热带气象学报  2017, Vol. 33 Issue (6): 992-999  DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.020
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引用本文  

许金萍, 王文, 蔡晓军, 等. 长江中下游地区2011年冬春连旱及2013年夏季高温干旱环流特征及其与Rossby波活动的联系对比分析[J]. 热带气象学报, 2017, 33(6): 992-999.DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.020.
许金萍, 王文, 蔡晓军, 等. A comparison of the rossby wave activities and circulation features of the drought in winter-spring of 2011 and in summer of 2013 over mid-lower reaches of the yangtze river basin[J]. JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY, 2017, 33(6): 992-999. DOI: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.020.

资助项目

国家自然科学基金(41275091)资助

通讯作者

王文,男,甘肃省人,教授,主要从事气候诊断和中尺度动力学方面研究。E-mail:wwllw003@126.com

文章历史

收稿日期:2016-07-18
修订日期:2017-03-19
长江中下游地区2011年冬春连旱及2013年夏季高温干旱环流特征及其与Rossby波活动的联系对比分析
许金萍 1,2, 王文 2, 蔡晓军 2, 许志丽 3, 许金星 4     
1. 安吉县气象局,浙江 安吉 313300;
2. 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气候与环境变化国际合作实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏 南京 210044;
3. 内蒙古气象科学研究所,内蒙古 呼和浩特 010051;
4. 敦化市气象局,吉林 敦化 133700
摘要:利用1981—2013年NCEP/NCAR逐日再分析资料及OISST海温月资料,对长江中下游地区2011年冬春连旱及2013年夏季高温、干旱事件的形成机制进行对比分析。结果发现两次干旱事件:(1)均受偏强东亚季风影响,导致冷暖气流无法交汇于长江流域;(2)赤道太平洋海温距平均呈现“西正东负”,加强Walker环流的同时引发局地Hadley环流异常,致使长江流域上空长期受异常下沉气流控制;(3)均与大西洋的Rossby波有关:2011年冬春,受NAULEA遥相关型影响,Rossby波能量向东频散至亚欧大陆东部及太平洋地区堆积,使东亚大槽长期维持在120 °E附近,加强东亚冬季风;2013年夏季,受同为负位相的“silk road”及EAP遥相关型共同作用,源自北大西洋的Rossby波能量能够影响到东亚-太平洋地区,致使西太副高异常西伸,加强东亚夏季风。
关键词长江中下游地区    干旱    Rossby波    遥相关型    
A COMPARISON OF THE ROSSBY WAVE ACTIVITIES AND CIRCULATION FEATURES OF THE DROUGHT IN WINTER-SPRING OF 2011 AND IN SUMMER OF 2013 OVER MID-LOWER REACHES OF THE YANGTZE RIVER BASIN
XU Jin-ping1,2, WANG Wen2, CAI Xiao-jun2, XU Zhi-li3, XU Jin-xing4     
1. Anji Meteorological Bureau, Anji 313300, China;
2. Key Laboratory of Meteorological Disaster, Ministry of Education (KLME)/Joint International Research Laboratory of Climate and Environment Change (ILCEC)/ Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disaster (CIC-FEMD), Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China;
3. Inner Mongolia Meteorological science Institute, Hohhot 010051, China;
4. Dunhua Meteorological Bureau, Dunhua 133700, China
Abstract: Using the daily NCEP/NCAR reanalysis dataset and monthly OISST sea surface temperature data from 1981—2013, the formation mechanism of drought eventsin winter-spring 2011 and summer 2013 in the middle and lower reaches of the Yangtze River Region (MLRYR) is investigated. The results show that both the drought events have the following common points: (1) they were both affected by a strong East Asian monsoon, so the cold and warm air could not converge in the Yangtze River Basin, resulting in the lack of precipitation for this region; (2) the equatorial Pacific SST showed a pattern of "positive in the west versus negative in the east", which strengthened the Walker circulation and caused local Hadley circulation anomalies at the same time, making the MLRYR controlled by abnormal sinking airflow for a long time and the conditions insufficient for producing precipitation; (3) both the events were associated with Rossby waves from the Atlantic ocean. Influenced by NAULEA teleconnection pattern, Rossby wave energy propagated eastward to the east of Eurasian and Pacific region, an East Asia trough maintained in the vicinity of 120 °E for a long time, which strengthened the East Asian winter monsoon and further affected the precipitation of MLRYR in the winter-spring of 2011. With the mutual influence of the negative phases by teleconnections of Silk Road and EAP, the Rossby wave energy accumulated in the eastern Eurasian continent and the Pacific, resulting in WPSH extending abnormally westward, which strengthened the East Asian summer monsoon and further affected the precipitation of MLRYR in summer of 2013.
Key words: mid-lower reaches of the Yangtze River Basin    drought    Rossby waves    teleconnection    
1 引言

