孫其明 胡石建 趙義軍

2021年夏季河南極端降雨水汽來(lái)源分析與西太平洋副熱帶高壓的可能作用*

孫其明1, 2, 3胡石建2, 3, 4①趙義軍1

(1. 山東科技大學(xué) 山東青島 266590; 2. 中國(guó)科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 山東青島 266071; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 4. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266237)

為研究西太平洋海域在河南“7·20”極端降雨事件中的作用, 利用海表面溫度、海平面氣壓、位勢(shì)高度和風(fēng)場(chǎng)等再分析數(shù)據(jù)與降水觀測(cè)數(shù)據(jù), 分析了2021年夏季河南極端降雨事件的水汽輸送來(lái)源及其與西太平洋副熱帶高壓多尺度變化特征的關(guān)系。數(shù)據(jù)顯示, 2021年夏季河南極端降雨期間, 西太平洋副熱帶高壓偏強(qiáng)偏北, 河南地區(qū)以東至西北太平洋中低空出現(xiàn)顯著的東風(fēng)異常和西向水汽輸運(yùn)。結(jié)果表明, 2021年夏季河南暴雨區(qū)中高空相對(duì)渦度、位勢(shì)高度和垂直上升運(yùn)動(dòng)存在顯著異常, 從西北太平洋海域通過(guò)中低空異常東風(fēng)輸送的水汽是主要來(lái)源。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解結(jié)果顯示, 副熱帶高壓強(qiáng)度指數(shù)的第二模態(tài)(intrinsic mode functions of west Pacific subtropical high, IMFWPSH)與河南地區(qū)降雨第二模態(tài)存在統(tǒng)計(jì)顯著關(guān)系并在此次極端降雨事件中扮演重要角色。診斷分析發(fā)現(xiàn), 在IMFWPSH正位相期間, 副熱帶西太平洋存在異常增強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)并在中低空產(chǎn)生異常東風(fēng), 河南地區(qū)上升氣流異常增強(qiáng), 因此, IMFWPSH可為河南地區(qū)降雨提供重要條件。

河南; 極端降雨; 西太平洋副熱帶高壓; 臺(tái)風(fēng)

極端降雨事件對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)和生活具有極其重要的影響, 其形成過(guò)程和機(jī)制是一個(gè)被廣泛關(guān)注的研究熱點(diǎn)。在全球變暖的大背景下, 極端降雨等極端天氣事件的發(fā)生更加頻繁、影響更加顯著(Zhai, 2005; IPCC, 2019), 對(duì)極端降雨過(guò)程和物理機(jī)制的研究具有重要意義。

我國(guó)極端降雨事件的發(fā)生受印太海溫變化、熱帶氣旋、副熱帶高壓移動(dòng)和局地陸面過(guò)程等多種復(fù)雜因素的影響。研究表明, 北印度洋和赤道中東太平洋海溫異常對(duì)我國(guó)極端降雨事件的發(fā)生頻次有影響, 當(dāng)前者冬季海溫異常偏暖時(shí), 我國(guó)華南地區(qū)夏季極端降雨次數(shù)會(huì)偏少, 而在長(zhǎng)江流域及其以北地區(qū)極端降雨次數(shù)會(huì)偏多(Yang, 2009; 范蘇丹, 2010)。北半球冬季印度洋海溫由于自身長(zhǎng)期記憶, 會(huì)向太平洋激發(fā)出斜壓開(kāi)爾文波, 同時(shí)在南海局部海氣相互作用下向西太平洋發(fā)展, 從而對(duì)東亞大氣環(huán)流和降雨產(chǎn)生影響(He, 2015)。Studholme等(2022)指出, 由于氣候變化的影響, 颶風(fēng)和臺(tái)風(fēng)正在不斷擴(kuò)大其緯度活動(dòng)范圍, 對(duì)我國(guó)降雨將產(chǎn)生重要影響。中國(guó)東部夏季降雨異常與大尺度海溫和環(huán)流異常有關(guān)(Dong, 2016), 中緯度中太平洋夏季海溫異?？梢鹬袊?guó)東部地區(qū)同期降雨異常(Yu, 2007), 熱帶印度洋和太平洋海溫與副高存在相關(guān)關(guān)系, 熱帶印太海溫異常會(huì)通過(guò)調(diào)節(jié)副高的位置、面積和強(qiáng)度變動(dòng)、進(jìn)而影響中國(guó)中東部地區(qū)降雨的變化(Cai, 2010; 錢(qián)代麗, 2019; Chen, 2020)。黃櫻等(2011)利用小波分析方法, 指出除了海溫外, 南亞高壓的位置變化也會(huì)對(duì)淮河流域極端降雨產(chǎn)生重要影響。Chen等(2014a, 2014b)分析指出中國(guó)中東部持續(xù)性極端降雨事件具有雙阻塞高壓型和單阻塞高壓型兩種特征環(huán)流類型, 但在對(duì)流層上部, 南亞高壓東伸能夠促進(jìn)這兩種環(huán)流模式輻散。此外, 地形也會(huì)為極端降雨的發(fā)生起到“催化劑”的作用(Flesch, 2012; Ntwali, 2016), 比如華北中部夏季強(qiáng)降雨存在兩種類型——持續(xù)山地降雨和山地平原降雨(Sun, 2018), 太行山和伏牛山系的嵩山形成的喇叭口地形被認(rèn)為是河南“7·20”極端降雨事件產(chǎn)生的一個(gè)重要因素(冉令坤等, 2021; 張霞等, 2021; 梁旭東等, 2022)。

