2020 年長(zhǎng)江中下游地區(qū)梅汛期強(qiáng)降水特征及其與對(duì)流層上層斜壓Rossby 波的關(guān)系

孫思遠(yuǎn) 管兆勇

1 南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/氣候與環(huán)境變化國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210044

2 中國(guó)氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報(bào)中心, 北京 100081

3 國(guó)家氣象中心, 北京 100081

1 引言

梅雨是東亞夏季風(fēng)向北推進(jìn)時(shí)于我國(guó)東部地區(qū)產(chǎn)生的現(xiàn)象。梅雨通常發(fā)生于初夏（6 月中旬至7月上旬），其在雨季的降水量級(jí)、分布、持續(xù)時(shí)間及雨帶移動(dòng)方面有特殊表現(xiàn)（Wang and Lin, 2002;俞亞勛等, 2013; 陳艷麗等, 2016; 唐玉和李棟梁,2020），且存在較大的年際和年代際變化（魏鳳英和謝宇, 2005; 梁萍等, 2018）。長(zhǎng)江中下游地區(qū)梅汛期降水在1970s/1980s 和1990s/2000s 存在兩次轉(zhuǎn)折，分別是少梅期向多梅期、多梅期向少梅期的轉(zhuǎn)變（蔣薇和高輝, 2013; 柏玲等, 2015），同時(shí)，有研究發(fā)現(xiàn)該地區(qū)梅雨期長(zhǎng)度通常與梅雨期的降水量成正比（郝志新等, 2009）。2020 年梅雨季持續(xù)時(shí)間（62 天），與2015 年并列，是1961 年以來(lái)歷史最長(zhǎng)的梅雨季。超長(zhǎng)梅汛期（6～7 月）使得我國(guó)遭遇了1998 年以來(lái)最為嚴(yán)峻的汛情，洪澇災(zāi)害致使28 個(gè)省份7000 多萬(wàn)人次受災(zāi)。受持續(xù)性的強(qiáng)降水影響，中央氣象臺(tái)自6 月2 日至7 月11 日連續(xù)發(fā)布暴雨預(yù)警，長(zhǎng)江流域在梅汛期更是發(fā)生了3 次編號(hào)洪水，洪水嚴(yán)重地威脅了長(zhǎng)江中下游地區(qū)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。幸運(yùn)的是，由于三峽水利工程的建成、近年河湖調(diào)蓄能力的上升以及各部門(mén)的聯(lián)合部署，2020 年梅汛期的受災(zāi)損失要遠(yuǎn)小于1998 年。盡管如此，為了進(jìn)一步提高梅汛期強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)能力，并為防災(zāi)減災(zāi)提供技術(shù)支持，具體分析2020 年梅汛期強(qiáng)降水的成因仍是十分必要的。

前人針對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)梅汛期強(qiáng)降水的成因已展開(kāi)了大量工作。東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)的配置對(duì)梅汛期的持續(xù)時(shí)間和降水強(qiáng)度均有很大影響（Li et al.,2001; 梁萍等, 2007; 丁婷和高輝, 2020）。例如，南海夏季風(fēng)弱年，長(zhǎng)江中下游地區(qū)多雨（吳尚森等,2003）；西太平洋副熱帶高壓（西太副高）異常對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的梅雨期降水量亦有很大的影響（錢(qián)代麗和管兆勇, 2020），西太副高強(qiáng)度的增強(qiáng)（陳菊英等, 2006）和位置的異常偏西（鄧汗青和羅勇, 2013）可能會(huì)觸發(fā)異常偏多的降水。梅汛期降水強(qiáng)度和位置還與梅雨鋒及鋒面上的中尺度系統(tǒng)活動(dòng)有關(guān)，對(duì)流單體的列車(chē)效應(yīng)易造成持續(xù)性的降水異常（趙玉春, 2011; 趙宇等, 2018），而梅雨鋒生強(qiáng)度的年際變化與梅雨發(fā)生時(shí)間也較為一致（侯俊和管兆勇, 2013）。此外，青藏高原對(duì)流系統(tǒng)的東移和西南低渦的觸發(fā)，對(duì)梅雨鋒地區(qū)強(qiáng)降水十分有利（傅慎明等, 2011; Li et al., 2021）。吳志偉等（2006）分析梅汛期降水和前期春季南半球年際模態(tài)時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩者存在很好的正相關(guān)，而前期春季南半球年際模態(tài)又與東亞大氣環(huán)流異常聯(lián)系密切。還有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，全球海溫與長(zhǎng)江中下游地區(qū)梅雨在不同時(shí)間尺度上的相關(guān)性較好，且較長(zhǎng)時(shí)間尺度的相關(guān)更為顯著（周麗和魏鳳英, 2006）；處于發(fā)展位相的El Ni?o 事件通常有利于長(zhǎng)江中下游夏季降水偏多，同期的河套地區(qū)和印度中部地區(qū)降水偏少（Zhang et al., 2021）；祁莉等（2014）在分析前期西太平洋暖池和長(zhǎng)江中下游地區(qū)夏季降水時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩者的顯著負(fù)相關(guān)超前2 個(gè)季節(jié)。

