漢江流域盛夏期極端降水特征及大氣環流分型研究

謝 家 旭,郭 廣 芬,杜 良 敏,向 華,宋 娜

(1.武漢區域氣候中心,湖北 武漢 430070; 2.十堰市氣象臺,湖北 十堰 442000)

0 引 言

聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第六次評估報告指出,人類活動導致的氣候變化已經產生嚴重影響。在未來,持續變暖情況將會引起愈加頻繁和更為嚴重的極端事件,其中極端降水頻發強發的勢頭將更為凸顯,由于極端降水往往對人民生命財產等各方面產生較大影響,受到研究者廣泛關注[1-5]。

楊涵洧等[6]發現中國東部夏季極端降水在1990年前后出現由少轉多的年代際轉變,西太平洋暖池區異常升溫造成的海陸溫差減小是中國東部夏季極端降水在1990年前后轉變的重要驅動因素之一。胡泊等[7]發現東北亞地區傳統夏季降水表現為盛夏降水貢獻占主導,且其年際和年代際特征以及環流特征同盛夏降水特征相一致,而初夏降水和盛夏降水特征及形成機制則具有顯著差異。邊巴卓嘎等[8]研究發現雅魯藏布江河谷盛夏降水年及波動與區域水汽收支變化相關,高原盛夏季風低壓和南亞高壓為對流層中低層印度半島-東南亞異常反氣旋環流輸送的水汽的抬升提供了動力條件。

極端降水事件具有較強的致災性,在不同地區、不同下墊面上所導致的影響各有不同,具有明顯的區域差別。漢江流域由于地理位置特殊、地形地貌以及氣候類型復雜,極端降水容易造成洪澇災害[9]。當前,對于漢江流域降水研究已有大量工作,并取得了豐富成果[10-13]。大多研究都是以漢江流域汛期或者秋汛期降水特征為切入點進行刻畫的[13-16],對盛夏期極端降水研究分析相對較少。區域性降水通常是大尺度環流背景下中尺度系統綜合發力的結果,但對于盛夏期漢江流域區域性極端降水的環流型研究多采用主觀分型[17-18]。目前,對于漢江流域盛夏期極端降水時空特征研究還不夠全面,不同環流形勢所導致的極端降水強度差異認識不足。因此,對天氣形勢進行分類處理很有必要,以客觀標準將主觀分型進行定量分析,有助于更進一步理解導致極端降水天氣過程的機理,進而提高此類事件的預報準確率。

基于此,本文依據漢江流域日降水資料,采用百分位閾值方法定義極端降水閾值,探究1970～2020年盛夏期(7～8月,下同)漢江流域極端降水氣候變化特征,分析漢江流域極端降水發生與大氣環流、海溫異常等要素之間的關聯性。同時采用Lamb-Jenkinson分型法,對漢江流域區域性極端降水850 hPa和500 hPa高度場進行環流型定量劃分,探索漢江流域區域性極端降水事件發生時典型大氣環流型配置,以期為漢江流域極端降水事件預報預測提供參考。

1 資料與方法

1.1 資 料

本文所用的資料主要有:① 漢江流域65站日降水資料,來自國家氣象信息中心,研究時段為1970～2020年盛夏期,共3 100 d。② NCEP/NCAR 1970～2020年盛夏期逐月再分析資料(風場、氣壓場、比濕等),等壓面選取1 000～300 hPa共5層,空間分辨率為2.5°×2.5°;③ 美國 NOAA 提供的1970～2020年月平均海表溫度場,空間分辨率為2°×2°。

研究區域地形地貌見圖1。漢江流域地處中國中西部交界區,地跨甘肅、陜西、四川、重慶、河南、湖北6省市,地勢西北高東南低。丹江口以上干流為上游,以山地地形為主,約占流域總面積19%;丹江口至鐘祥為中游、鐘祥以下為下游,其中漢中谷地及漢江干流及其支流的河谷區域,以及涢河流域以丘陵為主,約占流域總面積53%,丹江口以下區域為平原,約占流域總面積28%[19]。

圖1 漢江流域地形地貌特點[20]Fig.1 Topographic feature of Hanjiang River Basin[20]

