热带气象学报  2018, Vol. 34 Issue (1): 12-22  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.01.002
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引用本文  

晏红明, 李清泉, 王东阡. 云南雨季的时空特征及与大气环流变化的关系[J]. 热带气象学报, 2018, 34(1): 12-22. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.01.002.
YAN Hong-ming, LI Qing-quan, WANG Dong-qian. Studies on spatial-temporal characteristics of yunnan rainy season and its relationship with atmospheric circulation[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2018, 34(1): 12-22. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2018.01.002.

基金项目

国家自然科学基金面上项目(4157050542);西南区域重点项目(2014-4);云南省重点基金项目(2016FA041)共同资助

通讯作者

李清泉,女,北京市人,研究员,博士,主要从事气候诊断和模拟研究。E-mail: liqq@cma.gov.cn

文章历史

收稿日期:2016-10-08
修订日期:2017-03-09
云南雨季的时空特征及与大气环流变化的关系
晏红明 1, 李清泉 2,3, 王东阡 2,3     
1. 云南省气候中心,云南 昆明 650034;
2. 国家气候中心/中国气象局气候研究开放实验室,北京 100081;
3. 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044
摘要:为了系统了解和认识云南雨季变化的气候特征、年际特征及其影响因子,利用云南116个气象观测站1961—2015年20时—20时的逐日降水资料,根据新定义的西南雨季单站标准,系统分析云南雨季变化的时空特征以及相应的大气环流特征。结果表明:(1)对于1981—2010年的气候平均,云南全省平均雨季的开始和结束日期分别为5月22日和10月15日,雨季变化的空间差异较大,雨季开始大致表现为从东南向西北推进,结束则从西北和东南逐渐向西南推进,由此导致云南雨季长度和雨季总降水量变化由南至北逐渐减小;(2)云南雨季变化的年际差异显著,全省平均雨季开始日期最早在5月8日,最晚在6月8日,结束日期最早在9月30日,最晚在11月2日,早晚相差近1个月;(3)云南雨季开始日期主要受西南季风和中纬度冷空气活动的共同影响,季风建立偏早和中纬度冷空气活动频繁有利于雨季开始早,反之有利于雨季开始晚;而雨季结束日期主要受热带季风环流变化的影响,夏季风向冬季风季节转换早则云南雨季结束早,反之雨季结束晚。
关键词低纬高原    西南雨季标准    雨季开始和结束    西南季风    中高纬度冷空气活动    
STUDIES ON SPATIAL-TEMPORAL CHARACTERISTICS OF YUNNAN RAINY SEASON AND ITS RELATIONSHIP WITH ATMOSPHERIC CIRCULATION
YAN Hong-ming 1, LI Qing-quan 2,3, WANG Dong-qian 2,3     
1. Yunnan Climate Center, Kunming 650034, China;
2. Laboratory for Climate Studies, National Climate Center;
3. Collaborative Innovation Center on Forecast and
Abstract: Based on the station standard of southwest rainfall season, the temporal and spatial features of Yunnan rainy seasons were investigated using 116 meteorological observation stations data from 1951-2015. At the same time, the influence of atmospheric circulation on Yunnan rainy seasons were further studied. The results are shown as follows: (1) For the 30-year (1981—2010) climatic mean, the beginning and ending date of Yunnan averaged rainy seasons are respectively on May 22 and October 15. The spatial differences of Yunnan rainy season variation are obvious in different region. The rainy season begins gradually from the southeast to the northwest and ends gradually from the northwest and southeast to the southwest, causing the length and total precipitation of the rainy season to decrease gradually from the south to the north; (2) For the beginning and ending date of annual rainy seasonsin Yunnan for 1961—2015, the earliest beginning date is May 8th and the latest date is June 8th. The endingdate is as early as September 30th and the latest November 2nd; (3) The changes of Yunnan rainy seasons are influenced jointly by the southwest monsoon and mid-latitude cold air. The early (late) establishment of southwest monsoon and frequent influence of cold air coming from the mid-latitude region may result in an early (late) rainy season. Different from the start of the rainy season, the end of a Yunnan rainy season is mainly affected by the tropical monsoon circulation. With early (late) shift of seasonal circulation from summer monsoon to winter monsoon, the Yunnan rainy season ends early (late).
Key words: low-latitude plateau    criterion of Yunnan rainy season    beginning and ending of rainy season    southwest monsoon    cold air activitiesin mid-high latitudes    
1 引言

