江南春雨是我国南方广大地区的主要自然灾害之一，其可引发早稻烂秧、棉花僵苗不发等多种农业灾害。有关江南春雨的时空分布特征及形成机理等方面的内容我国气象学者进行了研究^[1-3]。Tian等^[4]首次提出春雨持续降水的概念并确定江南春雨期为第12候—第26候。陈绍东等^[5]指出江南雨季开始于3月，降水集中于春末夏初(4—6月)。万日金等^[6]提出江南春雨的建立和终结时间为第13候和第27候，并提出厄尔尼诺年江南春雨偏多，拉尼娜年江南春雨偏少。有关春雨形成机理，目前主要是从青藏高原地形作用、东亚—西太平洋海陆热力差异等方面进行研究。Tian等^[4]认为其形成机制在于西部陆地中南半岛与东部西太平洋至菲律宾之间的热力对比，并因早春从我国江南到日本南部的降水量同时快速增长而推论春雨非地形影响的结果。万日金等^[7]研究发现，青藏高原东南侧强劲西风是形成江南春雨的直接原因，而西南风不仅与青藏高原强迫绕流有关，还与青藏高原热力作用形成的气旋性低压环流西南风有关。晏红明等^[8]研究发现，欧亚大陆热力变化与中国降水异常存在显著对应关系。关于太平洋海表面温度对大气环流以及我国不同时段降水影响被我国气象学者所关注^[9-11]。杨明等^[12]通过诊断分析方法探讨了海陆温差对江淮夏季降水的影响。尚可等^[13-14]提出前期西太平洋暖池热含量影响江南春雨的敏感海区位于(4°~16°N，130°~170°E)，前期夏季暖池关键区热含量显著偏低，则春雨异常偏多。李超等^[15]和张博等^[16]分别利用区域和全球气候模式，通过推迟纬向海陆热力差异反转时间的方法，研究东亚—西太平洋东西向海陆热力差异对江南春雨的影响，表明当海陆热力差异减弱时江南春雨明显减弱。

目前，围绕江南春雨的研究主要集中在春雨期划分以及春雨形成机理方面，对于能够反映春雨年际变化以及天气学特征的指数研究鲜见报道。陈隆勋等^[17-18]认为4月初开始于华南北部和江南地区的降水属东亚副热带季风雨季，该雨带是冷空气和副热带高压西侧转向的西南风以及南亚地区冬春副热带南支西风槽西风汇合而形成。副热带季风与我国东部汛期降水的联系也已做过研究^[19]。鉴于此，本文利用东亚至南海西太平洋对流层低层纬向风建立表征江南春雨的环流指数，并探讨该指数与同期降水和大气环流异常的关系。此外，通过指数的建立，在数值模式降水要素预报的基础上，提供江南春雨环流指数的预报结果，以期为预报人员提供江南春雨预报的参考指标。

本文所用资料包括：①1961—2016年NCEP/NCAR逐日再分析资料中12层(1000，925，850，700，600，500，400，300，250，200，150，100 hPa)风场以及垂直速度资料，水平分辨率为2.5°×2.5°；②1961—2016年我国2466个站逐日降水资料。研究采用相关分析和合成分析方法。万日金等^[6]通过对1951—2000年江南春雨的时空特征分析，给出了春雨发生时段以及空间范围，本文按照其研究结果选取的江南春雨期为每年的3月1日—5月15日，春雨范围为23°~30°N，110°~120°E^[6]。

图 1给出我国东南部地区1961—2016年3月1日-5月15日平均降水量及其方差分布。由图 1可见，在长江以南地区降水量和方差较大的区域有两个大值中心，一个中心位于江南地区，年际变化较大的区域出现在南岭至武夷山，最大值位于福建省西部；另一中心位于广东沿海一带，此时正值华南前汛期，主要是由于北方冷空气侵入形成的锋面降水。上述两个区域的降水发生时段不同，降水性质和影响系统有所差异，而本文主要是探讨有关江南春雨的环流指数特征，因此，关键区着眼于江南春雨所发生区域。

