯偏少，20世紀(jì)90年代是降水偏多的集中期，近21世紀(jì)初降水又轉(zhuǎn)為偏少，但近5 a呈現(xiàn)出降水明顯增加的趨勢(shì)。

圖1 1961—2020初夏降水量時(shí)間序列

初夏時(shí)段全省降水量在250～900 mm之間，總體集中在省的中部和南部地區(qū)。從為初夏時(shí)段降水量的空間分布圖2a可以看出，除畢節(jié)市西部、銅仁市西部、遵義市東南部、黔東南州北部局地外，全省大部分地區(qū)降水量在450 mm以上。其中，遵義市北部降水量在550 mm以上，正安縣降水量超過700 mm；省的西部及南部大部分地區(qū)降水量均在550 mm以上，其中，安順市大部、黔南州惠水縣及黔東南州丹寨縣降水量超過700 mm，安順市紫云縣和黔南州三都縣降水量超過800 mm。圖2b為初夏時(shí)段降水距平百分率的空間分布，全省除盤州降水偏少外，其余地區(qū)降水均偏多。降水距平百分率值西部相對(duì)較小，北部與東部較大。除畢節(jié)市西部、六盤水市南部、黔西南州大部、遵義市局地與銅仁市局地降水距平百分率低于25%，其余省內(nèi)大部分地區(qū)均超過25%，特別是遵義市北部，黔東南州東北部和南部局地降水距平百分率超過了100%。對(duì)比降水量分布的大值區(qū)可以發(fā)現(xiàn)，兩者在西部地區(qū)略有不同，這是由于初夏時(shí)段，降水量氣候態(tài)整體呈現(xiàn)西多東少的分布，導(dǎo)致西部部分地區(qū)降水量值較大，而降水距平百分率相對(duì)較小。

圖2 貴州省2020年初夏降水量(a，單位：mm)和降水距平百分率(b，單位：%)空間分布

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年初夏貴州省共出現(xiàn)了8次區(qū)域性暴雨過程(表1)，全省范圍內(nèi)區(qū)域站出現(xiàn)特大暴雨59站次、大暴雨964站次、暴雨4913站次。其中，6月18日的暴雨過程全省平均降水量最大，為25.8 mm，貴州省西南部至東北部一線均受到暴雨影響；降水量最少為6月2日平均為18 mm；6月23—24日的過程，降水量平均為25.5 mm，全省中部以南大部地區(qū)都受到暴雨影響，其中，單站最大降水量出現(xiàn)在6月24日惠水縣，為215.4 mm，屬特大暴雨。分析初夏過程主要影響系統(tǒng)，均為500 hPa高空槽東移，配合低層切變線影響。貴州省位于西太副高西北側(cè)和低空急流左側(cè)出口區(qū)，有充沛的水汽和動(dòng)力抬升條件，并且，受到副高持續(xù)偏西影響，導(dǎo)致過程中降雨系統(tǒng)在貴州省內(nèi)移動(dòng)緩慢，降水時(shí)間長，達(dá)到暴雨降水級(jí)別?？偨Y(jié)多次過程降水落區(qū)，均出現(xiàn)在貴州省西部、南部、東南部和東北部等地，降水落區(qū)重疊，使省內(nèi)多地發(fā)生城鎮(zhèn)內(nèi)澇和山洪，造成嚴(yán)重影響。

