不同關(guān)鍵期長江上游與洞庭湖洪水遭遇過程氣候特征對比

張萍萍，董良鵬，陳　璇，張　寧， 車　欽，韋惠紅，岳巖裕

(1.武漢中心氣象臺，湖北　武漢　430074; 2.湖北省氣象局科技與預(yù)報處，湖北　武漢　430074)

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不同關(guān)鍵期長江上游與洞庭湖洪水遭遇過程氣候特征對比

張萍萍1，董良鵬1，陳璇1，張寧2， 車欽1，韋惠紅1，岳巖裕1

(1.武漢中心氣象臺，湖北武漢430074; 2.湖北省氣象局科技與預(yù)報處，湖北武漢430074)

摘要：長江上游與洞庭湖一旦遭遇洪水，將會形成全流域洪水或特大洪水，給防洪減災(zāi)帶來巨大考驗。從大尺度環(huán)流背景、天氣系統(tǒng)特征以及物理量場特征3個角度出發(fā)，對1981—2012年共30次長江上游洪水與洞庭湖洪水遭遇過程進(jìn)行分析，總結(jié)出消落期、汛期、蓄水期3個不同關(guān)鍵期內(nèi)發(fā)生洪水遭遇的不同氣候特征，提出面上物理量和面上綜合指數(shù)的新概念。

關(guān)鍵詞：長江上游；洞庭湖；洪水遭遇；關(guān)鍵期

引言

長江流域幅員遼闊，通常各地暴雨洪水發(fā)生的時間不同，一旦氣候反常，上下游雨季發(fā)生重疊，則會導(dǎo)致長江上游與洞庭湖流域洪水遭遇，形成流域性大洪水[1-2]，給長江中下游防洪、尤其是荊江河段防洪帶來巨大壓力。三峽工程建立后，長江流域防洪形勢有了很大改善，但如何在不同關(guān)鍵期內(nèi)進(jìn)行最優(yōu)調(diào)度，以達(dá)到防洪的最佳效益，還有許多問題需深入研究。

關(guān)于洪水遭遇已有很多相關(guān)研究，如郭家力等[3]對鄱陽湖流域洪水遭遇規(guī)律和危險度進(jìn)行分析，并基于災(zāi)變度概念建立2個評價指標(biāo)；邊瑋等[4]從年際變化、流量特征等方面分析近代記錄的大洪水資料，指出對于長江流域性的大洪水，金沙江與長江中下游洪水遭遇的可能性很大，并且以15 d以上的洪量遭遇最為惡劣；肖天國[5]利用水文學(xué)分析方法，對金沙江和岷江洪水遭遇中的流量特征等進(jìn)行了分析；范可旭等[6]從暴雨洪水特征方面分析烏江洪水與長江三峽洪水發(fā)生遭遇的可能性；張有芷[7]、戴明龍[8]等分析了長江上游洪水遭遇的特征。以上研究多從水文學(xué)角度出發(fā)對洪水遭遇特征展開分析，而對于洪水遭遇的天氣學(xué)規(guī)律研究較少。本文利用水文、氣象資料，對不同關(guān)鍵期內(nèi)洪水遭遇的氣候特征進(jìn)行分析，以期對不同關(guān)鍵期內(nèi)長江上游與洞庭湖洪水遭遇的預(yù)報以及三峽水利樞紐防洪調(diào)度提供一定參考。

1資料和方法

1.1資料

流量資料為長江流域主要控制站宜昌、城陵磯、螺山日平均流量資料，時段為1981—2012年5—11月；天氣學(xué)分析資料包括NCEP/NCAR 08:00、20:00起報資料(2.5°×2.5°)以及高空地面觀測資料，時段為1981—2012年5—11月；根據(jù)三峽水利樞紐梯級調(diào)度規(guī)程，關(guān)鍵期劃分標(biāo)準(zhǔn)為：5月1日—6月10日為消落期、6月11日—8月31日為汛期、9月1日—10月30日為蓄水期。

