竹磊磊, 史恒斌, 王建新, 蘇曉樂(lè), 李鳳秀

(1.中國(guó)氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,鄭州 450003;2.河南省氣候中心,鄭州 450003; 3.安陽(yáng)市氣象局,河南 安陽(yáng) 455000)

引 言

河南省是糧食大省,冬小麥產(chǎn)量占全國(guó)總產(chǎn)量的28%。河南省的冬小麥在5月21日-6月10日基本成熟,成熟后的冬小麥若遇陰雨天氣未及時(shí)收割晾曬則較易發(fā)芽、霉變,造成小麥品質(zhì)降低,給糧食生產(chǎn)造成極大損失。2023年5月底至6月初,河南省遭遇了嚴(yán)重的連陰雨天氣,連陰雨天氣與冬小麥成熟期高度重合,全省持續(xù)陰雨寡照,陰雨日數(shù)多,降水量大。小麥點(diǎn)片倒伏、發(fā)霉,全省部分地區(qū)出現(xiàn)籽粒萌動(dòng)和穗發(fā)芽現(xiàn)象。此次連陰雨是近10多年來(lái)最為嚴(yán)重的“爛場(chǎng)雨”天氣,嚴(yán)重影響了冬小麥的收割晾曬。

前期,國(guó)內(nèi)有一些關(guān)于“三夏”期間(5月21日-6月20日)環(huán)流和降水的研究。竹磊磊等[1]認(rèn)為“三夏”期間青藏高原附近、鄂霍次克海到日本東部海域位勢(shì)高度偏高,貝加爾湖附近、我國(guó)江淮江南附近的位勢(shì)高度偏低有利于形成降水。王秀文等[2]將北方麥?zhǔn)掌谶B陰雨的環(huán)流型分為阻塞高壓型、緯向型、經(jīng)向型和華北冷渦型,指出阻塞高壓形勢(shì)且貝加爾湖附近伴有冷渦是造成連陰雨天氣最主要的環(huán)流型。許立言等[3]采用奇異值分解方法(SVD法)分析了歐亞大陸2-4月積雪與后期5-6月中國(guó)降水的關(guān)系,結(jié)果表明,當(dāng)2-4月歐洲、青藏高原東部和東亞地區(qū)積雪異常偏多時(shí),5-6月河南省降水偏少。同時(shí)有不少該時(shí)段環(huán)流方面的研究。王艷玲等[4]統(tǒng)計(jì)了1980-2012年春末夏初江淮氣旋的活動(dòng),指出5-7月江淮地區(qū)存在明顯的氣旋活動(dòng)高頻中心。相關(guān)研究表明,南亞高壓活動(dòng)與青藏高原及周邊熱力強(qiáng)迫、菲律賓附近和中南半島局地對(duì)流強(qiáng)迫、青藏高原至江南、華南大范圍溫度正距平有關(guān)[5-9],副高受ENSO、菲律賓周圍對(duì)流活動(dòng)、南亞高壓和西風(fēng)急流的影響較大[10-20],異常降水均與中高緯度阻塞有關(guān)[21-23]。

為揭示2023年麥?zhǔn)掌?5月21日-6月10日)河南省連陰雨天氣的環(huán)流特征和可能氣候成因,本文利用影響麥?zhǔn)丈a(chǎn)的降水量和陰雨日數(shù)的觀測(cè)資料、環(huán)流和海溫等的客觀分析資料和指數(shù)資料,分析2023年麥?zhǔn)掌诤幽鲜∵B陰雨天氣的大尺度環(huán)流特征和動(dòng)力熱力結(jié)構(gòu),以期為麥?zhǔn)掌诘奶鞖鈿夂蝾A(yù)測(cè)提供一定的參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

