2023年春末黄淮海麦区“烂场雨”极端性特征及大尺度大气环流场*

高 晶 高 辉

1 内蒙古自治区气候中心,呼和浩特 010051 2 国家气候中心,北京 100081

提 要：基于中国气象局逐日降水和日照资料及NCEP/NCAR再分析数据集,分析了2023年5月下旬黄淮海麦区高影响“烂场雨”事件的极端性特征及其大气环流配置型,发现:就旬平均而言,黄淮海麦区寡照的极端性要强于降水;但各省份间差异明显,其中河南省最为严重。为和历史事件对比,首次提出了河南“烂场雨”事件的客观定义指标,并由此筛选出1981年以来全省18次最为典型的“烂场雨”事件。此次“烂场雨”事件在所有事件中,雨量为第六多,日照为第二少。因此,对河南省而言,寡照时长的极端性亦更为明显。对1981—2022年所有事件合成结果显示,造成“烂场雨”的大尺度大气环流形势为西太平洋副热带高压偏西偏强且西段脊线偏北,欧亚中高纬地区为“西低东高”环流型。对比发现,2023年5月下旬“烂场雨”事件的大气环流型在中高纬度和历史事件相似,但热带地区受超强台风玛娃的影响,副热带高压西段发生挤压形变,西北侧的西南风水汽输送明显偏强。同时因“玛娃”长时间稳定维持在菲律宾以东附近,台风东北侧引导的东南风气流较副热带高压西北侧的西南风距平更为强盛。两支水汽在黄淮海地区汇合叠加,造成小麦产区的持续降水和寡照。

引 言

我国是全球小麦产量最高的国家。联合国粮食及农业组织数据表明,自20世纪90年代中期开始我国小麦产量一直稳居全球首位,这其中冬小麦占到了绝对比例。作为小麦生长全过程的最后一个环节,收储工作尤为重要。收储期间的气象条件可影响小麦的质量和数量,或引起小麦价格波动并改变市场供需平衡,甚至直接关系国家粮食安全和人民群众美好生活。因此,小麦收储期间气象条件的重要性不言而喻。

根据国家统计局2021年统计数据,我国冬小麦产量最多的省份主要集中在冀鲁豫苏皖五省,也即黄淮海地区。上述五省产量占全国总产量份额的83%。黄淮海平原地处暖温带半湿润气候区,受冬/夏季风气候的作用,种植区冷暖和旱涝事件频繁,对小麦生长影响较大。因此研究该地区冬小麦的主要气象灾害具有非常重要的意义(王纯枝等,2019)。尤其是随着全球气候变暖,我国北方季风区极端天气气候事件增多,冬小麦产量的不确定性正在加大(冯立坤和李喜贵,2021)。在冬小麦生长的不同阶段气象灾害影响不同,春季主要受倒春寒天气的影响(赵广才等,2015),干热风则是冬小麦生长后期主要气象灾害,易造成小麦灌浆不足甚至枯萎死亡,最终影响产量和品质(郑大玮等,2005)。黄淮海平原冬小麦收获期主要集中在5月中下旬至6月上中旬,这一期间若遭遇持续阴雨寡照天气,将导致麦粒发霉变质,后期气温快速回升还将造成麦穗发芽,对小麦产量和品质影响大,因此这一时段的持续阴雨也被称之为“烂场雨”。气候变暖下,黄淮海地区因“烂场雨”造成的麦穗发芽事件发生频次逐渐增多(陈天锡等,1997;赵广才等,2011;2015)。

2023年5月中下旬至6月中旬,黄淮海多地出现连续降雨和寡照天气,且伴有短时强降水、雷暴大风等强对流活动。“烂场雨”天气引发多地麦穗发芽。此次事件发生在冬小麦成熟即将收获时段,对小麦产量、品质和种麦收益都造成了不同程度的影响。其中河南省“烂场雨”事件最为典型,具有持续时间长、影响范围广、过程雨量大的三大特点,是近十年最为严重的“烂场雨”天气。本次“烂场雨”事件虽已结束,但其降水和日照的时空异常特征尚需进一步分析,尤其是和历史事件比较。目前对春季持续性降水的研究主要集中在南方连阴雨天气,尤其是长江流域(朱盛明,1991;何慧根等,2015)。吴洪颜等(2017)还构建了基于春季阴雨过程的江苏冬小麦涝渍指数模型。相比之下,北方“烂场雨”事件的研究较少,且主要基于降水单一要素开展(王秀文和李月安,2005)。结合历史事件的降水和日照等资料,对“烂场雨”事件尚未有定义和共性归纳,因此需要基于长时段日照、降水等资料给出“烂场雨”事件的可行性定义,进而筛选出典型历史事件加以总结。