近年來(lái), 我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)和華北中原地區(qū)的夏季降雨異常偏高(柯丹等, 2014; Luo, 2016; Bai, 2021; Yu, 2021), 極端降雨發(fā)生的概率增加(Wei, 2010)。2020年6～7月, 長(zhǎng)江中下游流域發(fā)生超強(qiáng)梅雨(劉蕓蕓等, 2020; 郭媛媛等, 2021), 產(chǎn)生的嚴(yán)重的洪澇導(dǎo)致150億美元以上的經(jīng)濟(jì)損失和279人死亡(翟建青等, 2021)。研究表明, 2020年超強(qiáng)梅雨的主要原因是熱帶印度洋海溫異常增暖導(dǎo)致西太平洋反氣旋加強(qiáng), 西太平洋副熱帶高壓偏強(qiáng)、西伸、脊線偏北, 南亞高壓偏強(qiáng)東伸, 異常反氣旋西北側(cè)引起西南風(fēng)異常將南海和孟加拉灣大量的水汽輸送到長(zhǎng)江中下游地區(qū)(Fang, 2021; 郭媛媛等, 2021; Cai, 2022), 印度洋海溫異常變暖與長(zhǎng)江中下游地區(qū)極端降雨密切相關(guān)(Tang, 2021), 梅雨期降雨具有非常顯著的年際變化(Xia, 2021)。Zheng等(2021)還指出, 2020年的極端梅雨事件與印度洋、太平洋和大西洋三大洋都有關(guān)系, 但大西洋的海溫異常起到主要作用。持續(xù)極端降雨和短時(shí)極端降雨期間, 水汽散度的變化與季節(jié)內(nèi)變化和天氣風(fēng)場(chǎng)異常有關(guān), 濕度場(chǎng)變化作用較小(Li, 2015)。

河南省位于中國(guó)的中部、華北平原的黃河中下游地區(qū)。歷史上, 1975年8月河南就發(fā)生過(guò)特大暴雨事件(簡(jiǎn)稱“75·8”大暴雨事件)。丁一匯(2015)總結(jié)了河南“75·8”大暴雨事件的發(fā)生機(jī)制, 指出源自東海和黃海且挾帶大量水汽的熱低壓系統(tǒng)與南下的強(qiáng)冷空氣相遇, 輻合作用劇烈、垂直上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng), 且受“喇叭口”地形的抬升作用, 導(dǎo)致在駐馬店一帶引發(fā)歷史罕見(jiàn)的強(qiáng)對(duì)流性暴雨(丁一匯等, 1978)。2016年7月河南豫北連續(xù)發(fā)生“7·09”和“7·19”兩次特大暴雨事件, 水汽均主要來(lái)自熱帶和副熱帶的暖濕氣流, “7·09”事件的整層可降水量更具有極端性, “7·19”事件垂向速度異常更顯著(王君, 2019), 栗晗等(2018)指出豫北“7·19”暴雨事件在太行山地形和低渦氣旋大尺度環(huán)流背景下, 中尺度地面輻合線的發(fā)展和維持是造成局部極端降雨的主要原因。

2021年7月20日至21日, 河南極端降雨事件再次發(fā)生。此次事件的災(zāi)害中心是鄭州, 具有持久性、累積性、范圍廣和極端性等特點(diǎn)(蘇愛(ài)芳等, 2021), 7月20日每小時(shí)最大降水量達(dá)到201.9 mm, 鄭州國(guó)家站日累計(jì)降水量高達(dá)624.1 mm (陳剛等, 2022; 梁旭東等, 2022; 齊道日娜等, 2022; 楊浩等, 2022)。據(jù)新華社(2022)報(bào)道, 此次河南省極端降雨共造成1 478.6萬(wàn)人受災(zāi), 398人死亡失蹤, 造成直接經(jīng)濟(jì)損失1 200.6億元(http://www.gov.cn/xinwen/2022-01/21/ content_5669723.htm)。

河南“7·20”極端降雨事件受南亞高壓東擴(kuò)、大陸高壓、副高西伸北抬偏強(qiáng)和黃淮地區(qū)低渦或切變線以及臺(tái)風(fēng)“煙花”和“查帕卡”遠(yuǎn)距離水汽輸送等多尺度天氣系統(tǒng)共同影響(冉令坤等, 2021; 張霞等, 2021; 王軍等, 2022; 祝傳棟等, 2022)。西南季風(fēng)將南海的水汽輸送至西北太平洋, 通過(guò)臺(tái)風(fēng)“煙花”作用向北輸送,西北太平洋的水汽在臺(tái)風(fēng)“煙花”北部的異常偏東氣流和維持在日本上空副高的異常東南氣流共同作用下, 持續(xù)不斷地向河南地區(qū)輸送水汽(梁旭東等, 2022)。研究表明從華南到河南存在一個(gè)“西南-東北”水汽輸送帶(孫躍等, 2021), 布和朝魯?shù)?2022)通過(guò)水汽通量分析和LAGRANTO (Lagrangian Analysis Tool)模式軌跡分析發(fā)現(xiàn)在“7·20”極端降雨事件期間河南南側(cè)的經(jīng)向水汽輸送急劇增強(qiáng), 但Nie等(2022)運(yùn)用拉格朗日方法指出此次極端降雨事件中水汽主要來(lái)源是中國(guó)南方和西北太平洋地區(qū), 其貢獻(xiàn)率分別為38.1%和30.0%, 而南海貢獻(xiàn)率僅為4.2%, 而且西北太平洋海域的水汽來(lái)源可以追溯到180°E。Cheng等(2022)使用全球大氣環(huán)流的水分收支方程和三模式分解方法, 發(fā)現(xiàn)與經(jīng)向環(huán)流相比, 緯向環(huán)流在該異常降水事件中占主導(dǎo)作用。