文中使用的資料包括河南省111個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站1961-2022年麥?zhǔn)掌谥鹑战邓亢腿照諘r(shí)數(shù)觀測(cè)資料,來(lái)源于河南省氣象探測(cè)數(shù)據(jù)中心。NCEP/NCAR 1980-2023年逐月垂直速度場(chǎng),2023年逐日位勢(shì)高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、垂直速度場(chǎng)、氣溫場(chǎng)和OLR場(chǎng),水平分辨率為2.5°×2.5°;2023年逐日地表感熱通量場(chǎng)和潛熱通量場(chǎng),水平分辨率為1.875°×1.904°。哈得萊環(huán)流中心1979-2023年逐月海表溫度資料[24],水平分辨率為1.0°×1.0°。國(guó)家氣候中心(NCC)1980-2023年逐月東部型ENSO指數(shù)(Nino Eastern Pacific index,NEPI)和中部型ENSO指數(shù)(Nino Central Pacific index,NCPI),麥?zhǔn)掌谥鹑崭备邚?qiáng)度、面積、脊線和西伸脊點(diǎn)指數(shù)。NCC發(fā)布的ENSO事件統(tǒng)計(jì)表(http://cmdp.ncc-cma.net/download/ENSO/Monitor/ENSO_history_events.pdf),美國(guó)氣候預(yù)測(cè)中心(CPC)的El Nio/La Nia歷史事件表(https://origin.cpc.ncep.noaa.gov/products/analysis_monitoring/ensostuff/ONI_v5.php)。文中所有氣候值均為1991-2020年平均。

1.2 陰雨日數(shù)定義

本文的陰雨日數(shù)定義為出現(xiàn)降水(日降水量≥0.1 mm)或陰天(日照時(shí)數(shù)≤2 h)的日數(shù)。

1.3 研究方法

本文采用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解法(EOF法)分析歷史上麥?zhǔn)掌诮邓亢完幱耆諗?shù)的分布,得到最典型模態(tài)的時(shí)間系數(shù)。采用相關(guān)分析法分析麥?zhǔn)掌诮邓俊㈥幱耆諗?shù)、副高特征量與前期海溫的關(guān)系。采用差值T檢驗(yàn)法分析El Nio衰減年和La Nia衰減年、麥?zhǔn)掌诒贝笪餮笕龢O子正異常年和負(fù)異常年的麥?zhǔn)掌?00 hPa位勢(shì)高度的差異。為了認(rèn)識(shí)Rossby波活動(dòng)對(duì)中高緯環(huán)流系統(tǒng)的影響,采用Takaya and Nakamura在2001年給出的公式[25]計(jì)算波活動(dòng)通量。

2 2023年麥?zhǔn)掌诤幽鲜〗邓臅r(shí)空分布特征

2023年5月20日至6月4日,河南省出現(xiàn)了三輪大范圍降水天氣過(guò)程,分別出現(xiàn)在5月20-21日、5月25-30日和6月1-4日,其中5月25-30日全省大部出現(xiàn)了持續(xù)陰雨天氣,中南部、東部等地出現(xiàn)了暴雨、局部大暴雨,是1961年以來(lái)同期影響范圍最廣、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的一次陰雨天氣過(guò)程。

圖1為2023年麥?zhǔn)掌诤幽鲜±塾?jì)降水量及距平百分率、陰雨日數(shù)及距平分布圖。由圖1可知,2023年麥?zhǔn)掌诤幽鲜±塾?jì)雨量大(圖1a),降水分布不均,全省平均為95.5 mm,降水量大值區(qū)主要位于豫南大部和豫西的中西部,相對(duì)較小的區(qū)域分布在豫北和豫中大部、豫東和豫西南的北中部。最大降水量出現(xiàn)在靈寶站,達(dá)到了297.3 mm,降水距平百分率達(dá)到了251.7%;最小降水量出現(xiàn)在清豐站,為25.7 mm,降水距平百分率為1.1%。全省除南召站和商城站降水略偏少外(圖1b),其他站降水均偏多,絕大部分地區(qū)偏多2成以上。全省平均累計(jì)降水量為自1961年以來(lái)的歷史第五位。

圖1 2023年麥?zhǔn)掌诤幽鲜±塾?jì)降水量(a)及其距平百分率(b)和陰雨日數(shù)(c)及其距平(d)

2023年麥?zhǔn)掌诤幽鲜￡幱耆諗?shù)多,為10～16天(圖1c),全省平均為12.6天,其中豫西的中南部、豫中和豫南大部在13天以上,而豫北大部和豫東部分地區(qū)在12天以下。全省平均偏多5.2天,偏多較多的地區(qū)主要分布在豫北、豫中和豫西南大部、豫東的北中部(圖1d)。全省平均陰雨日數(shù)為自1961年以來(lái)的歷史第二位。

