趙 琳， 孫林海， 竺夏英， 張永濤， 崔 童，李 威， 艾婉秀， 尹宜舟

(1.國家氣候中心，北京 100081； 2.中國氣象局·河南省農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003；3.河南省氣候中心，鄭州 450003)

引 言

從氣候角度來說，我國東部地區(qū)汛期降水主要受東南季風(fēng)和高原季風(fēng)的影響，各地雨季的長(zhǎng)短和雨量的多寡都與夏季風(fēng)雨帶的進(jìn)退、移動(dòng)和停滯有關(guān)[1-4]。夏季風(fēng)雨帶從冬到夏逐漸向北推移，一般在7月份到達(dá)華北[5]。華北地區(qū)由于受到季風(fēng)氣候的影響，降水季節(jié)分配不均，降水量主要集中在夏季，約占全年降水量的65%-75%，是我國東部地區(qū)降水集中程度最大的一個(gè)地區(qū)。華北雨季一般集中在7-8月，但因逐年雨季來臨遲早不一、強(qiáng)弱變化差異顯著，相應(yīng)的夏季出現(xiàn)的旱澇災(zāi)害也較為頻繁[6-7]，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著直接的影響。

雨季一般指降水較集中的濕潤(rùn)多雨季節(jié)，是某一地區(qū)每年雨量最大的若干天，往往與干季周期性交替出現(xiàn)。在降水分配不均勻的其他地區(qū)，也有將相對(duì)多雨的季節(jié)劃分為雨季的，如我國通常將4、5月劃為華南和南嶺山區(qū)的雨季，6、7月間為江淮地區(qū)的梅雨季節(jié)等。華北地區(qū)的降雨主要集中在7-8月，其中又以7月下旬和8月上旬最為集中，俗稱“七下八上”。尤其是北京，這個(gè)時(shí)期是一年當(dāng)中雨水最活躍的，平均降雨量占年平均降雨量的60%左右，且降雨強(qiáng)度大，分布極為不均。而華北地區(qū)的河北、天津等地，7-8月的降雨量也都超過年平均降雨量的一半。長(zhǎng)期以來，我國氣象工作者對(duì)華北雨季和夏季華北降水進(jìn)行了大量研究[8-13]，取得豐碩的科研成果：華北雨季降水的多少與東亞夏季風(fēng)的強(qiáng)弱有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[14-15],除了受東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)成員的直接影響外[16-19]，華北雨季降水還間接地受熱帶太平洋海溫、印度洋海溫、北大西洋海溫、南大西洋海溫、南極濤動(dòng)、北極海冰及其導(dǎo)致的異常波列等因素的影響[20-26]。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所使用的資料包括：國家氣候中心1961-2021年華北雨季的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；國家氣象信息中心提供的華北地區(qū)236個(gè)測(cè)站1961-2021年逐日降水量；NCEP/NCAR的日和月平均再分析數(shù)據(jù)，時(shí)間范圍為1948-2021年，空間分辨率為 2.5°×2.5°。氣候值均采用1981-2010年平均。

本文分析方法主要有統(tǒng)計(jì)分析、環(huán)流合成分析等。華北雨季監(jiān)測(cè)區(qū)、起始日、綜合強(qiáng)度等劃分方法詳見1.2。

1.2 華北雨季劃分方法

華北雨季是指受東亞夏季風(fēng)向北推進(jìn)影響，每年7月中下旬至8月上中旬為華北地區(qū)降水最集中的時(shí)期。華北雨季降水強(qiáng)度大，時(shí)空分布極為不均，可伴隨雷電、大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣；同時(shí)，受季風(fēng)氣候影響，華北雨季長(zhǎng)度年際變化大，強(qiáng)弱變化差異顯著。

1.2.1 雨季監(jiān)測(cè)區(qū)劃分

根據(jù)中華人民共和國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《中國雨季監(jiān)測(cè)指標(biāo) 華北雨季》(QX/T 495-2019)[27]，華北雨季共分為3個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)，即京津冀監(jiān)測(cè)區(qū)(包括北京市16站、天津市9站、河北省72站)、晉監(jiān)測(cè)區(qū)(包括山西省108站)和內(nèi)蒙古監(jiān)測(cè)區(qū)(包括內(nèi)蒙古中部31站,圖1)。

