湖南極端降水的氣候特征及天氣系統(tǒng)分型研究*

陳紅專

1 湖南省懷化市氣象局，懷化 418000

2 氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410118

提 要： 基于湖南省97個(gè)國(guó)家站1981—2018年共38年的逐日降水資料、常規(guī)高空、地面觀測(cè)資料、ERA-Interim再分析資料和臺(tái)風(fēng)路徑資料，采用氣候統(tǒng)計(jì)、天氣學(xué)分析和分類合成方法，分析了湖南省極端降水的氣候特征，并對(duì)影響系統(tǒng)進(jìn)行了分型研究，結(jié)果表明：38年間，湖南省日極端降水閾值均值是71.6 mm，年均出現(xiàn)130站次極端降水日，二者年際變化大;在1993年有一個(gè)明顯的突變，1993年前日極端降水閾值均值低(65.7 mm)、極端降水日站次少(99 次·a-1);1993年后均值高(74.7 mm)、極端降水日多(146 次·a-1)。日極端降水閾值和極端降水日的空間分布不均，湘中及以北地區(qū)閾值高，極端降水強(qiáng)度大，出現(xiàn)頻次低，湘南地區(qū)閾值低，極端降水強(qiáng)度小，出現(xiàn)頻次高。湖南省區(qū)域性極端降水過程主要發(fā)生在5—8月，6月最多，按主要影響系統(tǒng)分為五類：西南渦-暖式切變線型、冷槽切變線型、臺(tái)風(fēng)型、副熱帶高壓邊緣型和一致南風(fēng)型。湖南極端降水的主要影響系統(tǒng)是高空槽、西南渦、切變線和低空急流，如果西南渦未出西南地區(qū)或位置偏南，湖南極端降水由西南渦和暖式切變線產(chǎn)生，如果西南渦位置偏北，或者武陵山脈東側(cè)有新生渦發(fā)展加強(qiáng)，則湖南極端降水由西南渦(新生渦)后側(cè)冷式切變線產(chǎn)生。地形對(duì)極端降水的增幅作用明顯，尤其是對(duì)于湘東南臺(tái)風(fēng)極端降水過程。不同季節(jié)副熱帶高壓對(duì)極端降水的落區(qū)和強(qiáng)度有不同影響。對(duì)于弱強(qiáng)迫背景下的暖區(qū)極端降水，應(yīng)加強(qiáng)高時(shí)空分辨率資料的應(yīng)用，分析其中小尺度觸發(fā)機(jī)制。

引 言

近幾十年來，在全球變暖的氣候背景下，極端降水事件頻發(fā)，極端降水的強(qiáng)度增強(qiáng)，極端降水量顯著增加(Zhai et al，2005；鄒用昌等，2008)，往往會(huì)導(dǎo)致重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，造成較大的社會(huì)影響(諶蕓等，2012；伍志方等，2018；陳紅專等，2019)，因此針對(duì)極端降水事件的研究也越來越多(Alexander et al，2006；Choi et al，2009；楊金虎等，2010；田付友等，2018)。

