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江淮流域梅雨期间大气环流特征及其演变分析

刘丹妮，何金海，姚永红，祁莉

1南京信息工程大学江苏省气象灾害教育部重点实验室，南京，中国

2南京大学大气科学学院，南京，中国

摘要：本研究重点研究了梅雨开始前后大规模环流的演变，分析了与梅雨有关的典型垂直环流模式及其与梅雨雨带的关系。结果表明，梅雨季节典型的垂直环流模式以涡度场中的“双脚”模式，等效潜温场的类台风眼结构，以及等效潜温区域显著的梯度（如梅雨季节经常出现的梅雨锋）为特征。通过跟踪其演变过程，我们发现典型的垂直环流模式是在3月下旬与4月上旬形成的并且其雨带位于长江以南地区。自梅雨开始，这种典型的天气模式和雨带都向北推进，影响江淮流域。此外，梅雨季节形成的典型垂直环流模式已于4月形成，其与东亚和西太平洋的海陆热量差异，表明了雨带与东亚副热带夏季风移动之间的密切关系。

关键词：梅雨，环流结构，东亚副热带夏季风

1 引言

梅雨是一个持续时间长的雨季，其特点是中国东部地区从6月中旬到7月上旬，长江中下游有一个准静止雨带（Zhu 等人，2000）。 梅雨季，在韩国被命名为Changma，在日本被命名为Baiu，是最引人注目的季节性气候现象之一。 梅雨季节大约从6月17日开始，到7月8日结束，持续约22天。 作为中国东部的主要降雨季节，梅雨由于与东亚季风的关系而备受关注（Tao等，1987; Matsumoto，1988,1992; Lee等，1992; Kang等，1999; Zhao等，2007）。 梅雨季节的中止与东亚夏季风的周期性北移密切相关。

东亚副热带夏季风和南海（SCS）夏季风是东亚夏季风的两个分支。东亚副热带夏季风及其相关雨带形成于3月底和4月初。亚热带夏季风的发生特征是经向风的逆转，而SCS的发生特征是纬向风的逆转。关于梅雨雨带的变化是否与东亚副热带季风或南海夏季风有关其实仍存在争议。Chen等人（2004）表明，亚热带梅雨季不同于热带雨季，但它们从春季到夏季依次发生。与亚热带夏季风相关的雨带在4月上旬发展到长江以南，随着南海夏季风爆发后亚热带高压的迁移向北移动。Chen等人（2008）和Zhao等人 （2008）和He等人 （2008）发现了类似的结论，并表明雨带的变化与东亚副热带季风的季节性北进移有关。另一方面，一些研究表明，影响中国东部的大尺度雨带是在南海夏季风爆发后形成的，雨带由于东亚夏季风的季节性迁移因此按时间顺序向北推进（如Liu等，1997; Lian等人，2007）。这项研究的主要目的是进一步研究亚热带夏季风的提前或夏季风的移动是否导致了梅雨季节的发生。

Ding等人（2007）表明，850和200 hPa的风场显示出与梅雨雨带类似的季节性变化。通过分析梅雨季节雨带和典型环流模式的形成过程，有助于研究梅雨雨带与东亚夏季风的关系。在过去，人们已经广泛研究了梅雨季期间大气环流的特征（例如，Chang等，1998; Ding等，2007; Yang等，2010）。很少有研究调查过梅雨发生前与雨带相关的大气环流，特别是涡度场垂直分布的差异。我们将比较梅雨发生前后的季节性环流变化并且定性检测梅雨的典型循环模式。为了探讨东亚夏季风与中国东部雨带季节性变化之间的关系，对梅雨发生前后的涡旋场和涡度场以及温湿度场等大尺度场的变化进行了详细的研究。本研究还将介绍梅雨季节大气环流的典型模式和典型环流模式的形成日期。最后还将讨论东亚季风爆发与雨带季节性发展之间的关系。

