梅雨发生前对流层顶及平流层异常信号的分析

梅雨是东亚大气环流由春到夏演变的产物，是东亚地区特有的天气气候现象，仅出现在中国长江中下游至朝鲜半岛南部和日本西南部(周曾奎，1996；朱乾根等，2007)。梅雨一般出现在6月中旬到7月上旬，每年入、出梅的迟早、梅雨期的长短、梅雨降水量的多少，直接影响到长江中下游地区的旱涝，因此，梅雨的发生和发展一直受到中国气象学家广泛关注(陶诗言等，1988；丁一汇等，2007a)。符淙斌(1981)发现南极地区的冰雪状况与长江流域出梅时间的早晚有密切的关系；赵振国(1996)发现厄尔尼诺的开始年和次年，长江中下游入梅偏晚；徐海明等(2001)、王钟睿等(2005)指出，江淮入梅日的年际变化与北大西洋涛动和海温异常有关；汪靖等(2006，2009)指出，东亚副热带高空西风急流和西太平洋副热带高压向北突跳偏晚会导致江淮流域入梅偏晚，而前期中太平洋ENSO(CP-ENSO)事件是影响梅雨建立年际变化的强信号，大气环流季节性转换和热带暖湿气流向江淮流域输送偏早(晚)是江淮梅雨建立偏早(晚)的主要原因；竺夏英等(2007)发现前期北半球冬季ENSO 对梅雨期降水经向非均匀分布有一定的影响。同样受梅雨影响的日本也通过印度季风降水等对梅雨展开过不少研究(Ninomiya et al，2003; Zhou et al，2004; Yasunari et al，2006; Krishnan et al，2001)。

梅雨是发生在对流层的一个天气过程，传统意义上都认为平流层大气是受对流层影响的被动系统，故较少有人研究平流层过程对梅雨的影响。然而有研究指出，平流层过程可影响对流层的天气过程(Baldwin et al，2001; Hartley et al，1998; Black，2002;胡永云，2006a；张伟等，2006)。一些学者甚至建议冬季北半球平流层的异常信号可以作为预报对流层天气变化的先行指标(胡永云，2006b)。刘毅等(2008)、向纯怡等(2009)的研究结果表明平流层异常能影响对流层环流，从而造成对流层天气系统的变化，一个明显的例子是平流层异常信号对2008年的雪灾天气有重要的指示意义。也有研究提出平流层过程对对流层有显著影响(陈文等，2009；Chen et al，2009;魏科等，2007)，甚至是相对较弱的平流层异常也可以向下传播影响对流层(Wang et al，2010)。关于对流层顶，赵亮等(2008)分析了气候平均意义下梅雨前期及梅雨期间东亚地区等熵位涡的源区和演变过程，发现梅雨建立之前，东亚地区对流层高层经向位涡梯度减弱。龚道溢(2003)通过分析春季北极涛动(AO)指数的变化对梅雨带夏季降水年际变化的影响后指出，北极涛动能够预测东亚夏季降水。李春等(2005)提出，在年代际尺度上，北极涛动与东亚夏季风强度和华北夏季降水有密切关系。李崇银等(2008)研究发现，中国夏季梅雨的异常可能会受到平流层大气环流异常状况的影响，这种影响是通过对流层北极涛动的变化而实现的。

然而，针对梅雨发生前对流层顶和平流层的异常在以往的研究中还没有得到深入的分析。本文将在已有研究的基础上，对梅雨发生前江淮地区动力对流层顶高度、温度、各高度的风、位涡以及北半球环状模(NAM)进行分析，以期找到梅雨发生前对流层顶和平流层的异常信号。 2 资料和方法

所用的天气要素资料主要是1989—2008年共20 a的NCEP再分析资料，其水平分辨率为2.5°×2.5°。同时还用到相同时段水平分辨率为1.5°×1.5°的欧洲中心再分析资料(ERA-Interim)作对比分析。梅雨资料来自中国国家气候中心，时段为1989—2008年，主要用到梅雨的起止时间和梅雨期降水量。

