湖北省深秋气候学定义及其暴雨特征分析

谌 伟，刘佩廷，徐迎春，岳 阳，张 丽

（1.武汉市气象局，武汉 430040；2.中国气象局武汉暴雨研究所/暴雨监测预警湖北重点实验室，武汉 430205；3.武汉市江夏区气象局，武汉 430200）

湖北省位于长江中游，属亚热带季风气候区，春秋短、冬夏长。秋季，东亚大气环流由夏季型向冬季型转换，发生暴雨天气的概率在降低。但随着全球气候变暖，湖北省近年深秋季节的极端天气与气候事件却在增多，例如2014年，湖北省深秋连续发生2次极端降水事件，一是10月27—30日，从国家观测站的暴雨站次和累计降水量来看，为湖北省有气象记录以来同期之最，二是11月22—23日，湖北省东部出现历史第二晚的区域性暴雨。

目前，关于秋季降水的气候特征和秋季暴雨的发生机制已有较多研究。如，在秋季降水气候特征方面，顾薇等［1］认为中国秋季降水年际变化可能受到副热带高压的南北位置和相应的日本岛附近异常的气旋/反气旋的影响；谌芸等［2］指出中国35°N以南秋季降水较多，且年际变化大，35°N以北地区的特征基本相反，长江中下游地区的秋季降水同欧亚大陆冷高压、副热带高压有关；高由禧等［3］、何敏［4］指出中国华西地区是秋季降水较多的地区之一，表现为9—10月阴雨绵绵且低温寡照的华西秋雨现象；刘扬等［5］指出中国西南东部秋季降水主要与热带海温异常有关。在秋季暴雨的发生机制方面，孙欣等［6］诊断辽宁省深秋暴雨，认为高位涡从对流层高层向低层伸展形成湿位涡柱引起气旋性环流与低涡环流叠加；王淑云等［7］分析河北省沧州市深秋暴雨，认为暴雨过程前后大气层结稳定，能量聚集小于夏季，急流为暴雨提供了很好的水汽和动力条件，属于稳定型降水；魏东等［8］在对一次北京市深秋暴雨过程进行分析后认为暴雨是在高空冷槽和地面冷锋系统的配合下，地形和热岛效应共同作用下产生的中尺度系统造成的；段旭等［9］认为带通滤波后获得的中尺度辐合线、负值扰动是一次滇西南秋季暴雨产生的直接影响系统；刘勇等［10］认为陕西省一次秋季暴雨系统的层结特征与夏季暴雨相比有明显差异，即暴雨发生在层结稳定状态下，低层锋区附近的强水汽辐合是秋季暴雨产生的主要机制。此外，众多学者［11-17］还对海南岛秋季暴雨的气候背景、环流特征及物理机制进行了研究。由此可以看出，学者们研究秋季暴雨时并没有区分初秋与深秋，但实际上，初秋降水更接近于夏季，深秋降水却明显不同；同时，学者们对长江中下游深秋暴雨的研究较少，预报人员对其认知不深，易忽视、易漏报。

为了便于长时间序列研究，因而有必要基于现代气象观测给出深秋的一个气候学定义，用于准确描述秋冬季节循环中的这一特殊阶段，也可为研究有关气候变化提供一个量化的基础。本研究引入气候学概念和方法，综合运用人体舒适度指数来界定湖北省深秋季节，据此挑选湖北省深秋暴雨个例，分析其深秋暴雨时空分布及大尺度环流特征，对比深秋与典型梅雨过程锋的形态结构，为今后预报服务与气候变化研究等工作打基础。

1 资料与方法

1.1 资料来源

实况气象资料来源于湖北省气象局信息与保障中心提供的1962—2020年湖北省78个国家气象站9—12月地面2 m温度、相对湿度、日降水资料（时间段为8时至次日8时，北京时，下同），为统一资料时间，选取1962年以来具有持续记录（连续缺测不超过3 d）的67个气象站，个别缺测值采用前后两天的平均值代替。对应时段再分析资料来源于美国国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP），包括NCEP 2.5°×2.5°和GFS 0.5°×0.5°资料。