云南位于青藏高原向东延伸的低纬高原地区,错综复杂的地形、地貌形成了云南独特的低纬高原季风气候,在南北跨度不足1 000 km的范围内,从南到北包含了北热带、南亚热带、中亚热带、北亚热带、南温带、中温带、高原气候区共7个气候带[1]。冬季,受来自非洲干旱沙漠地区南支西风气流的影响,晴朗天气较多,气候干燥少雨; 夏季,受南亚夏季风和东亚夏季风的交叉影响,气候湿润多雨。由于云南冬夏两季受不同大气环流的控制和影响,干湿季节非常分明。一般而言,11月—次年4月的冬春季节为旱季,降水仅占年降水量的10%~20%;5—10月为雨季,80%~90%的年降水量主要集中在这一时段[2]。云南冬春季干旱发生几率较大,所谓的“十年九旱”是对云南冬春季气候最贴切的描述。春末夏初是云南大春作物栽种的关键季节,夏季又是农作物生长发育的关键时段,这时的降水多少对工农业生产有重要影响。因此,云南雨季起迄早晚、雨季长短及雨季降水多少等与工农业生产的关系非常密切,是政府决策部门以及其他相关服务单位十分关注的问题,也是气象部门需要重点研究的关键科学问题。

过去的大多数工作主要集中在对云南5月雨量的多少及其大气环流[3-8]、海温变化[9-10]和对流活动[11-12]等特征进行分析,得到的结论对于云南雨季开始期预报有一定指导意义,而对云南雨季变化的气候特征和年际特征,特别是云南雨季结束期的早晚、雨季持续时间以及雨季总降水量等的时空特征还缺乏系统的分析和了解,同时也很少有工作从云南雨季开始期早晚变化的角度去探讨影响云南雨季变化的因子。近年来,为了进一步满足气象服务的需要,国家气候中心组织相关业务单位对不同区域的季节降水变化和分布特征进行了系统的分析和研究[13-16],对包括西南地区、华南地区和华北地区的雨季,以及长江和江淮地区梅雨的标准重新进行了系统的分析和定义,新定义的标准对原有标准进行了进一步改进和完善。对比分析表明,新的业务标准更合理,并增加了对雨季长度和雨季总降水量等的定义。

本文基于新的《西南雨季业务指标》规定[17],对1961—2015年云南地区的雨季起迄日期、雨季长度和雨季降水量等进行回算,利用回算的资料系统分析云南雨季起迄日期、雨季长度和雨季降水量变化的气候特征及年际特征,进一步探讨中高纬度大气环流异常对云南雨季的影响。以期进一步提高云南气候预测的准确率,对做好气象服务具有十分重要的现实意义。

2 资料和云南雨季的定义 2.1 资料和方法

本文所用的资料包括:(1)国家气象信息中心提供的云南116个站20时—20时的逐日降水资料; (2)美国国家环境预测中心和国家大气研究中心(NCEP/ NCAR)的高、低层经向风和纬向风、高度场、地面气压等月平均再分析资料(Kalnay and Coauthors,1996),网格分辨率为2.5 °×2.5 °[18];(3)Hadley中心提供的全球月平均海洋资料,网格分辨率为1.0 °×1.0 °[19]。上述资料的年限均为1961—2015年。气候平均统一采用1981—2010年的30年气候平均值。

本文分析方法使用了相关分析、合成分析等诊断方法,显著性检验采用t检验方法。

2.2 雨季标准的定义

目前对云南雨季判断标准的研究主要集中在雨季开始期[20],因此雨季开始期的判断标准相对较合理。但标准中有些更细致的内容没有具体规定,例如:仅规定了选取5 d中的日雨量≥10 mm的这一天为雨季开始期,并没有考虑雨量没有出现上述情况的处理方法。另外,旧标准规定:若6月30日雨季还未开始,则人为将雨季开始日期定为6月30日。以上内容在新标准定义中均作了更细致和客观的规定。对于雨季结束期而言,旧标准是以滑动候平均雨量来定义,判断的结束日期为候,而新标准以5 d滑动雨量来判断,得到的结束日期为日,判断结果更为精细和客观合理。雨季长度和雨季总降水量则是新标准中补充完善的新内容。雨季新标准的定义如下。

