江淮暴雨低涡的演变特征分析及预估

徐方姝 牛丹

摘要 利用欧洲中心ERA-interim再分析资料与区域气候模式RegCM4（Regional Climate Model，version 4.0）的模拟与预估结果，对当代（1995—2005年）气候背景下江淮暴雨低涡的时间变化进行对比分析，同时对未来（2020—2030年）2种温室排放情景下（RCP 4.5和RCP 8.5）典型的江淮暴雨低涡演变过程特征进行预估及对比。结果表明，未来2种情景下低涡移动路径相似，主要为东北路和东路；但移动速度略有差别，RCP 4.5 情景下的低涡的初始移动缓慢，后期移速加快，而 RCP 8.5 情景下的低涡移动速度则较为均匀。RCP 4.5 情景下的暴雨低涡强度缓慢增长，而 RCP 8.5 情景下的暴雨低涡个例低涡强度变化呈现的是平稳维持、增长、减弱维持3个阶段的变化趋势；就低涡暴雨过程中的降水量和降水范围来说，RCP 4.5 情景下的低涡个例均明显小于 RCP 8.5 情景。研究结果显示更高的温室气体排放将导致未来出现更强的低涡暴雨，因此应进一步深化对低涡暴雨灾害性天气发展趋势的研究。

关键词 暴雨低涡；演变特征；RegCM4；预估；江淮

中图分类号 S161.6 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2018）18-0124-06

Analysis and Prediction of Evolution Characteristics of Heavy Rainfall Vortex in Jianghuai Valley

XU Fangshu1， NIU Dan2

（1.Liaoning Province Meteorological Service Center， Shenyang，Liaoning 110166；2.Liaoning Provicial Meteorological Information Center，Shenyang，Liaoning 110166）

Abstract The study compared the time evolution of heavy rainfall vortexes in Jianghuai under contemporary climate that used the data of ECMWF and simulated and projective outputs of the regional climate model， the evolution process characteristics of the low vortex during 2020 - 2030 was projected. The result showed that the vortex moving path of two scenarios was similar，mainly northeast and east；but the move speed was slightly different. In RCP 4.5 scenario， the vortex moved slowly initially and moved quickly lately， the intensity of the vortex was enhanced slowly. In RCP8.5 scenario， the speed of the vortex was relatively even， the trend of intensity was performed as three stages： keeping steady， enhancement and weaken to maintain. The amount and scope of the precipitation in RCP 8.5 scenario were both larger than that in RCP 4.5 scenario. It revealed that the more severe vortex precipitation might occur in the future with higher greenhouse gas emissions. So there should be further research on the development trend of low vortex with severe rainfall.

Key words Heavy rain vortex；Evolution characteristics；RegCM4；Prediction；Jianghuai Rivers

江淮地區幅员辽阔、土地富饶，地处我国政治、文化、经济、中心，是推动我国综合国力发展的重要战略地区，同时也是我国工农业生产最发达和人口密度最大的区域之一。江淮地区地处东亚季风区的边缘，夏季（5—8月）是江淮地区降水最多的时期，也是主要农作物生长的关键时期。而夏季降水受到季风系统以及北部中高纬环流的影响，变率复杂，近年来洪涝灾害的频繁发生，对我国农业和经济都造成了巨大的损失[1-3]。梅汛期暴雨是影响我国长江中下游地区夏季的主要气象灾害之一，中尺度低涡作为梅汛期暴雨的重要天气系统之一也受到了广泛关注。梅汛期暴雨是多尺度系统相互作用的结果，经过多年研究，在梅汛期及梅雨锋降水特征、机理、结构、性质和大尺度环流形势等方面取得了很大进展[4-6]。中尺度对流系统（MCS）往往是梅雨暴雨的直接制造者，中尺度低涡则是梅雨暴雨的主要中尺度天气系统之一，它与中尺度对流系统的发生发展有密切的关系[7-9] 。低涡的活动对梅雨期的暴雨起着十分重要的作用，因此进一步了解低涡的发展演变显得格外重要。目前利用常规观测资料分析中尺度低涡的发生发展尚缺少有效的时空分辨率，对低涡的演变过程不能很好的描述，因此很多学者利用中尺度数值模式对低涡进行模拟，并利用所输出的具有高时空分辨率的资料对暴雨过程中的中尺度低涡的发生发展和结构演变进行分析，以便加深对江淮低涡的认识[10-12]。

