2000年4月广东极端降水影响因子

Influencing Factors of Extreme Precipitation in Guangdong in April 2000

摘要: 2000年4月广东发生极端降水事件，降水量为4月气候平均值的2.5倍。本文从能量学的角度分析其影响因子。分析表明，中纬度西大西洋极端暖海温异常，其作为强热力强迫源，激发出一支横跨西大西洋至东亚的准定常罗斯贝波列(“正–负–正–负”型)。该波列的能量沿西风波导向东频散，导致下游东亚地区出现异常低压，并显著增强其南侧的西风急流。广东位于该异常急流入口区的右侧，高空辐散的动力强迫触发低层辐合与强烈上升运动。天气尺度分析进一步表明，西大西洋扰动位能信号约领先广东降水5天，能量通过“西大西洋–西亚–东亚急流–华南上升运动”的过程对降水产生影响，并通过三次典型降水过程的合成分析得到验证。

Abstract: In April 2000, an extreme precipitation event occurred in Guangdong, with the precipitation reaching 2.5 times the April climate average. From an energetics perspective, the analysis of its influencing factors reveals that the anomalously warm sea surface temperatures in the mid-latitude western Atlantic acted as a strong thermal forcing source. This condition excited a quasi-stationary Rossby wave train (with a “positive-negative-positive-negative” pattern) spanning from the western Atlantic to East Asia. The energy of this wave train dispersed eastward along the westerly waveguide, leading to an anomalous low-pressure system over downstream East Asia and significantly enhancing the westerly jet stream along its southern flank. Guangdong was situated to the right of the entrance region of this anomalous jet stream, where the dynamic forcing from upper-level divergence triggered low-level convergence and intense upward motion. Further synoptic-scale analysis indicates that the disturbance energy signal from the western Atlantic preceded the Guangdong precipitation by approximately five days. This energy influenced the precipitation through the mechanism of “western Atlantic-West Asia-East Asian jet stream-ascending motion in South China,” which was validated by composite analysis of three typical precipitation events.

1. 引言

广东省位于中国南部，南海西北侧，地处东亚季风区。华南地区的雨季通常从4月持续到9月[1] [2]，并可划分为两个时期：前汛期(4月至6月)和后汛期(7月至9月) [3]-[5]。华南前汛期可进一步分为季风爆发前期和后期[6]。南海夏季风通常在5月爆发[7] [8]。因此，本研究关注的4月降水属于季风爆发前期。当暖湿空气与冷空气相遇时，便产生锋面降水。因此，这一时期华南的降水主要为锋面降水[9]。先前研究表明，华南季风前期的降水可能受到遥相关的影响，例如欧洲、西西伯利亚或贝加尔湖地区的异常积雪，或上游的海气耦合系统，如北大西洋涛动[10] [11]。因此，4~5月华南降水的变率主要受10~20天振荡主导，这是一种与中纬度行星尺度调整相关的季节内时间尺度。

在极端降水事件中，能量的聚集、转换、释放是核心的驱动因素。通过对大气能量学的研究可以找到区域降雨和大尺度环流之间的联系，从而提高我们对区域气候变率的认识[12]。因此本文从能量学角度进行研究，分析影响因子。

2. 数据与方法

2.1. 数据

本文使用国家气候中心提供的全国699站逐日降水数据分析广东降水，研究区域包括36个站点数据，时间范围包括1951~2024年4月；本文使用来自欧洲中期数值预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF)第五代再分析产品(ECMWF Reanalysis v5, ERA5)的再分析数据分析降水动力和热力条件，时间分辨率包括逐月、逐日，原始水平空间分辨率为0.25˚ × 0.25˚，本文将数据插值成1˚ × 1˚。变量包括大气垂直速度、气温、位势高度、水平纬向风、经向风和比湿；海温数据使用NOAA Extended Reconstructed SST V5，空间分辨率是2˚ × 2˚。4月异常是通过减1971~2000年的气候平均值获得的。

2.2. 方法

2.2.1. 局地扰动位能理论(PPE)