干旱是中国最主要的自然灾害之一[1-2],也是短期气候预测的重点及难点,长期以来备受国内外学者关注。近年来,受全球变暖影响,极端旱涝事件发生的频率及强度均有所增加[3-5]。我国长江中下游地区降水受东亚季风影响,时空变化较大[6],属社会依赖型水资源短缺区域[7],干旱事件时常发生,防旱措施相对不足,严重影响社会经济及公众生活。

长江中下游地区2011年冬春及2013年夏季均发生了严重干旱。其中2011年1—5月,受雨量及降水天数不足影响,降水距平达-245 mm,为1961年来的极低值[8],长江中下游大部分地区降水偏少3~8成[9],并于6月初发生旱涝急转[10];2013年7—8月,超38 ℃酷热天气日数为50年来最多,多地出现连续超过40 ℃高温天气,受持续高温天气影响,湖南、江西等地旱情最严重,鄱阳湖、洞庭湖水体面积较常年同期偏小3~4成,农作物受损面积达8 000多亩。对国家粮食安全、社会经济发展、人民生活生产造成极大威胁,引发社会各界高度关注[8-12]

地处东亚季风区,长江中下游的冬夏受不同天气系统影响,降水异常成因较复杂。东亚冬季风偏强易造成我国南方地区少雨[13]。陶诗言等[14-15]指出:我国大陆冬季降水大多由印度及缅甸移来的扰动引起,La Niña年冬季,华南及青藏高原地区降水量偏少,致使晚春及初夏的南亚加热慢,海陆热力差异增大,东亚夏季风偏强。北极涛动(AO)、北大西洋涛动(NAO)、欧亚遥相关(EU)、北大西洋-乌拉尔-东亚(NAULEA)遥相关等大气模态异常对长江中下游地区冬春降水有重要影响[16-21]。6月东亚夏季风开始控制我国长江中下游地区,通过与东亚副热带西风急流位置相互作用,影响冷暖空气交汇位置,此外夏季东亚太平洋(EAP)、丝绸之路(Silk Road)、东大西洋(EA)等遥相关型与我国东部夏季降水关系密切[22-27]。梅伟等[28]发现1951—2001年整个长江中下游地区的年降水日数为显著的减少趋势,而年降水强度显著增加,其中冬、春、秋3季的减少趋势均很显著。康俊[29]的研究也表明,近年来江苏省有向干旱转变的趋势,其中长江沿岸和苏南地区最显著;春季和秋季较明显。柳艳菊等[30]预估,长江中下游地区大范围旱涝连续出现和交替出现的可能性很小,但在2010—2020年代的长江中游地区将是干旱多发期。

到目前为止,已有许多学者对长江中下游地区2011年冬春及2013年夏季两次干旱事件的异常特征进行过研究[8-10, 31-36],认为干旱天气是受到东亚季风、海温、青藏高原热力异常、脆弱的自然生态环境以及人为因素等共同作用形成的。而对这两次发生在不同环流背景场的干旱事件之间存在何种异同之处?并未作出更多分析。通过对这两次干旱事件进行对比分析能更加深入地总结长江流域干旱事件的环流特征及其形成机理,具有非常重要的科学意义和实用价值。因此,本文利用1981—2013年NCEP/NCAR再分析资料,针对长江中下游地区2011年冬春连旱及2013年夏季高温干旱特征进行对比分析,并尝试从Rossby波能量频散与不同遥相关型相互配置的角度探究其作用机制的异同之处,为进一步了解长江地区干旱的形成机制提供参考依据。

2 资料与方法 2.1 资料

本文选用NCEP/NCAR提供的1981—2013年垂直方向1 000~10 hPa共17层等压面的风场、高度场、温度场、气压场和垂直方向1 000~100 hPa共12层的垂直速度场以及垂直方向1 000~300 hPa共8层的相对湿度场及向外长波辐射场,水平空间分辨率为2.5 °×2.5 °的逐日再分析资料。海温资料选取美国NOAA提供的最优插值海温月资料(OISST)[34, 37],时间为1981年12月—2016年2月,水平分辨率为1 °×1 °。本文气候平均值选取的时段为1981—2010年(海温要素气候平均值选取时段为1982—2011年)。