綜上可知, 2021年河南“7·20”極端降雨事件的成因與歷史上發(fā)生的極端事件似乎有所不同, 目前對(duì)“7·20”極端降雨事件水汽來(lái)源的結(jié)論尚有分歧。盡管前人研究已經(jīng)證明西太平洋副熱帶高壓對(duì)我國(guó)降雨具有重要影響, 但是副熱帶高壓與河南降雨之間是否以及存在何種聯(lián)系也不太清楚。因此, 本文在前人的大量深入研究基礎(chǔ)上, 分析2021年7月河南極端降雨的海洋大氣特征和水汽來(lái)源, 探索副熱帶高壓和河南降雨之間的關(guān)系和機(jī)制。第1節(jié)將介紹所用的數(shù)據(jù)和方法, 第2節(jié)將展示主要分析結(jié)果, 包括河南降雨的基本特征、“7.20”事件的水汽來(lái)源和西太平洋副熱帶高壓的作用等。第3節(jié)將簡(jiǎn)要總結(jié)結(jié)論并對(duì)本文存在的問(wèn)題進(jìn)行討論。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文使用的降雨數(shù)據(jù)包括: (1) 美國(guó)國(guó)家海洋大氣管理局氣候預(yù)測(cè)中心(National Oceanic and AtmosphericAdministration/Climate Prediction Center, NOAA/CPC)逐日降水資料, 分辨率為0.5°×0.5°; (2) 美國(guó)國(guó)家海洋大氣管理局 (Precipitation Reconstruction over Land, PREC/L)降水資料, 分辨率是1°×1°, 時(shí)間范圍為1979～2021年; (3) 中國(guó)2 479個(gè)臺(tái)站的逐日降水資料, 從中選取河南省121個(gè)臺(tái)站的逐日降水觀測(cè)資料, 時(shí)間范圍為1979～2019年(朱雪妍等, 2018)。

大氣場(chǎng)資料使用的是國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心(National Center for Environmental Prediction, NCEP)/國(guó)家大氣研究中心(National Center for Atmospheric Research, NCAR)再分析數(shù)據(jù)集Ⅰ, 包括海平面氣壓(sea level pressure, SLP)、位勢(shì)高度(geopotential height, GPH)、風(fēng)場(chǎng)、比濕和地表氣壓, 空間分辨率是2.5°×2.5°, 所選用的時(shí)間段都是1979～2021年。

海表面溫度(sea surface temperature, SST)數(shù)據(jù)使用的是美國(guó)國(guó)家海洋大氣局(NOAA)提供的逐月延長(zhǎng)重建海表面溫度(extended reconstructed sea surface temperature, ERSST) V5版本數(shù)據(jù), 分辨率是2°×2°, 時(shí)間段是1979～2021年。海表面蒸發(fā)數(shù)據(jù)采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)的ERA5 (ECMWF Reanalysis v5)數(shù)據(jù), 分辨率是0.25°×0.25°, 時(shí)間段為1979～2021年。

此外, 為了研究西太平洋副熱帶高壓的作用, 本文還采用了國(guó)家氣候中心發(fā)布的1979～2021年逐月西太副高指數(shù)(劉蕓蕓等, 2012)。

1.2 方法

利用風(fēng)場(chǎng)、比濕和地表氣壓數(shù)據(jù), 可計(jì)算整層水汽通量和整層水汽通量散度(Sun, 2011; Nie, 2022; 布和朝魯?shù)? 2022), 其中, 整層水汽通量H為

式中,指風(fēng)速矢量,指比濕,指氣壓,t指上邊界氣壓,s指地表氣壓,為重力加速度, 取9.8 m/s2, 單位為kg/(m?s)。

整層水汽通量可以寫(xiě)成緯向u和經(jīng)向v分量的形式:

式中,指緯向風(fēng),指經(jīng)向風(fēng)。

由于水汽通量和風(fēng)速都屬于向量, 且方向相同, 所以水汽通量散度可由水平散度得出:

垂直積分水平水汽通量散度可以表示:

為研究西太副高和河南降雨的變化特征, 我們對(duì)西太副高強(qiáng)度指數(shù)和河南降雨時(shí)間序列開(kāi)展了集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(ensemble empirical mode decomposition, EEMD) (Wu等,2009), 并對(duì)EEMD分解得到的本征模函數(shù)(intrinsic mode functions, IMF)進(jìn)行分析, 研究對(duì)河南降雨影響最主要的IMF模態(tài)。

