2023年河南麥收連陰雨的形成和環流異常分析

司福意, 徐林澤, 宋自福, 閆曉珍

(1.中國氣象局·河南省農業氣象保障與應用技術重點開放實驗室,鄭州 450003; 2.焦作市氣象局,河南 焦作 454000)

引 言

在全球變暖背景下,氣象災害事件特別是極端天氣氣候事件及其影響不斷增大[1]。連陰雨作為災害性天氣的重要災種之一,極易給工農業生產特別是給糧食產量造成嚴重危害[2]。我國氣象學家對各地的連陰雨進行過廣泛的研究[3-14]。韓榮青等[5]指出,我國低溫連陰雨日數在每年的2-5月逐漸由長江以南向黃河流域北擴。王記芳等[6]的分析表明,河南省連陰雨天氣豫南的最多,中部的次之,北部的最少;夏季的最多,秋季的次之,春季的最少。王秀文等[7]通過對北方麥收期間出現連陰雨天氣過程的環流形勢和影響系統關系進行研究后指出,阻塞高壓形勢且貝加爾湖伴有冷渦是造成連陰雨天氣過程最主要的環流特征。不少學者還針對春末夏初的降水和環流作了研究[15-17],指出其環流和降水分布型與亞洲地區西風環流、西太平洋副熱帶高壓及印緬低槽等環流系統的變化有關。

2023年5月下旬河南大部出現持續陰雨天氣,旬降水日數普遍達6～9天,平均日照時數僅24.3 h,較常年同期偏少63.4%。特別是25-30日的連陰雨天氣過程是河南1961年以來影響范圍最廣、持續時間最長的陰雨天氣過程,導致全省71%的測站土壤偏濕,既嚴重影響了即將進入收獲期的小麥灌漿攻籽,更延遲了其成熟收獲進程,部分麥田出現發芽、霉變、倒伏等災情,并嚴重影響了小麥的產量和品質。據有關部門統計,受災地塊達66.7萬公頃以上,豫南種子基本報廢,豫中和豫東一部分失去種用價值。專家估測小麥千粒重減少4 g,減產量達10%～20%。由于24日前河南大部墑情良好,25-30日的連陰雨過程導致豐收在望的小麥大幅減產,被評為“爛場雨”。本文從氣候背景、延伸期、中期,以及5天以內預報等多角度對其形成原因和可預報性進行深入探討。

1 資料與方法

(1)應用河南省氣象預報預警一體化業務平臺輸出資料對連陰雨過程的降水總量、連續降水日數進行統計分析。(2)應用國家氣候中心“氣候與氣候變化監測預測系統”運算得出的亞洲季風系統監測結果(采用NCEPFNL資料)進行氣候背景對比分析。(3)利用國家氣象中心“MICAPS氣象信息綜合分析處理系統”進行大氣環流、天氣影響系統和探空分析,并參照國家氣象中心“中尺度天氣分析規范”進行中尺度分析。(4)應用河南省氣象臺“天氣預報分析平臺”制作的中期預報輸出產品(EC數值模式),開展大氣環流、影響系統形成機理分析。

2 結果分析

2.1 2023年麥收期連陰雨過程概況

2023年5月25-30日河南全省出現了連陰雨天氣過程,圖1(a)為河南全省累計降水量分布情況。圖中所列120個國家站中,有91個站累計雨量≥30 mm,53個站累計雨量≥50 mm,8個站累計雨量≥100 mm。累計雨量最大為181.5 mm,出現在三門峽市的靈寶站,次大值出現在駐馬店的遂平站;有12站為當地建站以來同期降水最多,49站為建站以來前三多。該過程為河南1961年以來影響范圍最廣、持續時間最長的陰雨天氣過程,有56個縣(市)達到連陰雨監測等級。

圖1 2023年5月25-30日河南省累計降水量(a)和降水日數分布圖(b)圖片來源于“河南省氣象預報預警一體化業務平臺”,圖(b)中實心圓點從左至右依次為靈寶、孟州、長葛和遂平站位置

