王晨宇 姚素香 黃安寧 高千惠

摘要 利用觀測資料和區(qū)域氣候模式RegCM4.6，研究了高緯和低緯天氣尺度擾動對2020年梅雨期降水的可能影響。觀測分析表明：2020年6月、7月長江中下游降水在周期上表現(xiàn)為10 d以下的天氣尺度擾動，在降水過程中存在多次中高緯度天氣尺度擾動的南傳與低緯擾動的北傳。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計改變不同緯度天氣尺度擾動（<10 d）輸入的側(cè)邊界敏感性試驗。數(shù)值模擬結(jié)果表明：從平均環(huán)流來看，當中高緯西北側(cè)邊界的天氣尺度擾動減弱時，大氣平均環(huán)流動能向天氣尺度擾動動能轉(zhuǎn)換的位置發(fā)生北移，影響副高北側(cè)緯向西風帶北移，使得梅雨期降水中心從長江中下游地區(qū)北移到淮河流域;從時間演變來看，當去除中高緯西北側(cè)邊界的天氣尺度擾動時，850 hPa上E矢量散度南傳減弱，低緯緯向風異常能夠向北傳播。緯向風異常產(chǎn)生的渦度變化有利于副熱帶高壓北抬，使得雨帶可以較早北抬到34°N以北，標志江淮地區(qū)出梅。低緯南側(cè)邊界的天氣尺度擾動減弱時，梅雨期降水略有增強，但對雨帶的進退影響較小。因此，觀測和數(shù)值模擬結(jié)果表明，2020年夏季梅雨期降水強度和雨帶的維持主要與中高緯度天氣尺度擾動異常密切相關(guān)，中國北部尤其中國西北部到巴爾喀什湖地區(qū)天氣尺度擾動偏強且南傳是此次梅雨強度偏強和雨帶維持的重要原因。

關(guān)鍵詞 天氣尺度擾動;梅雨期降水;區(qū)域氣候模式;雨帶推進

梅雨是東亞夏季風向北推進過程中的重要產(chǎn)物，是東亞獨有的天氣氣候現(xiàn)象（丁一匯等，2007）。江淮地區(qū)的梅雨具有顯著的年際和年代際差異，而長江流域是梅雨期暴雨最嚴重的洪水受災(zāi)地區(qū)之一（周玉淑等，2005;胡婭敏等，2008）。葉德超等（2019）研究了2016年長江中下游梅雨期強降水，發(fā)現(xiàn)梅雨期的3～4 d高頻斜壓波動具有明顯的下游頻散效應(yīng)，從西北向東南傳至長江中下游地區(qū)。根據(jù)國家氣候中心監(jiān)測數(shù)據(jù)，2020年是長江流域受洪澇災(zāi)害較為嚴重的一年，6月1日入梅，8月2日出梅，梅雨期持續(xù)時間長，梅雨量大，極端降水事件頻發(fā)，引起了廣泛關(guān)注，理解其異常降水形成和演變機理，有利于加深對梅雨的進一步認識。

Webster and Chang（1988）指出天氣尺度擾動能夠和大尺度環(huán)流背景場提供能量交換，同時匯合氣流可以使天氣尺度擾動得到發(fā)展。劉麗等（2019）發(fā)現(xiàn)天氣尺度擾動可以通過動力強迫和熱力強迫影響平均流。中高緯天氣尺度擾動對東亞夏季風環(huán)流和長江中下游降水都具有顯著影響。李鑫等（2018）年發(fā)現(xiàn)1993年擾動波包自西向東向長江中下游地區(qū)傳播，為長江流域夏季降水提供了必要的擾動能量。黃海燕等（2016）利用850 hPa緯向風距平和E-P通量的合成分析顯示，長江中下游6月存在從高緯到低緯的天氣尺度波列，當波列存在時，波會向東南方向傳播，不利于夏季風向北推進。董麗娜和張福穎（2013）認為天氣尺度瞬變波動力強迫作用有利于急流北跳的發(fā)生，對急流北跳發(fā)生的早晚有正反饋作用，從而影響雨帶的分布。龍晴柔等（2017）分析副熱帶西風急流的不同尺度特征后發(fā)現(xiàn)，天氣尺度波與梅雨強度的變化有一定的對應(yīng)關(guān)系。如在低緯度地區(qū)，天氣尺度擾動往往影響著熱帶氣旋的生成，進而影響江淮梅雨。楊悅等（2016）對南海的季風動能分析后，發(fā)現(xiàn)小于10 d的高頻擾動與季風平均散度和渦度相互作用，會有較多的季風平均動能向擾動動能轉(zhuǎn)換，使得低緯地區(qū)北傳的季節(jié)內(nèi)振蕩增強。

