汉江流域盛夏期极端降水特征及大气环流分型研究

谢 家 旭,郭 广 芬,杜 良 敏,向 华,宋 娜

(1.武汉区域气候中心,湖北 武汉 430070; 2.十堰市气象台,湖北 十堰 442000)

0 引 言

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告指出,人类活动导致的气候变化已经产生严重影响。在未来,持续变暖情况将会引起愈加频繁和更为严重的极端事件,其中极端降水频发强发的势头将更为凸显,由于极端降水往往对人民生命财产等各方面产生较大影响,受到研究者广泛关注[1-5]。

杨涵洧等[6]发现中国东部夏季极端降水在1990年前后出现由少转多的年代际转变,西太平洋暖池区异常升温造成的海陆温差减小是中国东部夏季极端降水在1990年前后转变的重要驱动因素之一。胡泊等[7]发现东北亚地区传统夏季降水表现为盛夏降水贡献占主导,且其年际和年代际特征以及环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机制则具有显著差异。边巴卓嘎等[8]研究发现雅鲁藏布江河谷盛夏降水年及波动与区域水汽收支变化相关,高原盛夏季风低压和南亚高压为对流层中低层印度半岛-东南亚异常反气旋环流输送的水汽的抬升提供了动力条件。

极端降水事件具有较强的致灾性,在不同地区、不同下垫面上所导致的影响各有不同,具有明显的区域差别。汉江流域由于地理位置特殊、地形地貌以及气候类型复杂,极端降水容易造成洪涝灾害[9]。当前,对于汉江流域降水研究已有大量工作,并取得了丰富成果[10-13]。大多研究都是以汉江流域汛期或者秋汛期降水特征为切入点进行刻画的[13-16],对盛夏期极端降水研究分析相对较少。区域性降水通常是大尺度环流背景下中尺度系统综合发力的结果,但对于盛夏期汉江流域区域性极端降水的环流型研究多采用主观分型[17-18]。目前,对于汉江流域盛夏期极端降水时空特征研究还不够全面,不同环流形势所导致的极端降水强度差异认识不足。因此,对天气形势进行分类处理很有必要,以客观标准将主观分型进行定量分析,有助于更进一步理解导致极端降水天气过程的机理,进而提高此类事件的预报准确率。

基于此,本文依据汉江流域日降水资料,采用百分位阈值方法定义极端降水阈值,探究1970～2020年盛夏期(7～8月,下同)汉江流域极端降水气候变化特征,分析汉江流域极端降水发生与大气环流、海温异常等要素之间的关联性。同时采用Lamb-Jenkinson分型法,对汉江流域区域性极端降水850 hPa和500 hPa高度场进行环流型定量划分,探索汉江流域区域性极端降水事件发生时典型大气环流型配置,以期为汉江流域极端降水事件预报预测提供参考。

1 资料与方法

1.1 资 料

本文所用的资料主要有:① 汉江流域65站日降水资料,来自国家气象信息中心,研究时段为1970～2020年盛夏期,共3 100 d。② NCEP/NCAR 1970～2020年盛夏期逐月再分析资料(风场、气压场、比湿等),等压面选取1 000～300 hPa共5层,空间分辨率为2.5°×2.5°;③ 美国 NOAA 提供的1970～2020年月平均海表温度场,空间分辨率为2°×2°。

研究区域地形地貌见图1。汉江流域地处中国中西部交界区,地跨甘肃、陕西、四川、重庆、河南、湖北6省市,地势西北高东南低。丹江口以上干流为上游,以山地地形为主,约占流域总面积19%;丹江口至钟祥为中游、钟祥以下为下游,其中汉中谷地及汉江干流及其支流的河谷区域,以及涢河流域以丘陵为主,约占流域总面积53%,丹江口以下区域为平原,约占流域总面积28%[19]。

图1 汉江流域地形地貌特点[20]Fig.1 Topographic feature of Hanjiang River Basin[20]