1.2 研究方法

為消除地域以及時間因素影響,客觀描述漢江流域極端降水時空特征,本文采取百分位法定義極端降水事件。單站極端降水事件定義為:對研究時段內某站降水日(日降水量≥0.1 mm)的降水值從大到小進行排序,選取95%分位上的降水值作為閾值,以此作為本站極端降水閾值。區域性極端降水事件定義為:根據漢江流域特征,漢江流域分為上、中、下游3個區域,上游站點33個,丹江口中游站點22個,下游站點10個,將單區不少于30%站次發生極端降水事件定義為1次區域性極端降水事件。

Lamb-Jenkinson分型法:利用選定區域內覆蓋研究范圍的16個定點上的物理量,采用中央差分法計算出中心點外的6個環流指數,參照地轉風和地轉渦度之間的關系進行環流型劃分。多個研究表明,L-J分型法是一種克服了主觀性缺點,將主、客觀方法結合起來的客觀環流分型方法,其對于局地環流的客觀數值描述具有明確天氣學意義[21]。

2 漢江流域盛夏期極端降水特征

2.1 極端降水閾值分析

使用百分位法對單站極端降水事件進行極端降水閾值劃分,得到漢江流域盛夏期極端降水事件閾值空間分布(見圖2)。由圖可見,漢江流域極端降水閾值分布存在明顯空間差異,盛夏期上游西南部、中游北部以及下游地區極端降水閾值較大,極端降水閾值極值(70.7 mm)出現在流域西南部鎮巴。鎮巴位于秦嶺南側與大巴山西段的峽谷地帶,在地形抬升等局地氣候等作用下對流易發生發展,使得鎮巴成為漢江流域強降水易發中心[20]。

圖2 漢江流域各站點盛夏期(7～8月)極端降水事件閾值Fig.2 Threshold of midsummer extreme precipitation in Hanjiang River Basin

2.2 極端降水事件年代際變化特征

利用單站極端降水閾值統計方法對1970～2020年期間每年盛夏期漢江流域極端降水事件進行統計,并將得到的極端降水事件降水量累加后進行區域平均得到當年漢江流域極端降水總量,進行小波分析。

從圖3來看,盛夏期極端降水總量有明顯年際變化特征,主要存在2個周期:① 準2 a年際變化周期,波動影響域主要在1970 s后期和1990 s中后期至2010 s;② 準8 a周期顯著分布于1980 s至1990 s前期。

圖3 漢江流域盛夏期極端降水總量年代際變化Fig.3 Interdecadal variation of region averaged extreme rainfall in the midsummer of Hanjiang River Basin

為研究多發年與少發年之間的差異,本文將標準化>1.0的年份定義為極端降水多發年,集中于1979,1980,1982,1983,1998,2008,2010年;將<-1.0的年份定義為極端降水少發年,主要集中于1985,1986,1993,1999,2002,2006,2014,2019年。

2.3 極端降水占盛夏季總降水百分比

為了解漢江流域極端降水在盛夏期降水中的主要作用,計算漢江流域1970～2020年盛夏期平均極端降水量、日數以及在盛夏期總降水中所占百分比(見圖4)。盛夏期總降水量呈現“邊緣多,中部少”的趨勢,大值中心位于上游鎮巴,平均降水量超400 mm,降水日數超23 d,中部降水較少的地區降水量低于300 mm。盛夏期極端降水分布與總降水分布基本相似,高值區降水總量超140 mm,極端降水日數1～2 d,極端降水日數占比最大值不足10%,極端降水量占總降水量百分比大部地區都超過25%,在中、下游地區極端降水總量占比超30%。可見,盡管漢江流域盛夏期極端降水發生頻次有限,但卻貢獻了盛夏期總降水量 1/4 以上,尤其在漢江流域中下游區域極端性最為凸顯。

圖4 漢江流域盛夏期降水情況分布Fig.4 Distribution of precipitation in midsummer in the Hanjiang River Basin

3 漢江流域盛夏期極端降水事件環流與海溫場特征分析

3.1 極端降水強弱年環流形勢對比

漢江流域盛夏期極端降水事件存在著明顯的年際變化,且不同階段周期性不同,其變化與大氣環流密不可分,因此,分析漢江流域盛夏期極端降水事件多發年和少發年環流特征,揭示漢江流域盛夏期極端降水成因顯得非常重要。

