盧楚翰 王思濤 葉佳馨 楊敏 李芹芹 何文悅 周潔雯

摘要 基于1979—2013年ERA-Interim逐日6 h的850 hPa位勢高度場資料，利用氣旋最外圍閉合等值線自動識別方法提取了春季影響江淮地區(qū)的二維氣旋集，研究了次天氣尺度氣旋活動年際異常與江淮地區(qū)降水異常的聯(lián)系。結(jié)果表明：次天氣尺度氣旋活動對江淮大部分地區(qū)春季降水作用明顯，貢獻(xiàn)率達(dá)25%以上，次天氣氣旋活動出現(xiàn)對應(yīng)顯著的區(qū)域?qū)α鲗拥蛯託庑綔u旋和輻合運(yùn)動，為局地降水增強(qiáng)提供了有利的動力條件。次天氣尺度氣旋強(qiáng)度的年際變化與春季江淮地區(qū)東南部降水異常及強(qiáng)降水頻次存在顯著正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)江淮地區(qū)次天氣尺度氣旋增強(qiáng)時，青藏高原至中國長江中下游地區(qū)出現(xiàn)異常的倒槽型環(huán)流，有利于江淮地區(qū)形成氣旋式環(huán)流異常;同時，隨著南方地區(qū)西南暖濕氣流增強(qiáng)，對流層下部大氣斜壓性增強(qiáng)，促進(jìn)了江淮地區(qū)次天氣尺度氣旋活動增強(qiáng)。春季青藏高原地區(qū)氣柱異常加熱，引起對流層低層位勢高度降低，促進(jìn)了南方地區(qū)西南風(fēng)加強(qiáng)，導(dǎo)致江淮地區(qū)次天氣尺度氣旋活動增強(qiáng)。

關(guān)鍵詞 次天氣尺度氣旋;自動識別;降水異常;江淮地區(qū)

江淮流域人口密集、工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，但受東亞季風(fēng)系統(tǒng)、ENSO等多尺度大氣環(huán)流以及外強(qiáng)迫信號影響，區(qū)域天氣、氣候變化復(fù)雜（王志毅等，2017;李麗平等，2019;王黎娟等，2020）。眾多研究表明，氣旋系統(tǒng)的生消、移動與極端天氣氣候事件的發(fā)生相聯(lián)系（陶詩言，1980）。特別地，由于受到春季江淮氣旋等天氣系統(tǒng)的頻繁影響，該地區(qū)極端強(qiáng)降水、持續(xù)性連陰雨以及沿海大風(fēng)等災(zāi)害性天氣氣候事件時有發(fā)生。

隨著全球再分析資料的豐富以及計算機(jī)技術(shù)的提升，當(dāng)前主要通過自動識別方法研究溫帶氣旋的長期活動以及其影響（姚素香等，2003;Zhang et al.，2012;秦育婧和盧楚翰，2017;王黎娟等，2019）。以往自動氣旋識別算法主要基于個體的最低（中心）點，例如，Neu et al.（2013）比較了15種流行的氣旋自動算法，有61%的算法使用了最低中心點算法。但由于許多溫帶氣旋具有復(fù)雜的外形結(jié)構(gòu)，存在多中心氣旋的合并以及分裂等復(fù)雜情況，使得中心點算法對于短生命周期或者尺度較小的氣旋捕捉相對困難，存在一定的不確定性。因此，以往研究主要集中在天氣尺度的氣旋活動，而對生命周期較短以及影響范圍較小的氣旋系統(tǒng)長期活動的研究較少。研究表明，短生命周期/次天氣尺度氣旋活動同樣不能忽視，在部分區(qū)域相當(dāng)活躍。Hewson（2009）指出在北大西洋的氣旋活動中，短生命周期氣旋占29%。盡管生命周期較短，但中尺度、次天氣尺度氣旋活動同樣能引起強(qiáng)烈的天氣。Irving et al.（2010）針對影響半徑在500 km以下的南半球熱帶外中尺度氣旋的長期活動進(jìn)行了自動識別和系統(tǒng)分析，并指出它們的活動與局地的極大風(fēng)速事件有著較好的聯(lián)系。