1.2 研究方法

为消除地域以及时间因素影响,客观描述汉江流域极端降水时空特征,本文采取百分位法定义极端降水事件。单站极端降水事件定义为:对研究时段内某站降水日(日降水量≥0.1 mm)的降水值从大到小进行排序,选取95%分位上的降水值作为阈值,以此作为本站极端降水阈值。区域性极端降水事件定义为:根据汉江流域特征,汉江流域分为上、中、下游3个区域,上游站点33个,丹江口中游站点22个,下游站点10个,将单区不少于30%站次发生极端降水事件定义为1次区域性极端降水事件。

Lamb-Jenkinson分型法:利用选定区域内覆盖研究范围的16个定点上的物理量,采用中央差分法计算出中心点外的6个环流指数,参照地转风和地转涡度之间的关系进行环流型划分。多个研究表明,L-J分型法是一种克服了主观性缺点,将主、客观方法结合起来的客观环流分型方法,其对于局地环流的客观数值描述具有明确天气学意义[21]。

2 汉江流域盛夏期极端降水特征

2.1 极端降水阈值分析

使用百分位法对单站极端降水事件进行极端降水阈值划分,得到汉江流域盛夏期极端降水事件阈值空间分布(见图2)。由图可见,汉江流域极端降水阈值分布存在明显空间差异,盛夏期上游西南部、中游北部以及下游地区极端降水阈值较大,极端降水阈值极值(70.7 mm)出现在流域西南部镇巴。镇巴位于秦岭南侧与大巴山西段的峡谷地带,在地形抬升等局地气候等作用下对流易发生发展,使得镇巴成为汉江流域强降水易发中心[20]。

图2 汉江流域各站点盛夏期(7～8月)极端降水事件阈值Fig.2 Threshold of midsummer extreme precipitation in Hanjiang River Basin

2.2 极端降水事件年代际变化特征

利用单站极端降水阈值统计方法对1970～2020年期间每年盛夏期汉江流域极端降水事件进行统计,并将得到的极端降水事件降水量累加后进行区域平均得到当年汉江流域极端降水总量,进行小波分析。

从图3来看,盛夏期极端降水总量有明显年际变化特征,主要存在2个周期:① 准2 a年际变化周期,波动影响域主要在1970 s后期和1990 s中后期至2010 s;② 准8 a周期显著分布于1980 s至1990 s前期。

图3 汉江流域盛夏期极端降水总量年代际变化Fig.3 Interdecadal variation of region averaged extreme rainfall in the midsummer of Hanjiang River Basin

为研究多发年与少发年之间的差异,本文将标准化>1.0的年份定义为极端降水多发年,集中于1979,1980,1982,1983,1998,2008,2010年;将<-1.0的年份定义为极端降水少发年,主要集中于1985,1986,1993,1999,2002,2006,2014,2019年。

2.3 极端降水占盛夏季总降水百分比

为了解汉江流域极端降水在盛夏期降水中的主要作用,计算汉江流域1970～2020年盛夏期平均极端降水量、日数以及在盛夏期总降水中所占百分比(见图4)。盛夏期总降水量呈现“边缘多,中部少”的趋势,大值中心位于上游镇巴,平均降水量超400 mm,降水日数超23 d,中部降水较少的地区降水量低于300 mm。盛夏期极端降水分布与总降水分布基本相似,高值区降水总量超140 mm,极端降水日数1～2 d,极端降水日数占比最大值不足10%,极端降水量占总降水量百分比大部地区都超过25%,在中、下游地区极端降水总量占比超30%。可见,尽管汉江流域盛夏期极端降水发生频次有限,但却贡献了盛夏期总降水量 1/4 以上,尤其在汉江流域中下游区域极端性最为凸显。

图4 汉江流域盛夏期降水情况分布Fig.4 Distribution of precipitation in midsummer in the Hanjiang River Basin

3 汉江流域盛夏期极端降水事件环流与海温场特征分析

3.1 极端降水强弱年环流形势对比

汉江流域盛夏期极端降水事件存在着明显的年际变化,且不同阶段周期性不同,其变化与大气环流密不可分,因此,分析汉江流域盛夏期极端降水事件多发年和少发年环流特征,揭示汉江流域盛夏期极端降水成因显得非常重要。