除了上述研究所揭示的梅雨的成因和影響因子，長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水異常與對(duì)流層上層斜壓Rossby 波活動(dòng)的聯(lián)系也有尤為密切的聯(lián)系（Cholaw et al., 2008; 楊寧等, 2020）。斜壓Rossby 波及其在一定條件下組織成的波包是中緯度高影響天氣變化的重要預(yù)報(bào)因子和制造者。Rossby 波的下游發(fā)展等理論也被廣泛應(yīng)用（陶詩(shī)言等, 2010），Rossby波及斜壓波包通常沿高空副熱帶急流較為連貫的傳播，斜壓波包可能為下游地區(qū)提供異常降水所需的擾動(dòng)能量（劉思佳等, 2018）。以1998 年為例，長(zhǎng)江流域的強(qiáng)降水配合著更為頻繁、維持時(shí)間更久的波包活動(dòng)（譚本馗和潘旭輝, 2002），且與梅雨較弱的1997 年相比，1997 年的波包活動(dòng)沒(méi)有明顯上游效應(yīng)（梅士龍和管兆勇, 2009）。葉德超等（2019）以2016 年為例得到類(lèi)似的結(jié)論，發(fā)現(xiàn)2016 年長(zhǎng)江中下游地區(qū)強(qiáng)降水與斜壓波包存在信息傳遞，是導(dǎo)致當(dāng)年梅雨期強(qiáng)降水發(fā)生的成因之一。而影響長(zhǎng)江中下游地區(qū)梅汛期各次強(qiáng)降水過(guò)程的Rossby 波源有所不同（李慧等, 2019），但大多源于上游地區(qū)。此外，在年際和年代際尺度上，Rossby 波列對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水的影響分別表現(xiàn)出局地性和連續(xù)性，且擾動(dòng)能量對(duì)該地區(qū)的影響也有很大不同（李明剛等, 2016）。

綜上所述，已有眾多針對(duì)上游波包活動(dòng)對(duì)位于下游的長(zhǎng)江中下游地區(qū)梅汛期降水異常的影響的相關(guān)研究，但2020 年該地區(qū)梅汛期強(qiáng)降水是否仍與對(duì)流層上層Rossby 波活動(dòng)有關(guān)，還需進(jìn)一步明確，這也有助于驗(yàn)證前人的相關(guān)結(jié)論并為未來(lái)梅汛期強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)提供線索。

2 資料和方法

本文的研究時(shí)段為2020 年梅汛期，使用的資料有：（1）NCEP/NCAR 逐日再分析資料，使用的變量有經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)、垂直速度、位勢(shì)高度、比濕等，資料水平空間分辨率為2.5°×2.5°；（2）NCEP/Climate Prediction Center 全球逐日降水量網(wǎng)格數(shù)據(jù)集（CPC Global Unified Gauge-Based Analysis of Daily Precipitation），資料水平空間分辨率為0.5°×0.5°；（3）國(guó)家氣候中心公布的西太副高脊線位置的逐日變化序列。

各變量的異常定義為該變量與其氣候平均值之間的偏差，并采用1981～2010 年共30 年的平均值作為氣候平均（逐日氣候場(chǎng)）。采用Morlet 小波分析方法（Torrence and Compo, 1998）和Lanczos濾波器（Duchon, 1979），在分析時(shí)間序列的周期特征后對(duì)變量進(jìn)行帶通濾波。

中緯度對(duì)流層上層（300 hPa）斜壓波的典型波數(shù)具有年際差異（Ye et al., 2019），因而在分析波包前，需要先確定2020 年擾動(dòng)經(jīng)向風(fēng)或?yàn)V波后的經(jīng)向風(fēng)的緯向波數(shù)。之后采用Hilbert 變換來(lái)做包絡(luò)分析（Zimin et al., 2003），波包絡(luò)的表達(dá)式為Ve=abs(v′+iv?′)， 其中，v′表示300 hPa 的擾動(dòng)經(jīng)向風(fēng)或?yàn)V波后的經(jīng)向風(fēng)，v?′表 示v′的Hilbert 變換，所得的Ve則表示波包參數(shù)。

波作用通量是診斷Rossby 波能傳播的有力工具。Takaya and Nakamura（2001）推導(dǎo)了三維波作用通量，可以用來(lái)對(duì)大氣Rossby 波擾動(dòng)能量的傳播特征進(jìn)行診斷（Nishii and Nakamura, 2005），其水平分量在p坐標(biāo)中的表達(dá)式為