研究表明，我國(guó)極端降水的時(shí)空分布和變化趨勢(shì)具有較強(qiáng)的地域差異(Fu et al，2013)，其控制和影響系統(tǒng)多有不同，再加上復(fù)雜的地質(zhì)和地貌特征，使得極端降水氣候特征顯得極為復(fù)雜，也增加了我國(guó)區(qū)域極端降水研究的難度。氣象學(xué)者們從引起極端降水的中小尺度系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和演變(張家國(guó)等，2013；曾勇和楊蓮梅，2018；趙嫻婷等，2020)、多尺度相互作用(苗愛梅等，2014；沈新勇等，2018)、大氣環(huán)流和特征物理量場(chǎng)的異常(黃榮輝等，2003；楊金虎等，2010；孫軍等，2012)、多源資料的應(yīng)用(王洪等，2015；傅佩玲等，2018；李伶杰等，2018)、地形的影響(Gao et al，2009；徐珺等，2018)等多個(gè)角度對(duì)極端降水進(jìn)行了大量研究，其中基于天氣學(xué)診斷分析方法對(duì)極端降水進(jìn)行分型的研究也不少。極端降水過程一般均具有典型的天氣形勢(shì)，通過對(duì)極端降水過程影響系統(tǒng)的分型，有助于理解導(dǎo)致極端降水的天氣尺度和中尺度機(jī)制，進(jìn)而提高此類事件的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。陶詩言(1980)總結(jié)了中國(guó)持續(xù)大暴雨的多種環(huán)流型，指出大的形勢(shì)穩(wěn)定、水汽的輸送和輻合及對(duì)流不穩(wěn)定能量的釋放和再生是中國(guó)持續(xù)大暴雨發(fā)生的三個(gè)基本條件。Maddox et al(1979)調(diào)查了發(fā)生在美國(guó)的151次暴洪事件及其時(shí)空特征，根據(jù)地面和高空形勢(shì)將這些暴洪分成四種天氣類型：天氣尺度強(qiáng)迫型、鋒面型、中高壓型和西部型，該分型至今仍被美國(guó)天氣預(yù)報(bào)部門廣泛應(yīng)用。Kahana et al(2002)將發(fā)生在以色列內(nèi)蓋夫沙漠的52次洪水過程按天氣學(xué)類型分為四類，分別是紅海低壓槽類、地中海氣旋類、熱帶暖流向亞熱帶急流延伸類以及Sharav氣旋類，并總結(jié)了一組動(dòng)力和熱力學(xué)物理量來預(yù)測(cè)主要山洪的發(fā)生和位置。肖遞祥等(2017)依據(jù)500 hPa環(huán)流形勢(shì)，將四川盆地極端暴雨分為東高西低型和兩高切變型兩種形勢(shì)，同時(shí)總結(jié)了不同環(huán)流類型和不同暴雨中心的極端暴雨概念模型。陳靜靜等(2016)統(tǒng)計(jì)了2006—2014年湖南117例強(qiáng)降雨天氣過程，依據(jù)湖南省暴雨預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)和方法，將其分為低渦冷槽型、地面暖倒槽鋒生型、副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)邊緣型、臺(tái)風(fēng)型、梅雨鋒切變型和華南準(zhǔn)靜止鋒型六種類型，并以同期500 hPa高度場(chǎng)和850 hPa徑向風(fēng)為參數(shù)，采用K均值聚類法，經(jīng)過迭代得到六類暴雨日的客觀天氣型。這些研究對(duì)業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)有較好的指導(dǎo)作用。

在全球變暖背景下，湖南極端強(qiáng)降水事件的發(fā)生頻次呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)(張劍明等，2012)，湖南也是極端降水致災(zāi)較為嚴(yán)重的省份之一。由于極端降水影響系統(tǒng)的復(fù)雜性以及地域差異，系統(tǒng)性地總結(jié)本區(qū)域極端降水天氣系統(tǒng)類型不僅可為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)該類事件提供科學(xué)依據(jù)，也對(duì)強(qiáng)天氣預(yù)報(bào)預(yù)警業(yè)務(wù)十分必要。為此，本文在分析1981—2018年湖南極端降水氣候特征的基礎(chǔ)上，總結(jié)了湖南省區(qū)域性極端降水過程的天氣類型，然后通過分類合成方法研究各類區(qū)域性極端降水過程的主要天氣系統(tǒng)和熱動(dòng)力過程特征，希望研究結(jié)果可用于進(jìn)一步發(fā)展和改進(jìn)湖南的極端降水預(yù)報(bào)技術(shù)。

1 資料和方法

1.1 資 料

本文所用降水資料為湖南97個(gè)國(guó)家站1981—2018年共38年的逐日降水資料，時(shí)間段為08—08時(shí)(北京時(shí)，下同)。天氣系統(tǒng)分型所用資料為常規(guī)高空探測(cè)、地面觀測(cè)資料以及歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心間隔6 h一次的全球分析資料ERA-Interim(Dee et al，2011)，分辨率為0.5°×0.5°。臺(tái)風(fēng)路徑資料采用中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所的臺(tái)風(fēng)最優(yōu)路徑資料(Ying et al，2014)。

1.2 方 法

單站日極端降水閾值的確定采用百分位法，具體方法是：將某個(gè)站某年的有效日降水量(≥0.1 mm)按從小到大的順序排列，取第99個(gè)百分位的值作為該站該年的日極端降水閾值。第99百分位閾值的確定采用Bonsal et al(2001)的方法:如果某個(gè)氣象要素有n個(gè)值，將這n個(gè)值按升序排列x1，x2，…，xm，…，xn，則某個(gè)值小于或等于xm的概率P為：

式中:m為xn的序號(hào)，如果某個(gè)站某年有100個(gè)有效降水值，那么第99個(gè)百分位上的值為排序后的x99(P=98.32%)和x100(P=99.31%)的線性插值。根據(jù)上述方法計(jì)算得到各站1981—2018年的逐年閾值，38年平均的閾值定義為該站的日極端降水閾值。最后統(tǒng)計(jì)1981—2018年各站的日降水量，如果某站某日日降水量大于等于該站歷年平均的日極端降水閾值，則計(jì)該日為一個(gè)極端降水日。

區(qū)域性極端降水過程的定義采用戴澤軍等(2015)的標(biāo)準(zhǔn)，即若某日湖南97個(gè)國(guó)家站中有10%及以上站點(diǎn)(≥10站)出現(xiàn)極端降水，即至少有10個(gè)站同時(shí)達(dá)到極端降水日標(biāo)準(zhǔn)，則計(jì)該日為一次區(qū)域性極端降水過程，持續(xù)兩天或以上只計(jì)算一次。