1.2 定义与方法

人体舒适度指数量化了人体对外界环境的感受程度，考虑了气温、湿度等气象要素，具体求算公式：

式中，I为人体舒适度；T为环境温度；RH为相对湿度。本研究应用文献［18，19］中9级人体舒适度指数划分方法，分级标准见表1。

表1 人体舒适度指数分级

人体舒适度指数求算公式反映出相对湿度的影响远低于温度要素，结合QX/T 152—2012［20］气候季节划分方法，定义当人体舒适度指数首次低于60时，对应的温度为单站进入深秋的上限温度，下限温度为气象行业入冬温度标准。从图1可以看出，湖北省各站主要在10月下旬进入深秋，入深秋的常年平均温度在15～16℃，为方便应用，划定湖北省单站深秋季节的日平均温度区间为10～16℃。参照湖北省秋季地方标准，当全省一半以上站点日平均温度＜16℃为入深秋日、＜10℃为出深秋进入冬季日，得出湖北省常年入深秋起始日期为10月27日，结束日期为11月24日。根据每年进入深秋的温度标准统计，1962年以来湖北省共发生64日（次）深秋暴雨个例，详见表2。

图1 湖北省各站人体舒适度首次低于60所对应的日期（a）及平均温度（单位：℃）（b）

表2 1962—2020年湖北省深秋暴雨个例

湖北省深秋暴雨时空分布特征分析采用经验正交函数（Empirical orthogonal function，EOF）对暴雨日数场进行分解，利用Morlet小波、Mann-Kendall检验对暴雨日数时间序列进行周期诊断检验；湖北省深秋暴雨大尺度环流特征分析采用合成分析法。

2 结果与分析

2.1 时空分布特征

2.1.1 空间分布特征 为了揭示湖北省深秋暴雨的空间分布特征，对近59年湖北省深秋季节标准化暴雨日数场进行EOF分解。根据North判别标准，湖北省深秋暴雨日数前三个模态相互独立且可以同其他模态分开（图2），3个模态累计方差贡献率达60.50%，为湖北省深秋暴雨的主要空间分布型。

图2 1962—2020年湖北省深秋暴雨日数EOF分解的第一模态（a）、第二模态（b）和第三模态（c）空间分布

第一模态（图2a）除鄂西北为反位相变化，其余大部为同位相变化，这种变化趋势解释了总方差的34.20%，存在自东向西递减的明显差异，正位相中心位于江汉平原南部-鄂东北东部一带。第二模态（图2b）大致表现为西多东少分布，正位相中心位于恩施和荆门附近，方差贡献率为15.80%。第三模态（图2c）仍然表现为自东向西递减的分布特征，但正位相中心局限于鄂东南，方差贡献率为10.50%。结合湖北省深秋暴雨个例雨量实况，发现暴雨分布达到湖北省5个气候分区（鄂西北、鄂西南、江汉平原、鄂东北及鄂东南）中3个及以上的区域性暴雨个 例有19651107、19811016、19831021、19861025、19871031、19891025、19891104、19901107、19961104、19991030、20141028、20141123（时间形式，YYYYMMDD）共12个，其中暴雨分布类似第一模态的有5个、类似第二模态的有1个、类似第三模态的有6个。这表明EOF分解得到的前三个模态揽括了所有影响较大的湖北省深秋暴雨个例，反映出了其主要空间分布特征。

2.1.2 时间分布特征 将1962—2020年湖北省深秋年暴雨日数作M-K突变分析。由图3可知，除1962—1965年下降外，湖北省深秋年暴雨日数均呈振荡上升趋势，且在1981年开始达到显著水平线（U0.05=1.96），其中80年代中期以后超过了0.01的显著性水平（U0.01=2.56），表明湖北省深秋暴雨日数在20世纪80年代以后显著偏多，但UF与UB曲线无相交点，无突变发生。

图3 湖北省深秋暴雨日数的M-K变化曲线

将1962—2020年湖北省深秋暴雨日数进行Morlet小波变换，得到小波变换实部（图4，其中实线为正或零等值线，虚线为负等值线）。从图4可以看出，湖北省深秋年暴雨日数周期变化明显，高低交替显著。10年以上年代际变化主要存在1个主要周期振荡模态，周期为12～13年；10年以下尺度存在2个主要振荡模态，中心周期分别为2～3年和准6年。在12～13年的周期变化中，年暴雨日数大致经历了5个偏多期，特别是进入20世纪90年代后，年代际振荡现象呈增强趋势。准6年的周期变化尺度最稳定且显著，经历了1966—1968年、1972—1974年、1976—1978年、1981—1983年、1987—1990年、1994—1996年、2002—2004年、2008—2010年、2014—2016年9个偏多期。

