2020年與1998年梅汛期洪澇的異常大氣環流及相關海表溫度強迫的差異性分析

錢卓蕾 錢月平 馬潔華

(1 紹興市氣象臺，浙江 紹興 312000；2 中國科學院氣候變化研究中心，北京 100029;3 中國科學院 大氣物理研究所竺可楨—南森國際研究中心，北京 100029;4 南京信息工程大學 氣象災害預報預警與評估協同創新中心，南京 210044)

引 言

梅雨是東亞夏季風在向北推進過程中產生的[1]，作為東亞氣候系統的重要成員，受到高空西風急流、南亞高壓、阻塞高壓、西太平洋副熱帶高壓和副熱帶季風等多種環流系統的影響[2-8]。此外，西北太平洋異常反氣旋(Western North Pacific Anomalous Anticyclone，WNPAC)與長江中下游梅雨有顯著的聯系，WNPAC主要是通過影響西太平洋副高和東亞夏季風的強度來影響長江流域的梅雨[9-11]。

東亞夏季降水的異常，與某些關鍵區域的海表面溫度(Sea Surface Temperature, SST)異常息息相關。前期冬春季節ENSO(El Nio-Southern Oscillation)事件可以影響夏季長江流域夏季降水[11-14]，WANG，et al[15-16]認為在El Nio事件期間，赤道西太平洋海溫偏低導致Walker環流減弱，負的對流異常激發Rossby波從而形成WNPAC，WNPAC是El Nio 影響東亞氣候的“橋梁”，而在El Nio衰減位相時，WNPAC也會出現異常[17-18]。研究發現印度洋和大西洋海溫對夏季降水也有一定的影響：在El Nio(La Nia)事件衰減年的春—夏季，熱帶印度洋海溫異常往往呈現海盆一致增暖(冷卻)的分布型，該模態在ENSO影響東亞夏季氣候中起到電容器效應；通過激發東傳的Kelvin波，導致熱帶西太平洋地區出現東風異常，以有利于西北太平洋異常反氣旋的持續[19-21]；三極型海溫異常是北大西洋海溫異常年際變率的主要模態之一[22]，它與夏季歐亞中高緯度環流變率關系密切，能夠激發向東傳播的遙相關波列，使得梅汛期烏拉爾山地區阻塞高壓增強或減弱，進而影響長江流域降水強度[23-25]；北大西洋海溫異常還通過大氣遙相關影響西北太平洋反氣旋和西太平洋副熱帶高壓[26-28]。

2020年和1998年梅汛期我國長江流域均出現特大洪澇災害，這兩年的梅雨量均較常年偏多一倍以上，且梅雨期較常年明顯偏長。那么這兩年的降水分布有何不同之處？影響他們的大尺度環流和海溫強迫因子又有什么區別？本研究將圍繞這些問題展開分析和討論。

1 資料與方法

1.1 資料

文中所用的資料為：(1)NCAR/NCEP月平均再分析資料(NCEP/NCAR Reanalysis 1)，網格分辨率為2.5°×2.5°；(2)國家氣候中心發布的全國160站月平均降水數據；(3)國家氣候中心發布的Nio3、Nio4區海溫指數、熱帶印度洋全區一致海溫模態指數(Indian Ocean Basin-Wide Index，簡稱IOBW指數)和大西洋海溫三極子指數(North Atlantic Triple index，簡稱NAT指數)；(4)美國NOAA 提供的ERSST-V5(NOAA Extended Reconstructed SST V5)全球海溫資料，網格分辨率為2°×2°；(5)太平洋中部海溫指數(Central South Pacific SST index，簡稱CSP指數)為(50°～20°S，170°～130°W)區域平均海溫距平。

