中国的江淮梅雨是春末夏初东亚夏季风向北推进过程中特有的雨季, 梅雨最早5月底开始, 最晚8月初结束, 多年平均的梅雨期在6月中旬—7月中旬, 该时段也是降水最强的时段。梅雨期降水量具有很大的年际变化, 降水可以是几天到几周的连续性降雨, 也可以是间歇性的, 梅雨期降水量几乎占整个夏季降水的一半^[1]。梅雨是热带、副热带和中高纬度天气系统相互作用的产物^[2-5], 梅雨期持续性强降水过程容易造成江淮地区的洪涝灾害发生, 对人民的生命财产和国民经济都将产生巨大影响, 因此, 研究江淮地区的强降雨过程并能准确提前预报对于防灾减灾具有重要的作用^[6-8]。

大气运动极其复杂, 在空间上和时间上都存在不同尺度的运动, 陶诗言1980年的研究^[9]就指出多尺度的大气环流相互作用对于中国东部降水的发生十分重要。行星大尺度背景下低频天气系统的发展和移动会造成梅雨锋上中小尺度对流系统发展, 从而产生强降水^[10-12]。许多研究^[13-14]发现江淮地区洪涝年大气环流系统的季节内振荡的活跃性和传播特征比干旱年要明显许多, 持续性强降水过程具有显著的低频振荡特征, 强降水通常发生在低频振荡的活跃位相。热带地区季节内低频振荡向北传播、印度洋季风区季节内振荡向东传播和西太平洋的季节内振荡向西传播对中国长江中下游降水有显著影响^[15-16]。热带准双周振荡作为重要的低频系统之一, 受到很大关注并开展了很多研究, 研究表明其动能有时比30~60天还要大^[17]。对东亚夏季风环流和降水的研究也表明, 其存在显著的准双周振荡, 持续性强降雨过程的准双周低频信号主要来源于西北太平洋和菲律宾上空^[18-19], 其它低频振荡的贡献方差比准双周要小, 但是对江淮地区的强降水也有一定的影响。还有一些工作研究了和降水有密切关系的夏季风、南海越赤道气流及副热带急流等大尺度天气系统的多尺度特征^[20-22]。

综上研究表明, 梅雨强降水和其相应的环流系统具有复杂的多尺度特征, 以往的研究较多关注个例分析或仅关注低频尺度, 较少研究系统对江淮梅雨期强降水的天气尺度和低频尺度扰动的关系及其相应关键环流系统的波动的起源、结构和演变特征。本文将就这些方面展开对比分析研究, 这对于深入了解这些不同时间尺度的波动如何作用并影响到江淮强降雨有一定意义。

文中使用的资料包括: (1) 1979—2017年全国逐日台站观测降水资料, 取自中国气象局国家气象信息中心整理发布的《中国国家级地面气象站基本气象要素日值数据集(V3.0)》。(2) 大气环流资料为欧洲中期预报中心逐日再分析资料(ERAinterim), 包括500 hPa位势高度场、850 hPa和200 hPa水平风场, 对流层1 000~300 hPa共12层温度、湿度和垂直速度, 水平空间分辨率为2.5 °×2.5 °。文中气候平均值取逐日再分析资料计算得到的1981—2010年平均值。每年的江淮梅雨开始结束的时间有所差异, 但多集中在6—7月, 因此将6—7月作为本文研究时段。

本文所用方法主要有Morlet小波方法、Lanzos带通滤波、超前-滞后合成分析及显著性t检验方法, 这些方法在大气科学领域得到比较广泛的应用^[23-24]。

根据中国气象局国家气候中心制定的梅雨监测业务标准, 选取标准中江淮及其长江中下游地区的277个指标站作为梅雨雨量监测站, 这些台站涵盖了江淮梅雨的所有区域, 空间分布较均匀, 并且降水资料完整连续。本文将这些台站降水资料做算术平均之后得到江淮区域1979—2017年逐年6—7月的逐日降水时间序列, 分别对每年6—7月的逐日降水序列做小波分析, 选取小波系数实部的最大值, 得到对应的逐年最显著周期, 通过0.10显著性检验的实部为正值(图 1中阴影)。