在气候变暖的大背景下，各种天气系统的特征也会发生相应的变化，从而引发各种极端天气现象，如极端高温、极端强降水、极端干旱等[13-14]。而近年来随着气候变暖，江淮地区的气候特征有向北推移的现象。区域气候模式的建立与运行，使研究未来各种情景下的天气系统特征及演变成为可能，RegCM4是适合我国范围的区域气候模式，它为未来气候情景研究提供了精细化研究工具、良好的试验环境与适用的分析产品[15-18]。因此，笔者利用区域气候模式RegCM4模拟与预估结果，对RCP 8.5与RCP 4.5这2种温室排放情景下典型的江淮暴雨低涡演变过程特征进行对比分析。

1 资料与方法

研究范围为江淮地区（28°～35°N、111°～125°E），研究时段为汛期5—7月，所用资料为欧洲中心ERA-interim 1995—2005年的再分析资料及国家气候中心提供的区域气候模式RegCM4产品。研究时段分别为代表当下气候背景的1995—2005年（当代）以及2020—2030年（未来），温室排放状况为RCP 4.5和RCP 8.5这2种情景，联合国政府间气候变化专业委员会第五次评估（IPCC AR5）报告中指出气候变化与人为排放活动尤其是碳排放的增加有很大关系，提出并采用了新一代排放情景“典型浓度路径”（Representative Concentration Pathways，RCPs）。其中RCP 8.5 情景是2100年辐射强迫上升至8.5 W/m2，这是最高的温室气体排放情景；RCP 4.5 情景是 2100 年辐射强迫稳定在4.5 W/m2，是采用低端排放基准和中等减缓措施的温室气体排放情景[19-20]。

2 当代暴雨低涡演变特征

2.1 汛期江淮低涡时间变化对比

从图1可以看出，当代2种资料在汛期江淮低涡的出现频次上均存在显著的年际变化，但两者变化存在差别；从观测资料来看，低涡出现频数整体上呈现略增趋势，过去11年中出现2个峰值，分别出现在1998年、2002和2003年（其中2002和2003年相等），而低涡出现最少的年份有多个且个数均为3个；年际变化上来看，低涡出现频数呈现类似于余弦函数的变化趋势。而从RegCM4模式模拟结果可以看出，1995—2005汛期江淮低涡出现频数整体上呈现略减趋势，这与观测结果并不相同；低涡出现频数最多的年份出现在1997年，出现了7个低涡，这比观测结果中1998年出现的9个低涡略少；低涡出现频数最少的年份为2001和2005年，只有1个低涡出现，说明低涡出现频数的极大和极小值均比实际观测小，这与模式模拟结果中总低涡个数的偏少有关[21]。从模式模拟的低涡频数的年际变化趋势来看，1995—2003年低涡呈现类似正弦函數的变化趋势，2003年后则继续减少。综上所述，虽然2种资料在描述1995—2005年汛期江淮低涡出现频数的年际变化上有所差别，但总体来看，模式资料模拟出了增长—减少—增长—减少的低涡频数年际变化趋势。

统计1995—2005年汛期江淮低涡出现频数的月变化特征发现，观测资料1995—2005年汛期江淮低涡出现最多的月份为6月，出现了21个低涡，占低涡总数的41.2%；其次是5月，出现了19个低涡，占低涡总数的37.3%；7月出现的低涡最少，为11个，仅占低涡总数的21.5%。RegCM4模式

的模拟结果则显示出现低涡最多的月份为5月，出现了20

个低涡，占低涡总数的51.3%；而6和7月相对较少，7月最少，占低涡总数的18.0%。虽然2种资料在描述低涡出现最多的月份上略有差别，但其结果均表明低涡出现频数较多的月份为5和6月，两者比例可达汛期低涡总数的80.0%左右，7月则出现的最少。

2.2 典型暴雨低涡个例数值模拟方案及结果检验

挑选典型个例时，充分考虑到历史时段合成低涡的特征[21]，选取与之最为接近的暴雨低涡作为典型个例。经过筛选，将2000年5月25日08：00—26日20：00的一次暴雨低涡确定为典型暴雨低涡个例。

模拟采用两重双向嵌套方案，模拟区域中心为115.0°E、32.5°N，粗网格区域的格点数分别为83×83，细网格区域格点数为171×129，水平分辨率为30 km（粗网）和10 km（细网），垂直分辨率为不等距28层。模式初始条件和边界条件均采用ERA-interim再分析资料。模拟时间从2000年5月25日08：00开始，积分时间共36 h，模拟结果每3 h和1 h输出一次。2层网格的主要物理过程都采用Lin 微物理过程、Rrtm长波辐射和Goddard短波辐射方案、Grell-Devenyi积云对流参数化方案，近地面层选用Monin-Obukhov方案，路面过程为热量扩散方案，边界层采用YSU方案。

对比2000年5月25日08：00 ERA-interim再分析资料的850 hPa流场与同时次模式细网格输出的850 hPa流场发现，模式较好地模拟出位于江淮地区的低涡系统，空间位置及范围与实况较为接近，表1也显示了模式对低涡中心位置变化的模拟效果良好，同时对低涡中心强度的模拟效果也较好。