區(qū)域氣候模式具有較高的時空分辨率，是研究區(qū)域氣候的有力工具。劉曉東等（2005）指出RegCM3區(qū)域氣候模式能較好地再現(xiàn)異常降水的月際尺度變化和空間分布特征，模式較好地模擬了西太平洋副高脊線的演變過程。Bhatla et al.（2016）發(fā)現(xiàn)RegCM4模擬大部分區(qū)域的效果都很好，但對參數(shù)化方案表現(xiàn)出顯著的敏感性。Zhang et al.（2015）采取不同積云參數(shù)化方案模擬中國降水后，發(fā)現(xiàn)RegCM4模擬夏季降水效果優(yōu)于冬季模擬效果，并且Tiedtke方案模擬東亞季風指數(shù)的偏差最小，模擬的降水偏差也較小。Shi et al.（2018）對比了區(qū)域氣候模式RegCM4.4與全球氣候模式HadGEM后，發(fā)現(xiàn)RegCM4.4對溫度、降水和極端氣候的空間分布模擬更優(yōu)。

綜合以上現(xiàn)狀，我國梅汛期降水同時受到中高緯和低緯天氣尺度擾動的影響，然而現(xiàn)有研究并未明確不同緯度天氣尺度擾動影響梅雨期降水的程度，以及對梅雨期異常降水的貢獻。因此，本次研究利用觀測資料結(jié)合區(qū)域氣候模式RegCM4.6，針對2020年夏季梅雨期降水進行分析，嘗試揭示不同緯度天氣尺度擾動對梅雨期異常降水位置分布及時間演變的影響以及機理。

1 資料和方法

1.1 資料

采用的資料：1）ECMWF的ERA5逐小時再分析資料處理成的日平均資料，水平分辨率為1.0°×1.0°（Dee et al.，2011）。2）我國2 479氣象觀測站的逐日降水數(shù)據(jù)（http：//data.cma.cn/data/cdcdetail/dataCode/SURF_CLI_CHN_PRE_DAY_GRID_0.5.html）。

1.2 模式及試驗設(shè)計

使用的模式為意大利國際理論物理中心RegCM4.6區(qū)域氣候模式。模式初始場、側(cè)邊界及海溫均由水平分辨率為1.0°×1.0°的歐洲中心ERA5的再分析資料提供。為了更好模擬出長江中下游降水，將模式中心設(shè)置在長江中下游地區(qū)（119°E，32°N）。模式采用Lambert投影，格點數(shù)為110×110，水平分辨率為30 km，垂直方向為非均勻18層，頂層氣壓為5 hPa。圖1給出了本次研究模式模擬的范圍，包含了我國東部華南、長江中下游、華北等主要降水區(qū)。由于影響模式降水效果的主要是積云參數(shù)化方案，在對比Emuanuel（Emanuel，1997）、Grell（Grell，1993）和Tiedtke（Tiedtke，1989）積云參數(shù)化方案后（圖略），選取了模擬效果最優(yōu)的Tiedtke積云參數(shù)化方案。其余物理參數(shù)化方案選取BATS1e陸面參數(shù)化方案（Dickinson et al.，1993）、指數(shù)松弛側(cè)邊界條件方案（Davies and Turner，1977）、Holtslag邊界層方案（Holtslag et al.，1990）、Zeng海表通量方案（Zeng et al.，1998）、SUBEX顯式濕度方案（Sundqvist et al.，1989）。模式從2020年5月1日開始積分，積分到2020年8月15日，前一個月作為模式起轉(zhuǎn)過程的時間。此試驗稱作控制試驗。