图 1

图 1 1979—2017年江淮地区平均降水量的逐年显著周期 阴影：小波系数实部大于0.10显著性检验值。

从图 1可看到, 近39年有3个主要的周期比较频繁出现, 分别是1~9天(天气尺度)、10~20天(准双周)和21~30天。天气尺度1~9天出现最多, 每年都有显著的天气尺度周期, 准双周10~20天次多, 39年中有17年准双周周期通过了0.10显著性检验, 11年存在显著的21~30天振荡周期, 30天以上的低频周期超过显著性检验的年份最少, 只有4年。Yang等^[14]对长江中下游地区1979—2002年夏季季节内尺度的降水进行功率谱分析, 其结果也表明在15天准双周尺度以及20~30天尺度上有两个峰值, 且占总低频降水的57%以上。由此可知天气尺度、准双周以及21~30天这三个时间尺度是江淮降水过程的主要周期。计算了近39年6—7月三个时间尺度降水占总降水的方差贡献, 天气尺度的降水方差贡献在20%~43%, 平均为29.6%, 准双周降水方差比为10%~40%, 平均为15%, 21~30天尺度降水方差比在2%~33%, 平均为7%。从以上结果可看到, 天气尺度降水出现频率和占降水的方差最多最大, 而准双周降水次之, 21~30天周期的降水方差贡献相对最少, 但各个时间尺度降水的方差贡献逐年差异较大。

利用Lanzos带通滤波分别从1979—2017年6—7月江淮区域平均逐年逐日的降水序列中分离出1~9天、10~20天和21~30天这三种时间尺度的滤波曲线, 挑选每一年不同时间周期滤波曲线标准化距平大于或等于1.5代表一个强降水日, 峰值日代表强降水过程峰值, 这样分别挑选出天气波动周期强降水过程152次、准双周强降水过程76次和21~30天周期强降水过程47次, 三个周期平均每年强降水过程分别为3.90次、1.95次和1.21次, 三个周期尺度上平均每年强降水日数分别为4.97天、5.13天和4.62天, 平均每次强降水过程中强降水日数分别为1.3天、2.6天和3.7天。

图 2给出了近39年平均的6—7月逐日降水量和三个不同时间周期的强降水日的统计分布, 天气尺度(1~9天)和准双周尺度(10~20天)的强降水日在6月上旬就开始先增多, 上中旬天气尺度(1~9天)强降水日数明显多于21~30天的日数, 也多于10~20天的日数。21~30天的强降水日在6月中旬后期到7月中旬前期明显增多, 而天气尺度(1~9天)强降水日较前期却有所减少, 李勇等^[25]的研究表明持续时间较长的强降雨过程都出现在梅雨期, 而多年平均的梅雨期就是6月14日—7月15日, 这也是21~30天强降水日在该时段明显增多的原因。进入7月上旬后期, 天气尺度和准双周尺度的强降水日数明显减少, 7月中旬后期开始, 21~30天的强降水日数也明显减少。上述结果表明江淮梅雨降水集中期开始前多伴有1~9天和10~20天尺度的强降水日数增多, 而梅雨期降水集中期时, 21~30天时间尺度天气背景下的强降水增多, 持续性强降水过程增多, 累计降水量增多。21~30天低频尺度的强降水日到7月中旬后期才明显减少。