2 結(jié)果

2.1 河南降雨的基本特征

圖1a和圖1b分別給出了2021年7月18～21日降水分布和2021年7月平均的降水異常(相對(duì)于1979～2020年氣候態(tài)平均), 結(jié)果可見(jiàn), 華北地區(qū)和華東部分地區(qū)在2021年7月具有很強(qiáng)的降水正異常, 其中7月18～21日的降雨主要集中在河南鄭州地區(qū)。

為便于分析, 本文將河南地區(qū)(110.5°～116.5°E, 31.5°～36.5°N)的平均降水定義為河南降水指數(shù)。如圖1c所示, 2021年7月河南降水指數(shù)是1979年以來(lái)的最高紀(jì)錄。去除長(zhǎng)期線性趨勢(shì)后, 2021年7月的河南降水指數(shù)仍是1979年以來(lái)的最高值(圖1d)。

根據(jù)圖1c和1d所示, 河南7月降水最強(qiáng)的三年分別是2007年、2020年和2021年。在1979～2019年期間氣候態(tài)的河南7月累積降雨量約為150 mm, 但這三年的7月累積降雨量均超過(guò)了250 mm, 在2021年達(dá)到了歷年最高的300 mm以上, 其中在7月20日之前的一周多時(shí)間內(nèi), 集中降雨量很大、短期內(nèi)超過(guò)了100多毫米(圖2)。

圖1 2021年7月河南降水異常

注: a: 基于CPC GLOBAL PRCP V1.0降水?dāng)?shù)據(jù)2021年7月18～21日河南的降水分布, 圖中紅色三角符號(hào)代表鄭州位置; b: 基于PREC/L數(shù)據(jù)計(jì)算的2021年7月河南降水異常, 圖中紅色方框表示河南區(qū)域(110.5°～116.5°E, 31.5°～36.5°N); c: 基于站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)和PREC/L數(shù)據(jù)計(jì)算的河南降水指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列(柱狀圖), 黑實(shí)線為降水指數(shù)時(shí)間序列的線性趨勢(shì); d: 去除線性趨勢(shì)后的河南降水指數(shù)的時(shí)間序列

圖2 7月1～31日河南逐日累加降水量

注: 基于CPC數(shù)據(jù)和河南省121個(gè)氣象站地面降水觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的7月1～31日累加降水量

2.2 河南“7·20”極端降雨的水汽來(lái)源

圖3展示了2021年7月以河南為中心的亞印太區(qū)域在不同高度的大氣環(huán)流異常和水汽輸運(yùn)異常。在500和850 hPa等壓面上, 副熱帶西北太平洋存在兩個(gè)異常反氣旋(圖3a、3b), 同時(shí)在我國(guó)臺(tái)灣以東海域存在一個(gè)大范圍的異常氣旋(圖3a、3b)。在這些氣旋和反氣旋的作用下, 在30°～40°N存在著顯著的東風(fēng)異常和西向水汽輸運(yùn)異常, 且延伸至河南地區(qū)(圖3d), 河南地區(qū)呈現(xiàn)上升氣流。結(jié)合前人研究表明, 在此期間副熱帶西北太平洋的異常反氣旋, 可能與副高偏強(qiáng)、偏北且維持在日本附近海域有關(guān)系(王旭棟, 2021),而我國(guó)臺(tái)灣以東海域的異常氣旋主要是由臺(tái)風(fēng)“煙花”引起的。在500 hPa等壓面上, 異常氣旋的緯向影響范圍相較于850 hPa等壓面更大、更強(qiáng)且向北擴(kuò)展(圖3a、3b)。

圖3f給出了500 hPa等壓面上氣候態(tài)和2021年7月的西太平洋副熱帶高壓范圍和脊線。通過(guò)和氣候態(tài)對(duì)比可知, 2021年7月西太副高比往年偏強(qiáng)、位置偏東, 脊線變化不大, 但西太副高的北邊界偏北, 其中2021年7月20～21日平均西太副高范圍偏強(qiáng)、偏北, 維持在30°N附近西太平洋海域(圖3f)。在200 hPa等壓面上, 河南地區(qū)上空為不太顯著的位勢(shì)高度負(fù)異常, 而且2021年7月南亞高壓范圍和脊線與氣候態(tài)進(jìn)行比較, 可以看出南亞高壓偏強(qiáng)東伸, 脊線在東海地區(qū)開(kāi)始偏南, 呈現(xiàn)出階段性演變特征, 其中2021年7月20～21日平均南亞高壓偏強(qiáng)東伸, 北邊界北移(圖3c)。同時(shí), 在500 hPa等壓面上, 臺(tái)風(fēng)“查帕卡”和“煙花”雙臺(tái)風(fēng)的影響下導(dǎo)致顯著的垂向速度負(fù)異常, 而在日本西部和南部海域垂向速度正異常, 在河南地區(qū)出現(xiàn)顯著的垂向速度負(fù)異常, 即存在顯著的垂直上升運(yùn)動(dòng), 為極端降雨形成營(yíng)造了一個(gè)重要天氣尺度條件(圖3e)。大氣環(huán)流的上述變化特征與水汽輸運(yùn)的空間特征基本一致, 即水汽從副熱帶西太平洋輸運(yùn)至河南等華東地區(qū)(圖3d)。因此, 從圖3可見(jiàn), 在2021年7月, 西北太平洋的異常氣旋和反氣旋相關(guān)的東風(fēng)異常和源自副熱帶西北太平洋的強(qiáng)烈水汽輸送為產(chǎn)生極端降雨建立了大尺度條件。

