引言

华北地区夏季降水特征比较特殊(郝立生, 2011; 郝立生和侯威, 2018; 郝立生和丁一汇, 2012；2023)，降水量高度集中在夏季，占全年的65%以上，夏季降水量的多少往往决定全年降水量多少；华北夏季中雨及以上降水过程平均约10 d左右出现一次，用降水量监测雨季起止时间存在较大困难；华北夏季降水异常主要是由暴雨、大雨次数多少造成的，监测预测华北夏季降水变化应重点关注暴雨、大雨发生情况。吴志伟等(2006)对比分析发现，华南前汛期降水、江淮梅雨和华北雨季存在明显差别。施逸等(2022)分析中国东部不同地区雨季水汽变化，发现华南前汛期低层水汽主要来自于中国东部和南海，中高层水汽主要来自印度洋；江淮梅雨低层水汽主要来源于太平洋，中高层水汽主要来源于印度洋；华北雨季低层主要水汽来源于太平洋，中高层主要水汽来源为欧亚大陆中纬西风通道。可见，不同地区雨季水汽来源明显不同。还有研究表明，华北夏季雨季与华西秋雨背景环流明显不同(梅双丽和陈尚锋，2022)。

由于东亚副热带夏季风和雨季年际变化大，常常在华北引发严重洪涝和干旱等自然灾害，对工农业生产、生命财产安全、生态环境建设等带来巨大威胁，有时会造成严重的损失(黄荣辉等, 2003; 丁一汇等, 2013)。例如河北“63·8”、河南“75·8”、河北“96·8”、北京“7·21”、河南“21·7”、海河流域“23· 7”等特大暴雨洪涝灾害，造成了巨大人员伤亡和财产损失(徐国强和张迎新, 1999; 柳艳菊等, 2015; 苏爱芳等, 2021; 杨浩等, 2022; 汪小康等，2022；张芳华等, 2023)。深入认识华北夏季雨季变化规律和科学监测预测雨季变化，对做好防灾减灾、生产调度、生态建设等都非常重要。

赵汉光(1994)采用旬降水量监测华北雨季，发现开始、结束日期分别集中在7月中旬左右、8月中旬左右。这种方法在20世纪90年代被应用于国家气候监测业务中(赵振国, 1999)。Samel et al(1999)采用单站逐日降水量划分雨季，提高了雨季划分的时间分辨率。虽然该方法比以前方法(赵汉光, 1994; 赵振国, 1999)有所改进，但在监测华北雨季时常出现相邻站点之间雨季起止时间差别较大的情况。之后，一些学者对华北夏季降水特征和华北雨季变化开展探索和深入研究(杨修群等, 2005; 张天宇等, 2007; 王遵娅和丁一汇, 2008; 刘海文和丁一汇, 2011; 闵锦忠等, 2016; 郝立生等, 2021；2023)，尝试改进雨季监测方法。中国气象局(2019)采用单站日降水量结合西太平洋副热带高压(以下简称副高)脊线的方法监测华北雨季，对雨季监测有了明显改进，但仍存在相邻单站间雨季起止时间会有较大差别的问题。

随着气候变暖，华北地区极端洪涝和干旱事件频发，华北夏季雨季监测研究再次引起关注。于晓澄等(2019)主要依据日降水量监测雨季起止时间，并将华北雨季典型环流形势作为辅助条件，结果表明1961—2016年华北雨季开始最早在7月6日，最晚在8月10日，1961—2016年华北雨季开始平均日期是7月18日。郝立生等(2021)针对海河流域雨季监测难题，通过对比分析和合理性分析，初步提出基于随时间连续变化的气象变量的监测方法——比湿副高法。赵琳等(2022)从环流异常分析了2021年夏季华北雨季偏强的原因。崔童等(2022)采用降水量和副高脊线监测到，华北平均雨季开始和结束日期分别为7月17日、8月18日，雨季长度为32.5 d。