區(qū)域性極端降水過程的天氣系統(tǒng)分型采用綜合分析的方法，從天氣類型的角度進(jìn)行分型，然后對(duì)同類型的過程進(jìn)行合成分析。由于過程較多，如果采用傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單算術(shù)平均的合成方法，會(huì)導(dǎo)致資料平滑(Frank，1977)，難以發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)的主要特征，為此，本文采用以強(qiáng)降水中心為坐標(biāo)原點(diǎn)和研究中心的動(dòng)態(tài)合成方法，其方法是：同類型的每個(gè)個(gè)例選取其最強(qiáng)降水中心為中心(坐標(biāo)原點(diǎn))的經(jīng)緯度范圍固定的區(qū)域，對(duì)該區(qū)域內(nèi)的物理量進(jìn)行合成。這種合成分析與簡(jiǎn)單的算術(shù)平均在物理意義上有顯著不同，它減少了樣本物理量平均時(shí)的相互抵消作用，強(qiáng)降水區(qū)與其環(huán)境系統(tǒng)的相對(duì)位置也基本保持原狀，而且強(qiáng)降水中心也總是處于研究區(qū)域的中心。合成的時(shí)間點(diǎn)是極端降水發(fā)生前最臨近的08時(shí)或20時(shí)的再分析場(chǎng)，即如果極端降水發(fā)生在白天，則采用當(dāng)天08時(shí)的再分析資料，如果發(fā)生在晚上，則采用當(dāng)天20時(shí)的。

2 極端降水的氣候特征

2.1 日極端降水閾值的氣候特征

從圖1可看出，湖南省平均的日極端降水閾值，1991年最小(57.7 mm)，2017年最大(85.4 mm)，平均值為71.6 mm，序列在1993年有一個(gè)明顯的突變，1993年以前閾值大多小于70 mm(平均值為65.7 mm)，而1993年以后閾值大多大于70 mm(平均值為74.7 mm)。閾值的年際變化大， 尤其是世紀(jì)之交的1996—2006年以及2017—2018年，其中2017年和2018年的閾值相差20 mm。

圖1 1981—2018年湖南省日極端降水閾值的年際變化

從日極端降水閾值的空間分布看(圖2)，湘中及以北地區(qū)閾值大都在70 mm以上，其中湘東北和湘西北閾值大于80 mm，最大值為湘東北的臨湘(95.8 mm)，而湘南大多在70 mm以下，最小值為湘西南的城步(54.3 mm)。

2.2 極端降水日的氣候特征

38年間湖南省97個(gè)國(guó)家站共出現(xiàn)4 954站次極端降水日，平均每年為130站次，平均每站為51次,其中有5個(gè)站少于40次，湖北省的南縣最少(36次)，8個(gè)站出現(xiàn)60次以上的極端降水日，湖南省的桂東最多(66次)。從極端降水日的平均降水強(qiáng)度的空間分布看(圖3a)，降水強(qiáng)度的空間分布與日極端降水閾值的空間分布(圖2)類似，即湘中及以北地區(qū)大于湘南地區(qū)，尤其是湘東北和湘西北地區(qū)，最大值是湘東北的臨湘(139.4 mm)，最小值同樣是湘西南的城步(71.8 mm)，極大、極小值相差較大。極端降水日次數(shù)的分布與強(qiáng)度的分布剛好相反，即湘南偏多，而湘北和湘中的衡邵盆地偏少(圖3b)，這可能與各站日極端降水閾值的年際變化特點(diǎn)有關(guān)，湘北各站的閾值年際變化大，造成大于平均閾值標(biāo)準(zhǔn)的極端降水日數(shù)少，而湘南則剛好相反。

圖2 1981—2018年湖南省日極端降水閾值空間分布

圖3 1981—2018年湖南省極端降水日平均降水強(qiáng)度(a)和年均次數(shù)(b)的空間分布

從圖4a可看出，極端降水日站次的年際變化大，1991年最少(64次)，2002年最多(242次)，其年際變化趨勢(shì)與閾值的年際變化趨勢(shì)(圖1)類似，即序列在1993年有一個(gè)明顯的突變，1993年以前極端降水日出現(xiàn)次數(shù)少(平均為99次·a-1)，年際變化小，而1993年后出現(xiàn)次數(shù)多(平均為146次·a-1)，年際變化大。極端降水日平均降水強(qiáng)度的年際變化雖然也較大，但沒有類似頻次和閾值的突變特征(圖4b)。結(jié)合圖1和圖4說明，20世紀(jì)90年代以來，隨著全球氣候變暖等多種因素的影響，極端的洪澇災(zāi)害極易發(fā)生，表現(xiàn)為降水強(qiáng)度大(日極端降水閾值大)、頻次高(極端降水日站次多)、大旱與大澇相間(日極端降水閾值和極端降水日頻次的年際變化大)。

