海南省冬季暴雨時空分布及環流異常特征

2021-11-15 09:00:20陳有龍

干旱氣象 2021年5期

楊薇，馮文，曾麗，陳有龍

(1.海南省氣象臺，海南海口 570203；2.海南省南海氣象防災減災重點實驗室，海南海口 570203；3.中國酒泉衛星發射中心，甘肅酒泉 732750)

引言

海南省是我國最南端的省份，受季風影響，降水夏季多、冬季少，且具有明顯的年際變化特征[1-2]。在冬季風的影響下，海南冬季降水量最少，僅占全年降水量的5.1%，也是暴雨發生最少的季節[3]。冬季暴雨雖不及其他季節頻繁，但其引發的洪澇災害也能造成嚴重經濟損失[4-5]。如2013年12月14—17日，海南東部出現有氣象記錄以來冬季最強降雨，萬寧站15 h累計雨量達447 mm，造成萬寧、瓊海城區大面積積水，交通阻斷，受災人數超過30.4萬，直接經濟損失達2億元人民幣。因此，有必要對海南冬季降水異常特別是極端降水異常進行深入研究。

大氣環流異常是引發降水異常的重要因子。東亞冬季風環流系統的異常可造成我國冬季低溫、冰凍等災害天氣[6-8]，冬季風偏強(弱)對應降水多(寡)[9-10]。在低緯度地區，南支槽為我國南方地區降水提供水汽及擾動，對南方冬季降水有重要影響[11-12]。目前，針對低緯地區冬季暴雨研究較少，且集中于單次過程的診斷分析。研究表明，500 hPa“北脊南槽”的形勢配合以及低層冷暖氣流交匯對華南地區冬季強降水十分有利[13]；地形可使中低層暖濕氣流在迎風坡聚集，對暴雨具有增幅作用[14]。回顧以往相關研究，低緯地區冬季暴雨缺乏環流形勢的系統分析，為此本文利用1951—2016年海南省國家氣象站降水觀測資料和NCEP再分析資料，分析海南島冬季暴雨的時空特征，并選取兩次典型的冬季極端降水過程，對比探討海南島冬季暴雨的環流形勢及異常特征，以期為海南島冬季暴雨預報及防災減災提供一定參考。

1 資料與方法

所用資料包括：1951—2016年海南島逐日降水資料，考慮臺站建站時間不同，挑選了18個國家氣象觀測站，站點分布均勻，有較好的代表性；1951—2016年NCEP逐6 h及逐日再分析資料(分辨率為2.5°×2.5°)(http://wesley.wwb.noaa.gov/Reanalysis.html)。另外，文中涉及的中國地圖是基于國家測繪地理信息局標準地圖服務網站下載的審圖號為GS(2017)508的標準地圖制作，底圖無修改。

根據氣象業務部門的標準，將發生在12月至次年2月日降水量大于或等于50 mm的降水事件定義為冬季暴雨；冬季暴雨日定義為12月至次年2月期間海南島18個氣象站中某一日有一個或以上站點出現50 mm及以上降雨量，則這一日為全區暴雨日。

2 海南島冬季暴雨的時空分布

從圖1(a)看出，海南島冬季暴雨發生概率較低，近66 a冬季暴雨發生日數平均在0.05～0.5 d之間，冬季最大暴雨日數在1～4 d之間，暴雨日數自西向東迅速遞增，具有明顯的區域性特征，東南部為高值區，平均暴雨日數和最大暴雨日數均出現在萬寧地區(位于五指山山脈東南部的迎風坡)。近66 a海南島冬季暴雨最大降水量也呈現自東向西逐漸減少的分布特征[圖1(b)]，150 mm以上的大暴雨位于海南島東部的文昌、瓊海、萬寧和陵水，其中萬寧冬季日最大降水量為187.7 mm。冬季，隨著冷空氣的南侵，海南島常處于高壓底部，受偏東氣流影響；當風增強為急流時，偏東氣流往往從海南島東部的迎風坡輻合抬升，造成強降水天氣，故而暴雨的落區和極值均位于東南部的迎風坡地區。

圖1 1951—2016年海南島冬季平均暴雨日數(a，單位：d)和日最大降水量(b，單位：mm)的空間分布(數值分別表示各站冬季最大暴雨日數和日最大降水量)Fig.1 The spatial distribution of average rainstorm days (a, Unit: d) and the daily maximum precipitation (b, Unit: mm) in winter from 1951 to 2016 in Hainan Island(The number at each station represents the maximum rainstorm days and the daily maximum precipitation in winter, respectively)