2.2.1 雨季开始期标准

自4月21日开始,任意5 d滑动累计降水量(R5)大于等于5—10月平均候降水量的气候平均值(R5-10/36)的某一天为止,即:

(1)

式中Kb为雨季开始日期的判别阈值,R5-10为5—10月降水量气候平均值。则有:

(1)将Kb≥1的5 d中降水量首次>10 mm的这一天(若日降水量没有出现>10 mm时,选降水量最大的一天)确定为雨季开始待定日,在之后的15 d内又出现Kb≥1的情况,即将雨季开始待定日确定为雨季开始日,雨季开始日所在的候为雨季开始候;

(2)若在之后的15 d之内仍未出现Kb≥1的情况,则重复步骤(1),重新确定雨季开始待定日和雨季开始日;

(3)如果计算得到的雨季开始期是4月21日,则逐日向前按步骤(1)推算符合雨季开始日条件的日期。

2.2.2 雨季结束期标准

自9月21日开始,任意5 d滑动累计降水量(R5)小于等于1—12月平均候降水量的气候平均(R1-12/72)为止,即:

(2)

式中,Ke为雨季结束日期的判别阈值,R1-12为年降水量气候平均值。则有:

(1)将Ke<1的当天确定为雨季结束待定日,在之后的15 d内未再次出现Ke≥1的情况,即将该雨季结束待定日确定为雨季结束日,雨季结束日所在的候为雨季结束候;

(2)若在之后的15 d之内又出现Ke≥1的情况,则重复步骤(1),重新确定雨季结束待定日期和雨季结束日期;

(3)如果计算得到的雨季结束期是9月21日,则逐日向前按步骤(1)推算符合雨季结束日条件的日期。

2.2.3 雨季长度

单站雨季开始日期至结束日期(含开始日期、不含结束日期)的总天数为该站的雨季长度。

2.2.4 雨季总降水量

在单站雨季开始日期至结束日期(含开始日期、不含结束日期)时段内的降水总量为该站雨季总降水量。

2.3 选站标准

云南共有128个气象观测站,本分析仅选取其中的116站。云南气候的复杂多样性特征不仅体现在气候带的多样性、降水分布的不均匀性,降水季节变化的特征也呈现出显著差异。在云南西北的部分地区,由于西风气流的季节性南北移动以及高大山系的阻挡作用,高原南侧的部分地区在2—3月和6—8月呈现出双雨季的现象,有的地区2—3月降水甚至比6—8月降水还要明显。由于冬夏环流转换的关键季节一般出现在4—5月,本文的分析主要关注夏季风活动引起的大范围降水变化,2—3月的降水并不属于季风降水。因此,为了体现季风降水的特征,我们仅选取5—10月降水占年降水量80%以上的站点(116个站)进行分析。

3 云南雨季的气候特征 3.1 雨季开始和结束日期

图 1为云南116站1981—2010年雨季开始和结束日期的气候平均分布,图中的雨季开始日期中前一位为月份,后两位为日期; 结束日期中前两位为月份,后两位为日期。1981—2010年云南全省平均的雨季开始和结束日期分别为5月22日和10月15日。

图 1 1981—2010年云南雨季开始日期(a,月日:xxx)和结束日期(b,月日:xxxx)的气候平均分布

从空间分布来看,云南雨季开始和结束日期的区域差异较显著。图 1a为云南雨季开始日期的变化,云南雨季开始的过程一直从5月上旬持续至6月上旬,开始最早日期(5月5日)和最晚日期(6月8日)相差34 d。云南雨季最早于5月上旬在东南部和东北部的部分地区开始,东南部的大部分地区、西南南部和西部边缘的部分地区雨季于5月中旬开始,中西部和东北部的大部分地区雨季于5月下旬开始,雨季开始最晚的地区在丽江和大理,6月上旬才开始。就云南雨季开始日期的总体推进过程而言,主要呈现出由东南向西北推进的特征。