文中选取(28°—34°N，110°—122°E)代表江淮地区(胡娅敏等，2008)。由于2000和2002年是空梅年，故选择该2 a的早梅雨发生时期作为研究对象，其余年份的研究对象均为典型梅雨期。梅雨发生前后某一天表示的是以每年的入梅日为基准，前推N天计为梅雨发生前N天，后推N天计为入梅后N天，并将以此方法算出的梅雨发生前N天的20 a数据累加后再求平均得到的数据计为梅雨发生前N天的20 a平均值。

文中热力对流层顶资料选自NCEP再分析资料中的对流层顶资料。考虑到中纬度地区热力对流层顶不连续，故文中选取动力对流层顶作为主要研究对象，热力对流层顶作为参考。动力对流层

顶由位势涡度(VP)等于2.5 PVU(1 PVU=10-6(m2·K)/(s·kg))的等位涡面确定。位涡的计算采用下面的公式(丁一汇等，2007b)：

对流层顶是平流层和对流层的过渡层，是对流层与平流层相互作用的关键纽带。因此，有必要首先了解入梅

前后对流层顶高度和温度的变化。从1989—2008年NECP和ERA-Interim再分析资料合成得到的梅雨发生前15天至入梅后5天的多年平均动力对流层顶高度和温度变化趋势(图 1)可以看出，两种资料的合成结果均表明，江淮地区入梅前第8天对流层顶高度开始有比较明显的下降，于梅雨发生前第3天达到最低，之后该地区对流层顶开始快速升高，在入梅后的5天内无明显变化。与高度变化相反，在研究的20 a中，梅雨发生前3—8天江淮地区动力对流层顶温度则有明显的升高，并在梅雨发生前第3天达到最高，随后温度降低直至入梅。通过分析两种资料的对流层顶高度和温度在梅雨发生前后的相关性可知，NCEP和ERA-Interim的对流层顶高度相关系数高达0.958，对流层顶的温度相关系数也达到0.800。这个结果表明梅雨发生前对流层顶高度下降和温度升高两种资料一致。

为了进一步验证图 1中对流层顶高度和温度的变化是否与梅雨的发生相关，分析了20 a 6月江淮地区对流层顶高度和温度的气候平均逐日变化。从图 2可以看出，20 a平均的江淮地区6月对流层顶高度和温度存在明显的逐日变化，但从NCEP和ERA-Interim两种资料的对比来看，两种资料的逐日变化在相位上并不一致，相关系数都小于图 1中的值。这从另一个角度说明，图 1中梅雨发生前对流层顶高度的下降不是随机的逐日变化信号。值得指出的是，NCEP和ERA-Interim的对流层顶高度存在较大的差异，这可能是两种资料的空间分辨率不同以及两种资料内在的差异等因素造成的。在下面的分析中主要以NCEP资料为主来进行。

以上结果是20 a平均值，然而梅雨的发生、发展在各年并不相同，接下来分析梅雨发生前对流层顶的逐年变化。图 3分别给出了20年NCEP热力对流层顶资料和以2.5 PVU等位涡面确定的动力对流层顶在梅雨发生前第3天和入梅日江淮地区对流层顶高度及其经向、纬向梯度的变化(梯度是相邻两个格点间的对流层顶高度之差与格距之比的绝对值)。图 3a1、a2显示，20 a中有超过15 a的数据显示梅雨发生前第3天对流层顶高度低于梅雨发生当天的值，这与图 1的合成结果一致。从图 3b1、b2可以看出，20 a中，有17 a表现为梅雨发生前第3天该地区平均热力对流层顶高度的经向梯度高于梅雨发生当天的值，而动力对流层顶的分析结果也有 14 a符合这种情况。再由图 3c1、c2可以看出，20 a 中有14 a表现为梅雨发生前第3天热力对流层顶高度的纬向梯度大于梅雨发生当天的纬向梯度，而动力对流层顶的分析结果有13 a是这种情况。

