江淮梅雨期持续性暴雨和极端强降水事件的位涡比较分析.pdf

毛江玉,赵雪洁,刘屹岷,等.2024.江淮梅雨期持续性暴雨和极端强降水事件的位涡比较分析J.暴雨灾害,43(2):121-134.MAO Ji-angyu,ZHAO Xuejie,LIU Yimin,et al.2024.Comparative analysis of potential vorticity between persistent rainstorm and extreme intenserainfall events during the Yangtze-Huaihe Meiyu period J.Torrential Rain and Disasters,43(2):121-134(in Chinese).doi:10.12406/by-zh.2023-202江淮梅雨期持续性暴雨和极端强降水事件的位涡比较分析毛江玉1，赵雪洁1,2，刘屹岷1，何编1，吴国雄1(1.中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)，北京100029；2.苏州市职业大学数理部，苏州215104)摘要：基于我国气象台站观测降水数据和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)第五代大气再分析资料(ERA5)，从位势涡度(位涡)强迫垂直运动的角度，揭示了江淮梅雨期持续性暴雨和极端强降水事件的动力学机制及差异。基于改进的两种事件定义方法，识别出19792020年梅雨区共发生了24次持续性暴雨事件及24次极端强降水事件。事件合成分析表明，持续性暴雨事件最强雨带主要位于长江及其以南地区，而极端强降水事件最强雨带则位于长江及其以北地区。持续性暴雨事件与热带大气低频振荡密切相关，其中南亚高压偏东、西北太平洋副热带高压偏西，因而高空偏南的西风急流附近具有高值位涡的干冷空气向南和向低空入侵，在中低层与西南暖湿气流辐合并形成梅雨锋区。极端强降水事件更大程度地取决于偏北的西风急流南侧的高空辐散及位涡强迫的强冷空气。对于极端强降水事件位涡收支的定量诊断表明，在强降水达到峰值及之前，高层负的位涡倾向主要由负的垂直位涡平流所导致，而中低层正的位涡倾向则主要取决于垂直非绝热加热的位涡制造和垂直位涡平流。结合典型个例的垂直速度分解，进一步证实梅雨区上空水平位涡平流随高度增加的垂直分布激发的上升运动分量在极端强降水事件起着重要作用。关键词：江淮梅雨；持续性暴雨；极端强降水；位涡中图法分类号:P458.1+21.1文献标志码:ADOI:10.12406/byzh.2023-202Comparative analysis of potential vorticity between persistent rainstorm and extremeintense rainfall events during the Yangtze-Huaihe Meiyu periodMAO Jiangyu1,ZHAO Xuejie1,2,LIU Yimin1,HE Bian1,WU Guoxiong1(1.State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics(LASG),Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029;2.School ofMathematical Sciences,Suzhou Vocational University,Suzhou 215104)Abstract:In this study,based on the rainfall measurements from weather stations over China and atmospheric reanalysis products from thefifth-generation European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF)reanalysis(ERA5)during the period of 1979-2020,thedynamic mechanisms and differences of persistent rainstorm(PRS)events and extreme intense rainfall(EIR)events over the Yangtze-Huaihe Meiyu domain(YMD)are revealed from the perspective of potential vorticity(PV)-forced vertical motion.According to the improved definitions of PRS and EIR events,24 PRS events and 24 EIR cases are identified over