我國南方氣旋以江淮氣旋、西南低渦為主要代表，其水平尺度通常交斜壓性較強(qiáng)的中緯度氣旋小，中小尺度的氣旋發(fā)生頻繁（王黎娟等，2019）。研究表明，中尺度渦旋系統(tǒng)是暴雨的直接產(chǎn)生系統(tǒng)（陳忠明，1991;劉敦訓(xùn)和郝家學(xué)，2000）。而梁軍等（2012）的研究則指出了次天氣尺度氣旋系統(tǒng)對風(fēng)力的重要影響。由于此類氣旋尺度較小，其影響范圍較為局地，但一般移速較快（陶詩言等，1980）。西南低渦在有利條件下可一路東移影響江淮地區(qū)。Fu et al.（2015）利用模式研究大別山低渦活動發(fā)現(xiàn)，渦旋的幾何特征和渦旋演變、對流過程、降水及環(huán)流場有關(guān)，當(dāng)渦旋傾向于東西向時更容易產(chǎn)生強(qiáng)對流過程和降水。

Qin et al.（2017）利用改進(jìn)的氣旋區(qū)識別算法，將春季影響江淮地區(qū)的氣旋按照水平尺度進(jìn)行分類，發(fā)現(xiàn)次天氣尺度氣旋出現(xiàn)頻率達(dá)68.6%，是春季影響江淮氣旋最為頻繁的一類，且它們的活動強(qiáng)度與江淮地區(qū)同期降水存在顯著正相關(guān)關(guān)系。盧楚翰等（2019）則指出，天氣尺度氣旋同樣對春季江淮區(qū)域同期降水存在顯著影響，并指出江淮地區(qū)對流層低層橫槽型異常環(huán)流配置有利于該地區(qū)天氣尺度氣旋的活動增強(qiáng)以及降水增多。鑒于以往對于次天氣尺度氣旋的長期活動及其氣候效應(yīng)的研究較少，且其在春季江淮地區(qū)活動頻繁，影響江淮地區(qū)次天氣尺度氣旋活動的環(huán)流配置和影響因子并對江淮區(qū)域降水異常聯(lián)系密切，值得深入研究。因此，本文擬從氣候?qū)W角度分析近三十多年來次天氣尺度氣旋活動的變化特征以及影響其活動變化的環(huán)流異常配置，并探討氣旋活動與江淮地區(qū)同期降水的聯(lián)系以及聯(lián)系途徑。

1 資料與方法

1.1 資料

1）利用1979—2013年春季（3、4、5月）歐洲中期天氣預(yù)報中心ERA-Interim再分析資料，在捕捉氣旋時使用了水平分辨率接近0.7°×0.7°（T255高斯格點）的逐日4次的850 hPa位勢高度場（Z850）。此外，月平均高空風(fēng)場、位勢高度、溫度、比濕、散度及云量等要素水平分辨率取0.75°×0.75°（Berrisford et al.，2009）。

2）降水資料取自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn/data/detail/dataCode/SURF_CLI _CHN _MUL _DAY_V3.0.html）提供的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0），共824個基準(zhǔn)、基本氣象站，所選時段與1）相同。該資料經(jīng)過質(zhì)量控制，數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整性相對于以往發(fā)布的地面同類數(shù)據(jù)產(chǎn)品明顯提高。