3 2020 年梅汛期降水時(shí)空特征和環(huán)流背景特征

2020 年我國(guó)梅汛期降水主要集中在長(zhǎng)江流域，大值中心位于安徽南部，總降水量超過(guò)1400 mm（圖1a，等值線），其中安徽黃山地區(qū)連續(xù)降水日數(shù)突破歷史極值。從降水異常場(chǎng)中（圖1a，陰影）則可以看出，在華南、華北東部和東北東南部降水異常偏少，在長(zhǎng)江流域和東北北部降水異常偏多，降水異常偏多的大值中心同樣位于安徽南部，降水量偏多超過(guò)900 mm，因此，本文選擇降水量和降水正異常的大值中心（29.25°N～32.25°N，114.75°E～119.25°E）作為主要研究區(qū)域（圖1a，橘色矩形框，記為Box-A）。從垂直環(huán)流異常場(chǎng)（圖1b）中可以看出，在15°N 附近的對(duì)流層上層300 hPa 為異常場(chǎng)的正值中心，對(duì)應(yīng)較強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng)，而在長(zhǎng)江中下游地區(qū)30°N 附近的對(duì)流層中層為負(fù)值中心，說(shuō)明此處有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，有利于強(qiáng)降水的發(fā)生。同時(shí)，從整層積分（地面至300 hPa）的水汽通量散度場(chǎng)（圖1c）中可以看出，水汽從孟加拉灣和中國(guó)南海傳送至長(zhǎng)江中下游地區(qū)，并在此處匯聚，這為強(qiáng)降水的發(fā)生提供了足夠的水汽條件。

圖1 2020 年梅汛期（a）中國(guó)東部地區(qū)總降水量（等值線，單位：mm）和降水距平（陰影，單位：mm）分布，藍(lán)色粗實(shí)線為長(zhǎng)江和黃河；（b）112.5°E～120°E 緯向平均的經(jīng)向環(huán)流異常場(chǎng)（流線）、位勢(shì)高度異常場(chǎng)（等值線，單位：gpm）和垂直速度異常場(chǎng)（陰影，單位：10-2 Pa s-1）的垂直剖面；（c）整層積分的水汽通量散度（陰影，單位：106 kg s-1）及其輻散分量（箭頭，單位：kg m-1 s-1）和旋轉(zhuǎn)分量（流線，單位：kg m-1 s-1）。（a）和（c）中的橘色矩形框?yàn)楸疚乃x的研究范圍Fig. 1 (a) Total precipitation (contours, unit: mm) and precipitation anomalies (shaded, units: mm) in eastern China during the 2020 Meiyu period;the thick blue line denotes the Yangtze River and Yellow River; (b) anomalous meridional circulation (streamlines), anomalous geopotential height(contours, units: m), and anomalous vertical velocity (shaded, units: 10-2 Pa s-1) in vertical profiles; (c) water vapor flux divergence (shaded, units:106 kg s-1) and its radiative dispersion component (arrows, units: kg m-1 s-1) and rotational component (streamlines, units: kg m-1 s-1) for the wholelayer integral. The orange rectangular boxes in (a) and (c) represent the study areas

從Box-A（即長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水的主體區(qū)域）區(qū)域平均的降水時(shí)間序列中，可以發(fā)現(xiàn)該地區(qū)明顯的降水過(guò)程有7 次（圖2a），且自6 月1 日至7月31 日，梅汛期的7 次降水過(guò)程較為連續(xù)，因而造成了長(zhǎng)江中下游地區(qū)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。西太副高的脊線位置在8 月初北跳，此時(shí)雨帶離開(kāi)長(zhǎng)江中下游地區(qū)，華北東北地區(qū)進(jìn)入汛期。選擇每次降水過(guò)程降水量級(jí)最大的那天作為極值日（表1），極值日的平均總降水量與其前一日相比明顯增強(qiáng)，同樣也在安徽南部存在大值中心，最大值超過(guò)45 mm d-1（圖2b），這一結(jié)論也進(jìn)一步證明了我們所選區(qū)域的合理性。此外，發(fā)生在7 月的最后兩次降水過(guò)程的極值日與長(zhǎng)江2 號(hào)（7 月17 日）和3 號(hào)洪水（7 月26 日）有較好的對(duì)應(yīng)，雖然長(zhǎng)江流域1 號(hào)洪水當(dāng)日（7 月2 日）的降水量也較大，但此次過(guò)程的極值日在7 月5 號(hào)（表1）。

