夏季我國東部暴雨帶位置變化的診斷分析

副高活動與西太平洋副高北跳夏季西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）是影響中國夏季氣候和氣候的重要系統。副高的季節內變化決定我國東部雨帶的幾次向北推移,而其年際變化決定我國東部旱澇的出現。熊安元指出夏季西太平洋副熱帶高壓等氣候因子的年代際變化為20世紀90年代長江中游夏季異常多雨提供了一個十分有利的氣候變化背景。近幾年來,長江流域的災害性天氣頻繁出現,例如,1998年夏季長江流域特大洪水以及2003年7月中下旬江南地區持續高溫酷暑天氣。這些異常天氣均與西太平洋副高的活動有著密切的關系。因此,副高的活動一直是我國預報員所關心的問題。圖1是1971—2000年7月平均的200hPa,500hPa和850hPa位勢高度分布以及200hPa緯向風速平均分布圖。月平均緯向風速的分布用來表示高空副熱帶急流的位置。在200hPa(圖1a)圖上副熱帶地區從青藏高原向東西擴展的橢圓形南亞高壓1248dagpm等高線的東西范圍從30°E伸展到150°E,而在太平洋中部有一個只出現在對流層上部的大洋中部低壓槽。在500hPa(圖1b)西太平洋副高表現為從120°E至160°W的東西走向的高壓系統,一般取588dagpm(或586dagpm)等高線作為特征線,副高脊線平均在27°N。在我國業務天氣分析和一般研究中,主要抓住500hPa副高的活動,本文后面所稱的副高是指500hPa的副高。850hPa上(圖1c)西太平洋副高表現為從東太平洋的高壓中心向西伸展過來的高壓脊,在這個高壓脊西面是季風低氣壓區,兩者之間是比較密集的南北走向的等高線,表明低空的西南季風在南海折向北,流到我國東部和日本。從氣候上講,副高脊線有明顯季節內突變性北跳,5月20日左右,副高脊線北跳到15°N以北,南海夏季風爆發,華南前汛期雨季開始。6月18日左右,副高脊線北跳到25°N,華南前汛期雨期結束,長江流域中下游地區梅雨開始。7月10日前后,副高脊線北跳到30°N,長江流域梅雨期結束。7月底副高脊線北跳到35°N,日本和韓國的梅雨期結束。各年副高的季節內變化與平均情況相比較有很大出入。怎樣預報每年副高的幾次西伸北跳是預報員最關心的問題。我國預報員對副高的西伸北跳或者東撤南退已總結出一些經驗規則。例如,當500hPa西風帶有一個高壓脊移近我國沿海海岸時,副高有一次加強。陶詩言等根據夏季靜止Rossby波的波數為6個波的假定,指出當大形勢調整到里海以東80°E出現一個靜止的長波槽,而在115°E附近出現一個靜止長波脊時,這時副高就西伸北跳;相反,當80°E出現靜止長波脊,115°E出現靜止長波槽時,副高南退東撤。陶詩言等指出,當200hPa的南亞高壓和西太平洋副高相向而行時,副高就會西伸北進。李雙林等通過一次出梅時副高北進過程,利用IAPT42L9全球譜模式對影響副高北進的因子進行了數值試驗。指出對應出梅時的環流形勢,大氣內部的動力調整過程具有使副高增強北進的趨勢,這是副高北進的主導因子。曹杰等研究發現在副熱帶高壓偏北年,前期強的經向和緯向外部熱力差異使得大氣環流的演變過程存在波波相互作用和波流相互作用。任榮彩等研究副高短期變異的動力和熱力機制時,指出它與南亞高壓的異常活動和中高緯度環流系統的異常有著密切的聯系。日本的學者也注意副高的北跳和對流層下部副高的西伸。Nitta指出,當熱帶西太平洋暖池對流活動強烈時,會激發靜止Rossby波的能量傳播,出現PJ型的遙相關型。這時副高加強并向北伸展到日本,造成高溫酷暑天氣。