基于ISCCP 數(shù)據(jù)集的梅雨期影響浙江省及周邊地區(qū)的對流系統(tǒng)特征分析

劉瑞，朱佩君，翟國慶

（浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，浙江杭州 310027）

梅雨是我國江淮流域（包括浙江省及周邊區(qū)域）的特征性天氣氣候現(xiàn)象，是東亞大氣環(huán)流在夏季風(fēng)向北推進(jìn)過程中春夏過渡季節(jié)的產(chǎn)物［1］。我國江淮流域作為重要的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口稠密，同時旱澇災(zāi)害發(fā)生較為頻繁，其中6—7 月的旱澇大部分由梅雨異常引起［2］。浙江梅雨具有明顯的區(qū)域性特征，雨季較長，天氣形勢較復(fù)雜［3］，且由于浙江及周邊山脈眾多，下墊面分布不均一等［4］，情況更復(fù)雜。例如2020 年的梅雨期造成長江流域的超歷史洪澇災(zāi)害，其中浙江省梅雨期降水量達(dá)633 mm，為1949 年以來歷史最高位，杭州市降水量815 mm，為全省最高，造成華東地區(qū)最大的水庫——新安江水庫運(yùn)營61 a 來首次打開全部九孔泄洪，以緩解洪澇帶來的災(zāi)害風(fēng)險。

梅雨期間，江淮地區(qū)會形成一條東西走向的狹長準(zhǔn)靜止鋒，稱為梅雨鋒，梅雨鋒是季風(fēng)氣團(tuán)與其他氣團(tuán)之間的鋒面，是夏季風(fēng)北側(cè)的相當(dāng)位溫強(qiáng)梯度帶，具有明顯的三維熱力和動力特征［5］，梅雨鋒暴雨的形成是幾種不同尺度天氣系統(tǒng)相互作用的結(jié)果［6］，在對流層中低層，梅雨鋒輻合帶主要由西太平洋副熱帶高壓西側(cè)外圍的西南暖濕氣流和東北低渦后部的偏北氣流匯流而成［7］，梅雨鋒對應(yīng)輻合帶恰好位于對流層高層南亞高壓脊線附近的強(qiáng)輻散區(qū)的下方，且為位溫梯度大值區(qū)，對流層中層短波槽東移，為梅雨鋒上的中尺度對流系統(tǒng)（mesoscale convective system，MCS）的發(fā)展提供有力的大尺度強(qiáng)迫（動力和熱力）條件，梅雨鋒南側(cè)的西南低空急流為梅雨鋒暴雨的形成提供充分的水汽和能量［8］，同時，梅雨鋒云帶上不斷有多個不同尺度的對流系統(tǒng)（convection system，CS）及云團(tuán)生消，不同尺度的對流系統(tǒng)活動引發(fā)的熱力影響可能激發(fā)慣性重力波，進(jìn)一步加劇系統(tǒng)的持續(xù)［9］，再加上江淮地區(qū)復(fù)雜地形對系統(tǒng)發(fā)展的影響，導(dǎo)致降水落區(qū)的差異，形成暴雨中心［10］，由此可見，梅雨期暴雨的形成是多因子相互影響有機(jī)疊加的綜合產(chǎn)物，給梅雨期暴雨特別是極端暴雨的機(jī)理分析及預(yù)報帶來很大挑戰(zhàn)，其中，中尺度對流系統(tǒng)是造成暴雨和洪澇災(zāi)害的主要天氣系統(tǒng)之一［8］，且對流降水在總降水量中的貢獻(xiàn)居主導(dǎo)地位［11］，因此對梅雨期影響浙江省及周邊地區(qū)的對流系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，對防災(zāi)減災(zāi)具有積極和現(xiàn)實意義。

