高溪遠

(南京信息工程大學，中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，南京 210044)

0 引言

在全球變暖背景下長三角地區(qū)的氣候發(fā)生了明顯變化，極端異常氣候事件發(fā)生頻數(shù)增加[1]。近幾年，長三角地區(qū)干旱災害頻發(fā)，對人們的生活和社會經濟發(fā)展造成了巨大影響。高空相對濕度較低，水汽量較少，是干旱形成的重要原因之一[2]。而大氣中水汽的分布結構和時空變化特征決定著干旱事件的發(fā)生，故而了解長三角地區(qū)在高空水汽極少情況下其水汽含量的時空分布特點和天氣形勢的變化情況對長三角地區(qū)干旱災害的發(fā)生和極端事件的相關研究有一定的參考價值，對長三角地區(qū)經濟建設發(fā)展及可持續(xù)發(fā)展起到了積極的作用。

垂直探空觀測中出現(xiàn)的對流層中下層相對濕度較低、大氣異常偏干的現(xiàn)象不是個別現(xiàn)象，具有相當?shù)钠毡樾訹3]。在1992年11月-1993年2月熱帶海洋全球大氣耦合響應試驗(TOGA COARE)加強觀測期間(IOP)，研究學者就發(fā)現(xiàn)了在赤道西太平洋海域上空對流層中下部頻繁出現(xiàn)空氣極度干燥、相對濕度極低的現(xiàn)象[4]。高空“干”過程還對溫室效應[5]、對流活動[6]、大氣輻射[7]及云的發(fā)展[8]有著重要影響。我國對于高空“干”過程的系統(tǒng)分析較少。張宇對新巴爾虎左旗國家級氣象站觀測到的低濕觀測結果進行分析發(fā)現(xiàn)，低濕觀測值的出現(xiàn)與冷空氣活動相關[9]。唐南軍等人認為，我國對流層中下層出現(xiàn)偏干情況并非異常現(xiàn)象，在中國西南和東部沿海地區(qū)出現(xiàn)的概率約為20%～40%，且具有明顯的季節(jié)變化特征[10]。目前，國內研究學者對高空“干”過程處于初步分析階段，對其高空水汽含量時空分布特征沒有進行詳細描述，對高空“干”過程中的天氣分型研究較少。

針對以上不足，選取ERA5資料和MICAPS資料，對2015-2019年我國長三角地區(qū)高空“干”過程發(fā)生時的大氣水汽含量基本特征進行分析，利用主觀天氣分型方法應用天氣學原理對高空“干”過程的天氣形勢進行分類和統(tǒng)計，探究不同天氣形勢下氣流輸送對此過程發(fā)生發(fā)展的影響，為長三角地區(qū)干旱研究、預防旱澇災害提供理論依據(jù)，對天氣演變機制相關研究有一定的參考價值。

1 資料與方法

基于ECMWF提供的空間分辨率0.25°×0.25°、時間分辨率為1 h的ERA5 資料，選取我國范圍內2015-2019年800～300 hPa氣壓層比濕數(shù)據(jù)，計算大氣水汽含量。采用2015-2019年逐日08、20時的MICAPS氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)的高空填圖數(shù)據(jù)，對700 hPa高度上影響長三角地區(qū)的天氣形勢進行歸類分析。

大氣水汽含量表示假設整個空氣柱中的水汽凝結時所能得到的液態(tài)水汽量[11]，公式為：

(1)

式中：W為單位面積上整層大氣的總水汽含量，q為比濕，g為重力加速度，Px和P分別為底層氣壓和頂層氣壓，單位為mm。

2 2015-2019年長三角地區(qū)高空“干”過程基本特征

據(jù)國家氣象中心下發(fā)的《中尺度天氣圖分析技術規(guī)范》對高空干區(qū)的定義，將發(fā)生在1 000～400 hPa、氣層相對濕度<20%、持續(xù)48 h以上的低濕過程定義為高空“干”過程，這一標準與前人的定義一致[12]。