黃榮輝等對西太平洋暖池區熱狀況進行了研究,指出當熱帶西太平洋暖池增溫時,從菲律賓周圍經南海到中印半島上空的對流活動將增強,西太平洋副高的位置偏北;從東南亞經東亞到北美西海岸上空大氣環流的異常呈現出一個遙相關型——東亞太平洋型。天氣分析的經驗指出,當夏季有多次副高西伸北跳時,暖池并不一定對流活動最強。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,出現多雨天氣。徐海明等還研究了江淮入梅前后大尺度大氣環流的演變特征和西太平洋副熱帶高壓增強西伸的可能機制。指出熱帶ITCZ和孟加拉灣北部對流的異常活躍可能對副熱帶高壓的增強西伸產生影響。Enomoto等的研究發現,在日本7月末往往有一次副高強烈的西伸北跳造成日本梅雨的結束并出現高溫酷暑天氣。在分析1985年8月日本一次副高西伸北跳的成因機理時指出,在日本附近的高空副熱帶急流中出現一個相當正壓結構的反氣旋,這個高壓系統引起日本副高(日本學者稱作小笠原高壓)向北伸。他們認為這是由于高空急流中靜止Rossby波的能量傳播過程中所引起“下游效應”的結果,這是個創新的觀點。文獻還分析了各年日本副高的年際變化。Enomoto的研究只限于8月日本地區,本文的研究將他的觀點推廣到其他月份,地區擴展到整個東亞范圍。1次副高西伸北跳和5年8月5日極端天氣圖2a是2005年6—8月我國東部(110°～120°E)200hPa區域平均西風分量的經向-時間分布圖,表示高空副熱帶西風急流位置的南北變化。圖2b是110°～120°E區域平均500hPa表示副高特征的586dagpm等高線經向-時間分布,用來追蹤副高的北跳和南撤,圖上也給出110°～120°E區域平均整層(地面至300hPa)積分的水汽輸送通量經向-時間分布,表示來自南邊的季風涌強度,圖上的陰影區表示OLR距平的經向-時間分布,表示熱帶強對流活動區以及對流降水區(鋒面)的位置。圖2c是27.5°～32.5°N緯度范圍平均的500hPa位勢高度緯向-時間分布,表示副高脊線的西伸和東退,圖上還給出27.5°～32.5°N緯度范圍平均OLR距平小于15W·m-2區域,表示在這個地區內對流活動的活躍程度。2005年夏季8月25日以前,副高有3次西伸北跳,兩次南退東撤。在6月底以前造成前汛期暴雨的靜止鋒停留在廣西、廣東和福建,引起廣西和福建100年一遇的洪水災害。這時副高位于20°N以南,高空西風急流軸位于35°N。6月底至7月初副高出現第一次西伸北跳,586dagpm特征線移到30°N,副高脊伸至110°E,造成長江中下游地區出現空梅,主要降水帶出現在淮河流域,淮河上游出現洪澇。這時高空急流北移到40°N。7月中旬副高出現2005年最強的一次西伸北跳,586dagpm特征線移至45°N,這時淮河流域的降水結束,整層水汽輸送通量達到40°N,7月23日北京房山出現150mm的強降水。這時高空急流北移至50°N以北。8月第一候副高有一次南退東撤,這時麥莎臺風沿著120°E北上(圖2b)造成南北走向一條雨帶。在這期間高空急流南移到40°N以南。8月第三候副高出現第三次西伸北跳,高空急流北移到50°N,586dagpm特征線移到40°N,雨帶主要出現在華北。8月12—14日遼寧西部出現暴雨洪澇,8月15日北京密云特大暴雨引起泥石流災害。8月第四候隨著副高第二次南退東撤,淮河流域再次出現強降水,30°N以南的華南地區也出現強降水。從2005年的例子看出,隨著副高的西伸北跳或南退東撤,我國東部的主要降水區均出現明顯的調整。隨著季節從初夏到盛夏,西太平洋副高3次西伸所在的緯度,不斷向北:第一次西伸沿著30°N,第二次西伸沿著32°N,第三次西伸沿著35°N。