圖1(b)為過程期間的累計降水日數分布情況。從中可見,除豫北和豫南部分地區(共有22個縣(市))外,全省82%的縣(市)連續陰雨日數≥5天,達到連陰雨標準,其間多地還出現暴雨局部大暴雨的天氣過程。圖1(b)中用實心圓點所標出的4個代表站的位置,從左至右依次為靈寶、孟州、長葛和遂平站。三門峽市靈寶站是此次連陰雨過程雨帶中最西端也是累計雨量最大的國家站;孟州站處于累計雨量≥50 mm雨帶的北部邊緣的居中位置,其所隸屬的焦作市是國家重要小麥種子基地;長葛站處于雨帶中心且累計雨量≥100 mm,隸屬于此次過程災情最嚴重的許昌市;遂平站處于累計雨量≥50 mm雨帶的南端,隸屬駐馬店市,相繼出現兩個暴雨日,累計雨量為國家站中的次大值。

2.2 異常氣候背景分析

本次連陰雨天氣過程出現在異常的大氣環流背景下。5月下旬中后期西太平洋副熱帶高壓脊線的平均位置在20°N線以南,其北抬至25°N的平均日期在7月中旬初。副熱帶高壓脊線越過25°N是華北進入汛雨階段的重要指標[18-20]。2023年5月下旬初在經歷過一次強冷空氣活動后,西太平洋副熱帶高壓脊線迅速北跳,23日尚在16.5°N,26日已跳至24.4°N,28日已抬至26.4°N,也是此次過程的最北端,較常年同期偏北8.4個緯度(圖2a)。值得強調的是28日副熱帶高壓脊線的5天滑動平均位置在25.1°N,也就是穩定在25°N附近。圖2(b)和(c)為副熱帶高壓強度指數和西伸脊點演變曲線。分析可見,同期副高強度指數顯著偏強,西伸脊點也明顯偏西。受高原槽東移影響,連陰雨過程前后副熱帶高壓西伸脊點從90.0°E東退至104.7°E。

圖2 2023年5月16日-6月9日西太平洋副熱帶高壓脊線位置(a)、強度指數(b)、西伸脊點(c)和西伯利亞高壓強度指數(d)演變曲線圖片來源于國家氣候中心“氣候與氣候變化監測預測系統”

圖2(d)為西伯利亞高壓強度指數演變曲線。分析可知,5月中旬中后期到6月上旬前期,西伯利亞高壓也顯著偏強,先后經歷過3次增強向南暴發的過程。5月21-23日的向南暴發引發了下旬初的強降水。25-31日的發展增強再減弱與西風帶阻塞系統的組建和消亡相一致,冷高壓向南暴發,引導冷空氣持續南下,阻擋南來系統的北上;冷暖空氣相交于黃淮,導致了伴有多地強降水的持續6天之久的連陰雨天氣過程的形成。

2.3 環流形勢演變和影響系統

連陰雨是一種大范圍的天氣過程,它的形成主要受大尺度大氣環流的影響。本次連陰雨期間,中高緯度形成了穩定的阻塞系統,受超強臺風影響西太平洋副熱帶高壓異常偏西偏北。

2.3.1 中高緯度阻塞系統的形成

阻塞形勢是一種常見的大尺度大氣環流持續性異?，F象。圖3(a)為2023年5月29日08時500 hPa高度場天氣形勢分析圖。圖中在歐亞中高緯度從烏拉爾山伸展到貝加爾湖北部的阻塞形勢非常明顯,有568 dagpm等位勢高度線所圍的阻塞高壓,中心位于65°N、97°E,在其東南方還有一個由560 dagpm等位勢高度線所圍冷渦,中心位于55°N、87°E。

圖3 2023年5月29日08時500 hPa位勢高度場、24-29日588 dagpm線動態及5月26-30日2號臺風移動路徑(a)和5月29日08時700 hPa形勢場和風場分析(b)藍黑細實線為等位勢高度線,粗黑實線為588 dagpm線,紅色實線為等溫線,紫色粗空心箭頭為低空急流軸線,棕色單實線為槽線,雙實線為切變線,綠色虛線為等溫度露點差線