2 数据和方法

本研究中使用的数据集包括NCEP / NCAR再分析中的日大气资料，中国753个站的日降水量数据和1954-2001年中国国家气象信息中心确定的长江中下游梅雨参数。 根据梅雨的参数，梅雨季节从6月18日开始。

选择浙江，湖北，安徽，江苏，上海五省代表长江中下游地区，从28°N到35°N，110°E到122°E，即江淮流域。根据这些省份提供的梅雨发生日期，估算了梅雨的平均发生日期。由于各省梅雨发生定义的多样性，梅雨发生日期可能会有显著地差异。例如，1987年邻近的江苏和安徽省提供的梅雨的发生日期分别是6月17日和6月30日。如果五省之间梅雨发生日期的差异在某一年内小于5天，则将选择此年作为资料使用。若梅雨的平均开始日期不可靠，则此年不会被选中使用。例如，1987年不使用。此外，将上述选定年份的平均梅雨发生日期与中国国家气象信息中心的发生日期进行比较。 梅雨的两个发生日期之间的差异小于（大于）5天被认为是一致的（不一致的）年份。

表1列出了所有一致和不一致的年份。 对于这些一致的年份，平均大气环流是通过平均梅雨发生后10天内获得环流的。 结果发现，梅雨发生后10天内的平均大气环流与整个梅雨季节相似。 因此，平均梅雨发生日期可以作为检测大规模梅雨环流演变的基点。 基于五元平均数据，可以研究梅雨季节典型环流模式的形成及其演变过程。

表1 一致和不一致的年份

3 梅雨发生前后的降水、涡度和散度特征

江淮流域大型雨带的形成被认为是梅雨季节的开始。 图1显示梅雨发生前的最大降水区域，即主雨带，位于21o N。梅雨之后主要的雨带向北移动到江淮盆地，大约在30oN位于中国华南的次级最大降水中心。

汇聚作用可以强制进行大规模的垂直运动，将水分输送到降水区域。图2a-b表明，强汇聚区域与最大降水区域完全一致。 梅雨前的最大降水量和强汇聚区均位于长江以南，然后在梅雨后同时向长江流域中下游行进。 在115o E以东，强降雨区域与强汇聚区域相匹配。 在115o E的西部，出现暴雨的区域没有出现强烈的汇聚区域。 然而，经向风分量的幅度为-4x10-6的散度，与这片暴雨区域一致（图2d）。 这可能表明主雨带的演变取决于经向风分量的散度。

梅雨发生（前10天和后10天）前后的风的纬向和经向分量的散度场的演变如图3（a-b）所示。 研究发现，纬向风的发散和经向风的收敛同时发生在低层。 收敛强度和发散强度在梅雨发生前5天开始加强，并在梅雨发生后1天达到最大值。

经向风的收敛幅度大于纬向风的发散幅度，导致低层收敛的发生。在高层次上，散度的变化相对复杂。在梅雨发生的前4天，发散和收敛的强度开始下降。在梅雨发生前2天，经向风的收敛急剧减少，甚至在强度大于纬向风的情况下开始发散。梅雨开始后，经向风的发散逐渐从正值变为负值，但其发散强度小于纬向风。因此，净发散强度在高水平呈现为正值。低层正向风的收敛增强导致净收敛强度增强。同时，经向风的收敛强度的显著减小和纬向风的持续发散在高层产生了的强烈发散。 梅雨发生前后经向风的变化对散度场的变化起主导作用并对降水有显着的贡献。 在梅雨发生前后的低层涡度场总能找到两个分离的正涡度带。 涡度带的东北区位于内蒙古高原上空，没有明显的变化，而正涡度的南部地区仍然位于长江以南，并向北推进到江淮流域，与最大降水带的移动相吻合（图略）。