1.2 方法

為統一起見，梅汛期環流系統強度使用系統中心值代表，其中烏拉爾山阻塞高壓范圍(45°～65°N、40°～80°E)、鄂霍茨克海阻塞高壓范圍(45°～65°N、120°～160°E)、貝加爾湖低槽范圍(45°～65°N、90°～120°E)、巴爾喀什湖低槽范圍(35°～45°N、60°～100°E)、東北弱高壓脊范圍(40°～50°N、110°～125°E)、亞洲東岸低槽(40°～50°N、125°～140°E)、西太平洋副熱帶高壓范圍(15°～40°N、110°～180°E)；梅雨鋒范圍(20°～40°N、110°～130°E)，強度用假相當位溫經向梯度中心值表征。文中的距平指相對于1980—2010年多年平均的距平值?；貧w分析和相關系數所用到的檢驗方法為t檢驗法。

使用Takaya, et al[29]推導出的三維波作用通量診斷Rossby波擾動能量傳播特征來分析梅汛期大氣長波特征。對于非靜止Rossby波，其水平分量在p坐標的水平分量由下式給出：

(1)

其中：ψ′為準地轉擾動流函數；u′和v′為擾動準地轉風；U和V為基本氣流的緯向和經向風速分量；U為基本流的氣流速度；p為等壓面氣壓；下標x，y分別表示對經度(緯向)和緯度(經向)的差分。

2 實況分析

圖1給出了2020年和1998年梅汛期(6—7月)降水距平百分率的空間分布。在2020年(圖1a)，長江流域是一致的降水正距平，降水距平百分率基本都超過60%，湖北東部和安徽南部為降水中心，降水量達常年的兩倍多；1998年(圖1b)60%以上距平區只局限在湖南、江西北部、安徽南部以及浙江西部等地，降水中心在江西北部，因此2020年降水顯著偏多的區域范圍明顯大于1998年，且降水百分率距平中心相比1998年偏北。從2020年與1998年梅汛期降水距平百分率的差值(圖1c)上可以更清晰地看到，30°N以北為正值區，特別是湖北中部、安徽中南部和上海等地，達80%以上，30°N以南除浙江中東部和江西西部，基本為負值區，進一步證明2020年強降水中心較1998年偏北。

圖1 2020年(a)、1998 年(b)6—7月降水距平百分率分布和兩年降水距平百分率差值(c)(單位：%)

3 梅汛期大氣環流和水汽條件差異

對比2020年和1998年梅汛期平均500 hPa位勢高度場發現，在低緯度地區，2020年整個北半球副熱帶的位勢高度幾乎都偏高，位勢高度正距平極值中心在日本東部(圖2a)，副高北側的西南暖濕氣流偏強偏北(圖2c)；而1998年僅在南海、中南半島和孟加拉灣等地出現位勢高度正距平(圖2b)，距平中心在南海，較2020年偏南偏西，中心數值也較小(表1)，表明1998年西太平洋副熱帶高壓較2020年偏弱偏南，北側西南氣流亦偏南偏弱。高緯度地區，兩年都為雙阻形勢(圖2a、b)，即烏拉爾山和鄂霍茨克海地區為阻塞高壓控制，而貝加爾湖地區為低槽控制，但2020年3個關鍵系統的強度較1998年弱(表1)。差異較大的是鄂霍茨克海阻塞高壓和貝加爾湖低槽，2020年鄂霍茨克海阻塞高壓除強度中心偏弱外，60°N以南為負位勢距平，同時貝加爾湖低槽偏西偏北，槽底在55°N附近，這兩個關鍵系統的偏弱偏北有利于西太平洋副高和雨帶的北抬；而1998年鄂霍茨克海地區均為顯著正距平，貝加爾湖低槽偏東偏南，槽底在45°N附近，不利于副高北進。同時，我們還觀察到，在2020年，45°N附近存在“-+-”的距平分布，巴爾喀什湖低槽加深有利于冷空氣的積聚，我國東北弱高壓脊和東亞沿岸低槽加深則有利于冷空氣加速南下，與南側異常強的西南暖濕氣流一次次交匯，是梅雨異常偏強的重要因素。