基于國際衛(wèi)星云氣候計劃（international satellite cloud climate program，ISCCP）的深對流路徑跟蹤數(shù)據(jù)集（convection tracking dataset，CT），對1998—2007 年5—7 月中旬［3］影響江淮地區(qū)的CS 時空分布和強(qiáng)度變化的參數(shù)特征進(jìn)行了統(tǒng)計分析，旨在為進(jìn)一步對該地區(qū)強(qiáng)對流系統(tǒng)研究及天氣預(yù)報積累資料，提供參考。

1 資料與方法

ISCCP 中 的CT 資 料（網(wǎng)址為https：//isccp.giss.nasa.gov/outgoing/PICKUP/CT/）主要是對深對流系統(tǒng)的移動變化（從初生到消亡）進(jìn)行追蹤，得到完整的數(shù)據(jù)集，每個數(shù)據(jù)集提供時間分辨率為3 h、系統(tǒng)半徑為100 km 以上的CS 宏觀的和云物理特性等41 個有效參數(shù)，包括CS 生成時間、位置、半徑、內(nèi)嵌的最大對流云團(tuán)（convective clusters，CC）及其對應(yīng)的CC 位置、半徑、移動移速及系統(tǒng)內(nèi)部特征等。數(shù)據(jù)集以靜止衛(wèi)星的多通道輻射反演產(chǎn)品作為數(shù)據(jù)源，通過比較進(jìn)行云區(qū)識別，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行CS 識別和跟蹤，得到相應(yīng)的物理量參數(shù)。

本文基于1998—2007 年10 a 的梅雨期深對流CS 路徑數(shù)據(jù)，選擇CS 移動過程（覆蓋整個生命史長）中心經(jīng)度和緯度“落在”研究區(qū)域且通過數(shù)據(jù)集中質(zhì)量評價指標(biāo)的深對流過程，將其記為影響研究區(qū)域的CS 過程，提取其中對應(yīng)的第1 個時次的CS中心點(diǎn)位置作為CS 源地（即初始位置），對應(yīng)的時刻記為初始時刻。分析影響研究區(qū)域CS 的源地分布特征，并統(tǒng)計初始時刻；進(jìn)一步，將云頂最低溫減小作為判斷條件，統(tǒng)計系統(tǒng)增強(qiáng)過程的落區(qū)情況，為認(rèn)識對流過程及預(yù)報提供一定的參考。

2 CS 時空分布特征

2.1 CS 空間分布特征

對浙江省、江蘇省南部、上海市、江西省西北部及福建省北部地區(qū)開展研究，將CS 源地劃分為5 個區(qū)域，分別為研究區(qū)域（SA）、西南區(qū)域（SW）、西北區(qū)域（NW）、東北區(qū)域（NE）、東南區(qū)域（SE），如圖1（a）所示，中心矩形SA 的緯度為27.0°N～31.5°N，經(jīng)度為115°E～124°E。提取影響研究區(qū)域的CS 過程，共計521 個。從統(tǒng)計的CS 源地數(shù)看，CS 源地主要來源于該區(qū)域本地，達(dá)180 個，占34.5%，其中，50%以上的生命史在6 h 以內(nèi)（短時對流系統(tǒng)），由SW移入的有129 個（24.7%）、由NW 移入的有123 個（23.6%），由NE 和SE 移入的分別為59 和30 個，分別占11% 和5.7%。說明影響研究區(qū)域的深對流系統(tǒng)源地主要為研究區(qū)域及周邊區(qū)域，而影響研究區(qū)域較長生命史的CS 源地則多為研究區(qū)域西部的高原東部、長江上游地區(qū)，其次是由云貴高原、南海向北移入以及西北地區(qū)向東移入，一般生命史較長。