图 2

图 2 1979—2017年平均的6—7月江淮地区日平均降水时间序列（黑色柱状, 单位：mm/天）和不同时间尺度强降水日数（彩色点）的逐日分布

为了比较三个不同时间尺度强降水过程产生的环境场变量, 图 3给出了根据江淮地区三个时间尺度强降水过程合成的超前10天~滞后10天的平均降水量、垂直速度、绝对湿度的分布, 以及假相当位温θ_se的垂直分布。可看到随着时间周期尺度的增长, 虽然降水强度有所减小, 但是降水的持续时间增加, 低频尺度的环境场对持续性强降水的发生更加重要。低频周期10~20天和21~30天波动比天气尺度波动(1~9天)可以触发更长时间的垂直上升运动, 得到持续时间更长的水汽输送。从θ_se的垂直分布随时间的演变可以得知, 低频周期的大气波动提供的暖平流维持时间更长, 厚度更厚, 从而有利于持续性强降水的发生。从大气环境场要素的强度而言, 10~20天和1~9天的大气环境场各项要素强度较相近, 而21~30天的强度明显减弱, 暖平流扰动强度也不如准双周和天气尺度, 但其维持时间最长。

图 3

图 3 不同时间周期尺度强降水过程合成的超前滞后10天平均降水量距平（a~c；单位：mm）和垂直速度（黑色等值线，单位：Pa/s）、绝对湿度（填色，单位：kg/m3）以及假相当位温θse（红色实线，单位：K）的垂直分布(e~f)

为了研究江淮地区不同时间尺度强降水过程对应的环流特征及其发展演变特征, 利用带通滤波从原始环流要素时间序列分离出1~9天、10~20天和21~30天不同时间尺度环流要素场, 进一步讨论不同时间尺度的环流演变和江淮强降水过程的关系。

图 4a给出了根据1~9天尺度强降水峰值日合成的超前10~0天的200 hPa风场距平和散度场距平, 可看到在超前8天左右上游里海地区开始有异常气旋性环流发展, 其下游中亚地区为一反气旋环流; 到超前6天, 这一波列向下游传播, 中亚的反气旋环流传播进入我国新疆地区; 超前4天时, 随着波列向下游传播发展, 新疆的反气旋环流进入青藏高原上空, 其下游的气旋性环流移出高原后并得到加强; 超前2天时, 高原上的反气旋环流移下高原, 经过高原的增幅作用, 强度明显加强, 其上游的气旋性环流也加强并进入我国新疆和高原地区, 其下游异常的气旋性环流控制了我国南方地区, 伴随着高空异常的辐合, 对应了梅雨降水偏少(图 3a); 到超前1天时, 高原东部的反气旋环流加强东移, 中心位于江汉地区, 江淮也处于反气旋环流控制中, 高空辐散开始加强, 降水开始发生; 超前0天时反气旋环流中心东移至江淮地区上空, 而其西侧上游的气旋性环流移出高原后强度也得到加强, 异常的高空辐合在高原东部及江汉地区, 这种高空辐合辐散的配置, 有利于江淮地区对流的加强, 对应了强降水的峰值。以上分析可看到, 在对流层上层1~9天天气尺度强降水的发生与上游来自里海向下游传播并经青藏高原加强的Rossby波的传播有着密切关系。

图 4

图 4 不同时间尺度强降水过程对应的超前10天~0天滤波的200 hPa风场距平（单位：m/s，红色矢量：通过0.10显著性检验）和散度距平（阴影，单位：10-6s-1）