圖2 2020年(a、c)和1998年(b、d)6—7月500 hPa平均位勢高度場(黑色加粗等值線為588線，紅色加粗線為副高脊線)及距平場(填色，單位：10 gpm，正負中心分別用“+”、“-”標注)、850 hPa風場距平(箭矢，單位：m·s-1，氣旋與反氣旋中心分別用“C”和“A”標注)

從850 hPa風場距平分布(圖2c、d)來看，兩年低緯度最顯著的特征均是南?！魈窖笊系漠惓７礆庑?，即WNPAC，相對于1998年來說，2020年WNPAC北界位置偏北，強度偏強，中心偏離南海趨向日本東南洋面，北側的異常西南風較強，一直到日本南部。WNPAC的變化對西太平洋副熱帶高壓的強度和位置有重要影響，因此西太平洋副熱帶高壓偏北偏強，中心偏向東北，副高北側的西南氣流加強北進(圖2a、b)。中高緯度地區，這兩年的主要差異在于2020年東亞北部沿岸(40°～50°N、110°～150°E)有一對異常反氣旋和氣旋，異常反氣旋偏西偏南，反氣旋前部有異常東北風沿著我國東部沿海南下至30°N，進一步阻擋WNPAC北側西南氣流北上，異常北風與異常西南風在我國東部—日本南部構成異常氣旋，加強了梅雨鋒；而1998年東亞只有強的異常反氣旋，位置偏東偏北，30°N以北的異常北風很弱，梅雨鋒強度比2020年偏弱。

2020梅汛期的降水量明顯大于1998年，這與水汽含量的多寡有直接聯系。從850 hPa的比濕距平分布(圖3a、b)可知：2020年長江流域的比濕正距平中心值較1998年大，該地區上空的水汽含量高于1998年。進一步分析整層積分的水汽通量及其散度場距平(圖3c、d)，2020年在南海和西太平洋上有增強的水汽輻散，這兩個地區對該年梅汛期的水汽輸送作用亦有增強，其中南海的水汽通量散度正距平最強，輸送至長江流域的水汽通量也較大(表1)。而1998年自孟加拉灣、南海到西太平洋連成了水汽通量散度正距平區，表明這些地區的水汽輸送作用也是增強的，但南海地區的正距平明顯比2020年小，長江流域的水汽通量距平亦偏小。從水汽通量的輸送方向可以發現，2020年越赤道氣流較1998年明顯偏強，西太平洋上的東南氣流向南海輸送水汽，進而沿著西太平洋副熱帶高壓的邊界轉為西南氣流向長江流域輸送水汽，2020年偏強的越赤道氣流導致從赤道向長江流域的水汽輸送增強。

圖3 同圖2，但為比濕距平場(單位：g·kg-1)和整層積分的水汽通量(箭矢，單位：g·s-1·cm-1·hPa-1)及水汽通量散度距平場(填色區，單位：g·s-1·cm-2·hPa-1)

表1 梅雨關鍵系統中心強度

4 西風帶波能傳播特征

對環流異常的分析可知：梅雨形勢的建立和維持，與阻塞高壓、WNPAC等大尺度系統的強度和位置異常有重要聯系。圖4給出了2020年和1998年6—7月平均對流層中層500 hPa擾動場和 T-N 水平通量，2 a均存在自大西洋至西太平洋傳播的波列結構。2020年的波列偏南，在歐亞大陸的“+-+-”中心分別位于里海、巴爾喀什湖、我國東北地區和東亞沿岸，波能向東傳播使得東亞反氣旋和氣旋發展，南下的冷空氣偏強。同時還發現，波列傳播至西太平洋時有明顯的經向分量，西太平洋上30°N附近的正擾動中心發展，且與副熱帶地區的大范圍正擾動區相接，有利于WNPAC加強北進，中心偏東，因而西太平洋副熱帶高壓偏北偏強。1998年歐亞大陸的波列中心分別位于西歐、烏拉爾山、貝加爾湖和鄂霍次克海附近，后3個中心與梅汛期雙阻形勢的3個關鍵系統位置一致，波列較2020年偏北，且波列中心偏強，傳播的波能量也較強，因此雙阻形勢更加穩定。由于擾動中心和波動能量的傳播偏北，且傳播至西太平洋后基本逆轉為偏西方向，西太平洋上的正擾動中心亦明顯偏北，不利于南側西太平洋副熱帶高壓北抬加強。因此，西風帶波能的傳播作用是2020年與1998年環流差異的關鍵因素之一。