1.2.2 雨季起始日劃分

自7月1日開始，當(dāng)5 d平均的西北太平洋副熱帶高壓脊線位置在25°N以北時(shí)，某站5 d滑動(dòng)累積降水量不小于35 mm(京津冀和晉監(jiān)測(cè)區(qū))或25 mm(內(nèi)蒙古監(jiān)測(cè)區(qū))，且5 d內(nèi)至少有一天日降水量不小于10 mm，則首個(gè)日降水量不小于10 mm的日期為該站雨季開始日。雨季開始后，某站截至某日，連續(xù)10 d中5 d滑動(dòng)累積降水量均不大于35 mm(京津冀和晉監(jiān)測(cè)區(qū))或25 mm(內(nèi)蒙古監(jiān)測(cè)區(qū))，則將此日定為雨季結(jié)束日。分區(qū)內(nèi)雨季已經(jīng)開始的站點(diǎn)累計(jì)比例達(dá)到或超過該分區(qū)所對(duì)應(yīng)的比例閾值時(shí)，則將該日定為該分區(qū)雨季開始日；分區(qū)內(nèi)雨季已經(jīng)結(jié)束的站點(diǎn)累計(jì)比例達(dá)到或超過該分區(qū)所對(duì)應(yīng)的比例閾值時(shí)，則將該日定為該分區(qū)雨季結(jié)束日。各分區(qū)雨季開始日和結(jié)束日閾值見表1。3個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域中，最早進(jìn)入雨季的某區(qū)域雨季開始日期作為華北雨季的開始日期，最晚結(jié)束的某區(qū)域雨季結(jié)束日作為華北雨季的結(jié)束日期。

圖1 華北雨季監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布

表1 華北雨季各分區(qū)雨季起訖的站點(diǎn)累計(jì)比例閾值 %

1.2.3 雨季綜合強(qiáng)度

華北雨季綜合強(qiáng)度指數(shù)(M)計(jì)算公式為

(1)

式中，L為某年雨季長(zhǎng)度,L0為雨季長(zhǎng)度的氣候平均值,P為某年雨季降水量,P0為雨季降水量的氣候平均值,(P/L)為某年雨季內(nèi)平均日降水強(qiáng)度,(P0/L0)為雨季內(nèi)平均日降水強(qiáng)度的氣候平均值。

2 華北雨季氣候特征及成因分析

2.1 2021年華北雨季氣候特征

2.1.1 雨期長(zhǎng)，雨量大

2021年華北雨季于7月12日開始，較常年(7月18日)偏早6 d；于9月9日結(jié)束，較常年(8月18日)偏晚22 d；雨季長(zhǎng)度為59 d，為1961年以來第2長(zhǎng)，僅次于1973年的60 d(圖2)。2021年華北雨季平均雨量為276.4 mm，較常年(136.0 mm)偏多103.2%，為1961年以來第3多年份，僅次于1988年的311.9 mm和1996年的309.5 mm(圖3)。

圖2 1961-2021年華北雨季長(zhǎng)度歷年變化

圖3 1961-2021年華北雨季平均雨量歷年變化

2.1.2 雨季綜合強(qiáng)度大，降水極端性強(qiáng)

2021年華北雨季綜合強(qiáng)度為1.92，達(dá)“強(qiáng)”等級(jí)，為1961年以來第3強(qiáng)(見圖4)。華北雨季期間(7月12日至9月8日)，華北雨季監(jiān)測(cè)區(qū)(以下簡(jiǎn)稱監(jiān)測(cè)區(qū))平均暴雨日數(shù)為1.04天，較常年同期偏多0.44天。北方共出現(xiàn)4次區(qū)域性暴雨過程，其中對(duì)華北地區(qū)影響明顯的是7月10-13日、7月24-30日過程，降水集中在7月11-13日和7月29-30日。

雨季期間，監(jiān)測(cè)區(qū)共有34個(gè)國家級(jí)氣象觀測(cè)站日降水量達(dá)極端事件監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，其中北京順義(223.3 mm)和山西永濟(jì)(111.5 mm)的日降水量突破當(dāng)?shù)貧v史極值；有23個(gè)國家級(jí)氣象觀測(cè)站連續(xù)降水日數(shù)達(dá)極端事件監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，其中內(nèi)蒙古察右前旗(14 d)和河北唐山(11 d)2站連續(xù)降水日數(shù)突破當(dāng)?shù)貧v史極值；有28個(gè)國家級(jí)氣象觀測(cè)站連續(xù)降水量達(dá)極端事件監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，其中山西平順(321.8 mm)和陵川(220.2 mm)連續(xù)降水量突破當(dāng)?shù)貧v史極值。