統(tǒng)計長三角地區(qū)2015-2019年高空“干”過程的發(fā)生情況(結果如表1所示)，可以看出5年間高空“干”過程的發(fā)生次數(shù)分別為6、13、13、13、11次，沒有顯示一致的變化趨勢，發(fā)生次數(shù)也波動變化，即高空“干”過程不具備明顯的年際變化特征。高空“干”過程具有明顯的季節(jié)變化特征，根據(jù)表格可以看出長三角地區(qū)2015-2019年夏季6、7、8月份沒有發(fā)生高空“干”過程，春、秋、冬三季高空“干”過程發(fā)生頻率較為相近，每季分別發(fā)生了共計17、19、20次。高空“干”過程在春、秋、冬三季的生命周期分別為70.5 h/次(約為3 d/次)、117.6 h/次(約為5 d/次)、99.6 h/次(約為4 d/次)，其中秋季高空“干”過程生命周期持續(xù)時間最久。

表1 長三角地區(qū)2015-2019年高空“干”過程發(fā)生次數(shù)Tab.1 Frequencies of upper-air “dry” process in Yangtze River Delta from 2015 to 2019

3 2015-2019年長三角地區(qū)的高空“干”過程大氣水汽含量時空分布特征

研究表明，我國空中大氣水汽含量的時空分布具有明顯的季節(jié)變化特征[13]。根據(jù)ERA5數(shù)據(jù)，對2015-2019年長三角地區(qū)不同季節(jié)和發(fā)生高空“干”過程時的平均大氣水汽含量分別進行了計算，其中由于夏季未發(fā)生高空“干”過程，不再對其進行分析。

3.1 春季高空“干”過程大氣水汽含量分布特征

圖1所示為春季3-5月800～300 hPa大氣水汽含量分布。由圖1(a)可知，2015-2019年春季平均大氣水汽含量明顯高于“干”過程大氣水汽含量，長三角地區(qū)北端水汽含量約為5 mm左右，整體水汽分布從北至南梯狀遞增，在32°N附近已經增加至20 mm以上，安徽南部和浙江省的水汽含量均在25～30 mm，高值區(qū)位于長三角地區(qū)西南方向。由圖1(b)可以看出，高空“干”過程發(fā)生時大氣中水汽含量極小，接近0值，與季節(jié)平均水汽含量相差較大，其分布特征與季節(jié)平均分布特征有所不同，干區(qū)域呈西北-東南走向分布，西南方向水汽略高于東北地區(qū)，西南地區(qū)水汽含量約為6 mm左右。

(a)季節(jié)平均 (b)高空“干”過程期間圖1 春季長三角地區(qū)800～300 hPa大氣水汽含量分布Fig.1 Distribution of 800～300 hPa atmospheric moisture content in spring in Yangtze River Delta

3.2 秋季高空“干”過程大氣水汽含量分布特征

圖2所示為秋季9-11月800～300 hPa大氣水汽含量分布。由圖2(a)可知，2015-2019年秋季平均大氣水汽含量分布特征與春季相同，為從北至南梯狀遞增趨勢，但水汽含量與春季相比明顯較少，長三角地區(qū)北端水汽含量約為3 mm左右，在32°N附近增加至5 mm左右，安徽南部和浙江省的水汽含量均在8～10 mm，高值區(qū)位于長三角地區(qū)東南方向，最大值約為12 mm。由圖2(b)可以看到，秋季高空“干”過程發(fā)生時大氣水汽含量高于春季，且與季節(jié)平均的差值也小于春季，長三角大部分地區(qū)水汽含量在5 mm左右，浙江南部地區(qū)略有升高至8～10 mm，分布特征與春季類似，長三角西側和南側水汽含量較高。

(a)季節(jié)平均 (b)高空“干”過程期間圖2 秋季長三角地區(qū)800～300 hPa平均大氣水汽含量分布Fig.2 Distribution of 800～300 hPa average atmospheric moisture content in autumn in Yangtze River Delta

3.3 冬季高空“干”過程大氣水汽含量分布特征

圖3所示為冬季12-次年2月800～300 hPa大氣水汽含量分布。由圖3(a)可知，2015-2019年冬季平均大氣水汽含量少于春季和秋季，其分布特征不同于前兩個季節(jié)，冬季水汽含量由東北向西南方向遞增，由2 mm逐漸增加至最大值10 mm附近。這是由于冬季長三角地區(qū)盛行西北風，干冷的西北氣流流過長三角地區(qū)使得水汽含量減少，但由于西南地區(qū)靠近海域，水汽含量較多，西南氣流對長三角地區(qū)的影響東北部較強，西南部較弱，所以水汽呈如圖所示的向西南方向逐漸增加趨勢。由圖3(b)可知，冬季高空“干”過程的水汽含量約為2～4 mm，高空處于水汽量極小的地勢狀態(tài)，與春季水汽含量相似，均小于秋季，分布特征與前兩季相同，長三角地區(qū)西南側水汽含量相對高于東北區(qū)域，約為5 mm。