追溯可知,在本次連陰雨過程開始前,500 hPa上歐亞為一槽一脊型,槽區位于貝加爾湖附近,并伴有冷渦存在。25日開始貝加爾湖北側的冷渦槽開始旋轉,并東移南下,向南調3個經緯度以上。26日08時冷渦位于貝加爾湖東南側(圖3a有標注),其所攜帶的冷空氣從蒙古國東部經華北南下到河南中部形成冷高壓墊,并與從高原短波槽前西南氣流結合形成小雨天氣,雨帶沿著30°N線向兩側擴展,開啟了本次連陰雨天氣過程。隨著烏拉爾山西側暖高壓脊強烈向北向東發展,26日08時在我國新疆正北方向,在54°N、88°E附近有切斷低壓形成,該低壓中心與貝加爾湖冷渦相距22個經度。之后,切斷低壓快速加深成深厚的冷性渦旋,長時間在53°-57°N、85°-93°E范圍內打轉,中心最低高度552 dagpm,最低氣溫達-34 ℃。27日20時烏拉爾山西側出現580 dagpm等位勢高度線的閉合高壓環流(50°N、60°E),阻塞系統形成。隨后脊區快速向東向北發展,28日08時在中西伯利亞地區出現568 dagpm等位勢高度線的阻塞高壓中心(68°N、100°E),29日08時阻塞高壓中心向西向南壓至位于65°N、97°E附近,29日20時之后開始衰減。

從切斷低壓也就是冷渦的南部有深厚的冷槽向其西南方向(即我國新疆西北部)伸出。該冷槽的東南方是寬廣的高原槽。從冷渦槽中不斷有冷空氣分裂東移南下,自西向東影響河南。

圖3(a)中還附加了26日至29日588 dagpm等位勢高度線的動態和2號臺風的移動路徑分析。

2.3.2 異常偏強的熱帶、副熱帶系統西進北上

近年來遠距離臺風對內陸中高緯度造成重大影響的天氣事件更加頻發[21-26],造成連陰雨過程的事件也不缺乏,如“21·7”河南大暴雨過程。2023年2號臺風瑪娃(Mawar)5月21日20時在西太平洋海面生成之后便向北偏西方向移動并不斷加強。22日20時達到強臺風標準。23日20時達到超強臺風標準。24日08時前后轉向西偏北方向移動。26日08時中心位置到達美國關島西偏北620 km(15.1°N、139.3°E)處,進入圖3(a)的分析范圍。28日08時中心位置位于菲律賓東北部。29日08時地處19°N、126°E附近。30日08時位于臺灣東南部洋面(20.1°N、125.1°E),之后轉向北偏東方向移動并逐步填塞。從圖3(a)中分析可知,緊隨著臺風的西移北上,西太平洋副熱帶高壓迅速西伸北抬,從26日08時到29日08時在110°E線上,588 dagpm線北抬了近8個緯度。29日08時588 dagpm線位于麗江、重慶、老河口、阜陽到高郵一線,而584 dagpm線也壓至聶拉木、那曲、天水、洛川、介休、邢臺到萊陽一線,也就是除信陽外整個河南大部均處于584到588 dagpm線。

隨著西太平洋副熱帶高壓的加強并向西北伸展,結合高原東側低壓槽東移南下,對流層中低層從華南過江淮到黃河北岸中出現了一條寬廣、深厚的暖濕氣流輸送帶。700 hPa上西南風速≥8 m/s的暖濕氣流輸送帶東西寬度達10個經度左右。26日08時暖濕氣流輸送帶的前沿進入河南南部。28日08時已越過黃河(鄭州風速12 m/s)影響河南北部。隨著臺風的不斷增強和進一步向大陸靠近,暖濕氣流輸送帶中靠近西風槽區的氣流不斷加強(東部風速在減弱),低空急流軸線形成。28日20時急流軸線從貴陽、達縣伸到安康。29日08時西進北伸至昆明、宜賓至漢中與西安間,20時又東退至威寧、達川到盧氏北側一帶。張尚印[3]研究指出,高原南側的南支西風氣流與來自熱帶地區的南支氣流合并,可使華北一帶出現氣旋性曲率的流場,導致我國北方大部出現春季陰雨天氣。圖3(b)為5月29日08時700 hPa綜合分析圖。從中可見,冷溫槽已接近105°E,整個河南省都處于向北伸展的暖區中。29日08時至20時,低空急流軸線緩慢進入河南西部,在西南氣流輸送帶的北部還出現明顯的氣旋性彎曲,有暖切變線從延安伸向山西南部。地處三門峽市西部的靈寶站位于低空急流頭的前端和溫度露點差T-Td<1 ℃的高溫高濕區中。從16-19時該站3 h降水量達82 mm,其中有連續2 h雨強>30 mm。