夏季我國東部地區常出現2～3次副高的西伸北跳,可以再以1998年個例來說明。1998年6—7月(圖3)長江流域出現100年一遇的特大洪澇災害,6月珠江流域和閩江也出現洪澇。從圖3看出,6月主要雨帶出現在30°N以南地區,該年梅雨在6月16日開始,這時華南仍持續有強降水,高空急流軸位于35°N。7月初副高出現第一次西伸北跳(圖3b,3c),586dagpm特征線移到35°N,高空急流移到40°N以北,長江中下游第一場梅雨結束并出現高溫酷暑天氣,華北出現強降水,北京昌平曾出現300mm的強降水。在7月第三候副高有一次南退東撤,586dagpm特征線南移至25°N,高空急流也南退到35°N,長江流域再次出現強降水(稱作二度梅)。8月初副高出現第二次西伸北跳,586dagpm特征線移到35°N,高空急流移到40°N,這時長江中下游的第二次梅雨結束,雨帶移至黃河和海河流域。從這兩個例子看出,副高西伸北跳平均周期為15～20d。陶詩言等指出夏季副高往往以20d周期由東向西擴展,當西太平洋副高的588dagpm等高線擴展到120°E以西時,亞洲夏季風強度偏強,江淮流域夏季降水偏少。2高空副熱帶特性本研究首先選取2005年7月16—20日的一次副高西伸北跳過程,作為典型個例進行分析。圖4a,4c,4d是這個時期的200,500,850hPa平均位勢高度場。在歐亞大陸上空出現一個靜止Rossby波列,地中海(30°E)、帕米爾高原(90°E)、日本以及日本以東洋面(150°E)為長波槽的位置,里海(60°E)和我國沿海上空(120°E)為長波脊的位置。在從上到下不同層次等壓面上,這些氣壓系統呈現出相當正壓的結構。對流層上部的青藏高壓分裂成兩部分,稱作東部型和西部型高壓。500hPa副高脊線呈西北—東南走向,伸向中緯度長波脊的方向,青藏高壓和副高的“相向”而行,表現非常清楚。這與1964年陶詩言等以及1963年陶詩言等的研究結果一致。在850hPa上太平洋副高的西部(圖1d)脊線向西北方向翹起,在日本的天氣預報手冊中稱作“翹尾巴型”副高。2005年7月19日移至我國沿海的海棠臺風沿著副高的西南邊緣移入我國大陸。圖4b是5d平均300hPa的位勢高度對緯圈平均的偏差場以及表示靜止Rossby波能量傳播的波活動矢量的水平分量。可以看到在這個時期,亞歐上空靜止Rossby波列很清楚,同時,在120°E附近的靜止高壓脊處,波活動矢量最強,而且矢量出現強烈的輻散,表示這個靜止脊處在強烈發展中。逐日350K等熵位渦分布可以揭示出準靜止Rossby波的演變過程。在7月15日(圖5a)歐亞上空高空副熱帶急流表現為平直的環流,急流的彎曲不明顯。7月17日(圖5b)里海上空有一個低值位渦脊伸起來,這時在東亞沿海岸地區高壓脊仍沒有多大發展。到了7月19日(圖5c)里海上空的脊開始變平,而東亞上空發展出一個強烈向北伸的低位渦脊。在這個發展過程中,90°E附近的高位渦槽也強烈發展,造成7月16日河西走廊強烈的沙塵暴天氣。取等熵面上位渦等于2PVU線,得出這3d的分布圖(圖5d),這3d位渦的槽或脊基本上固定在同一經度。但等熵位渦線南北起伏很明顯,在里海上空等位渦線7月15—17日是向北伸展的,7月17日達到最北,7月19日等熵位渦線南退到15日的緯度,而在東亞上空等熵位渦線一直向北伸展,7月19日達到最北。這條等熵位渦特征線的南北起伏變化揭示靜止Rossby波能量東傳的過程。7月15—17日里海上空的高壓脊強烈發展,在兩天以后東亞上空的高壓脊也強烈發展。這說明當里海上空有一個高壓脊發展時,會激發出一個靜止Rossby波列,使得下游(在我國沿海附近)2d以后發展出另一個高壓脊,這種過程天氣學上稱作“下游效應”。