1.2研究方法

為體現(xiàn)發(fā)生洪水遭遇過程的大尺度環(huán)流背景、天氣系統(tǒng)和物理量場特征的平均態(tài)以及與多年平均值的偏差，采用物理量平均場和距平場分析法。

大尺度環(huán)流背景的演變對于不同關(guān)鍵期天氣特征分析至關(guān)重要，各種環(huán)流指數(shù)定義如下：①南亞高壓脊線位置：70°E—130°E、0°—45°N范圍內(nèi)的西風(fēng)零線的平均緯度；②西太平洋副熱帶高壓脊線位置：105°E—150°E、0°—45°N范圍內(nèi)的西風(fēng)零線的平均緯度；③西太平洋副熱帶高壓西伸脊點：588 dagpm線最西端的經(jīng)度；④西太平洋副熱帶高壓面積指數(shù)：105°E—180°、0°—45°N范圍內(nèi)位勢高度≥588 dagpm的格點總和；⑤西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度指數(shù)：588 dagpm網(wǎng)格點上平均高度值編碼之和。

在洪水遭遇過程中，各種天氣系統(tǒng)的相互影響和演變對于強(qiáng)降水發(fā)生落區(qū)非常重要，分析過程中通過統(tǒng)計不同關(guān)鍵期平均風(fēng)場來體現(xiàn)系統(tǒng)水平分布特征，以宜昌站和城陵磯站為代表站計算平均風(fēng)速，體現(xiàn)長江上游和洞庭湖流域水汽輸送特征。

物理量場分析對于準(zhǔn)確預(yù)報暴雨落區(qū)至關(guān)重要，對于單場暴雨來說，暴雨區(qū)通常較為集中，物理量閾值常規(guī)分析方法主要為單點物理量分析法，而洪水遭遇一般由多場暴雨造成，暴雨區(qū)域涉及面廣，常規(guī)單點物理量閾值分析法無法有效判斷暴雨區(qū)的位置，因此嘗試使用面上物理量分析法，將長江流域分成上游和洞庭湖2個面進(jìn)行計算，得到的面上物理量對于是否產(chǎn)生洪水遭遇具有更好的指示意義。此外為了更好地描述各種物理量的組合特征，設(shè)計了一個面上綜合指數(shù)zy，通過計算和分析綜合指數(shù)，可以表現(xiàn)致洪暴雨發(fā)生過程中水汽、不穩(wěn)定條件、動力因子的組合特征，更加有效地確定暴雨可能發(fā)生的區(qū)域以及對不同關(guān)鍵期內(nèi)暴雨發(fā)生的綜合物理量閾值進(jìn)行對比分析。

(1)面上可降水量

從地面到大氣頂界的單位面積大氣柱所含水汽總量全部凝結(jié)并降落到地面產(chǎn)生的降水量。通常用相當(dāng)?shù)乃吭谕娣e容器中的深度表示，以mm為單位。其計算方法如下[9]：

(1)

(2)

式中：r為水汽混合比，隨氣壓p而變；g為重力加速度，p0為地面氣壓，W是氣柱中的水汽總質(zhì)量。Wi為單點可降水量，n為選定區(qū)域內(nèi)的站點個數(shù)，PW1為面上可降水量。

(2)面上K指數(shù)

K指數(shù)對氣團(tuán)的潮濕度、穩(wěn)定度有一定判別能力，是對強(qiáng)對流天氣指示性較好的物理量之一[10]。一般K指數(shù)值愈大表示大氣層結(jié)越不穩(wěn)定，計算公式為：

(3)

(4)

式中：T為溫度，Td為露點溫度，Ki為單點K指數(shù)，n為選定區(qū)域內(nèi)站點個數(shù)，K1為面上K指數(shù)。

(3)面上渦度

渦度是衡量空氣質(zhì)塊旋轉(zhuǎn)運動強(qiáng)度的物理量[11]，逆時針旋轉(zhuǎn)為正值，順時針旋轉(zhuǎn)為負(fù)值。渦度是一個矢量，由于大氣做準(zhǔn)水平運動，著重討論水平面上的旋轉(zhuǎn)，即垂直方向的渦度分量ζ，直角坐標(biāo)系中渦度的計算如下：