圖4 1981—2018年湖南省極端降水日的頻次(a)和強(qiáng)度(b)的年際變化

從極端降水日的月際變化看(表1)，極端降水日在一年12個(gè)月均可出現(xiàn)，但各月出現(xiàn)的頻次差別較大，具有明顯的月際變化特征。極端降水日主要出現(xiàn)在3—10月，尤其是5—8月出現(xiàn)次數(shù)多，其中6月最多，其次是7月，占比分別為28.02%和23.11%，1月和12月最少。

表1 1981—2018年湖南省極端降水日的逐月分布

2.3 區(qū)域性極端降水過程的氣候特征

38年間，湖南一共出現(xiàn)了91次區(qū)域性極端降水過程，平均每年2.4次，有10年(1988、1990、1996、1998、1999、2000、2002、2004、2014、2017年)出現(xiàn)4次或以上區(qū)域性過程，其中1999年和2002年各出現(xiàn)5次，僅2年(1989年、1991年)沒有出現(xiàn)區(qū)域性極端降水過程。91次過程中，有15次為持續(xù)性過程，最長(zhǎng)持續(xù)天數(shù)為4 d，為1996年7月14—17日。有3次過程同一天達(dá)到極端降水日標(biāo)準(zhǔn)的站點(diǎn)數(shù)超過30個(gè)站，約占湖南總站數(shù)的1/3，其中2010年6月19日和2017年6月30日均有33個(gè)站點(diǎn)達(dá)到極端降水日標(biāo)準(zhǔn)。從區(qū)域性極端降水過程的月發(fā)生頻次(表2)可看出，區(qū)域性極端降水過程僅出現(xiàn)在4—11月，尤其是5—8月，其中6月最多，其次是7月，占比分別為31.87%和23.08%，12月至次年3月未發(fā)生過區(qū)域性極端降水過程。

表2 1981—2018年湖南省區(qū)域性極端降水過程的逐月分布

3 區(qū)域性極端降水過程天氣類型

采用天氣學(xué)診斷分析方法將91次過程歸納為西南渦-暖切變線型、冷槽切變線型、臺(tái)風(fēng)型、副高邊緣型和一致南風(fēng)型等五類，從表3可見，西南渦-暖切變線型和冷槽切變線型最多，分別占總次數(shù)的47.2%和28.6%，二者之和約占總次數(shù)的3/4，是湖南兩種主要的區(qū)域性極端降水類型，從平均降水強(qiáng)度、平均影響站次和日降水極值看，前三類明顯強(qiáng)于后兩類。下面采用以暴雨中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的動(dòng)態(tài)合成方法，利用ERA-Interim資料對(duì)每一類極端降水過程的高空、地面系統(tǒng)和降水區(qū)進(jìn)行合成，主要從中低層和地面影響系統(tǒng)的角度討論每一類區(qū)域性極端降水過程的主要天氣系統(tǒng)和熱動(dòng)力過程特征。

表3 五種區(qū)域性極端降水過程天氣類型的主要特征

3.1 西南渦-暖切變線型

西南渦-暖切變線型極端降水的主要影響系統(tǒng)是低層(850 hPa)的西南渦、暖式切變線以及地面暖低壓倒槽。其天氣系統(tǒng)特征如下：

500 hPa在中高緯度為高空槽系統(tǒng)(圖5a)，槽的經(jīng)向度沒有冷槽切變線型大，但槽前仍有較強(qiáng)正渦度平流，如果在東北或華北地區(qū)存在冷渦系統(tǒng)，則表現(xiàn)為從冷渦往西南方向伸展的深厚高空槽系統(tǒng)。本型的副高相對(duì)較弱，位置偏東，湖南處在副高與高空槽之間的西南暖濕氣流中。850 hPa受西南渦及人字形切變線，尤其是暖式切變線影響(圖5b)，西南渦是本型最常見的天氣系統(tǒng)，僅4例無西南渦影響。其余個(gè)例中，有12例西南渦未移出西南地區(qū)就消亡(或者在極端降水時(shí)段未移出西南地區(qū))，其余27例按其移動(dòng)路徑可分為三類：東南移型8例(圖6a)，西南渦經(jīng)貴州東南部或湘西地區(qū)往東南行，強(qiáng)降雨一般位于湘西和湘中以南地區(qū)；先東南移再東(北)移型11例(圖6b)，西南渦東南行到貴州東部或湖南西部后轉(zhuǎn)向東或東北方向，經(jīng)湖南中部地區(qū)，強(qiáng)降雨一般位于湘中一線；東(東北)移型8例(圖6c)，西南渦經(jīng)湘中以北地區(qū)往東(東北)方向移動(dòng)，強(qiáng)降雨一般位于湘中以北。