將影響研究區(qū)域的521 個樣本，按照生命史分布和累積百分比（圖1（b）中實線）排列，影響研究區(qū)域CS的生命史可達(dá)120 h 及以上，且占比最高，為25%，說明來自高原東部、西南方向等的CS 通過連續(xù)更替可以長距離奔襲影響我國長三角地區(qū)。占比居第2 位的深對流系統(tǒng)生命史為0～6 h，其主要是就地和在毗鄰區(qū)域發(fā)生，占比可達(dá)19%，這類深對流系統(tǒng)具有發(fā)生時間短、發(fā)展速度快、業(yè)務(wù)預(yù)報難度大等特點(diǎn)，因此對研究區(qū)域有重要影響。雖然長生命史過程（120 h以上）占比較大，整體而言，累積百分比為70%的CS（圖1（b）虛線）生命史在96 h 以內(nèi)。

圖1 影響研究區(qū)域的深對流系統(tǒng)的初始位置空間分布、生命史及相關(guān)統(tǒng)計Fig.1 Spatial distribution of initial position，life history and related statistics of deep CSs

為了解研究區(qū)域內(nèi)就地和毗鄰區(qū)域發(fā)生的深對流系統(tǒng)（生命史長在96 h 以內(nèi)），根據(jù)CS 源地空間分布，將緯度為0°N～60°N，經(jīng)度為80°E～160°E（圖1（a））的區(qū)域劃分為多個1°×1°的小方格，統(tǒng)計每個小方格內(nèi)CS 源地發(fā)生次數(shù)，并填色顯示（圖2）。由圖2 可知，CS 源地存在多個中心區(qū)域，分別為湖北省東部、浙皖交界、浙江省西部、浙閩交界、江西省中部等區(qū)域。結(jié)合地形（圖3）比較，CS 高發(fā)區(qū)的中心區(qū)域與山脈地形有較好的對應(yīng)關(guān)系，表明影響研究區(qū)域生命史的CS 其生成位置可能與山地作用有關(guān)，且在特定區(qū)域存在高發(fā)區(qū)，如浙皖交界的黃山、天目山和懷玉山，浙閩交界的武夷山、仙霞嶺、洞宮山等，該結(jié)果與WECKWERTH 等［15］的研究結(jié)果一致。有意思的是，江西省北部是CS 相對低發(fā)區(qū)，對照江西省北部地形，海拔低于100 m 的鄱陽湖區(qū)域為CS 源地相對低發(fā)區(qū)，說明熱力因素對CS 生成位置分布的差異性有一定影響。

圖2 CS 源地發(fā)生次數(shù)Fig.2 Number of occurrences of the initial position of the deep CSs

圖3 浙江省及其周邊區(qū)域主要山脈與地形高度Fig.3 Topographic and main mountain ranges of Zhejiang province and its surrounding areas

2.2 CS 發(fā)生的初始時刻分布特征

進(jìn)一步分析CS 發(fā)生的初始時刻特性，避免因區(qū)域選擇引起的初始時刻分布差異，選擇3 個統(tǒng)計區(qū)域：（1）研究區(qū)域及周邊區(qū)域，即圖1（a）中范圍，包含影響研究區(qū)域所有的CS 過程；（2）研究區(qū)域及周邊主要地形分布區(qū)域，即圖3 中范圍；（3）研究區(qū)域，即圖1（a）中心矩形區(qū)域。CS 發(fā)生初始時刻統(tǒng)計結(jié)果分別對應(yīng)圖4（a）、（b）、（c）。總體而言，3 個統(tǒng)計區(qū)域中，白天CS 發(fā)生次數(shù)均稍大于晚上，白天CS發(fā)生次數(shù)占比分別為55%，62%，61%。在0：00—21：00（UTC，下同）每隔3 h 進(jìn)行統(tǒng)計，所有時次均有發(fā)生，并具有一定的日變化特征。圖4（b）和（c）中，CS 發(fā)生初始時刻的分布比例基本一致，說明地形為重要影響因素。3 個統(tǒng)計區(qū)域中，白天9：00CS發(fā)生次數(shù)占比均最大，分別為20%，26%，24%，根據(jù)數(shù)據(jù)集產(chǎn)生算法，即使在初始時刻依然需要符合閾值條件Tbb