1.2 方法

采用Lu（2017）基于最外圍閉合等值線的氣旋區(qū)識別方法，以逐日4次的Z850為識別要素，首先將局地位勢高度低點定為氣旋中心點，按4 gpm等值線間隔搜索其外圍閉合等值線，將有閉合等值線的中心判定為閉合氣旋，并以最后外圍一圈閉合等值線內(nèi)區(qū)域作為氣旋區(qū)，記錄氣旋區(qū)范圍內(nèi)的相關(guān)要素信息，實現(xiàn)了東亞區(qū)域春季氣旋的二維識別。通過相鄰時次的臨近中心或氣旋區(qū)是否重合，對氣旋路徑進(jìn)行追蹤。

選取110°～122.5°E、28°～34°N范圍為江淮區(qū)域，當(dāng)氣旋區(qū)落入該區(qū)域則將其記錄為影響江淮地區(qū)的氣旋。在1979—2013年春季總的12 880個時次中，按時次計算，從識別的東亞區(qū)域氣旋中總共獲取了5 223個影響江淮區(qū)域的溫帶氣旋個體。另外根據(jù)氣旋區(qū)覆蓋的球面面積，計算等面積圓，將圓的直徑d作為該氣旋的相當(dāng)直徑，并根據(jù)直徑d劃分直徑大于1 000 km的氣旋為天氣尺度氣旋，直徑介于300～1 000 km的為次天氣尺度氣旋。圖1給出了1981年3月20日12時和1981年4月18日06時（世界時，下同）的影響江淮地區(qū)氣旋個例，可以看出該方法能夠較準(zhǔn)確地描述氣旋外形以及影響范圍，從而可根據(jù)氣旋區(qū)的影響水平范圍進(jìn)一步劃分不同尺度氣旋。在35 a春季影響江淮地區(qū)的882條溫帶氣旋路徑統(tǒng)計信息中，次天氣尺度氣旋數(shù)目最多，占比達(dá)到60%以上，生命周期主要在48 h以內(nèi);天氣尺度氣旋數(shù)目次之，所占比例在35%左右，生命周期均在12 h以上。另外，直徑在300 km以下的中尺度氣旋為5%，文中使用約0.7°水平分辨率資料對中小尺度氣旋識別度不夠，是其頻次較小的原因之一。上述統(tǒng)計結(jié)果與Qin et al.（2017）研究結(jié)果一致，表明除了以往關(guān)注的天氣尺度氣旋外，次天氣尺度氣旋對江淮地區(qū)區(qū)域天氣氣候的影響也不容忽視。

2 江淮次天氣尺度氣旋活動對降水異常的影響

為直觀顯示江淮區(qū)域次天氣尺度氣旋活動對降水的影響，首先給出了江淮地區(qū)出現(xiàn)次天氣尺度影響氣旋時伴隨的降水量與春季總降水量的比率（圖2）?？梢钥闯觯翁鞖獬叨葰庑顒訉创蟛糠值貐^(qū)的降水貢獻(xiàn)率達(dá)25%，貢獻(xiàn)率自西向東逐漸增大。其中，江淮東北部最大，貢獻(xiàn)率達(dá)40%。由此表明，次天氣尺度氣旋是春季影響江淮區(qū)域降水的主要影響系統(tǒng)之一。通過出現(xiàn)次天氣尺度影響氣旋時次和未出現(xiàn)次天氣尺度影響氣旋時次的850 hPa相對渦度和散度的合成差值場（圖3a、3b），可看出次天氣氣旋活動出現(xiàn)時對應(yīng)顯著的江淮區(qū)域?qū)α鲗拥蛯託庑綔u旋運(yùn)動，同時引起江淮地區(qū)東南部以及東海區(qū)域顯著的輻合運(yùn)動，這為江淮區(qū)域降水增強(qiáng)提供了有利的動力條件。