根据前文统计结果,将盛夏期东亚地区不同层次位势高度、水汽通量散度、风场以及垂直速度等要素按多发年和少发年进行合成差值。由图5(a)、(b)可见,多发年与少发年相比,盛夏期500 hPa上在乌拉尔山-西伯利亚、鄂霍次克海有正异常,贝加尔湖附近为负异常,同时西太平洋副热带高压(以下简称“副高”)强大且位置偏北偏西,这种分布在850 hPa上也有表现,典型的“两脊一槽”形势与副高偏强的构架有利于北方冷空气的向南扩展以及南方暖湿气流北送,此种分布型是冷暖空气在汉江流域交汇且维持的条件,对产生极端降水事件有利。

注:多发年减去少发年,红色框线为汉江流域范围,打点区域和紫色区域表示通过信度为0.05的显著性检验。图5 盛夏期极端降水位势高度和整层水汽通量和水汽通量散度合成差值场Fig.5 Differences of geopotential height and vertically-integrated water vapor flux divergence during the midsummer between height and less frequent year

水汽输送的多寡与动力辐合的强弱也是决定降水大小的因素之一。图5(c)中盛夏期汉江流域存在显著水汽辐合。来自印度洋的水汽绕高原在其东侧向南输送,此外,中国30°N以北的沿海地带存在气旋,汉江流域位于气旋西侧,受到来自太平洋较强水汽和印度洋水汽叠加输送的影响,有明显水汽辐合,有利于盛夏期极端降水的增多。850 hPa风场差值场上,汉江流域位于差值急流北侧,低层气旋性涡度增加,导致中尺度对流活跃发生。此外,汉江流域存在贯穿低中层的ω显著负值区,意味着此处有较强的上升气流,上升气流将低层水汽输送至高空导致水汽凝结,为极端降水的产生提供有利条件。

3.2 关键期海温异常特征分析

海温是大气外强迫重要因子之一,海气相互作用对于大气环流分布有至关重要影响,是造成气候异常的原因。将近50 a汉江流域盛夏期极端降水序列分别与同期海温进行相关分析(见图6),发现对汉江流域盛夏期极端降水影响较大的海温区域位于赤道中东太平洋(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),这与盛夏期内极端降水多发与少发年海温差异合成场分布特征相似。盛夏期Area Ⅱ 显著升温,Area Ⅰ 以降温为主,说明西太平洋暖池异常增暖、赤道中东太平洋异常偏冷时,汉江流域盛夏期极端降水频发。为进一步揭示海气相互作用对汉江流域极端降水影响,对以上两个关键区域海温距平与同期500 hPa高度场进行相关分析。

图6 盛夏期汉江流域极端降水时间序列与同期夏季平均海温相关性Fig.6 Correlation between extreme precipitation time series and SST anomaly in midsummer in the Hanjiang River Basin

图7(a)给出赤道中东太平洋(Area Ⅰ )区域平均海温距平与同期500 hPa高度场相关分布。发现热带地区存在显著正相关带,且最大相关区域位于赤道印度洋地区,即当中东太平洋海温负异常时,印度洋地区高度场为负距平,印缅槽加深,槽前西南气流经孟加拉湾和南海地区将水汽不断输送至汉江流域。日本海-夏威夷北部一线为负相关,当中东太平洋海温负异常时,此区域高度场为正距平,副高位置偏北偏西,南下冷空气受阻在汉江地区与暖湿气流相遇,容易引发强降水。盛夏期西太平洋暖池(Area Ⅱ )海温距平与中纬度地区呈现显著正相关,分布型与中东太平洋异常时高度场分布相似。两个海温关键区外强迫的叠加作用致使环流场稳定维持且强度增强,形成汉江流域极端降水发生的典型大尺度环流。

图7 盛夏期中东太平洋和西太平洋暖池区域平均海温距平与同期500 hPa高度场相关分布Fig.7 Correlation between SST anomaly and 500 hPa height field in midsummer over the Middle East Pacific and Western Pacific warm pool