在這種下游效應過程中,60°E附近的高壓脊位置固定不動,但有能量傳播(頻散)到下游,引起另一個高壓脊發展,其能量1d大約傳播25個經度。為什么當我國沿海岸附近高空副熱帶急流中有長波脊發展時,副高和青藏高壓會向高壓脊方向伸展?天氣分析中有一條規則:低氣壓系統向減壓的區域移動,而高氣壓系統向加壓區域移動。副高、青藏高壓以及沿海附近高空急流中的高壓脊都是獨立的天氣系統。當沿海附近出現長波脊發展時,加壓非常明顯。按照上述規則,青藏高壓和副高都會向這個加壓方向移動。喻世華等對副高西伸和副高東退的兩種情況作了合成分析,指出當副高西伸時,青藏高壓分裂成兩個中心,而當副高東退時,青藏高壓恢復成一個中心。1998年6—7月長江流域的暴雨帶分成前后兩段(圖3)。7月3—15日由于副高西伸,梅雨中斷。下面分析這次副高西伸北跳的過程。圖6a是7月3—7日500hPa5d平均位勢高度圖,在亞歐35°～45°N范圍內,出現靜止Rossby波列,在120°～125°E范圍有一個長波脊發展。這時西太平洋副高伸入到這個高壓脊中,青藏高壓分裂成兩個中心。圖6b,6c與6d揭示了這個長波脊的發展過程。7月3日東亞沿海岸為高值位渦舌控制,表示第一段梅雨仍未結束,里海以西有一個低位渦脊向北伸展,7月5日里海附近的脊發展最激烈,我國東部上空發展一個脊,7月7日里海附近的脊減弱,而東亞沿海岸上空的脊發展最強。7月3—7日副高西伸北跳也最顯著。副高脊線從江南北跳到32°N,長江中下游第一場梅雨結束,主要降水帶出現在黃河和海河流域。北京7月5日出現暴雨,昌平區降水量達300mm。2005年8月1—5日是一次副高南退東撤的典型個例。圖7a是500hPa平均等高線分布圖,亞歐范圍的位于40°N的高空急流中出現靜止Rossby波列。在我國沿海海岸上空有一個長波槽。圖7b～7d表示8月1—5日大形勢調整的過程。7月30日地中海上空有個低壓槽強烈發展(圖略)。8月1日中亞的巴爾喀什湖上空低壓槽強烈發展(圖7b),這時中東亞(115°E)上空的低壓槽尚未強烈發展。8月3日115°E上空的低壓槽向南伸展最盛(圖7c),到8月5日這個長波槽趨于衰弱(圖7d)。值得注意的是,在8月1—5日期間,東歐南部、伊朗高原和日本上空高氣壓系統先后有一次發展過程。這個靜止Rossby波列的出現,造成東南歐一些國家和日本出現高溫酷暑,我國新疆大部出現大范圍降水。2005年麥莎臺風于8月6日在浙江省南部登陸,并沿著海岸線向北移動。由于115°E的高空槽在8月5日趨于衰亡階段,臺風移入大陸后不能與高空槽耦合,臺風北上時不能變性成溫帶氣旋,臺風中心氣壓并不加深,只在沿海岸造成一條南北向雨帶。衛捷等1曾分析2004年7月中下旬淮河和湖南的一次暴雨過程,指出這也是由于在靜止Rossby波列中110°E上空高空槽發展所引起。8月1—5日我國沿海岸上空長波槽的發展,使得上述2005年7月15—19日副高的一次西伸北跳過程結束,西太平洋副高南退東撤。夏季歐亞大陸對流層上部在青藏高壓的北側有一條東西向的高空急流(圖1d),從地中海到里海為急流入口區,90°E以東是急流的出口區。Hoskins等,Terao指出,夏季亞歐大陸上空的急流也是一條波導。Chang指出在這條波導中有天氣尺度的波包自西向東傳播;在波導中存在波的“下游效應”。當亞歐急流入口區中有高壓脊或低壓槽強烈發展后,幾天以后會在急流出口區中也有高壓脊或低壓槽發展,圖5與圖7所示的下游效應,便是具體例子。靜止Rossby波列實際上就是遙相關型。