2022年山东春、夏季旱涝转折成因分析

Mechanism of Drought-Flood Turning between Spring and Summer in 2022 in Shandong Province

摘要

基于NCEP再分析资料和山东省122个国家地面观测站数据，对2022年山东春、夏季降水异常特征及旱涝转折成因进行研究。结果表明：2022年4—5月山东省平均降水量为1951年以来同期最少；6—7月降水量为同期最多。拉尼娜衰减年山东春季降水偏少概率大，夏季降水偏多概率大，拉尼娜事件是2022年山东春、夏季降水异常的背景。春季海温异常为4—5月东北冷涡活跃提供了背景条件，东北冷涡活跃造成的异常气旋性环流，叠加南海地区异常气旋性环流，其西侧为异常偏北气流，导致4—5月山东降水异常偏少。夏季环流发生调整，西太平洋副热带高压（简称“副高”）强度由偏弱转为偏强。夏季主要降水过程多是由于副高阶段性北抬，副高边缘的暖湿气流同北方冷空气相互作用导致。2022年春、夏季降水异常，并且由极旱转为极涝，主要是气候异常背景叠加天气尺度过程造成的。

Abstract

Based on NCEP reanalysis data and data from 122 national ground-based stations in Shandong Province, this paper investigates the precipitation anomalies and the causes of the drought-flood transition in Shandong during the spring and summer of 2022. From April to May 2022, the average precipitation in Shandong Province was 20.9 mm, the lowest for the same period since 1951. In contrast, precipitation from June to July reached 464.9 mm, the highest recorded for this period. The probability of reduced precipitation in spring and increased precipitation in summer was higher in Shandong during the La Niña decaying year, indicating that the La Niña event provided the background for the abnormal precipitation in Shandong during spring and summer 2022.The re-development of the La Niña event in spring, along with the Atlantic sea surface temperature anomaly, created the conditions for the active Northeast Cold Vortex (NECV) in April and May. The abnormal cyclonic circulation caused by the NECV, combined with the cyclonic circulation over the South China Sea, resulted in anomalous northerly airflow on the western flank, leading to significantly reduced precipitation in Shandong during April and May.In summer, the intensity of the Western Pacific Subtropical High (WPSH) shifted from weak to strong. The primary precipitation processes in summer were driven by the interaction between the warm, moist airflow along the edge of the WPSH and the cold air from the north, occurring during the staged northward shifts of the WPSH. The synoptic-scale processes, superimposed on the abnormal climatic background, led to the precipitation anomalies observed in spring and summer, as well as the transition from drought to flooding between the two seasons in Shandong in 2022.

Graphical abstract

关键词

山东春、夏季降水异常 / 旱涝转折 / 拉尼娜 / 东北冷涡 / 西太平洋副热带高压

Key words

abnormal precipitation in Shandong in spring and summer / drought-flood transition / La Niña / Northeast Cold Vortex / Western Pacific Subtropical High

旱涝转折是因降水异常引起的旱涝交替现象，此类事件往往比单独发生的暴雨或干旱的危害更大，因此，旱涝转折的成因和预测问题一直是气候领域极其重视的研究内容^[1-2]。

关于长江流域^[3-5]、淮河流域^[6]、海河流域^[7]、西北地区^[8-10]、西南地区^[11-14]、华南地区^[15-18]等流域和区域的旱涝转折已有众多研究。于群等^[19]对山东雨季降水进行分型，并分析不同雨型的旱涝转折成因。除统计分析外，典型年份的个例分析是旱涝急转事件成因和预测研究的有效补充，如2011年长江中下游的旱涝急转事件因其高影响而被广泛研究，结果表明，西太平洋副热带高压（简称“副高”）的阶段性变化是长江流域2011年夏季旱涝急转的直接原因，海温异常、大气环流异常、大气季节内振荡、青藏高原地区的感热增强也是重要原因^[20-25]；于玲玲等^[26]研究2015年广东开汛前后旱涝急转特征及成因分析，指出海温异常增暖造成了旱涝急转前后大气环流和水汽的转变。