圖2 2020 年梅汛期（a）長(zhǎng)江中下游地區(qū)區(qū)域平均的逐日降水量（左側(cè)縱坐標(biāo)軸，單位：mm）和西太副高的脊線位置（右側(cè)坐標(biāo)軸，藍(lán)色實(shí)線）的時(shí)間序列，其中（a）中紅色實(shí)線表示三點(diǎn)滑動(dòng)平均降水量，黑色柱狀為每次過(guò)程的極值日；（b）極值日與其前一日降水量之差的分布（單位：mm d-1），橘色矩形框?yàn)楸疚乃x的研究范圍Fig. 2 The time series of (a) the regional average of daily precipitation (left Y-axis, units: mm) and the position of the ridge of the western Pacific(right Y-axis, blue solid line) paramount in the middle and lower reaches of the Yangtze River during the 2020 Meiyu period, where the red solid line in(a) indicates the three-point sliding average precipitation, and the black bar denotes the extreme day of each process; (b) the distribution of the difference between the extreme day and the precipitation of the previous day (units: mm d-1). The orange rectangular box denotes the selected study range

表1 長(zhǎng)江中下游地區(qū)區(qū)域平均的7 次降水過(guò)程極值日的日期、降水量和西太副高的脊線位置Table 1 Dates of 7 extremes of precipitation and the corresponding amount precipitation in the middle and lower reaches of the Yangtze River, as well as the ridge location of the western Pacific subtropical high

環(huán)流異常決定了持續(xù)性強(qiáng)降水的分布。由圖3a–c 可以看出，對(duì)流層低層的異常環(huán)流在中國(guó)東部地區(qū)自南向北呈“反氣旋—?dú)庑礆庑钡乃椒植迹挥谖魈窖蟮漠惓７礆庑齽t可能攜源自中國(guó)南海的水汽為長(zhǎng)江中下游地區(qū)提供異常強(qiáng)降水所需的充足水汽，此外，長(zhǎng)江中下游地區(qū)低空盛行異常西南風(fēng)（圖3a）；在對(duì)流層中上層，中國(guó)南方地區(qū)則主要受異常反氣旋性環(huán)流控制，長(zhǎng)江中下游地區(qū)上空盛行偏西風(fēng)（圖3b 和3c）。長(zhǎng)江中下游地區(qū)在對(duì)流層中低層有明顯的輻合，在對(duì)流層上層有明顯的輻散，有利于異常上升運(yùn)動(dòng)的形成和維持。高空亞洲西風(fēng)急流帶呈東西走向（圖3d），連貫性好且西風(fēng)帶中的西風(fēng)較強(qiáng)，軸線位于37.5°N附近。在里海和日本海附近分別有明顯的西風(fēng)大值區(qū)，對(duì)應(yīng)的是急流入口區(qū)和出口區(qū)。整體而言，高空的環(huán)流形勢(shì)利于Rossby 波及其在一定條件下組織成的波包沿這條波導(dǎo)向下游傳播（Ambrizzi andHoskins, 1997）。

圖3 2020 年梅汛期（a）850 hPa、（b）500 hPa、（c）300 hPa 高度上異常旋轉(zhuǎn)風(fēng)場(chǎng)（流線，單位：m s-1）、輻散風(fēng)場(chǎng)（箭頭，單位：m s-1）和散度（陰影，單位：10-6 s-1）分布以及（d）300 hPa 高度上的環(huán)流場(chǎng)，（d）中陰影為緯向風(fēng)，等值線為經(jīng)向風(fēng)，箭頭為流場(chǎng)（單位：m s-1），黃色虛線為急流軸Fig. 3 Anomalous circulations at (a) 850 hPa, (b) 500 hPa, and (c) 300 hPa; (d) circulation at 300 hPa during the 2020 Meiyu period. (a), (b), and (c)show the divergence (shaded, units: 10-6 s-1), rotational component (streamlines, units: m s-1), and divergent component (arrows, units: m s-1) of the anomalous winds. (d) shows the latitudinal wind (shaded, units: m s-1) and meridional wind (contours, units: m s-1); the arrow denotes the flow field(units: m s-1), and the yellow dashed line denotes the westerly jet-stream axis

為進(jìn)一步了解擾動(dòng)變化過(guò)程，需對(duì)7 次過(guò)程極值日（day0；表1）及其前/后4 天（day-4/day+4）的環(huán)流場(chǎng)進(jìn)行合成分析。在極值日前后四天的850 hPa合成環(huán)流距平場(chǎng)中可以看出：在day-4 時(shí)，Box-A受反氣旋性環(huán)流控制，在Box-A 的西北側(cè)有一氣旋性環(huán)流，該地區(qū)上空主要為西南風(fēng)（圖4a）；在day-3 和day-2 時(shí)，Box-A 受氣旋性環(huán)流控制，上空主要為西北風(fēng)或偏北風(fēng)（圖4b 和c），氣旋性環(huán)流中心西移減弱；在day-1 時(shí)，Box-A 受中心位于菲律賓群島的反氣旋性環(huán)流控制，上空主要為西南風(fēng)（圖4d）；在day0 時(shí)，Box-A 南側(cè)受中心位于中國(guó)南海的反氣旋性環(huán)流影響，北側(cè)受中心位于外興安嶺附近的氣旋性環(huán)流影響，反氣旋環(huán)流中心與前一日相比有明顯的增強(qiáng)北抬，同時(shí)，氣旋性環(huán)流中心局地增強(qiáng)顯著，在Box-A 上空存在西北風(fēng) 和 西 南 風(fēng) 的 輻 合（ 圖4e）； 在day+1 和day+2 時(shí)，Box-A 受中心位于中國(guó)東北的氣旋性環(huán)流控制，上空主要為西南風(fēng)（圖4f 和g），氣旋性環(huán)流中心有明顯南移；在day+3 時(shí)，Box-A 受中心位于朝鮮半島的氣旋性環(huán)流影響，環(huán)流中心繼續(xù)南移，上空主要為東北風(fēng)（圖4h）；在day+4 時(shí)，Box-A 受中心位于黃海附近的反氣旋性環(huán)流控制，上空主要為偏東風(fēng)（圖4i）。

