海南省冬季暴雨時空分布及環(huán)流異常特征

楊 薇，馮 文，曾 麗，陳有龍

(1.海南省氣象臺，海南 海口 570203；2.海南省南海氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，海南 海口 570203；3.中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉 732750)

引 言

海南省是我國最南端的省份，受季風(fēng)影響，降水夏季多、冬季少，且具有明顯的年際變化特征[1-2]。在冬季風(fēng)的影響下，海南冬季降水量最少，僅占全年降水量的5.1%，也是暴雨發(fā)生最少的季節(jié)[3]。冬季暴雨雖不及其他季節(jié)頻繁，但其引發(fā)的洪澇災(zāi)害也能造成嚴(yán)重經(jīng)濟損失[4-5]。如2013年12月14—17日，海南東部出現(xiàn)有氣象記錄以來冬季最強降雨，萬寧站15 h累計雨量達(dá)447 mm，造成萬寧、瓊海城區(qū)大面積積水，交通阻斷，受災(zāi)人數(shù)超過30.4萬，直接經(jīng)濟損失達(dá)2億元人民幣。因此，有必要對海南冬季降水異常特別是極端降水異常進行深入研究。

大氣環(huán)流異常是引發(fā)降水異常的重要因子。東亞冬季風(fēng)環(huán)流系統(tǒng)的異常可造成我國冬季低溫、冰凍等災(zāi)害天氣[6-8]，冬季風(fēng)偏強(弱)對應(yīng)降水多(寡)[9-10]。在低緯度地區(qū)，南支槽為我國南方地區(qū)降水提供水汽及擾動，對南方冬季降水有重要影響[11-12]。目前，針對低緯地區(qū)冬季暴雨研究較少，且集中于單次過程的診斷分析。研究表明，500 hPa“北脊南槽”的形勢配合以及低層冷暖氣流交匯對華南地區(qū)冬季強降水十分有利[13]；地形可使中低層暖濕氣流在迎風(fēng)坡聚集，對暴雨具有增幅作用[14]?；仡櫼酝嚓P(guān)研究，低緯地區(qū)冬季暴雨缺乏環(huán)流形勢的系統(tǒng)分析，為此本文利用1951—2016年海南省國家氣象站降水觀測資料和NCEP再分析資料，分析海南島冬季暴雨的時空特征，并選取兩次典型的冬季極端降水過程，對比探討海南島冬季暴雨的環(huán)流形勢及異常特征，以期為海南島冬季暴雨預(yù)報及防災(zāi)減災(zāi)提供一定參考。

1 資料與方法

所用資料包括：1951—2016年海南島逐日降水資料，考慮臺站建站時間不同，挑選了18個國家氣象觀測站，站點分布均勻，有較好的代表性；1951—2016年NCEP逐6 h及逐日再分析資料(分辨率為2.5°×2.5°)(http://wesley.wwb.noaa.gov/Reanalysis.html)。另外，文中涉及的中國地圖是基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2017)508的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改。

根據(jù)氣象業(yè)務(wù)部門的標(biāo)準(zhǔn)，將發(fā)生在12月至次年2月日降水量大于或等于50 mm的降水事件定義為冬季暴雨；冬季暴雨日定義為12月至次年2月期間海南島18個氣象站中某一日有一個或以上站點出現(xiàn)50 mm及以上降雨量，則這一日為全區(qū)暴雨日。

2 海南島冬季暴雨的時空分布

從圖1(a)看出，海南島冬季暴雨發(fā)生概率較低，近66 a冬季暴雨發(fā)生日數(shù)平均在0.05～0.5 d之間，冬季最大暴雨日數(shù)在1～4 d之間，暴雨日數(shù)自西向東迅速遞增，具有明顯的區(qū)域性特征，東南部為高值區(qū)，平均暴雨日數(shù)和最大暴雨日數(shù)均出現(xiàn)在萬寧地區(qū)(位于五指山山脈東南部的迎風(fēng)坡)。近66 a海南島冬季暴雨最大降水量也呈現(xiàn)自東向西逐漸減少的分布特征[圖1(b)]，150 mm以上的大暴雨位于海南島東部的文昌、瓊海、萬寧和陵水，其中萬寧冬季日最大降水量為187.7 mm。冬季，隨著冷空氣的南侵，海南島常處于高壓底部，受偏東氣流影響；當(dāng)風(fēng)增強為急流時，偏東氣流往往從海南島東部的迎風(fēng)坡輻合抬升，造成強降水天氣，故而暴雨的落區(qū)和極值均位于東南部的迎風(fēng)坡地區(qū)。