局地扰动位能(perturbation potential energy, PPE)被定义为实际大气全位能与其经绝热调整到对应的参考状态时的全位能之差[13]。PPE代表可转化为动能的局部总势能的最大值。值得注意的是，PPE与动能之间的耦合比传统大气有效位能(APE) [14]与动能之间的耦合更强。本文使用PPE一阶项，公式为：

${\text{PPE}}_1=\frac{1}{{\gamma }_d}{\displaystyle {\int }_0^p{T}^{\prime }\text{d}p}$ (1)

其中，p和p_s分别是气压和地面气压。${\gamma }_d=g/c{}_p$ 表示干绝热递减率，其中g为重力加速度，c_p为定压比热容，T'表示温度异常。

2.2.2. 排序归因法(RAW)

极端事件通常由极端驱动因子所引发。基于这一前提，排序归因法(Ranking Attribution Method, RAM)通过最高与最低排序来识别潜在的极端驱动因子。正秩次表示从高到低排序，负秩次则表示从最低值开始排序，其中1代表历史最高值，−1代表历史最低值[15]。

2.2.3. 波射线通量(Li-Yang WRF)

在水平非均匀基流中Rossby波射线追踪理论的基础上[16]-[20]，引入了水平Rossby波射线追踪(Li-Yang WRF)的概念来诊断Rossby波的局地活动和传播方向[21]，它表示单位时间内通过单位格点区域的波射线流量，单位是m·s⁻¹，以矢量的形式提供了更清晰、更精确的波活动强度和传播方向的描述。

3. 2000年4月广东降水影响因子

3.1. 降水特征

根据1951~2024年4月广东降水量排序，全省平均降水量为423.8毫米，接近4月气候平均值(172毫米)的2.5倍，2000年降水位于这74年降水排序第二位。本月主要有三次降水过程(图1)，分别位于月初(4月3日)、月中(4月14日)以及月末(4月26日~28日)，其中14日降水达70毫米以上。

Figure 1. Daily precipitation time series for Guangdong in April 2000, unit: mm

图1. 2000年4月广东日降水时间序列，单位：mm

3.2. 月尺度环流特征

2000年4月300 hPa位势高度异常场呈现出显著的大尺度遥相关波列。该波列自西大西洋开始，依次经过东大西洋、西非–欧洲–西亚地区，直至东亚，空间上表现为“正–负–正–负”的准定常罗斯贝波列(图2(a))。其中，位于下游的东亚负异常中心(即东亚低压)向南延伸至中国广东以北地区，大气扰动位能异常的空间分布与位势高度异常一致。同期海温异常显示(图2(b))，中纬度西大西洋存在显著的暖异常。暖海温可以通过非绝热加热过程，有利于高空高压的形成与维持。我们将西大西洋暖海温及欧洲–西亚高PPE异常区域，视为罗斯贝波的准定常波源。我们计算了4月平均的波作用通量，Li-Yang WRF表示波能量的传播路径。结果表明，波能量主要源自西大西洋波源并向东传播。能量到达东大西洋上空后发生分流：一支(北支)向北传播至欧洲，有助于维持该地区的高压异常；另一支(南支)则强度更强，其能量依次向东传播经过西亚，最终抵达东亚，对东亚低压的维持起着关键作用。因此上述结果表明，该波列通过波能量传播相连接，该波列本身即为能量传播提供了一条大尺度的波导通道。东亚低压的南侧存在着一支异常强的月平均西风急流(图2(c))，其急流中心位于中国东部至西太平洋沿岸上空。广东位于急流入口区右侧的高空辐散区，有利于低层辐合进而增强上升运动，而该高空急流的强度依赖于东亚低压的强度。由此西大西洋海温异常与广东降水之间形成了空间上的联系。