3 2023年麥?zhǔn)掌谶B陰雨的氣候背景和環(huán)流特征

3.1 2023年麥?zhǔn)掌跉夂虮尘?/h3>

3.2 2023年麥?zhǔn)掌诃h(huán)流特征

3.2.1 2023年麥?zhǔn)掌诃h(huán)流分析

我國(guó)氣候異常的發(fā)生通常是由東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)的變化引起的,這個(gè)系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)成員:中高緯度阻塞形勢(shì),低緯度副高及東亞季風(fēng)[26]。2023年5月下旬,隨著我國(guó)東南熱帶太平洋面臺(tái)風(fēng)“瑪娃”生成發(fā)展并向西北移近我國(guó)東南沿海,東西帶狀分布的副高發(fā)生斷裂,副高西環(huán)控制我國(guó)西南至華南大部地區(qū)。同時(shí),烏拉爾山高壓脊發(fā)展強(qiáng)盛,東北冷渦持續(xù)活躍,烏拉爾山高壓脊東南側(cè)位的顯著槽區(qū)位于河南省西北地區(qū),槽區(qū)不斷有小槽分裂東移南下影響我國(guó)中東部地區(qū)。圖2為2023年麥?zhǔn)掌?00 hPa位勢(shì)高度原始場(chǎng)和距平場(chǎng),以及700 hPa距平風(fēng)場(chǎng)。圖2(a)顯示,在中高緯度從北大西洋經(jīng)歐亞大陸至東北亞維持一明顯的緯向波列,受此波列影響,烏拉爾山附近維持一范圍較大的正高度距平,而東北亞上空維持一負(fù)高度距平。在低緯地區(qū)的中國(guó)大陸東部、南部及附近海域,除了受臺(tái)風(fēng)擾動(dòng)形成的負(fù)高度距平外,其他大部區(qū)域?yàn)檎叨染嗥剿刂?副高偏強(qiáng)、偏北且明顯偏西。在對(duì)流層低層的700 hPa(圖2b),日本東部海域至阿留申群島為明顯的反氣旋異常,臺(tái)風(fēng)“瑪娃”形成的氣旋異常中心位于菲律賓群島東部海域,副高形成的反氣旋異常中心位于臺(tái)風(fēng)西北側(cè),偏強(qiáng)、偏北、偏西的副高的西北側(cè)的西南暖濕異常氣流可以到達(dá)黃淮之間,配合中高緯度持續(xù)南下的冷空氣,河南省大部形成了連陰雨天氣。

圖2 2023年麥?zhǔn)掌?00 hPa位勢(shì)高度原始場(chǎng)和距平場(chǎng)(a)、700 hPa距平風(fēng)場(chǎng)(b)圖中黑色細(xì)實(shí)線為500 hPa位勢(shì)高度原始場(chǎng)等值線,黑色粗實(shí)線為5880 gpm線,紅實(shí)線為氣候態(tài)5880 gpm線;填色為位勢(shì)高度距平

圖3 2023年麥?zhǔn)掌?00 hPa位勢(shì)高度5880 gpm線隨時(shí)間演變圖(a)沿117°E,(b)沿25°N;圖中黑線為實(shí)況,紅線為氣候態(tài)

3.2.2 2023年麥?zhǔn)掌诘母睙釒Ц邏?、南亞高壓和西風(fēng)急流特征及其對(duì)降水的影響

(1)副熱帶高壓

2023年麥?zhǔn)掌?00 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)沿117°E的5880 gpm線隨時(shí)間演變圖(圖 3a)和沿25°N的5880 gpm線隨時(shí)間演變圖(圖 3b)顯示:5880 gpm線絕大部分時(shí)間明顯比氣候態(tài)偏北和偏西,5880 gpm線在5月24日以前維持在21°-23°N,比氣候態(tài)偏北4～6個(gè)緯度,在這段時(shí)間內(nèi),形成了第一輪降水過(guò)程(5月20-21日)。25日以后5880 gpm線明顯北抬西伸,至28日時(shí)到達(dá)了33°N、82°E附近,這段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了最大范圍和最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的降水。之后5880 gpm線迅速南撤東退,5月31日-6月1日,撤退至9°N、138°E附近。隨后,撤退之后的5880 gpm線又開(kāi)始新一輪的北抬西伸,3-7日,5880 gpm線到達(dá)了27°-30°N、105°-110°E附近,在北抬西伸過(guò)程中的6月1-3日出現(xiàn)了第三輪降水。6月4日之后副高開(kāi)始南撤東退。5月25-30日副高脊線氣候值為18.87°N,而2023年5月25-30日副高脊線平均位于25.32°N,為自1961年以來(lái)的歷史第一位。