从10~20天滤波后的200 hPa风场距平可看到(图 4b), 在提前10~5天时, 40~50 °N中亚上空的气旋性环流逐步发展, 但位置相对稳定, 其东侧下游内蒙古中部上空的反气旋性环流也随着加强。提前6天时, 我国东北部气旋性环流开始发展, 内蒙古反气旋逐步南压。提前4天时, 中亚气旋环流已经明显减弱(其北部开始有反气旋环流发展), 我国东北上空气旋性环流增强, 辐合范围向西向南伸展, 内蒙古反气旋环流中心也南移至西北地区东部; 到超前2天时, 中亚及其以北地区已转变为庞大的反气旋环流控制, 其东侧的东北地区上空的气旋性环流发展并西伸, 控制了我国整个北方地区。欧亚中高纬环流维持大尺度的一波结构, 环流型较稳定维持, 强度不断加强。西北地区东部的反气旋环流已经东移南压到江淮地区上空, 对应了高层的辐散异常, 江淮地区强降水开始(图 3b)。到强降水峰值时, 江淮上空的反气旋环流强度达到最强, 位于江淮地区上空且维持至降水峰值过后2天。同时值得注意的是, 江淮上空反气旋的发展, 也伴随了南海-西太平洋地区准双周振荡波列的西北向传播。超前2天时, 菲律宾以东的气旋性环流已经加强控制南海, 超前0天环流中心进入南海, 强度达到最强, 对其北侧的江淮反气旋性环流也起到了加强作用。综上分析表明, 与1~9天周期强降水的环流系统不同, 江淮地区10~20天强降水的发生在200 hPa上与中高纬和南海-西太平洋地区的低频环流的发展和移动都有关系。中亚和东北地区环流系统发展导致内蒙古低频反气旋环流发展后并南压东移, 南海-西太平洋准双周振荡西北向的传播, 导致反气旋性环流长时间维持在江淮地区。这一过程中伴随了中亚地区低频气旋性环流向反气旋性环流的演变, 对江淮低频反气旋的南压东移发展过程也可能起到了一定作用, 而且其环流转变具有4~5天的超前性, 对于江淮强降雨过程预报具有一定的指示意义。准双周尺度强降水的低频环流相对天气周期的环流系统, 其传播速度要缓慢很多, 空间尺度也更大, 在江淮地区维持的时间更长, 因此造成的强降水持续时间也较长, 可达4~5天。

21~30天滤波后的200 hPa风场(图 4c)与10~20天周期不同, 从超前8天到超前0天, 中纬度没有明显的低频系统向江淮上空移动, 但江淮地区上空经历了气旋性环流减弱到反气旋性环流增强的过程。江淮地区北侧, 即贝加尔湖及其以东地区气旋环流和南海-西太平洋气旋环流的发展对江淮反气旋环流的增强也起到了重要作用。可看到在超前8天时, 江淮至江南地区为显著的气旋式环流控制, 北方贝加尔湖地区存在反气旋式环流, 之后到超前6天, 江淮上空的气旋性环流已看不出, 北方的气旋性环流加强, 渤海地区上空的辐散加强; 到超前4天, 随着北方的气旋性环流加强, 南侧西风加强, 同时南海-西太平洋地区也有气旋性环流发展, 其北侧东南风加强, 致使我国东部大部地区受反气旋性环流控制, 之后到超前0天该反气旋性环流进一步增强, 位置变化小, 维持时间长, 高空辐散逐步加强, 辐散中心位于江淮地区上空。

进一步分析对流层中层环流的配置。图 5a是1~9天尺度的强降水过程对应的500 hPa相对涡度和高度场的演变。对1~9天尺度强降水而言, 可看到在超前8天, 西西伯利亚和里海就有正的涡度异常向东向南传播, 到超前4天, 正涡度进入我国新疆, 之后超前2天时, 该正涡度中心和北方贝加尔湖南扩的正涡度异常在青藏高原东部汇合加强。到超前0天强降水发生时, 正涡度东移控制了华北、江淮地区, 中心位于江淮上空, 东部海域的负涡度最强, 江淮地区处于西风槽前, 东部海域反气旋性环流最强, 有利于强降水发生。

图 5

图 5 不同时间尺度强降水过程对应的超前10天~0天滤波的500 hPa的相对涡度（黑色等值线，单位：单位：10-6 s-1；蓝色线为通过0.10显著性检验）和位势高度距平（阴影，单位：dagpm；红色线条是500 hPa高度≥572 dgpa）