2.2 分析方法

利用三维波作用通量[38-39](又名TN通量)研究中高纬度Rossby波扰动能量的转播特征,其在对数气压坐标中的公式为:

$ \mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}} \over W} = \frac{p}{{2000\left| {\mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}} \over U} } \right|}}\left( \begin{array}{l} u\left( {{u'^2}- \psi '{{v'}_x}} \right) +v\left( {- u'v' +\psi '{{u'}_x}} \right)\\ u\left( {- u'v' +\psi '{{u'}_x}} \right) +v\left( {{{u'}^2} +\psi '{{u'}_y}} \right)\\ \frac{{{f_0}{R_a}}}{{{N_2}{H_0}}}\left[{u\left( {v'T'-\psi '{{T'}_x}} \right) +v\left( {-u'T'-\psi '{{T'}_y}} \right)} \right] \end{array} \right), $

其中,ψ′是准地转扰动流函数,$\mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}} \over V} $′=(u′, v′)为扰动准地转风,$\mathord{\buildrel{\lower3pt\hbox{$\scriptscriptstyle\rightharpoonup$}} \over U} $=(u, v)为基本流场,P为气压(单位:hPa),H0为标高,T为温度,N2=$\frac{{{R_a}{P^k}}}{H}\frac{{\partial \theta }}{{\partial z}}$是Brunt-Vaisala频率(θ是位温,Ra是干空气气体常数,kRa决定)。

3 环流形势分析 3.1 高低空风场

通过对长江中下游地区2011年冬春(2月10日—5月19日,下同)及2013年夏季(7月25日—8月25日,下同)高低空距平场(图 1)进行分析发现,两次干旱事件均存在冷暖空气不匹配现象。2011年冬春在亚洲东部地区整体受到偏北气流影响:东亚冬季风偏强、寒潮活动较多、冷空气异常强大(图 1a);由200 hPa(图 1b)可以看出:青藏高原南侧出现东风距平、北侧出现西风距平,说明南支西风较常年偏弱,致使长江中下游地区冷空气偏强而暖湿空气不足,不易形成降水。与2011年冬春相类似,2013年夏季我国华南、华东及华北部分地区均受异常南风影响:东亚夏季风偏强,长江中下游地区暖湿气流强大(图 1c);由200 hPa(图 1d)可以看出:我国西北-蒙古高原-我国东北地区40 °N以北呈现东西向平直异常西风带,东亚副热带西风急流异常偏北,致使来自北部的冷空气不易南下,长江中下游地区暖湿气流偏强而冷空气不足,不易形成降水。

图 1 2011年冬春(a、b)和2013年夏季(c、d)的850 hPa矢量风距平场(箭矢)及经向风距平场(等值线)(a、c)和200 hPa矢量风距平场(箭矢)及纬向风距平场(阴影)(b、d) 单位:m/s。
3.2 水汽及其散度特征

长江中下游地区水汽输送特征受东亚季风影响显著,来自孟加拉湾-中南半岛及来自低纬西太平洋-我国东南沿海的水汽输入是我国长江流域水汽的主要来源。通过对比分析850 hPa水汽通量输送场及散度异常场可以看出两次干旱事件具有显著差异。

2011年冬春(图 2a),受来自太平洋及印度洋的水汽源较常年偏少和偏强东亚冬季风的影响,暖湿气流无法有效深入我国内陆,致使我国东部地区及南海北部均为水汽通量负距平。长江中下游地区虽处于水汽辐合区(图 2b),但均受辐散异常带控制,湖南、江西和湖北等地处于异常辐散中心,不利于降水的形成。2013年夏季(图 2c),受偏强东亚夏季风影响,源自印度洋及太平洋的水汽较常年偏多,两条水汽输送带与我国东南沿海水汽汇合并向北输送至华北及东北等地,长江中下游地区水汽输送较常年偏多,呈现水汽通量正距平。其中湖南、湖北、江西、安徽大部和江苏大部均处于水汽异常辐合区(图 2d)。虽然长江流域水汽充足,却仍然发生高温干旱,因而有必要对其上空垂直气流做进一步的分析。