云南雨季结束日期的变化(图 1b)同样呈现显著的区域差异,结束最早(10月6日)和最晚(10月29日)的日期相差23 d。除西南部分地区的雨季于10月下旬结束外,其余大部分地区的雨季于10月上旬和中旬结束,10月上旬雨季结束的区域主要分布在东南部、东部和西北部。与云南雨季开始日期的总体推进过程不同,雨季结束日期的推进过程大致呈从西北和东南逐渐向西南推进,西南部分地区的雨季最晚结束。

3.2 雨季长度和总降水量

图 2分别为1981—2010年云南雨季长度和雨季总降水量的30年气候平均分布。云南雨季持续时间(图 2a)最长的区域主要分布在南部和东部,大部分地区超过150 d,部分地区超过160 d; 西北部的丽江和大理的雨季持续时间较短,部分地区不足130 d; 中部大部分地区的雨季持续时间为140~150 d。全省平均雨季长度为146 d。

图 2 1981—2010年云南雨季长度(a,单位:d)和雨季总降水量(b,单位:mm)的气候平均分布

云南雨季总降水量(图 2b)与雨季长度的变化有很好的一致性,雨季持续时间较长的地区降水量多,反之则降水量少。雨季总降水超过1 000 mm的区域主要集中在云南南部和西南部,部分地区超过1 800 mm; 最少的区域主要集中在云南中部、西北的南部和东北部地区,雨季总降水量约600~800 mm,其余大部分地区的降水量为800~1 000mm mm。全省平均雨季总降水量为883.2 mm。

4 云南雨季的年际变化特征 4.1 云南雨季的开始和结束

以上分析表明了云南雨季变化的总体气候特征,下面进一步分析云南雨季的年际变化特征。图 3为1961—2015年全省平均的雨季开始和结束日期距平变化。云南雨季开始和结束日期的年际差异较大。相对全省平均雨季开始日期(5月22日),全省雨季开始最早是2008年(图 3a),平均日期为5月8日,比多年平均雨季开始日期偏早14 d; 全省雨季开始最晚的是1977年,平均日期为6月8日,比多年平均雨季开始日期偏晚17 d; 雨季开始最早和最晚日期相差1个月。根据业务规定,本文以大于(小于)5 d来定义云南雨季开始期偏早(偏晚),则云南雨季开始偏晚年有1963、1967、1969、1977、1979、1982、1983、1986、1987、1988、1992、1997、1998、2005、2010、2011、2012、2014、2015年; 偏早年有1964、1974、1976、1978、1981、1984、1985、1990、1996、1999、2000、2001、2002、2004、2006、2007、2008年。

图 3 1961—2015年云南雨季开始日期(a)和结束日期(b)的距平变化 单位:d。横坐标为年份。负值表示偏早; 正值表示偏晚。

雨季结束期的变化同样呈现出显著的年际差异,相对于全省平均雨季结束日期(10月15日),1998年雨季结束最早(图 3b),全省平均雨季结束日期在9月30日,比多年平均雨季结束日期偏早15 d; 结束最晚是1965年,全省平均雨季结束日期在11月2日,比多年平均雨季结束日期偏晚17 d; 雨季结束最早和最晚相差32 d。同样以大于(小于)5 d来定义云南雨季结束期偏早(偏晚),则云南雨季结束偏早年有1969、1972、1973、1974、1975、1976、1981、1985、1994、1998、1999、2003、2004、2009、2011、2012、2014年; 偏晚年有1963、1965、1967、1968、1982、1986、1989、1990、1991、1992、2001、2006、2010年。

从1961—2015年云南省平均雨季开始和结束日期的年际变化来看,尽管年际差异较大,但多数年份雨季的开始日主要集中在5月,结束日主要集中在10月。分析云南雨季开始和结束日期早晚年份5月和10月降水距平百分率合成分布(图略)可以看到,云南各地5月和10月的降水变化与雨季开始和结束早晚的变化密切联系:雨季开始早(晚)年,5月降水偏多(少); 雨季结束早(晚)年,10月降水偏少(多)。