表1 2020年初夏主要降水過程

2.2 2020年初夏大氣環(huán)流演變特征

分析初夏大氣環(huán)流異常演變特征，討論大氣環(huán)流對(duì)2020年初夏降水異常的影響。圖3給出了2020年初夏東北半球大氣環(huán)流分布，北半球中高緯地區(qū)環(huán)流經(jīng)向度較大，由北至南距平場(chǎng)分布大致為“北高南低”分布。緯向分布呈“兩槽一脊”分布型，烏拉爾山阻塞高壓活躍，北極環(huán)流受到上游亞洲高壓暖空氣向北輸送的影響，導(dǎo)致極地冷空氣由新地島—巴倫支海輸送到蒙古—東北/華北地區(qū)，形成冷渦或冷槽，因此東北冷渦活躍；同時(shí)，下游鄂霍次克海以西的高壓脊強(qiáng)大而穩(wěn)定，起到對(duì)大范圍環(huán)流系統(tǒng)的錨定作用，使低壓槽穩(wěn)定維持在東亞中高緯附近，配合青藏高原的不穩(wěn)定低槽東移，使得雨帶停滯于長江流域。中低緯環(huán)流場(chǎng)上，印緬槽偏弱，西太平洋副熱帶高壓西伸脊點(diǎn)明顯偏西，面積偏大，強(qiáng)度偏強(qiáng)。和氣候態(tài)相比，5880線與氣候態(tài)5860線接近，我國南海至華南地區(qū)都受到副熱帶高壓主體控制，西伸脊點(diǎn)延伸至中南半島地區(qū)，貴州省位于副高西北側(cè)，受到副高外圍風(fēng)場(chǎng)帶來的水汽影響，配合西南季風(fēng)的水汽輸送，有非常充沛的水汽條件，結(jié)合中高緯環(huán)流配置，使中國南方地區(qū)降水落區(qū)穩(wěn)定維持在長江中下游及其以南地區(qū)。這一結(jié)論與吳萍等[3]研究厄爾尼諾次年大氣環(huán)流狀況一致。

圖3 2020年初夏500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)(a,填色圖為距平，黑線為位勢(shì)高度實(shí)況值，紅線為氣候態(tài))及西太平洋副熱帶高壓各指數(shù)逐日變化(b:脊線位置；c:西伸脊點(diǎn))

從西太副高指數(shù)逐日變化情況來看，副熱帶高壓脊線位置和西伸脊點(diǎn)在月內(nèi)變化較大，具體分析如圖4所示。西太副高脊線位置在月內(nèi)有2次顯著變化，6月16日前，副熱帶高壓脊線明顯偏北，受到中緯度低壓槽西移的影響，副熱帶高壓受到壓制，不易北跳；16日之后南落并維持相對(duì)氣候態(tài)偏南的位置，直到6月30日才又一次北抬，脊線從偏南位相轉(zhuǎn)換為偏北。雖然月內(nèi)變化有階段性偏南的特征，但脊線位置總體偏北。西伸脊點(diǎn)在月內(nèi)保持整體偏西的狀態(tài)，但在6月4日后有階段性東退地演變特征，基本保持在氣候態(tài)以西的位置。

從東亞夏季風(fēng)指數(shù)逐日變化情況來看(圖4a)，2020年初夏東亞夏季風(fēng)總體強(qiáng)度偏弱表現(xiàn)得異常明顯，東亞夏季風(fēng)強(qiáng)度指數(shù)甚至達(dá)到-8，較常年同期異常偏弱。由于季風(fēng)偏弱，季風(fēng)水汽輸送路徑偏南(圖4b)，水汽沿著西南季風(fēng)和南海季風(fēng)的方向，向中國南方地區(qū)輸送。結(jié)合水汽輸送矢量距平圖(圖4c)可以看出，南海地區(qū)有明顯的反氣旋式環(huán)流異常，有利于將南海的水汽通過西南風(fēng)異常輸送到長江流域。并且來自孟加拉灣和赤道印度洋西南風(fēng)水汽輸送較常年偏強(qiáng)。上述2條水汽通道為貴州省乃至長江流域多雨形勢(shì)提供了必要條件。同時(shí)，中高緯地區(qū)的經(jīng)向型環(huán)流帶來的動(dòng)力條件，結(jié)合水汽通量散度分布，可以看出西南季風(fēng)和南海季風(fēng)將水汽輸送至中國的西南地區(qū)并產(chǎn)生輻合，因此，降水集中在西南地區(qū)及長江流域一線。

圖4 2020年初夏東亞夏季風(fēng)指數(shù)逐日變化(a)、850 hPa水汽輸送原始場(chǎng)(b，單位：10 g·s-1·cm-1·hPa-1,陰影為水汽輸送大于80 g·s-1·cm-1·hPa-1)和水汽輸送距平場(chǎng)及水汽通量散度場(chǎng)(c，箭頭為距平，單位：g·s-1·cm-1·hPa-1；陰影為水汽通量，單位：10-5kg·g-1·m-2)

3 貴州省歷史同期降水異常偏多年與2020年的對(duì)比分析

貴州省降水量年際與年代際變化顯著，將初夏降水資料標(biāo)準(zhǔn)化后選取超過1.0個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的5個(gè)歷史偏多年(1996、1995、1991、2017、2001年，2020年除外)作為研究對(duì)象。利用合成分析比較2020年初夏與歷史同期降水偏多年環(huán)流和海溫等差別。