图 2 2011年冬春(a、b)和2013年夏季(c、d)的850 hPa水汽通量输送场(箭头)及其距平(阴影)(a、c,单位:kg/(cm·s))和水汽通量散度(阴影)及其距平(等直线)(b、d,单位:10-9kg/(hPa·cm2·s),正/负值表示异常辐合/散)
3.3 OLR及海温特征

长江中下游地区降水与低纬度地区大规模对流活动关系密切,通过对比分析OLR距平场发现:2011年冬春(图 3a)及2013年夏季(图 3b),长江中下游地区上空均处于OLR正距平区。这意味着该区对流偏弱、受下沉气流控制。南海及北太平洋西部地区均呈现OLR负距平,对流活跃,引发局地Hadley环流,致使长江中下游地区长期处于异常下沉区,缺少降水的必要条件。此外气流下沉带来的增温亦是2013年夏季长江流域高温干旱迅速发展的重要原因。

图 3 2011年冬春(a)和2013年夏季(b)的600 hPaOLR距平 单位:W/m2。负值代表对流活跃。

通过对比两次干旱事件发生时的海温特征发现:2011年冬春(图 4a)与2013年夏季(图 4b)海温分布均与PDO冷位相分布相似,即赤道中东太平洋呈现海温负异常,中纬度北太平洋呈现海温正异常。通过比对600 hPa OLR距平场(图 3)可知,低纬度西太平洋地区为Walker环流上升支的对流活跃区,受下垫面海温异常影响,Walker环流及以Walker环流上升支形成的Hadley环流均有所加强,致使Hadley环流的下沉气流长期稳定在长江中下游地区上空。

图 4图 3,但为SST距平 单位:℃。

值得注意的是2011年冬春(图 4a)北大西洋海温距平由南至北呈现“+-+”分布,与北大西洋涛动(NAO)海温特征相吻合。其与欧亚大陆(EU)遥相关型等相互作用,致使波列由北大西洋传播到东亚地区,影响东亚冬季风。2013年夏季(图 4b)赤道印度洋呈现海温正异常,致使越赤道流加强,东亚夏季风偏强;加之北大西洋中纬度地区海表温度异常偏高,能通过遥相关波列改变东亚副热带西风急流南北位置,进而对长江中下游气候异常产生影响。

3.4 Rossby波频散与遥相关响应

对流层中上层,Rossby波的能量由西北大西洋或东欧平原向东至东亚及北太平洋地区频散,对影响我国夏季气候的重要天气系统起着形成与维持的重要作用。通过对2011年冬春及2013年夏季干旱时期对流层不同高度Rossby波列及波作用通量进行分析发现:两次干旱事件欧亚大陆上空中高纬度均存在自西向东整齐排列的遥相关波列(图 5),且90 °E以东波列呈现斜压结构(图 6),致使北大西洋的Rossby波能量堆积至东亚地区,影响东亚季风系统(2011年冬春加深东亚大槽、2013年夏季加强西太副高),进而引发我国东部气候发生变化。

图 5 2011年冬春(a~c)和2013年夏季(d~f)的200 hPa(a、d)、500 hPa(b、e)和850 hPa(c、f)的波作用通量(箭头,单位:m2/s2)及高度距平场(阴影,单位:dgpm)
图 6 2011年冬春50~65 °N(a)和2013年夏季35~50 °N(b)的平均纬向垂直波作用通量(箭头,单位:m2/s2,垂直分量放大10 000倍)及高度距平场(阴影,单位:dgpm)剖面

Rossby波在球面大气的传播路径满足Hoskins等[40]提出的:当波的纬向波数越小(大)时,其在传播过程中出现的最大振幅纬度位置就越高(低)。较之夏季,冬春季节波长较长、波数较小、传播路径纬度位置偏高。2011年冬春(图 5a~5c)对流层中上层源自北大西洋的Rossby波列位于55 °N附近,自北大西洋北部-格陵兰岛-东欧平原-中西伯利亚高原-日本群岛呈现“-+-+-”高度异常中心,形成类似NAULEA(北大西洋-乌拉尔-东亚)遥相关型。与此同时,北大西洋海温(图 4a)由南至北呈现“+-+”异常,与NAO结构吻合。Rossby波能量由北大西洋东传至蒙古高原及日本群岛附近堆积,加强正负位势高度距平场,使得东亚大槽加深并持续稳定在120 °E以东、东亚冬季风偏强。长江中下游地区位于槽后,受东亚寒潮扰动较多,偏北气流异常强大;北太平洋西部(图 5b)呈现位势高度负距平,说明西太副高较弱、北上暖湿空气不足、冷暖气流无法交汇于长江中下游地区。加之受下沉气流影响(图 3a),致使2011年冬春发生持续干旱。