由以上可以看出，不同方法监测得到的结果差别较大，且大都计算较为复杂，业务应用不方便。考虑到华北地区降水性质与其他地区明显不同，如：长江中下游地区梅雨多为持续性准静止锋降水；华西秋雨、华南汛期降水等多为连续性降水；而华北地区夏季降水多为间歇性、对流性降水，在雨季经常出现连续多日无降水的情况。所以，采用传统降水量监测华北夏季雨季存在较大困难。本文提出华北夏季潜势雨季概念，并采用一种基于连续变量的比湿副高法监测华北夏季雨季，改进以往监测起止时间难以界定和稳定性差的问题，为华北夏季雨季监测提供一种新参考方法。

1 资料与方法 1.1 数据来源

(1) 降水量数据。使用国家气象信息中心提供的1961—2022年全国华北地区148个站逐日降水资料(图 1)。(2)环流数据。使用美国国家环境预报中心和美国国家大气研究中心联合制作的再分析资料(https://psl.noaa.gov), 水平分辨率2.5°×2.5°(Kalnay et al, 1996)，选用时段为1961—2022年，要素为1000~200 hPa层的位势高度H、纬向风u、经向风v、比湿q等。(3)地理信息数据。中国国界、河流信息采用国家基础地理信息系统数据(http://www.tianditu.gov.cn)；海岸线和地形背景采用“自然地球”数据(https://www.naturalearthdata.com)。文中地图基于审图号为GS(2021)5448号的中国地图制作，底图无修改。

1.2 主要方法 1.2.1 华北夏季潜势雨季定义

由于华北夏季降水多为间歇性、对流性降水，时间上不连续。即使在雨季，也经常间隔很多天无降水过程，中雨及以上降水过程平均每10天左右出现一次(郝立生等，2021)。对于华北雨季，用日降水量监测存在较大困难，相邻站点监测结果往往存在较大差别，造成起止时间有时难以准确界定、监测结果不稳定。

华北雨季与其他季节降水最大的不同就是大气环流发生了明显改变(闵锦忠等, 2016; Liu et al, 2019; 郝立生等, 2021; Zhou and Li, 2022)。进入夏季，当湿度达到阈值以上、副高脊线越过35°N，潜势雨季开始。这时大环流背景有利于降水，但不是每天都出现降水，因为还缺乏动力上升扰动条件和水汽输送加强条件。在潜势雨季里，当出现局部扰动产生上升运动和水汽输送加强时，容易产生降水过程。在潜势雨季之外，即使出现局部扰动产生上升运动和水汽输送，也不像在潜势雨季里那样容易产生降水过程。因此，本文将华北夏季雨季特有的大范围环流形势维持的时间段定义为潜势雨季。

1.2.2 华北夏季潜势雨季监测方法——比湿副高法(简称QH)

通过前期对各种雨季监测要素的比较分析(闵锦忠等，2016；郝立生等，2021)，发现比湿副高法较为合理，本文进行进一步改进——采用850 hPa层的比湿和500 hPa层副高脊线监测华北夏季雨季开始、结束日期和雨季长度。相比于用日降水量的监测方法，逐日比湿、高度随时间变化是连续的，监测起来更加方便。该方法适合作华北夏季潜势雨季实时监测，如结合动力模式预报产品，也可作华北夏季雨季起止时间预测。监测时，对850 hPa层比湿和500 hPa层副高脊线，分别取10 g·kg^-1和584 da-gpm，作为监测雨季起止时间的阈值。

数据处理和指标建立分两步：

(1) 计算850 hPa层比湿在华北区域(35°~42.5°N、110°~120°E)的平均值Q_ave和500 hPa层位势高度沿35°N在110°~150°E范围的平均值H_ave(Liu et al, 2019; 郝立生等, 2021)，并进行5 d中心滑动平均处理。

(2) 定义雨季指标。

① 雨季开始日。首先在6月1日至8月31日，当某日比湿Q_ave≥10 g·kg^-1且持续5 d，则该日定义为雨季开始参考日start1；在6月1日至8月31日期间，当某日位势高度H_ave≥584 dagpm且持续5 d，则该日定义为雨季开始参考日start2；将参考日start1和start2二者出现较晚的日期定义为雨季开始日。