圖1 1951—2016年海南島冬季平均暴雨日數(shù)(a，單位：d)和日最大降水量(b，單位：mm)的空間分布(數(shù)值分別表示各站冬季最大暴雨日數(shù)和日最大降水量)Fig.1 The spatial distribution of average rainstorm days (a, Unit: d) and the daily maximum precipitation (b, Unit: mm) in winter from 1951 to 2016 in Hainan Island(The number at each station represents the maximum rainstorm days and the daily maximum precipitation in winter, respectively)

1951—2016年，海南島冬季共出現(xiàn)77個暴雨日，全島冬季平均暴雨日僅為1.17 d，且冬季暴雨日存在明顯的年際及年代際變化特征，各年份冬季暴雨日在0～6 d之間，多暴雨時段發(fā)生在21世紀(jì)，大多數(shù)年份冬季出現(xiàn)了暴雨，且多個年份暴雨日遠(yuǎn)高于多年平均值，在2013年出現(xiàn)峰值，而20世紀(jì)50年代和70年代中期至80年代中期為少暴雨時段(圖2)。另外，2000年以來，共出現(xiàn)8次暴雨過程，有6次均發(fā)生在初冬的12月，且2次(2008年和2013年12月)為持續(xù)性暴雨過程，其中2013年12月14—17日的暴雨為歷史同期最強的降水過程，給海南島東南部萬寧地區(qū)造成嚴(yán)重影響。

圖2 1951—2016年海南島冬季暴雨日年際變化Fig.2 The inter-annual variation of rainstorm days in winter from 1951 to 2016 in Hainan Island

3 典型個例的環(huán)流形勢及異常特征

3.1 典型個例降水特征

2008年12月27—28日海南島東南部地區(qū)累計雨量達(dá)150 mm以上[圖3(a)]，4個市縣出現(xiàn)暴雨以上量級的降水，其中萬寧站24 h累計雨量達(dá)164 mm。2013年12月14—15日，海南經(jīng)歷了一次罕見的持續(xù)性暴雨過程，暴雨持續(xù)時間、影響范圍和累計雨量都破同期歷史記錄。此次過程，暴雨以上量級的降水主要分布在海南島中、東部地區(qū)，14日08:00至15日08:00(北京時，下同)7市縣總雨量超過750 mm，其中萬寧站24 h雨量達(dá)322.6 mm[圖3(b)]。這兩次暴雨過程具有與氣候平均相似的雨帶分布特征，降水量一致呈現(xiàn)自西向東逐漸增加的態(tài)勢，最強降水中心均出現(xiàn)在東南部的萬寧地區(qū)。

圖3 海南島2008年12月27—28日(a)和2013年12月14—15日(b)暴雨過程的雨量空間分布(單位：mm)Fig.3 The spatial distribution of precipitation during the rainstorm processes from 27 to 28 December 2008 (a) and 14 to 15 December 2013 (b) in Hainan Island (Unit: mm)

3.2 典型個例環(huán)流形勢

3.2.1 500 hPa環(huán)流形勢

兩次暴雨過程中，500 hPa平均形勢場分布相似[圖4(a)、圖4(b)]，中緯西風(fēng)槽東移至我國東部洋面，冷空氣活動減弱，亞洲大陸中高緯地區(qū)為高壓脊控制，青藏高原南側(cè)南支槽在95°E附近穩(wěn)定維持，南支槽底向南伸至10°N—14°N，其引導(dǎo)西南暖濕氣流源源不斷地向海南地區(qū)輸送，海南島位于副熱帶高壓(簡稱“副高”)西側(cè)和南支槽前，風(fēng)向輻合明顯，具有充足的動力條件。對應(yīng)的氣候態(tài)500 hPa環(huán)流形勢場[圖4(c)、圖4(d)]上，中緯西風(fēng)槽槽底向南伸至我國華南以北地區(qū)，我國大部分地區(qū)受西風(fēng)槽前西北氣流控制，低緯地區(qū)則為平直的西風(fēng)氣流影響，無明顯的槽脊波動。