(a)季節(jié)平均(b)高空“干”過程期間圖3 冬季長三角地區(qū)800～300 hPa平均大氣水汽含量分布Fig.3 Distribution of 800～300 hPa average atmospheric moisture content in winter in Yangtze River Delta

4 2015-2019年長三角地區(qū)的高空“干”過程天氣分型

天氣形勢是天氣現(xiàn)象和過程發(fā)生、維持、演變的背景條件，往往決定著區(qū)域上空水汽輸送基本特征和水汽分布情況。根據(jù)2015-2019年長三角地區(qū)高空“干”過程期間逐日08、20時700 hPa高度天氣圖，采用主觀天氣分型方法，根據(jù)天氣學原理，將52次(其中有5次過程數(shù)據(jù)缺測)高空“干”過程期間的天氣類型進行歸類，概括出每個“干”過程演變過程中的主要天氣類型，共計5種，分別為受低槽東移影響天氣形勢，為低槽型；受高脊東移影響天氣形勢，為高脊型；受低壓影響天氣形勢，為低壓型；受高壓影響天氣形勢，為高壓型；沒有較強且明顯的天氣系統(tǒng)存在，基本處于均壓場狀態(tài)，為均壓場型。5種天氣過程的出現(xiàn)次數(shù)和頻率見表2。

表2 2015-2019年長三角地區(qū)52次高空“干”過程的天氣類型Tab.2 Weather types of 52 times of upper-air“dry” process in Yangtze River Delta from 2015 to 2019

可以看出，高脊型和低槽型出現(xiàn)的次數(shù)最多，合計占比為67.3%，均壓型和高壓型出現(xiàn)次數(shù)相近分別為7次和6次，低壓型出現(xiàn)頻次最少，頻率僅為7.7%。

4.1 低槽型

此次高空“干”過程長三角地區(qū)主要受低槽東移的影響。由圖4(a)可以看出，5月20時，長三角位于低槽上，圖4(b)6日08時槽向東北方向移動，長三角地區(qū)基本位于低槽后部。低槽天氣形勢下，氣壓分布為內側低、外側高，氣流沿逆時針向槽內輸送，槽內空氣輻合上升，槽外空氣輻散下沉，長三角地區(qū)在低槽影響過程中氣壓略有降低，整體為干冷的西北氣流輸送，高空“干”過程由于西北干氣流的下沉輸送至長三角地區(qū)而不斷發(fā)生發(fā)展。在低槽東移的天氣形勢下，長三角地區(qū)處于低槽外圍，西北干冷氣流不斷輸送使得“干”區(qū)域向東南方向移動。

(a)2016年12月5日20時 (b)6日08時圖4 700 hPa低槽型天氣圖Fig.4 700 hPa low trough weather

4.2 高脊型

此次高空“干”過程長三角地區(qū)主要受高脊東移過境的影響。圖5(a)可以看到，8日08時珠三角地區(qū)存在一個高壓中心，向西北方向延伸出高壓脊，此時長三角地區(qū)位于高脊前部，圖5(b)高壓逐漸東移減弱，長三角地區(qū)受高壓脊控制，為西北氣流輸送。高脊天氣形勢下多為晴好天氣，脊內為明顯的下沉氣流，氣流在下沉過程中隨高度的降低溫度不斷升高，水汽不斷蒸發(fā)，飽和水氣壓也逐漸增加，使得氣塊相對濕度隨之降低，使得高空干冷空氣下沉至長三角地區(qū)促使“干”過程的發(fā)生。