关于影响山东春、夏季降水的影响因素已有大量研究。ENSO作为最强的海洋年际信号，是气候预测的重要参考对象。厄尔尼诺期间华北当年和次年春季降水易偏多^[27]，前期冬季为拉尼娜年，华北地区春季降水易偏少^[28]。孟祥新等^[29]指出前期冬季为拉尼娜开始发展，春季迅速加强并于春末形成的拉尼娜事件，山东夏季降水易出现一致偏多分布型；前期冬季处于拉尼娜状态，春季迅速减弱并于春末结束的拉尼娜事件，山东夏季降水易出现西少东多的降水形势。林大伟等^[30]指出，印度夏季降水偏强，且同期赤道中东太平洋处于拉尼娜位相时，有利于副高偏西偏北，导致华北夏季降水偏多。商林等^[31]指出，夏季副高强度是拉尼娜次年山东夏季降水的重要预测因子。

春季是冬季环流向夏季环流的转换季节，除了受ENSO等低纬度信号的影响，也受到中高纬度大气环流的直接影响，如东北冷涡。东北冷涡是东亚中高纬度地区活跃的高空切断冷涡，一次冷涡过程多为3～5 d，是天气尺度系统。但是东北冷涡过程频发对我国东部气候异常产生重要影响。21世纪初，学者提出东北冷涡“气候效应”概念^[32-34]。苗春生等^[35]指出，东北冷涡可以引导高纬度地区冷空气南下影响中低纬度地区，对华北等地区降水产生显著影响，春季东北冷涡发生天数与华北大部分地区降水呈负相关^[36]。

2022年春季山东平均降水量为47.6 mm，较常年（102.6 mm）偏少53.6%，是近20年同期最少，尤其是4—5月山东平均降水量为20.9 mm，为1951年以来同期最少。降水偏少加之阶段性干热风天气，导致鲁南、鲁中部分旱地小麦早衰，灌浆时间缩短，千粒重降低，对农业生产造成了极为不利的影响。2022年夏季山东平均降水量为624.2 mm，较常年（418.5 mm）偏多49.2%，为1951年以来同期第3位，6—7月降水量达464.9 mm，为1951年以来同期最多。虽然6、7月的降水解除了春季以来的旱情，但是暴雨等极端天气导致在田作物受损、设施和农田被淹，经济作物受损，多人死亡和失踪，极大威胁人民生命财产安全。

李多等^[37]对2022年全国春季气候异常成因进行了分析，但并没有对山东春季降水偏少成因进行分析。章大全等^[38]对2022年夏季全国气候异常成因进行了分析，但是全国雨型不能反映山东的降水情况，因此有必要对山东夏季降水单独进行分析。对2022年这种极端旱涝转折成因进行分析，对于防灾减灾具有重要意义。

分析2022年山东春、夏季降水异常特征及影响降水的环流形势，以及拉尼娜衰减年山东春、夏季降水对拉尼娜事件的响应，讨论2022年山东春、夏季降水旱涝转折成因，以期深入认识山东春、夏季降水异常机理，提高预测水平。

1 资料与方法

降水资料为山东122个国家地面观测站数据，500 hPa位势高度场数据和850 hPa风场数据为NCEP再分析数据，水平分辨率为2.5°×2.5°。副高西段脊线位置数据来自国家气候中心。

前期冬季为前一年12月至当年2月，春季指3—5月，夏季指6—8月。

文章进行合成分析和概率分析时，均使用1991年以后的数据，其中降水偏多（少）的年份选用降水异常值最大的前5 a进行合成分析。1991年以来4—5月降水异常偏多的5 a为1998、2003、2008、2009和2018年，降水异常偏少的5 a为1996、2000、2001、2012和2019年。

2 结果分析

2.1 <bold>2022</bold>年山东春、夏季降水异常特征

2022年山东春季降水偏少，夏季降水偏多，分月降水情况见图1。4月降水量较常年（32.5 mm）偏少62.5%，5月降水量较常年（55.3 mm）偏少84.3%，6月降水量较常年（79.5 mm）偏多138.9%，7月降水量较常年（172.5 mm）偏多59.4%。2022年夏季山东超过50 mm的降水过程有4次（表1）。