圖4為2023年5月25-30日靈寶、孟州、長葛和遂平逐日雨量演變和5月29日20時盧氏站的探空情況(該站位于靈寶正南偏東方向,相距不足0.5經緯度)。由圖4(b)分析可見,該站上空西南風水汽輸送通道從850 hPa向上伸至650 hPa附近(高山站,拔海566.9 m),700 hPa上的西南風速≥18 m/s;500 hPa及其以下溫度曲線和露點溫度曲線基本重合,表明其周圍對流層中下部基本處于飽和狀態。

圖4 2023年5月25-30日靈寶、孟州、長葛和遂平逐日雨量演變(a)和5月29日20時盧氏站探空曲線圖(b)盧氏站為高山站,海拔高度566.9 m

2.4 南北兩個系統的結合

2.4.1 南北兩條雨帶的合并

對雨帶的形成和發展追蹤分析發現:2023年5月25日受第一波西風帶短波槽影響,降水主要出現在沿黃河一帶,以小雨為主。26日副熱帶高壓外圍的西側西南暖濕氣流開始影響豫南,豫東南出現14個縣(市)連片的中雨以上降雨帶,其中1個縣大雨,1個縣暴雨。27日河南全省均有降水,以中雨為主的強降雨帶從信陽伸到安陽,呈南北向帶狀,并有11個縣(市)雨量≥20 mm。28日受第二波西風帶短波槽影響,河南境內呈現出兩個強降雨帶:與西風槽對應的雨帶呈西北-東南向,落區沿著太行山脈從安陽伸到三門峽,有19個縣(市)雨量≥10 mm,4個縣(市)雨量≥20 mm;另一條是副高外圍的雨帶,呈西南-東北向,從南陽東伸到商丘,共有25個縣(市)雨量≥10 mm,19個縣(市)雨量≥20 mm,6個縣(市)雨量≥50 mm。29日南、北兩條雨帶融合后呈東西向分布,落區主要在許昌以北到沿黃河一帶,有39個縣(市)雨量≥10 mm、19個縣(市)雨量≥20 mm、4個縣(市)雨量≥50 mm。30日強降水區明顯東移,并向南北兩個方向擴張,有41個縣(市)雨量≥10 mm、21個縣(市)雨量≥20 mm、1個縣(市)雨量≥50 mm。

圖4(a)顯示了從25日到30日4個代表站逐日雨量演變情況。25日靈寶出現中雨,孟州出現小雨,其他2站無雨。26日遂平雨量達到15.1 mm,其余3個站為小雨。27日4個代表站雨量都在加大,遂平出現暴雨。28日降水持續,遂平再次出現暴雨。29日長葛站出現暴雨,靈寶站出現大暴雨。30日雨勢減弱,僅遂平出現大雨。

2.4.2 暖濕氣流對水汽的輸送

隨著暖濕氣流輸送帶的建立和向北擴展,其最大風速區域前方的低層空氣質量和水汽有著明顯輻合,進而產生上升運動,使降水得以不斷發生發展并推動雨帶向北移動。圖 5(a)是用NCEP再分析資料獲取的2023年5月25-30日整層水汽通量分布情況,其中紅色圓點從左到右依次為靈寶、孟州、長葛和遂平所處位置。從中可見,所輸送的水汽主要來自中國華南沿海,有一個呈西南-東北向水汽通量大值區自南海伸向中緯度地區,最大水汽通量中心位于26.5°N、108.5°E,中心強度>400 kg/s·m。連陰雨區(32°-36°N、110°-117°E)均處于水汽通量中心軸線通道的左前端,其整層水汽通量在150～250 kg/s·m。分析可知,連陰雨區存在明顯的水汽集中即水汽輻合。