圖3 2021年7月的大氣環(huán)流異常

注: a: 2021年7月的850 hPa位勢(shì)高度異常和風(fēng)場(chǎng)異常(矢量); b: 500 hPa等壓面上, 位勢(shì)高度和風(fēng)場(chǎng)異常(矢量); c: 200 hPa等壓面上, 位勢(shì)高度和風(fēng)場(chǎng)異常(矢量), 實(shí)線(12520線)和虛線分別是南亞高壓的范圍和脊線, 其中紅(藍(lán))線表示2021年7月(氣候態(tài)7月)南亞高壓的范圍及脊線, 紫線表示2021年7月20～21日平均南亞高壓的范圍; d: 2021年7月整層水汽通量異常(矢量)及其整層水汽通量散度的異常(負(fù)值代表水汽的輻合); e: 2021年7月20日的700～850 hPa垂向平均的垂向速度異常(負(fù)值代表向上運(yùn)動(dòng)); f: 500 hPa等壓面的西太副高范圍(黑色粗實(shí)線, 5880線)及脊線(虛線), 其中紅粗(藍(lán)粗)線表示2021年7月(氣候態(tài)7月)西太副高范圍及脊線, 紫粗線表示2021年7月20～21日平均西太副高范圍, 細(xì)線表示位勢(shì)高度

冷暖空氣相遇是產(chǎn)生局部極端降雨的重要因素(劉蕓蕓等, 2020), 前人研究表明, 在2021年7月, 副熱帶高壓和大陸高壓異常偏強(qiáng), “兩高對(duì)峙”阻礙了中高緯度南下的冷空氣(梁旭東等, 2022)。由圖4可見(jiàn), 在500 hPa位勢(shì)高度上, 7月20～21日期間河南受冷空氣的影響不大, 直到7月底, 河南才重新被強(qiáng)冷空氣控制(圖4)。

前人研究表明, 西太平洋副熱帶高壓的相對(duì)強(qiáng)度與相對(duì)渦度有很好的相關(guān)性(聶俊等, 2021)。圖5給出了2021年7月的相對(duì)渦度異常。在850 hPa等壓面上, 日本附近地區(qū)出現(xiàn)相對(duì)渦度負(fù)異常, 與圖3a中的異常反氣旋對(duì)應(yīng), 而在我國(guó)臺(tái)灣以東出現(xiàn)相對(duì)渦度正異常, 正好對(duì)應(yīng)著圖3a中的異常氣旋, 而河南地區(qū)位于正渦度異常的邊緣處(圖5a)。在500 hPa和200 hPa等壓面上, 相對(duì)渦度的正異常和負(fù)異常位置分別與圖3b和圖3c中異常氣旋和異常反氣旋相一致(圖5b和圖5c)。在河南地區(qū)緯度帶(27.5°～35°N)上, 河南地區(qū)主要受相對(duì)渦度正異?？刂? 而在同緯度西太平洋(大約150°E以東)則主要受相對(duì)渦度負(fù)異常影響(圖5d), 這與前文圖3所見(jiàn)的垂向速度異常相吻合, 表明在此期間河南地區(qū)中低空的異常垂向上升氣流進(jìn)一步促進(jìn)了極端降雨的發(fā)生。

圖4 100°～120°E平均的500 hPa位勢(shì)高度在2021年7月的逐日演變(填色)

注: 位勢(shì)高度5 840 m等值線(黑粗線)可指示北方冷空氣所能到達(dá)的緯度位置

圖5 2021年7月的相對(duì)渦度異常

注: a～c分別指2021年7月850, 500和200 hPa的相對(duì)渦度(relative vorticity, RV)異常; d: 2021年7月27.5°～35°N緯度帶上經(jīng)向平均的相對(duì)渦度異常

通過(guò)圖3可知水汽主要受異常東風(fēng)和垂直運(yùn)動(dòng)的影響, 來(lái)自于河南以東方向的西太平洋海域。為了進(jìn)一步研究河南極端暴雨水汽輸送的具體來(lái)源, 我們?cè)趫D6中展示了30°～35°N經(jīng)向平均的風(fēng)場(chǎng)(,)和水汽通量隨等壓面和經(jīng)度的分布和演變。氣候態(tài)平均場(chǎng)(1979～2020年)顯示在該緯度帶上西太平洋中低空主要盛行西風(fēng), 其中在河南地區(qū)雖然垂向速度下沉明顯, 但主要為西風(fēng)(圖6a)。但是, 與氣候態(tài)大氣環(huán)流相比, 2021年7月的(,)異常截然不同。對(duì)比圖6a和6b可見(jiàn), 2021年7月在河南至西太平洋的大范圍內(nèi)由氣候態(tài)的盛行西風(fēng)轉(zhuǎn)為東風(fēng)異常, 同時(shí)在125°～145°E、160°E～170°W的中西太平洋海域出現(xiàn)顯著的下沉氣流, 而在河南地區(qū)出現(xiàn)顯著的異常上升氣流。如圖6c所示, 在河南以東的中西太平洋大范圍內(nèi)存在顯著的西向水汽輸送。綜合起來(lái)看, 這些西向水汽輸運(yùn)從中西太平洋一直延伸到大約115°E, 并與河南地區(qū)異常強(qiáng)的上升氣流共同作用下, 對(duì)2021年7月河南地區(qū)的極端降雨的發(fā)生產(chǎn)生重要影響, 這與前人提出的水汽來(lái)源有顯著差異(王新偉等, 2018)。