图1

图1 1961—2016年我国东南部地区春雨期日平均降水量(阴影)及方差(等值线，单位:mm2)分布 Fig.1 Mean daily precipitation(the shaded) and its variance distribution(the contour, unit:mm2) in the southeast of China in the spring persistent rainfall period from 1961 to 2016

万日金等^[20]通过对典型春雨旱涝年850 hPa风场合成分析发现，在西北太平洋暖池区存在异常高压环流，贝加尔湖南侧蒙古地区存在异常高压环流。西太平洋暖池区的异常高压环流是春雨异常偏多的关键区，而同时蒙古高压的异常会使冷空气多从中路偏东南下，在江南地区形成一个闭合的异常低压环流圈，增强江南地区降水。为了找出春季江南地区降水和同期对流层低层风场的关系，图 2给出1961—2016年春雨期降水与同期850 hPa纬向风的相关分布。可以看到，我国中东部至西北太平洋一带存在相关系数南北反位相的分布特征，江南南部—华南—西北太平洋暖池区为显著正相关区，最大相关系数超过0.6(达到0.01显著性水平)，表明该地区强劲的偏西风对春雨产生有重要影响；同时我国黄淮至江淮一带为显著负相关区，负相关系数的绝对值最大超过0.3(达到0.05显著性水平)，表明黄淮至江淮一带廻流的偏东风是江南春雨增强的重要条件之一。以上850 hPa纬向风的相关分布特征与万日金等^[20]通过合成分析得到的结论一致。因此，本文将利用东亚至南海西太平洋850 hPa纬向风的经向差异定义一个江南春雨的环流指数，指数形式为

(1)

图2

图2 1961—2016年春雨期降水与同期850 hPa纬向风的相关分布 (阴影区表示达到0.05显著性水平) Fig.2 Correlation of spring persistent rainfall to 850 hPa zonal wind from 1961 to 2016 (the shaded denotes passing the test of 0.05 level)

式(1)中，u₁为20°~25°N, 110°~130°E范围850 hPa纬向风，u₂为30°~35°N, 110°~120°E范围850 hPa纬向风。

该指数定义方法既考虑了低纬度偏西风从热带副热带地区带来的水汽条件，又涵盖了从中高纬度南下冷空气对江南春雨的影响。

从1961—2016年江南春雨区(23°~30°N，110°~120°E)区域平均降水量年际变化(图 3)可以看到，江南春雨区域气候平均日降水量为7 mm，方差为1.56 mm²，年降水量最多的年份是1992年，平均日降水量为9.6 mm；年降水量最少年份是1971年，平均日降水量仅4.3 mm。为了考察I_SPR反映江南春雨年际变化的能力，图 3同时给出I_SPR的年际变化特征。I_SPR和江南地区平均降水量之间相关系数达到0.61(达到0.01显著性水平)，这表明I_SPR可以较好地反映江南春雨的年际变化特征，当I_SPR偏高时江南地区降水偏多；I_SPR偏低时江南地区降水偏少。

图3

图3 1961—2016年春雨期江南区域平均日降水量(柱状)和ISPR标准化系列(折线) Fig.3 Variations of the regional mean daily precipitation(the histogram) in the South of the Yangtze and standardized series of ISPR in the spring persisteat rainfall period(the line) from 1961 to 2016

根据近56年江南春雨环流指数I_SPR的标准化系列，以±1为阈值可分别划分出高指数年和低指数年，高指数年为1978, 1983, 1984, 1987, 1992, 1993年和2016年；低指数年为1962, 1963, 1964, 1971, 1974, 1977, 1985年和2011年。

由上述分析可知，本文定义的江南春雨环流指数I_SPR可以较好地反映江南春雨的年际变化特征，图 4给出1961-2016年3月1日—5月15日I_SPR与同期逐日降水量的相关分布。可以看到，我国西北地区东南部、四川盆地以及黄淮以南大部地区均为显著正相关区，尤其江南地区存在显著的正相关中心，表明江南春雨发生时期，高指数日江南地区降水显著偏多，低指数日情况则相反。I_SPR与850 hPa纬向风场在中南半岛、南海至西北太平洋、我国江南至华南一带存在显著的正相关中心，同时在江南北部及其以北地区出现显著的负相关中心(图 5)。由此说明，高指数日我国华南至南海北部一带偏西风增强，而江南北部及其以北地区的偏东风增强，促使江南地区对流层低层辐合增强，造成该日江南地区降水偏多；低指数日低纬度地区偏西风和江南以北地区偏东风均不显著，江南地区低层辐合减弱，造成该日江南地区降水偏少。