(5)

(6)

式中：ζi為單點渦度，n為選定區(qū)域內(nèi)站點個數(shù)，VOR1為面上渦度。

(4)面上綜合指數(shù)

(7)

式中：PW1為面上可降水量，K1為面上K指數(shù)，VOR1700為700 hPa面上渦度。

2不同關(guān)鍵期洪水遭遇氣候特征對比

2.1洪水特征

選取宜昌、城陵磯站為長江上游、洞庭湖主要控制站點，根據(jù)日平均流量變化情況，當(dāng)宜昌站和城陵磯站流量增幅、流量峰值同時滿足以下條件時，定義為一次洪峰，相應(yīng)的過程定義為一次洪水過程。其中宜昌站需要滿足的條件為：①流量增幅Qmi-Qm(i-1)≥5 000m3·s-1；②流量峰值：消落期Qmi≥20 000m3·s-1，汛期Qmi≥45 000m3·s-1，蓄水期Qmi≥30 000m3·s-1；城陵磯站需要滿足的條件：①流量增幅：Qmi-Qm(i-1)≥3 000m3·s-1；②流量峰值：Qmi≥20 000m3·s-1。Qm(i-1)為臨近洪峰的峰前流量極小值，Qmi為洪峰流量，Qm(i-1)為臨近洪峰的峰后流量極小值。若宜昌站、城陵磯站的洪峰同日傳播至螺山站，即視為洪峰遭遇；若宜昌站、城陵磯站洪峰傳播至螺山站的時間在5 d以內(nèi)，即視為洪水過程遭遇。對1981—2012年30次洪水遭遇過程進(jìn)行統(tǒng)計(表1)，發(fā)現(xiàn)長江上游與洞庭湖洪水遭遇消落期共發(fā)生6次、汛期20次、蓄水期4次；從洪水過程歷經(jīng)天數(shù)看，消落期洪水遭遇過程平均33 d、汛期23 d、蓄水期34 d。

表1　不同關(guān)鍵期長江上游與洞庭湖洪水遭遇統(tǒng)計

2.2環(huán)流背景

3個關(guān)鍵期內(nèi)，500 hPa平均高度場中高緯度均表現(xiàn)為2槽1脊形勢，巴爾克什湖、東北地區(qū)有低值系統(tǒng)存在，蒙古附近表現(xiàn)為弱脊。

從距平場分布看，消落期(圖1a)從高緯到低緯表現(xiàn)為典型的“-+-+”遙相關(guān)距平型，中緯地區(qū)貝加爾湖南側(cè)有負(fù)距平帶存在，表明該地區(qū)中緯度低槽十分活躍，多攜帶北方冷空氣南下，鄂霍次克海地區(qū)有正距平中心，表明此處多高壓系統(tǒng)發(fā)展，高壓系統(tǒng)的阻擋作用使得冷空氣頻繁南下，這是造成消落期長江上游與洞庭湖洪水遭遇的主要原因之一。

汛期(圖1c)高緯地區(qū)貝加爾湖兩側(cè)各有1個正距平中心，該處多阻塞高壓發(fā)展，巴爾克什湖西側(cè)為弱的負(fù)距平，表明該處多分裂短波槽東移；中緯河套—東北地區(qū)存在負(fù)距平區(qū)域，表明該地區(qū)有短波槽活動，與東北橫槽底部分裂的短波槽疊加，這是造成汛期長江上游與洞庭湖洪水遭遇的主要原因之一。

蓄水期(圖1e)從高緯到低緯表現(xiàn)為“+- +”的距平型；貝加爾湖北側(cè)出現(xiàn)4 dagpm的正距平，表明此處阻塞高壓易發(fā)展，巴爾克什湖西側(cè)有-4 dagpm的負(fù)距平中心，對照多年平均高度場發(fā)現(xiàn)，該處低值系統(tǒng)發(fā)展較常年同期偏強(qiáng)，低槽活動頻繁，不斷分裂短波槽東移至長江流域，長江流域上空也出現(xiàn)大范圍負(fù)距平，表明與常年同期相比，蓄水期發(fā)生洪水遭遇時，長江流域上空高度場明顯偏低，多低槽活動。