圖4 1961-2021年華北雨季綜合強(qiáng)度歷年變化

2.1.3 氣溫呈東低西高分布，降水偏多且階段性明顯

雨季期間，監(jiān)測(cè)區(qū)平均氣溫為22.6 ℃，接近常年同期值，氣溫呈東低西高分布。北京、天津和河北中北部等地氣溫較常年同期值偏低，其中北京北部、天津北部及河北東北部偏低0.5～1.5 ℃；河北中南部、山西大部氣溫較常年同期偏高，其中山西中西部偏高0.5～1.0 ℃(圖5a)。

雨季期間，監(jiān)測(cè)區(qū)平均降水量為276.4 mm，較常年同期值偏多33.7%，呈東多西少分布。北京、天津、河北大部及山西東南部降水量較常年同期值偏多2成至1倍，局地偏多1倍以上；山西中西部降水量偏少2～5成(圖5b)。京津冀監(jiān)測(cè)區(qū)降水量(398.9 mm)較常年同期值偏多65%，為1961年以來歷史同期降水量第5多，其中北京偏多近1倍，為歷史同期降水量最多。

雨季期間降水階段性特征明顯，主要集中在3個(gè)時(shí)段(圖6)：第1個(gè)時(shí)段為7月12日至30日，監(jiān)測(cè)區(qū)累計(jì)雨量為135.1 mm，較常年同期值偏多83.7%；第2時(shí)段為8月15日至24日，累計(jì)雨量為51.0 mm，較常年同期值偏多70.7%；第3階段為8月30日至9月6日，累計(jì)雨量為56.6 mm，較常年同期值偏多2.1倍。

圖5 2021年華北雨季期間監(jiān)測(cè)區(qū)氣溫距平(a)和降水距平百分率(b)分布圖

圖6 2021年華北雨季期間監(jiān)測(cè)區(qū)降水量逐日變化

2.1.4 暴雨洪澇與干旱等氣象災(zāi)害并發(fā)

強(qiáng)降雨致海河流域?yàn)春影l(fā)生洪水。7月11-13日，華北大部地區(qū)出現(xiàn)降水，累計(jì)降水量一般有25～100 mm，華北東部和南部部分地區(qū)超過100 mm。京津冀晉4省(市)50 mm及以上累計(jì)降水覆蓋面積達(dá)14.9萬km2，影響人口7738.5萬人。受其影響，7月13日海河流域?yàn)春影l(fā)生洪水，北京、河北和山西等地農(nóng)作物受災(zāi)。

華北多地遭受大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣影響冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣影響。8月13-15日，河北承德和保定等地受強(qiáng)對(duì)流天氣影響，4萬多人受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失超過1億元。

華北西部降水偏少出現(xiàn)氣象干旱。7-8月，華北西部降水量持續(xù)偏少，較常年同期偏少2～5成，局地偏少5成以上。7月下旬華北西部氣象干旱開始露頭并發(fā)展，8月18日中旱及以上面積最大為9.4萬km2。8月中旬和9月初旱區(qū)出現(xiàn)降水，干旱形勢(shì)緩和。受干旱影響，山西多地農(nóng)作物生長(zhǎng)受到影響，部分地區(qū)出現(xiàn)人畜飲水困難。

2.2 成因和預(yù)測(cè)信號(hào)

拉尼娜事件是2021年華北雨季偏強(qiáng)的重要外因，也是最重要的年際預(yù)測(cè)信號(hào)。自2020年8月開始，赤道中東太平洋經(jīng)歷了一次中等強(qiáng)度的拉尼娜事件，于2021年4月結(jié)束。研究表明，拉尼娜事件發(fā)生次年夏季西太平洋副熱帶高壓容易偏北，東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng)，夏季華北地區(qū)上空垂直上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，有利于我國夏季主雨帶偏北，華北地區(qū)降水易偏多[28]。此外，2020年冬季和2021年春季青藏高原積雪也是另一年際預(yù)測(cè)信號(hào)。2020年冬季和2021年春季青藏高原積雪明顯偏少,高原與海洋熱力對(duì)比大，季風(fēng)經(jīng)圈環(huán)流偏強(qiáng)，東亞夏季風(fēng)偏強(qiáng)，有利于夏季華北降水偏多[29]。圖7是2021年華北雨季期間110°-120°E平均的經(jīng)圈環(huán)流距平場(chǎng)，從總體上看,華北雨季期間,我國東部地區(qū)基本都為上升運(yùn)動(dòng)，說明季風(fēng)環(huán)流偏強(qiáng)，與我國東部降水整體偏強(qiáng)相對(duì)應(yīng)，華北地區(qū)(35°-45°N)也呈上升運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)華北地區(qū)降水偏多。