对比2000年5月25日08：00—26日08：00实况和模拟的24 h累积降水分布（图2）发现，模拟的雨带与实况相似，均为东北—西南走向，模拟的强降水中心和降水量也与实况大体相似，模拟结果更为精细化。因此所取模式方案能够较好地模拟此次暴雨低涡的强降水过程，得到的精细化结果可以用来对暴雨低涡的演变特征进行进一步的分析。

2.3 典型汛期江淮暴雨低涡特征演变

模式开始运行时，在江淮地区已有闭合涡旋，低涡中心位于湖北中部。从该低涡中心的移动路径（图3a）和低涡中心涡度强度变化（图3b）可以看出，低涡在高空槽前正涡度平流影响下发展加强，低涡在东移过程中在大别山附近出现停滞、移动缓慢的现象，且低涡在此阶段的强度没有显著增强，而是维持在之前的强度；这是由于低涡在大别山地形迎风坡沿山形向南绕行时，地转偏向力减小，反气旋性增大，同时涡旋部分爬坡，位涡效应也使涡旋在此阶段强度减弱。25日20：00，低涡绕过大别山，到达背风坡，有利于涡旋的发生发展，可见低涡中心强度开始显著增强，低涡移动也显著加快，向东偏北方向移动，低涡中心到达安徽北部。此后的平坦地形有利于低涡的维持东移增强，26日04：00，低涡发展到成熟期，中心涡度达到最大值；但低涡中心东移到江苏北部时低涡强度显著减弱。在低涡入海后，低涡强度再次显著增强，但此时江淮地区降水已结束。

从WRF模拟的6个时次的850 hPa流场及相应时次的 1 h降水量（图4）可以看出，暴雨主要发生在低涡东侧及南

侧偏南气流带附近，偏南气流将大量水汽输送到江淮地区， 为暴雨的产生提供了有利的条件。25日10：00，低涡处于初期的形成维持阶段，在低涡中心东南侧有一东北—西南走向的狭长雨带，降水强度并不大；随着低涡的东移发展，25日16：00尽管此时低涡受大别山的影响东移缓慢，但其1 h降水量已达到最大，雨带仍位于低涡中心的东南侧，强降水中

心在湖北与安徽的交界地带；随着低涡的进一步发展加强，

东移速度加快，涡旋范围明显增大，且降水落区位于低涡中心的东部，雨带范围也明显增大，1 h最大降水强度维持在30 mm左右；到26日10：00，低涡中心已移至江苏北部近海边缘，16：00低涡中心已入海，降水落区也随之移入东海，江淮地区的强降水过程结束。可见，低涡的时空演变特征与小时强降水中心的移动和雨强的变化一致，浅薄中尺度低涡是此次暴雨过程的主要影响系统，低涡东侧及东南侧为暴雨主要落区，这与苗春生等[21]得到的统计结果相同，因此进一步说明了此暴雨低涡具有汛期江淮暴雨低涡的典型特征。

3 2种温室排放情景下汛期江淮低涡的时间变化特征对比

3.1 未来2种情景下低涡活动特征

通过对历史时段低涡的活动特征进行分析，表明RegCM4模式模拟结果能够大致给出汛期低涡频数年际变化趋势，该研究对未来2种温室排放情景下2020—2030年汛期江淮低涡的年际变化进行统计，并对比未来2种排放情景下汛期江淮低涡年际变化的预估结果。

结果表明，2020—2030年未来2种温室排放情景下汛期江淮低涡出现频次在年际变化上RCP 4.5情景下较RCP 8.5情景下更加显著。RCP 4.5情景下，汛期江淮低涡的年际变化呈现先增长、再减少、再增长的趋势，增减变化幅度较大，2024年低涡出现频数达到极大值（8个），而在2026年则出现了极小值（1个）；RCP 8.5情景下，汛期江淮低涡的年际变化则呈现缓慢增长的趋势。与模式模拟的历史时段汛期低涡的年际变化相比，未来2种排放情景下的低涡年际变化均呈现增加的趋势，说明随着温室气体排放量的增加，低涡出现的频数也呈现增加的趋势，且RCP 8.5情景下的平稳增长趋势出现的低涡更多，由此引发的暴雨灾害也将增加，因此控制温室气体的排放，有助于减少低涡暴雨灾害天气的发生。

从未来2种温室排放情景下汛期江淮低涡的各月变化来看，RCP 4.5情景下5月出现的低涡最多，为26个，占低涡总数的65.5%，7月最少，仅占10.9%，与历史模拟结果 相比有所减少，低涡出现频数月际整体分布情况与历史模拟的结果相似；而RCP 8.5情景下，6月出现的低涡则明显增多，达 到了低涡总数的45.1%，7月仍为最少，达19.6%，这与RegCM4模式对历史模拟结果在7月低涡出现频数的比例相当。

