汉江流域盛夏期极端降水特征及大气环流分型研究.pdf

第 卷 第 期 年 月人 民 长 江.收稿日期:基金项目:国家重点研发计划项目()长江电力股份有限公司项目()湖北省气象局重点项目()中国气象局创新发展专项()作者简介:谢家旭女工程师硕士主要研究方向为天气学、应用气象学等 :.通信作者:郭广芬女高级工程师硕士主要从事短期气候预测及决策服务工作 :.文章编号:()引用本文:谢家旭郭广芬杜良敏等.汉江流域盛夏期极端降水特征及大气环流分型研究.人民长江():.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(.武汉区域气候中心湖北 武汉 .十堰市气象台湖北 十堰)摘要:为提升汉江流域盛夏期极端降水预报准确性基于 年 月汉江流域日降水量数据集采用 分位法定义汉江流域盛夏期极端降水事件并对汉江流域盛夏期极端降水事件气候特征进行分析研究汉江流域极端降水发生时的大气环流和海温背景最后采用 分型法分析区域性极端降水事件与大气环流分型的关系 结果表明:汉江流域盛夏期极端降水存在显著年际变化特征且极端降水分布与盛夏期总降水气候平均态分布一致呈现“边缘大中部小”趋势极值中心出现在流域西南部镇巴 中高纬度“两脊一槽”以及副高位置偏北偏西的构架是汉江流域极端降水多发典型环流场来自海上水汽补充配合贯穿整层的上升运动为极端降水的产生提供条件 此外中东太平洋和西太平洋暖池两个海温关键区海温异常时其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 环流分型表明汉江流域区域极端降水天气常见环流型有南风()型、东南风()型、气旋()型、气旋配合西南风()型、气旋配合南风()型其中气旋()型出现概率超过 不同分型区别在于 高空槽、副高位置和 上西南涡和南风影响 对比 年 月 日和 日汉江流域区域极端降水事件实况发现分别符合 高度场上 型、的 型配置以及 高度场上的 型、上 型配置 研究成果可为汉江流域盛夏期极端降水预报和天气分型提供参考关 键 词:大气科学 极端降水 气候特征 环流分型 合成分析中图法分类号:.文献标志码:./.引 言联合国政府间气候变化专门委员会()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 杨涵洧等发现中国东部夏季极端降水在 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 年前后转变的重要驱动因素之一 胡泊等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 人 民 长 江 年层印度半岛 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 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 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 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 年盛夏期(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 分型法对汉江流域区域性极端降水 和 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 资料与方法.资 料本文所用的资料主要有:汉江流域 站日降水资料来自国家气象信息中心研究时段为 年盛夏期共 /年盛夏期逐月再分析资料(风场、气压场、比湿等)等压面选取 共 层空间分辨率为.美国 提供的 年月平均海表温度场空间分辨率为 研究区域地形地貌见图 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 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 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 丹江口以下区域为平原约占流域总面积 图 汉江流域地形地貌特点.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.)的降水值从大到小进行排序选取 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 个区域上游站点 个丹江口中游站点 个下游站点 个将单区不少于 站次发生极端降水事件定义为 次区域性极端降水事件 分型法:利用选定区域内覆盖研究范围的 个定点上的物理量采用中央差分法计算出中心点外的 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 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 第 期 谢家旭等:汉江流域盛夏期极端降水特征及大气环流分型研究 汉江流域盛夏期极端降水特征.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)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(.)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图 汉江流域各站点盛夏期(月)极端降水事件阈值.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 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 来看盛夏期极端降水总量有明显年际变化特征主要存在 个周期:准 年际变化周期波动影响域主要在 后期和 中后期至 准 周期显著分布于 至 前期为研究多发年与少发年之间的差异本文将标准化.的年份定义为极端降水多发年集中于 年将 .的年份定义为极端降水少发年主要集中于 年.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 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(见图图 汉江流域盛夏期极端降水总量年代际变化.)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 降水日数超 中部降水较少的地区降水量低于 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 极端降水日数 极端降水日数占比最大值不足极端降水量占总降水量百分比大部地区都超过在中、下游地区极端降水总量占比超 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/以上尤其在汉江流域中下游区域极端性最为凸显 汉江流域盛夏期极端降水事件环流与海温场特征分析.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()、()可见多发年与少发年相比盛夏期 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 人 民 长 江 年图 汉江流域盛夏期降水情况分布.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 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()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 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 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 显著负值区意味着此处有较强的上升气流上升气 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.的显著性检验图 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.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.