图4 湖北省深秋暴雨日数的小波变换实部

2.2 环流背景特征

利用NCEP2.5°×2.5°再分析资料，计算1981—2020年深秋阶段500 hPa平均高度场和海平面气压场，同时对1981—2020年共11日（次）具有代表性的湖北省深秋区域性暴雨的高度场和海平面气压场进行合成，并据此得出合成分析场相对深秋阶段的距平场（图5）。

从深秋暴雨过程500 hPa高度合成场看（图5a），影响中国中东部地区的主要系统有东亚沿海大槽、西太平洋副热带高压及孟湾附近南支槽，而短波系统在合成场中会被过滤掉。主要影响系统特征可以归纳为3点，一是东亚大槽刚北收东移入海，说明前期中国中东部应出现过冷空气影响；二是南支槽较深厚，高度场上对应有负距平，有利于印度洋水汽向中国中东部输送；三是副高压强盛，西伸点已近中南半岛，北侧边缘达到南岭一带，它不但会促进东亚沿海大槽的东移北收，削弱了大陆冷空气团的影响，而且会挤压南支槽，延缓其东移，促使南支槽前、副高压西侧的西南暖湿气流长时间向长江流域发展加强。风矢合成场（图6）显示，700 hPa西南气流已经发展到黄淮流域，长江中下游干流已出现急流，但近地面仍然维持着偏北气流，同时地面气压的下降（图5b）表明，西南暖湿气流的强盛发展正导致冷空气势力减弱、变性。由此可知，湖北省深秋暴雨应该是中低层西南暖湿气流在冷垫面上爬升所形成的，这里存在一个锋面系统，典型个例分析会进一步验证。

图5 1981—2020年深秋暴雨日500 hPa高度（a）（单位：dagpm）和海平面气压（b）（单位：hPa）合成场及距平场叠加

图6 1981—2020年深秋暴雨日700 hPa（a）、1 000 hPa（b）风矢合成场

2.3 深秋与夏季暴雨典型个例对比

2.3.1 降水实况2014年深秋发生了一次极端降水事件，主要降水时段为10月28日9时至29日8时（图7a、图7c），暴雨区位于湖北省东部、南部地区，呈西南-东北走向，局部出现大暴雨，国家站最大雨量为公安的115 mm，其降水持续24 h，小时最大雨量为8.7 mm；2011年梅雨期有一个暴雨区分布（图7b、图7d），类似2014年深秋暴雨的个例，国家站最大雨量为潜江的198 mm，其降水持续了17 h，小时最大雨量为65 mm。由此可以看出，深秋暴雨不同于夏季暴雨，雨强偏小，但持续时间较长，属于稳定性降水。

图7 2014年10月28日9时至29日8时（a）、2011年6月17日21时至18日20时（b）降水实况及公安（c）、潜江站（d）小时雨量

2.3.2 主要天气系统分析 从2014年10月28日20时500 hPa高空场看（图8a），主要天气系统类同合成分析场，只是除东移入海的东北冷涡、副高压及南支槽外，在川陕多了短波槽活动。850 hPa风场上（图8a），长江流域存在一个天气尺度的切变辐合带，其右端长江中下游为西南风与东南风形成的暖式切变，左端长江上游为偏北风与偏南风形成的冷式切变。地面上（图9a），冷高压落后于高空冷涡，长江中游位于冷高压西南侧的气压梯度带上，仍维持偏北气流控制。由此可以看出，随着高空冷涡带动地面冷高压东移，地面冷空气势力是减弱的，而南支槽前、副高压西侧的西南暖湿气流是强烈发展的，长江中游形成中低层西南暖湿气流在冷空气垫上爬升的锋面结构，当西风带短波槽东移逼近或叠加其上时，锋生辐合导致深秋暴雨。

分析2011年6月17日20时500 hPa高空场（图8b），影响中国主要天气尺度系统为西太平洋副热带高压、东北冷涡、蒙古高压、孟湾低压，两高、两低构成鞍型大尺度环流背景场，中低层长江流域梅雨锋带与鞍型结构场的中间低值区对应；此外，由青藏高原来的短波槽已东移至川北、陕南，短波槽的作用一是槽前正涡度平流会使低层辐合加强，促进不活跃的梅雨锋锋生，二是会引导槽后北风气流进入，加剧南北气流的交汇，触发对流活动。6月17日20时地面（图9b），暖低压自云贵高原向长江中下游凸起如舌状，其北侧有小股的偏北气流进入，冷锋入倒槽为湖北省夏季较典型的强降水启动模式。