the YMD during the Meiyu period from 1979 to 2020.Composite analyses for the two types of events demonstrate that the most intense rainband of PRS events is mainly located in the Yangtze River and over the southern regions of it,while for the EIR,the most intense rainband is located in the Yangtze River and over the northern regions of it.The PRS events are found to be closely related to tropical atmospheric intraseasonal oscillation,during which the upper-tropospheric South Asian high extends more eastward,while the northwestern Pacific subtropical anticyclone in the lower and middle troposphereshifts more westward.Thus,the dry and cold air with high-PV around the upper-tropospheric westerly jet located more southward latitudestends to intrude equatorward and downward,converging with the warm and moist air from the southwest in the lower and middle troposphereto form Meiyu front.However,the EIR events are more dependent to a greater extent on the upper-tropospheric divergence on the southern收稿日期：2023-09-25；定稿日期：2023-12-25资助项目：国家自然科学基金项目(42288101，42175076)；广东省基础与应用基础研究重大项目(2020B0301030004)第一作者：毛江玉，主要从事大气季节内振荡与极端天气机理研究。E-mail:通信作者：吴国雄，主要从事天气、气候动力学研究。E-mail: Editorial Office of Torrential Rain and Disasters.OA under CC BY-NC-ND 4.0暴雨灾害TORRENTIAL RAIN AND DISASTERSVol.43 No.2Apr.2024第43卷 第2期2024年4月第43卷暴雨灾害引言梅雨是东亚夏季风推进过程中特有的雨季。为做好梅雨监测和预测业务，中国气象局于2017年正式发布了“梅雨监测指标”国家标准(GB/T 33671-2017)，将江淮流域梅雨监测区(梅雨区)范围确定为 110122.5E、2834N，包括湖北、湖南、安徽、江西、浙江、江苏和上海等省市(赵俊虎等，2018；Dinget al.，2021)。近几十年的监测资料表明，平均入梅日期(赵俊虎等，2018；Ding et al.，2020)为6月上旬，而平均出梅日期为7月下旬，因而梅雨期通常定义为 67 月(Ding，1992；Maet al.，2022；Zhao et al.，2023)。梅雨期内，持续性暴雨和短时强降水事件往往频繁发生，给当地经济造成巨大损失。例如，1998 年夏季长江流域发生了“二度梅”，持续的暴雨过程导致长江全流域性的大洪水，造成直接经济损失达2 500亿元、死亡人数约3 700人(National Climatic Data Center，1999；Li and Mao，2018)。2020年江淮流域出现了“超级暴力梅”，梅雨期长达62 d，降水量突破1961年以来的历史极值，直接经济损失超800亿元(Ding et al.，2021)。在2020年梅雨期内，至少发生5次暴雨过程，其中3次是持续性暴雨事件(高琦和姚秀萍，2021)，7月5日暴雨过程属于极端强降水事件(黄治勇等，2021)。在全球变暖背景下，梅雨期内的极端强降水事件发生频次趋于增加，特别是区域性的江淮暴雨持续时间显著变长、影响范围变大、强度显著增强(Chen and Zhai，2013；翟盘茂等，2017)，因而经济损失将更加严重(罗亚丽，2012；赵宗慈等，2014；Ding et al.，2020)。因此，有必要加强江淮流域持续性暴雨和极端强降水事件成因的研究，从而提高短期天气预报能力，为国家防灾减灾决策提供更可靠的依据。