(a)2016年2月8日08時 (b)9日08時圖5 700 hPa高脊型天氣圖Fig.5 700 hPa high ridge weather

4.3 低壓型

此次高空“干”過程長三角地區(qū)始終處于低壓后部。由圖6(a)可以看到，5日08時，長三角地區(qū)東側海域上存在一個臺風系統(tǒng)，中部地區(qū)及廣西南部均有高壓存在，此時長三角地區(qū)處于臺風系統(tǒng)低壓后部。臺風始終沒有登陸，沿大陸邊緣向北移動。由圖6(b)可見，長三角地區(qū)仍處于低壓后部，臺風外圍位置。低壓天氣形勢下，中心位置有上升的氣流，臺風過程發(fā)生時中心有極強的對流，中心氣流劇烈上升，外圍地區(qū)空氣做下沉運動。低壓外圍空氣呈逆時針方向輻合，長三角地區(qū)位于低壓后部，受下沉的西北氣流影響，干而冷的空氣輸送至長三角地區(qū)，使得濕度降低至20%以下，“干”過程發(fā)生。

(a)2018年10月5日08時 (b)6日08時圖6 700 hPa低壓型天氣圖Fig.6 700 hPa low-pressure weather

4.4 高壓型

此次高空“干”過程長三角地區(qū)受高壓東移的影響。由圖7(a)可以看到，2日20時，長三角地區(qū)位于高壓中心東南方向，處于高壓控制下。圖7(b)可以看到，3日08時，高壓東移減弱至海上，長三角地區(qū)處于高壓控制下的均壓場天氣形勢下。高壓天氣形勢下，大氣層結穩(wěn)定，中心位置為下沉氣流，高壓周圍氣流呈順時針向外輻散，長三角高空呈現(xiàn)干空氣下沉，低層水汽向外輻散使相對濕度保持低于20%的狀態(tài)。

(a)2015年11月2日20時 (b)3日08時圖7 700 hPa低壓型天氣圖Fig.7 700 hPa low-pressure weather

4.5 均壓場型

圖8為2015年2月9日08時700 hPa高度高壓型天氣形勢圖，可以看到此次高空“干”過程長三角地區(qū)沒有明顯的天氣系統(tǒng)出現(xiàn)，我國西南部有弱槽弱脊出現(xiàn)，但并未影響到長三角地區(qū)，等壓線與我國東北部地區(qū)相比較為稀疏，風速較小，即大氣層結處于極其穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖8 700 hPa均壓場型天氣圖2015年2月9日08時Fig.8 700 hPa voltage-sharing weather at 8 o’clock, February 9, 2015

5 結論

利用歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)提供的ERA5再分析資料，分析了2015-2019年長三角地區(qū)高空“干”過程發(fā)生頻率、生命周期的季節(jié)變化特征，根據(jù)其不同季節(jié)高空“干”過程發(fā)生時的大氣水汽含量，分析其時空分布特征，根據(jù)MICAPS資料對高空“干”過程期間的天氣形勢進行分類，分析不同天氣形勢下高空“干”過程的氣流輸送情況，探究此過程發(fā)生的原因。結果表明，長三角地區(qū)2015-2019年共發(fā)生高空“干”過程57次，其中2015年發(fā)生次數(shù)最少，發(fā)生頻率為0.5次/月，2017、2018、2019年的發(fā)生次數(shù)相同且最多，發(fā)生頻率均為1.08次/月，高空“干”過程不具備明顯的年際變化特征。高空“干”過程具有明顯的季節(jié)變化特征，長三角地區(qū)2015-2019年春、秋、冬三季均發(fā)生了“干”過程，且發(fā)生頻率相近，其平均持續(xù)時間分別為70.5 h/次(約為3 d/次)、117.6 h/次(約為5 d/次)、99.6 h/次(約為4 d/次)，5年內，夏季6、7、8月份均沒有出現(xiàn)高空“干”過程。2015-2019年長三角地區(qū)800～300 hPa高空“干”過程大氣水汽含量均小于季平均水汽含量，其中秋季高空“干”過程水汽含量在三季中最高，約為在5 mm左右，春、冬季水汽含量接近0值，其水汽含量分布均從東北向西南方向遞增。將2015-2019年長三角地區(qū)52次高空“干”過程的天氣類型進行歸類，概括為5種主要的天氣類型，分別為低槽型、高脊型、低壓型、高壓型和均壓場型，其中高脊型和低槽型出現(xiàn)的次數(shù)最多，合計占比為67.3%。