利用Lanczos濾波器，對模式側(cè)邊界數(shù)據(jù)進行濾波，濾除10 d以下天氣尺度信號，即減弱了邊界天氣尺度擾動的輸入。在初始條件和邊界條件中去除34°N以北的天氣尺度擾動，減弱中高緯天氣尺度擾動的輸入，其余條件不變稱為北邊界試驗。在邊界條件和初始條件中，34°N以北，110°E以西的天氣尺度擾動被去除，其余條件保持不變稱為西北側(cè)邊界試驗。去除28°N以南的天氣尺度擾動，減弱了低緯天氣尺度擾動的輸入，其余條件不變稱為南邊界試驗。

1.3 診斷方法

本文分析的正壓能量轉(zhuǎn)換（BTEC）過程依據(jù)Cai et al.（2007）的理論，天氣尺度擾動能量（Ke）的變化正比于E·D。

當E·D>0時，表示平均環(huán)流動能轉(zhuǎn)換為天氣尺度擾動動能，反之，則表示擾動釋放動能并轉(zhuǎn)化為平均動能。根據(jù)Trenberth（1986）推導的可描述瞬變波動對平均流強迫作用的局地E-P通量，其中E是E-P通量的水平分量，表示瞬變擾動活動的矢量。E的輻散對西風氣流有加速作用，而其輻合則有減速作用，因而可以作為描述瞬變擾動對大尺度氣流動力強迫作用的指標量。

以上的u、v分別表示水平風速的緯向分量和經(jīng)向分量，帶撇號量表示該氣象量<10 d的天氣尺尺度信號，上劃線表示平均流。

利用Lanczos低通濾波分析10 d以下天氣尺度氣象要素的變化特征;利用功率譜分析降水的顯著周期。

2 天氣尺度擾動對梅雨期平均降水的影響

利用2020年2 479氣象觀測站的降水數(shù)據(jù)得到2020年6—7月梅雨期平均降水的分布（圖2a），可以發(fā)現(xiàn)2020年梅雨降水主要集中在長江中下游地區(qū)，并且日平均降水量達到10 mm以上。由于6—7月時間尺度小于90 d，對長江中下游地區(qū)（110°～120°E，28°～32°N）4—7月的降水進行功率譜分析（圖2b），可以看出，通過置信度為95%的紅噪聲檢驗的峰值集中在10 d以下的天氣尺度，表明2020年梅雨期降水在周期上主要表現(xiàn)為小于10 d的天氣尺度信號。

從降水的演變（圖3a）上來看，6月上中旬開始，雨帶停留在江淮地區(qū)，梅雨期開始，直到8月上旬雨帶北抬，江淮地區(qū)出梅。梅雨的維持與500 hPa大尺度環(huán)流有密不可分的聯(lián)系，圖3b中給出了500 hPa相對渦度的演變，可以看到中高緯有多次天氣尺度上正相對渦度的南傳，天氣尺度活動比較活躍，而正渦度的南傳阻礙了低緯度負渦度的北傳，有利于雨帶的維持。利用正壓能量轉(zhuǎn)換方程分析大尺度環(huán)流異常對天氣尺度擾動的影響（圖3c），可以發(fā)現(xiàn)在長江中下游地區(qū)有很強的正值中心。

天氣尺度擾動有利于在平均氣流北側(cè)提取正壓能量（Cai et al.，2007），而副高北側(cè)的緯向西風帶在長江中下游地區(qū)有利于為天氣尺度擾動提供能量。這表明天氣尺度擾動對長江流域的緯向西風帶有重要影響。Hoskins and Hodges（2002）的研究表明，不同氣象變量的瞬變擾動方差，均可以用來表征天氣尺度活動。本文使用500 hPa上天氣尺度經(jīng)向風的均方差表示天氣尺度擾動強度，計算了2020年天氣尺度擾動強度與氣候態(tài)的差值（圖3d），以表明其異常特征。2020年梅雨期，我國西北到巴爾喀什湖附近的天氣尺度擾動強度明顯偏強，而低緯的擾動強度在西太平洋處偏弱。因此，這是否說明中高緯以及低緯天氣尺度擾動的異常均會對梅雨降水異常產(chǎn)生影響呢？下面利用區(qū)域氣候模式對其進行進一步的討論。