1951—2016年，海南島冬季共出現77個暴雨日，全島冬季平均暴雨日僅為1.17 d，且冬季暴雨日存在明顯的年際及年代際變化特征，各年份冬季暴雨日在0～6 d之間，多暴雨時段發生在21世紀，大多數年份冬季出現了暴雨，且多個年份暴雨日遠高于多年平均值，在2013年出現峰值，而20世紀50年代和70年代中期至80年代中期為少暴雨時段(圖2)。另外，2000年以來，共出現8次暴雨過程，有6次均發生在初冬的12月，且2次(2008年和2013年12月)為持續性暴雨過程，其中2013年12月14—17日的暴雨為歷史同期最強的降水過程，給海南島東南部萬寧地區造成嚴重影響。

圖2 1951—2016年海南島冬季暴雨日年際變化Fig.2 The inter-annual variation of rainstorm days in winter from 1951 to 2016 in Hainan Island

3 典型個例的環流形勢及異常特征

3.1 典型個例降水特征

2008年12月27—28日海南島東南部地區累計雨量達150 mm以上[圖3(a)]，4個市縣出現暴雨以上量級的降水，其中萬寧站24 h累計雨量達164 mm。2013年12月14—15日，海南經歷了一次罕見的持續性暴雨過程，暴雨持續時間、影響范圍和累計雨量都破同期歷史記錄。此次過程，暴雨以上量級的降水主要分布在海南島中、東部地區，14日08:00至15日08:00(北京時，下同)7市縣總雨量超過750 mm，其中萬寧站24 h雨量達322.6 mm[圖3(b)]。這兩次暴雨過程具有與氣候平均相似的雨帶分布特征，降水量一致呈現自西向東逐漸增加的態勢，最強降水中心均出現在東南部的萬寧地區。

圖3 海南島2008年12月27—28日(a)和2013年12月14—15日(b)暴雨過程的雨量空間分布(單位：mm)Fig.3 The spatial distribution of precipitation during the rainstorm processes from 27 to 28 December 2008 (a) and 14 to 15 December 2013 (b) in Hainan Island (Unit: mm)

3.2 典型個例環流形勢

3.2.1 500 hPa環流形勢

兩次暴雨過程中，500 hPa平均形勢場分布相似[圖4(a)、圖4(b)]，中緯西風槽東移至我國東部洋面，冷空氣活動減弱，亞洲大陸中高緯地區為高壓脊控制，青藏高原南側南支槽在95°E附近穩定維持，南支槽底向南伸至10°N—14°N，其引導西南暖濕氣流源源不斷地向海南地區輸送，海南島位于副熱帶高壓(簡稱“副高”)西側和南支槽前，風向輻合明顯，具有充足的動力條件。對應的氣候態500 hPa環流形勢場[圖4(c)、圖4(d)]上，中緯西風槽槽底向南伸至我國華南以北地區，我國大部分地區受西風槽前西北氣流控制，低緯地區則為平直的西風氣流影響，無明顯的槽脊波動。

圖4 2008年12月27日08:00至28日08:00(a)、2013年12月14日08:00至15日08:00(b)500 hPa平均位勢高度(等值線，單位：dagpm)和風場(矢量，單位：m·s-1)以及1951—2016年12月第5候(c)和第3候(d)氣候態平均(粗線是南支槽)Fig.4 The average geopotential height (contours, Unit: dagpm) and wind field (vectors, Unit: m·s-1) on 500 hPa from 08:00 BST 27 to 08:00 BST 28 December 2008 (a) and 08:00 BST 14 to 08:00 BST 15 December 2013 (b), and the climatic mean state in the 5th (c) and the 3rd (d) pentads of December from 1951 to 2016(the thick line for the southern branch trough)

綜上分析可見，發展強盛的南支槽在兩次暴雨發展過程中起著至關重要的作用，在冷空氣勢力較弱的背景下，加強的南支槽前的西南暖濕氣流為海南島大范圍暴雨提供有利背景。同時注意到，兩次暴雨過程也存在差異，在2013年12月14—15日的暴雨過程中副高明顯強于2008年12月27—28日的暴雨過程，強盛的副高一方面阻擋了南支槽東移的速度，導致南支槽在華南地區影響時間較長；另一方面，副高西側的偏南氣流加強了南海暖濕氣流向海南地區的輸送，有利于出現持續性大暴雨過程。

3.2.2 低空急流

在兩次暴雨過程中都出現了低空急流，且急流均位于海南島東部海域，急流核的風速超過17 m·s-1[圖5(a)、圖5(b)]。中緯地區槽后冷高壓和海上副熱帶高壓的對峙，使得南北向和東北—西南向的氣壓梯度加大，誘發海南島東部急流，進而將能量和水汽向海南島輸送。對應的氣候態925 hPa風場[圖5(c)、圖5(d)]上，海南島及整個南海均受一致的東北氣流影響，無明顯的輻合輻散。對比發現，兩次暴雨過程的急流位置存在較大差異，暴雨強度相對較弱的2008年過程急流軸位置偏南、急流核偏東，而2013年暴雨過程的急流出口區對應海南島東部區域。