4.2 云南雨季长度和雨季降水量

图 4为全省平均雨季长度和雨季总降水量的年际变化。雨季长度变化(图 4a)的年际差异较大,2001年雨季最长,为171 d,比多年气候平均(146 d)偏多25 d; 1998年雨季最短,仅为124 d,比多年气候平均偏少22 d。尽管年代际尺度上雨季长度变化呈弱的增大趋势,但2009—2015年雨季长度出现阶段性减小,2009、2011、2012、2014和2015年雨季长度均低于135 d。

图 4 1961—2015年云南雨季长度(a,单位:d)和雨季总降水量(b,单位:mm)的年际变化 横坐标为年份。实线为多年平均,虚线为线性趋势。

雨季总降水量(图 4b)的变化趋势不明显,主要表现为年际差异特征,2001年雨季降水最多(1114.5 mm),2011年雨季降水最少(629.3 mm),二者相差近500 mm。2009—2015年雨季总降水量均低于气候平均值,其中,2011和2009年云南雨季总降水量不足700 mm,分别为1961年以来雨季降水的最少和次少年份。

对比云南雨季长度和雨季总降水量的变化,虽然在大部分年份两者变化的一致性较好,正相关高达0.64,即雨季长度长(短),云南大部分地区的降水偏多(少)。但有些年也出现相反的变化趋势,例如1974年云南雨季长度偏小,雨季降水量却偏多; 2013年雨季长度偏大,雨季降水量反而偏少。

5 高低层大气环流异常对云南雨季的影响

以上分析表明,云南雨季变化的年际差异较大,下面进一步通过对比分析在雨季异常早、晚年季节转换关键期的5月和10月大气环流变化的差异,来进一步探讨高低层大气环流异常对云南雨季变化的影响。

5.1 雨季开始期

低纬高原大范围降水与水汽和冷空气的交汇影响密切联系,尤其在干湿转换的关键季节,晏红明等[4]的分析强调了孟加拉湾季风与中纬度冷空气活动的共同作用对云南5月雨量的重要影响。图 5为雨季开始早、晚年5月低层850 hPa和高层200 hPa距平风场。在雨季开始早年(图 5a),850 hPa有一支异常气流从南半球经索马里越赤道进入北半球并转向东,经阿拉伯海和孟加拉湾影响云南和中南半岛,孟加拉湾北部为气旋性环流控制,同时在华南沿海有一支异常偏东北气流由中纬度南下至低纬度转向为偏西气流影响云南,云南为异常西南气流和偏东气流的交汇辐合区。而在雨季开始晚年(图 5b),850 hPa异常气流变化刚好相反,孟加拉湾为异常反气旋性环流控制,云南受异常反气旋环流东北侧的西北气流影响,该异常西北气流在缅甸和云南南部分流为两支,一支转向西经孟加拉湾、阿拉伯海、索马里进入南半球,一支则于中南半岛北部转向北从华南沿海流向中高纬度地区,云南为气流辐散区。另外,雨季开始早、晚年低层环流差异比较显著的区域不仅局限在云南、华南和北印度洋地区,西北太平洋和高纬度乌拉尔山以东地区的环流变化也表现出明显不同的特征:西北太平洋地区,雨季开始早(晚)年,西北太平洋为异常气旋(反气旋),有利于西太平洋副热带高压偏南(偏北); 乌拉尔山以东地区,雨季开始偏早(年)为异常反气旋(气旋)控制(图 5a5b)。以上两个地区的环流变化与东亚中高纬度地区的冷空气活动联系密切,雨季开始偏晚年这种联系表现得更清楚:自中南半岛北部转向北沿华南至东北的异常偏南气流与贝加尔湖-巴尔喀什湖之间的异常气旋性环流的变化有关,西北太平洋地区副热带高压南北位置的变化也与中高纬度地区冷空气活动南北位置的变化密切联系(图 5b)。

图 5 云南雨季开始早年(a、c)、晚年(b、d)5月的850 hPa(a、b)和200 hPa(c、d)的距平风合成场 单位:m/s。阴影区表示通过0.05显著性水平检验的区域。