图8 2014年10月28日20时（a）和2011年6月17日20时（b）500 hPa高度与850 hpa风场叠加

图9 2014年10月28日20时（a）和2011年6月17日20时（b）海平面气压与10 m风场叠加

综上，湖北省梅雨锋暴雨、深秋暴雨都存在短波槽与锋的结合情况，但夏季能量、水汽更加充沛，梅雨锋触发机制更加多样，锋的形成方式也大不相同。

2.3.3 锋面系统分析 由于假相当位温（θse）是表征大气温度、压力、湿度的综合物理量，具有保守性，能很好地鉴别干冷、暖湿空气团的性质，所以在实际工作中，经常采用θse等值线密集带来确定锋面系统，并利用850 hPa与500 hPa的θse之差表征大气对流不稳定性。

首先，分析深秋极端暴雨过程的锋面系统。从2014年10月28日20时（图10a）、29日2时（图10b）经公安站的v-w和θse经向剖面可以看到，30°N上空有一个清晰的锋面系统，坡度较小，锋面上方为南风气流，下方为北风气流，锋面上下出现次级环流，上升运动主要存在于锋面上方，28日20时较强的上升运动和锋面次级环流位于公安以南，29日2时随着短波槽的临近，锋面系统进一步伸展，强的上升运动和锋面次级环流出现在公安上空；大气层结上，公安上空从低层到高层θse均表现由低值到高值的分布，反映大气一直呈稳定状态，并不利于对流发展。

图10 2014年10月28日20时（a）和29日2时（b）v-w流场和θse径向剖面

其次，分析夏季暴雨的梅雨锋系统。从2011年6月18日2时（图11a）、18日8时（图11b）经潜江站的v-w和θse经向剖面可以看出，梅雨锋暴雨的锋面系统坡度较大，锋线更接近观测站，到短波槽临近的18日8时，近地层锋面陡峭接近垂直地面，上升运动表现更强，自地面延伸到对流层顶，也出现了锋面次级环流；降水发生前的18日2时，潜江上空θse呈高-低-高分布，即“三明治”形态，表明中低层大气层结处于不稳定状态，有利于对流发生，到强降水发生的18日8时，中低层θse差值在变小，700 hPa附近θse增长明显，大气向中性层结状态转变，这与强降水的潜热释放有关，大量的潜热释放有利于中层上升气流实现“空中加油”。

图11 2011年6月18日2时（a）和18日8时（b）v-w流场和θse径向剖面

3 小结

本研究利用气象实况及再分析资料界定了湖北省深秋季节，详细分析了湖北省深秋暴雨特征，初步结论如下。

1）湖北省单站深秋季节的日平均温度区间为10～16 °C，湖北省常年入深秋起始日期为10月27日，结束日期为11月24日。

2）湖北省深秋暴雨日数场EOF分解的3种模态揽括了所有影响较大的深秋暴雨个例，反映出湖北省深秋暴雨主要发生于除鄂西北以外的大部分地区，其中江汉平原南部、鄂东北东部及鄂东南为高发区。

3）湖北省深秋年暴雨日数周期变化明显，高低交替显著。Morlet小波分析表明，湖北省深秋暴雨存在明显的2～3年和准6年、12～13年的周期振荡信号，其中准6年最为突出，12～13年振荡现象进入20世纪90年代后呈增强趋势。

4）湖北省深秋暴雨的主要影响系统有西太平洋副高压、东亚大槽及孟湾南支槽，近地面形成西南暖湿气流在冷垫上爬升的锋面形态，当西风带短波槽东移接近或叠加于锋面系统时，会促使锋生加强。不同于湖北省夏季梅雨锋暴雨，深秋暴雨的锋面系统坡度较小，上升运动偏弱，主要发生于对流层中上部；同时，深秋暴雨过程的大气层结呈稳定状态，并不利于对流的发生。所以，湖北省深秋暴雨主要表现为长时间的、小时雨强≤20 mm的稳定性降水。