基于ISCCP 数据集的梅雨期影响浙江省及周边地区的对流系统特征分析

刘瑞，朱佩君，翟国庆

（浙江大学地球科学学院，浙江杭州 310027）

梅雨是我国江淮流域（包括浙江省及周边区域）的特征性天气气候现象，是东亚大气环流在夏季风向北推进过程中春夏过渡季节的产物［1］。我国江淮流域作为重要的工农业生产基地，经济发达、人口稠密，同时旱涝灾害发生较为频繁，其中6—7 月的旱涝大部分由梅雨异常引起［2］。浙江梅雨具有明显的区域性特征，雨季较长，天气形势较复杂［3］，且由于浙江及周边山脉众多，下垫面分布不均一等［4］，情况更复杂。例如2020 年的梅雨期造成长江流域的超历史洪涝灾害，其中浙江省梅雨期降水量达633 mm，为1949 年以来历史最高位，杭州市降水量815 mm，为全省最高，造成华东地区最大的水库——新安江水库运营61 a 来首次打开全部九孔泄洪，以缓解洪涝带来的灾害风险。

梅雨期间，江淮地区会形成一条东西走向的狭长准静止锋，称为梅雨锋，梅雨锋是季风气团与其他气团之间的锋面，是夏季风北侧的相当位温强梯度带，具有明显的三维热力和动力特征［5］，梅雨锋暴雨的形成是几种不同尺度天气系统相互作用的结果［6］，在对流层中低层，梅雨锋辐合带主要由西太平洋副热带高压西侧外围的西南暖湿气流和东北低涡后部的偏北气流汇流而成［7］，梅雨锋对应辐合带恰好位于对流层高层南亚高压脊线附近的强辐散区的下方，且为位温梯度大值区，对流层中层短波槽东移，为梅雨锋上的中尺度对流系统（mesoscale convective system，MCS）的发展提供有力的大尺度强迫（动力和热力）条件，梅雨锋南侧的西南低空急流为梅雨锋暴雨的形成提供充分的水汽和能量［8］，同时，梅雨锋云带上不断有多个不同尺度的对流系统（convection system，CS）及云团生消，不同尺度的对流系统活动引发的热力影响可能激发惯性重力波，进一步加剧系统的持续［9］，再加上江淮地区复杂地形对系统发展的影响，导致降水落区的差异，形成暴雨中心［10］，由此可见，梅雨期暴雨的形成是多因子相互影响有机叠加的综合产物，给梅雨期暴雨特别是极端暴雨的机理分析及预报带来很大挑战，其中，中尺度对流系统是造成暴雨和洪涝灾害的主要天气系统之一［8］，且对流降水在总降水量中的贡献居主导地位［11］，因此对梅雨期影响浙江省及周边地区的对流系统进行分析研究，对防灾减灾具有积极和现实意义。

基于国际卫星云气候计划（international satellite cloud climate program，ISCCP）的深对流路径跟踪数据集（convection tracking dataset，CT），对1998—2007 年5—7 月中旬［3］影响江淮地区的CS 时空分布和强度变化的参数特征进行了统计分析，旨在为进一步对该地区强对流系统研究及天气预报积累资料，提供参考。

1 资料与方法

ISCCP 中 的CT 资 料（网址为https：//isccp.giss.nasa.gov/outgoing/PICKUP/CT/）主要是对深对流系统的移动变化（从初生到消亡）进行追踪，得到完整的数据集，每个数据集提供时间分辨率为3 h、系统半径为100 km 以上的CS 宏观的和云物理特性等41 个有效参数，包括CS 生成时间、位置、半径、内嵌的最大对流云团（convective clusters，CC）及其对应的CC 位置、半径、移动移速及系统内部特征等。数据集以静止卫星的多通道辐射反演产品作为数据源，通过比较进行云区识别，在此基础上进行CS 识别和跟踪，得到相应的物理量参数。

