汉江流域盛夏暴雨与天气尺度瞬变波EP通量的可能联系

黎 颖，王 欣，姚 静，胡淑兰

（1.汉中市气象局，陕西 汉中 723000；2.汉台区气象台，陕西汉中 723000；3.陕西省气象台，陕西西安 710014；4.陕西省气候中心，陕西 西安 710014）

在温室效应不断加剧的背景下，极端天气事件频发，与之相关的研究成为了研究热点。其中，针对极端降水事件的研究指出，极端降水和强降水对总降水量的增加有正贡献，而大部分地区极端降水对总降水的贡献趋势有所增加[1-2]。对全国年平均和季节降水变化趋势进行分析发现，暴雨事件存在明显的区域特征[3]。研究提出西南地区暴雨的频次相对较低，但降水强度较大，这些地区暴雨引发的灾害很可能会更加严重[4]。

以往研究多集中在暴雨事件与海陆热力差异及行星尺度气候变率的相关关系方面，对暴雨事件的动力成因探讨较少。钱维宏[5]对大气变量进行时空物理分解，大气变量分解后分为4个部分，分别为天气尺度瞬变波、纬向平均的行星波、平均环流和环流纬向偏差组成。而中纬度天气尺度瞬变波与大气平均环流相互作用（波流相互作用）是产生天气气候事件的主要动力过程[6-8]，Eliassen-Palm通量分析则是一种重要的诊断方法，常被用来研究波流相互作用[9-11]。天气尺度瞬变波是多尺度地形和热力强迫以及大气内部波动非线性相互作用的结果[12-13]，对暴雨等极端天气事件有指示意义[13-14]。也有学者从波动能量传播的角度对天气气候事件展开研究[15-16]。

旨在探讨暴雨事件的发生与天气尺度瞬变波变化特征的联系。鉴于以往研究多关注冬季中纬度地区极端降水与瞬变波的联系，对夏季暴雨及瞬变波活动特征关注较少，且汉江上游地区是夏季暴雨频发区。因此，选取夏季对瞬变波活动特征与汉江上游地区暴雨的联系进行研究。

1 资料和方法

1.1 数据资料

使用1980—2015年7—8月ERA-5全球月平均再分析资料以及逐日再分析资料，水平分辨率为0.25°×0.25°，垂直方向有27个标准气压层（1 000～100 hPa）。

1.2 Eliassen-Palm（EP）通量

Eliassen-Palm通量（EP通量），可以用来表征瞬变波的传播特征，为了得到瞬变波的传播特征及其对平均环流的影响，首先对7、8月暴雨过程的逐日资料进行纬向平均，并利用相应的纬向偏差计算逐日的EP通量及其散度场。

在球面气压坐标系和准地转近似下，EP通量矢量：

EP通量的散度:

由变换的欧拉平均（TEM）得到纬向动量方程：

大气环流风矢量V（λ，φ，t）Y由天气尺度瞬变波V（λ，φ，t）*Y'、纬向平均的行星波V（φ，t）［ ］'Y、平均环流和环流纬向偏差V（t*λ，φ）组成[5]，可看出其他项相对不变的情况下，天气尺度瞬变波V（λ，φ，t）*Y'与纬向平均的行星波V（φ，t）［ ］'Y负相关，结合公式（3）和公式（4），天气尺度瞬变波通量的辐散会引起纬向风的减速

汉中市地处汉江流域上游，选取以107°E，33°N为中心的汉中地区计算盛夏EP通量及其散度，其它物理量区域与此相同。暴雨过程发生前1天物理量有明显变化，暴雨过程开始后变化不明显，故主要分析暴雨发生前1天的物理量变化特征。气候平均场为1980—2015年7、8月的多年平均场。