Figure 2. (a) Anomalous PPE (shading, 10⁶ J·m⁻²) and 300 hPa geopotential height (contours, gpm) in April 2000, with mean wave ray flux originating from the Europe (purple vectors, m·s⁻¹) and the West Asia (blue vectors, m·s⁻¹). Gray dots denote wave energy source regions. (b) Anomalies of sea surface temperature (shading, ˚C) and 300 hPa geopotential height (contours, gpm), with mean wave ray flux originating from the eastern Atlantic (blue vectors, m·s⁻¹) and western Atlantic (purple vectors, m·s⁻¹). Gray dots denote wave energy source regions. (c) Anomalous 300 hPa zonal wind (contours, m·s⁻¹) and its divergence (shading, 10⁻⁶ s⁻¹, shown only for 15˚~30˚N)

图2. 2000年4月(a) 扰动位能异常(填色，10⁶ J·m⁻²)，300 hPa位势高度异常(等值线，gpm)，源自欧洲(紫色矢量，m·s⁻¹)和西亚(蓝色矢量，m·s⁻¹)的平均波射线通量，其中灰点表示波能量源区；(b) 海表面温度异常(填色，˚C)，300 hPa位势高度异常(等值线，gpm)，源自东大西洋(蓝色矢量，m·s⁻¹)和西大西洋(紫色矢量，m·s⁻¹)的平均波射线通量，其中灰点表示波能量源区；(c) 300 hPa纬向风异常(等值线，m·s⁻¹)及其散度场异常(填色，10⁻⁶ s⁻¹，仅显示15˚~30˚N范围)

3.3. 日尺度环流特征

基于上述月尺度的准定常波列以及波能量的传播，我们进一步分析了在天气尺度上的逐日演变特征。通过计算4月的逐日指数，包括东亚急流指数(图2(c)蓝色方框区域内平均的300 hPa纬向风速)，广东上空的500 hPa垂直速度与降水指数，以及西大西洋(图2(b)红色方框区域，30˚~48˚N，40˚~70˚W)和西亚(图2(a)红色方框区域，21˚~38˚N，41˚~75˚E)区域平均扰动位能指数。相关分析表明(图3)，西大西洋能量异常约领先广东降水5天达到最大相关，表明上游能量信号可在周尺度上影响下游降水；西亚扰动位能与东亚急流的相关表明同期是显示显著相关，表明上升运动对急流的快速响应；东亚急流在领先3天时影响广东上升运动，后者与降水增强近乎同步，表明上升运动的增强不仅有助于降水增加，也促进扰动位能向动能的转换。因此西大西洋和西亚的能量异常可通过直接的动力路径调制对流层高层急流，进而影响降水。

Figure 3. Lead-lag correlations between the daily variabilities of: the PPE of West Atlantic (WAOPPE，the average PPE in in red box area in Figure 2(b)) and Guangdong precipitation (GDP, yellow line); the PPE of West Asia (WAPPE, the average PPE in red box area in Figure 2(a)) and East Asian 300 hPa zonal wind (EAU₃₀₀, the average 300 hPa zonal wind speed within the blue box area in Figure 2(c), red line); EAU₃₀₀ and GDP (dark blue line); EAU₃₀₀ and the average 500 hPa vertical velocity over Guangdong (GDW₅₀₀, light blue line); GDW₅₀₀ and GDP (green line). Dotes/black circled dotes denotes significant values at the 90%/95% confidence levels

图3. 逐日变率的超前滞后相关系数：西大西洋扰动位能(WAOPPE，即图2(b)红色方框区域平均的扰动位能)与广东降水(GDP，黄色线)；西亚扰动位能(WAPPE，即图2(a)红色方框区域平均的扰动位能)与东亚300 hPa纬向风(EAU₃₀₀，即图2(c)蓝色方框区域平均的300 hPa纬向风速，红线)；EAU₃₀₀与广东降水(深蓝线)；EAU₃₀₀与广东上空平均的500 hPa垂直速度(GDW₅₀₀，浅蓝线)；GDW₅₀₀与GDP(绿色线)；圆点/黑色圆圈圆点分别表示达到了90%/95%显著性水平