图1 梅雨前（-10d）和梅雨期间（10d）110°E～120°E平均的日降水量（mm d-1）变化图

图2 梅雨前（a）和梅雨后（b）850 hPa散度（实线，单位为10-6 s-1）、降水（阴影区域，单位为mm d-1）、850 hPa风场（箭头）; 梅雨前（c）和梅雨后（d）850 hPa经向风分量（实线，单位为10-6 s-1）、降水（阴影区域，单位为mm d-1）、850 hPa风场（箭头）

图3 （a）28°N～32°N和110°E～120°E范围内850 hPa散度（times;10^-6 s^-1）的日平均变化平均。D1表示纬向风分量的发散，D2表示子午风分量的发散，D1 D2表示总发散。除200 hPa外（b）与（a）相同

4 梅雨期间的垂直结构和循环，水汽和温度的演变

梅雨季节垂直环流的特征和演变通过梅雨季节平均110 E E至120 E E的剖面分析揭示（图4f），三个主要正涡度带位于对流层的中低层，分别位于南海（SCS，10°N至20°N），江淮流域（25°N至35°N）和内蒙古高原（北纬42°N）。 SCS的正涡度区代表SCS季风的活动，其核心高度（gt;3x10^-6）几乎没有达到对流层的中层。江淮流域和内蒙古高原的正涡度区穿透整个对流层。这两个区域由低层的负涡度区域隔开，但在高层处合并形成了一个整体。这种涡度场的模式被称为“两脚模式”。两脚中的一条指的是江淮流域的正涡度带，另一条指的是内蒙古高原，分别称为南腿和北腿。南腿对应于向上暖空气团和向下冷空气团之间的梅雨锋的界面。正涡度的南支与高度一起向北倾斜，表明斜坡结构在对流层低层有正涡度并且在中高层为负涡度。斜压结构意味着梅雨锋同时位于低层和中层的亚热带高压，而对流层高层则为南亚副热带高压（Zhu等，2000）。两条腿图案的北腿表现为较弱的斜压结构。

我们在图5中的结果与Ding等人总结的梅雨季中的温度场和湿度场的特征大致一致（2007年）。 图5显示，高比湿度区位于对流层低层的梅雨区内。 从经向横截面看，“双脚模式”中的南腿通过整个对流层同时伴有温度脊和湿度脊。“双脚模式”的北腿也与对流层低层的弱温度脊相配。 这种温度分布使得梅雨地区的低层处于低温中。弱温脊的出现意味着位于“南腿”正涡度区南部的温暖潮湿的气团。从等效潜温场可以很容易地发现这一特征（图5f）。theta;se（阴影）的急剧变化区域代表梅雨锋区。在梅雨季节，位于梅雨锋区北部的低theta;se区域表明存在干燥和冷空气团。与此同时，一个高theta;se区位于梅雨锋区的南部，充当温暖湿润的气团。在温暖气团的侧面，theta;se随着高度的降低而减小，表明那里的空气潮湿不稳定。在中层，theta;se是均匀的并且达到最小值。然后theta;se随着对流层高层的高度而增加。这种等效潜温的垂直结构类似于台风眼的结构（Ding et al，2007），其特征是位于整个对流层的温度脊和湿度脊，以及位于梅雨锋南部的theta;se的高值。与梅雨发生后的涡度的垂直结构，温度和湿度相反，涡度场中的“双腿”模式的特征，在温暖和潮湿的一侧的台风眼状垂直结构等温势场中的空气和急剧变化的梯度带也出现在梅雨发生之前，但它们的位置位于对流层低层以南（图5a）。两腿模式中的南腿，大约27°N，在梅雨发生前的正向性方面非常弱，并伴随着一个温度脊和一个湿舌。随着梅雨的出现，双腿模式的南腿在正涡度方面得到增强，并向30°N移动，温度脊和湿舌也一并地变化。具有328k值的theta;se的特征轮廓线向北退，而theta;se的急剧梯度区域从30°N变为33°N.