由以上分析可以得出，无论是热力对流层顶还是动力对流层顶，梅雨发生前江淮地区对流层顶高度都低于入梅日，与之对应，梅雨发生前该地区对流层顶高度的经向梯度和纬向梯度大于入梅日的值；而经向梯度的变化比纬向梯度更明显，说明梅雨发生前江淮地区对流层顶会发生明显的形变且对流层顶高度的空间形变主要体现在南北方向，即梅雨发生前对流层顶高度经向平均变化大于纬向平均变化。从总体上看，热力对流层顶和动力对流层顶的分析结果一致，只是热力对流层顶的统计结果更好；从个例上看，两种对流层顶上纬向梯度的对比结果最为一致。

梅雨发生前对流层顶的降低可能与前期北方冷空气频繁南下、东亚季风的爆发以及急流轴的北跳有关。陶诗言等(1998)指出梅雨气旋的发生、发展都受西北方南下的高空冷槽影响，寿绍文等(2001)的分析也指出，1991年江淮梅雨暴雨过程由高层的具有较高湿位涡值的冷空气沿等熵面快速向南下降而加强。还有研究(龚道溢等，2002)表明，东亚夏季风降水受东亚副热带西风急流影响，中国大部分地区雨季的起始都与急流轴的南移北跳及强度有关。6月江淮地区及周边的对流层顶高度呈现北低南高、东低西高的特点(图 4a)；梅雨发生前，正是春夏之交，北方冷空气频繁南下与南方的暖湿空气相互作用导致频繁的锋生锋消活动，特别是在江淮地区，而锋生活动是对流层顶折卷的有利条件(Elbern et al，1998)。图 4b是北面较低的对流层顶在江淮地区折卷的示意图，解释了该地区梅雨发生前对流层 顶降低的第1个原因；第2个原因是当东亚季风爆发时，江淮地区上空有偏东气流，由于东面对流层顶较低，在高层东风的作用下，对流层顶在此处发生折卷(图 4c)。梅雨发生前急流轴的北跳造成的动力不稳定则为对流层顶发生折卷创造了更有利的条件。入梅后，随着对流层对流活动的逐渐加强，对流层顶相应抬升。因此，伴随着北方冷空气的南下、东亚季风的爆发和急流轴的北跳，梅雨发生前江淮地区对流层顶降低，而随着入梅后对流活动的逐渐加强，该地区对流层顶又逐渐抬升，对流活动强时这一抬升更明显。

下面进一步以20 a平均资料来分析梅雨发生前在经向和纬向垂直剖面上有关信号的变化，以了解梅雨发生前对流层顶降低的原因。这些信号包括动力对流层顶高度、位温、垂直速度、位涡等。选取位涡值等于2.5 PVU的等位涡面作为动力对流层顶，图 5是1989—2008年平均的动力对流层顶和位温在110°—122°E平均的垂直-经向剖面。图 5a—d分别是梅雨发生前第12天、第8天、第4天和入梅日的经向剖面。可以看出，从梅雨发生前12天到第4天江淮地区(20°—30°N)有明显的上升运动，而在江淮地区北部(30°—40°N)是明显的下沉运动，到入梅日(图 5d)研究区域盛行上升运动，下沉运动则明显减弱。值得注意的是从梅雨发生前第12天开始直到入梅日，动力对流层顶似乎没有明显的变化，但从图 5还是可以看出，在上升运动区，动力对流层顶有向上的抬升，而下沉运动区有对流层顶凹陷现象，这种凹陷即是对流层顶折卷的总体表现。赵亮等(2008)曾指出在梅雨发生前，平流层异常高位涡空气会沿2 PVU 面南下，并堆积在2 PVU 面最陡峭处(等位涡面与等熵面交角最大处)，同时伴随着较强的北风和下沉运动。由图 5也可以看出，等位温线与对流层顶交角最大的区域伴随着较强的下沉运动。