图 5b是10~20天尺度强降水对应的500 hPa涡度场演变, 可看到从超前10天开始, 东北亚中纬度地区存在西传南压的低频波列。超前10天, 东北和日本海为负涡度, 日本海以东为正涡度, 之后这一波列向西传播, 然后向南移动; 到超前6天, 负涡度已经控制了我国华北和江淮地区, 后部的正涡度移到了我国东北上空, 中亚的负涡度开始增强; 到超前4天正涡度区已经加强并控制了我国东北和日本海上空, 此时, 江淮地区仍受波列前面减弱的负涡度控制, 江淮处于降水偏少期(图 3b)。同时, 从超前6天开始, 菲律宾以西的西太平洋有负涡度发展并向西北方向移动, 提前2天时和中高纬西南向传播的负涡度合并, 西太副高强度进一步增强, 强度明显强于1~9天时间尺度, 已经控制了南海北部, 江淮降水开始转入偏多; 到超前0天时, 北方正涡度进一步发展南压, 中心位于江淮地区北侧, 同时南海的负涡度加强也进一步促进了北侧正涡度的增强, 对应江淮地区将降水处于峰值。可看出在500 hPa上, 江淮10~20天强降水的发生伴随了中纬度东北亚低频波的先西传再向南传和热带准双周振荡的西北传播, 中亚地区的负涡度增强东传也加强了东北亚正涡度的增强, 上述系统共同作用, 加强了江淮地区正涡度的发展, 热带准双周振荡的西北传播与西太平洋副热带高压明显的加强西伸相一致。

对于21~30天周期强降水而言(图 5c), 超前10~0天乌拉尔山一带强的负涡度异常缓慢减弱, 我国长江以北大部地区也为弱负涡度。同时贝加尔湖以东地区有正涡度发展, 并向南扩散。受其影响, 到超前3天江淮地区也由之前的负涡度转为正涡度。同时, 在低纬度的西太平洋地区从超前8天就可以看到有负涡度异常从菲律宾以西地区发展西传, 到超前4天负涡度中心进入南海, 之后到超前0天, 负涡度持续增强, 并稳定控制南海和西太平洋地区, 增强西传的负涡度代表了西太副高的西伸加强, 脊线位置稳定维持在有利于江淮地区降水的位置, 造成其北侧江淮地区正涡度的发展。强降水的发生也伴随了西太平洋副热带高压的加强西伸。

水汽输送很大程度上主要是由热带和副热带西南风提供的, 中纬度西风的贡献很小, 梅雨期我国中东部的水汽来源主要是来自孟加拉湾、南海和西太平洋^[26]。对流层中低层的环流系统直接为强降水的发生提供水汽和动力条件, 需要进一步对比分析三种时间尺度强降水对应的低层环流系统演变的差异。

从1~9天强降水对应的850 hPa风场和水汽通量演变可看到(图 6a), 提前4天左右时, 对流层高层(200 hPa)反气旋性环流位于高原时, 850 hPa风场上在高原东侧四川盆地一带出现反气旋性环流异常, 后随着高层反气旋系统一起东移并显著加强, 超前2天时控制江淮地区, 其后部气旋性环流异常开始加强也逐步东移, 超前0天气旋性环流达到最强, 这与梅雨期沿着季风槽经常可以观测到低涡不断从青藏高原东侧向东移动的研究结果比较一致。反气旋环流南侧偏南气流增强了来自南海地区的水汽向江淮地区的输送, 从水汽通量的正值可看到, 提前2天时, 来自阿拉伯-孟加拉湾一带的水汽显著增强, 这是这个时间尺度上江淮梅雨强降水的主要水汽来源。

图 6

图 6 不同时间尺度强降水过程对应的超前10天~0天滤波的850 hP风场（单位：m/s；蓝色矢量为通过0.10显著性检验）和水汽通量（阴影，单位：g/(m·hPa·s)，红色实线为通过0.10显著性检验）