2013年夏季同时受到两种遥相关型共同作用:(1)位于45 °N附近的源自北大西洋的Rossby波列(图 5d~5f),由北美东部-北大西洋中部-北大西洋东部-西北欧-东欧平原-西西伯利亚平原-中西伯利亚-东亚沿岸-西北太平洋呈现“-+-+-+-+-”高度异常中心的负“silk road”遥相关型;(2)自我国长江中下游地区-日本海-鄂霍茨克海呈现的“+-+”高度异常中心的负EAP遥相关型。两遥相关型共同作用,使得源自北大西洋西部的Rossby波向东频散至东亚-太平洋地区堆积,加强了日本列岛及鄂霍茨克海附近位势高度异常中心,对负EAP事件的长时间维持及西太副高的异常发展起重要作用。与此同时,亦有源自南海-菲律宾地区的Rossby波向长江中下游及日本地区频散,有利于负EAP遥相关结构的稳定,促使副热带高压异常强大且稳定地控制我国长江中下游地区,进而引发极端高温干旱事件。

从两次干旱事件的纬向垂直剖面可更清晰看出:能量均自北大西洋扰源发出,传播至对流层中高层,东传至90 °E以东地区有所堆积。2011年冬春(图 6a)Rossby波于北大西洋60 °W附近被激发,在90 °E及130 °E附近上空堆积,槽后正异常及槽前负异常均有加强,致使东亚大槽加深并长期稳定于120 °E附近;2013年夏季(图 6b)Rossby波的激发源地相对较西,位于北美大陆东部-北大西洋西侧,在越过青藏高原时能量被再次抬升,东传至100 °E及120 °E上空附近堆积,加强日本海-我国东北地区及我国长江流域上空对流层中高层负、正位势高度异常中心。造成负EAP遥相关型长期维持、西太副高异常发展影响长江中下游地区。

4 结论

本文选用NCEP/NCAR逐日再分析资料及OISST海温月资料,对长江中下游地区2011年冬春及2013年夏季的大气环流、海温异常及Rossby波频散与大气遥相关之间相互作用进行对比分析。

(1)两次干旱事件均受偏强东亚季风的影响,不利于冷暖空气在长江中下游地区交汇形成降水。2011年冬春,东亚冬季风偏强而高原南侧西风扰动较弱,致使长江中下游地区冷空气强大而暖湿空气不足;2013年夏季,东亚夏季风偏强且东亚副热带西风急流异常偏北,致使雨带北移,长江流域暖湿气流强大而冷空气不足。

(2)长江中下游地区降水与低纬度太平洋海温异常引发的大规模对流活动关系密切。两次干旱事件的赤道太平洋海温距平均呈现出“西正东负”,在加强Walker环流的同时引发局地Hadley环流异常,致使长江流域上空长期受异常下沉气流控制,导致降水条件不足。2011年冬春,长江流域水汽偏少且受下沉气流影响;2013年夏季,长江流域虽然水汽充足但受下沉气流影响,是高温干旱迅速发展的重要原因。

(3)源自北大西洋的Rossby波能量可以通过亚欧大陆上空自西向东排列的遥相关波列向东频散至东亚-太平洋地区堆积,加深东亚季风系统成员、加强东亚季风从而影响东亚地区气候,是导致长江中下游两次干旱事件发生的重要原因。2011年冬春,受NAULEA遥相关型影响,Rossby波能量向东频散至亚欧大陆东部及太平洋地区堆积,使东亚大槽长期维持在120 °E附近,冷空气扰动频繁,暖湿空气不易北上;2013年夏季受同为负位相的“silk road”与EAP两种遥相关型共同作用,堆积至东亚-太平洋地区的能量加强了西太副高以及负EAP遥相关型对流层中上层的两个中高纬度位势高度异常中心,致使西太副高长期控制我国长江流域,引发高温干旱天气。

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