准静止的梅雨锋是持续性和短时强降水产生的主要天气系统，它也是全球大气环流系统中主要的辐合带之一(Chen et al.，2000；Mao and Wu，2006)。暴雨一般认为是中尺度对流系统或对流复合体造成的，但这种中尺度对流系统或对流复合体是在梅雨锋这种大尺度低压系统中孕育和发展起来的(曹舒娅等，2023)，即短时强降水或持续性暴雨的发生实际上涉及多尺度环流系统的配置及其相互作用(陶诗言，1980，丁一汇，1994；汪小康等，2022)。张顺利等(2002)基于1991年、1996年和1998年流域性的典型暴雨事件，归纳出了江淮流域致洪暴雨的多尺度天气学模型。这个模型涉及来自东、南、西、北4个方位的主要影响系统，包括西北太平洋副热带高压(以下简称西太副高)、南海季风涌、青藏高原的中尺度低压系统以及中高纬度冷空气，其中，西太副高是最主要的影响系统。因为西太副高脊线和西伸脊点所处的地理位置直接决定着强降水的落区，所以西太副高强度和脊线位置的时间变化影响着锋面或季风槽等低压系统的时空变率(Tao and Chen，1987；丁一汇，1994)。丁一汇(1993)、Ding等(2020)指出，3 d以上的持续性暴雨还受到行星尺度甚至半球尺度长波系统的影响。持续性暴雨往往出现在长波系统稳定的时期，在此情况下，大尺度和中尺度系统在同一地区出现或沿同一路径移动，以致造成很大的累积降水量。这种长波系统的维持和调整实际上取决于中高纬大气的季节内变化及其与热带大气低频振荡的相互作用(丁一汇，1994；Mao and Wu，2006；李健颖和毛江玉，2019)。例如，1991 年夏季江淮流域的 3 次持续性暴雨与准1030 d的周期振荡密切相关(丁一汇，1993；毛江玉和吴国雄，2005)，而1998年长江流域的“二度梅”则依赖于热带大气3060 d季节内振荡与中纬度环流在青藏高原附近的相互作用(Li and Mao，2018)。暴雨发生的必要条件是充足的水汽辐合和剧烈的上升运动。在梅雨期，来自热带的西南季风不断向江淮流域输送暖湿空气，暴雨发生的关键在于中高纬地区高层干冷空气的向南入侵过程及其对暖湿气块的抬升。Hoskins等(1985)详细论述了大气位势涡度(以下简称位涡)作为动力示踪物的重要性，强调了等熵位涡描述平流、辐散和垂直运动等动力学过程的优势，指出等熵位涡及其变化有助于深入理解实际天气系统的生消机制。位涡作为一种能够综合反映大气热力性质和动力性质的物理量，具有守恒性和可反演性两个重要特性(Hoskins et al.，1985)。一是在绝热无摩擦的情形下，位涡是物质守恒的；二是在给定适当的边界条件和风场平衡条件下，根据位涡异常可以反演环流场(Hoskins，2015)。因而，位涡及其倾向方程side of the westerly jet located more northward latitudes and PV-forced downward-intruding cold air.The quantitative diagnoses of PV budget for EIR events show that before and during the peak of intense rainfall,the net negative PV tendency in the upper troposphere is mainlydominated by the negative vertical PV advection,while the positive PV tendency in the middle and lower troposphere is mainly caused by thePV generation due to the vertically non-uniform diabatic heating and vertical PV advection.The vertical velocity decomposition of a typicalEIR event further demonstrates that the component of ascending velocity forced by the vertical increase of horizontal PV advection plays animportant role in triggering the EIR event.Key words:Yangtze-Huaihe Meiyu;persistent rainstorm;extreme intense rainfall;potential vorticity122第2期被广泛应用于天气系统的诊断和分析(吴国雄和刘还珠，1999；吴国雄等，2013；Zhang et al.，2021)。在对流层上层的等熵天气图上，位涡的分布能够非常清楚地反映中高纬地区大振幅槽、脊系统的演变特征。因为高(低)位涡等值线向低(高)纬度的凸出或伸展表示冷(暖)空气的向南(北)入侵，本质上反映热带和热带外系统的相互作用(Hoskins et al.