為分析次天氣尺度氣旋活動的年際變化，利用公式（2）構(gòu)造了近35 a的I1指數(shù)（圖4），可以看出其具有明顯的年際振蕩特征。進(jìn)一步利用I1指數(shù)，對824站春季月平均降水及強(qiáng)降水頻次進(jìn)行相關(guān)分析和合成分析，研究了春季影響江淮的次天氣尺度氣旋活動與我國同期降水的聯(lián)系。合成分析時，I1指數(shù)>0.75（<-0.75）定義為異常強(qiáng)（弱）年，得出8個高值異常年，分別為：1983、1989、1991、1992、1994、1999、2004、2006年;8個低值異常年，分別為：1979、1986、1997、2003、2005、2007、2011、2013年。

從圖5a可以看到，江淮地區(qū)東南部的春季月平均降水與I1指數(shù)存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.33以上（通過95%置信度的t檢驗）。從I1指數(shù)強(qiáng)弱年對降水的合成差值看，平均春季降水差異達(dá)到24 mm以上。同時，I1和整個江淮地區(qū)的區(qū)域月平均降水也存在顯著的正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為0.43（通過99%置信度的t檢驗）。上述分析表明次天氣尺度氣旋活動增強(qiáng)對江淮地區(qū)的降水存在明顯的促進(jìn)作用，但其影響范圍主要集中在江淮地區(qū)東南部。此外，江淮地區(qū)南部春季強(qiáng)降水（大于25 mm/d）事件的頻次與I1指數(shù)也呈顯著的正相關(guān)（圖5b）。合成場上，強(qiáng)降水頻次偏多地區(qū)與顯著正相關(guān)區(qū)域一致，同樣主要集中在江淮長江以南地區(qū)，說明次天氣尺度氣旋有利于江淮南部地區(qū)春季強(qiáng)降水事件發(fā)生。區(qū)域性強(qiáng)降水（超過30%的站點降水超25 mm/d）的頻數(shù)與I1的相關(guān)系數(shù)為0.40，也說明了次天氣尺度頻率增多可能增大春季江淮地區(qū)發(fā)生區(qū)域性強(qiáng)降水出現(xiàn)概率。

3 江淮次天氣尺度氣旋的環(huán)流配置

為進(jìn)一步分析影響江淮的次天氣尺度氣旋發(fā)生發(fā)展的背景，給出了與I1指數(shù)相聯(lián)系的異常環(huán)流結(jié)構(gòu)。圖6為850 hPa、500 hPa位勢高度及水平風(fēng)場對I1的回歸系數(shù)。結(jié)果顯示，在500 hPa位勢高度場上，貝加爾湖地區(qū)負(fù)值異常數(shù)值以及顯著范圍明顯增大，日本以東的西北太平洋上同樣位勢高度異常正值帶，青藏高原地區(qū)的負(fù)位勢高度異常中心在對流層中高層則沒有反映。與江淮地區(qū)次天氣尺度氣旋增強(qiáng)相聯(lián)系的850 hPa位勢高度異常在東亞地區(qū)呈現(xiàn)兩低一高分布。其中東亞地區(qū)大路上存在兩個負(fù)中心，分別位于青藏高原、貝加爾湖及其西南部鄰近區(qū)域，且青藏高原的負(fù)值中心較強(qiáng)，且負(fù)值帶延伸至我國長江中下游地區(qū)形成倒槽型環(huán)流異常;日本以東的西北太平洋上則出現(xiàn)顯著的高值帶。該環(huán)流異常形勢有利于江淮地區(qū)形成氣旋式環(huán)流異常以及增強(qiáng)中國南部的西南氣流。