(2)南亞高壓和西風(fēng)急流

副高作為東南亞環(huán)流系統(tǒng)中的一員,其變化不是孤立的,中高緯度環(huán)流、南亞高壓等的變化和調(diào)整對(duì)副高強(qiáng)度和位置的影響較大[27]。陶詩(shī)言等[16]指出,副高西伸北跳是由于歐亞大陸上空存在靜止Rossby波列,波的能量沿著高空西風(fēng)急流向東傳播到我國(guó)沿海海岸(115°-130°E)時(shí)在該地區(qū)激發(fā)出一個(gè)長(zhǎng)波脊。這個(gè)長(zhǎng)波脊的建立使副高和對(duì)流層上部的青藏高壓都朝長(zhǎng)波脊方向伸展,表現(xiàn)為“相向”而行的特點(diǎn)。西風(fēng)急流增強(qiáng),則有利于副高的加強(qiáng)、西伸和北擴(kuò)[17]。

2023年麥?zhǔn)掌?00 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上16700 gpm線和200 hPa西風(fēng)急流的分布如圖4所示,南亞高壓呈東西向帶狀分布,16700 gpm線在亞洲大陸東部的北界位于黃淮之間,較氣候態(tài)明顯偏強(qiáng)、偏北、偏大和偏東。而歐亞上空的西風(fēng)急流的北界在40°N附近,較氣候態(tài)明顯偏北和偏強(qiáng)。

圖4 2023年麥?zhǔn)掌?00 hPa位勢(shì)高度16700 gpm線及200 hPa西風(fēng)急流圖中黑線為實(shí)況,紅線為氣候態(tài); 實(shí)線為16700 gpm線,虛線為緯向風(fēng)速u≥30 m·s-1

(3)對(duì)流層中高層氣溫特征

圖5為2023年麥?zhǔn)掌趯?duì)流層中高層(300-500 hPa)平均氣溫及其距平。實(shí)況場(chǎng)上(圖5a),大氣暖中心位于孟加拉灣至我國(guó)東南部及附近的熱帶太平洋,呈東西向分布,相較于氣候態(tài)(圖5b)明顯偏北、偏大和偏東,北界位置偏北4～8個(gè)緯度。由于南亞高壓具有“趨暖性”,所以該東南亞暖中心可以導(dǎo)致南亞高壓偏強(qiáng)、偏北、偏大和偏東;暖中心和偏東西向的東北冷渦的共同作用增大了東亞中高層的氣溫梯度,西風(fēng)急流[7-9]得到了加強(qiáng)。最終副高受到南亞高壓和西風(fēng)急流的引導(dǎo)而加強(qiáng)并北抬和西伸[18-20]。

圖5 2023年麥?zhǔn)掌?00-500 hPa平均氣溫及其距平(a)和平均氣溫氣候態(tài)(b)單位:℃,等值線表示氣溫,填色表示氣溫距平

3.2.3 2023年麥?zhǔn)掌谥懈呔暥茸枞卣?/p>

逐日500 hPa位勢(shì)高度圖(圖略)顯示,2023年麥?zhǔn)掌诠灿?天在烏拉爾山地區(qū)(45°-75°N、45°-80°E)出現(xiàn)了閉合等值線。5月22日,烏拉爾山地區(qū)首次出現(xiàn)阻塞高壓,且維持了3日。5月28日,烏拉爾山地區(qū)再次出現(xiàn)阻塞,但這次位置較上次偏東,僅維持了一日,強(qiáng)度也較上次偏弱。6月2日開(kāi)始出現(xiàn)了第三次阻塞,位于更偏東的地區(qū),出現(xiàn)阻塞的范圍更廣,且維持了4日。