圖4 2020年(a)和1998年(b)6—7月的位勢高度相對于多年平均的擾動場(填色，單位：gpm)，及波作用通量(箭矢，單位：m2·s-2)

5 前期和同期海表溫度演變差異及其影響

5.1 不同El Nio事件衰減期的太平洋—印度洋海溫驅動作用

上述環流異常分析已經表明，WNPAC是影響2020年和1998年梅汛期異常的關鍵系統，而El Nio是WNPAC的強迫源，El Nio通過WNPAC來影響東亞氣候[15-16，19]。袁媛等[30]根據El Nio事件發展達到盛期時海溫距平的分布特點，將1950年以來的El Nio事件分為東部型、中部型和混合型，并指出三類事件對應中國次年夏季雨帶呈南方型、中間型和北方型。李麗平等[31]將El Nio事件分為Nio3、Nio4 和Nio3.4 型，在整個次年夏季，Nio3、Nio4 和Nio3.4 型降水顯著正異常區在中國東部呈自南向北分布。2020年和1998年均處在El Nio衰減年，但兩次El Nio事件有明顯差異，2019/2020年顯著暖異常西移至赤道中太平洋日界線附近，而1997/1998年在赤道中東太平洋有強的暖異常(圖5)，從Nio3和Nio4區海溫指數的月變化(圖9)也可以看到，2019/2020年Nio4區海溫指數自2019年11月至2020年4月都在0.6以上，5月起開始衰減，因此屬于中部型El Nio事件；而1997/1998年Nio3區海溫指數前冬高達3.321，春季開始迅速衰減，屬于超強的東部型El Nio事件。我們用1970—2019年這50 a間前冬Nio4區和Nio3區海溫指數來回歸6—7月850 hPa風場，兩者的差值場(圖6)顯示中部型El Nio事件次年6—7月西北太平洋異常反氣旋北界位置較東部型偏北偏強，異常西南氣流可以到達40°N附近。從兩者與500 hPa位勢高度場的偏相關圖(圖7a、b)上可知：Nio4區海溫指數與30°N以南的位勢高度都有顯著正相關，而Nio3區海溫指數與高度場的顯著正相關區基本位于25°N以南地區，較前者明顯偏南，因此中部型El Nio是有利于副高北抬加強的。

圖5 2019/2020年(a、c、e)和1997/1998年(b、d、f)冬季、春季和6—7月海表溫度距平(單位：℃，填色區代表海溫距平絕對值≥0.3 ℃，黑色框代表關鍵區海溫)

圖6 前冬Nio4和Nio3海溫指數回歸的6—7月850 hPa風場異常差值場(箭矢，單位：m·s-1，橙色/紅色點表示通過α=0.1/0.05顯著性檢驗)

圖7 前冬Nio 4(a)、Nio 3(b)與500 hPa位勢高度場的偏相關分布(白點表示通過α=0.1顯著性檢驗)