圖6 經(jīng)向平均(30°～35°N)的(u, w)和水汽通量異常

注: a: 30°～35°N經(jīng)向平均的7月氣候態(tài)平均(1979～2020年)垂向速度(填色, 正值表示上升運(yùn)動(dòng))和緯向風(fēng)場(chǎng)(箭頭); b: 30°～35°N經(jīng)向平均的2021年7月垂向速度異常和緯向風(fēng)異常場(chǎng); c: 30°～35°N經(jīng)向平均的2021年7月緯向水汽通量異常(填色); 黑色三角表示鄭州位置

2.3 西太平洋副熱帶高壓的作用

從上節(jié)中對(duì)“7·20”極端降雨的水汽來(lái)源和過(guò)程分析可知, 西太平洋副熱帶高壓可能具有非常重要的作用。比如, Yang等(2022)指出西太平洋副熱帶高壓的異常加強(qiáng)會(huì)增加熱帶到東亞的水汽輸送, 導(dǎo)致夏季極端降雨事件的發(fā)生, 未來(lái)與西太平洋副熱帶高壓異常相關(guān)的極端氣候會(huì)變得更加頻繁和嚴(yán)重。當(dāng)夏季副熱帶高壓主體北部SLP正異常, 而主體南部SLP負(fù)異常, 對(duì)應(yīng)的副高位置就會(huì)偏北(何敏等, 1991)。圖7a展示了2021年7月SLP異常和500 hPa風(fēng)場(chǎng)異常。可以看出, 在西太平洋附近, 由高緯度到低緯度, 海平面氣壓異常分布呈現(xiàn)“-+-”結(jié)構(gòu), 中緯度的副熱帶西太平洋海平面氣壓異常升高, 而在我國(guó)臺(tái)灣東部和日本南部的西太平洋地區(qū)海平面氣壓異常降低, 表明在此期間副高位置偏北, 而在異常高壓和異常低壓之間的緯度上, 亦即河南地區(qū)緯度上, 產(chǎn)生顯著的東風(fēng)異常(圖7a)。

圖7 2021年7月的海平面氣壓(SLP)和500 hPa風(fēng)場(chǎng)異常以及海表面溫度(SST)和蒸發(fā)異常

注: a: 2021年7月SLP (填色)和500 hPa風(fēng)場(chǎng)(箭頭)異常; b: 2021年7月SST (等值線, 單位: °C)和蒸發(fā)(填色, 正值表示蒸發(fā), 負(fù)值表示冷凝)異常

前人研究表明, 北太平洋海溫異常與西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度聯(lián)系緊密, 對(duì)華北地區(qū)強(qiáng)降水的發(fā)生有重要影響(Li, 2017); 西北太平洋夏季海溫異常偏高可能會(huì)通過(guò)東亞上空東亞-太平洋遙相關(guān)型異常大氣環(huán)流影響中國(guó)東部的降水異常(Zhang, 2013)。2021年7月熱帶印度洋和熱帶太平洋的海表面溫度異常不太明顯, 但是在以大約40°N為核心的中緯度北太平洋地區(qū)海表面溫度顯著異常偏高(圖7b)、副高強(qiáng)度增強(qiáng)。2021年7月蒸發(fā)異常主要位于西太平洋緯向25°～35°N和菲律賓東部海域(120°～ 140°E), 其中在緯向帶(25°～35°N)西太平洋海域, SST異常偏高, 蒸發(fā)異常偏高, 有助于增強(qiáng)西太平洋作為水汽來(lái)源的能力。因此, 西太平洋副熱帶高壓在2021年7月河南極端降雨中可能起到非常重要的作用。

為了進(jìn)一步研究副熱帶高壓和河南地區(qū)降雨之間的關(guān)系, 我們?cè)趫D8a中給出1979～2021年的河南逐月降水和副熱帶高壓強(qiáng)度指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列。對(duì)比發(fā)現(xiàn), 河南逐月降水和副熱帶高壓強(qiáng)度指數(shù)之間存在統(tǒng)計(jì)顯著的相關(guān)性, 但其相關(guān)系數(shù)僅為0.267 (副熱帶高壓的其他指數(shù), 如面積、脊線和西伸脊點(diǎn)等,與河南降水的相關(guān)系數(shù)不如強(qiáng)度高), 在2020年和2021年, 西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度為正異常(圖8a)。

西太平洋副熱帶高壓自身存在多個(gè)時(shí)間尺度的變化(如吳國(guó)雄等, 2003)。我們對(duì)河南降水和副高強(qiáng)度時(shí)間序列進(jìn)行了EEMD模態(tài)分解, 并分別對(duì)比了河南降水和副高強(qiáng)度的各個(gè)模態(tài)之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)第一模態(tài)IMF1相對(duì)高頻, 且相關(guān)性較低, 而河南降水和副高強(qiáng)度的第二模態(tài)IMF2存在顯著的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性, 各正負(fù)位相可較好地一一對(duì)應(yīng)起來(lái), 二者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.5左右, 其中2021年河南大暴雨期間的副高強(qiáng)度IMF2模態(tài)為顯著正異常, 與河南降水IMF2在2021年的顯著正異常吻合(圖8b)。從圖9可以看出, IMF1為高頻變化項(xiàng), 周期大致為顯著的0.34 a, 而IMF2為較低頻變化項(xiàng), 其主周期為顯著的0.99 a和1.43 a。