4 2023年麥?zhǔn)掌谶B陰雨環(huán)流異常的可能動(dòng)力熱力成因

4.1 副高異常的可能動(dòng)力熱力成因

4.1.1 ENSO對(duì)副高的影響

海溫是影響氣候最顯著的外強(qiáng)迫因子。本文在開(kāi)展2023年麥?zhǔn)掌诟备咛卣骷俺梢蚍治銮?首先利用差值T檢驗(yàn)和相關(guān)分析的方法,通過(guò)分析歷史資料,理清麥?zhǔn)掌诮邓颓捌诤氐年P(guān)系,確定影響麥?zhǔn)掌诮邓暮仃P(guān)鍵區(qū)和關(guān)鍵時(shí)段并分析其影響機(jī)制,以作為分析前期海溫對(duì)2023年麥?zhǔn)掌诟备哂绊懙幕A(chǔ)。2023年麥?zhǔn)掌诘臍夂蛱卣鳛榻邓看?、陰雨日?shù)多,因此對(duì)1980-2022年麥?zhǔn)掌诤幽鲜?11個(gè)站降水量和陰雨日數(shù)進(jìn)行EOF分解,降水量和陰雨日數(shù)第1模態(tài)分別解釋了總方差的62.36%和67.50%,第1模態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)序列分別簡(jiǎn)稱為Rpc1和Dpc1(圖略)。Rpc1(Dpc1)與麥?zhǔn)掌?11個(gè)站的平均降水量(平均陰雨日數(shù))的時(shí)間相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.999?？梢?jiàn),可以利用Rpc1(Dpc1)代表河南省麥?zhǔn)掌诮邓?陰雨日數(shù))的年際變化來(lái)開(kāi)展統(tǒng)計(jì)分析。

(1) 副高特征與前期ENSO的關(guān)系分析

為方便敘述,將對(duì)應(yīng)年份的前一年簡(jiǎn)稱為上年,對(duì)應(yīng)年份的當(dāng)年簡(jiǎn)稱為當(dāng)年。計(jì)算的1980-2022年麥?zhǔn)掌赗pc1與前期各月(上年6月-當(dāng)年5月)太平洋海溫的空間相關(guān)(圖略)結(jié)果表明,從上年8月至當(dāng)年4月,赤道東太平洋附近海域一直存在范圍較大的顯著正相關(guān)區(qū)域,呈現(xiàn)出典型的東部型ENSO事件分布。從上年9月開(kāi)始,赤道東太平洋的顯著正相關(guān)區(qū)域逐漸擴(kuò)大,在上年秋季達(dá)到峰值后逐漸減小,至當(dāng)年5月后,高相關(guān)區(qū)已經(jīng)較小。而1980-2022年麥?zhǔn)掌贒pc1與前期海溫的相關(guān)并不顯著。

這種統(tǒng)計(jì)結(jié)果意味著,河南省麥?zhǔn)掌诘慕邓颗c一次東部型ENSO事件的演變循環(huán)有密切聯(lián)系。以下比較東部型El Nio衰減相似年和東部型La Nia衰減相似年麥?zhǔn)掌诃h(huán)流場(chǎng)的差異。根據(jù)NCC的ENSO事件統(tǒng)計(jì)表和CPC的El Nio/La Nia歷史事件表,挑選出東部型El Nio衰減相似年和東部型La Nia衰減相似年。20世紀(jì)70年代末,海氣出現(xiàn)了較大調(diào)整,因此挑選的相似年為1979年之后的年份,其中東部型El Nio衰減年為1980、1983、1988、1992、1998、2007和2016年,東部型La Nia衰減年為1985、1989、1996、2008、2011、2018和2021年。對(duì)東部型El Nio衰減年和東部型La Nia衰減年麥?zhǔn)掌?00 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)作差值T檢驗(yàn),如圖6所示,兩類年份的環(huán)流場(chǎng)差異最顯著、范圍最大的區(qū)域?yàn)闊釒в《妊蠛蜔釒魈窖?而副高正是位于該區(qū)域,所以赤道東太平洋海溫可能主要是通過(guò)對(duì)副高的影響來(lái)影響降水。以下將驗(yàn)證此觀點(diǎn)。

圖6 El Nio衰減年和La Nia衰減年麥?zhǔn)掌?00 hPa位勢(shì)高度的差值T檢驗(yàn)圖中黑實(shí)線所圈區(qū)域?yàn)橥ㄟ^(guò)80%顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域

圖7為1980-2022年麥?zhǔn)掌诟备咧笖?shù)與前期各月(上年6月-當(dāng)年5月)NEPI的相關(guān)系數(shù)。由圖7可知,前期各月NEPI與麥?zhǔn)掌诟备邚?qiáng)度和面積呈不顯著的正相關(guān),與副高脊線呈不顯著的負(fù)相關(guān),而上年9月-當(dāng)年1月的NEPI與麥?zhǔn)掌诟备呶魃旒裹c(diǎn)呈顯著的負(fù)相關(guān)。各月間比較,上年10月至當(dāng)年1月的NEPI與麥?zhǔn)掌诟备邚?qiáng)度、面積和西伸脊點(diǎn)的相關(guān)相對(duì)較好,而3月、4月和5月的NEPI與副高脊線的相關(guān)性相對(duì)較好。所以,前期赤道東太平洋的海溫偏高(低),有利于麥?zhǔn)掌诟备咂珡?qiáng)(弱)、偏大(小)、偏南(北)和偏西(東),其中海溫對(duì)副高西伸脊點(diǎn)的影響最顯著。