概括起來(lái)，850 hPa 上位于低緯度菲律賓附近的異常反氣旋（圖4 中的紫色圓點(diǎn)）在day-4 至day+4 的9 天時(shí)間里存在逐步且連續(xù)的西伸過(guò)程，中高緯度（50°N～60°N）處存在異常反氣旋（圖4中粉色圓點(diǎn)）東移，后被同樣逐漸東移的異常氣旋（圖4 中藍(lán)色星形）取代。而B(niǎo)ox-A 區(qū)域處于異常氣旋（圖4 中棕色星形）或反氣旋（圖4 中的紫色圓點(diǎn)）的邊緣，但在day0 當(dāng)日，Box-A 上空有明顯的西北風(fēng)和西南風(fēng)的輻合，這種環(huán)流分布有利于西風(fēng)輻合型鋒生的加強(qiáng)（易兵等, 1991; Hou and Guan, 2013），進(jìn)而利于強(qiáng)降水的發(fā)生。

圖4 （a–i）極值日（day0）及其前后4 天850 hPa 上合成環(huán)流距平場(chǎng)（流線，單位：m s-1）和降水距平場(chǎng)（陰影，單位：mm）分布（圓點(diǎn)表示反氣旋中心，星形表示氣旋中心）Fig. 4 Composites of circulation anomalies (streamlines, units: m s-1) and precipitation anomalies (shaded, units: mm) over 850 hPa (a–i) four days before and after the extreme day (day0). The dot represents the anticyclone center and the star represents the cyclone center

由圖5 可見(jiàn)，在300 hPa 上，極值日前后四天異常環(huán)流變化的主要特征表現(xiàn)為：在day-4 至day-2 時(shí)，Box-A 地區(qū)上空由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏西風(fēng)，Box-A 在day-4 受中心位于臺(tái)灣地區(qū)的反氣旋性環(huán)流和中心位于貝加爾湖西南側(cè)的氣旋性環(huán)流影響，反氣旋環(huán)流和氣旋環(huán)流中心在day-3 和day-2 持續(xù)減弱并向東南方向移動(dòng)（圖5a–c）；在day-1 時(shí)，Box-A 受反氣旋性環(huán)流影響，上空主要為偏西風(fēng)（圖5d）；在day0 時(shí)，Box-A 受中心位于西太平洋的反氣旋性環(huán)流控制，上空主要為西南風(fēng)（圖5e）；在day+1 至day+2 時(shí)，Box-A 地區(qū)上空主要為西北風(fēng)，Box-A 在day+1 受中心位于黃海的反氣旋性環(huán)流（東側(cè)）和中心位于黃土高原附近的氣旋性環(huán)流（西側(cè)）的共同影響，反氣旋環(huán)流中心和氣旋性環(huán)流中心隨后分別東移至日本海和江淮地區(qū)（圖5f–g）；在day+3 和day+4 時(shí)，Box-A 受中心位于江淮地區(qū)的氣旋性環(huán)流控制，上空由偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為西南風(fēng)（圖5h–i）。

圖5 （a–i）極值日前后4 天300 hPa 上合成環(huán)流距平場(chǎng)（流線，單位：m s-1）和風(fēng)場(chǎng)的散度距平場(chǎng)（陰影，單位：10-6 s-1）。藍(lán)色虛線表示波列狀擾動(dòng)軸線Fig. 5 Composites of circulation anomalies (streamlines, units: m s-1) and divergence anomalies of the wind field (shaded, units: 10-6 s-1) over 300 hPa(a–i) four days before and after the extreme day (day0). The blue dotted line represents the axis of the wave-train anomaly disturbance