，1985)，所以条状的高(低)位涡舌或脱落的单体实际上代表切断低压(阻塞高压)这类Rossby波破碎过程。欧美一些学者特别重视平流层下层至对流层上层的高值位涡舌对当地极端天气事件(如暴雨和热浪等)的影响(Martius et al.，2006；Bosartetal.，2017)。对流层上层的高值位涡舌(或干侵入)对我国夏季暴雨事件也有重要影响(徐海明等,2001)。姚秀萍和于玉斌(2005)分析了2003年江淮梅雨期4次暴雨事件的演变过程，发现每次过程均有来自高层和中高纬的干冷空气侵入，导致干空气层的形成和维持，减少低层大气的静力稳定度而增加对流有效位能。当这种高值位涡气流侵入到低层暖输送带内的高湿球位温大气时，会形成锋面，使得强对流天气快速发展(杨贵名等，2006；黄文彦等，2021)。在2020年梅雨期的5次典型暴雨过程中，均有较强的干冷空气南下入侵暖湿水汽输送带(高琦和姚秀萍，2021)。马婷等(2020)对2016年6月28日7月1日发生在长江中下游地区的暴雨过程进行位涡分析发现，移出青藏高原的低涡作为一种对流层中上层的位涡正异常是这次暴雨产生的重要因素。当它被纬向风平流到长江中下游地区时，一方面因热成风关系而直接引起低空气旋性环流发展，使得32N以南的偏南风加强；另一方面根据位涡倾向方程，这种增强的偏南风势必增大负的经向位涡平流，由此增强了它与中上层的纬向位涡平流的垂直梯度，从而激发出更强的等熵面位移的上升运动分量。该分量表示等熵面位置在垂直方向上随时间抬高而导致的气块上升运动。在7 月1日06时，3032N附近中上层正的纬向位涡平流中心强度达到最大值，下方负的经向位涡平流中心也向上发展到正的纬向平流中心附近，位涡平流的垂直梯度趋于最大值，降水也达到峰值。为深入理解垂直运动与位涡的依赖关系以及非绝热加热对上升运动的贡献，Wu等(2020)对绝热状态下的大气准地转位涡-垂直运动(PV-Omega)方程(Hoskins et al.，2003)进行了拓展，推导出了包括非绝热项的准地转位涡倾向方程。Zhang等(2021)利用垂直运动与位涡的动力约束关系(Wu et al.，2020)，对2016年6月下旬长江中下游的暴雨天气过程进行了深入的定量分析，发现上升运动的三个分量自长江上游地区“接力式”交替出现且向下游传播，形成极端强降水。最重要的是，根据垂直速度分解公式计算得到的三个分量总和与大气再分析资料(MERRA-2)提供的总垂直速度非常吻合。这说明尽管暴雨过程涉及中、小尺度扰动，非线性平流扰动项不能完全忽略，但是在准地转近似下，基于Ertel位涡强迫与垂直运动发展的动力约束关系，能够较好地反演出暴雨发生发展期间垂直运动的各个分量，从而明确相关的动力、热力因素的相对贡献。换言之，利用准地转位涡-垂直运动关系有助于揭示江淮梅雨期极端天气事件的物理机制。持续性暴雨一般发生在一定的范围内，区域性的持续性暴雨往往给江淮梅雨区造成更严重的洪涝灾害。为此，本文在划分持续性暴雨和极端强降水事件的基础上，对比分析两种暴雨事件的环流特征，同时结合典型个例定量揭示位涡异常和非绝热加热对梅雨锋附近上升运动的影响。1 资料与方法1.1 资料说明本文使用的资料包括：(1)中国科学院气候变化研究中心提供的19792020年中国区域高分辨率格点化(水平分辨率为0.250.25)逐日降水数据(吴佳和高学杰，2013；Wu and Gao，2017)，用于识别持续性暴雨和极端强降水事件。该数据集是基于我国2 416个地面气象台站的观测资料，通过“距平逼近”、“薄盘样条函数”和“角距权重”等插值方法而建立。(2)欧洲中期天气预报中心(ECMWF)第五代大气再分析资料(ERA5)(Urraca et al.，2018；Hersbach et al.，2020)，用其揭示持续性暴雨和极端强降水事件演变期间的三维环流结构，其中气象要素场包括温度、比湿、位势高度、垂直速度、水平风和位涡等。ERA5再分析资料的水平分辨率为0.250.25，在垂直方向上分为37层等压面(10001hPa)。ERA5具有逐小时的较高时间分辨率，因而逐日气象要素则由每日的逐小时资料进行算术平均而得到。为突出持续性暴雨事件和极端强降水事件相对于梅雨期降水气候态异常的显著性，本文使用 Student-t检验方法对合成事件的异常降水及相应环流变量进行统计显著性检验。1.2 研究方法1.2.1 位涡倾向方程等压坐标系下的大气运动位涡倾向方程可表示为(Ertel，1942；Hoskins et al.，1985；Zhang et al.，2021)Pt=-VhhP-Pp-gkVhph-g()+fp-g()F (1)毛江玉，等：江淮梅雨期持续性暴雨和极端强降水事件的位涡比较分析123第43卷暴雨灾害其中，P表示Ertel位涡，它是单位质量气块绝对涡度矢量与位温梯度的点乘积：P=a，表示气块比容，a表示三维绝对位涡，是三维空间梯度算子，表示位温；Vh表示水平风矢量，是垂直速度，k表示垂直方向的单位矢量，表示非绝热加热率，表示垂直方向上的相对涡度，F表示动量方程中单位质量气块所受到的摩擦力。