圖8 1979～2021年逐月河南降雨數(shù)據(jù)與西太副高(west Pacific subtropical high, WPSH)強(qiáng)度指數(shù)的時(shí)間序列及其本征模函數(shù)第二模態(tài)(the second mode of intrinsic mode functions, IMF2)的時(shí)間序列

注: 河南降雨逐月數(shù)據(jù)和WPSH強(qiáng)度指數(shù)均進(jìn)行了13個(gè)月的滑動(dòng)平均和標(biāo)準(zhǔn)化處理, 藍(lán)線指降雨, 紅線指WPSH強(qiáng)度

圖9 副高強(qiáng)度第一模態(tài)和第二模態(tài)的功率譜

為研究副高強(qiáng)度指數(shù)IMF2模態(tài)對(duì)河南降雨的影響, 我們對(duì)副高強(qiáng)度指數(shù)IMF2大于其1倍標(biāo)準(zhǔn)差的年份(7月)的SST、SLP、蒸發(fā)、風(fēng)場(chǎng)和垂向速度場(chǎng)進(jìn)行了合成分析。結(jié)果顯示, 在副高強(qiáng)度指數(shù)IMF2正位相期間, 副熱帶西北太平洋海表面高度異常增強(qiáng)、SST顯著升高、海面蒸發(fā)增強(qiáng)、下沉氣流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng), 而河南地區(qū)的垂向上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng), 從副熱帶西太平洋到華東地區(qū)的中低空出現(xiàn)強(qiáng)烈的東風(fēng)異常(圖10)。副高強(qiáng)度指數(shù)IMF2正位相期間的大氣環(huán)流形態(tài)是有助于為河南地區(qū)降雨提供水汽來(lái)源和垂向上升氣流條件的, 也與前文分析的2021年7月河南極端降雨期間的形態(tài)非常吻合, 說(shuō)明副高強(qiáng)度指數(shù)的第二模態(tài)對(duì)河南降雨具有重要的意義。此外, Li等(2020)研究表明, 西北太平洋(大約20°～50°N, 150°～180°E)的海表溫度冷異常和熱帶太平洋的海表溫度暖異常有助于導(dǎo)致副熱帶高壓向西擴(kuò)展。從圖10a展示的SST異常場(chǎng)可見(jiàn), 在IMF2期間西北太平洋海溫偏冷而熱帶太平洋偏暖, 這或許有助于副熱帶高壓西伸, 對(duì)河南等東部地區(qū)降雨產(chǎn)生影響。

圖10 合成的IMF2正位相的相關(guān)物理場(chǎng)分布

注: 取WPSH強(qiáng)度IMF2序列中超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差57.61的月份, 對(duì)相關(guān)物理量進(jìn)行合成分析. a: SST (等值線)和蒸發(fā)(填色, 正值表示蒸發(fā), 負(fù)值表示冷凝); b: 垂向速度(填色, 正值表示上升運(yùn)動(dòng))和緯向風(fēng)(箭頭); c: SLP (填色)和850～700 hPa平均風(fēng)場(chǎng)(矢量). 紅色實(shí)心三角表示鄭州位置

總地來(lái)說(shuō), 副高強(qiáng)度指數(shù)的第二模態(tài)在河南降雨變化中有著非常重要的意義, 副高強(qiáng)度第二模態(tài)在2021年的極端高值可能對(duì)2021年河南極端降雨事件產(chǎn)生了重要影響。

3 結(jié)論和討論

極端降雨事件直接關(guān)系到人民的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全, 2021年7月河南極端降雨給河南地區(qū)帶來(lái)了嚴(yán)重的旱澇災(zāi)害, 造成了不可估計(jì)的損失。本文利用站點(diǎn)數(shù)據(jù)、再分析數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)和EEMD方法, 研究了河南地區(qū)2021年7月份極端降雨的基本特征、水汽來(lái)源以及西太平洋副熱帶高壓的作用, 特別地分析了副熱帶高壓強(qiáng)度變化主要模態(tài)與河南降雨的關(guān)系。主要結(jié)論如下:

(1) 副熱帶西太平洋是2021年7月河南地區(qū)極端降雨的主要水汽來(lái)源, 期間河南地區(qū)強(qiáng)烈的異常上升運(yùn)動(dòng)具有重要作用。在此次事件期間, 西太平洋副熱帶高壓顯著偏強(qiáng)、偏北, 在與此相關(guān)的異常反氣旋和臺(tái)風(fēng)“煙花”相關(guān)氣旋共同影響下, 副熱帶西太平洋到河南地區(qū)的大范圍內(nèi)產(chǎn)生顯著的東風(fēng)異常, 導(dǎo)致大量的水汽通過(guò)中低空從西太平洋海域輸送到河南地區(qū), 并在河南地區(qū)的異常強(qiáng)烈的低空上升氣流作用下, 形成極端降雨(圖11)。