在極值日前后四天的降水距平場(chǎng)和300 hPa 風(fēng)場(chǎng)的散度距平場(chǎng)中可以看出：在day-4 至day-1和day+2 至day+4，降水均呈負(fù)距平；在day0 至day+1，降水呈正距平。相應(yīng)地，Box-A 上空300 hPa風(fēng)場(chǎng)在day-4 至day-1 和day+2 至day+4 期間輻合，而在day0 至day+1 有顯著的輻散。高空輻散有利于強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)的形成，進(jìn)一步利于該地區(qū)強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展。

整體而言，Box-A 地區(qū)上空在整個(gè)降水過(guò)程中受斜壓性環(huán)流的控制，對(duì)流層高低層環(huán)流系統(tǒng)存在明顯的東移過(guò)程，與降水過(guò)程的變化較好的一致性。特別的，降水主要集中在day0 和day+1。此外，還可以注意到圖5 所示的對(duì)流層上層異常環(huán)流在day-1 至day+1 的三天時(shí)間里，存在著自西北向東南排列的“氣旋—反氣旋—?dú)庑睒拥牟袪顢_動(dòng)異常（圖5 中藍(lán)色虛線所示），在中緯度35°N 附近亦存在這種波列狀的擾動(dòng)環(huán)流結(jié)構(gòu)。

4 與長(zhǎng)江中下游地區(qū)梅汛期強(qiáng)降水相關(guān)的Rossby 波活動(dòng)特征

對(duì)梅汛期長(zhǎng)江中下游地區(qū)區(qū)域平均的逐日標(biāo)準(zhǔn)化降水序列進(jìn)行功率譜分析，可以發(fā)現(xiàn)其在不同時(shí)段存在2～4 天和6～14 天的顯著周期（圖6a 和6b）。隨后，對(duì)逐日資料進(jìn)行濾波處理，根據(jù)Lanczos 帶通濾波器得到2～14 天的高頻分量，進(jìn)而更有針對(duì)性地分析對(duì)流層上層Rossby 波活動(dòng)的特征。

圖6 長(zhǎng)江中下游地區(qū)（a）區(qū)域平均的逐日標(biāo)準(zhǔn)化降水的Morlet 小波功率譜分析（圖中陰影區(qū)域?yàn)楣β首V值，打點(diǎn)區(qū)域?yàn)橥ㄟ^(guò)90%的顯著性檢驗(yàn)，網(wǎng)格線處為邊界效應(yīng)）和（b）時(shí)間平均功率譜（紅色虛線為紅噪聲檢驗(yàn)）以及（c）300 hPa 高頻經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)在30°N～60°N 緯帶上的功率譜（橫軸為波數(shù)，縱軸為功率譜值）Fig. 6 (a) Morlet wavelet power spectrum analysis results of the standardized daily regional average precipitation over the middle and lower reaches of the Yangtze River (the shaded area in the figure denotes the power spectrum value, and the dotted area denotes the red noise test passing the 0.1 confidence level, with boundary effects at the grid lines); (b) the time-averaged power spectrum (the red dotted line denotes the red noise test); (c) the power spectrum of the 300 hPa high-frequency meridional wind field over 30°N–60°N (the horizontal axis represents the number of waves; the vertical axis denotes the power spectrum value)

2020 年梅汛期對(duì)流層上層斜壓波的典型波數(shù)為5～7 波（圖6c），使用Hilbert 變換從高頻經(jīng)向風(fēng)v′中提取出斜壓波包參數(shù)Ve，利用一點(diǎn)相關(guān)和回歸等方法對(duì)該參數(shù)進(jìn)行分析（Chang and Yu, 1999），明確2020 年梅汛期強(qiáng)降水期間300 hPa 高度上波包與波能的傳播過(guò)程（圖7 和圖8）。圖7 給出了該地區(qū)波列v′和波包Ve的一點(diǎn)相關(guān)關(guān)系（圖7 陰影和等值線），其中選擇梅汛期降水極值中心（30°N，117.5°E）作為基點(diǎn)（圖1a）。由圖可見(jiàn)，波列在整個(gè)傳播過(guò)程中明顯向下游頻散，波包向下游頻散則主要始于-1 d（-1d 表示空間場(chǎng)超前于基點(diǎn)1 天）。

圖7 長(zhǎng)江中下游地區(qū)Box-A 梅汛期300 hPa 基點(diǎn)處 v′（陰影）和Ve（等值線）與相應(yīng)的整個(gè)場(chǎng)在-3 d 至+1 d 的一點(diǎn)相關(guān)以及相應(yīng)的對(duì)基點(diǎn) h′回歸的波作用通量Wr（箭頭，單位：m2 s-2）。相關(guān)系數(shù)≥0.3 即為通過(guò)90%的顯著性檢驗(yàn)，陰影和等值線間隔為0.1，綠色等值線為正相關(guān)，棕色等值線為負(fù)相關(guān)，黑色實(shí)心圓點(diǎn)為基點(diǎn)Fig. 7 One-point correlations of v′ (Ve) at the base point of Box-A in the middle and lower reaches of the Yangtze River, with v′ (Ve) at 300 hPa in the whole field, and the corresponding wave action fluxes (arrows,units: m2 s-2) for the regression of h′ at the base point. The time lags are set from -3 d to +1 d. Contour intervals of correlations for both v′ and Ve are 0.1. The correlation coefficient at 90% confidence level is 0.3,according to a t-test; the solid green lines denotes positive correlation,the dashed brown line denotes negative correlation, and the solid black dot denotes the base point