一般而言,受我国夏季雨带阶段性北跳大背景的影响,黄淮海地区雨季主要发生在每年江淮出梅之后,也即7月后半月。2023年5月中下旬至6月中旬的“烂场雨”发生于春末夏初,此时尚未进入雨季集中期,历史上该时段强降水通常以1～2 d的过程性降水为主,其环流型也必然和雨带北跳后的典型夏季风雨带不同。本文着重分析此次“烂场雨”能够持续维持的大尺度大气环流背景,以及与历史事件环流相比本次过程的异同点。

1 资料简介

本文使用的逐日降水和日照时长资料源自中国气象局国家气象信息中心发布的“中国国家级地面气象站基本气象要素日值数据集V3.0”(任芝花等,2012),时段为1961—2023年。该数据集集中解决基础气象资料质量和国家级-省级存档资料不一致的问题,数据质量和空间分辨率(测站数)较之前资料明显提高,且经过严格的质量控制,已在科研和实际业务中得到全面的验证和广泛的使用。同时段的逐日大气环流资料取自NCEP/NCAR再分析资料集,资料水平分辨率为2.5°×2.5°,所用要素包括500 hPa位势高度场、850 hPa水平风场和比湿场(Kalnay et al,1996;Kistler et al,2001)。

文中所用我国各省冬小麦产量比资料源自农业部官网数据(http:∥zdscxx.moa.gov.cn:8080/nyb/pc/sourceArea.jsp),这里用2021年作为参考。1981年以来逐年南海夏季风爆发日期(精确到候)来自国家气候中心。

2 2023年春末黄淮海麦区“烂场雨”降水和日照极端性特征

由于本次“烂场雨”主要发生在5月下旬,因此首先分析该旬降水和日照时长距平百分率的大尺度空间分布特征。在全国旬降水距平百分率分布图上(图1a),黄淮海地区5月下旬降水量普遍偏多一倍以上。根据国家统计局数据,2021年我国冬小麦产量位居前五的省份分别为河南、山东、安徽、河北、江苏。从图1a可以看出,偏多一倍以上的多雨中心恰好主要位于上述五个小麦主产区以及山西和陕西南部,尤其是河北南部、山东西部、江苏北部、安徽北部和河南,降水较常年偏多两倍以上。

旬累计日照时长异常偏少的区域空间分布与降水类似。由距平百分率分布可见(图1b),整个华北平原均偏少50%以上,尤其是河南省,全省均偏少50%～80%。结合图1a,河南本次事件多雨寡照的特征最为显著,这也是河南麦收受影响最大的直接原因。此外,河北南部、山东西部、安徽西部等小麦产区累计日照时长也偏少50%～80%。

由图2可见黄淮海5月下旬降水和日照的极端性。图2给出了1961年以来,冀鲁豫苏皖五个冬小麦主产区旬降水量和日照时长的区域平均值,同时给出了各自的平均态和正/负一个标准差范围。由图2可知,2023年5月下旬上述五省平均降水量为45 mm,较气候值22.8 mm偏多约一倍,在研究时段内(1961—2023年)位列历史同期第五多。这一旬降水距平超过了一个标准差,但未及2个标准差。同时,日照时长明显少于常年,全旬累计时长为44.6 h,也即日均4 h。这一日照时长在研究时段内位列历史第二少,较气候态偏少2个标准差以下,仅高于1991年。就旬累计量而言,降水和日照表现出显著的线性关系,降水越多日照总时长越少,二者关系通过0.001的显著性水平检验。研究表明,黄淮海地区日照时长可能受到多种因子影响,如气溶胶光学厚度、总云量、低云量和降水量等(王钊等,2012)。但从图2结果看,对应旬降水距平超过1个标准差的8年中无一例外日照时长偏少,因此可以认为2023年5月下旬日照时长极端偏少的最直接原因是降水偏多所致。因此在下文分析中主要考虑降水和日照要素。

注:蓝色和黄色范围分别为日照时长和降水量距平在正/负一个标准差之内,实线为二者线性拟合,红色点为2023年数据。图2 1961—2023年逐年5月下旬冀鲁豫苏皖平均的降水量和日照时长散点图Fig.2 Scatter plot of average precipitation and sunshine duration in the provinces of Hebei, Shandong, Henan, Jiangsu and Anhui during 21-31 May of 1961-2023