圖5 1981—2018年湖南省西南渦-暖切變線型極端降水過程合成的天氣形勢(shì)(a)500 hPa高度場(chǎng)(單位：dagpm)，(b)850 hPa風(fēng)場(chǎng)(矢量)和≥10 m·s-1的大風(fēng)速區(qū)(陰影)，(c)地面氣壓場(chǎng)(等值線，單位：hPa)和風(fēng)場(chǎng)(矢量)，(d)24 h累計(jì)降雨量(降雨中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)，x、y坐標(biāo)分別是距離降雨中心的經(jīng)緯度數(shù)；圖5a、5b、5c中粗虛線分別為高空槽、切變線和低壓倒槽槽線)

地面形勢(shì)是由西南地區(qū)往東北方向伸展的暖低壓倒槽(圖5c)，暖倒槽及其南側(cè)高溫高濕的環(huán)境為中小尺度擾動(dòng)的產(chǎn)生提供了有利的熱動(dòng)力環(huán)境條件。強(qiáng)降雨區(qū)位于西南渦東南側(cè)、暖式切變線南側(cè)，雨帶分布與暖式切變線的走向相同，有時(shí)強(qiáng)降雨帶上會(huì)有東西兩個(gè)強(qiáng)中心，一個(gè)位于西南渦東南側(cè)附近，另一個(gè)位于暖切變線南側(cè)，低空急流出口區(qū)附近。如果在暖式切變線東北側(cè)還有一條冷式切變線，則強(qiáng)降雨中心會(huì)偏向暖式切變線東側(cè)與冷式切變線匯合處附近，因?yàn)樵搮^(qū)域冷暖氣流交匯最明顯。降水強(qiáng)度為暴雨，極易出現(xiàn)大暴雨甚至更大量級(jí)的降雨(圖5d)。因此預(yù)報(bào)員在面對(duì)西南渦暴雨時(shí)，除了要關(guān)注西南渦的生消和移動(dòng)路徑外，還要關(guān)注西南渦與人字形切變線、低空急流等系統(tǒng)的配置關(guān)系。

3.2 冷槽切變線型

冷槽切變型極端降水的主要影響系統(tǒng)是中層(500 hPa)的高空槽和低層(850 hPa)的冷式切變線，其天氣系統(tǒng)特征如下：

500 hPa在中高緯度為深厚的高空槽系統(tǒng)(圖7a)，槽前正渦度平流較強(qiáng)，大尺度的動(dòng)力強(qiáng)迫有利于大范圍地區(qū)維持較長(zhǎng)時(shí)間的上升運(yùn)動(dòng)。副高大多已經(jīng)登陸我國(guó)大陸或位于我國(guó)東南沿海一帶，強(qiáng)大而穩(wěn)定維持的副高導(dǎo)致中低緯系統(tǒng)移動(dòng)緩慢或受阻，有利于強(qiáng)降水的維持。低層受冷式切變線的影響，切變線南側(cè)通常均伴有急流(圖7b)。本型有17例在冷式切變線東北側(cè)伴有低渦系統(tǒng)，其中13例為西南渦，西南渦的位置偏北，一般位于湖北境內(nèi)或擦過湘西北地區(qū)，另有4例為江漢平原和洞庭湖區(qū)新生渦。低渦的移動(dòng)路徑一般為東北方向(圖8)，與西南渦-暖切變線型過程的西南渦路徑相比要明顯偏北(圖6)。低渦本身對(duì)湖南極端降水的影響較弱或沒有影響，主要是低渦在東移過程中其西南側(cè)的冷式切變線影響湖南，造成極端降水的發(fā)生。

圖6 1981—2018年湖南省西南渦的移動(dòng)路徑(a)東南移型，(b)先東南移再東(東北)移型，(c)東(東北)移型

圖7 1981—2018年湖南省冷槽切變線型極端降水過程合成的天氣形勢(shì)(a)500 hPa高度場(chǎng)(等值線，單位：dagpm)；(b)850 hPa風(fēng)場(chǎng)(矢量)和≥10 m·s-1的大風(fēng)速區(qū)(陰影)；(c～e)地面氣壓場(chǎng)(等值線，單位：hPa)和風(fēng)場(chǎng)(矢量)：(c)地面輻合線型，(d)冷鋒型，(e)暖低壓倒槽型；(f)24 h累計(jì)降雨量(圖7a、7b、7c、7e中粗虛線分別為高空槽、切變線、地面輻合線和低壓倒槽)