從2020年和1998年6—7月的WNPAC強度來看，2020年要強于1998年，但2019/2020年El Nio事件屬于較弱的El Nio事件，而1997/1998年是超強El Nio事件，且2020年WNPAC的中心偏東北，因此這兩年WNPAC的差異不能完全用不同類型El Nio事件來解釋。XIE，et al[19]的研究表明印度洋海溫與赤道太平洋海溫有密切聯系。從印度洋的海溫演變和IOBW的月變化來看(圖5)，印度洋一致增暖模態從2019年春季就開始發展，且冬季與太平洋暖海溫區相接，形成印度洋—太平洋中部的一致增暖；而1997年印度洋海溫在冬季才開始向一致增暖模態轉變，并隨著El Nio的衰減而迅速衰減，到6、7月就不顯著了，也不存在印度洋—太平洋中部一致增暖模態。印度洋海表溫度主要是通過激發東傳的Kelvin波，導致熱帶西太平洋地區出現東風異常[19-21]。與持續增暖的印度洋—太平洋海表溫度對應，2020年夏季熱帶西太平洋上的強的異常東風自西太平洋一直延伸至阿拉伯半島，而1998年異常東風在流經海洋性大陸地區時便逆時針轉向南。2020年赤道附近印度洋—中太平洋是一致暖海區，輻合上升運動強，異常上升氣流到高空后向北流動，在30°N附近下沉，構成赤道—低緯度地區南升北降的異常偶極子結構(圖8)，而低緯度與中緯度地區還有一個北升南降的異常偶極子，南北上升氣流均在低緯度地區下沉，使得WNPAC進一步發展加強，其東側的東北風也隨之加強，異常東北風加強了東北信風，在風—蒸發—海溫的反饋作用下[32]，WNPAC在發展過程中中心逐漸偏東。同時我們還發現，由于2020年印度洋—太平洋中部一致增暖，大洋上空水汽含量增加，輸送到長江流域上空的水汽也增加，表明太平洋—印度洋海表溫度異常除了決定WNPAC的位置和強度外，還對梅汛期的水汽輸送有影響。

圖8 2020年(a)和1998年(b)6—7月110°～130°E平均垂直環流距平的緯度—高度剖面(箭矢，單位：m·s-1)(填色區代表垂直風速距平絕對值>1 m·s-1，正(負)值代表上升運動(下沉運動))

5.2 北大西洋海溫三極子(NAT)對中高緯度環流的影響

從波擾傳播來看，北大西洋地區作為波能傳播的上游地區，對下游波動是有顯著影響的。北大西洋海溫異常對歐亞中高緯度環流變化起主導作用，負(正)三極子模態能夠在北大西洋—歐亞中高緯度地區激發出一支呈緯向分布的遙相關波列，使得烏拉爾山和鄂霍次克海高壓脊偏強(減弱)[33]。分析2020年和1998年6—7月同期的大西洋海溫(圖5)，可以發現1998年具有典型的負三極子特征，即低緯度和高緯度地區為暖異常，而中緯度為弱的冷異常；但2020年高緯地區海溫異常與典型三極子模態具有較大差異；結合NAT指數的演變(圖9)，可以發現1998年是強的負三極子模態，而2020年是弱的負三極子模態，而NAT能通過遙相關波列影響歐亞中高緯環流[33]。我們用同期NAT指數對6—7月低層環流場進行回歸分析(圖10)，可以看到，歐亞大陸中高緯度地區存在顯著的“+-+”波列，表明NAT負位相是梅汛期中高緯度雙阻型結構的強迫源，這可能是1998年雙阻形勢較2020年更穩定的原因。1998年的中高緯環流與回歸場十分類似，表明NAT是1998年中高緯度環流異常的主要影響因子。

圖9 2019/2020年(a)和1997/1998年(b)Nio3、Nio4、IBOW、NAT和Mid-SP指數的月變化

圖10 同期NAT海溫指數回歸的6—7月850 hPa風場異常場(箭矢單位：m·s-1；橙色/紅色點表示通過α=0.1/0.05顯著性檢驗)