由上可见,在旬时间尺度上,黄淮海地区此次“烂场雨”过程中各省降水和日照表现出很好的反相关对应关系。但在日尺度上,上述五省间存在一定的差异。图3给出了5月下旬各省逐日降水量和日照时长。可以很清楚地看出,就强降水持续性而言,安徽、河南和江苏更为明显,其中安徽在26—29日的日降水量均超过5 mm,尤其是27日达到26 mm,但这一过程日照时长并不短,除26日不及1 h外,其余各日均超过4 h,对小麦影响较小。江苏降水主要集中在27—29日,但日照时长较长,过程平均逐日日照时数为3.5 h,因此对小麦收获影响也较小。相比于其他省份,河南省在27—30日持续4 d日降水量超过10 mm;同时日照时长在26—29日4 d累计仅为0.38 h。持续强降水和寡日照导致了河南省小麦发芽并影响麦收,这也是本次“烂场雨”最主要影响省份是河南省的直接原因。

图3 2023年5月下旬冀鲁豫苏皖各省平均的逐日降水量(蓝色直方图)和日照时长(黄色折线)Fig.3 Daily precipitation (blue bar) and sunshine duration (yellow curve) in Hebei, Shandong, Henan, Jiangsu and Anhui during 21-31 May 2023

上文从苏皖冀鲁豫五省5月下旬时空平均的角度分析了本次事件降水强度和日照时长在历史上的极端性,但对历史上其他典型事件并未给出分析。本次“烂场雨”主要影响河南省,考虑到不同年份小麦收获时段并不完全一致,因此这里将研究时段拓展到5月中旬至6月中旬,选取典型个例进一步分析河南“烂场雨”事件过程降水量和日照时长分布情况。因“烂场雨”通常是一种通俗性说法,目前气象部门并未有明确的标准,这里首先给出本文定义。在分析全省平均日降水和日照的概率分布基础上,结合历史上典型事件,本文将河南“烂场雨”定义为:(1)时段集中于5月中旬至6月中旬;(2)一次“烂场雨”过程至少持续3 d以上;(3)一次过程中每日日照时长均小于1 h,同时日降水量均超过1 mm;(4)一次过程允许有1日降水或者日照中断,但中断日的日照时长也须在1～2 h且该日降水量超过5 mm,或者该中断日的日降水量不及1 mm,但日照时长低于0.5 h。由此筛选出1981年以来河南省共18次“烂场雨”事件(表1)。图4给出了这18次事件过程累计降水量和日照时长及持续天数。由图4可见,本次“烂场雨”事件过程累计降水量为40.5 mm,在研究时段内(1981—2023年)位列历史同期第六多,持续4 d。同时,过程累计日照时长为0.38 h,位列历史同期第二少,仅高于1983年5月22—24日的累计值(0.18 h)。因此从事件对比看,河南本次“烂场雨”过程同样具有极端性特征。

表1 1981—2023年5月中旬至6月中旬河南省典型“烂场雨”事件Table 1 Typhical “wheat-soaked persistent rainfall” cases in Henan Province from mid-May to mid-June during 1981-2023

3 本次黄淮海“烂场雨”过程大气环流型及与历史事件对比

上文从多个角度揭示了本次“烂场雨”的降水和日照时空特征,但对延伸期时段预测而言,了解其发生发展过程中典型的大气环流型也同样重要。由于“烂场雨”发生时段并非在黄淮海地区雨季的最集中时间段(即7月后期至8月前期),因此其环流型和典型的雨季期间夏季风环流形势并不一致。这里首先合成了除2023年之外的16次事件。图5a给出了合成的500 hPa位势高度场及距平场分布。可以很清楚看出,对前16次事件而言,西太平洋副热带高压(以下简称副高)西伸脊点位置较气候态偏西约5个经度,前者位于116°E附近,后者位于121°E。此外,合成的副高西段脊线位置也较气候态更偏北,强度也强于气候值。这样的环流配置有利于热带洋面水汽沿着副高西侧南风气流向黄淮海地区输送。合成场上,欧亚中高纬度地区为典型的“西低东高”环流,在朝鲜半岛和我国黄淮以东地区有一个显著的正位势高度距平区,中心数值高于30 gpm。在我国新疆至西亚则为一个负距平区,中心数值低于10 gpm。黄淮海地区位于上述正负距平中心的中间位置,负距平中心东侧为向南的逆时针距平环流,同时正距平西侧也为向南的顺时针距平环流。在这种偶极型分布的共同作用下,有利于水汽往北方地区输送。