在多年气候平均状态下,初夏索马里越赤道气流经阿拉伯海和孟加拉湾进入我国,图 5a5b中的雨季开始早、晚年南亚区域异常气流与多年气候平均场的叠加将会进一步加强(减弱)索马里越赤道气流,进而影响孟加拉湾季风活动。晏红明等[21]最近分析孟加拉湾季风爆发的异常特征,得到了孟加拉湾季风爆发的时间系列,发现孟加拉湾季风爆发与本文云南雨季开始日期的相关为0.33,超过0.02的显著性水平检验(r=0.31)。另外,北印度洋地区孟加拉湾季风爆发早、晚年的环流变化与云南雨季开始早、晚年的环流形势非常类似(图略),进一步表明了孟加拉湾季风爆发早、晚对云南雨季开始期变化的重要影响。

南亚高压是亚洲季风系统的重要成员,同时也是影响东亚气候的重要大尺度环流系统,有明显的季节变化特征。在干湿转换季节,南亚高压由西太平洋西移至青藏高原标志着亚洲夏季风的全面建立。晏红明等[13]的分析表明,在气候平均场上,4月4—5候南亚高压突变特征明显,从赤道西太平洋160 °E西移至中南半岛100 °E附近,之后逐渐向西北移动,6月上旬移动到青藏高原。云南雨季开始早、晚年的200 hPa青藏高原上空环流变化差异最明显,雨季开始偏早年(图 5c),青藏高原为异常反气旋,有利于南亚高压和亚洲夏季风建立偏早。与此相反,雨季开始偏晚年(图 5d),青藏高原为异常气旋,有利于南亚高压和亚洲夏季风建立偏晚。雨季开始早、晚年欧亚中高纬度地区的环流差异也较明显,特别是欧洲区域的环流异常。雨季开始早年欧洲为异常气旋,开始晚年为异常反气旋。欧洲与亚洲区域的环流异常是密切联系的,这种联系在雨季开始晚年表现得尤为明显,从欧洲至东亚沿海为反气旋-气旋-反气旋(A-C-A)异常波列,这些异常波列的变化与中高纬度冷空气活动有一定联系。

夏季风携带的水汽是中国降水的重要水汽来源,亚洲夏季风爆发早、晚必然会影响季风区的水汽输送异常,进而影响降水变化。图 6a6b为云南雨季开始早、晚年5月地面至300 hPa的整层水汽通量及其散度的距平合成场。雨季开始早、晚年孟加拉湾至云南的水汽通量散度有显著差异:云南及附近区域在雨季开始偏早年为水汽输送辐合区,雨季开始晚年为水汽输送辐散区。其中,水汽输送散度变化最明显的区域位于滇缅之间。表明干湿转换季节季风水汽输送异常对云南雨季开始期早、晚的重要影响。另外,从相应水汽输送距平的方向看到,云南及附近区域水汽输送与来自孟加拉湾区域以及南海区域季风气流的变化有密切联系。

图 6 云南雨季开始早(a)、晚(b)年5月地面至300 hPa水汽输送距平(箭头,单位:kg/(s·m))及通量散度距平(阴影,单位:10-5 kg/(s·m2))合成场

另外,雨季开始早、晚年的高低层环流差异不仅表明低纬度季风环流对云南雨季的影响,中高纬度地区冷空气的活动也起着十分重要的作用。由雨季开始期与海平面气压场和地面气温的相关场(图 7)发现,云南雨季开始期与东亚海平面气压场和温度场的变化关系显著。雨季开始早年(图 7a),东亚地区大陆冷高压偏强,且活动位置偏南; 而雨季开始晚年(图 7b),大陆冷高压的活动刚好相反。云南雨季开始期的变化与西南、华南及中南半岛地面温度的变化密切联系,雨季开始早年,上述地区的气温偏低,开始晚年则气温偏高,表明了冷空气活动与云南雨季开始早、晚密切联系。