圖7 1980-2022年麥?zhǔn)掌诟备咧笖?shù)與前期各月(上年6月-當(dāng)年5月)NEPI的相關(guān)性

(2)ENSO事件對(duì)副高的影響機(jī)制

圖8 500 hPa ω距平隨時(shí)間的演變合成圖單位:m·s-1;(a)El Nio衰減年沿5°S-5°N平均,(b)La Nia衰減年沿5°S-5°N平均,(c)El Nio衰減年沿110°-130°E平均,(d)La Nia衰減年沿110°-130°E平均

圖9 2023年5°S-5°N平均的500 hPa ω距平隨時(shí)間的演變圖單位:m·s-1

4.1.2 2023年熱帶對(duì)流活動(dòng)對(duì)副高、南亞高壓和西風(fēng)急流的影響

西太平洋暖池具有很高的海溫,此海域上空是Walker環(huán)流的上升支,也是水汽的強(qiáng)輻合區(qū),導(dǎo)致了該區(qū)域有很強(qiáng)的對(duì)流活動(dòng)和降水。西太平洋暖池的對(duì)流活動(dòng)不僅起到維持熱帶緯圈Walker環(huán)流的作用[12],而且在經(jīng)向上對(duì)北半球副熱帶大氣環(huán)流的變化也有很大作用,特別對(duì)副高的變異有顯著影響[13-14]。當(dāng)春季菲律賓周圍對(duì)流活動(dòng)偏強(qiáng)時(shí),夏季副高易偏東和偏北[15]。何金海等[6]認(rèn)為春末夏初菲律賓群島附近的對(duì)流激發(fā)了南亞高壓,而中南半島局地對(duì)流的加強(qiáng)則使南亞高壓北抬。2023年麥?zhǔn)掌谇暗拇杭?3月1日-5月20日),孟加拉灣中東部至菲律賓島附近對(duì)流活動(dòng)相對(duì)較弱(圖略),并不利于南亞高壓偏強(qiáng)、偏北、偏大和偏東及副高偏北。而麥?zhǔn)掌谟捎谂_(tái)風(fēng)“瑪娃”的影響,由泰國(guó)灣至菲律賓群島以東的熱帶西太平洋對(duì)流發(fā)展旺盛(圖10),對(duì)流活躍釋放的凝結(jié)潛熱[28]對(duì)上空大氣有加熱作用,有利于東南亞中高層暖中心的發(fā)展(圖5a)和南亞高壓偏強(qiáng)、偏北、偏大和偏東(圖4)及副高偏北。

圖10 2023年麥?zhǔn)掌贠LR實(shí)況(等值線)和距平(填色)分布圖OLR及其距平單位:W·m-2

4.1.3 高原熱力作用對(duì)副高、南亞高壓和西風(fēng)急流的影響

大氣的熱量主要來(lái)自地球表面,下墊面和大氣之間的交換(近地面非絕熱加熱)包括地表向上太陽(yáng)輻射通量加熱、地表感熱通量加熱及潛熱通量加熱。青藏高原高聳的地形可直接加熱對(duì)流層中層大氣,春季高原大氣熱源的主要貢獻(xiàn)來(lái)自地面感熱,而夏季則來(lái)源于地面感熱和潛熱釋放的共同作用[29]。春季的感熱加熱異常信號(hào)可能通過(guò)土壤溫度和濕度的“記憶”[30]及非絕熱加熱——局地環(huán)流的正反饋過(guò)程[31]得到維持,并影響夏季的氣候。當(dāng)春季地表感熱較強(qiáng)(弱)時(shí),夏季高原地表感熱同樣較強(qiáng)(弱)。青藏高原感熱和潛熱加熱對(duì)南亞高壓的形成有重要的作用和影響[32]。當(dāng)青藏高原春季感熱整體異常偏弱(強(qiáng))時(shí),中國(guó)北方上空高度場(chǎng)異常偏高(低),南亞高壓偏弱(強(qiáng)),位置偏西(東),副高異常偏弱(強(qiáng)),位置偏東(西)[33]。