方程(1)最左侧是位涡的局地变化项或倾向项，方程(1)右侧各项是位涡倾向的强迫项，分别为水平位涡平流、垂直位涡平流、水平非绝热加热、垂直非绝热加热和摩擦作用。方程(1)表明，位涡的局地变化与位涡平流、非绝热加热和摩擦作用有关。鉴于天气尺度过程中，自由大气内部摩擦作用相对较小，因此本文在第4节中重点考察位涡平流有关的动力过程和非绝热加热有关的热力过程对位涡倾向和垂直运动的贡献。1.2.2 垂直运动分解基于Hoskins等(2003)的研究，Wu等(2020)将包含非绝热加热的准地转热力学方程中的垂直速度()分解为三部分=ID+IG+Q(2)其中，ID是由于等熵面位移而引起的垂直速度分量，IG表示气块沿等熵面滑动的垂直速度分量，而Q表示与大气非绝热加热有关的垂直速度分量。ID=-1pt|CIG=-1p()Vg-C Q=-1p|C(3)其中，是某一固定空间和时间范围内平均的位温基本态，p表示的垂直梯度，t表示时间，Vg=kf-1是准地转风矢量，C表示参考系统的移动速度，由于梅雨锋移动速度C的量级远远小于准地转风速，因此在定量计算时，本文不考虑C对IG的影响。2 梅雨区持续性暴雨和极端强降水事件的划分2.1 持续性暴雨事件的定义和识别根 据 我 国 降 水 强 度 等 级 划 分 的 标 准(GB/T28592-2012)，暴雨是指某地24 h累积降水量介于5099.9 mm或12 h累积降水量到达3069.9 mm。但是，根据研究目的不同，对于持续性暴雨事件的定义和标准也不同。例如，陶诗言(1980)将单站连续3 d及以上且总降水量超过200 mm的暴雨过程定义为单站持续性暴雨事件。但是，对于多个站点同时发生暴雨的区域性持续暴雨过程，为满足邻近站点降水分布的空间一致性，需要降低降水强度的阈值。鲍名(2007)将一定范围内连续3 d的累计降水量超过100 mm且每日降水量均大于25 mm的降水过程定义为区域性持续性暴雨事件。钱维宏(2011)提出相对阈值的持续性暴雨定义，要求单站的日降水量超过第90%分位阈值，且最大日降水量大于等于50 mm。这种定义方式虽然考虑了降水的极端性，但无法保证这些持续性暴雨事件中降水的区域性和时间的持续性。Chen和Zhai(2013)、翟盘茂等(2017)给出了一种区域性持续性暴雨事件的识别方法，即在某一区域内，至少有三个相邻(距离小于200 km)的观测站均出现单站持续性暴雨，且各观测站发生的单站持续性暴雨事件在其持续时段内至少有1 d与相邻单站的持续性暴雨事件时段重合。其中，单站持续性暴雨事件要求持续3 d及以上，且前3 d的日降水量均须大于50 mm的绝对阈值。为更好地区分区域性持续性暴雨事件与短时极端强降水事件，本文在Chen和Zhai(2013)的基础上，参考Zscheischler等(2014)对极端事件的定义，将梅雨区内至少相邻9个格点的日降水率至少连续3 d均达到50 mm d-1的降水过程定义为区域性持续性暴雨事件，从而选定至少3 d达到暴雨级别的降水事件，该定义方法可以更合理地识别出致灾性暴雨事件。将上述改进的识别方法应用于19792020年江淮梅雨监测区，共识别出24次区域性持续性暴雨事件(如表1所示)。与梅雨盛行期相一致，梅雨区的持续性暴雨事件大多集中于6月下旬及7月上旬，且持续时间大多为3 d。该方法成功识别出1991、1996、1998、2016、2020 年等发生的典型灾害性暴雨事件(Li andMao，2018；Zhang et al.，2021；Ma et al.，2022)。2.2 极端强降水事件的定义和识别极端强降水指某一区域内，在统计分布上极少发生的异常偏多的降水(高涛和谢立安，2014)。因此，极端强降水事件的划分大多是基于极值概率定义的阈值，即百分位法(Tank et al.，2009)。例如，Zhou等(2016)用日降水量升序排列后降水量处于第95%分位的值(R95p)作为阈值，当某日的降水量大于或等于 R95p时，该日的强降水过程被划分为极端强降水事件。本文基于中国气象局发布的极端降水监测指标(QX/T 303-2015)，并考虑极端强降水的空间连续性与致灾性，以R95p和相临近至少9个格点作为梅雨区极端强降水日的强度及空间连续性的定义标准。具体计算步骤：选取最新气候标准期(19912020年)内日降水量每年的极值和次极值，构建一个包含60个样本的序列，对该序列从小到大进行排序，取第95%分位(即排位第58)的降水量值作为极端强降水阈值，若空间上临近9个格点的日降水量均超过该阈值则定124第2期义为极端强降水事件。由图1可见，19792020年梅雨期内的极端强降水阈值普遍超过80 mm d-1，且部分区域阈值甚至超过140 mmd-1。梅雨区的极端强降水阈值远大于划分暴雨的绝对阈值，因此在定义极端强降水事件时最好使用百分位相对阈值。基于图1识别出了19792020年发生的24次极端强降水事件(表2)。与表1相比，尽管极端强降水事件与持续性暴雨事件发生的频次相同，但是二者在发生日期上几乎没有重合，意味着两种事件的动力学机制存在差异。