图 7 1961—2015年云南雨季开始期与5月海平面气压场(a)和地面温度场(b)的相关 阴影区表示相关通过0.05显著性水平检验的区域。

以上分析表明,低纬度季风爆发早、晚引起的水汽输送异常和中高纬度冷空气的异常活动对云南雨季开始早、晚的重要影响,那么雨季开始早、晚年前期的环流变化是否会表现出类似的前兆信号特征?图 8为云南雨季开始日期与3月和4月高、低层风的相关。雨季开始期与前期850 hPa赤道印度洋地区的纬向风、孟加拉湾北部和西北太平洋地区的环流变化联系紧密(图 8a8b)。雨季开始偏晚(早)年前期,赤道印度洋为东风(西风)异常,孟加拉湾为异常反气旋(气旋),西北太平洋为异常反气旋(气旋)环流,赤道西太平洋为异常气旋(反气旋)环流。赤道西太平洋与西北太平洋地区的环流变化刚好相反,其变化有利于雨季开始偏晚(早)年西太平洋副热带高压偏弱(强)。在200 hPa(图 8c8d),云南雨季开始偏晚(早)年,前期青藏高原上空的环流也表现出显著的差异,雨季开始晚(早)年青藏高原为异常气旋(反气旋)。雨季开始早、晚年前期3—4月的环流异常与5月的环流异常有十分类似的特征,特别在印度洋地区。因此,在气候预测中可以通过分析前期印度洋、西太平洋以及青藏高原上空的环流异常特征来预报后期云南雨季开始早晚的变化。

图 8 1961—2015年云南雨季开始日期与3月(a、c)和4月(b、d)850 hPa(a、b)和200 hPa(c、d)风场的相关 矢量表示相关风场通过0.05显著性水平检验。
5.2 雨季结束期

雨季结束早、晚年高低层大气环流也表现出明显不同的特征。在低层850 hPa异常风场上(图 9a),雨季结束早年南海-阿拉伯海为异常反气旋环流带,其南侧的异常东风气流一直从菲律宾南侧向西延伸至阿拉伯海南部,减弱了热带印度洋向东亚地区的水汽输送,低纬高原地区主要受来自高原南侧的异常西风气流控制; 雨季结束偏晚年(图 9b),南海-印度半岛为异常反气旋环流,中心位于南海附近,其南侧的异常东风仅从中南半岛南部向西延伸至孟加拉湾南部,并在孟加拉湾东部转向北从而影响低纬高原地区,该异常气流来自孟加拉湾,携带的水汽含量较大。比较雨季结束早、晚年低层850 hPa异常流场(图 9a9b)及相应的整层水汽通量散度场(图 10),印度半岛-南海地区的环流差异是最明显的,雨季结束偏早年,印度半岛-南海为异常反气旋环流带,影响云南的异常偏西气流来自青藏高原,水汽含量少,云南大部分地区为水汽辐散; 而雨季结束偏晚年,云南受来自孟加拉湾东部的异常偏南气流影响,水汽含量大,云南区域为水汽输送辐合。

图 9 云南雨季结束早(a、c)、晚(b、d)年850 hPa(a、b)和200 hPa风(c、d)的距平风合成场 阴影区为通过0.05显著性水平检验的区域。
图 10 云南雨季结束早(a)、晚(b)年10月整层水汽输送距平(矢量,单位kg/(s·m))以及通量散度距平合成场(阴影,单位:10-5 kg/(s·m2))

晏红明等[13]的分析曾指出夏季风的结束主要是由于东亚南部地区的偏东气流逐渐向西推进取代东南亚地区的西风气流。从图 9a9b看到,雨季结束偏早年,10月印度洋赤道附近的异常东风向西扩展至50 °E附近,而偏晚年异常东风仅向西扩展至80 °E附近。异常场与多年气候平均场叠加,雨季结束偏早年的环流异常有可能使西南季风撤退早,结束晚年则有可能导致西南季风撤退晚。进一步比较雨季结束早、晚年低层850 hPa东亚东部地区的环流变化可知,中国中东部地区均为一致的异常南风,环流变化的差异并不十分明显。表明影响云南雨季结束的因子主要是热带地区的环流异常及由此引起的水汽输送变化,而中高纬度地区冷空气活动并不是主要的影响因子。云南雨季结束日期与10月地面温度场的相关也同样表明了雨季结束日期变化与东亚地区冷空气活动的关系很弱(图略)。