图4

图4 1961—2016年3月1日—5月15日逐日ISPR与同期降水量相关分布 (阴影区表示达到0.01显著性水平) Fig.4 Correlation of daily ISPR to precipitation from 1 Mar to 15 May during 1961-2016 (the shaded denotes passing the test of 0.01 level)

图5

图5 1961—2016年3月1日—5月15日逐日ISPR与同期850 hPa纬向风相关分布 (阴影区表示达到0.01显著性水平) Fig.5 Correlation of ISPR to 850 hPa zonal wind from 1 Mar to 15 May during 1961-2016 (the shaded denotes passing the test of 0.01 level)

为了进一步验证这一结论，分别计算1961—2016年逐年3月1日—5月15日逐日I_SPR及其与同期逐日江南地区区域平均降水量的相关系数(表 1)。56年中51年相关系数超过0.22(达到0.05显著性水平)，仅1991，1995，2007年和2009年未达到0.05显著性水平。由以上分析可知，本文定义的江南春雨I_SPR可以较好地反映江南春雨的逐日变化。

表 1

表 1 1961—2016年逐年3月1日—5月15日逐日ISPR与同期逐日江南地区区域平均降水量的相关系数 Table 1 Correlation of daily ISPR to precipitation in the South of the Yangtze from 1 Mar to 15 May during 1961-2016 年份 相关系数 1961 0.56 1962 0.62 1963 0.46 1964 0.34 1965 0.64 1966 0.59 1967 0.48 1968 0.61 1969 0.57 1970 0.62 1971 0.49 1972 0.63 1973 0.48 1974 0.51 1975 0.42 1976 0.33 1977 0.53 1978 0.51 1979 0.42 1980 0.61 1981 0.31 1982 0.22 1983 0.26 1984 0.58 1985 0.32 1986 0.33 1987 0.23 1988 0.36 1989 0.38 1990 0.30 1991 0.15 1992 0.44 1993 0.29 1994 0.26 1995 0.14 1996 0.49 1997 0.35 1998 0.39 1999 0.33 2000 0.59 2001 0.41 2002 0.22 2003 0.32 2004 0.35 2005 0.36 2006 0.39 2007 0.16 2008 0.60 2009 0.15 2010 0.37 2011 0.58 2012 0.58 2013 0.59 2014 0.46 2015 0.34 2016 0.46

表 1 1961—2016年逐年3月1日—5月15日逐日ISPR与同期逐日江南地区区域平均降水量的相关系数 Table 1 Correlation of daily ISPR to precipitation in the South of the Yangtze from 1 Mar to 15 May during 1961-2016

为了验证在江南春雨典型年和非典型年I_SPR对春雨期日降水量的反映能力，选取2011年(非典型年，降水偏少年)和2016年(典型年，降水偏多年)为代表进行分析。图 6a给出2011年3月1日—5月15日平均降水量距平(1981—2010年的3月1日至5月15日日平均降水量为江南春雨的气候平均值)。由图 6a可见，江南地区为一致的降水负距平区，表明2011年江南春雨累积降水量较气候态明显偏少。从2011年逐日I_SPR指数和区域平均降水量对比(图 7a)发现，2011年3月6日、3月19日、4月16日前后及5月上旬出现了多次降水过程，这与I_SPR的高指数时段对应较好，2011年春雨期逐日I_SPR和江南地区区域平均降水量相关系数为0.58，达到0.01显著性水平，表明I_SPR可以较好地反映江南春雨非典型年的降水量逐日变化特征，I_SPR偏高时江南地区降水偏多，I_SPR偏低则降水偏少。

图6

图6 我国东南部地区2001年(a)和2016年(b)3月1日—5月15日日降水量距平(单位:mm) Fig.6 Daily precipitation anomalies in the southeast of China from 1 Mar to 15 May in 2011(a) and in 2016(b)(unit:mm)