② 雨季结束日。从雨季开始日期至9月30日，当某日比湿Q_ave≤10 g·kg^-1且持续5 d，则该日定义为雨季结束参考日end1；从雨季开始日期至9月30日，当某日位势高度H_ave＜584 dagpm且持续5 d，则该日定义为雨季结束参考日end2；将参考日end1和end2二者出现较早的日期定义为雨季结束日。

③ 雨季长度。将雨季开始日和结束日之间的天数定义为雨季长度。

④ 雨季降水总量。将雨季开始日与结束日之间累计降水量称为雨季降水总量。

⑤ 雨季平均降水强度。将雨季降水总量除以雨季天数得到雨季平均降水强度。

⑥ 雨季综合强度指数M。参考气象行业标准QX/T495—2019(中国气象局, 2019)，采用如下公式计算：

$ M=\frac{L}{L_0}+0.5 \times \frac{R / L}{R_0 / L_0}+\frac{R}{R_0}-2.5 $

式中：L为某一年雨季的长度(天数)，L₀为历年雨季的平均长度，R为某一年雨季总降水量，R₀为历年雨季总降水量平均值，R/L为雨季内平均日降水强度，R₀/L₀为历年雨季平均日降水强度平均值。根据M划分雨季强度等级，见表 1。

此外，还用到相关分析、合成分析等方法。本文所用气候值指1991—2020年平均值。相关显著性采用t检验方法。

2 监测结果分析 2.1 华北夏季雨季气候特征

华北年降水量气候平均为516.8 mm，其中春、夏、秋、冬四季降水量分别为73.8、334.6、96.5、11.9 mm，夏季(6—8月)降水量占全年总量的65%。全年平均降水日数为71 d，夏季降水日数平均为32 d。在夏季，小雨、中雨、大雨、暴雨日数分别约为22.8、5.6、2.7、1.2 d。可以看到，中雨及以上降水过程平均10 d左右出现一次，中间常常连续多日无降水，所以用日降水量监测雨季存在较大困难。在夏季，小雨、中雨、大雨、暴雨降水量分别为60.3、90.4、93.2、90.7 mm，分别占夏季降水总量的18.0%、27.0%、27.9%、27.1%。暴雨变化的方差占夏季降水方差的57%，所以，夏季降水量的变化主要受暴雨量变化的影响。

图 2是1961—2022年华北逐日降水量多年平均值和监测到的夏季潜势雨季起止日期变化。可以看到，华北全年降水量高度集中在夏季的6—8月，日降水量从6月中旬开始迅速增大，8月中旬开始迅速减小，雨季主要出现在6—8月(图 2a)。1961—2022年雨季监测结果(图 2b)，雨季开始时间最早为6月25日(1963年、1978年)、最晚为7月28日(1982年)；雨季结束时间最早为7月31日(1964年、1968年、2000年)、最晚为8月25日(2020年)。多年平均的雨季开始日期为7月10日，结束日期为8月8日，雨季长度为28 d。

2.2 以往雨季监测方法存在的不足

依照现行的行业标准判定华北雨季开始日期时，在某些降水稀少的年份，降水量或者累计站点比例无法满足阈值标准，即使使用标准中“雨季的特殊情况”(降低了对降水量的标准)也无法判定开始日期。

例如京津冀地区，2014年和2022年是典型的华北降水异常相反年(图略)。其中2014年为“南涝北旱”，6月下旬至8月整体降水偏少，特别是华北东部，7月1—3日出现一次小到中雨量级的降水过程，此后近一个月内无有效降水，区域内逐日降水量总体低于常年平均，直到8月4日再次出现小到中雨。从7月起，京津冀地区降水持续偏少，不能达到雨季开始的站点比例阈值(70%)，所以2014年定义为空雨季。再看反例，2022年盛夏为华北地区多雨年(章大全等, 2023)，降水异常分布为典型的“北涝南旱”，从6月27日开始到7月6日持续有小到中雨的降水过程，7月10日和12日又再次出现中雨量级降水。依现行标准，从7月13日开始，京津冀地区达到开始标准的站点累计超过70%，才判定当日为开始日期，比实际开始日期明显滞后。如果采用华北夏季潜势雨季监测方法，则2014年潜势雨季起止时间分别为7月14日、8月5日，雨季长度22 d，夏季雨季明显偏短、偏弱，与实际情况比较相符；2022年潜势雨季起止时间分别为6月27日、8月21日，雨季长度55 d，夏季雨季明显偏长、偏强，与实际情况也比较相符。