2023年麥?zhǔn)掌谇暗拇杭镜乇砀袩嵬?圖11a)和潛熱通量(圖11b)的距平分布顯示,在30°N附近的伊朗高原至青藏高原的感熱通量和潛熱通量均較強(qiáng),麥?zhǔn)掌诘母袩嵬?圖略)和潛熱通量(圖略)分布也有類似的特點(diǎn)。這種分布有利于麥?zhǔn)掌趯?duì)流層中高層?xùn)|南亞附近暖中心(圖5a)的發(fā)展,及南亞高壓(圖4)的偏強(qiáng)、偏北、偏大和偏東,副高的偏強(qiáng)、偏北、偏大和偏西。

圖11 2023年麥?zhǔn)掌谇暗拇杭痉墙^熱加熱通量(等值線)及距平(填色)通量及其距平單位:W·m-2;(a)為地表感熱通量,(b)為地表潛熱通量

4.2 中高緯阻塞維持的可能機(jī)理

4.2.1 北大西洋海溫對(duì)2023年麥?zhǔn)掌谥懈呔暥茸枞S持的可能影響機(jī)制

前期研究認(rèn)為北大西洋為波能傳播的上游地區(qū),對(duì)下游的波動(dòng)有顯著影響[34]。北大西洋海溫明顯偏高(低)[35]時(shí),上空的空氣柱在下墊面加熱作用下膨脹(收縮),同時(shí)在該海域下游的歐亞500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上激發(fā)出“負(fù)(正)-正(負(fù))-負(fù)(正)”的波列,其中烏拉爾山附近的正(負(fù))高度異?？梢酝ㄟ^(guò)顯著性檢驗(yàn)。負(fù)(正)北大西洋三極子模態(tài)能夠在北大西洋-歐亞中高緯度地區(qū)激發(fā)出一支緯向分布的遙相關(guān)波列,使烏拉爾山和鄂霍次克海高壓脊偏強(qiáng)(弱)[36]。根據(jù)NCC麥?zhǔn)掌诒贝笪餮笕龢O子指數(shù)(NAT),以1倍標(biāo)準(zhǔn)差為閾值,挑選出NAT高值年和低值年,其中高值年有1985、1986、1994、2002、2015和2018年,低值年有1987、1995、1998、2001、2005、2006和2010年,開(kāi)展麥?zhǔn)掌诒贝笪餮笕龢O子的正負(fù)位相年同期500 hPa位勢(shì)高度的差值T檢驗(yàn)(圖12),圖12顯示,麥?zhǔn)掌诒贝笪餮笕龢O子為負(fù)(正)位相時(shí),同期烏拉爾山和鄂霍次克海位勢(shì)高度偏高(低),貝加爾湖位勢(shì)高度偏低(高),歐亞中高緯度呈雙阻(雙阻反位相)的環(huán)流分布特征,其中烏拉爾山和鄂霍次克海地區(qū)的差值可以通過(guò)80%顯著性檢驗(yàn)。2023年麥?zhǔn)掌诒贝笪餮笕龢O子偏弱,有利于烏拉爾山高壓脊和阻塞的發(fā)展。

圖12 麥?zhǔn)掌诒贝笪餮笕龢O子正異常年和負(fù)異常年同期500 hPa位勢(shì)高度的差值T檢驗(yàn)圖中黑實(shí)線所圈區(qū)域?yàn)橥ㄟ^(guò)80%顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域

2023年麥?zhǔn)掌?00 hPa Rossby波作用通量(圖13)顯示,北大西洋為波作用通量輻散區(qū),Rossby波能量由此向東向南頻散,中高緯度存在由大西洋至西太平洋的緯向波列結(jié)構(gòu),“+ - + -”中心分別位于北大西洋、巴倫支海、烏拉爾山和鄂霍次克海附近。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),西太平洋上30°N附近的正擾動(dòng)中心發(fā)展,且與副熱帶地區(qū)的大范圍正擾動(dòng)區(qū)相接,有利于副高加強(qiáng)北進(jìn)。圖13相較于圖12可知,2023年麥?zhǔn)掌?00 hPa上烏拉爾山高壓脊更強(qiáng),范圍更大,以烏拉爾山附近為中心,從伏爾加河附近至貝加爾湖西北側(cè)附近均為通量輻散區(qū),而貝加爾湖東南側(cè)至鄂霍次克海附近則為通量輻合區(qū),輻合中心位于北海道島以北。

圖13 2023年麥?zhǔn)掌?00 hPa準(zhǔn)地轉(zhuǎn)流函數(shù)距平(填色)和波作用通量(箭矢)準(zhǔn)地轉(zhuǎn)流函數(shù)距平單位:106 m2·s-1;波作用通量單位:m2·s-2,小于3 m2·s-2的未顯示