2.2 大气环流特征

2022年4—5月和6—7月东亚地区500 hPa位势高度距平场及850 hPa风距平场见图2。500 hPa位势高度距平场（图2a），4—5月亚洲中高纬环流呈现“两槽一脊”的分布特征，低纬阿拉伯海东部至菲律宾地区为负位势高度距平控制，日本海及以东为正位势高度距平控制。850 hPa距平风场（图2b），中南半岛至南海地区为一个异常气旋性环流，东北亚地区为一个异常气旋性环流，这两个异常气旋性环流与500 hPa的负位势高度距平区相对应。东北亚地区的异常气旋性环流导致山东受西北风控制，同时西北太平洋地区为气旋性环流异常，水汽输送条件较差，不利于水汽辐合，导致山东4—5月降水异常偏少。6—7月亚洲中高纬环流呈现“两脊一槽”的分布特征，贝加尔湖以西为低压槽控制，东西伯利亚和鄂霍次克海为正位势高度距平控制，副高强度偏强，西伸脊点偏西（图2c）。850 hPa南海地区为异常反气旋性环流，中国东部地区为偏南气流（图2d），偏南气流带来充沛的水汽，有利于山东6—7月降水偏多。

2.3 降水对拉尼娜事件的响应

由图3可知，在拉尼娜衰减年的春季（图3a），山东降水以偏少为主，拉尼娜衰减年的夏季（图3b），山东降水以偏多为主，与以往研究一致^[28-29]，拉尼娜事件为山东春、夏季旱涝转折提供了海温背景条件。

2.4 春季降水异常与环流的关系

关于山东春季降水异常成因已有众多研究^[39-43]，高留喜等^[39]指出，东亚大槽偏强（弱），乌拉尔山地区正（负）位势高度异常会导致山东春季降水偏少（多）。图4为山东1991年以来4—5月降水异常年份对应的500 hPa位势高度异常分布，降水偏多和偏少年，乌拉尔山地区均为正位势高度距平，贝加尔湖以西为负位势高度距平控制，但是这两处位势高度异常均没有通过显著性检验。降水偏多和偏少年，500 hPa位势高度场差异最显著的区域在东亚中高纬度地区。降水偏多年（图4a），中国东部地区、东北亚和日本海以东地区为正位势高度距平控制，850 hPa风场显示，正位势高度异常西部的偏南气流，为山东输送充沛的水汽，有利于该时期山东降水偏多；降水偏少年（图4b），中国东部、东北亚和日本海以东地区为负位势高度距平控制，负位势高度异常西部的偏北气流，不利于水汽输送，易造成该时期山东降水偏少。

图2a显示，2022年4—5月日本海以东、堪察加半岛及以东地区由正位势高度距平控制，贝加尔湖以东至鄂霍次克海地区由负位势高度距平控制，这种环流异常分布形式，并不是典型的降水偏少年的环流场形式（图4b）。需要指出的是，2022年4—5月中国东北及以北地区为负位势高度距平（图2a），根据国家气候中心的定义，东北冷涡活动区域为110°～145°E，35°～60°N，基本与图2a中国东北及以北的负位势高度距平控制区吻合。章大全等^[38]指出，赤道中东太平洋和北大西洋海温异常形势有利于2022年春季东北冷涡活跃。以往研究表明，东北冷涡活跃，引导高纬度地区干冷空气南下影响中低纬度地区^[35]，易造成中低纬度地区春季降水偏少^[36]，图2b显示，与东北冷涡活动区相对应的850 hPa为异常的气旋性环流，异常气旋性环流西侧的偏北气流，将更多干冷空气输送到山东；同时，菲律宾上空为异常气旋式环流，山东以南的偏北气流同样不利于南方水汽输送，上述环流形势，均不利于山东降水偏多。

2.5 夏季主要天气过程与副高的关系

以往研究表明拉尼娜年山东夏季降水易偏多^[29-30]，但是1951年以来山东夏季降水极端偏多的5 a中，降水最多出现在1964年，前冬为厄尔尼诺事件；降水次多出现在1971年，前冬为拉尼娜事件；夏季降水第四和第五的年份分别为1990、1962年，这两年前冬赤道中东太平洋没有形成明显的冷暖事件。说明前冬拉尼娜事件为山东夏季降水偏多提供了海温背景场，但并不是造成山东夏季降水极端偏多的决定性因素。商林等^[31]指出，副高是拉尼娜次年山东夏季降水的重要预测因子。