本文基于1998—2007 年10 a 的梅雨期深对流CS 路径数据，选择CS 移动过程（覆盖整个生命史长）中心经度和纬度“落在”研究区域且通过数据集中质量评价指标的深对流过程，将其记为影响研究区域的CS 过程，提取其中对应的第1 个时次的CS中心点位置作为CS 源地（即初始位置），对应的时刻记为初始时刻。分析影响研究区域CS 的源地分布特征，并统计初始时刻；进一步，将云顶最低温减小作为判断条件，统计系统增强过程的落区情况，为认识对流过程及预报提供一定的参考。

2 CS 时空分布特征

2.1 CS 空间分布特征

对浙江省、江苏省南部、上海市、江西省西北部及福建省北部地区开展研究，将CS 源地划分为5 个区域，分别为研究区域（SA）、西南区域（SW）、西北区域（NW）、东北区域（NE）、东南区域（SE），如图1（a）所示，中心矩形SA 的纬度为27.0°N～31.5°N，经度为115°E～124°E。提取影响研究区域的CS 过程，共计521 个。从统计的CS 源地数看，CS 源地主要来源于该区域本地，达180 个，占34.5%，其中，50%以上的生命史在6 h 以内（短时对流系统），由SW移入的有129 个（24.7%）、由NW 移入的有123 个（23.6%），由NE 和SE 移入的分别为59 和30 个，分别占11% 和5.7%。说明影响研究区域的深对流系统源地主要为研究区域及周边区域，而影响研究区域较长生命史的CS 源地则多为研究区域西部的高原东部、长江上游地区，其次是由云贵高原、南海向北移入以及西北地区向东移入，一般生命史较长。

将影响研究区域的521 个样本，按照生命史分布和累积百分比（图1（b）中实线）排列，影响研究区域CS的生命史可达120 h 及以上，且占比最高，为25%，说明来自高原东部、西南方向等的CS 通过连续更替可以长距离奔袭影响我国长三角地区。占比居第2 位的深对流系统生命史为0～6 h，其主要是就地和在毗邻区域发生，占比可达19%，这类深对流系统具有发生时间短、发展速度快、业务预报难度大等特点，因此对研究区域有重要影响。虽然长生命史过程（120 h以上）占比较大，整体而言，累积百分比为70%的CS（图1（b）虚线）生命史在96 h 以内。

图1 影响研究区域的深对流系统的初始位置空间分布、生命史及相关统计Fig.1 Spatial distribution of initial position，life history and related statistics of deep CSs

为了解研究区域内就地和毗邻区域发生的深对流系统（生命史长在96 h 以内），根据CS 源地空间分布，将纬度为0°N～60°N，经度为80°E～160°E（图1（a））的区域划分为多个1°×1°的小方格，统计每个小方格内CS 源地发生次数，并填色显示（图2）。由图2 可知，CS 源地存在多个中心区域，分别为湖北省东部、浙皖交界、浙江省西部、浙闽交界、江西省中部等区域。结合地形（图3）比较，CS 高发区的中心区域与山脉地形有较好的对应关系，表明影响研究区域生命史的CS 其生成位置可能与山地作用有关，且在特定区域存在高发区，如浙皖交界的黄山、天目山和怀玉山，浙闽交界的武夷山、仙霞岭、洞宫山等，该结果与WECKWERTH 等［15］的研究结果一致。有意思的是，江西省北部是CS 相对低发区，对照江西省北部地形，海拔低于100 m 的鄱阳湖区域为CS 源地相对低发区，说明热力因素对CS 生成位置分布的差异性有一定影响。

图2 CS 源地发生次数Fig.2 Number of occurrences of the initial position of the deep CSs

图3 浙江省及其周边区域主要山脉与地形高度Fig.3 Topographic and main mountain ranges of Zhejiang province and its surrounding areas