进一步分析梅雨发生前5天、4天、3天、2天、1天和入梅日在32.5°N处位涡的纬向剖面(图 6)可以 看出，在梅雨发生前第5天，江淮地区上空对流层顶存在明显凹陷现象(图 6a)，梅雨发生前第4天，该地区对流层顶的凹陷加深(图 6b)，至梅雨发生前第3天凹陷形成类似于对流层顶折卷的现象(图 6c)。 在梅雨发生前2天，这种折卷开始东移，而梅雨发生前1天，对流层顶折卷较之前有所减弱且逐渐东移移出江淮地区。结果与图 4给出的概念模型一致。

结合图 5和6可以看出，梅雨发生之前在江淮地区的对流层顶附近会有来自平流层的高位涡空气向下入侵，并伴随对流层顶的下降和折卷。特别值得注意的是，梅雨发生当天江淮地区及其稍北部对流层顶的下沉气流消失了，折卷也开始逐渐减弱。从图 1对流层顶高度演变特征也可以看出，从梅雨发生前第3天开始，江淮地区对流层顶的高度开始回升。综合前面的分析可以看出，梅雨发生前，有偏北方向的冷空气从平流层进入对流层，并逐渐靠近江淮地区，相应的这一地区对流层顶也降低，而入梅日江淮地区被大范围的垂直上升气流主导，主要是对流层空气进入平流层。 4等位涡面上及平流层的相关分析

为了考查对流层顶附近高位涡空气的传输情况，图 7给出了20 a平均的梅雨发生前2.5 PVU面上的位势高度和风场。从图 7可以看到与前面一致的结果：在梅雨发生前第6—3天，120°E以东，30°—50°N的动力对流层顶高度有明显的下降，表现为槽区，此区域为正位涡异常区。

在梅雨发生前第7天，40°—50°N，105°E附近出现一个槽区，即正位涡异常区，随后这个正位涡异常区沿西北气流快速东移南下，在梅雨发生前第6天到达35°—45°N，115°E附近，开始影响中国东部地区上空，之后移动缓慢，至梅雨发生前第3天一直维持在这一区域。由于正位涡异常维持在中国东部地区上空，使得包括江淮地区在内的中国东部地区的对流层顶在梅雨发生前第6—3天持续下降，并于梅雨发生前第3天达到最低。此后该正位涡异常逐渐移出中国大陆。

在江淮地区上空槽形成发展的同时，其西脊区的形成发展也值得关注。在梅雨发生前第7天，40°—50°N，100°E附近出现脊，即负位涡异常区，位于正位涡异常区的西侧，其后稳步东移，于梅雨发生前第3天控制中国东部大部分地区，使得包括江淮地区在内的这些地区的对流层顶在下降至最低值后开始上升。

结合急流区可以看出，在梅雨发生前第6—3天，正位涡异常区的东侧一直存在很强的急流，位于日本上空，该急流区又处于对流层顶陡峭处，会产生强的垂直上升运动，在地面导致气旋发生，而位于日本附近的温带气旋往往与江淮梅雨准静止锋相连，可以对江淮梅雨的形成发展产生影响。

如果选取一个典型梅雨年份分析梅雨发生前动力对流层顶上位势高度场和风场形势，图 7中反映的特征会更加明显。图 8是2007年梅雨发生前第8—3天2.5 PVU等位涡面的位势高度场和风场。可以看出，在梅雨发生前第8天正位涡异常区已在(35°N，105°E)附近形成，随后逐渐东移，并呈东北—西南向。在梅雨发生前第6天，从南亚高压伸出的负位涡异常区也开始发展。在2007年梅雨发生前第5—4天，江淮地区成为正位涡异常区的中心，在梅雨发生前第4天江淮地区的对流层顶降至11 km以下，且槽区中心的主要风向为偏北风而非西北风，这加速了高位涡空气的南侵，在梅雨发生前第3天后移出中国大陆。