首先檢驗區(qū)域氣候模式RegCM4.6對2020年梅汛期降水及演變特征的再現(xiàn)能力。圖4給出了控制試驗?zāi)M的平均降水分布與降水演變特征，可以發(fā)現(xiàn)，盡管模式模擬的降水強度低于觀測降水，但能夠準確模擬出降水中心的主要位置位于長江中下游地區(qū)（圖4a）。從降水的時間演變 （圖4b） 來看，模式模擬的雨帶維持在江淮地區(qū)（28°～34°N），并且雨帶南北進退，以及出入梅時間與觀測（圖3a）基本一致。模式對降水強度模擬的偏差（圖4a、圖2a），可能主要與7月上中旬的一次極端過程把握不足有關(guān)（圖3a、圖4b）。然而總的來看，模式基本能夠模擬出梅雨期降水的分布特征以及雨帶南北進退的特征。

圖5為不同敏感性試驗對6、7兩月降水的模擬結(jié)果與控制試驗的差，可以看到，北邊界試驗中長江流域降水減少，淮河流域降水增多，表明梅雨期平均降水中心的位置與觀測相比北移（圖5a）。而在南邊界試驗中，長江中游和長江下游以南地區(qū)降水略有增強，但幅度較小（圖5c）。在僅改變西北側(cè)邊界的天氣尺度擾動后（圖5b），淮河流域降水異常偏多，與北邊界試驗類似，降水中心位置發(fā)生了北移，說明我國北部，尤其是西北側(cè)邊界天氣尺度擾動的輸入對梅雨降水中心位置有重要的影響。

圖6中給出了不同試驗天氣尺度擾動強度特征。和控制試驗（圖6a）相比，改變了天氣尺度擾動的輸入后，邊界處的天氣尺度擾動強度明顯降低（圖6b、c、d）。北邊界試驗和西北側(cè)邊界試驗（圖6b、c）的高層在35°～40°N附近的天氣尺度擾動強度中心存在較大程度的減弱。而南邊界試驗（圖6d）在低緯度天氣尺度擾動強度雖然也減弱但低緯原本的天氣尺度擾動強度較小，所以變化不明顯。從正壓能量轉(zhuǎn)換中心位置來看，除了在200 hPa高層急流附近有很強的能量轉(zhuǎn)換外，在850 hPa低層附近也存在正壓能量轉(zhuǎn)換的中心。控制試驗和南邊界試驗?zāi)芰哭D(zhuǎn)換中心位置位于30°N附近，而北邊界試驗和西北側(cè)邊界試驗中心位置位于更北的位置，說明平均環(huán)流可以在長江中下游以北的位置向天氣尺度擾動動能進行轉(zhuǎn)換。

由圖7可見，在北邊界（圖7a）和西北側(cè)邊界（圖7b）試驗中，只改變了中高緯天氣尺度擾動的輸入，但在850 hPa低緯的偏南風仍得到了加強，有利于暖濕氣流的向北推進，南北風輻合發(fā)生北移;在對流層中上層40°N附近及北部緯向風加強，南側(cè)緯向風減弱，有利于高層急流中心的北移，同時可導致降水中心的北移。在南邊界試驗中（圖7c）低緯的偏南風略微減弱，這是導致長江流域降水略為增強的原因，整體平均經(jīng)緯向風的變化并不明顯。

從850 hPa低層風場和正壓能量轉(zhuǎn)換中心的位置（圖8）可以看出，北邊界試驗（圖8b）和西北側(cè)試驗（圖8c）的偏南風可以達到更北的位置，基本氣流異常向天氣尺度能量轉(zhuǎn)換的位置更偏北。而能量轉(zhuǎn)換中心的位置影響副高北側(cè)緯向西風帶的位置，使得緯向西風帶偏強且偏北，從而影響降水中心的位置，對應(yīng)著降水中心的北移。而低緯天氣尺度擾動減弱（圖8d），長江中下游平均降水位置基本沒有變化。由此可以得到，2020年中高緯天氣尺度擾動偏強，正壓能量轉(zhuǎn)換中心位于長江流域，阻礙了平均氣流的北移，使得緯向西風帶停留在江淮流域上空，造成梅雨強度偏強。