3.1 環(huán)流對(duì)比分析

通過對(duì)初夏歷史偏多年環(huán)流場(chǎng)合成分析發(fā)現(xiàn)(圖5a)，500 hPa歐亞中高緯呈現(xiàn)出“兩槽一脊”的波列，歐洲南部為正距平分布，北歐至烏拉爾山西側(cè)為負(fù)距平分布，西伯利亞至貝加爾湖地區(qū)為高度場(chǎng)正異常，鄂霍次克海為負(fù)高度異常，高壓脊位于青藏高原至東西伯利亞一線。中國除華北和東北地區(qū)外大部分地區(qū)高度場(chǎng)都為正距平，東亞大槽偏強(qiáng)，東北冷渦活躍，通過異常東北風(fēng)，向長江及其以南地區(qū)輸送干冷空氣。西太平洋副熱帶高壓相對(duì)氣候態(tài)偏大、西伸脊點(diǎn)偏西，脊線偏北。與歷史偏多年相比，2020年初夏中緯度地區(qū)環(huán)流經(jīng)向度更大，高緯度地區(qū)均為正高度異常，且配合烏拉爾山阻塞高壓偏強(qiáng)，但中低緯度地區(qū)受正距平控制。副熱帶高壓偏大、西伸脊點(diǎn)偏西更明顯，這導(dǎo)致了2020年初夏降水和溫度不同的配置。歷史偏多年降水偏多，大部分地區(qū)氣溫偏低，而2020年降水異常偏多，氣溫異常偏高。850 hPa水汽輸送場(chǎng)上(圖5b)通過南海季風(fēng)和孟加拉灣的西南季風(fēng)，向長江及以南地區(qū)輸送水汽，水汽輸送大值區(qū)位于長江流域以南地區(qū)。與2020年初夏環(huán)流形勢(shì)大致相同，均為低層水汽輸送偏強(qiáng)且輻合帶位置相對(duì)穩(wěn)定。對(duì)比水汽輸送距平場(chǎng)，在西太平洋有反氣旋水汽輸送異常，西南季風(fēng)水汽輸送較常年偏弱，水汽的主要來源是南海季風(fēng)。貴州省的西部位于水汽輻合區(qū)域，相較于2020年初夏，歷史偏多年的水汽輻合中心在長江下游地區(qū)。

圖5 歷史偏多年初夏500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)分布(a，同圖3a)、850 hPa水汽輸送分布(b，同圖4b)、水汽輸送距平場(chǎng)和水汽通量散度場(chǎng)(c，同圖4c)

總體而言，降水偏多時(shí)，從環(huán)流場(chǎng)異常來看，中高緯地區(qū)的環(huán)流經(jīng)向度大，使冷空氣輸送至東北/華北地區(qū)，形成冷渦或冷槽并穩(wěn)定維持結(jié)合充沛的水汽條件及輻合上升運(yùn)動(dòng)，是產(chǎn)生大范圍持續(xù)降水天氣的必要條件。

3.2 海溫影響

在2019年9月—2020年5月熱帶太平洋發(fā)生了1次中部型厄爾尼諾事件，且印度洋海溫一致模(IOBW)從2018年11月開始至2020年6月前維持了19個(gè)月的正位相，熱帶印度洋偶極子(TIOD)在2020年1月前維持了24個(gè)月的正位相。前期異常偏暖的印度洋和太平洋的海溫異常是2020年海溫外強(qiáng)迫最明顯的特征。

有許多研究指出：前期冬季和春季不同海區(qū)的海溫異常對(duì)西太副高有強(qiáng)迫作用，前期春季赤道中太平洋厄爾尼諾事件有利于夏季副熱帶西北太平洋出現(xiàn)異常氣旋，中太平洋厄爾尼諾事件期間華南地區(qū)降水偏多[14]。同時(shí)，熱帶印度洋海溫異常對(duì)西太副高也有調(diào)制作用，熱帶印度洋海溫正異常有利于西太副高增強(qiáng)，其物理機(jī)制主要有2種解釋：一是吳國雄等[15]提出的“兩級(jí)熱力適應(yīng)”機(jī)制；二是Terao[16]和Xie[17]及Wu[18]等提出的“開爾文波和波致?？寺椛ⅰ睓C(jī)制。熱帶印度洋—太平洋緯向海溫梯度對(duì)西太副高在近年來的研究中也被發(fā)現(xiàn)有聯(lián)合作用：熱帶印度洋偏暖和太平洋西暖東冷的異常緯向海溫梯度驅(qū)動(dòng)了赤道西太平洋的異常東風(fēng)，并通過?？寺槲饔茫馃釒馕鞅碧窖笮行沁吔鐚虞椛?，加強(qiáng)了菲律賓反氣旋，使副高鎖定在西太平洋和東南亞地區(qū)[19]。