3 持续性暴雨和极端强降水事件的环流特征图2给出19792020年梅雨期持续性暴雨日与极端强降水日合成的降水率和低层风场的空间分布。在持续性暴雨期间(图2a)，江淮梅雨区受低空强西南风与弱气旋性切变影响。从850 hPa风矢量的空间分布可见，来自热带的暖湿空气主要在长江及其以南地区辐合，因而在长江以南形成纬向带状的大值雨带，其中最大日降水率超过40 mm d-1(图2a)。但是，极端强降水的雨带却主要位于长江及其以北地区(图2b)，这是因为梅雨区北部处在低空西南风与较强的偏东风之间的强气旋性切变区(图2b)。可见，两种事件最强雨带的南北位置存在显著差异。为揭示最强雨带的经向差异，图 3 给出持续性暴雨和极端强降水事件分别合成的对流层不同层次的环流结构及两者的差异。对于持续性暴雨事件(图3a)，对流层高层的南亚高压作为亚洲夏季风的重要环流系统，其中心大致位于青藏高原南部，但是高压主体部分明显向东扩展，其中 1 250 dagpm 等高线的东伸脊点位于西北太平洋上空 135E 附近。江淮梅雨区恰好处在南亚高压北侧西风与西北风辐散的环流背景。这种高层辐散的动力抽吸作用必然激发大尺度上升运动，最强上升速度超过-0.3 Pa s-1(图3d)，并增强低空西南气流携带水汽的辐合(图3g)，从而产生暴雨(图2a)。值得注意的是，在对流层中低层，西太副高偏西(588 dagpm等高线的西伸脊点位于110E)、偏强，因而南、北风在江淮梅雨区的交汇产生较大的经向温度与水汽梯度，从而在 30N 附近形成纬向带状的梅雨锋区，如 700 hPa等压面上所示的相当温度经向梯度的密集区(图表1 19792020年24次梅雨期持续性暴雨事件Table 1 The 24 persistent rainstorm events during the Mei-yu period from 1979 to 2020序号123456789101112年份198319861987198919911993199519961996199719981998开始时间7月7日6月21日7月2日7月1日7月1日7月3日6月22日6月29日7月14日7月8日6月13日6月24日结束时间7月9日6月23日7月4日7月3日7月3日7月5日6月26日7月3日7月17日7月11日6月17日6月27日持续时间/d333333554454序号131415161718192021222324年份199920002003200620072010201120122013201620172020开始时间6月24日7月13日7月7日6月30日6月30日6月17日6月5日7月16日6月27日7月1日6月30日7月5日结束时间7月1日7月15日7月11日7月2日7月2日6月20日6月7日7月18日6月29日7月5日7月2日7月8日持续时间/d83533433353440E35302520100105110115120125E20406080 100 120 140图1 基于最新气候标准期(19912020年)定义的极端强降水阈值(阴影,单位:mm d-1)的空间分布红色方框表示江淮梅雨监测区(YMD,110122.5E,2834N)，蓝色曲线代表长江和黄河,下同Fig.1 The spatial distribution of thresholds(shaded,unit:mm d-1)determined by the latest climate standard period(1991-2020)for classifying the extreme intense rainfallThe red rectangle represents the Yangtze-Huaihe Mei-yu domain(YMD,110-122.5E,28-34N).The Yangtze and Yellow Rivers areshown by blue curves,same hereafter毛江玉，等：江淮梅雨期持续性暴雨和极端强降水事件的位涡比较分析125第43卷暴雨灾害3g)。从位涡的角度分析可知，南亚高压其实是一个低值位涡系统，2 PVU等值线基本位于35N以南(图3a)。因而梅雨区北部的高值位涡系统势必引导干冷空气向南和向下入侵，形成准静止锋区，迫使暖湿空气被强烈抬升，这种动力过程在第4节通过剖面图进行详细讨论。表2 19792020年梅雨期24次极端强降水事件Table 2 24 extreme intense rainfall events during the Mei-yu period from 1979 to 2020事件序号123456789101112年份197919791982198319841984198919911991199419961997降水时间6月4日7月15日7月30日7月7日6月13日6月14日6月7日6月14日7月6日6月10日6月30日6月6日事件序号131415161718192021222324年份199820032003200520082010201520162018202020202020降水时间7月22日6月25日7月5日7月19日7月22日7月24日6月27日7月1日6月18日6月27日7月7日7月18日当极端强降水事件发生时，南亚高压主体位置比持续性暴雨事件偏西(图3b)，1 250 dagpm等高线的东伸脊点仅位于 130E 以西,但是它的范围却向北扩张。