2.2 CS 发生的初始时刻分布特征

进一步分析CS 发生的初始时刻特性，避免因区域选择引起的初始时刻分布差异，选择3 个统计区域：（1）研究区域及周边区域，即图1（a）中范围，包含影响研究区域所有的CS 过程；（2）研究区域及周边主要地形分布区域，即图3 中范围；（3）研究区域，即图1（a）中心矩形区域。CS 发生初始时刻统计结果分别对应图4（a）、（b）、（c）。总体而言，3 个统计区域中，白天CS 发生次数均稍大于晚上，白天CS发生次数占比分别为55%，62%，61%。在0：00—21：00（UTC，下同）每隔3 h 进行统计，所有时次均有发生，并具有一定的日变化特征。图4（b）和（c）中，CS 发生初始时刻的分布比例基本一致，说明地形为重要影响因素。3 个统计区域中，白天9：00CS发生次数占比均最大，分别为20%，26%，24%，根据数据集产生算法，即使在初始时刻依然需要符合阈值条件Tbb<−28 ℃。以往统计发现，该程度已达到成熟积云条件，且逐步发展为积雨云［16］，当云顶降温率为−4～−8 K·（15 min）−1时，深对流系统增强时间［17］提前1～2 h，即发生在白天7：00—8：00。文献［18］对2004—2009 年逐小时降水量≥20 mm的暴雨资料进行了分析，发现浙江省强对流暴雨发生时间主要分布在6—9 月的5：00—14：00，其中7：00—10：00 是暴雨发生的中心时段，该结果与本文结果较吻合。

图4 CS 初始时刻发生次数Fig.4 Number of the initial occurrence time of the deep CSs

3 CS 加强过程特征初步统计

CS 加强的程度、发生位置等对科学研究、预报、预警均有重大意义。云顶最低温变化能较好地表征系统的强度变化［19］，计算生命史在96 h 内的对流系统逐3 h 云顶最低温变化（减小），按照温度减小阈值，得到系统发生变化的位置，记为P2，系统变化前3 h 位置记为P1，由于深对流系统半径至少为100 km，所以采用P2、P1的中点P3代表云顶最低温减小过程发生的位置，即用云顶最低温减小表征系统加强，从而确定系统加强的位置，并记为一次加强，然后对P3的空间分布（经度和纬度）进行统计。

为更全面地了解深对流系统发展过程中云顶最低温的减小情况，将阈值每间隔1 K 作为一个计算变量，分析强度变化和位置分布，得到不同阈值下深对流系统加强发生次数的空间分布，如图5 所示。整体而言，研究区域内深对流系统加强发生次数基本呈横向分布，在江西省北部与安徽省、湖北省、浙江省交界处，鄱阳湖附近海拔低于100 m 区域为深对流系统加强高发区。

图5 不同阈值下深对流系统加强发生次数的空间分布Fig.5 Spatial distribution of intensification frequency of deep CSs under different thresholds

4 结论

基于1998—2007 年梅雨期ISCCP 的CT 资料，对影响浙江省及周边区域CS 源地、CS 发生初始时刻分布以及CS 加强过程特征等要素进行总结分析，主要结论如下：

（1）影响研究区域的深对流系统主要来源于该区域本地，其中50%以上为短时对流系统，其次由西南、西北区域移入；从CS 源地分布看，CS 源地多集中在山地，与地形有较好对应关系，存在4 个中心区域，分别为湖北省东部，安徽省、浙江省、江西省交界处，浙江省南部与福建省交界处以及江西省与福建省中部相邻区域。此外，位于江西省北部海拔低于100 m 的鄱阳湖区域为CS 源地相对低值区，说明热力因素对CS 生成位置分布差异性有一定影响。

（2）根据不同区域CS 发生初始时刻统计，白天发生次数稍大于晚上，具有一定的日变化特征，白天9：00 作为初始时刻占比最大，根据数据集产生算法及卫星、雷达观测系统发展规律，此时达到成熟积云条件，且逐步发展为积雨云，深对流系统触发时间提前1～2 h，即为白天7：00—8：00，并可能在9：00 左右出现暴雨。

（3）用云顶最低温变化表征系统强度变化，探究系统加强敏感区发现，系统加强在研究区域基本呈水平分布，在江西省北部与安徽省、湖北省、浙江省交界处，鄱阳湖附近海拔低于100 m 的区域为系统加强高发区。