图 7和8很清楚地表明，在包括江淮地区的中国东部地区上空对流层顶附近出现的正位涡异常与梅雨的发生有很强的相关。在梅雨发生前3—6天江淮地区对流层顶附近维持正位涡异常，正位涡异常区走向呈东北—西南向。江淮地区对流层顶附近这一正涡度异常与梅雨发生前第7天前后在贝加尔湖附近(40°—50°N，105°E)生成的正位涡异常区有很好的联系，监测该区域的动力对流层顶异常对预测梅雨的发生具有一定的指示意义。

图 9进一步给出了1989—1998年逐年梅雨发生前后江淮地区平流层温度和环流的时空变化(由于逐年的变化特征基本一致，为了使图中的信号更明显，只给出前10年的结果)。从温度的时空剖面可以看出(图 9a)，江淮地区平流层温度在梅雨发生前达到最高，梅雨爆发后温度则开始下降，特别是在平流层中部30 hPa上下，这一特征尤其明显。图 1的合成结果也表明梅雨发生前对流层顶高度下降，温度升高，与图 9中逐年的温度变化特征一致。这些结果表明，梅雨发生前江淮地区平流层增温，该地区对流层顶降低、温度相应升高；梅雨爆发后江淮地区平流层温度开始下降。纬向风的时空剖面(图 9b)则显示在梅雨发生前该地区平流层纬向风开始由西风转为东风，这与前面分析的结果一致，即梅雨发生前江淮地区上空有偏东气流，有利于对流层顶自东向西折卷。

从以上对对流层顶及平流层的温度和环流的分析可以看出，梅雨发生前后江淮地区对流层顶及平流层温度和纬向风有明显的不同，那么，梅雨发生前，平流层是否有其他异常信号呢？不少研究指出，南极涛动对江淮梅雨甚至中国东部的夏季降水有影响或有关(高辉等，2003；鲍学俊等，2006)，而南极涛动(或称南半球环状模)和北极涛动(或称北半球环状模)有着极大的相似：二者都是深厚的、高度纬向对称的环状结构，在极地和中高纬度呈反相变化;“环状模”在南半球和北半球都是整年存在，是具有半球尺度的大气环流遥相关现象(李晓峰等，2009)，龚道溢等(2002)发现长江流域夏季降水与前期北极涛动有显著相关性。中外的一些研究通过对北半球环状模的分析研究发现平流层的异常信号可以传到对流层进而对对流层天气造成影响(Baldwin et al，2001;胡永云，2006a，2006b； Wang et al，2010;陈月娟等，2009；陈文等，2006，2008；Huang et al，2007)。Ogi等(2004，2005)提出夏季北半球环状模对对流层天气尤其是欧亚大陆的天气影响明显，只是夏季北半球环状模经向尺度较小，且与冬季的北半球环状模在位势高度场、尺度各方面不同。

下面进一步通过分析1989—2008年逐年北半球环状模指数来了解入梅前平流层是否有异常信号下传到对流层。根据Baldwin等(2001)给出的北半球环状模指数的计算方法，利用NCEP 资料计算了1989—2008年不同高度上北半球环状模指数随时间的变化(图 10)。仔细分析图 10的结果可以发现，在有典型梅雨期的18 a中，有13 a梅雨发生前对应正的北半球环状模指数，但是在对应正北半球环状模指数的13 a中，只有6 a平流层的正北半球环状模指数下传到了对流层。梅雨发生前平流层异常的发生和传输情况如表 1所示。图 10和表 1表明梅雨发生前尽管有平流层环流的异常出现，但是这种平流层异常是否对梅雨的发生有触发作用还不能下定论，有待进一步的考察。