3.2 未来2种情景下暴雨低涡移动特征

为了进一步了解2020—2030年未来2种温室排放情景下暴雨低涡移动的变化特征，对挑选出的暴雨低涡进行进一步统计分析，按照移动路径进行分类，对其低涡中心涡度强度的变化进行分析，并对2种情景下低涡移动特征进行对比。

统计结果显示，RCP 4.5情景下暴雨低涡移动路径主要为东北路和东路2种，分别占暴雨低涡总数的44.4%和33.3%；而RCP 8.5情景下暴雨低涡主要移动路径除东北路（占低涡总数的31.8%）和东路（36.4%），有一部分暴雨低涡向北移动显著，在此归结为北路，沿此路径的暴雨低涡移动路径与纬圈夹角大于60°，此类低涡占低涡总数的18.2%；另外一部分低涡移动则属于少动或东南移动，在此不做讨论。从移动路径（图5～6）可以看出，2种情景下偏东路径的暴雨低涡都经长江流域东移入海，沿此路径的暴雨低涡的移动路径与纬圈基本平行，夹角小于30°；而沿东北路径移动的暴雨低涡由于源地不同，有的未入海就已消亡，有的则能入海，且发展更远。

分别挑选出具有代表性的暴雨低涡个例，对其中心涡度随时间变化进行分析，得到低涡强度随时间的变化特征（图7～8）。从图7～8可以看出，RCP 4.5情景下，无论是东北路还是东路的低涡个例，除去个别暴雨低涡外，其余个例的强度变化均呈现出平稳维持的变化趋势。相对RCP 4.5情景下低涡强度的平稳变化趋势而言，RCP 8.5情景下的低涡强度随时间变化较为显著，且不同路径呈现出不同的变化趋势；沿东北路径移动的低涡，其强度随时间的变化均經历了先减弱再增强的阶段，此时有的低涡消亡，而有的低涡继续减弱—增强的发展；沿偏东路径移动的暴雨低涡，其强度随时间变化大部分也呈现出减弱—增强—减弱的趋势，且有个别个例持续减弱显著，低涡整体强度比沿东北路径移动的暴雨低涡强度偏弱；而沿偏北路径移动的暴雨低涡强度随时间变化与前2种路径略有不同，大部分低涡呈现先增强后减弱的变化趋势，且整体强度也较强，这也是高温室排放情景下特有的低涡移动路径和强度变化趋势。

综上所述，RCP 4.5情景下的暴雨低涡强度随时间变化整体强度弱于RCP 8.5情景，且低涡变化趋势较RCP 8.5情景更加稳定。高温室排放情景下低涡强度的增强以及变化趋势的复杂性都能影响低涡暴雨的强度发生改变，说明更高的温室排放情景有利于产生更强的低涡暴雨。

4 结论与讨论

该研究首先对当代（1995—2005年）观测和RegCM4模式模拟的江淮低涡的时间变化进行对比，并利用WRF模式对当代典型江淮暴雨低涡个例进行数值模拟，利用得到的高分辨率的模拟结果来研究江淮暴雨低涡的时空演变特征；其次对未来2种情景下典型暴雨低涡的演变过程特征进行对比分析，包括江淮低涡的年际变化、路径及强度变化等，讨论2种温室排放情景对低涡演变特征的影响。得到以下结论：

（1）2种资料在描述1995—2005年汛期江淮低涡出现频数的年际变化上虽有所差别，但总体来看，模式资料模拟出了增长—减少—增长—减少的低涡频数年际变化趋势。历史时段典型暴雨低涡个例的时空演变特征与小时强降水中心的移动和雨强的变化一致，浅薄中尺度低涡是此次暴雨过程的主要影响系统，低涡东侧及东南侧为暴雨主要落区，这与汛期江淮暴雨低涡的暴雨落区相对低涡中心位置的统计结果相同。

（2）未来2种温室排放情景下暴雨移动路径均主要为东北路和东路，但RCP 8.5情景下偏北路径的低涡也达到了18.2%；从各类路径典型暴雨低涡强度随时间的变化上来看，RCP 4.5情景下的暴雨低涡强度随时间变化整体强度弱于RCP 8.5情景，且低涡变化趋势较RCP 8.5情景更加稳定。高温室排放情景下低涡强度的增强以及变化趋势的复杂性都能影响低涡暴雨的强度发生改变，说明更高的温室排放情景有利于产生更强的低涡暴雨，因此研究不同温室排放情景对暴雨低涡的影响具有重要意义。

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