Krishnan等指出,在7月咸海和里海上空出現負距平區,蒙古地區出現正距平,韓國和日本出現負距平的遙相關型時,日本的梅雨活躍。Lu等研究夏季非洲北部到亞歐大陸的遙相關也得出類似文獻的結果。夏季亞歐副熱帶急流的靜止Rossby波的波數主要為5～7個,平均波數為6.5個。波數不同,靜止波中槽、脊的位相也會有不同。從以上分析還可以看出,當東亞沿海岸上空的長波脊不再維持時,副高會南退到該月的氣候平均位置,而當東亞沿海岸上空發展一個長波槽時,副高會南退到該月的氣候平均位置以南。3調整后的期334e夏季當高空副熱帶急流中的靜止Rossby波列中的高壓脊持續維持在120°E附近時,容易引起長江中下游的高溫酷暑天氣。如果持續時間很長,就會引起旱災,2003年7月20—31日就是一個例子。圖8表示2003年夏季副高西伸北跳的過程。在6月15日以前,雨帶維持在華南,586dagpm特征線位于20°N,高空急流位于36°N附近。6月15日至7月初雨帶維持在長江以南地區(圖8b),586dagpm特征線位于25°N附近,急流軸移到40°N。7月初到7月中旬,雨帶維持在淮河流域,這是50年來淮河最嚴重的洪災,這時586dagpm特征線北移到30°N。7月16日以后副高有一次明顯的西伸北跳,雨區移到海河流域。8月1日以后副高有一次南撤東退,降雨帶重新在淮河流域出現。7月21—31日副高脊線持續維持在長江中下游,圖9a～9c是這個時期200,500hPa平均等高線圖以及350K等熵位渦圖。可以看到在對流層中上部出現一個波數為6的靜止Rossby波的波列,在30°E,80°E和140°E為靜止槽,在60°E和120°E是個靜止脊。140°E處的靜止槽可以從圖8c上沿140°E處的強對流活動區看出,這是因為在洋面上高空低壓槽對應著強對流活動區域。在8月1日以后強對流活動區移到120°E,這表明靜止Rossby波列有一次調整。圖9d為2003年7月10日—8月15日200hPa35°～45°N范圍經向風速(南北風速)的時間-緯向剖面。在7月16日以前南風區或北風區均自西向東移動,表示這時是由移動性系統控制。7月16—31日南北風區都是固定在一個經度上,表明這個時期靜止的Rossby波列(即波的相速為零)出現。從圖中點劃線與水平線的斜率可以估計群速度的大小。從圖中可以估計群速大約為每天20個經度。這就是說,在0°經度有一個脊發展,大約需要6d便在120°E處發展出一個脊。因此在這個期間內不斷有靜止Rossby波的能量傳到下游,造成120°E維持一個10d之久的靜止高壓脊。受此西伸副高脊線持續控制,我國南方地區出現38℃以上高溫日數是1961年以來的最大。浙江、福建、江西大部以及江蘇、安徽、廣東、廣西等地持續出現酷暑天氣,其中浙江麗水在7月31日最高溫度達到43.2℃。西歐南部地區在2003年7月出現持續高溫酷暑天氣,氣溫比氣候平均高3℃,許多地方最高氣溫超過40℃。這種高溫天氣也是由于在歐亞范圍在高緯度(50°N以北)另外有一個靜止Rossby波列(圖9a),在歐洲和東亞各有一個阻塞高壓出現。在350K位渦圖上西歐有一個低位渦舌伸向地中海。2001年7—8月淮河流域也曾出現持續高溫少雨天氣。副高有兩次西伸北跳,第一次出現在6月底到7月初,第二次出現在7月20日到8月10日(圖略)。在這兩個時段也是在120°E維持一個靜止脊,而在140°E維持一個靜止槽。靜止Rossby波列前后維持達35d,副高脊線持續在江淮流域,造成淮河流域出現了嚴重干旱。近幾年國際上正在實施“全球大氣研究計劃”,其中“大氣觀測系統研究和可預報性試驗”(簡稱THORPEX),是一項旨在加快提高1d至2周高影響(災