圖7 2021年華北雨季期間110°-120°E平均的經(jīng)圈環(huán)流距平場(chǎng)和垂直速度陰影為垂直速度，單位：0.01 Pa/s

造成2021年華北雨季偏強(qiáng)的直接原因則是大氣環(huán)流異常。從2021年華北雨季期間500 hPa環(huán)流及其距平場(chǎng)(圖8)上可以看出，在東亞中高緯，500 hPa距平環(huán)流場(chǎng)呈現(xiàn)“東高西低”分布，是較為典型的我國東部降水偏多的環(huán)流形勢(shì)，貝加爾湖至我國長(zhǎng)江下游的大槽也很明顯，非常有利于冷空氣的南下。結(jié)合整層水汽通量距平場(chǎng)及水汽通量散度(圖9)和低層850 hPa距平風(fēng)場(chǎng)(圖略)分析，2021年華北雨季期間，我國東海南部對(duì)流層低層850 hPa距平風(fēng)場(chǎng)為異常氣旋式環(huán)流控制，我國江淮東部、黃淮東部和華北東部受到該異常氣旋環(huán)流東北側(cè)的偏南風(fēng)距平影響，來自海上的暖濕水汽源源不斷地向我國北方地區(qū)輸送，形成低層水汽匯合，水汽條件持續(xù)偏好，冷暖空氣在北方地區(qū)交匯，直接造成華北東部等地降水偏多。

圖8 2021年華北雨季期間500 hPa環(huán)流場(chǎng)及其距平場(chǎng)紅色線為1981-2010年氣候值;陰影為高度距平，單位：gpm

圖9 2021年華北雨季期間對(duì)流層整層積分水汽通量距平場(chǎng)及水汽通量散度矢量為水汽通量，單位：kg/(s·m)；陰影為水汽通量散度，單位：10-5kg/(s·m2)

3 結(jié)果與討論

本文利用降水資料、NCEP再分析資料，通過合成分析等統(tǒng)計(jì)方法，分析了2021年華北雨季的氣候特征和華北地區(qū)降水偏多的成因及其預(yù)測(cè)信號(hào)，結(jié)論如下:

(1)2021年華北雨季開始早、結(jié)束晚、雨期長(zhǎng)、雨量大。2021年華北雨季開始日期較常年始日偏早6 d；結(jié)束日期較常年結(jié)束日偏晚22 d；雨量較常年雨量偏多103.2%；雨季長(zhǎng)度為1961年以來的第2長(zhǎng)。

(2)雨季綜合強(qiáng)度大，降水極端性強(qiáng)，多種氣象災(zāi)害并發(fā)。2021年華北雨季綜合強(qiáng)度達(dá)“強(qiáng)”等級(jí)，為1961年以來的第3強(qiáng)。監(jiān)測(cè)區(qū)多站日降水量、連續(xù)降水日數(shù)和連續(xù)降水量突破當(dāng)?shù)貧v史極值。雨季期間，華北地區(qū)暴雨洪澇與干旱等氣象災(zāi)害并發(fā)，部分地區(qū)受災(zāi)嚴(yán)重。

(3)2020年8月至2021年4月的拉尼娜事件是2021年華北雨季偏強(qiáng)的重要外因，也是最重要的年際預(yù)測(cè)信號(hào)。另外，2020年冬季和2021年春季青藏高原積雪偏少是2021年我國北方降水偏多的另一年際預(yù)測(cè)信號(hào)。

(4)造成2021年華北雨季偏強(qiáng)的直接原因是大氣環(huán)流異常，500 hPa東亞中高緯呈現(xiàn)“東高西低”距平環(huán)流分布，貝加爾湖至我國長(zhǎng)江下游的大槽非常有利于冷空氣南下，850 hPa我國長(zhǎng)江以北地區(qū)受到異常氣旋環(huán)流東北側(cè)的偏南風(fēng)距平控制，給北方地區(qū)帶來良好的水汽輸送。冷暖空氣在北方地區(qū)交匯，造成華北東部等地降水偏多。