圖8 1981—2018年湖南省冷槽切變線型西南渦的移動(dòng)路徑

本型的地面形勢(shì)可分為三類，第一類是地面輻合線型(圖7c)，其特點(diǎn)是地面為東高西低形勢(shì)，降水區(qū)以南低緯地區(qū)有較強(qiáng)的偏南氣流，北側(cè)南風(fēng)風(fēng)速較小或?yàn)槿醯钠睔饬鳎瑥?qiáng)降水區(qū)有較強(qiáng)的風(fēng)速(和風(fēng)向)輻合。第二類是地面冷鋒型(圖7d)，其特點(diǎn)是我國(guó)東部地區(qū)地面為鞍形場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征，中高緯受東北冷渦控制，冷渦東移帶動(dòng)后側(cè)冷空氣南下至暴雨區(qū)北側(cè)，與副高西側(cè)暖濕氣流匯合，冷暖氣流交匯有利于冷鋒鋒生。第三類是地面暖低壓倒槽型(圖7e)，暖低壓倒槽為極端降水提供高溫高濕的不穩(wěn)定層結(jié)，也為極端降水的發(fā)生提供觸發(fā)條件。

此型的強(qiáng)降水區(qū)位于高空槽和冷式切變線東南側(cè)，雨區(qū)分布與影響系統(tǒng)類似，呈東北—西南向帶狀分布，帶狀結(jié)構(gòu)特征在5種類型中最明顯，大雨區(qū)可連綿上千千米，強(qiáng)度上，該型極易出現(xiàn)大暴雨量級(jí)的降雨(圖7f)。

冷槽切變線型極端降水的天氣系統(tǒng)較為明顯，中低層和地面的動(dòng)力強(qiáng)迫作用清晰，日常業(yè)務(wù)分析中應(yīng)注意地面影響系統(tǒng)的不同而導(dǎo)致的降水類型的差異。另外武陵山東側(cè)湘鄂交界區(qū)域是梅雨鋒上中尺度氣旋波新生或加強(qiáng)的重要源地之一, 其形成原因與長(zhǎng)江中游復(fù)雜地形下有利的動(dòng)力和熱力因素有關(guān)(張家國(guó)等，2013)，因此應(yīng)關(guān)注有利于該區(qū)域新生渦發(fā)展和加強(qiáng)的環(huán)境條件。

3.3 臺(tái)風(fēng)型

湖南雖然地處內(nèi)陸，但登陸臺(tái)風(fēng)仍對(duì)湖南有較大的影響，例如21世紀(jì)初影響較大的200604號(hào)臺(tái)風(fēng)碧利斯和200709號(hào)臺(tái)風(fēng)圣帕，均造成了湖南嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害(葉成志等，2009)。38年間，造成湖南區(qū)域性極端降水過程的臺(tái)風(fēng)個(gè)例有14例(包括2個(gè)臺(tái)風(fēng)減弱后的低壓環(huán)流與西風(fēng)帶系統(tǒng)相互作用的個(gè)例)。臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑可分為西北行路徑和北上路徑，從浙江和福建登陸的臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑均為西北行路徑，廣東登陸的臺(tái)風(fēng)中2例為西北行路徑，3例為北上路徑(圖9)。臺(tái)風(fēng)登陸后由于受多種因素的影響，其降水分布通常呈不對(duì)稱結(jié)構(gòu)特征(陳聯(lián)壽等，2004；孫力等，2015)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，這14例按其降水的分布特征，可分為西南象限型(10例)、西北象限型(2例)和東北象限型(2例)。從浙江和福建登陸的9例均為西南象限型。

圖9 1981—2018年湖南省臺(tái)風(fēng)型個(gè)例的路徑

在臺(tái)風(fēng)降水分布的三種類型中，西北象限型和東北象限型樣本較少(均只有2例)，而西南象限型有10例，因此本型的合成分析僅針對(duì)西南象限型。其天氣系統(tǒng)特征如下：