進(jìn)一步分析次天氣尺度氣旋活動與春季準(zhǔn)定常大氣環(huán)流異常的聯(lián)系，分別計算了由500 hPa渦度平流包括異常風(fēng)渦度平流-u′x-v′y以及定常風(fēng)異常渦度平流-ζ′x-ζ′y兩個分量以及對流層低層（925～700 hPa）的溫度平流對I1高低年的合成差值（圖8）。圖上顯示，500 hPa上江淮地區(qū)東南部為正異常渦度平流，江淮西北區(qū)域則為負(fù)異常渦度平流（圖7a），與江淮地區(qū)850 hPa渦度合成分布情況較為一致。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，定常風(fēng)異常渦度平流引起的渦度平流異常與圖8a比較一致，但異常風(fēng)渦度平流則反之（圖略），這說明高空異常風(fēng)對江淮地區(qū)局地次天氣尺度氣旋活動增強(qiáng)作用并不明顯。另一方面，我國南部沿海的低層出現(xiàn)較強(qiáng)的暖平流異常，暖平流一致延伸值至江淮地區(qū)東南部（圖7b）。由ω方程可知，江淮地區(qū)東南部高空正渦度平流和低層暖平流有利于形成垂直上升運(yùn)動以及加強(qiáng)局地氣旋。

此外，計算了850 hPa最大Eady增長率（σBI）與I1指數(shù)進(jìn)行合成，以分析低層大氣斜壓性與江淮氣旋活動的聯(lián)系。圖8a顯示江淮地區(qū)北部及其以北的華北地區(qū)σBI主要為負(fù)值，而江淮地區(qū)南部及其以南的華南地區(qū)σBI則主要為正值，說明中國南方地區(qū)局地斜壓性增強(qiáng)有利于江淮地區(qū)次天氣尺度低渦活動加強(qiáng)。由圖8b可知，與I1指數(shù)增強(qiáng)對應(yīng)，對流層中低層的大氣斜壓垂直風(fēng)切變在中國南方地區(qū)出現(xiàn)明顯的正值帶，這與σBI分布一致，這說明垂直風(fēng)切變是引起江淮東南部大氣斜壓性變化以及次天氣尺度氣旋活動增強(qiáng)的主導(dǎo)因子。反之，江淮北部至華北地區(qū)的大氣斜壓性有明顯下降，并且與低層風(fēng)速垂直切邊減小相對應(yīng)。結(jié)合前文對應(yīng)異常風(fēng)場的分析，由于次天氣尺度氣旋活動強(qiáng)年中國南方沿海及江淮東南部的低層西南風(fēng)加強(qiáng)，導(dǎo)致以上地區(qū)大氣斜壓性以及次天氣尺度氣旋活動增強(qiáng)。

4 青藏高原熱力作用

由于青藏高原的動力和熱力強(qiáng)迫作用對東亞季風(fēng)區(qū)氣候異常產(chǎn)生重要影響（葉篤正和高由禧，1979;吳國雄等，1997），由圖6可知，當(dāng)春季江淮地區(qū)氣旋活動增強(qiáng)時，青藏高原至我國長江流域出現(xiàn)顯著的負(fù)異常高度區(qū)，為探討氣旋活動與青藏高原熱力強(qiáng)迫的聯(lián)系。進(jìn)一步根據(jù)倒算法，計算了大氣視熱源Q1對I1的回歸系數(shù)（圖9a），發(fā)現(xiàn)對于整層大氣而言，青藏高原地區(qū)出現(xiàn)異常加熱分布，相應(yīng)地該區(qū)域以及其以南至孟加拉灣北部對流層中低層（700—500 hPa）平均氣溫也出現(xiàn)了明顯的正異常大值區(qū)（圖9b），表明該區(qū)域大氣柱受到異常加熱作用。由于氣柱異常加熱使得近地面減壓以及對流層低層位勢高度降低，這可能使得由青藏高原地區(qū)以及下游區(qū)域東移的次天氣尺度生成以及加強(qiáng)。此外，高原至長江流域的異常低壓帶也有利于中國南方地區(qū)西南風(fēng)加強(qiáng)，增加這些區(qū)域低層的大氣斜壓性，促進(jìn)次天氣尺度氣旋活動增強(qiáng)。因此，春季青藏高原地區(qū)的大氣異常加熱可能是引起我國江淮地區(qū)次天氣尺度氣旋活動增加，其中高原區(qū)域雪蓋變化伴隨的非絕熱加熱對氣柱加熱異常以及影響其下游長江流域區(qū)域的可能起關(guān)鍵作用（Wu and Kirtman，2007）。