图7

图7 2011年(a)和2016年(b)春季逐日ISPR标准化序列(折线)与江南地区平均日降水量时间序列(柱状) Fig.7 Regional mean daily precipitation(the histogram) in the South of the Yangtze and daily ISPR(the line) in spring of 2011(a) and 2016(b)

Zhang等^[21-22]研究发现，在厄尔尼诺成熟期，北半球冬季、春季和秋季我国南方降水出现正异常。刘屹岷等^[23]与Zhang等^[21-22]结论一致。研究表明，2016年是自1951年以来第3次超强厄尔尼诺事件^[24]的次年，本文选取2016年作为江南春雨典型年进行分析。图 6b给出2016年3月1日—5月15日日平均降水量距平，我国长江以南至华南中部以北地区均为正距平，超过2 mm的正距平主要位于江南地区东部和南部以及华南北部一带，最大正异常超过8 mm。2016年入汛日期为3月19日，由图 7b可见，入汛后江南地区降水过程频繁，2016年春雨期逐日I_SPR和江南地区区域平均降水量二者之间相关系数为0.46，达到0.01显著性水平，这表明I_SPR可以较好地反映2016年江南春雨的逐日变化特征，I_SPR偏高时江南地区降水偏多，I_SPR偏低则降水偏少。

为了进行与I_SPR有关的降水和大气环流的合成分析，基于图 7b中I_SPR的时间序列选取极端值日，标准化序列大于1(小于-1)的I_SPR日被选为高(低)指数日，高指数日为11日、低指数日为14日。图 8给出在高指数日和低指数日合成的降水量差值，江南地区为大范围的正差值区，并达到0.05的显著性水平，表示该地区降水偏多，其中最大降水差值超过40 mm。以上分析表明，根据高指数和低指数合成的降水差值可以反映江南地区春季逐日降水的变化情况。

图8

图8 2016年高指数日和低指数日合成的降水差值场(单位：mm) (阴影区表示达到0.05显著性水平) Fig.8 Precipitation difference in high-and low-index days of 2016(unit:mm) (the shaded denotes passing the test of 0.05)

根据前面计算的2016年江南春雨环流指数选取的11个高指数日和14个低指数日，分别合成了高指数日、低指数日对流层低、中、高层(850, 500 hPa和200 hPa)风场距平分布(距平值为各日数值与2016年3月1日—5月15日平均差值)。由高指数日850 hPa风场和散度场距平分布(图 9a)可以看到，来源于中南半岛经南海转向与西北太平洋副热带高压北侧的异常西南风汇合，同时中高纬度地区异常反气旋环流前部的偏北风南下在我国黄淮至江淮流域转向为异常偏东风，该区域正是本文定义环流指数I_SPR时选择的北侧关键区，异常的西南风与偏东风在我国江南至华南地区产生距平气旋性环流中心，创造很好的动力辐合抬升条件。从低指数日850 hPa风场和散度场距平分布(图 9b)可见，西北太平洋至我国中东部地区出现距平反气旋性环流，中心位于我国江南地区中部附近，江南、华南直至南海地区上空为异常东北风，阻挡来自低纬度地区的偏南气流北上，切断水汽来源，不利于江南地区降水的产生。

图9

图9 2016年高指数日和低指数日合成的风场(矢量)和散度场(等值线，单位：10-6 s-1)距平(a)高指数日850 hPa，(b)低指数日850 hPa，(c)高指数日500 hPa，(d)低指数日500 hPa，(e)高指数日200 hPa，(f)低指数日200 hPa Fig.9 Composite analysis of the wind(the vector) and divergence(the contour, unit:10-6 s-1) anomalies (a)at 850 hPa in high-index cases, (b)at 850 hPa in low-index cases, (c)at 500 hPa in high-index cases, (d)at 500 hPa in low-index cases, (e)at 200 hPa in high-index cases, (f)at 200 hPa in low-index cases