2 汉中地区暴雨日数的变化特征

图1为1980—2015年汉中地区暴雨日数标准化时间序列，该序列由暴雨日数经标准化后求得。暴雨日数存在明显的年际变化。近40 a汉中地区暴雨日数呈减少趋势，减少率为0.01 d/10 a。为便于分析，定义暴雨日数标准化值＞1的年份为暴雨频发年，暴雨日数标准化值绝对值近似等于1的年份为暴雨易发年，而＜-1的年份为暴雨少发年。全区11个国家站，定义7站及以上出现的暴雨为全区性暴雨。频发年主要有1981、1983、2000、2005、2011年，易发年有1980、1987、1998、2010年。其中1980、1981、1987、1998、2008、2010、2011年暴雨主要为全区性暴雨。综合考虑暴雨频发年及暴雨影响区域和总降水量，7、8月选取汉中地区日降水量最大的4次暴雨过程，即7月的4次暴雨过程（2008年7月21日、1998年7月8日、1987年7月18日、2010年7月17日）总降水量依次减小，8月的4次暴雨过程（1980年8月23日、1981年8月15日、1981年8月9日、2011年8月4日）总降水量依次减小。

图1 1980—2015年汉中地区暴雨日数标准化时间序列

3 汉中地区暴雨日平均降水量与EP通量散度特征

图2为1980—2015年汉中地区主要暴雨过程暴雨日平均降水量及其高空200 hPa EP通量散度特征。在7、8月共29次暴雨过程中，日平均降水量均超过50 mm，其中200 hPa瞬变波EP通量均为辐散（EP通量散度为正值），且EP通量散度主要集中在20 m·s-1·d-1附近，EP通量散度≥20 m·s-1·d-1的暴雨过程占82.76%。尝试选取7、8月各4次暴雨过程进行分析，探讨暴雨事件与瞬变波活动的可能联系。

图2 1980—2015年汉中地区暴雨日平均降水量及200 hPa瞬变波EP通量散度

4 过程概况

图3为7月汉中地区4次暴雨过程开始日（2008年7月21日、1998年7月8日、1987年7月18日、2010年7月17日）降水量分布。从图3a可看出，此次暴雨11县区中7县区降水量超过50 mm，其中3县区达到大暴雨级别，大暴雨落区主要位于汉中盆地西部与巴山交界地区。图3b为1998年7月8日暴雨，有7县区降水量超过50 mm，其中5县区达到大暴雨级别，大暴雨落区主要位于汉中盆地东部秦巴山区。图3c为1987年7月18日暴雨，有8县区降水量超过50 mm，其中1县区达到大暴雨级别，暴雨落区主要位于汉中盆地东部。图3d为2010年7月17日暴雨，有8县区降水量超过50 mm，其中3县区达到大暴雨级别，大暴雨落区主要位于汉中盆地东部和南部巴山地区。

8月的4次暴雨过程日降水分布如图4所示。图4a为1980年8月23日暴雨，有9县区降水量超过50 mm，其中1县区达到大暴雨级别，暴雨基本分布在汉中全区，大暴雨位于东南部巴山山区。图4b为1981年8月15日暴雨，有7县区降水量超过50 mm，其中1县区达到大暴雨级别，暴雨落区主要位于中西部地区，大暴雨位于西南部巴山山区。图4c为1981年8月9日暴雨，有8县区降水量超过50 mm，其中1县区达到大暴雨级别，暴雨落区主要位于汉中盆地及北部秦岭山区，大暴雨位于东北部秦岭山区。图4d为2011年8月4日暴雨，有7县区降水量超过50 mm，其中1县区达到大暴雨级别，暴雨落区主要位于中东部地区，大暴雨位于东南部巴山山区。图3与图4对比发现，7月较8月暴雨强度更强，大暴雨范围更广。

图3 2008年7月21日08时—22日08时（a）、1998年7月8日08时—9日08时（b）、1987年7月18日08时—19日08时（c）、2010年7月17日08时—18日08时（d）汉中地区暴雨24 h降水量

图4 1980年8月23日08时—24日08时（a）、1981年8月15日08时—16日08时（b）、1981年8月9日08时—10日08时（c）、2011年8月4日08时—5日08时（d）汉中地区24 h降水量

5 环流变化和EP通量分析

5.1 纬向风距平

纬向风距平值为逐日资料与气候平均态之差，可反映该日纬向风相较于气候平均态的偏离程度，负值说明该日纬向风偏弱，数值上可理解为减速，平均气流减弱与瞬变波活动增强相适应，即西风环流减弱，瞬变波活动增强，正值则相反。由热成风原理可知，代表西风气流强弱的纬向风的变化通常与大气热量变化紧密相关，而高低空环流的耦合发展与暴雨生成密切联系。