200 hPa南亞高壓分布及強(qiáng)度有明顯不同。消落期(圖1b)南亞高壓脊線在20°N附近，高壓主體呈帶狀，位于印度半島、中南半島和青藏高原南部，長江流域上空受偏北氣流控制，有利于上升運動發(fā)展，距平場呈現(xiàn)正距平，表明南亞高壓比常年同期偏強(qiáng)；汛期(圖1d)南亞高壓呈東西帶狀，脊線北上至29°N附近，高壓主體位于青藏高原和伊朗高原，長江流域上空有明顯的正距平中心，高空輻散達(dá)到最強(qiáng)；蓄水期(圖1f)南亞高壓脊線回落到27°N附近，高壓中心位于青藏高原上空，強(qiáng)度減弱。

副熱帶高壓各種指數(shù)的變化對于不同關(guān)鍵期內(nèi)的洪水遭遇具有極其重要的指示作用(表2)。其中消落期副高脊線位置最偏南，汛期其北抬至25°N附近，蓄水期則進(jìn)一步北抬；面積指數(shù)汛期最大，而強(qiáng)度指數(shù)蓄水期最大，表明蓄水期發(fā)生洪水遭遇時，副高較強(qiáng)，副高的強(qiáng)大維持有利于其邊緣西南暖濕氣流輸送；西伸脊點自汛期至蓄水期逐漸西進(jìn)，表明蓄水期副高位置更加偏西，更加有利于長江上游的降水發(fā)生。南亞高壓脊線汛期抬至最北，對于長江流域洪水遭遇也具有一定的指示意義。

2.3天氣系統(tǒng)特征

從消落期洪水遭遇個例低層平均風(fēng)場可看出：受高空冷槽東移影響，700 hPa長江中游附近形成冷切變線，南風(fēng)平均風(fēng)速僅有2 m·s-1(表3)；850 hPa華南一帶形成暖切變線，暖切變線和水汽輸送出口位置偏南(圖2a)；受高空冷平流影響，北方冷空氣活動頻繁，地面多冷空氣擴(kuò)散南下，鋒后冷平流勢力較強(qiáng)，引導(dǎo)高空偏北氣流可到達(dá)長江中游地區(qū)，長江流域平均海平面氣壓場偏高，宜昌站和城陵磯站平均海平面氣壓值均達(dá)1 007.3 hPa(圖略)。顯然這個時期發(fā)生洪水遭遇，地面冷空氣起到重要作用。

汛期700 hPa北部冷切變線位置偏東，引導(dǎo)地面弱冷空氣南下，風(fēng)向的偏南分量加大至4 m·s-1，暖濕氣流發(fā)展更加旺盛(表3)；同時850 hPa暖切變線位置北抬至湖北中部(圖2b)，低層動力條件加強(qiáng)，有利于在長江中游產(chǎn)生強(qiáng)降水天氣。地面平均氣壓場上，河套附近出現(xiàn)冷高壓中心，長江流域沿江以南形成暖低壓中心，宜昌和城陵磯站平均海平面氣壓場為1 004.6 hPa(圖略)，來自于河套的冷空氣以擴(kuò)散形勢南下與來自江南的西南暖濕氣流交匯，有利于長江流域形成強(qiáng)降水。這個時期發(fā)生洪水遭遇，暖濕氣流增強(qiáng)與北方南下弱冷空氣相互作用是一個關(guān)鍵因素。

圖1　消落期(a,b)、汛期(c,d)及蓄水期(e,f)500 hPa(a,c,e)與200 hPa(b,d,f)

關(guān)鍵期副高脊線副高面積指數(shù)副高強(qiáng)度指數(shù)副高西伸脊點南亞高壓脊線消落期20.0°N129231122.5°E20°N汛期25.7°N177415115°E29°N蓄水期27.1°N148435132.5°E27°N