(2) 河南地區(qū)降水時(shí)間序列與副熱帶高壓強(qiáng)度指數(shù)之間存在統(tǒng)計(jì)顯著的相關(guān)關(guān)系, 其中副熱帶高壓的第二模態(tài)IMF2與河南地區(qū)降水時(shí)間序列的第二模態(tài)存在非常顯著的關(guān)系。在副熱帶高壓的第二模態(tài)IMF2正位相期間, 副高強(qiáng)度增強(qiáng)、SST異常偏高、蒸發(fā)異常偏強(qiáng), 中低空大氣出現(xiàn)顯著的東風(fēng)異常, 從而對(duì)河南地區(qū)降雨產(chǎn)生重要影響。在2021年7月, 副熱帶高壓的第二模態(tài)IMF2位于極端峰值, 相關(guān)海洋和大氣環(huán)流過(guò)程更加顯著, 對(duì)此期間河南地區(qū)極端降雨可能具有非常重要的作用。

圖11 2021年7月河南極端降雨水汽來(lái)源示意圖

注: 紅色箭頭表示異常上升氣流; 黑色箭頭表示異常矢量風(fēng); 藍(lán)色箭頭代表水汽輸送路徑; “+”表示水汽上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)

本項(xiàng)研究尚存在許多不足之處。一方面, 本文對(duì)于關(guān)于河南極端降雨的形成原因缺乏深入細(xì)致的分析。大氣環(huán)流背景場(chǎng)的變化和水汽來(lái)源的變化僅僅是極端降雨的必要條件而非充分條件, 只有對(duì)除了大尺度環(huán)流背景外的其他因素——比如中小尺度天氣動(dòng)力過(guò)程等, 進(jìn)行了充分的研究后才能對(duì)此次極端事件的形成原因有一個(gè)完整的理解。另一方面, 盡管本文試圖從副熱帶高壓多尺度變化模態(tài)方面研究其對(duì)河南降雨的影響, 揭示了副高強(qiáng)度第二模態(tài)可能的重要作用, 但是副高為何存在這種模態(tài)、以及其影響河南地區(qū)降雨的具體演變過(guò)程, 本文尚未研究, 則需要未來(lái)開(kāi)展相關(guān)的工作。此外, 以往研究表明印度洋的暖異常在中國(guó)降雨過(guò)程中也扮演著非常重要的作用(Zhou, 2021), 印度洋的熱力變化是否以及如何在2021年7月河南極端降雨事件中發(fā)揮作用亦不清楚, 需要進(jìn)一步研究。

致謝 感謝國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心馮立成研究員、宋春陽(yáng)博士為我們提供了降雨的站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)和指導(dǎo), 感謝中國(guó)氣象科學(xué)研究院劉伯奇研究員、復(fù)旦大學(xué)周震強(qiáng)博士為本文提出的富有啟發(fā)性的意見(jiàn)和建議, 非常感謝兩位匿名審稿人提出的極具建設(shè)性的重要意見(jiàn)和建議。

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MOISTURE SOURCE OF EXTREME RAINFALL IN HENAN IN SUMMER 2021 AND THE POSSIBLE ROLE OF THE WESTERN PACIFIC SUBTROPICAL HIGH

SUN Qi-Ming1, 2, 3, HU Shi-Jian2, 3, 4, ZHAO Yi-Jun1

(1. Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China; 2. CAS Key Laboratory of Ocean Circulation and Waves, Institute of Oceanology, Qingdao 266071, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4. Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266237, China)

In order to study the role of the Western Pacific Ocean in the “7.20” extreme rainfall event in Henan Province, water vapor transportation, origination, and relationship with multiscale variation of the western Pacific subtropical high during extreme rainfall events in Henan Province, central China in summer 2021 were analyzed using reanalysis data of sea surface temperature, sea surface pressure, potential height, and wind field, and observational data of precipitation. Results show that during the extreme rainfall in Henan in summer 2021, the western Pacific subtropical high was relatively stronger and more northerly, and significant east wind anomalies and westward water vapor transport occurred in the middle and low altitude from the east of Henan to the northwest Pacific Ocean. Significant anomalies in relative vorticity, potential height, and vertical upward movement at upper level existed in the summer of 2021 in Henan rainstorm area, and the water vapor transported from the northwest Pacific Ocean via abnormal easterly winds at the middle and lower levels was the main water source. In addition, analysis with an Empirical Mode Decomposition method revealed a statistically significant relationship between the second mode of subtropical high intensity index (IMF2WPSH) and the second mode of rainfall in Henan Province, and the IMF2WPSHplays an important role in this extreme rainfall event. During the positive phase of the IMF2WPSH, there was an abnormally enhanced upward movement in the subtropical western Pacific and an abnormal east wind in the low-middle altitude, by which updraft was abnormally enhanced. The IMF2WPSHcould be used to predict extreme rainfall event in Henan and the neighboring regions.

Henan; extreme rainfall; western Pacific subtropical high; typhoon

P466

10.11693/hyhz20220500121

*中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)項(xiàng)目, XDB42010403號(hào); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目, 42022040號(hào); 山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目, ZR2020JQ18號(hào); 中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目, JCTD-2020-12號(hào)。孫其明, 碩士研究生, E-mail: sunqiming@qdio.ac.cn

胡石建, 研究員, 博士生導(dǎo)師, E-mail: sjhu@qdio.ac.cn

2022-05-07,

2022-09-09