5.3 南太平洋中部海溫對越赤道氣流的作用

從環流異常分析可知，2020年6—7月澳大利亞北側的東南信風及越赤道氣流較1998年明顯偏強，北側下沉運動區也同步向北推進并增強(圖8)，有利于WNPAC偏北偏強，同時，越赤道氣流加強了從熱帶向長江流域的水汽輸送(圖3)，而南半球的環流系統亦可以影響赤道東南信風和越赤道氣流的強度。南半球環流的前期異常信號已成為東亞夏季風和我國汛期降水的重要預測因子之一[34]。這其中，南極濤動及其副熱帶分支的馬斯克林高壓和澳大利亞高壓及南北半球間的越赤道氣流等都扮演著關鍵角色[35-36]。2020年南半球澳大利亞高壓較常年偏強，東南信風和越赤道氣流偏強；1998年澳大利亞高壓較常年偏弱，東南信風和越赤道氣流偏弱。2019/2020年南太平洋中部自冬季起為顯著的一致暖異常(圖5)，而1997/1998年相應時間段為冷異常，且兩者的差異在冬季最顯著。用前冬南太平洋中部海溫(CSP)指數回歸6—7月850 hPa風場(圖11)，可以發現澳大利亞高壓東部有明顯的反氣旋式環流，北側越赤道氣流加強，輻合區基本在赤道附近。因此南太平洋中部海溫可能是通過越赤道氣流來影響北半球環流的：南太平洋海溫出現暖(冷)異常，越赤道氣流加強(減弱)，赤道輻合帶偏北(偏南)。同時，我們還發現：回歸場在低緯度西北太平洋地區表現為氣旋式風場異常，異常反氣旋主要在日本東南部，表明CSP暖異常其實是不利于WNPAC加強的，但對中心偏向東北可能有一定的作用，相反，CSP冷異常有利于WNPAC加強，但可能推動其中心偏向西南。

圖11 同圖10，但為前冬CSP海溫指數

6 結論

本文通過對大尺度環流異常和海溫強迫因子的差異性分析比較了2020年和1998年梅汛期洪澇災害的成因。主要結論如下：

(1)2020年梅汛期強降水區域范圍較1998年大，雨量中心偏北，這與大尺度環流異常有直接聯系：低緯度地區，2020年WNPAC的北界位置較1998年偏北偏強，中心偏東北，導致西太平洋副熱帶高壓偏北偏強，其北側的西南氣流亦偏強；高緯度地區，2020年雙阻型關鍵系統的發展較1998年弱，尤其是鄂霍茨克海阻塞高壓和貝加爾湖低槽明顯偏北偏弱，有利于西太平洋副高北抬；中緯度東亞沿岸出現異常反氣旋和氣旋對，30°N以北盛行異常東北風，南下冷空氣偏強，與WNPAC北側的異常西南風對峙，使得強梅雨鋒長期維持。此外，2020年越赤道氣流偏強，由西太平洋上的東南氣流向長江流域輸送的水汽也偏多，大氣水汽含量高，有利于增加降水效率。

(2)從波動傳播理論來看，2020年和1998年在中高緯度地區都存在自大西洋到太平洋的遙相關波列，2020年波列偏南，有利于東亞異常反氣旋和氣旋對的維持，同時波動能量在西太平洋上有明顯的經向傳播，使得WNPAC和西太平洋副高北抬加強。1998年波列偏北偏強，能量的向東傳播使得雙阻型較2020年偏強，但西太平洋上經向傳播分量弱，WNPAC和西太平洋副熱帶高壓偏南偏弱。

(4)本文主要分析2020年與1998年的梅汛期環流及海溫影響差異，有研究表明2016年和2010年也分別發生了典型的東部型和中部型El Nio事件，那么它們與2020年的環流和海溫影響因素是否有差異呢？且文中有關南太平洋中部海溫的探討僅限于回歸分析，對于其動力成因尚未有定論。這些都是我們后續需要深入探尋的問題。