圖4 2008年12月27日08:00至28日08:00(a)、2013年12月14日08:00至15日08:00(b)500 hPa平均位勢高度(等值線，單位：dagpm)和風(fēng)場(矢量，單位：m·s-1)以及1951—2016年12月第5候(c)和第3候(d)氣候態(tài)平均(粗線是南支槽)Fig.4 The average geopotential height (contours, Unit: dagpm) and wind field (vectors, Unit: m·s-1) on 500 hPa from 08:00 BST 27 to 08:00 BST 28 December 2008 (a) and 08:00 BST 14 to 08:00 BST 15 December 2013 (b), and the climatic mean state in the 5th (c) and the 3rd (d) pentads of December from 1951 to 2016(the thick line for the southern branch trough)

綜上分析可見，發(fā)展強盛的南支槽在兩次暴雨發(fā)展過程中起著至關(guān)重要的作用，在冷空氣勢力較弱的背景下，加強的南支槽前的西南暖濕氣流為海南島大范圍暴雨提供有利背景。同時注意到，兩次暴雨過程也存在差異，在2013年12月14—15日的暴雨過程中副高明顯強于2008年12月27—28日的暴雨過程，強盛的副高一方面阻擋了南支槽東移的速度，導(dǎo)致南支槽在華南地區(qū)影響時間較長；另一方面，副高西側(cè)的偏南氣流加強了南海暖濕氣流向海南地區(qū)的輸送，有利于出現(xiàn)持續(xù)性大暴雨過程。

3.2.2 低空急流

在兩次暴雨過程中都出現(xiàn)了低空急流，且急流均位于海南島東部海域，急流核的風(fēng)速超過17 m·s-1[圖5(a)、圖5(b)]。中緯地區(qū)槽后冷高壓和海上副熱帶高壓的對峙，使得南北向和東北—西南向的氣壓梯度加大，誘發(fā)海南島東部急流，進而將能量和水汽向海南島輸送。對應(yīng)的氣候態(tài)925 hPa風(fēng)場[圖5(c)、圖5(d)]上，海南島及整個南海均受一致的東北氣流影響，無明顯的輻合輻散。對比發(fā)現(xiàn)，兩次暴雨過程的急流位置存在較大差異，暴雨強度相對較弱的2008年過程急流軸位置偏南、急流核偏東，而2013年暴雨過程的急流出口區(qū)對應(yīng)海南島東部區(qū)域。

圖5 2008年12月27日08:00(a)、2013年12月14日20:00(b)925 hPa風(fēng)場(矢量，單位：m·s-1)及1951—2016年12月第5候(c)和第3候(d)氣候態(tài)平均(彩色陰影區(qū)為急流，其風(fēng)速大于12 m·s-1)Fig.5 The 925 hPa wind field (vectors, Unit: m·s-1) at 08:00 BST 27 December 2008 (a) and 20:00 BST 14 December 2013 (b) and the climatic mean state in the 5th (c) and the 3rd (d) pentads of December from 1951 to 2016(the color shadow areas for jet streams with wind speed more than 12 m·s-1)

3.2.3 海平面氣壓場

從海平面氣壓場[圖6(a)、圖6(b)]來看，兩次暴雨過程中海南島均位于入海冷高壓底后部，等壓線近似東西向分布，海南島處于回暖階段。對應(yīng)的氣候態(tài)海平面氣壓場[圖6(c)、圖6(d)]上，冷高壓中心位于我國西北大陸，海南島位于冷高壓底部，等壓線近似東北—西南向分布，且南北氣壓梯度大。與氣候態(tài)對比發(fā)現(xiàn)，兩次暴雨過程期間海平面氣壓場均低于氣候態(tài)平均，且高壓舌相對不明顯，說明暴雨期間暖空氣占主導(dǎo)，這與500 hPa南支槽前的西南暖濕氣流相對應(yīng)。

圖6 2008年12月27日08:00(a)、2013年12月14日20:00(b)海平面氣壓(單位：hPa)及1951—2016年12月第5候(c)和第3候(d)氣候態(tài)平均Fig.6 Sea level pressure (Unit: hPa) at 08:00 BST 27 December 2008 (a) and 20:00 BST 14 December 2013 (b) and the climatic mean state in the 5th (c) and the 3rd (d) pentads of December from 1951 to 2016