图5 1981—2022年典型“烂场雨”事件合成平均的(a)500 hPa位势高度场(等值线,单位:gpm)及距平场(填色),(b)850 hPa风场距平(风矢)和比湿场距平(填色)Fig.5 The average of (a) 500 hPa geopotential height (contour, unit: gpm) and the anomalies (colored),(b) the 850 hPa wind anomalies (vector) and special humidity anomalies (colored) of typical “wheat-soaked persistent rainfall” cases during 1981-2022

风场和水汽场的分布与500 hPa位势高度场基本一致。图5b给出了16次典型事件合成的850 hPa风场距平和比湿场距平。可以看到在南海和西太平洋为一个反气旋式距平风场,对应于副高偏西偏强。在我国东北上空为另一个反气旋式距平环流,对应于500 hPa的正位势高度距平中心,但强度弱于其南侧。这样的环流型一方面有利于副高西北侧的西南风气流向北输送,同时中高纬度的“西低东高”环流型导致华北北部基本为平直气流,经向度较小,有利于南北向水汽辐合。同时,来自北部正位势高度距平中心南侧的偏东风气流将日本海的水汽输送至西侧的黄淮海地区,受到太行山大地形的阻挡,东西向水汽也较强。因此在黄淮海地区低层为一个气旋式风场距平环流,同时也是强的水汽正距平中心,容易形成低空水汽辐合,造成较强降水且云量增大,导致“烂场雨”事件。

但2023年5月下旬“烂场雨”的环流形势与历史事件合成环流不完全相同(图6)。本次过程在中高纬度地区也基本维持“西低东高”的环流分布结构,这与图5a的结果类似。但与历史合成结果相比,今年环流异常性更强。东侧的正距平中心区数值超过100 gpm,而西侧负距平中心低于-80 gpm,也即东西向的位势梯度更强。但热带地区的环流形势有很大差异。受超强台风玛娃的影响,菲律宾以东洋面上有很强的位势高度低值中心,中心负距平小于-80 gpm。受其影响,副高西段发生挤压形变,5880 gpm特征等值线控制在华南和江南上空,北界位于长江中下游地区。

注:图b中圆点对应该层风场涡度中心,用以近似代表台风玛娃中心位置,圆点中心数值为日期,如25代表25日。图6 2023年5月27—30日平均的(a)500 hPa位势高度场(等值线,单位:gpm)及距平场(填色),(b)850 hPa风场距平(风矢)和比湿场距平(填色)Fig.6 The average of (a) 500 hPa geopotential height (contour, unit: gpm) and the anomalies (colored),(b) the 850 hPa wind anomalies (vector) and special humidity anomalies (colored) for the “wheat-soaked persistent rainfall” case during 27-30 May 2023

和其他事件合成的水汽场相比,副高西北段的西南风水汽输送明显偏强。同时因“玛娃”长时间稳定维持在菲律宾以东附近,在850 hPa层的气旋式距平环流非常强盛。随着台风沿西北路径移动,台风东北侧引导的东南风分量较副高西北侧的西南风距平更为强盛。在27—30日台风位置相对稳定少动,南北向移动少于10个纬度,东西向移动约10个经度。“玛娃”的稳定少变使两支水汽都持续输送至黄淮海地区,同时中高纬的“西低东高”环流型,尤其是华北上空高压脊的存在,阻碍了大部分水汽继续往北方输送。因此两支水汽在黄淮海地区形成汇合叠加,造成小麦产区的持续降水和寡照。

下文进一步分析造成“烂场雨”的气候异常机理。考虑到本次个例受台风玛娃影响大,这里对1981—2022年16次事件对应的月尺度环流场做合成分析。由于每次事件的发生时段并不完全一致,因此主要分析5月大气环流异常以便归纳有利的气候背景场。从合成的5月850 hPa风场距平和500 hPa 副高可以看出(图略),对应的5月环流型为副高偏西,其西侧的南风分量将南海和西太平洋水汽输送至长江以北,但由于黄河下游为平直的西风距平环流或者西北风距平分量,不利于南侧的南风水汽进一步向北输送,在黄淮地区形成低层辐合。这一结果和图5b非常相似。鲁坦等(2017)对2003—2014年河南4月中旬至5月的暴雨事件归纳了天气学物理概念模型,其中最主要的低槽/低涡型(约占85%比例)表现为受经向度大的低槽或一致的西南气流影响,中低层低涡明显加强,系统缓慢东移且湿层很厚,多以稳定性、混合性降水为主,雨量明显偏大。这一概念图结论和5月合成场及图5b结果也一致。5月副高偏西可能和热带印度洋为东风距平有直接关联。合成场上,索马里和孟加拉湾越赤道气流不强,孟加拉湾上空为较强的反气旋式环流,其南部为东风距平,不利于推动副高东撤。这种情况往往对应南海夏季风爆发偏晚。对1982—2022年的个例统计表明,南海夏季风爆发在第29候及以后的概率高达60%,第28候也即正常爆发概率为33%,而在第27候之前概率仅为7%。同时,这样的环流型在气候尺度上,将造成典型的5月降水北多南少分布格局(图略)。