基于上述分析，梅雨季节的典型环流模式概括如下：（1）涡度场中的“双脚”模式，（2）等效潜温场中的台风眼状结构 ，（3）一个急剧的梯度区域，即梅雨锋。 这些突出的特征发生在梅雨的开始。 它们如何在梅雨发生前后发展？接下来将进一步研究五重平均涡度的垂直结构，等效潜温以及它们与梅雨雨带的关系。

在2月底（图4a），与“双脚”模式相关的正涡度区域位于850 hPa以上。由于该地区冬季大陆高压系统停滞不前，华东地区的负涡度占主导地位。寒冷干燥的空气团改变了该地区的温度和湿度，表明了典型冬季模式的主导地位。同时，温暖潮湿的空气仍然留在正涡度带的南部（图4c）。随着亚热带高压的发展（图6b），“双脚模式”的南腿正涡度区开始向中层移动。同时，长江以南的“双脚”正涡度区停滞在低层，导致“双脚模式”中南腿正涡度带向极区倾斜。因此，一个强大的斜压带开始在长江上形成，正涡度带处于低层而负涡度位于高层（图4d）。同时，另一个正涡度在SCS（南海）上空形成，并在SCS季风爆发后延伸至中层（图4d）。

还证明了等效潜温场的时间变化。在2月底（图5a），代表温暖潮湿的不稳定气团的特征值theta;se等高线328K位于北回归线以南。以低theta;se为代表的干冷空气在华东大陆地区占主导地位。同时，宽广而急剧变化的水平theta;se梯度区位于特征theta;se线的北部，表示着强冷空气以及冬季循环模式。 4月底（图5b），328 K的特征theta;se线向北移动到长江以南，一个亚热带地区。 theta;se的尖锐区域变窄，前区或前区变得更清晰。同时，随着theta;se在低层的增加，不稳定层延伸到850hPa。等效潜温的较小值分别位于theta;se的密集梯度区域（图中的阴影区域）的南部和北部区域周围，其中一个在SCS上方的最小中心位于中层。等效潜温的较大值位于密集梯度区的南部的低层和高层。图5c中形成了“鞍形”等效潜温的典型结构。在南海季风爆发后（图5d），对应于theta;se密集梯度带的相同运动，暖湿气团向北推进，影响了长江以南地区和江淮流域。

因此，涡度，温度和湿度领域的冬季模式在3月底开始发生变化。正涡度区向下延伸至低层。鞍型场逐渐生成等效潜温。对应于减弱的大陆高压的向东移动（图6a），暖空气入侵中国东部的大陆（图5b-f）。 4建立月下旬建立了“双脚型”涡度结构和“鞍型”等效潜温场的循环模式，并且循环模式的特征与梅雨季节的典型模式一致。因此，自4月以来已代表梅雨开始的典型模式，并且典型的环流模式继续向北推进，伴有温暖湿润的气团，影响华南地区和江淮流域。梅雨发生后在涡度，温度和湿度等领域呈现的环流模式与梅雨发生前的相应典型模式非常相似。这种典型的模式在SCS季风爆发后向右移动。

已有多项已发表的研究表明，东亚夏季风的建立与东亚和西北太平洋陆海热对比的季节性逆转密切相关（Guo，1983; Qi等，2007） ）。循环结构的垂直分布表明，在中国南方雨季，梅雨的典型形态逐渐形成，其形成与东亚大陆和西北太平洋的压力差从正值到负值的反向变化时间一致。南海季风爆发后，典型模式随夏季风向北移动，影响南部地区至长江和江淮流域，伴随着中国东部降水带向北移动。因此，“两条脚”的典型模式是一种等效潜温，其垂直结构与自3月下旬和4月上旬以来在梅雨后发现的台风眼中的相似。梅雨季节期间呈现的典型模式被认为是梅雨发生前江淮流域以南的环流向北移动的结果。与东亚热带夏季风形成有关的典型模式的存在是中国东部季节性转变的信号。

图4 110°E--120°E 平均经向垂直剖面图

温度及其脊

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