3.3 典型個例的環(huán)流異常特征

3.3.1 500 hPa高度場及風(fēng)場異常特征

大氣環(huán)流異常是造成極端天氣事件的最主要原因。圖7是兩次暴雨過程所在候平均500 hPa位勢高度距平場。可以看出，兩次暴雨過程中我國西南地區(qū)(南支槽所在位置)均表現(xiàn)為負(fù)距平，表明南支槽較常年同期偏強，且槽前的西南氣流也偏強。然而，2008年暴雨過程中高緯地區(qū)西風(fēng)槽所在位置為正距平，而2013年暴雨過程中負(fù)距平區(qū)位于30°N以北，說明強冷空氣難以到達(dá)海南地區(qū)，這與海南地區(qū)受強盛的西南暖濕氣流影響一致。另外，2013年暴雨過程中，我國西南地區(qū)的負(fù)距平更強，范圍更大，向東一直延伸至華南地區(qū)，對應(yīng)南支槽前擾動也更強。

圖7 2008年12月第5候(a)、2013年12月第3候(b)500 hPa平均位勢高度(等值線，單位：dagpm)和風(fēng)場(矢量，單位：m·s-1)距平Fig.7 Anomalies of average geopotential height (contours, Unit: dagpm) and wind field (vectors, Unit: m·s-1) on 500 hPa in the 5th pentad of December 2008 (a) and the 3rd pentad of December 2013 (b)

3.3.2 850 hPa風(fēng)場和水汽通量散度場異常特征

從兩次暴雨過程對流層中低層850 hPa平均風(fēng)場距平[圖8(a)、圖8(b)]來看，兩次暴雨過程在海南島均表現(xiàn)為異常西南風(fēng)，且海南島東側(cè)異常西南風(fēng)風(fēng)速達(dá)10 m·s-1以上。其中，2008年暴雨過程，在中南半島存在異常氣旋性環(huán)流，海南島東側(cè)為異常西南風(fēng)和偏東風(fēng)輻合區(qū)；2013年暴雨過程，在西太平洋上空出現(xiàn)異常反氣旋性環(huán)流，副高較常年偏強，其西側(cè)的異常偏南氣流與來自孟加拉灣的異常西南風(fēng)在海南島匯合加強，同時華南地區(qū)中部存在切變線，海南島位于切變線南側(cè)，有利于暴雨的產(chǎn)生。

圖8 2008年12月第5候(a、c)、2013年12月第3候(b、d)850 hPa平均風(fēng)場(a、b，單位：m·s-1)和水汽通量散度(c、d，單位：10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1)距平Fig.8 Anomalies of average wind field (a, b, Unit: m·s-1) and moisture flux divergence (c, d, Unit: 10-7 g·hPa-1·cm-2·s-1) on 850 hPa in the 5th pentad of December 2008 (a, c) and the 3rd pentad of December 2013 (b, d)

南支槽前的西南氣流是海南島冬季暴雨的水汽輸送來源。從850 hPa平均水汽通量散度距平場[圖8(c)、圖8(d)]看出，兩次暴雨過程期間海南島東部上空均有較強的水汽通量負(fù)異常，中心最大值均超過-5×10-7g·hPa-1·cm-2·s-1，說明南支槽前擾動帶為暴雨過程提供了充沛的水汽，特別是在2013年大暴雨過程中整個南海西北部均為負(fù)距平區(qū)，具有強烈的水汽輻合。

綜上可見，在冷空氣勢力較弱的背景下加強的南支槽使得暖濕氣流在槽前輻合抬升，導(dǎo)致向南海輸送的水汽異常偏強，為海南島冬季暴雨的產(chǎn)生提供有利條件。

4 結(jié) 論

(1)海南島冬季暴雨具有明顯的年際及年代際變化特征，2000年以來冬季暴雨出現(xiàn)頻繁，暴雨多發(fā)生在初冬(12月)。

(2)海南島冬季暴雨日數(shù)與極值具有一致的空間分布特征，均自西向東迅速遞增，暴雨中心位于東南部的萬寧地區(qū)。

(3)兩次典型的冬季持續(xù)性暴雨過程中，海南島均位于加強的南支槽前、入海冷高壓底后部，低層有偏東急流建立并維持，冷空氣勢力弱，加強的暖濕空氣在南支槽前輻合抬升產(chǎn)生暴雨。另外，當(dāng)有較強的副熱帶高壓配合時，暴雨發(fā)展更強。

(4)南支槽較常年偏強偏南，中低層異常偏強的西南風(fēng)、槽前水汽通量散度負(fù)異常為海南冬季暴雨的產(chǎn)生提供了有利的動力和水汽條件。