4 结论和讨论

黄淮海是我国冬小麦最重要的主产区,收储期间气象条件的好坏直接关系到我国粮食产量。2023年春末夏初,黄淮海多地出现连续降雨和寡照天气,引发麦穗发芽,其中河南省尤其严重。本文分析了本次“烂场雨”事件的极端性特征及不同于历史事件的独特大气环流配置型,得到主要结论如下。

旬尺度上,2023年5月下旬黄淮海地区降水量普遍偏多一倍以上,尤其是苏皖鲁豫冀这五个小麦主产区省份。五省平均旬降水量位列1961年以来历史第五多。旬日照时长华北平原均偏少50%以上,位列1961年以来历史次少。日尺度上,河南省在27—30日持续4 d日降水量超过10 mm,同时日照时长在26—29日4 d累计日照时数为0.38 h。为和历史事件对比,本文首次结合日照时长和降水量提出了河南“烂场雨”事件的一种定义标准,并由此筛选出1981年以来河南省共18次最为典型的“烂场雨”事件。与历史事件相比,本次“烂场雨”过程累计降水强度位列第六多,累计日照时长位列第二少。因此,对河南省而言,寡照时长的极端特征更为明显。

对1981—2022年期间事件合成结果显示,副热带地区副高西伸脊点位置较气候态偏西,西段脊线位置更偏北,强度也强于气候值。副高的形态有利于热带洋面水汽沿其西侧南风向黄淮海地区输送。同时欧亚中高纬度地区为典型的“西低东高”环流型,朝鲜半岛和我国黄淮以东地区为显著的正位势高度距平区,我国新疆至西亚则为负距平区。黄淮海位于上述正负距平中心的中间位置。这种偶极型分布导致华北北部基本为平直气流,经向度较小,有利于南北向水汽辐合。同时,正位势高度距平中心南侧的偏东风气流也将日本海的水汽输送至西侧的黄淮海地区,受到太行山大地形的阻挡,东西向水汽辐合也较强。从而容易形成低空水汽辐合,造成较强降水且云量增大,诱发“烂场雨”事件。

但2023年5月下旬“烂场雨”事件的大气环流型和历史事件有所不同。虽然在中高纬度地区也基本维持“西低东高”的环流分布结构,但热带地区的环流形势有很大差异。受超强台风玛娃的影响,副高西段发生挤压形变,西北侧的西南风水汽输送明显偏强。同时因“玛娃”长时间稳定维持在菲律宾以东附近,台风东北侧引导的东南风气流较副高西北侧的西南风距平更为强盛。再加上中高纬“西低东高”环流型,尤其是华北上空高压脊的存在,阻碍了大部分水汽继续往北方输送。因此两支水汽在黄淮海地区形成汇合叠加,造成小麦产区持续降水和寡照。

本文仅仅从河南“烂场雨”期间的大尺度大气环流角度对比了本次事件和历史事件的异同。初步的分析表明,由于“烂场雨”发生时段通常未进入西北太平洋台风活跃的主要季节,黄淮海雨季亦尚未开始,类似于2023年“烂场雨”事件的环流型在历史上非常罕见。对绝大部分此类事件而言,中高纬度环流异常扮演着重要角色。因此,从气候预测的角度尤其是在延伸期时段,还需要进一步分析这种中高纬度大气环流型的动态演变特征,进而识别其前兆环流信号,尤其是西风带槽脊在前期的传播移动,从而结合数值模式提供更丰富的预测信息。此外,已有研究表明,印度洋东风距平或孟加拉湾反气旋式环流距平与热带印度洋海温及南半球马斯克林高压均有一定关联(金燕等,2020)。同时,澳大利亚高压北侧的环流异常也有一定贡献(Ding and Gao,2020)。但对于副高而言,其西侧下方即西太平洋热力异常也是影响因素之一。其中的详细机理还需要结合个例背景场逐一诊断,才能得到更为客观的结论。