根據前文統計結果,將盛夏期東亞地區不同層次位勢高度、水汽通量散度、風場以及垂直速度等要素按多發年和少發年進行合成差值。由圖5(a)、(b)可見,多發年與少發年相比,盛夏期500 hPa上在烏拉爾山-西伯利亞、鄂霍次克海有正異常,貝加爾湖附近為負異常,同時西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱“副高”)強大且位置偏北偏西,這種分布在850 hPa上也有表現,典型的“兩脊一槽”形勢與副高偏強的構架有利于北方冷空氣的向南擴展以及南方暖濕氣流北送,此種分布型是冷暖空氣在漢江流域交匯且維持的條件,對產生極端降水事件有利。

注:多發年減去少發年,紅色框線為漢江流域范圍,打點區域和紫色區域表示通過信度為0.05的顯著性檢驗。圖5 盛夏期極端降水位勢高度和整層水汽通量和水汽通量散度合成差值場Fig.5 Differences of geopotential height and vertically-integrated water vapor flux divergence during the midsummer between height and less frequent year

水汽輸送的多寡與動力輻合的強弱也是決定降水大小的因素之一。圖5(c)中盛夏期漢江流域存在顯著水汽輻合。來自印度洋的水汽繞高原在其東側向南輸送,此外,中國30°N以北的沿海地帶存在氣旋,漢江流域位于氣旋西側,受到來自太平洋較強水汽和印度洋水汽疊加輸送的影響,有明顯水汽輻合,有利于盛夏期極端降水的增多。850 hPa風場差值場上,漢江流域位于差值急流北側,低層氣旋性渦度增加,導致中尺度對流活躍發生。此外,漢江流域存在貫穿低中層的ω顯著負值區,意味著此處有較強的上升氣流,上升氣流將低層水汽輸送至高空導致水汽凝結,為極端降水的產生提供有利條件。

3.2 關鍵期海溫異常特征分析

海溫是大氣外強迫重要因子之一,海氣相互作用對于大氣環流分布有至關重要影響,是造成氣候異常的原因。將近50 a漢江流域盛夏期極端降水序列分別與同期海溫進行相關分析(見圖6),發現對漢江流域盛夏期極端降水影響較大的海溫區域位于赤道中東太平洋(Area Ⅰ:10°S～10°N,170°E～120°W)和西太平洋暖池(Area Ⅱ:20°S～25°N,85～145°E),這與盛夏期內極端降水多發與少發年海溫差異合成場分布特征相似。盛夏期Area Ⅱ 顯著升溫,Area Ⅰ 以降溫為主,說明西太平洋暖池異常增暖、赤道中東太平洋異常偏冷時,漢江流域盛夏期極端降水頻發。為進一步揭示海氣相互作用對漢江流域極端降水影響,對以上兩個關鍵區域海溫距平與同期500 hPa高度場進行相關分析。

圖6 盛夏期漢江流域極端降水時間序列與同期夏季平均海溫相關性Fig.6 Correlation between extreme precipitation time series and SST anomaly in midsummer in the Hanjiang River Basin

圖7(a)給出赤道中東太平洋(Area Ⅰ )區域平均海溫距平與同期500 hPa高度場相關分布。發現熱帶地區存在顯著正相關帶,且最大相關區域位于赤道印度洋地區,即當中東太平洋海溫負異常時,印度洋地區高度場為負距平,印緬槽加深,槽前西南氣流經孟加拉灣和南海地區將水汽不斷輸送至漢江流域。日本海-夏威夷北部一線為負相關,當中東太平洋海溫負異常時,此區域高度場為正距平,副高位置偏北偏西,南下冷空氣受阻在漢江地區與暖濕氣流相遇,容易引發強降水。盛夏期西太平洋暖池(Area Ⅱ )海溫距平與中緯度地區呈現顯著正相關,分布型與中東太平洋異常時高度場分布相似。兩個海溫關鍵區外強迫的疊加作用致使環流場穩定維持且強度增強,形成漢江流域極端降水發生的典型大尺度環流。

圖7 盛夏期中東太平洋和西太平洋暖池區域平均海溫距平與同期500 hPa高度場相關分布Fig.7 Correlation between SST anomaly and 500 hPa height field in midsummer over the Middle East Pacific and Western Pacific warm pool