高指数日合成的500 hPa风场和高度场距平(图 9c)表明，西北太平洋上空存在弱的距平反气旋性环流，西太平洋副热带高压位置偏北、强度偏强，同时我国青藏高原至西南地区为高度场负距平区，表明青藏高原上空以及南亚地区南支西风槽多低槽活动。此外，日本海附近有异常低涡低槽，槽后异常偏北气流可以引导来自中高纬度地区冷空气南下，与低纬度地区暖湿空气汇合造成江南春雨偏多。低指数日形势则相反(图 9d)，我国大陆上空被强大的距平反气旋性环流控制，同时西北太平洋上空为异常的距平气旋性环流控制，西太平洋副热带高压位置偏南、强度偏弱，我国江南至华南地区维持的异常东北风，这不利于低纬度暖湿气流向北输送，不利于江南春雨的产生。由高指数日、低指数日200 hPa风场和散度场距平分布可见，在高指数日(图 9e)江南至华南地区为距平西南风，且随着纬度升高距平风速加大，表明该地区对流层高层存在异常辐散中心；而在低指数日(图 9f)，江南至华南地区受距平东北风影响，该地区上空200 hPa为异常辐合区。

从高指数日、低指数日合成的位温和温度以及经向风的垂直剖面图可以看到，在高指数日(图 10a)对流层低层来自低纬度的暖湿空气与来自中高纬度地区的偏北风在江南至华南地区汇合，冷暖交汇形成锋区，由θ_se垂直分布也可以看到，在江南至华南附近锋区的温度和位温水平梯度大，锋区强度大，该地区上空形成强烈的辐合上升运动，并维持至200 hPa左右，有利于江南春雨的发生发展；在低指数日(图 10b)江南及华南地区对流层低层为弱的辐散区，温度和位温的水平梯度较小，没有明显的锋区存在，该地区上空没有明显的上升或下沉运动，不利于江南地区出现明显的降水。

图10

图10 沿110°~120°E的2016年高指数日(a)和低指数日(b)合成的假相当位温(实线，单位：K)、温度(虚线，单位：K)、垂直环流(矢量)及散度(填色) Fig.10 Composite analysis of the pseudo-equivalent potential temperature(the solid line, unit:K), temperature(the dashed line, unit:K), vertical circulation(the vector) and divergence(the shaded) in high-index cases(a) and low-index cases(b) along 110°-120°E

本文利用东亚至南海西太平洋对流层低层纬向风的经向差异定义了一个江南春雨环流指数，通过诊断分析探讨其与降水和大气环流的关系。得到以下主要结论：

1) 春季我国江南至华南地区偏西风与黄淮至江淮一带廻流偏东风共同作用，有利于江南地区春雨的产生。本文利用这一特点定义了江南春雨环流指数I_SPR，该指数可以较好地反映江南春雨的年际变化特征：高指数年江南春雨偏多，低指数年江南春雨偏少。

2) I_SPR具有较好的天气学意义，I_SPR与同期江南地区逐日降水存在显著正相关关系，通过普查1961—2016年56年的I_SPR及同期逐日江南地区降水的相关性可知，I_SPR能较好地反映绝大多数年份江南地区春季降水过程。

3) 以2016年为例通过机理分析发现：高指数日高原槽及南支西风槽较为活跃、西太平洋副热带高压位置偏北，槽前西南风与副热带高压北侧西南风汇合，与来自中高纬度地区南下的冷空气在我国江南至华南地区交汇，低层辐合、高层辐散为江南春雨的发生提供动力抬升条件；低指数日西太平洋副热带高压位置偏南，我国大陆上空为距平高压系统控制，江南至华南地区对流层低层存在弱辐散，这种形势配合下不利于江南春雨的产生。

前人对春雨发生的机制已有深入的研究，得出西平洋太副热带高压北侧转向的西南风与北方冷空气共同作用对江南春雨的产生有重要影响。基于前人的研究结论，本文利用低层风场定义的江南春雨环流指数不但可以反映江南春雨的年际变化，也可以较好地反映春雨逐日变化特征。在江南春雨的中长期预报业务中，逐日监测和分析江南春雨环流指数的中期变化特征，并结合数值模式降水预报产品，对春季江南连阴雨的中期预报会有所帮助。