圖2　消落期(a)、汛期(b)和蓄水期(c)850 hPa平均風(fēng)場及天氣系統(tǒng)分析

宜昌站700hPa風(fēng)速風(fēng)向850hPa風(fēng)速風(fēng)向城陵磯站700hPa風(fēng)速風(fēng)向850hPa風(fēng)速風(fēng)向消落期2m·s-1偏西4m·s-1偏東4m·s-1偏西2m·s-1偏東汛期4m·s-1西南2m·s-1偏南4m·s-1西南2m·s-1偏南蓄水期<2m·s-1偏東4m·s-1偏東<2m·s-1偏南4m·s-1偏東

與消落期和汛期相比，蓄水期風(fēng)速明顯減小(表3)。850 hPa上游地區(qū)多低渦形成并且穩(wěn)定少動，有利于降水長時間維持在長江上游地區(qū)，從而形成華西秋雨。東南沿海上多有臺風(fēng)生成，臺風(fēng)北側(cè)偏東氣流輸送至鄂西山地和川西山地(圖2c)，也容易在地形作用下產(chǎn)生強(qiáng)降水。地面氣壓場上，東北地區(qū)形成冷高壓中心，冷空氣勢力再度增強(qiáng)，宜昌和城陵磯站平均海平面氣壓場均達(dá)到1 009.1 hPa(圖略)。從動力條件看，這個時期發(fā)生洪水遭遇，上游地區(qū)低渦切變穩(wěn)定少動成為一個關(guān)鍵因素。

2.4物理量場特征

為綜合體現(xiàn)洪水遭遇過程中各種物理量的組合特征，采用合成分析方法，選取表征水汽的可降水量PW、表征不穩(wěn)定條件的K指數(shù)以及表征動力抬升條件的700 hPa渦度，通過定義的公式，計算綜合遭遇指數(shù)，通過對比該指數(shù)，可以更好地分析不同關(guān)鍵期洪水遭遇期間，各種物理量場平均場的不同表現(xiàn)特征。

圖3給出消落期、汛期和蓄水期平均可降水量、平均K指數(shù)及700 hPa平均渦度的物理量場分析，表4是統(tǒng)計出的不同關(guān)鍵期長江上游和洞庭湖流域發(fā)生洪水遭遇時面上的物理量閾值(30次洪水遭遇過程中物理量的均值)。從長江上游和洞庭湖面上可降水量PW閾值來看，汛期發(fā)生洪水遭遇閾值最大，蓄水期次之，消落期最小，這是由于汛期水汽輸送最為強(qiáng)烈，大氣整層水汽最為充沛；從面上K指數(shù)閾值來看，同樣是汛期發(fā)生洪水遭遇閾值最大，蓄水期次之，消落期最小，汛期隨著西南暖濕氣流發(fā)展旺盛，南風(fēng)氣流不僅輸送南海南方水汽到長江流域，同時也輸送暖濕不穩(wěn)定能量，因此汛期K指數(shù)閾值最大；從700 hPa渦度閾值來看，長江上游汛期、消落期面上渦度閾值最大，而洞庭湖流域消落期最大，這是由于消落期隨著西南暖濕氣流逐漸發(fā)展旺盛，受暖平流強(qiáng)迫作用，洞庭湖流域、長江流域700 hPa多有低渦或者暖切變線生成，因此700 hPa渦度閾值出現(xiàn)最大值；汛期綜合指數(shù)閾值最大，消落期次之，蓄水期最小。

綜合指數(shù)能夠更加全面地反映出各個關(guān)鍵期的區(qū)別，從綜合指數(shù)的對比可以看出：消落期中，要重點關(guān)注洞庭湖流域的物理量變化特征以及強(qiáng)降水的發(fā)生；汛期中，長江上游和洞庭湖流域的物理量演變對洪水遭遇有重要指示意義；蓄水期中，盡管洞庭湖的綜合指數(shù)要大于長江上游，然而長江上游的面上K指數(shù)大于洞庭湖流域，因此進(jìn)入蓄水期后，要特別關(guān)注長江上游地區(qū)的不穩(wěn)定條件變化，由于處在副高邊緣，不穩(wěn)定能量強(qiáng)，容易產(chǎn)生較強(qiáng)的短時強(qiáng)降水天氣，對洪水遭遇會產(chǎn)生一定影響。