4 區域性極端降水事件特征及環流分型

區域性極端降水過程由于其影響范圍廣、致災程度更重的特點,相對單站而言更需引起重視。一般而言,區域性極端降水事件是大尺度環流系統與中尺度天氣系統疊加的共同結果,大范圍強降水事件的發生也往往對應特定的大氣環流配置。

按照區域性極端降水事件定義,統計1970～2020年漢江流域區域極端降水事件,這50 a間,漢江流域一共出現了116次區域性極端降水過程,平均每年 2.4 次,其中有11 a(1975,1980,1983,1991,1996,1998,2000,2004,2008,2016,2020年)出現4次或以上的區域性過程,1980年出現頻次最高,達9次,1970 s中后期、1980 s后期至2000 s初以及2010 s前后都是區域極端降水事件頻發趨勢增加(見圖8)。對漢江流域3個區域進行統計,發現上游和下游極端降水發生頻率較高,分別為41和35次,中游地區為46次,占比分別為35.3%、30.2%和39.7%。7月份發生頻次較高,為81次,占69.8%,8月份為35次,占30.2%(見表1)。

表1 區域日極端降水事件分區、分月頻次Tab.1 Zoning and monthly frequency of regional daily extreme precipitation events

一般來說,形成降水需要高、低層大氣環流相互配合、相互作用,大氣層中氣象要素垂直變化以及低層水汽、動力輻合、地形抬升作用等系列變化對強降水形成具有關鍵作用。因此,選取以漢江流域為中心的95°E～125°E,26°S～40°N為研究區域,在所選區域內每隔5個經度和2.5個緯度的網格點上取16個點,對該范圍內的500 hPa和850 hPa高度場進行Lamb-Jenkinson環流分型(見圖9)。

圖9 計算環流型格點分布Fig.9 Grid points used in calculating circulation pattern

利用所選16個網格點的氣壓值,通過中央差分計算,計算出中心點C(32.5°N,110°E)處的地轉風、地轉渦度等6個環流指數,具體計算公式如下[22]:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

ξ=ξu+ξv

(6)

式中:P(n)(n=1,2,3,…,16)是格點n上的位勢高度值;α,α1,α2分別為C,A1,A2的緯度值;V為地轉風;u,v為地轉風緯向、經向分量;ξ為地轉渦度;ξu為u的經向梯度;ξv為v的緯向梯度。

根據地轉風速、風向以及地轉渦度之間的關系,將環流類型分為平直型、旋轉型和混合型三大類,共27小類,具體分類方法參見文獻[23]。

對篩選出的116次區域性極端暴雨環流型進行統計,將出現頻率超過5%的環流型定義為主要環流型。根據統計,漢江流域區域性極端降水常見5種環流型,分別為南風(S)型、東南風(SE)型、氣旋(C)型、氣旋配合西南風(CSW)型、氣旋配合南風(CS)型,其中850 hPa上S型(14.7%)、C型(57.8%)和CS型(10.3%),500 hPa上SE型(6.9%)、C型(59.0%)、CS型(7.8%)這3種環流型累積概率接近80%,氣旋型概率都超過55%,可表征漢江流域55%以上的極端降水的主要環流特征為氣旋型。

為進一步明確影響漢江流域極端降水天氣系統特征,將850 hPa和500 hPa高度場上貢獻率接近80%的前3種環流型進行合成。

C型(圖10(a)、(d))在中國中部地區500 hPa高度場上有明顯淺槽,漢江流域剛好處于位于高空槽內,受氣旋性渦度影響,槽線兩側有風切變,本型的副高位置偏東偏北;850 hPa上西南渦穩定存在,漢江流域受西南渦及暖式風切變的影響。

CS型(圖10(b)、(e))在中國中緯度地區500 hPa高度場上存在深入四川南部高度槽,副高位置偏北,漢江流域處于高空槽前,夾于副高之間的西南暖濕氣流中,在高空正渦度平流引導下上升運動易發展,配合偏南風水汽輸送,形成有利于極端降水的環流條件。850 hPa上西南渦較C型有移出增強,漢江流域受渦旋東側偏南氣流影響明顯。