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 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)发现对汉江流 第 期 谢家旭等:汉江流域盛夏期极端降水特征及大气环流分型研究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(:)和西太平洋暖池(:)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 显著升温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 高度场进行相关分析图 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.图()给出赤道中东太平洋()区域平均海温距平与同期 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()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 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 年汉江流域区域极端降水事件这 间汉江流域一共出现了 次区域性极端降水过程平均每年图 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 高度场相关分布.次其中有 (年)出现 次或以上的区域性过程 年出现频次最高达 次 中后期、后期至 初以及 前后都是区域极端降水事件频发趋势增加(见图)对汉江流域 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 和 次中游地区为 次占比分别为.、.和.月份发生频次较高为 次占.月份为 次占.(见表)表 区域日极端降水事件分区、分月频次.项目发生频次/次频率占比/汉江上游.汉江中游.汉江下游.月.月.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 为研究区域在所选区域内每隔 个经度和.个纬度的网格点上取个点对该范 人 民 长 江 年图 历年区域日极端降水事件发生频次.围内的 和 高度场进行 环流分型(见图)利用所选 个网格点的气压值通过中央差分计算计算出中心点(.)处的地转风、地转涡度等 个环流指数具体计算公式如下:图 计算环流型格点分布.()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()式中:()()是格点 上的位势高度值分别为 的纬度值 为地转风 为地转风纬向、经向分量 为地转涡度为 的经向梯度为 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 小类具体分类方法参见文献对筛选出的 次区域性极端暴雨环流型进行统计将出现频率超过 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 种环流型分别为南风()型、东南风()型、气旋()型、气旋配合西南风()型、气旋配合南风()型其中 上 型(.)、型(.)和 型(.)上 型(.)、型(.)、型(.)这 种环流型累积概率接近 气旋型概率都超过 可表征汉江流域 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 和 高度场上贡献率接近 的前 种环流型进行合成 型(图()、()在中国中部地区 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 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 型(图()、()在中国中纬度地区 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 上西南涡较 型有移出增强汉江流域受涡旋东侧偏南气流影响明显 型(图()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 第 期 谢家旭等:汉江流域盛夏期极端降水特征及大气环流分型研究 型(图()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图 和 上汉江流域极端降水环流型合成.年 月下旬以来因强降水影响发生 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 年建库以来同期第 位 月 日(图()汉江上游、中游北部有 站达到暴雨量级()站出现特大暴雨(其中勉县达.)日(图()汉江流域上、中游 站出现 以上降水其中 站超 利用 年 月 日和 日出现的区域性暴雨过程对上述环流分型进行验证从高度场(图()、()上来看 年 月 日 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 上西南涡强大且稳定汉江流域处于涡旋 注:高度场(蓝色实线单位:)、高度场(红色虚线单位:)和风场(矢量单位:/)图 年 月 日和 日汉江流域降水量及环流形势.前部风切变区极端降水在这样的高低层形势下极易诱发 月 日中国中纬度地区有短波槽东移此时 人 民 长 江 年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 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 年 月 日和 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 日与 上 型和 的 型一致 日与 的 型和 上 型相一致 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 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:()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(.)汉江流域盛夏期极端降水存在显著年际变化特征准 变化周期波动影响域主要在 后期和 中后期至 准 变化周期集中于 至 前期()极端降水多发年和少发年相比 和 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()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()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 型、型、型、型、型其中 高度场上 型、型和 型以及 高度场上 型、型、型 种出现概率之和接近 其中 型超过 对比 年 月 日和 日汉江流域区域极端降水环流型与分型结论发现 日与 上 型和 上的 型一致 日与 的 型和 上 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参考文献:管兆勇任国玉.中国区域极端天气气候事件变化研究.北京:气象出版社.陈海山范苏丹张新华.中国近 极端降水事件变化特征的季节性差异.大气科学学报():.袁文德郑江坤董奎.年西南地区极端降水事件的时空变化特征.资源科学():杨志刚建军洪建昌.年西藏极端降水事件时空分布特征.高原气象():.李丽平章开美王超等.近 年华南前汛期极端降水时空演变特征.气候与环境研究():.杨涵洧龚志强王晓娟等.中国东部夏季极端降水年代际变化特征及成因分析.大气科学():.胡泊申红艳王晓娟等.东北亚地区初夏、盛夏和传统夏季降水特征及环流型的异同性研究.大气科学():.边巴卓嘎赤曲周顺武等.雅鲁藏布江河谷盛夏降水年际变化及其与环流的联系.大气科学学报():.蔡新玲康岚孙娴等.年渭河和汉江上游秋汛期环流特征及暴雨致洪成因.暴雨灾害():.起永东何明琼郑永宏等.汉江流域降水结构时空特征及影响因素分析.长江流域资源与环境():.汪成博李双双延军平等.年汉江流域多尺度极端降水时空变化特征.自然资源学报():.邹磊夏军张印.长江中下游极端降水时空演变特征研究.长江流域资源与环境():.韩洁管兆勇李明刚.夏季长江中下游流域性极端日降水事件的环流异常特征及其与非极端事件的比较.热带气象学报():.唐永兰徐桂荣万蓉.年主汛期长江流域短时强降水时空分布特征.大气科学学报():.张芳华陈涛张芳等.年 月长江中下游地区梅汛期强降水的极端性特征.气象():.赵晓琳牛若芸.年和 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