4 区域性极端降水事件特征及环流分型

区域性极端降水过程由于其影响范围广、致灾程度更重的特点,相对单站而言更需引起重视。一般而言,区域性极端降水事件是大尺度环流系统与中尺度天气系统叠加的共同结果,大范围强降水事件的发生也往往对应特定的大气环流配置。

按照区域性极端降水事件定义,统计1970～2020年汉江流域区域极端降水事件,这50 a间,汉江流域一共出现了116次区域性极端降水过程,平均每年 2.4 次,其中有11 a(1975,1980,1983,1991,1996,1998,2000,2004,2008,2016,2020年)出现4次或以上的区域性过程,1980年出现频次最高,达9次,1970 s中后期、1980 s后期至2000 s初以及2010 s前后都是区域极端降水事件频发趋势增加(见图8)。对汉江流域3个区域进行统计,发现上游和下游极端降水发生频率较高,分别为41和35次,中游地区为46次,占比分别为35.3%、30.2%和39.7%。7月份发生频次较高,为81次,占69.8%,8月份为35次,占30.2%(见表1)。

表1 区域日极端降水事件分区、分月频次Tab.1 Zoning and monthly frequency of regional daily extreme precipitation events

一般来说,形成降水需要高、低层大气环流相互配合、相互作用,大气层中气象要素垂直变化以及低层水汽、动力辐合、地形抬升作用等系列变化对强降水形成具有关键作用。因此,选取以汉江流域为中心的95°E～125°E,26°S～40°N为研究区域,在所选区域内每隔5个经度和2.5个纬度的网格点上取16个点,对该范围内的500 hPa和850 hPa高度场进行Lamb-Jenkinson环流分型(见图9)。

图9 计算环流型格点分布Fig.9 Grid points used in calculating circulation pattern

利用所选16个网格点的气压值,通过中央差分计算,计算出中心点C(32.5°N,110°E)处的地转风、地转涡度等6个环流指数,具体计算公式如下[22]:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

ξ=ξu+ξv

(6)

式中:P(n)(n=1,2,3,…,16)是格点n上的位势高度值;α,α1,α2分别为C,A1,A2的纬度值;V为地转风;u,v为地转风纬向、经向分量;ξ为地转涡度;ξu为u的经向梯度;ξv为v的纬向梯度。

根据地转风速、风向以及地转涡度之间的关系,将环流类型分为平直型、旋转型和混合型三大类,共27小类,具体分类方法参见文献[23]。

对筛选出的116次区域性极端暴雨环流型进行统计,将出现频率超过5%的环流型定义为主要环流型。根据统计,汉江流域区域性极端降水常见5种环流型,分别为南风(S)型、东南风(SE)型、气旋(C)型、气旋配合西南风(CSW)型、气旋配合南风(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%)这3种环流型累积概率接近80%,气旋型概率都超过55%,可表征汉江流域55%以上的极端降水的主要环流特征为气旋型。

为进一步明确影响汉江流域极端降水天气系统特征,将850 hPa和500 hPa高度场上贡献率接近80%的前3种环流型进行合成。

C型(图10(a)、(d))在中国中部地区500 hPa高度场上有明显浅槽,汉江流域刚好处于位于高空槽内,受气旋性涡度影响,槽线两侧有风切变,本型的副高位置偏东偏北;850 hPa上西南涡稳定存在,汉江流域受西南涡及暖式风切变的影响。

CS型(图10(b)、(e))在中国中纬度地区500 hPa高度场上存在深入四川南部高度槽,副高位置偏北,汉江流域处于高空槽前,夹于副高之间的西南暖湿气流中,在高空正涡度平流引导下上升运动易发展,配合偏南风水汽输送,形成有利于极端降水的环流条件。850 hPa上西南涡较C型有移出增强,汉江流域受涡旋东侧偏南气流影响明显。