5 結(jié)論

利用氣旋自動識別和追蹤算法，提取了春季影響江淮地區(qū)的次天氣氣旋活動信息，研究了氣旋年際活動異常與站點降水異常的關(guān)系。得到以下主要結(jié)論：

1）次天氣尺度氣旋活動對江淮大部分地區(qū)春季降水作用明顯，貢獻(xiàn)率達(dá)25%以上，次天氣氣旋活動出現(xiàn)對應(yīng)顯著的區(qū)域?qū)α鲗拥蛯託庑綔u旋和輻合運(yùn)動，為局地降水增強(qiáng)提供了有利的動力條件。

2）青藏高原至我國長江中下游地區(qū)出現(xiàn)異常的倒槽型環(huán)流，有利于江淮地區(qū)形成氣旋式環(huán)流異常。同時，伴隨著中國南部的西南暖濕氣流增強(qiáng)，有利于我國南方地區(qū)低空的大氣斜壓性增強(qiáng)，促進(jìn)了江淮地區(qū)次天氣尺度氣旋活動增強(qiáng)，以及局地的輻合抬升，從而加強(qiáng)了春季江淮尤其是其東南部異常降水的增多。

3）青藏高原地區(qū)大氣熱力狀況與青藏高原至我國長江中下游地區(qū)異常倒槽型環(huán)流出現(xiàn)存在密切聯(lián)系，當(dāng)高原地區(qū)氣柱異常加熱，引起使得對流層低層位勢高度降低，可能使得由青藏高原地區(qū)以及下游區(qū)域東移的次天氣尺度生成以及加強(qiáng)，同時促進(jìn)中國南方地區(qū)西南風(fēng)加強(qiáng)，有利于次天氣尺度氣旋活動增強(qiáng)。

致謝：感謝歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）和中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的高分辨率資料數(shù)據(jù)集。感謝審稿專家和編輯對本文的改進(jìn)提出的寶貴意見。

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Based on the daily 6 h 850 hPa geopotential height field data from ERA-Interim reanalysis data during 1979—2013，the two-dimensional cyclones affecting the Yangtze-Huaihe River valley （YHV） in spring are extracted by using the automatic identification method of outermost closed contour of cyclones.The relationship between interannual anomaly of subsynoptic-scale cyclone activity and precipitation anomaly in YHV is studied.Results show that the subsynoptic-scale cyclone activity has an obvious effect on spring precipitation in most areas of YHV，with a contribution rate of more than 25%.The subsynoptic-scale cyclone activity has corresponding significant regional cyclonic vortex and convergence motion in the lower troposphere，which provides favorable dynamic conditions for the local precipitation enhancement.The interannual variation of subsynoptic-scale cyclone intensity has a significant positive correlation with the precipitation anomaly and the occurrence frequency of heavy precipitation in the southeast of YHV in spring.When the subsynoptic-scale cyclone intensifies in YHR，an anomalous inverted trough circulation appears from the Qinghai-Tibet Plateau to the lower-middle reaches of the Yangtze River in China，which is conducive to the formation of cyclonic circulation anomaly in YHV.Simultaneously，the atmospheric baroclinicity increases in the lower troposphere when the southwest warm and moist air flow in southern China strengthens，which promotes the enhancement of subsynoptic-scale cyclone in YHV.The anomalous heating of air column over the Qinghai-Tibet Plateau in spring，which leads to the decrease of potential height in the lower troposphere and the strengthening of southwest flow in southern China，may be the main reason for the enhancement of subsynoptic-scale cyclone activity in YHV.

subsynoptic-scale cyclone;automatic identification;precipitation anomaly;Yangtze-Huaihe River valley

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20200407001

（責(zé)任編輯：袁東敏）