2.4.3 能量鋒區的形成

暖濕氣流輸送的不僅是水汽,還有熱力不穩定能量[27-28]。圖5(b)是用NCEP再分析資料獲取的中國及其周邊地區2023年5月25-30日850 hPa等壓面上平均假相當位溫的分布情況。分析發現,連陰雨過程期間,中國西部、南部處于假相當位溫高值區也即高能區,其軸向近似呈東西向,大值中心在青藏高原上。與此同時,與強大的西伯利亞冷高壓及其伸向中國北方的冷高壓脊相匹配的假相當位溫低值區域從西伯利亞經蒙古國伸向中國東北并擴展至華北南部。其在蒙古國與東北交界處形成的低值中心強度<320 K。冷暖空氣相向而行,沿著35°N線在其兩側對峙成東西向的能量鋒區,鋒區強度達到4K/經緯度。能量鋒區北側相對應的是東北經華北南下的冷高壓,其對西南暖濕氣流具有明顯冷墊抬升作用,對降水有著維持和增強作用。

圖5 2023年5月25-30日亞洲中部整層水汽通量(a)和850 hPa等壓面上假相當位溫(b)分布(a)中4個實心圓點從左到右依次為靈寶、孟州、長葛和遂平站的位置,圖片源于國家氣候中心“氣候與氣候變化監測預測系統”

2.5 數值預報產品的可預報性分析

數值預報產品對此次連陰雨過程的分析預報具有不可或缺的指導作用[29-30]。本文以常用的歐洲中心數值預報產品為例進行分析。圖6為歐洲數值預報中心2023年5月21日12時起報的5月24-31日500 hPa高度(距平)場,以及累計降水量(距平)分布圖。

圖6 歐州數值預報中心2023年5月21日20時起報的5月24-31日500 hPa高度和距平場(a)、累計降水量和距平分布圖(b)圖片來源于河南省氣象臺“天氣預報分析平臺”,圖中等值線顯示物理量值,陰影部分為物理量距平場,色卡顯示距平量值

已有的阻塞高壓客觀定量化表征方法可歸納為距平方法、T &M方法、動力學方法和環流型方法4種。Charney[31]等根據阻塞高壓的物理特征進行試驗,最終認為500 hPa上某一格點的高度值與氣候平均值的正偏差以20 dagpm的界限值和7天的持續時間,確定有阻塞高壓存在較為合理,并在50°N、60°N和70°N緯圈上進行高度場掃描分析來進行阻塞高壓過程確定,這種方法歸為距平方法。金榮花等[32]認為距平方法簡單易行,對穩定的、相對較強的強阻塞高壓識別效果較好,缺點在于距平中心值的位置并不一定是阻塞高壓中心的位置。因此該方法不能確定阻塞高壓位置。從圖6(a)中可見,旬初該模式對5月24-31日的環流形勢作出了較為準確的預報。模式預測出了在50°-60°N,從60°E伸向90°E的暖高壓脊,其中心距平>20 dagpm。按照距平方法可以確定有阻塞高壓形成。盡管模式把低渦位置定在貝加爾湖附近,但仍然預報出了從低渦中伸展至新疆西北部的冷槽及其東南方向寬廣的高原槽。模式還預報出了臺灣東南方的強臺風低壓中心,預報出584 dagpm線位置從孟加拉灣西側過青藏高原東部伸至河南中部,在兩廣地區有588 dagpm線所圍的閉合高壓環流,整個河南都處于槽前西南氣流中,許昌以南處于584和588 dagpm線之間。

圖6(b)是EC數值預報模式對該次連陰雨過程累計降水量及其距平分布預測圖。從中可見,模式預報25-31日河南省有一個全省性的強降水過程,雨帶分布大體呈東北-西南走向。在河南西部(三門峽、洛陽南部)有一個雨量在50 mm以上、中心超過75 mm的強降水中心,京廣線兩側及其以東有雨量大于75 mm,中心強度超過100 mm的強降水中心。對比圖1(a)中強降雨帶呈東西走向的分布態勢可知,模式對河南東南部100 mm以上降水中心出現在駐馬店、周口一帶的落區預報基本準確,而對河南東北部降水的量級預報明顯偏大,對河南西部降水中心的預報量級明顯偏小,且位置明顯偏南。