所以北大西洋海溫可以造成2023年烏拉爾山附近高壓脊發(fā)展,但不會(huì)造成伏爾加河附近至貝加爾湖西北側(cè)均為大范圍的位勢(shì)高度正距平及貝加爾湖東南側(cè)至鄂霍次克海附近均為大范圍的位勢(shì)高度負(fù)距平的環(huán)流分布,大氣環(huán)流呈現(xiàn)這種分布特征,顯然還受到了其他動(dòng)力熱力因素的影響。

4.2.2 地面熱源對(duì)2023年麥?zhǔn)掌谥懈呔暥茸枞纬傻目赡苡绊憴C(jī)制

2023年麥?zhǔn)掌谇按杭镜牡乇砀袩嵬?圖11a)和潛熱通量(圖11b)從伏爾加河?xùn)|側(cè)至貝加爾湖附近偏大,根據(jù)兩通量的物理機(jī)制,則有利于烏拉爾山高壓脊的加強(qiáng)且范圍偏大,與2023年麥?zhǔn)掌跒趵瓲柹礁邏杭沟姆秶疽恢?而貝加爾湖以東至西北太平洋的通量總體偏小,則有利于歐亞?wèn)|北部大范圍位勢(shì)高度負(fù)距平的發(fā)展特別是東北冷渦的加強(qiáng)活躍。麥?zhǔn)掌诘乇砀袩嵬?圖略)和潛熱通量(圖略)也有類似的分布特征。

綜上所述,麥?zhǔn)掌诒贝笪餮笳睾捅贝笪餮笕龢O子負(fù)位相在Rossby波的作用下有利于烏拉爾山高壓脊的發(fā)展,但是通常情況下下游的貝加爾湖附近為位勢(shì)高度負(fù)距平,鄂霍次克海為位勢(shì)高度正距平。麥?zhǔn)掌谇暗拇杭竞望準(zhǔn)掌诜鼱柤雍痈浇霖惣訝柡浇乇砀袩岷蜐摕峥傮w較強(qiáng),而貝加爾湖東南側(cè)至鄂霍次克海地表感熱和潛熱總體較弱,在一定程度上導(dǎo)致了500 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上上述區(qū)域分別出現(xiàn)了大范圍的位勢(shì)高度正距平和位勢(shì)高度負(fù)距平。

5 結(jié)論和討論

(1)2023年麥?zhǔn)掌诮邓完幱耆諗?shù)偏多,兩者的全省平均值分別為自1961年以來(lái)的歷史第五位和第二位。造成這一現(xiàn)象的原因是歐亞中高緯度環(huán)流西高東低,烏拉爾山高壓脊持續(xù)發(fā)展并出現(xiàn)階段性阻塞,東北冷渦活躍,有利于冷空氣持續(xù)南下;副高異常偏強(qiáng)、偏北和偏西,來(lái)自副高西北側(cè)的暖濕氣流和持續(xù)南下的冷空氣在河南省交匯。從環(huán)流之間的相互作用看,副高偏強(qiáng)、偏北和偏西的原因是受到了偏強(qiáng)、偏北、偏大和偏東的南亞高壓和偏強(qiáng)、偏北的西風(fēng)急流的引導(dǎo)。而東南亞中高層的暖中心偏大、偏北和偏東且呈東西向帶狀分布,導(dǎo)致了南亞高壓偏強(qiáng)、偏北、偏大和偏東。暖中心和東北冷渦的共同作用,使東亞中高層的氣溫梯度增大,進(jìn)而加強(qiáng)了西風(fēng)急流。

(3)烏拉爾山高壓脊持續(xù)發(fā)展且阻塞頻繁的原因是麥?zhǔn)掌诒贝笪餮蠛貫檎惓?北大西洋三極子為負(fù)位相,海溫和Rossby波的作用導(dǎo)致了烏拉爾山高壓脊持續(xù)發(fā)展。而麥?zhǔn)掌?00 hPa位勢(shì)高度場(chǎng)上伏爾加河至貝加爾湖西北側(cè)的正距平及下游貝加爾湖東南側(cè)至鄂霍次克海的負(fù)距平范圍偏大在一定程度上的原因是麥?zhǔn)掌谇暗拇杭竞望準(zhǔn)掌诘孛娓袩岷蜐摕嵬吭谏鲜鰞傻貐^(qū)分別偏強(qiáng)和偏弱。