10~20天滤波的850 hPa(图 6b)风场显示, 超前10~8天在南海至菲律宾一带为气旋性环流异常, 东侧140 °E附近伴随反气旋性环流发展, 这一波列对应的气旋性环流和反气旋性环流向西北方向移动。靠近大陆时, 前面的气旋性环流减弱, 后面的反气旋性环流加强, 到超前2天时前面的气旋性环流已消失, 后部的反气旋性环流加强发展, 控制了东南部海域, 中心位于台湾岛以东洋面, 我国南方受环流西北侧异常的西南风控制, 江淮地区已处于水汽通量辐合区, 强降水开始发展。到超前2天时, 低层反气旋性环流基本维持少动, 随着高层200 hPa反气旋环流位于江淮-江南一带, 850 hPa风场上气旋性环流增强, 同时水汽辐合达到最强, 强降水达到峰值。从850 hPa的水汽通量可看到, 西太平洋的水汽通量正异常在提前8天前最强, 之后来自印度洋-孟加拉湾南部-南海的水汽通量纬向传输增强, 表明强降水前热带季风的水汽输送至南海汇集, 降水发生时随着副高西伸至南海, 其西侧西南气流将南海的水汽输送至江淮地区。

图 6c中21~30天的滤波风场表明, 菲律宾以东西太平洋上的反气旋性环流提前8天时开始缓慢向西移动并增强, 同时来自印度洋的热带水汽通量也减弱。超前4天时反气旋性环流西北侧西南风距平就开始影响我国江淮地区, 之后反气旋环流稳定维持, 中心位于台湾东南侧, 其西北侧的异常西南风持续影响江淮地区。随着西太副高的西伸, 热带低纬度地区的东风异常增强, 热带季风减弱, 阿拉伯海-孟湾北部-南海北部为水汽通量正值区, 江淮地区处于明显的水汽辐合区, 同时伴随了高层辐散的增强; 到超前0天低层辐合, 高层辐散达到最强, 强降水达到峰值。

本文分析了江淮梅雨期间不同时间尺度强降雨过程的特征, 分析了不同时间尺度强降水过程对应的环流系统的演变和关键物理过程, 主要结论如下。

(1) 江淮梅汛期降水存在多时间尺度的特征。江淮梅雨降水集中期开始前多伴有1~9天和10~20天尺度的强降水日数增多, 而梅雨降水集中期, 21~30天时间尺度的强降水增多, 表明持续性强降水过程增多。

(2) 随着降水时间尺度的增长, 降水的强度有所减弱, 但降水的持续性增加。低频周期波动(10~20天和21~30天)比天气周期波动(1~9天)可以提供更长时间、更厚的暖平流输送, 触发更长时间的垂直上升运动和持续的水汽输送, 有利于持续性降水的发生。当不同尺度叠加时, 有利于降水强度的增幅。

(3) 不同时间尺度环流系统的传播特征表明, 在对流层中高层, 江淮地区1~9天周期尺度强降水的发生伴随了自中亚经青藏高原向下游传播并不断发展加强的Rossby波能量传播, 青藏高原对正涡度的增强起到了增幅作用, 传播至江淮地区上空导致强烈的辐散, 底层辐合上升造成强降水的发生; 10~20天强降水的发生伴随了中纬度西北太平洋低频波的先西传再东南传和热带准双周振荡的西北传播, 二者共同造成了江淮地区正涡度的发展增强, 并最终较长时间维持在江淮地区是其强降水发生的主要影响系统; 21~30天周期强降水发生时江淮地区上空反气旋性环流增强的过程与其北南两侧, 即贝加尔湖及其以东地区气旋性环流和南海-西太平洋气旋性环流的发展移动有密切的联系。

(4) 对流层低层850 hPa上不同时间尺度环流系统和水汽输送的演变表明, 1~9天周期尺度强降水的发生伴随着天气尺度涡旋移下高原后迅速增强东移, 气旋南侧西南气流增强了来自阿拉伯海-孟加拉湾的水汽向江淮地区的输送。10~20天强降水的水汽输送主要来自南海, 与南海-西太平洋准双周振荡的西北向传播有密切关系, 伴随了西太平洋副高的加强西伸。20~30天强降水伴随了西北太平洋更大尺度更缓慢移动的低频波的传播, 水汽来自印度洋北部、孟湾北部和南海北部。