圖8 長(zhǎng)江中下游地區(qū)Box-A 梅汛期300 hPa 基點(diǎn)處 ψ′（陰影）和ψe（等值線）與相應(yīng)的整個(gè)場(chǎng)在-3 d 至+1 d 的一點(diǎn)相關(guān)。相關(guān)系數(shù)≥0.3 即為通過(guò)90%的顯著性檢驗(yàn)，陰影和等值線間隔為0.1，綠色等值線為正相關(guān)，棕色等值線為負(fù)相關(guān)，黑色實(shí)心圓點(diǎn)為基點(diǎn)Fig. 8 One-point correlations of ψ′ (ψe) at the base point of Box-A in the middle and lower reaches of the Yangtze River, with ψ′ (ψe) at 300 hPa in the whole field. The time lags are set from -3 d to +1 d.Contour intervals of correlations for both ψ′ and ψe are 0.1. The correlation coefficient at 90% confidence level is 0.3, according to a ttest. The solid green line denotes positive correlation, the dashed brown line denotes negative correlation, and the solid black dot denotes the base point

當(dāng)空間場(chǎng)超前于基點(diǎn)3 天（-3 d）時(shí)，波列的負(fù)相關(guān)中心位于貝加爾湖西側(cè)、正相關(guān)中心位于貝加爾湖附近，此時(shí)，還可以在基點(diǎn)附近觀察到前次過(guò)程的結(jié)束。-2 d 時(shí)，波列的正負(fù)相關(guān)中心均明顯增強(qiáng)，負(fù)相關(guān)中心有顯著的南移，正相關(guān)中心則有顯著的向東移動(dòng)。-1 d 時(shí)，波列的正負(fù)相關(guān)中心持續(xù)增強(qiáng)并南移，而波包的正相關(guān)中心位于基點(diǎn)上游地區(qū)（35°N，110°E）附近。0 d 時(shí)，波列的正相關(guān)中心向東南方向移動(dòng)至基點(diǎn)處，負(fù)相關(guān)中心也持續(xù)向東南方向移動(dòng)；同時(shí)，波包正相關(guān)中心移動(dòng)至基點(diǎn)。+1 d 時(shí)，波列和波包減弱東移。波作用通量Wr進(jìn)一步顯示出波擾動(dòng)能量向下游頻散的過(guò)程，與波列的頻散特征較為一致?？梢园l(fā)現(xiàn)，在-3 d 時(shí)的波能傳播為上次過(guò)程的結(jié)束，當(dāng)日在上游地區(qū)的地中海附近有明顯的能量輻散，相對(duì)于基本氣流，Rossby 波波能向東和向東南方向頻散。在-2 d 時(shí)，波能輻散中心位于地中海和黑海附近，與前一日相比，波能中心略向東移，同時(shí)貝加爾湖附近也有明顯的波能向東和向東南的頻散。尤其是在-1 d至+1 d 更為清楚，特別是在0 d 時(shí)兩支波擾動(dòng)能量對(duì)下游地區(qū)有明顯的影響。此外，根據(jù)波列的相關(guān)中心位置，可以大致推算出2020 年梅汛期Rossby波的相速度約為4°lon. d-1，而群速度約為10°lon. d-1，群速度明顯大于相速度。

已有研究發(fā)現(xiàn)，波包活動(dòng)在1998 年和2016 年同樣發(fā)生在長(zhǎng)江流域的極端梅汛期期間主要起源于里海和黑海附近（梅士龍和管兆勇, 2009; 葉德超等, 2019）?？瓷先ィ@與2020 年波包活動(dòng)的源地不同，但一致的是，波包活動(dòng)均沿高空西風(fēng)急流自上游地區(qū)向下游頻散，對(duì)下游地區(qū)的極端強(qiáng)降水事件產(chǎn)生一定影響。

準(zhǔn)地轉(zhuǎn)擾動(dòng)流函數(shù) ψ′相對(duì)于由其緯向梯度表示的擾動(dòng)經(jīng)向風(fēng)而言，其空間變化更為平滑。為進(jìn)一步揭示波包活動(dòng)特征，這里使用 ψ′進(jìn)行Hilbert 變換提取出波包絡(luò)ψe，再利用一點(diǎn)相關(guān)對(duì) ψ′和ψe進(jìn)行分析，仍可得到相似結(jié)論（圖8）。由圖可見(jiàn)，波包向下游的移動(dòng)則主要始于-2 d，波包的正負(fù)相關(guān)中心沿經(jīng)向傳播明顯，波包的相關(guān)中心自西北向東南移動(dòng)，整個(gè)傳播過(guò)程維持約4 d。