2022年夏季，热带中太平洋海温偏冷，热带海洋性大陆附近海温偏暖，导致Walker环流增强，海洋性大陆上空的对流活动增强，激发向北传播的罗斯贝波，在西北太平洋引起异常下沉运动和异常反气旋性环流^[44-45]，导致副高偏强^[46]。由图5可知，除了副高偏强的整体特征，副高脊线位置也发生了阶段性变化。章大全等^[38]指出，2022年6—7月副高脊线偏南，8月偏北。高安春等^[47]指出，副高强度偏强、脊线偏南时山东夏季降水易偏少，但2022年夏季降水极端偏多，尤其是6—7月，下面将对逐日副高脊线位置进行分析。副高第一次北跳发生在6月21日前后，在6月26日前后，副高再次北抬，西段脊线位置达到30°N以北，伴随这次副高北抬，暖湿气流输送更加偏北，与冷空气相互作用，给山东带来大范围降水。此后受台风“暹芭”影响，副高脊线位置先偏南后继续偏北，伴随着副高第二次北跳，华北雨季7月13日开始。图5显示，7月末8月初副高脊线位置由偏南转为偏北，发生了一次北抬，8月上旬后期，再次发生北抬。第一次北抬导致山东出现持续性高温天气，8月3日，高温站点占比达59.8%。第二次北抬造成山东大范围降水。对比两次副高北抬过程，8月初，副高北抬后，整个中国东部都被正位势高度距平控制（图6a），虽然山东处在偏南气流控制下，但是南风强度偏小（图6c、d），副高控制盛行下沉气流，导致高温天气；8月8—10日，副高再次北抬，但是这次北抬较上次位置偏北（图5），山东处在副高边缘位置，贝加尔湖至鄂霍次克海为负位势高度距平控制（图6b），图6d显示山东被副高西侧强盛的偏南气流控制，水汽输送充沛，山东北部是异常气旋性环流西侧的偏北风，副高边缘暖湿气流与冷空气互相作用，造成降水。对比这次的高温过程和降水过程，当副高北抬位置偏北，山东完全处于副高控制下时，会出现高温天气，当副高北抬后，山东处于副高边缘，与北方冷空气配合时，易出现降水过程。

3 结论

（1）拉尼娜衰减年山东春季降水偏少概率大，夏季降水偏多概率大，山东春、夏季降水对拉尼娜事件的响应，是2022年山东春、夏季降水异常的背景。

（2）拉尼娜事件的再次发展以及大西洋海温异常为4—5月东北冷涡活跃提供了背景条件，东北亚地区和南海地区的负位势高度距平对应的异常气旋性环流其西侧为异常偏北气流，导致山东水汽输送条件差， 4—5月降水异常偏少。

（3）夏季环流发生了调整，中高纬度环流由春季的“两槽一脊”变成“两脊一槽”，南海地区异常气旋性环流转为反气旋性环流，副高强度由偏弱转为偏强。夏季主要的降水过程，多是由于副高阶段性北抬，副高边缘的暖湿气流同北方冷空气相互作用造成的。同时，台风“暹芭”的残余环流也造成了大范围的降水。

2022年山东春、夏季降水异常，并且由极旱转为极涝，主要是气候异常背景叠加天气尺度过程造成的。虽然统计分析可以得到季节尺度上海温异常等前期信号对降水异常的影响，但对于次季节尺度和天气尺度的系统仍然把握不足，例如副高的季节内振荡、台风的生成和路径、中高纬度冷空气活动等。在全球变暖背景下，气候异常和极端天气气候事件发生的可能性增加^[48]，各时间尺度因子协同作用影响山东降水的机制和机理还需要进一步分析，以更好地满足气候预测服务需求。

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基金资助

国家自然科学基金(41705025)

山东省气象局重点项目(2023sdqxz15)

山东省气象局重点科研项目(2022sdqxz11)

山东省气象局重大天气过程专项(SDTQ2022-02)