3 天氣尺度擾動對雨帶推進的影響

從不同試驗?zāi)M的降水演變（圖9）來看，在控制試驗（圖4b）和南邊界試驗（圖9c）中，雨區(qū)雖然在7月20日左右北抬出34°N，但是又南退回34°N以南（紅色方框內(nèi)），因此江淮地區(qū)真正出梅時間推遲到8月上旬。北邊界試驗（圖9a）在7月下旬雨帶北抬出江淮流域，位置較控制試驗更偏北，也有一次南退過程但主要降水區(qū)未能退回34°N以南。而西北側(cè)邊界試驗中（圖9b），雨帶在7月下旬已完全北抬至34°N以北并沒有南退，降水中心位于34°N以北，標志著江淮流域出梅。這表明中高緯西北側(cè)輸入的天氣尺度擾動強度變化對江淮梅雨期降水演變有重要的影響。

從500 hPa渦度的演變（圖10）上來看，控制試驗和南邊界試驗有多次天氣尺度正渦度從中高緯向南傳，與再分析資料較為吻合。由于模式的系統(tǒng)偏差，模擬的位勢高度強度相對于再分析資料偏弱（劉曉東等，2003），利用120°E上的5 860 gpm等值線代表西北太平洋副熱帶高壓（簡稱副高）的南北進退，可以發(fā)現(xiàn)控制試驗（圖10a、e、i）和南邊界試驗（圖10d、h、l）的副高在7月下旬有一次南退的過程，這次過程同時也對應(yīng)著雨帶的南退。而北邊界試驗（圖10b、f、j）和西北側(cè)邊界試驗（圖10c、g、k）中，由于中高緯沒有天氣尺度擾動的輸入，使得中高緯沒有天氣尺度正渦度的南傳，并且在7月下旬5 860 gpm等值線維持在34°N附近，副高沒有明顯的南退過程。為了進一步區(qū)別渦度變化的原因，將渦度分解為經(jīng)向風（圖10e—h）產(chǎn)生的渦度（vx）以及緯向風（圖10i—l）產(chǎn)生的渦度（-uy）?？梢钥吹浇?jīng)向風產(chǎn)生的渦度很小，而天氣尺度正渦度的南傳以及負渦度向北的推進都主要與緯向風有關(guān)。

由圖6可以看出，大氣平均環(huán)流與天氣尺度能量轉(zhuǎn)換主要集中在850 hPa和200 hPa上，而降水與低層850 hPa環(huán)流的關(guān)系更為密切，圖11中給出了850 hPa的緯向風演變并引入局地E矢量。E矢量散度在緯向風大值中心的北側(cè)輻散，對平均西風有增強作用，有利于異常緯向風向北移動?？刂圃囼灒▓D11a）和南邊界試驗（圖11d）中，在7月下旬有E矢量輻散的南傳，阻礙了緯向風的向北發(fā)展，使得緯向風有南退的趨勢。北邊界試驗中（圖11b）在7月下旬有支較弱的E矢量散度輻散的南傳，使得緯向風也有較弱南退的傾向。而在西北側(cè)邊界試驗（圖11c）中，7月下旬E矢量輻散散度沒有南傳，緯向風能夠繼續(xù)向北發(fā)展。緯向風的向北發(fā)展產(chǎn)生的渦度變化對應(yīng)著500 hPa負渦度繼續(xù)向北發(fā)展的過程，使得雨帶能夠在7月下旬過早北抬至34°N以北。中高緯西北側(cè)天氣尺度擾動的減弱抑制E矢量輻散散度的南傳，有利于緯向風的北移，緯向風北移產(chǎn)生的渦度變化有助于副高北進，從而雨帶能夠更早北抬到江淮以北的地區(qū)，使江淮地區(qū)提前出梅。而低緯天氣尺度擾動發(fā)生改變后對雨帶演變的影響較小。

4 結(jié)論與討論

本文利用區(qū)域氣候模式RegCM4.6模擬2020年夏季梅雨期降水，并結(jié)合觀測資料，討論了中高緯和低緯天氣尺度擾動對梅雨期降水的可能影響，主要結(jié)論如下：

1）功率譜分析揭示2020年長江中下游地區(qū)汛期降水存在明顯的天氣尺度擾動。大氣平均環(huán)流動能在長江中下游地區(qū)向擾動動能轉(zhuǎn)換，維持和增強該地區(qū)的天氣尺度擾動強度。從時間的演變來看，由于中高緯天氣尺度正渦度的不斷南傳，阻礙了副高的北上，使雨帶長時間維持在江淮地區(qū)。與氣候態(tài)相比，2020年夏季天氣尺度擾動在中高緯巴爾喀什湖附近偏強，低緯西太平洋處偏弱。