为了进一步分析北半球环状模指数与梅雨发生、发展的联系，计算了18 a(2000和2002年为空梅年，计算时剔除)梅雨发生前一个月内的不同时间不同高度北半球环状模指数与当年梅雨期总降水量的相关系数(图 11)。从图 11中可以清楚看到，北半球环状模指数与梅雨降水量有很好的相关关系，梅雨期的总降水量与对流层上部平流层下部的北半球环状模指数存在一致的正相关关系，而在梅雨发生前15—30天，对流层顶处相关系数大于0.3。图 11也表明对流层下层的北半球环状模指数与梅雨期降水量不存在显著的相关关系。这说明，在对流层顶附近的北半球环状模指数对梅雨期降水量的预测有较好的指示意义。梅雨发生前15—30天，对流层上部及平流层下部北半球环状模指数越大，梅雨期降水量越大；反之，则梅雨期降水量越小。

夏季北半球环状模与梅雨期降水量的这种正相关关系可能与夏季北半球环状模对印度夏季风的影响有关。Goswami等(2006)研究指出，夏季强的北半球环状模在欧亚大陆会产生显著的对流层温度异常，影响亚洲季风的强度，而亚洲夏季风特别是印度夏季风的强度与中国梅雨区的降水密切相关。Ogi等(2004)也指出夏季北半球环状模主要与欧亚大陆的地面温度有关。在负的北半球环状模异常下，夏季北半球环状模产生的对流层温度异常可减弱印度 季风区的经向温度梯度，从而减少季风降水；在正的北半球环状模异常下季风降水则会增强(Goswami et al，2006)。6 结 论

利用近20 a的NCEP和欧洲中心高分辨率的ERA-Interim再分析资料，结合中国梅雨资料分析诊断了梅雨发生前江淮地区对流层顶和位涡的异常信号以及北半球环状模的变化，得出以下结论：

(1)在梅雨发生前3—6天，梅雨发生区域即江淮流域对流层顶有明显的降低，对应对流层顶的温度升高。逐年分析结果表明，梅雨发生前第3天，无论是动力对流层顶还是热力对流层顶，其高度都低于梅雨发生当天，且梅雨发生前第3天江淮地区的对流层顶高度的经向梯度和纬向梯度都大于入梅日，而经向梯度的变化更为明显。对流层顶的降低与北方冷空气的南下入侵、东亚季风的爆发以及急流轴的北跳引起的频繁的对流层顶折卷活动有关。

(2)对动力对流层顶面上位势高度的风场的分析表明，梅雨发生前江淮地区偏北处对流层顶有明显的凹陷，且凹陷处有向下的垂直运动，到梅雨发生当天江淮地区的下沉气流消失。动力对流层顶的下降伴随来自平流层的高位涡冷空气的入侵。另外，从纬向看，梅雨发生前江淮地区对流层顶会出现折卷的现象。

(3)梅雨发生前3—6天在江淮地区上空维持的正位涡异常区与梅雨的发生有很强的相关性，而梅雨发生前第7—8天在贝加尔湖附近生成的正位涡异常区与江淮地区对流层顶下降存在着联系。另外，60°N以北的西西伯利亚的高位涡空气沿东南方向的扩散和鄂霍次克海上空强正位涡异常区的建立维持也会对梅雨的发生产生影响。而梅雨发生前江淮地区平流层温度达到极大值，梅雨爆发后开始下降，纬向风则处于西风到东风的转换期。

(4)从北半球环状模指数的分析结果来看，梅雨发生前平流层大多表现为正北半球环状模指数，但是北半球环状模异常的下传是否与梅雨的爆发有直接联系，还需要进一步的考察。上对流层和下平流层的北半球环状模指数与梅雨期降雨量存在有一致的正相关关系，梅雨发生前15—30天对流层上部和平流层下部北半球环状模指数与该年梅雨期降水量相关最为明显。

总的来说，梅雨发生前，对流层顶和平流层都有异常发生，表现为对流层顶高度降低和平流层较强的正北半球环状模指数。但是梅雨发生前平流层环流的异常是否会下传到对流层并对梅雨的发生起触发作用还不是很明确，值得进一步探讨研究。