通过举例对比2014年和2022年，表明现行华北雨季判定标准存在一定的缺陷，也反映出华北地区雨季判定的难点：一方面对降水稀少的非典型年开始日期的判定显得有些“力不从心”，不能精准表述降水偏多的时段，即雨季时段；另一方面，对其余的年份开始日期的判定，一般是某日降水量达标后才算当日为开始日，实际情况是前期已经出现不少降水，造成监测到的雨季开始日期比实际开始日期偏晚，这也是一个值得进一步研究改进的问题。

2.3 华北夏季潜势雨季监测结果

图 3是1961—2022年华北潜势雨季和夏季降水量变化及对应的潜势雨季综合强度变化，均进行了3年滑动平均处理。可以看到，雨季降水量占整个夏季降水量的47%。监测到的雨季降水量与夏季降水量变化非常一致(图 3a)，相关系数达0.68，为高度相关。监测到的雨季综合强度指数与夏季降水量变化也非常一致(图 3b)，相关系数达0.61，为高度相关。用3年滑动平均数据计算得到相关系数更大，分别为0.73和0.71。这表明，华北夏季潜势雨季监测方法监测到的雨季降水量和雨季强度均能代表华北夏季降水强弱的变化情况。另外，华北夏季降水量与雨季开始日期呈显著负相关、与结束日期呈明显正相关、与雨季长度呈显著正相关(表 2)，即雨季开始早、结束晚、雨季时间长，则对应华北夏季降水量偏多。可见，该方法监测到的雨季各参数对华北夏季降水强弱具有很好的代表性。

监测结果还表明，2000年以来，华北夏季雨季降水量逐渐增加，雨季强度也在逐渐加强，与华北夏季降水量2000年以来的变化有很好的对应关系。

2021年夏季降水比较特殊(赵俊虎等, 2022)，出现了夏季、秋季雨季相连的情况，为此选用该年检验华北夏季潜势雨季监测方法的合理性。图 4是2021年雨季实际监测情况。为便于作对比分析，图中叠加了逐日降水量曲线。由图可见，监测到的华北夏季潜势雨季与夏季降水集中时段非常一致，监测结果是夏季雨季7月2日开始、8月4日结束。后期由于副高一直未彻底南退，造成后期的秋季雨季偏强，且与夏季雨季间隔时间不长，整个雨季持续到10月。尽管夏季、秋季雨季几乎相连，但秋季雨季与夏季雨季环流形势是明显不同的。在夏季雨季，大气水汽含量明显偏多，副高位置偏北；而秋季雨季，大气水汽含量已明显减少，降水主要是由于大气动力条件有利和其他异常的水汽输送加强造成的。原有标准使用日降水量监测雨季时，无法区分出夏季雨季和秋季雨季。这里的结果进一步验证了华北潜势雨季监测方法的可用性和合理性。

2.4 雨季对应的主要环流特征

华北夏季雨季期间，大气动力环流形势和水汽分布形势均有利于降水的发生，所以雨季开始、结束必然伴随大气环流的明显变化。图 5是气候平均的华北夏季雨季开始前后、雨季结束前后各5 d平均的环流场变化。具体计算方法是，比如某年雨季是7月10日开始，则开始前后的环流变化就是11—15日的平均场减去5—9日的平均场，雨季结束前后的环流对比也同样。