图5给出了汉中地区1980—2015年7月4次暴雨过程前1天（2008年7月20日、1998年7月7日、1987年7月17日、2010年7月16日）纬向风变化的纬度高度剖面。从图5a可以看到，2008年7月20日在33°N附近，特别是南部地区，暴雨发生前1天纬向风减弱（≥2 m·s-1），而北部地区明显增强（≥2 m·s-1），在200～300 hPa纬向风变化梯度较大。图5b为1998年7月7日纬向风变化的纬度高度剖面，200 hPa附近32°～34°N由南向北纬向风由减弱变为增强。图5c为1987年7月17日纬向风变化的纬度高度剖面，33°N附近200 hPa纬向风增强。图5d为2010年7月16日纬向风变化的纬度高度剖面，在200 hPa附近32°N有纬向风减速中心，减速中心值≥4 m·s-1。

图5 2008年7月20日（a）、1998年7月7日（b）、1987年7月17日（c）、2010年7月16日（d）汉中纬向风距平值

图6给出了汉中1980—2015年8月4次暴雨过程前1天（1980年8月22日、1981年8月14日、1981年8月8日、2011年8月3日）纬向风变化的纬度高度剖面。从图6a可以看到，1980年8月22日在33°N附近，暴雨发生前1天由南向北纬向风增强趋势减弱。图6b为1981年8月14日纬向风变化的纬度高度剖面，33°N附近由南向北纬向风减弱，减速中心值≥2 m·s-1。图6c为1981年8月8日纬向风变化的纬度高度剖面，33°N附近200 hPa纬向风减速，减速值≥5 m·s-1。图6d为2011年8月3日纬向风变化的纬度高度剖面，在200 hPa附近有纬向风减速中心，减速中心值≥4 m·s-1。

图6 1980年8月22日（a）、1981年8月14日（b）、1981年8月8日（c）、2011年8月3日（d）汉中纬向风距平值

8月暴雨发生前1天，200 hPa以上，33°N以南地区纬向风变化强度总体弱于7月，33°N以南地区纬向风减速（≥2 m·s-1），而33°N以北地区纬向风加速范围小于7月。可以看出，汉中地区8月纬向风变化相对7月纬向风变化较弱。

5.2 EP通量与EP通量散度

研究表明[7-11]，对流层中上层环流结构与由低层上传的行星波的耗散及强迫作用有关。低层西风较强，行星尺度波动向高层辐合，在高层平均西风环流减弱，由低层向高层传递的波动能量聚积，较短时间内，天气尺度瞬变波活动增强，波包破碎，天气尺度瞬变波EP通量向外辐散传递能量，波动能量传递与低层水汽输送及暴雨事件有联系[8]。根据EP通量理论，讨论对流层的天气尺度瞬变波的强迫及耗散作用对低层暴雨生成的影响。

图7分别给出了7月汉中4次暴雨过程前1天（2008年7月20日、1998年7月7日、1987年7月17日、2010年7月16日）天气尺度瞬变波的EP通量及其散度的纬度高度剖面。从图7a可知，2008年7月20日在30°N附近，从低层向高层，由北向南有EP通量辐合，辐合中心（200～300 hPa）约-20 m·s-1·d-1，其上200 hPa存在辐散区，中心值≥20 m·s-1·d-1。图7b为1998年7月7日瞬变波的EP通量及其散度的纬度高度剖面，30°N附近低层为辐合区，高层200 hPa附近存在辐散区，中心值≥25 m·s-1·d-1，32°～34°N由南向北EP通量辐散转为辐合。图7c为1987年7月17日瞬变波的EP通量及其散度的纬度高度剖面，33°N附近200 hPa存在辐散区，中心值≥20 m·s-1·d-1。图7d为2010年7月16日瞬变波的EP通量及其散度的纬度高度剖面，300～500 hPa由南向北有EP通量辐合，33°N附近200 hPa存在辐散区，中心值≥20 m·s-1·d-1。