2）RegCM4.6區(qū)域氣候模式能夠模擬出2020年梅雨期降水的主要中心和雨帶的位置演變，但強度上較觀測稍弱。在梅雨期平均降水的變化中，當減弱北邊界或只減弱西北側(cè)邊界中高緯天氣尺度擾動的輸入，對應(yīng)中高緯天氣尺度擾動強度大幅度降低，大氣平均環(huán)流動能向天氣尺度擾動動能轉(zhuǎn)換的位置北移，影響副高北側(cè)緯向西風帶北移，使得降水中心從長江中下游地區(qū)北移到淮河流域。而減弱低緯天氣尺度擾動的輸入，低緯的平均偏南風減弱，長江流域降水略有增多，但并不明顯。中高緯度天氣尺度擾動偏強，阻礙了平均氣流的北移，使得緯向西風帶停留在江淮流域上空，造成2020年梅雨強度偏強。

3）在降水的演變中，北邊界，尤其是西北側(cè)邊界中高緯天氣尺度擾動減弱后，減弱了850 hPa上E矢量輻散散度的南傳，緯向風能夠向北發(fā)展，緯向風產(chǎn)生的渦度變化有利于副熱帶高壓的北抬，使得雨帶可以較早北抬到34°N以北，有助于江淮地區(qū)更早的出梅。而低緯天氣尺度擾動減弱后，雨帶演變基本沒有變化。

由此可見，梅雨期降水與我國西北到巴爾喀什湖地區(qū)的天氣尺度擾動密切相關(guān)。中高緯西北側(cè)的天氣尺度擾動不僅可以影響降水分布的位置，也可以影響雨帶北跳時間。本文僅探討了2020年梅雨期降水，對于不同年份中高緯天氣尺度擾動的影響差異還有待于進一步分析。

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Based on the observations and the regional climate model （RegCM4.6），this paper analyzes the possible effects of synoptic scale disturbances at mid-high latitudes and low latitude on the precipitation of Meiyu period in 2020.The observation analysis shows that in June and July of 2020，the precipitation in the middle and lower reaches of the Yangtze River shows a synoptic scale disturbance of less than 10 d in the period，and there are many times of synoptic scale disturbances in middle and high latitudes （low latitude） propagating southward （northward）.On this basis，the side boundary sensitivity experiments are designed to change the input of synoptic scale disturbances （<10 d） at different latitudes.Numerical simulation results show that from the perspective of average circulation，when the synoptic scale disturbances on the northwest boundary of middle and high latitudes weaken，the conversion position from the kinetic energy of atmospheric average circulation to the kinetic energy of synoptic scale disturbance moves northward，which affects the northward movement of the westerly belt on the north side of the subtropical high，and makes the precipitation center move northward from the middle and lower reaches of the Yangtze River to the Huaihe River Basin during the Meiyu period.From the perspective of time evolution，when the synoptic scale disturbances on the northwest boundary of middle and high latitudes is removed，the southward propagation of E vector divergence at 850 hPa weakens，and the low latitude zonal wind anomaly can propagate to the north.The vorticity change caused by zonal wind anomaly is beneficial to the northward uplift of subtropical high，which makes the rain belt move northward to the north of 34°N earlier，marking the end of Meiyu season in Jianghuai region.However，when the synoptic scale disturbances on the south boundary of low latitude weaken，the precipitation increases lightly，but there is little influence on the advance and retreat of rain belt during the Meiyu period.It can be seen that the intensity of precipitation and the maintenance of rain belt during the Meiyu period in the summer of 2020 are closely related to the synoptic scale disturbance anomalies in the middle and high latitudes.The strong synoptic scale disturbances in northern China，especially from Northwest China to Lake Balkhash，and its southward propagation are the important reasons for the strong intensity of the Meiyu precipitation and the maintenance of the rain belt.

synoptic scale disturbance;Meiyu precipitation;regional climate model;rain belt propagation

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20201122001

（責任編輯：張福穎）