從2020年春季海溫與歷史偏多年春季海溫合成對(duì)比發(fā)現(xiàn)(圖6)有3個(gè)相似之處，一是西印度洋偏暖，二是西太平洋暖池異常偏暖，三是赤道東太平洋有冷海溫發(fā)展。這種海溫配置與上述研究結(jié)論一致，即赤道東太平洋西暖東冷位相的海溫異常增強(qiáng)了沃克環(huán)流在赤道西太平洋地區(qū)的上升支，從而加強(qiáng)了西太副高的強(qiáng)度，并引導(dǎo)西太副高異常西伸。這一特點(diǎn)在今后的預(yù)測(cè)工作中，可將前期海溫的相似特征作為判斷初夏降水偏多的依據(jù)。但歷史偏多年中，東印度洋海溫距平為負(fù)，印度洋偶極子型分布更顯著，相對(duì)于2020年來說，對(duì)沃克環(huán)流在赤道西太平洋上的上升支起到了抑制作用，使得西太副高強(qiáng)度略弱于2020年。

圖6 海溫距平場(chǎng)分布?xì)v史偏多年春季(a)和2020年春季(b)

4 總結(jié)

分析2020年初夏降水異常的時(shí)空分布特征，對(duì)比歷史偏多年同期和前期大氣環(huán)流因子的異同，總結(jié)了以下結(jié)論：

①2020年初夏，全省平均降水量為544.1 mm，降水量為1961年以來歷史同期最多。降水時(shí)空分布不均，在省的西部、南部、東南部和東北部等地出現(xiàn)了8次強(qiáng)降雨過程，降水落區(qū)重疊，全省范圍內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的洪澇災(zāi)害，降水極端性十分突出。

②2020年初夏大氣環(huán)流特征表現(xiàn)為：中高緯緯向分布呈“兩槽一脊”分布型，且環(huán)流形勢(shì)穩(wěn)定維持；中低緯地區(qū)西太平洋副熱帶高壓西伸脊點(diǎn)明顯偏西，面積偏大，強(qiáng)度偏強(qiáng)，但副熱帶高壓脊線位置和西伸脊點(diǎn)在月內(nèi)變化較大。這種高低緯環(huán)流配置有利于雨帶維持于中國長江中下游及以南地區(qū)，與歷史偏多年同期環(huán)流形勢(shì)大致相同。但2020年副熱帶高壓偏大、西伸脊點(diǎn)偏西的特征更顯著。850 hPa水汽輸送場(chǎng)上，西北太平洋異常反氣旋產(chǎn)生的異常西南風(fēng)，向長江及其以南地區(qū)輸送水汽，與歷史偏多年初夏環(huán)流形勢(shì)大致相同，均為低層水汽輸送偏強(qiáng)且輻合帶位置相對(duì)穩(wěn)定。

③前期春季熱帶印度洋偏暖和太平洋西暖東冷的異常緯向海溫梯度驅(qū)動(dòng)了赤道西太平洋的異常東風(fēng)，加強(qiáng)了菲律賓反氣旋，使副高鎖定在西太平洋和東南亞地區(qū)。由于副高位置穩(wěn)定少動(dòng)，導(dǎo)致貴州省初夏降水偏多，以上說明春季赤道地區(qū)海溫異常配置對(duì)貴州省初夏降水預(yù)測(cè)有一定指示意義。

從預(yù)測(cè)的角度來看，前期環(huán)流形勢(shì)和海溫情況都是支持預(yù)測(cè)2020年初夏降水偏多的趨勢(shì)，但預(yù)報(bào)出它的極端性具有相當(dāng)難度，在今后的工作中應(yīng)針對(duì)異常氣候事件的預(yù)測(cè)開展進(jìn)一步的研究。