SE型(图10(c))500 hPa高度场上自贝加尔湖东部至甘肃中部存在东北-西南向倾斜脊,本型的副高东退位于海上,汉江流域处于倾斜脊前小槽中。

S型(图10(f))850 hPa高度场上在中国中部地区表现出一条南风输送通道,低层强烈水汽的供应为极端降水的发生提供基础。

2021年8月下旬以来,因强降水影响发生7次洪水过程,汉江下游干流皇庄以下全线超警戒,丹江口水库累积来水量为1969年建库以来同期第1位。8月22日(图11(a))汉江上游、中游北部有12站达到暴雨量级(50～100 mm),6站出现特大暴雨(其中勉县达237.9 mm);29日(图11(b))汉江流域上、中游15站出现50 mm以上降水,其中1站超100 mm。利用2021年8月22日和29日出现的区域性暴雨过程对上述环流分型进行验证。

注:500 hPa高度场(蓝色实线,单位:gpm)、850 hPa高度场(红色虚线,单位:gpm)和风场(矢量,单位:m/s)图11 2021年8月22日和29日汉江流域降水量及环流形势Fig.11 Precipitation and atmospheric circulation on August 22 and 29,2021

从高度场(图11(c)、(d))上来看,2021年8月22日500 hPa高空上贝加尔湖南部低压中心南压,汉江流域处于浅槽内,小股北方冷空气顺槽后偏北气流南下,副高位置偏北偏西,副高外围水汽输送至汉江流域。850 hPa上西南涡强大且稳定,汉江流域处于涡旋前部风切变区,极端降水在这样的高低层形势下极易诱发。8月29日中国中纬度地区有短波槽东移,此时汉江流域处于短波槽前西南气流控制下,与异常偏强偏西的副高外围偏南气流叠加,同北方南下冷空气相遇;850 hPa上偏南贯穿我国中部,低层水汽补充及时,高层正涡度平流诱发地面气旋,极易诱发极端降水。

将2021年8月22日和29日区域日极端降水环流实况与上文环流分型进行对比,可见22日与500 hPa上C型和850 hPa的CS型一致,29日与500 hPa的CS型和850 hPa上S型相一致。

5 结 论

本文采用百分位阈值法确定极端日降水事件,并在分析1970～2020年盛夏期汉江流域极端日降水气候特征的基础上,对汉江流域区域性极端降水过程进行环流分型,得到以下结论:

(1) 盛夏期极端降水分布与盛夏期总降水空间分布一致,呈现“边缘大,中部小”趋势;极端降水阈值大值区位于上游西南部、中游北部以及下游地区,极值出现在流域西南部镇巴(70.7 mm)。汉江流域盛夏期极端降水存在显著年际变化特征,准2 a变化周期波动影响域主要在1970 s后期和1990 s中后期至2010 s;准8 a变化周期集中于1980 s至1990 s前期。

(2) 极端降水多发年和少发年相比,500 hPa和850 hPa上乌拉尔山与鄂霍次克海正异常,贝加尔湖附近为负异常,强大副高偏西偏北控制。中高纬度典型的“两脊一槽”形势配合副高偏强的构架有利于北方冷空气的向南扩展以及南方暖湿气流北送,此种分布型是冷暖空气在汉江流域交汇且维持的条件,对产生极端降水事件有利。此外,由孟加拉湾绕青藏高原东侧向北输送的水汽,叠加自南海来的暖湿气流为汉江流域极端降水提供了充足水汽,配合贯穿整层的上升运动,造成汉江流域极端降水增多。

(3) 赤道中东太平洋海温异常偏冷和西太平洋暖池海温异常增暖时,汉江流域极端降水多发。两个海温关键区外强迫的叠加作用致使汉江流域极端降水发生的典型大尺度环流稳定维持且强度增强。

(4) L-J环流分型结果显示,影响汉江流域区域极端降水过程主要有S型、SE型、C型、CSW型、CS型,其中850 hPa高度场上S型、C型和CS型以及500 hPa高度场上SE型、C型、CS型3种出现概率之和接近80%,其中C型超过55%。对比2021年8月22日和29日汉江流域区域极端降水环流型与分型结论,发现22日与500 hPa上C型和850 hPa上的CS型一致,29日与500 hPa的CS型和850 hPa上S型相一致,分型结论基本能够反映汉江流域区域极端降水发生时的典型环流特征。