西南象限型臺(tái)風(fēng)主要出現(xiàn)在盛夏季節(jié)，正是一年中副高最強(qiáng)大的時(shí)段，因此中層500 hPa副高偏強(qiáng)，位置偏北，脊線多呈東西走向(圖10a)，臺(tái)風(fēng)低壓環(huán)流位于副高西南側(cè)的偏東氣流中，有利于臺(tái)風(fēng)的西北行。低層臺(tái)風(fēng)中心位于強(qiáng)降水區(qū)的東北方向，臺(tái)風(fēng)低壓環(huán)流受兩支強(qiáng)水汽輸送通道影響，即與西南季風(fēng)相聯(lián)系的偏南風(fēng)水汽通道和與臺(tái)風(fēng)低壓環(huán)流相聯(lián)系的偏北風(fēng)水汽通道(圖10b，10c)，強(qiáng)降水受臺(tái)風(fēng)低壓環(huán)流及其西南側(cè)的切變線影響，主要出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)低壓環(huán)流的西南象限。從強(qiáng)降水發(fā)生的區(qū)域看，臺(tái)風(fēng)型區(qū)域性極端降水主要出現(xiàn)在湖南東部和南部，尤其是湘東南地區(qū)。與其他類型的雨區(qū)呈帶狀結(jié)構(gòu)明顯不同，臺(tái)風(fēng)型的降水區(qū)帶狀結(jié)構(gòu)不明顯，多呈塊狀分布，降水強(qiáng)度在5種類型中也最強(qiáng)，極易出現(xiàn)大暴雨以上量級(jí)的降水(圖10d)，影響區(qū)域多為湖南東部和南部地區(qū)，尤其在湘東南地區(qū)，這除了與臺(tái)風(fēng)系統(tǒng)具有較好的熱動(dòng)力條件有關(guān)外，還與該地區(qū)有利的地形有關(guān)，湘東南地區(qū)南部為南嶺山脈，東部為羅霄山脈，西部有雪峰山脈，地形對(duì)湘東南臺(tái)風(fēng)暴雨有明顯的增幅作用(姚蓉等，2007；Gao et al，2009)，因此在實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中預(yù)報(bào)員除了要關(guān)注登陸臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)方向和風(fēng)雨分布外，也要關(guān)注湘東南的復(fù)雜地形對(duì)強(qiáng)降水的增幅作用。

圖10 同圖5，但為臺(tái)風(fēng)型

3.4 副高邊緣型

副高邊緣型極端降水過程僅出現(xiàn)5次，其主要影響系統(tǒng)是500 hPa穩(wěn)定維持的副高、低層的切變線和急流。其天氣系統(tǒng)特征如下：

500 hPa副高已控制湖南的東南部地區(qū)，副高脊線位于23°N附近，副高較為穩(wěn)定，雖然在過程期間略有東退，但仍控制我國(guó)東南部省份，5例中，有3例副高西北側(cè)為短波槽控制， 2例由于在北方分別有東北冷渦和華北冷渦存在而在副高西北側(cè)存在深厚高空槽，因此合成圖上高空槽較為明顯(圖11a)，穩(wěn)定維持的副高一方面可以阻擋西風(fēng)帶系統(tǒng)的南下，有利于降水維持，另一方面有利于其西側(cè)從低層到地面暖濕急流的建立，為降水區(qū)輸送充足的水汽和不穩(wěn)定能量。低層850 hPa暴雨區(qū)北側(cè)受切變線影響，其中4例低空急流建立(圖11b)，過程期間切變線隨副高的緩慢減弱而南移。地面圖上，暴雨區(qū)南側(cè)均有較強(qiáng)的偏南風(fēng)，暴雨區(qū)有明顯的風(fēng)速輻合(圖11c)。雨區(qū)呈東北—西南向分布在副高北界附近，以暴雨為主，局地大暴雨(圖11d)。本型與冷槽切變線型的影響系統(tǒng)有些類似，主要區(qū)別是強(qiáng)降水落區(qū)與副高的位置關(guān)系以及發(fā)生的季節(jié)不同。副高邊緣型的強(qiáng)降水大都出現(xiàn)在盛夏季節(jié)，雨帶位于副高北界不穩(wěn)定層結(jié)區(qū)，雨帶的分布和移動(dòng)與副高密切相關(guān)，因此該型的預(yù)報(bào)除了要關(guān)注上游高空槽以及低層切變線的位置關(guān)系，更要關(guān)注副高的移動(dòng)和強(qiáng)度變化。

圖11 同圖5，但為副高邊緣型

3.5 一致南風(fēng)型

38年間，一致南風(fēng)型極端降水過程僅出現(xiàn) 3次，其主要影響系統(tǒng)是從地面到高空上下一致的西南氣流。其天氣系統(tǒng)特征如下：

強(qiáng)降水區(qū)從地面至高空均受上下一致的偏南氣流控制，500 hPa處在高空槽前強(qiáng)西南氣流中(圖12a)，高空槽移動(dòng)緩慢，副高穩(wěn)定少動(dòng)。低層850 hPa雖然也有切變線，但切變線離強(qiáng)降水區(qū)較遠(yuǎn)，強(qiáng)降水區(qū)受較強(qiáng)西南氣流控制，暴雨區(qū)北側(cè)有較強(qiáng)的西南氣流風(fēng)速輻合,強(qiáng)降水的產(chǎn)生與西南氣流的脈動(dòng)有關(guān)(圖12b)，地面形勢(shì)雖各不相同，但共同的特點(diǎn)是地面均為偏南風(fēng)控制，高溫高濕的不穩(wěn)定環(huán)境條件有利于強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生，強(qiáng)降水區(qū)有較強(qiáng)的風(fēng)速輻合(圖12c)。強(qiáng)降水位于地面輻合線附近，強(qiáng)度一般為大到暴雨，局地可達(dá)到大暴雨(圖12d)。