以位于黃河北岸頗具代表意義的孟州站作為參考,分析EC模式短、中期單站預報情況。圖7(a)為5月21日20時起報的該站上空0-240 h包含風向、風力、氣溫、濕度和上升速度5要素的時序圖。分析顯示該站上空25日08時700 hPa和850 hPa上均有短波槽滑過,對流層中下層垂直上升速度也達-0.6 Pa/s,相對濕度≥90%的高濕度區為600-800 hPa間,稍顯不足的是近地面相對濕度僅為60%～70%。26日白天到30日夜里500 hPa和700 hPa上均處于西南風中,對流層中、下層持續存在深厚的濕層(相對濕度≥90%),且有明顯的上升運動(v<0 Pa/s),對流層中下層最大垂直上升速度逐日依次分別為-0.5、-0.2、-0.5、-0.5和-0.4 Pa/s;地面從26日08時開始持續受偏東風影響,925 hPa維持強勁的偏東風,30日08時轉為弱的偏西風。與之相應的降水預報25-30日每日均有降水(圖7b),但雨量比實況明顯偏小(對比圖3a)。

圖7 歐州數值模式2023年5月21日20時起報孟州站0-240 h 6 h間隔的氣象要素空間剖面時序圖(a)與降水量變化分布圖(b)圖片來源于河南省氣象臺天氣預報分析平臺,(a)中細實線為等溫線,虛線為垂直上升速度,陰影為相對濕度

總體分析,模式能夠對連陰雨過程的環流趨勢和影響系統作出較準確的預報,但雨量的分布和量級預報還需綜合要素預報進一步訂正。

3 討論和結論

本文利用常規高、低空觀測資料,NCEPFNL資料,EC數值預報產品,從多角度對2023年5月下旬河南省連陰雨天氣過程的形成原因和可預報性進行了探討。主要結論如下。

(1)2023年5月25-30日河南省有56個縣(市)達到連陰雨監測等級。該過程為河南1961年以來影響范圍最廣、持續時間最長的連陰雨天氣過程,導致小麥大幅減產,品質下降,被評為“爛場雨”。

(2)過程發生在異常的大氣環流背景下,西太平洋副熱帶高壓顯著偏強,脊線位置偏北達8個緯度,越過了25°N,這是華北常年進入汛雨季節的重要指標。另外,代表北方冷空氣活動的西伯利亞高壓也顯著偏強,并不斷向南推進。

(3)環流演變分析顯示,中高緯度阻塞系統的形成,在35°-40°N形成了穩定的緯向環流,由切斷低壓發展出來的冷渦底部有冷空氣不斷分裂南下。2號超強臺風瑪娃在西太平洋洋面的生成和強烈發展,引發副熱帶高壓的快速西伸北抬,584 dagpm線最終甚至越過黃河抵達山西南部,使河南大部長時間處于其外圍顯著的西南暖濕氣流中,有源源不斷的水汽和不穩定能量被輸送進來。

(4)南北兩個系統的相遇,促成了中緯度能量鋒區的穩定維持,鋒面抬升對暖區降水起到了維持和增幅作用。

(5)數值模式已能夠對環流形勢和影響系統作出較準確的預報,但其降雨量級和落區的預報還需要進一步推敲訂正。因而,目前針對數值預報產品應用,還應把對天氣形勢的分析作為參考的重點。

綜上,做好關鍵農事季節的氣象保障預報服務,必須建立在掌握所處的氣候背景和當時的大氣環流演變特征基礎上,根據所預報的高影響天氣形成機理,結合對數值預報產品的解釋應用,針對影響系統動態和物理量變化進行分析,從延伸期、中期到5天以內預報遞進式做好服務工作。異常氣候背景下的要素預報量,需突破均值束縛。