基于上述机制，我们进一步针对三次典型降水过程(P1, P2, P3)进行合成分析，分别绘制了降水峰值日(记为第0天)及其前第3天(−3天)的300 hPa位势高度异常与西风急流分布。合成结果显示，在降水发生前第3天(图4(a))，西亚高压与东亚低压已显著建立，低压南侧的西风急流明显加强，这与月平均环流异常结构特征一致；至降水发生日(图4(b))，整个波列系统相较前期略向东移，广东北侧出现一条更为集中的急流带，为降水发生提供了持续的高空辐散动力条件。同时，低层环流与水汽辐合的合成分析表明(图5)，在降水前第1天至当天，850 hPa风场在广东附近呈现气旋性环流，其北侧的干冷偏北气流与来自南海的暖湿气流在广东地区辐合，形成显著的低层水汽辐合中心；该辐合配合高空急流入口区右侧的辐散，共同导致垂直上升运动进一步增强，最终触发降水。

Figure 4. Composite of 300 hPa geopotential height anomalies (contours, gpm) and 300 hPa zonal wind anomalies (shading, m·s⁻¹) for periods P1, P2, and P3 on day-3 (a) and day 0 (b) relative to the date of maximum precipitation. Dotted and hatched areas indicate that the geopotential height anomalies and zonal wind anomalies, respectively, denote significant values at the 95% confidence levels

图4. P1，P2和P3期在最大降水日前第3天(a) 和第0天(b) 的300 hPa位势高度异常(等值线，gpm)和300 hPa纬向风异常(填色，m·s⁻¹)合成，点状和斜线区域表示位势高度异常和纬向风异常达到了95%显著性水平

Figure 5. Composite of vertically integrated (1000~850 hPa) moisture flux divergence anomalies (shading, 10⁻⁵ kg m⁻² s⁻¹), 850 hPa temperature anomalies (contours, ˚C) and wind anomalies (vectors, m·s⁻¹) for periods P1, P2, and P3 on day-1 (a) and day 0 (b) relative to the date of maximum precipitation. Vectors and dotted areas indicate significant values at the 95% confidence levels

图5. P1，P2和P3期在最大降水日前第1天(a)和第0天(b)的垂直积分(1000~850 hPa)水汽通量散度异常(填色，10⁻⁵ kg m⁻² s⁻¹)、850 hPa温度异常(等值线，˚C)及风场异常(矢量，m·s⁻¹)。箭头和点状区域表示达到了95%显著性水平

3.4. 影响因子排序归因

我们将2000年4月海表面气温，300 hPa位势高度以及纬向风在1951~2000年共50年中进行排序，结果表明中纬度西大西洋的海温以及位势高度强度均位于50年中的第一名(图6(a)，图6(b))，即极暖的海温作为波源通过波能的传播形成并维持波列。在位势排序的空间图中(图6(b))，我们可以很明显地看到“西大西洋–东大西洋–西非–西亚–东亚”这支波列的空间分布以及各高低压中心的强度。并且在东亚低压的南侧，存在一支极强的西风急流(图6(c))，这一配置表明，源自西大西洋的异常热力强迫，通过激发行星尺度的罗斯贝波列，不仅能调制下游的准定常波列，还可通过对急流的影响，进一步强化下游的动力环境，影响此次极端降水。

Figure 6. (a) Ranking of sea surface temperature in April 2000 compared to the same period from 1951 to 2000. (b and c) Same as (a), but for (b) 300 hPa geopotential height; and (c) 300 hPa zonal wind, respectively. The value of 1 indicates the highest rank, while −1 indicates the lowest rank. Dotted areas indicate significant values at the 95% confidence levels

图6. (a) 2000年4月海温在同期1951~2000年排序，(b)和(c)同(a)，但为300 hPa位势高度和纬向风排序。1表示排名第一，−1表示排名最后

4. 总结

本文对2000年4月广东发生的极端降水事件(1951~2025年74年中降水量排名第2位)，分析影响因子，得到以下结论：

(1) 2000年4月全省平均降水量为424毫米，为4月气候平均值(172毫米)的2.5倍，主要有三次降水过程。

(2) 中纬度西大西洋的极端暖海温异常，通过激发并向东频散的罗斯贝波列，调制东亚急流，并在广东地区的高空急流入口区右侧产生持续的动力强迫，在充沛的水汽配合下，形成降水。

NOTES

^*通讯作者。