在850 hPa层，华北夏季潜势雨季开始时(图 5a)，30°N以北比湿迅速增大；菲律宾附近为气旋型环流异常，朝鲜半岛附近为反气旋型环流异常，东亚副热带地区为明显偏南风异常，长江及以南地区为偏东风异常。表明华北夏季潜势雨季开始时，东亚热带夏季风开始减弱，而东亚副热带夏季风开始增强，华北东南风至偏南风水汽输送加强，华北地区大气水汽含量迅速增加。雨季结束时(图 5b)，30°N以北比湿迅速减小；原来位于朝鲜半岛的反气旋性环流东移到日本以东海上，且强度减弱；原来位于菲律宾的气旋性环流已移到东北方向，且强度明显减弱。东亚出现明显的东北风异常，北半球热带出现明显的偏东风异常。这表明雨季结束时，东亚副热带夏季风、印度夏季风明显减弱，且异常风向明显反转，华北地区大气水汽含量迅速减小。

在500 hPa层，华北夏季潜势雨季开始时(图 5c)，高度场在朝鲜半岛附近出现明显的正距平中心，副高明显北抬，强度和东西向变化不明显。雨季结束时(图 5d)，华北地区出现明显的负距平中心，日本以东出现明显正距平中心，副高明显东退。可以看出，当朝鲜半岛出现明显的正距平中心，副高开始明显北抬，华北夏季潜势雨季开始；之后，副高缓慢东移，华北逐渐出现负距平中心，日本岛以东出现正距平中心，当副高突然东撤，则华北雨季结束。

在200 hPa层，华北夏季潜势雨季开始时(图 5e)，高度场也是在朝鲜半岛附近出现明显的正距平中心，使得高空出现反气旋性异常风场环流，即高空维持为辐散环流，长江流域出现东风异常，华北北侧出现西风异常，表明高空西风急流明显北移，急流轴突然由37.5°N北移到41.5°N, 南亚高压略有北抬。雨季结束时(图 5f)，华北地区出现明显的负距平中心，日本以东出现明显正距平中心，南亚高压明显西退, 造成华北上空出现气旋性环流异常，即华北上空出现辐合环流。这时，长江流域上空出现偏西风异常，华北北侧出现东风异常，表明高空西风急流明显南移，急流轴突然由北纬44.5°N南移到40.5°N，朝鲜半岛附近出现明显的偏南风异常。

3 结论与讨论

由于华北夏季降水多为间歇性、对流性降水，时间上常常不连续。即使在雨季，也经常间隔很多天无降水过程，中雨及以上降水过程平均每10天左右出现1次。所以，用日降水量监测华北雨季存在较大困难，相邻站点监测结果往往差别较大，造成区域雨季起止时间有时难以准确界定、监测结果不稳定。因此，本文提出了华北夏季潜势雨季概念，并建立了潜势雨季监测新方法——比湿副高法。

监测结果表明，1961—2022年华北夏季潜势雨季平均开始日期为7月10日，结束日期为8月8日，雨季长度为28 d。华北雨季起止时间无明显长期变化趋势，但年代际变化明显，进入21世纪以来雨季逐渐变长。该方法监测到的华北夏季雨季降水量、雨季综合强度指数与夏季降水量变化非常一致，为高度相关，说明其监测到的华北雨季各参数对华北夏季降水强弱具有很好的指示性。

华北夏季潜势雨季期间，大气动力环流形势和水汽分布形势均有利于降水的发生，所以雨季开始、结束必然伴随大气环流的明显变化。华北夏季雨季开始时，850 hPa层东亚热带夏季风开始减弱，而东亚副热带夏季风明显增强，华北东南风至偏南风水汽输送加强，30°N以北华北地区大气比湿迅速增大；500 hPa层高度场在朝鲜半岛出现明显的正距平中心，副高在东亚沿岸开始明显北抬；200 hPa层高度场在朝鲜半岛附近也出现明显的正距平中心，使得高空出现反气旋性异常风场环流，即高空维持为辐散环流，高空西风急流轴由37.5°N附近北移到41.5°N附近。雨季结束时，850 hPa层东亚出现明显的东北风异常，北半球热带地区出现明显的偏东风异常，华北地区大气水汽比湿迅速减小；500 hPa层华北地区出现明显负距平中心，副高出现突然东撤；200 hPa层高度场在华北地区出现明显的负距平中心，使得华北上空出现气旋性环流异常，即华北上空出现辐合环流，高空西风急流由44.5°N附近南移到40.5°N附近。