圖3　消落期(左)、汛期(中)和蓄水期(右)平均可降水量(上,單位：mm)、

表4中的綜合指數(shù)閾值是30次洪水遭遇過程中的統(tǒng)計結(jié)果，該綜合指數(shù)對洪水遭遇具有一定的指示意義。消落期6次洪水遭遇過程中，有5次綜合指數(shù)大于閾值，占83%；汛期20次洪水遭遇過程中，有15次綜合指數(shù)大于閾值，占70%；蓄水期4次洪水遭遇過程中，有3次綜合指數(shù)大于閾值，占75%?？梢娋C合指數(shù)閾值在洪水遭遇分析和預(yù)報中具有一定的參考意義。

表4　不同關(guān)鍵期長江上游和洞庭湖流域面上物理量閾值

3小結(jié)

從大尺度環(huán)流背景、天氣系統(tǒng)特征以及物理量場3個方面，對1981—2012年間不同關(guān)鍵期長江上游與洞庭湖洪水遭遇過程的氣候特征進(jìn)行了歸納總結(jié)。消落期副熱帶高壓不強(qiáng)，水汽整體輸送偏弱，中低緯度天氣系統(tǒng)以冷切變線為主，重點考慮冷空氣影響作用；汛期副高西進(jìn)明顯，水汽輸送強(qiáng)烈，對流性不穩(wěn)定最強(qiáng)，重點考慮暖濕氣流增強(qiáng)與北部弱冷空氣南下的相互作用；蓄水期副高西伸仍較明顯，在副高的阻擋作用下，上游地區(qū)低渦切變系統(tǒng)穩(wěn)定少動，容易形成華西秋雨。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，對于不同關(guān)鍵期長江上游與洞庭湖洪水遭遇的天氣學(xué)規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)分析，提出面上物理量和面上綜合指數(shù)概念，并在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計出不同關(guān)鍵期洪水遭遇的物理量閾值，對于不同關(guān)鍵期洪水調(diào)度有一定參考作用。由于長江上游與洞庭湖洪水遭遇具有一定的復(fù)雜性，以及三峽水庫調(diào)度作用的影響，長江上游與洞庭湖洪水遭遇問題還需要進(jìn)一步深入研究。

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Climatic Features Comparison of Flood Encounter Processes During Different Critical Stages for Upper Reaches of the Yangtze River and Dongting Lake

ZHANG Pingping1, DONG Liangpeng1, CHEN Xuan1, ZHANG Ning2,CHE Qin1, WEI Huihong1, YUE Yanyu1

( 1.WuhanCentralMeteorologicalObservatory,Wuhan430074,China; 2.ScienceandTechnologyDepartmentofHubeiProvincialMeteorologicalBureau,Wuhan430074,China)

Abstract:Flood from the upper reaches of the Yangtze River and Dongting Lake encountering is the main reason of the whole basin flood and serious flood, which produced huge pressure for flood control and disaster reduction. The climate characteristics were summarized about flood encounter processes during three periods including falling stage, flood season and impounding period from the large scale circulation background, synoptic system and physical quantity field characteristics by analyzing 30 flood encounter processes from 1981 to 2012. In addition，new conceptions about regional physical quantity and composite index were presented. This research was helpful to deeply understand encounter regularity of flood in the upper reaches of the Yangtze River and Dongting Lake, which provided a good technical support for optimizing the regulation scheme of the Three Gorges Project.

Key words:the upper reaches of the Yangtze River; Dongting Lake; flood encounter; critical period

收稿日期：2015-08-21；改回日期：2016-03-04

基金項目：“宜昌與洞庭湖大洪水遭遇天氣學(xué)規(guī)律研究(2414020007)”和“異常強(qiáng)降水概念模型及診斷方法研究(GYHY201306011)”共同資助

作者簡介：張萍萍(1980-)，高級工程師，山東諸城人，主要從事短期天氣預(yù)報分析研究. E-mail:zpp7117@126.com

文章編號：1006-7639(2016)-03-07-0465

DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-03-0465

中圖分類號：P462.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

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