不仅表现为1 242 dagpm等高线在我国东部所在经度带内越过黄河以北，而且在位涡的分布上也有明显体现，即2 PVU等值线整体接近40N。实际上，两种事件之间的差值图(图3c)能够更加清楚地反映高空环流结构的差异。江淮梅雨区北部的反气旋环流及位涡负异常表明南亚高压在极端强降水期间位置偏北，而反气旋东南侧的异常偏北风主要位于长江以北，说明高空辐散区偏北，因而最强雨带位于长江流域及其以北地区(图2b)。相应地，在极端强降水事件发生期间，对流层中层的西太副高也偏东、偏弱(图3e、f)，低空水汽辐合及锋区位置偏北(图3h、i)。4 持续性暴雨和极端强降水事件的位涡动力学比较分析4.1 位涡的垂直耦合上节分析表明，持续性暴雨事件的雨带位置主要在长江及其以南地区，这是因为江淮流域夏季持续性降水的季节内变化依赖于热带大气低频振荡(丁一汇，1993；Mao and Wu，2006；Li and Mao 2018)。但是，极端强降水图2 19792020年梅雨期持续性暴雨事件(a)和极端强降水事件(b)合成的降水率场(阴影,单位:mm d-1)以及850 hPa水平风场(箭矢,单位:m s-1)(白点区域表示降水异常通过显著性水平为0.1的统计检验)Fig.2 Composite rainfall rate field(shaded,unit:mm d-1)and 850 hPa wind field(vector,unit:m s-1)for(a)persistent rainstorm events and(b)extreme intense rainfall events during the Mei-yu period from1979 to 2020(The white stippling indicatesthe composite rainfall anomalies being statistically significant at the 0.1 significance level)2510152025304040N35302520100105110115120125E 100105110115120125E10(a)(b)126第2期90100110120130140E50N4030201050N4030201050N403020100.10.20.40.60.81.02.0-2-1.5-1-0.5 00.511.52-0.05-0.10-0.20-0.30-0.2-0.1-0.05 00.05 0.10.290100110120130140E90100110120130140E-1-2-3-4-0.5-1.0-2.0-3.0(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)303081212512125事件与高空北扩的反气旋环流和低空较强偏东风有关，表明中高纬冷空气活动对激发极端强降水起主导作用。为探究对流层位涡演变影响暖湿空气上升的动力学机制，图4给出持续性暴雨和极端强降水事件合成的环流及其差值的经向垂直剖面图。如图4a所示，在持续性暴雨期间，半闭合的340 K等相当位温线位于28N以南的对流层中低层(400 hPa以下)，反映暖湿空气位于梅雨区南侧。其中的闭合等值线表明在梅雨区南侧和600 hPa以下，相当位温随高度增加而减少，说明低空暖湿空气是对流性不稳定的，有利于对流活动的发生。在梅雨区上空，存在着自下而上向北倾斜的等相当位温线密集带所示的梅雨锋区(图4a)。锋区及其南侧强烈上升运动的产生固然与对流层高层辐散(散度大值中心超过1510-6s-1)及中低层辐合的动力强迫有关(图5a)。但是，除了等熵面位移引起气块的上升以外，气块还会沿着锋区内倾斜的等熵面而上滑、从而产生沿等熵面滑动的上升运动分量以及非绝热造成的上升运动分量(Wu et al.，2020)。由图4a可见，高值位涡(大于1 PVU)主要集中在对流层顶(2 PVU等值线表示对流层顶)附近及平流层，但在高空西风急流轴(图6a)图3 19792020年梅雨期持续性暴雨事件(a、d、g)、极端强降水事件(b、e、h)和两种事件的差值(c、f、i)合成的200 hPa位涡(填色,单位:PVU,1 PVU=10-6 K m2 s-1 kg-1)、位势高度场(黑色等值线,单位:dagpm)和水平风场(箭矢,单位:m s-1)(ac),500 hPa垂直速度(填色,单位:Pa s-1)、位势高度场(黑色等值线,单位:dagpm)和水平风场(箭矢,单位:m s-1)(df),垂直积分(1 000300 hPa)的水汽通量散度(填色,单位:kg m-1 s-1)、700 hPa相当温度经向梯度