圖5 2008年12月27日08:00(a)、2013年12月14日20:00(b)925 hPa風場(矢量，單位：m·s-1)及1951—2016年12月第5候(c)和第3候(d)氣候態平均(彩色陰影區為急流，其風速大于12 m·s-1)Fig.5 The 925 hPa wind field (vectors, Unit: m·s-1) at 08:00 BST 27 December 2008 (a) and 20:00 BST 14 December 2013 (b) and the climatic mean state in the 5th (c) and the 3rd (d) pentads of December from 1951 to 2016(the color shadow areas for jet streams with wind speed more than 12 m·s-1)

3.2.3 海平面氣壓場

從海平面氣壓場[圖6(a)、圖6(b)]來看，兩次暴雨過程中海南島均位于入海冷高壓底后部，等壓線近似東西向分布，海南島處于回暖階段。對應的氣候態海平面氣壓場[圖6(c)、圖6(d)]上，冷高壓中心位于我國西北大陸，海南島位于冷高壓底部，等壓線近似東北—西南向分布，且南北氣壓梯度大。與氣候態對比發現，兩次暴雨過程期間海平面氣壓場均低于氣候態平均，且高壓舌相對不明顯，說明暴雨期間暖空氣占主導，這與500 hPa南支槽前的西南暖濕氣流相對應。

圖6 2008年12月27日08:00(a)、2013年12月14日20:00(b)海平面氣壓(單位：hPa)及1951—2016年12月第5候(c)和第3候(d)氣候態平均Fig.6 Sea level pressure (Unit: hPa) at 08:00 BST 27 December 2008 (a) and 20:00 BST 14 December 2013 (b) and the climatic mean state in the 5th (c) and the 3rd (d) pentads of December from 1951 to 2016

3.3 典型個例的環流異常特征

3.3.1 500 hPa高度場及風場異常特征

大氣環流異常是造成極端天氣事件的最主要原因。圖7是兩次暴雨過程所在候平均500 hPa位勢高度距平場。可以看出，兩次暴雨過程中我國西南地區(南支槽所在位置)均表現為負距平，表明南支槽較常年同期偏強，且槽前的西南氣流也偏強。然而，2008年暴雨過程中高緯地區西風槽所在位置為正距平，而2013年暴雨過程中負距平區位于30°N以北，說明強冷空氣難以到達海南地區，這與海南地區受強盛的西南暖濕氣流影響一致。另外，2013年暴雨過程中，我國西南地區的負距平更強，范圍更大，向東一直延伸至華南地區，對應南支槽前擾動也更強。

圖7 2008年12月第5候(a)、2013年12月第3候(b)500 hPa平均位勢高度(等值線，單位：dagpm)和風場(矢量，單位：m·s-1)距平Fig.7 Anomalies of average geopotential height (contours, Unit: dagpm) and wind field (vectors, Unit: m·s-1) on 500 hPa in the 5th pentad of December 2008 (a) and the 3rd pentad of December 2013 (b)

3.3.2 850 hPa風場和水汽通量散度場異常特征

從兩次暴雨過程對流層中低層850 hPa平均風場距平[圖8(a)、圖8(b)]來看，兩次暴雨過程在海南島均表現為異常西南風，且海南島東側異常西南風風速達10 m·s-1以上。其中，2008年暴雨過程，在中南半島存在異常氣旋性環流，海南島東側為異常西南風和偏東風輻合區；2013年暴雨過程，在西太平洋上空出現異常反氣旋性環流，副高較常年偏強，其西側的異常偏南氣流與來自孟加拉灣的異常西南風在海南島匯合加強，同時華南地區中部存在切變線，海南島位于切變線南側，有利于暴雨的產生。

圖8 2008年12月第5候(a、c)、2013年12月第3候(b、d)850 hPa平均風場(a、b，單位：m·s-1)和水汽通量散度(c、d，單位：10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1)距平Fig.8 Anomalies of average wind field (a, b, Unit: m·s-1) and moisture flux divergence (c, d, Unit: 10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1) on 850 hPa in the 5th pentad of December 2008 (a, c) and the 3rd pentad of December 2013 (b, d)

南支槽前的西南氣流是海南島冬季暴雨的水汽輸送來源。從850 hPa平均水汽通量散度距平場[圖8(c)、圖8(d)]看出，兩次暴雨過程期間海南島東部上空均有較強的水汽通量負異常，中心最大值均超過-5×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1，說明南支槽前擾動帶為暴雨過程提供了充沛的水汽，特別是在2013年大暴雨過程中整個南海西北部均為負距平區，具有強烈的水汽輻合。

綜上可見，在冷空氣勢力較弱的背景下加強的南支槽使得暖濕氣流在槽前輻合抬升，導致向南海輸送的水汽異常偏強，為海南島冬季暴雨的產生提供有利條件。