图7 2008年7月20日（a）、1998年7月7日（b）、1987年7月17日（c）、2010年7月16日（d）汉中天气尺度瞬变波1~3波的EP通量（箭矢，单位：m2·s-2）及其散度（填色，单位：m·s-1·d-1；正值表示辐散，负值表示辐合）

7月在中纬度中上对流层天气尺度瞬变波的EP通量沿偏北（南）方向的辐散（合）加强，辐散区即波角动量的发散区（辐合区即波角动量的沉积区）向北（南）扩展，这种形势与对流层高层急流的减弱（加强）和强降水相匹配。

图8给出了汉中8月暴雨发生前1天（1980年8月22日、1981年8月14日、1981年8月8日、2011年8月3日）天气尺度瞬变波的EP通量及其散度的纬度高度剖面。从图8a可看出，1980年8月22日在33°N附近200 hPa EP通量辐合，300 hPa以下整层辐散，有利于波动能量下传。图8b为1981年8月14日瞬变波的EP通量及其散度的纬度高度剖面，30°N附近高层200 hPa附近存在辐散区，低层为辐合区，中心值≥20 m·s-1·d-1，32°～34°N由南向北EP通量从辐散转为辐合。图8c为1981年8月8日瞬变波的EP通量及其散度的纬度高度剖面，33°N附近200 hPa以下由南向北有EP通量辐合，200 hPa存在辐散区，中心值≥20 m·s-1·d-1。图8d为2011年8月3日瞬变波的EP通量及其散度的纬度高度剖面，300～500 hPa由南向北有EP通量辐合，辐合中心约-20 m·s-1·d-1，在200 hPa附近存在辐散区，中心值≥20 m·s-1·d-1。

图8 1980年8月22日（a）、1981年8月14日（b）、1981年8月8日（c）、2011年8月3日（d）汉中天气尺度瞬变波1~3波的EP通量（箭矢，单位：m2·s-2）及其散度（填色，单位：m·s-1·d-1；正值表示辐散，负值表示辐合）

综合以上分析，汉中地区暴雨发生前，33°N附近EP通量及其散度与纬向风变化有较好的对应关系。33°N附近200～300 hPa主要为EP通量辐合区，200 hPa以上存在辐散区，这种垂直分布模型有利于波动能量的释放，对暴雨的发生指示性明显，瞬变波EP通量特征分析为汉江流域暴雨潜势预报提供一个有利的参考指标。与8月相比，7月200 hPa以上天气尺度瞬变波EP通量辐散更强。

6 结论与讨论

利用ERA-5再分析资料，通过计算纬向风距平及天气尺度瞬变波EP通量及其散度，分析汉中地区暴雨发生前动力特征，结论如下：

（1）天气尺度瞬变波EP通量特征分析为汉江流域暴雨潜势预报提供一个有利的参考指标。

（2）分析暴雨发生前纬向风变化特征，在33°N以南地区纬向风减弱，而33°N以北增强，在200～300 hPa纬向风变化梯度较大。纬向风减弱（加强）也常与行星波活动增强（减弱）相联系。

（3）33°N附近天气尺度瞬变波EP通量及其散度与纬向风变化有较好的对应关系，暴雨发生前，200～300 hPa为EP通量辐合区，200 hPa存在辐散区，这种垂直分布模型对暴雨的发生指示性明显，随着200 hPa及以上EP通量辐散区加强，有利于暴雨的发生。

（4）在33°N附近地区，与8月相比，7月暴雨强度更强，暴雨范围更广，纬向风变化更明显，200 hPa以上EP通量辐散更强。若简单地将盛夏暴雨整体进行研究，会影响对不同月份波流相互作用的诊断，造成诊断偏差且难以准确反映瞬变波与暴雨的联系。因此在讨论盛夏季有关暴雨形成的动力成因，即天气尺度瞬变波与对流层环流的相互作用时，应针对盛夏不同月份分开进行讨论。

分析了暴雨发生前的天气尺度瞬变波活动特征，但只考虑了与暴雨有关的部分动力指标，并未研究天气尺度瞬变波活动及变化特征与具体降水落区的相关性，研究仍不够全面，后期将针对具体暴雨落区与三维EP通量的联系展开研究。