圖12 同圖5，但為一致南風(fēng)型

一致南風(fēng)型的個(gè)例較少，但預(yù)報(bào)難度較大，雖然中層處在高空槽前，有一定的大尺度強(qiáng)迫，但低層沒有明顯的切變線影響或切變線遠(yuǎn)離暴雨區(qū)，低層動(dòng)力條件不足，觸發(fā)條件多為西南氣(急)流的脈動(dòng)導(dǎo)致的風(fēng)速輻合或是邊界層輻合線。對(duì)這種弱強(qiáng)迫背景下的暖區(qū)極端降水過程，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的可預(yù)報(bào)性明顯不足，因此應(yīng)當(dāng)在臨近預(yù)報(bào)中加強(qiáng)高時(shí)空分辨率區(qū)域自動(dòng)站資料的應(yīng)用，通過加密區(qū)域自動(dòng)站資料判斷地面輻合線的位置，結(jié)合衛(wèi)星和多普勒雷達(dá)資料提高短時(shí)臨近預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，及時(shí)發(fā)布預(yù)警信號(hào)。

4 結(jié)論與討論

本文在分析了1981—2018年湖南極端降水氣候特征的基礎(chǔ)上，對(duì)湖南省區(qū)域性極端降水過程進(jìn)行天氣系統(tǒng)分型，然后采用分類合成方法研究了各類區(qū)域性極端降水過程的主要天氣系統(tǒng)和熱動(dòng)力過程特征，得到以下結(jié)論：

(1)38年間，湖南省日極端降水閾值均值是71.6 mm，年均出現(xiàn)130站次極端降水日，二者年際變化大，在1993年有一個(gè)明顯的突變，即1993年前日極端降水閾值均值低(65.7 mm)、極端降水日站次少(平均99次·a-1)，1993年后閾值均值高(74.7 mm)、極端降水日多(平均146次·a-1)。日極端降水閾值和極端降水日的空間分布不均，湘中及以北地區(qū)閾值高，極端降水強(qiáng)度大，出現(xiàn)頻次低，湘南地區(qū)閾值低，極端降水強(qiáng)度小，出現(xiàn)頻次高。

(2)38年間，湖南共發(fā)生91次區(qū)域性極端降水過程，主要發(fā)生在5—8月，尤其是6月和7月，根據(jù)主要影響系統(tǒng)分為五種天氣型：西南渦-暖式切變線型、冷槽切變線型、臺(tái)風(fēng)型、副高邊緣型和一致南風(fēng)型，其中前兩種是湖南最主要的極端降水天氣型。

(3)極端降水是各影響系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，其中高空槽、西南渦、切變線和低空急流是湖南極端降水最主要的影響系統(tǒng)。當(dāng)西南渦未出西南地區(qū)或位置偏南，湖南極端降水由西南渦和暖式切變線產(chǎn)生，如果西南渦位置偏北，或者武陵山東側(cè)有新生渦發(fā)展和加強(qiáng)，則湖南極端降水由西南渦(新生渦)后側(cè)冷式切變線產(chǎn)生。地形對(duì)極端降水的增幅作用明顯，尤其是對(duì)于湘東南臺(tái)風(fēng)極端降水過程。不同的季節(jié)，副高對(duì)極端降水的落區(qū)和強(qiáng)度有不同的影響。弱強(qiáng)迫背景下的暖區(qū)極端降水預(yù)報(bào)難度大，應(yīng)加強(qiáng)高時(shí)空分辨率的區(qū)域自動(dòng)站資料、衛(wèi)星和多普勒雷達(dá)資料的應(yīng)用。

天氣系統(tǒng)分型研究有助于預(yù)報(bào)員快速識(shí)別極端降水的形勢(shì)及配置關(guān)系，判斷極端降水發(fā)生的可能性，對(duì)于極端降水的預(yù)報(bào)是必不可少的。但分型是基于天氣尺度系統(tǒng)的，而極端降水的直接制造者往往是中小尺度系統(tǒng)，因此在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中，預(yù)報(bào)員應(yīng)該在大尺度天氣分型的基礎(chǔ)上，分析中小尺度系統(tǒng)的環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)特征及其生消演變過程，同時(shí)參考數(shù)值預(yù)報(bào)(尤其是集合預(yù)報(bào)少數(shù)成員的極端預(yù)報(bào))以及綜合觀測(cè)資料，對(duì)極端降水的可能落區(qū)、強(qiáng)度和起止時(shí)間做出精確預(yù)報(bào)，同時(shí)在臨近階段及時(shí)發(fā)布預(yù)警信號(hào)。