高层200 hPa南亚高压季节性变化同样可以反映季风环流的季节转换异常。况雪源等[22]的分析指出夏季风向冬季风转换的季节主要出现58—60候(10月4—6候),这期间南亚高压中心从位于20 °N以北的青藏高原上空逐渐向东南移至20 °N以南的西太平洋上空。对比雨季结束早、晚年10月200 hPa距平风场(图 9c9d)可以看到,差异最明显的区域出现青藏高原上空,雨季结束早(晚)年,青藏高原上空为C-A(A-C)异常环流分布,有利于南亚高压活动位置偏东(西),相应地可能导致夏季风向冬季风转换的季节偏早(晚)。进一步表明了季风活动的异常变化对云南雨季结束期早晚的重要影响。

6 总结与讨论

本文根据新定义的西南雨季标准,回算1961—2015年云南雨季开始日期、结束日期、雨季长度和雨季总降水量,系统分析这些要素的气候特征及年际变化特征,并探讨云南雨季开始和结束日期与关键期的高、低层大气环流变化的关系。

(1)云南全省平均雨季开始日期为5月22日,雨季开始推进过程总体表现为从东南逐渐向西北推进,东南部地区的雨季一般于5月上旬开始,而西北部地区的雨季一般于6月上旬开始。云南全省平均雨季结束日期为10月15日,雨季结束推进过程呈现出由西北和东南逐渐向西南推进的特征,西北和东南地区的雨季一般于10月上旬结束,西南地区雨季一般于10月下旬结束。

(2)云南雨季开始和结束日期的年际差异非常显著。全省平均雨季开始日期最早在5月8日,最晚在6月8日; 雨季结束最早在9月30日,最晚在11月2日,开始和结束日期的年际差异可高达1个月。

(3)云南雨季开始早、晚与西南季风活动和中高纬度冷空气的共同影响密切联系。雨季开始偏早年,西南季风建立早,中纬度地区有冷空气南下配合影响,而雨季开始偏晚年,西南季风建立偏晚,中纬度地区的冷空气活动较弱,对低纬高原地区的影响较小。

(4)季风环流季节转换早、晚是通过影响热带海洋向东亚地区的水汽输送异常进而影响云南雨季结束日期的变化,夏季风向冬季风季节转换早(晚)则云南雨季结束早(晚)。

(5)云南雨季长度变化的南北差异明显,呈现出由南至北逐渐减少的特征,南部大部分区域的雨季持续时间较长,超过150 d(约5个月),北部地区尤其是丽江和大理的雨季持续时间较短,不足130 d(约4个月),中部的大部地区雨季持续时间在140~150 d左右(约4个半月)。雨季降水与雨季长度变化有较好的一致性,雨季长度较长(短)则相应的雨季总降水量较多(少)。

受亚洲季风活动的影响,我国大部分地区的气候有明显的干湿之分,怎样来定义一个区域干、湿季节转换的关键日期对于气象服务而言是比较关键的。近年来,为了满足气象服务需求,在国家气候中心的技术指导下,不同地理区域相应开展了雨季标准的研究,并取得十分显著的成果,特别是梅雨标准、西南雨季标准、华北雨季标准和华西秋雨标准的建立和不断完善,为于气象服务和气候预测工作提供了很好的指导作用。因此,根据新的雨季标准有必要进一步开展相应区域雨季变化的时空特征及其相应影响因子的研究。云南位于我国西南低纬高原地区,不仅影响系统与我国东部地区差异明显,降水的区域差异也非常明显。虽然本文研究得到热带季风和中高纬度环流异常与云南雨季开始和结束早晚的关系,但是这些环流系统的相互配合及其对低纬高原地区雨季影响的物理过程等比较复杂,很多问题还有待于进一步研究。例如西太平洋副热带高压是亚洲系统的重要成员,季节尺度内其东西位置的异常对云南雨季变化有非常显著的影响,但到目前为止,对西太平洋副热带高压季节内振荡与云南降水变化的关系还不清楚。另外,西南季风是影响低纬高原地区雨季降水的重要因子,但主汛期季风的强弱以及向北推进位置的变化、高低纬度环流相互联系等对低纬高原地区降水异常的影响还缺乏深入研究,有必要进一步加强这方面的工作。

另外,热带海洋温度通过影响热带季风环流异常,对云南雨季也有重要影响,特别是对云南雨季开始期的影响。由于本文篇幅所限,关于热带海温变化的影响还未涉及,将在下一步的工作中重点讨论热带海温异常对云南雨季变化的影响。

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