SE型(圖10(c))500 hPa高度場上自貝加爾湖東部至甘肅中部存在東北-西南向傾斜脊,本型的副高東退位于海上,漢江流域處于傾斜脊前小槽中。

S型(圖10(f))850 hPa高度場上在中國中部地區表現出一條南風輸送通道,低層強烈水汽的供應為極端降水的發生提供基礎。

2021年8月下旬以來,因強降水影響發生7次洪水過程,漢江下游干流皇莊以下全線超警戒,丹江口水庫累積來水量為1969年建庫以來同期第1位。8月22日(圖11(a))漢江上游、中游北部有12站達到暴雨量級(50～100 mm),6站出現特大暴雨(其中勉縣達237.9 mm);29日(圖11(b))漢江流域上、中游15站出現50 mm以上降水,其中1站超100 mm。利用2021年8月22日和29日出現的區域性暴雨過程對上述環流分型進行驗證。

注:500 hPa高度場(藍色實線,單位:gpm)、850 hPa高度場(紅色虛線,單位:gpm)和風場(矢量,單位:m/s)圖11 2021年8月22日和29日漢江流域降水量及環流形勢Fig.11 Precipitation and atmospheric circulation on August 22 and 29,2021

從高度場(圖11(c)、(d))上來看,2021年8月22日500 hPa高空上貝加爾湖南部低壓中心南壓,漢江流域處于淺槽內,小股北方冷空氣順槽后偏北氣流南下,副高位置偏北偏西,副高外圍水汽輸送至漢江流域。850 hPa上西南渦強大且穩定,漢江流域處于渦旋前部風切變區,極端降水在這樣的高低層形勢下極易誘發。8月29日中國中緯度地區有短波槽東移,此時漢江流域處于短波槽前西南氣流控制下,與異常偏強偏西的副高外圍偏南氣流疊加,同北方南下冷空氣相遇;850 hPa上偏南貫穿我國中部,低層水汽補充及時,高層正渦度平流誘發地面氣旋,極易誘發極端降水。

將2021年8月22日和29日區域日極端降水環流實況與上文環流分型進行對比,可見22日與500 hPa上C型和850 hPa的CS型一致,29日與500 hPa的CS型和850 hPa上S型相一致。

5 結 論

本文采用百分位閾值法確定極端日降水事件,并在分析1970～2020年盛夏期漢江流域極端日降水氣候特征的基礎上,對漢江流域區域性極端降水過程進行環流分型,得到以下結論:

(1) 盛夏期極端降水分布與盛夏期總降水空間分布一致,呈現“邊緣大,中部小”趨勢;極端降水閾值大值區位于上游西南部、中游北部以及下游地區,極值出現在流域西南部鎮巴(70.7 mm)。漢江流域盛夏期極端降水存在顯著年際變化特征,準2 a變化周期波動影響域主要在1970 s后期和1990 s中后期至2010 s;準8 a變化周期集中于1980 s至1990 s前期。

(2) 極端降水多發年和少發年相比,500 hPa和850 hPa上烏拉爾山與鄂霍次克海正異常,貝加爾湖附近為負異常,強大副高偏西偏北控制。中高緯度典型的“兩脊一槽”形勢配合副高偏強的構架有利于北方冷空氣的向南擴展以及南方暖濕氣流北送,此種分布型是冷暖空氣在漢江流域交匯且維持的條件,對產生極端降水事件有利。此外,由孟加拉灣繞青藏高原東側向北輸送的水汽,疊加自南海來的暖濕氣流為漢江流域極端降水提供了充足水汽,配合貫穿整層的上升運動,造成漢江流域極端降水增多。

(3) 赤道中東太平洋海溫異常偏冷和西太平洋暖池海溫異常增暖時,漢江流域極端降水多發。兩個海溫關鍵區外強迫的疊加作用致使漢江流域極端降水發生的典型大尺度環流穩定維持且強度增強。

(4) L-J環流分型結果顯示,影響漢江流域區域極端降水過程主要有S型、SE型、C型、CSW型、CS型,其中850 hPa高度場上S型、C型和CS型以及500 hPa高度場上SE型、C型、CS型3種出現概率之和接近80%,其中C型超過55%。對比2021年8月22日和29日漢江流域區域極端降水環流型與分型結論,發現22日與500 hPa上C型和850 hPa上的CS型一致,29日與500 hPa的CS型和850 hPa上S型相一致,分型結論基本能夠反映漢江流域區域極端降水發生時的典型環流特征。