5 總結(jié)

本文利用再分析資料對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)2020年超長(zhǎng)“暴力梅”的降水特征和環(huán)流與波活動(dòng)特征進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

（1）2020 年梅汛期強(qiáng)降水致使長(zhǎng)江中下游地區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的暴雨洪澇災(zāi)害，降水和降水異常大值中心位于安徽南部，在梅汛期（6～7 月）共有7 次降水過(guò)程，其中6 月發(fā)生4 次，7 月有3 次過(guò)程。該地區(qū)梅汛期的61 天內(nèi)，降水時(shí)間序列主要存在2～4 天和6～14 天的變化周期。

（2）2020 年梅汛期長(zhǎng)江中下游地區(qū)在對(duì)流層中低層輻合、高層輻散，且該地區(qū)上空有較強(qiáng)的異常上升運(yùn)動(dòng)，為異常強(qiáng)降水提供了有利的動(dòng)力條件。同時(shí)，位于西太平洋的異常反氣旋攜源于孟加拉灣和中國(guó)南海地區(qū)的水汽在長(zhǎng)江中下游地區(qū)匯集，為異常強(qiáng)降水提供了有利的水汽條件。長(zhǎng)江中下游地區(qū)7 次降水過(guò)程中，該地區(qū)上空受斜壓性環(huán)流控制，環(huán)流系統(tǒng)逐步東移，與降水過(guò)程的變化相對(duì)應(yīng)。

（3）2020 年梅汛期長(zhǎng)江中下游強(qiáng)降水與對(duì)流層上層斜壓Rossby 波活動(dòng)關(guān)系密切。梅汛期高空亞洲西風(fēng)急流帶連貫性好且西風(fēng)較強(qiáng)，為上游高頻波列和波包向下游傳播提供了通道。2020 年梅汛期對(duì)流層上層300 hPa 的波作用通量表現(xiàn)出波動(dòng)有明顯的下游頻散，波能傳播路徑分別有兩支，其中一支源于地中海附近，另外一支源于貝加爾湖附近，均能為下游地區(qū)的異常強(qiáng)降水帶來(lái)擾動(dòng)能量。波動(dòng)起源于上游貝加爾湖附近，由西北向東南移動(dòng)至長(zhǎng)江中下游地區(qū)，但值得注意的是，高頻波動(dòng)的沿經(jīng)向傳播特征要更為顯著，這與1998 年夏季波包的傳播路徑有所差異（梅士龍和管兆勇, 2009）。采用準(zhǔn)地轉(zhuǎn)擾動(dòng)流函數(shù)作為參數(shù)分析波活動(dòng)時(shí)，亦可見(jiàn)波動(dòng)沿自西北—東南路徑移至長(zhǎng)江中下游地區(qū)。

要說(shuō)明的是，導(dǎo)致2020 年梅汛期降水異常的成因復(fù)雜：首先，造成超長(zhǎng)梅汛期的原因可以歸結(jié)為西太副高的基本穩(wěn)定，而這一穩(wěn)定的副高結(jié)構(gòu)主要是由其第一模態(tài)和第三模態(tài)引起的（錢(qián)代麗和管兆勇, 2020）；其次是低頻過(guò)程，這里主要包含準(zhǔn)雙周振蕩和40～90 天振蕩；第三是Rossby 波包活動(dòng)；第四，當(dāng)然還有中小尺度過(guò)程等等。本文僅從對(duì)流層上層Rossby 波活動(dòng)的角度出發(fā)進(jìn)行探究，關(guān)于2020 年梅汛期降水形成的全部機(jī)理還需進(jìn)行更多、更深入的研究。此外，通過(guò)擾動(dòng)經(jīng)向風(fēng)場(chǎng)或準(zhǔn)地轉(zhuǎn)擾動(dòng)流函數(shù)獲得的波包參數(shù)，理論上可用于監(jiān)測(cè)波包的移動(dòng)，從而可為強(qiáng)降水過(guò)程監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)提供依據(jù)，然而，關(guān)于開(kāi)發(fā)偵測(cè)波包傳播的前兆指數(shù)和技術(shù)有待未來(lái)進(jìn)一步展開(kāi)。

致謝再 分 析 資 料 取 自NOAA-C?RES Climate Diagnostics Center（https://www.noaa.gov/ [2021-01-11]）；西太副高指數(shù)取自國(guó)家氣候中心（http://cmdp.ncc-cma.net/cn/[2021-01-11]）；文中插圖使用NCL 軟件繪制。謹(jǐn)致謝忱！