圖4 CS 初始時刻發(fā)生次數(shù)Fig.4 Number of the initial occurrence time of the deep CSs

3 CS 加強(qiáng)過程特征初步統(tǒng)計

CS 加強(qiáng)的程度、發(fā)生位置等對科學(xué)研究、預(yù)報、預(yù)警均有重大意義。云頂最低溫變化能較好地表征系統(tǒng)的強(qiáng)度變化［19］，計算生命史在96 h 內(nèi)的對流系統(tǒng)逐3 h 云頂最低溫變化（減?。?，按照溫度減小閾值，得到系統(tǒng)發(fā)生變化的位置，記為P2，系統(tǒng)變化前3 h 位置記為P1，由于深對流系統(tǒng)半徑至少為100 km，所以采用P2、P1的中點(diǎn)P3代表云頂最低溫減小過程發(fā)生的位置，即用云頂最低溫減小表征系統(tǒng)加強(qiáng)，從而確定系統(tǒng)加強(qiáng)的位置，并記為一次加強(qiáng)，然后對P3的空間分布（經(jīng)度和緯度）進(jìn)行統(tǒng)計。

為更全面地了解深對流系統(tǒng)發(fā)展過程中云頂最低溫的減小情況，將閾值每間隔1 K 作為一個計算變量，分析強(qiáng)度變化和位置分布，得到不同閾值下深對流系統(tǒng)加強(qiáng)發(fā)生次數(shù)的空間分布，如圖5 所示。整體而言，研究區(qū)域內(nèi)深對流系統(tǒng)加強(qiáng)發(fā)生次數(shù)基本呈橫向分布，在江西省北部與安徽省、湖北省、浙江省交界處，鄱陽湖附近海拔低于100 m 區(qū)域為深對流系統(tǒng)加強(qiáng)高發(fā)區(qū)。

圖5 不同閾值下深對流系統(tǒng)加強(qiáng)發(fā)生次數(shù)的空間分布Fig.5 Spatial distribution of intensification frequency of deep CSs under different thresholds

4 結(jié)論

基于1998—2007 年梅雨期ISCCP 的CT 資料，對影響浙江省及周邊區(qū)域CS 源地、CS 發(fā)生初始時刻分布以及CS 加強(qiáng)過程特征等要素進(jìn)行總結(jié)分析，主要結(jié)論如下：

（1）影響研究區(qū)域的深對流系統(tǒng)主要來源于該區(qū)域本地，其中50%以上為短時對流系統(tǒng)，其次由西南、西北區(qū)域移入；從CS 源地分布看，CS 源地多集中在山地，與地形有較好對應(yīng)關(guān)系，存在4 個中心區(qū)域，分別為湖北省東部，安徽省、浙江省、江西省交界處，浙江省南部與福建省交界處以及江西省與福建省中部相鄰區(qū)域。此外，位于江西省北部海拔低于100 m 的鄱陽湖區(qū)域為CS 源地相對低值區(qū)，說明熱力因素對CS 生成位置分布差異性有一定影響。

（2）根據(jù)不同區(qū)域CS 發(fā)生初始時刻統(tǒng)計，白天發(fā)生次數(shù)稍大于晚上，具有一定的日變化特征，白天9：00 作為初始時刻占比最大，根據(jù)數(shù)據(jù)集產(chǎn)生算法及衛(wèi)星、雷達(dá)觀測系統(tǒng)發(fā)展規(guī)律，此時達(dá)到成熟積云條件，且逐步發(fā)展為積雨云，深對流系統(tǒng)觸發(fā)時間提前1～2 h，即為白天7：00—8：00，并可能在9：00 左右出現(xiàn)暴雨。

（3）用云頂最低溫變化表征系統(tǒng)強(qiáng)度變化，探究系統(tǒng)加強(qiáng)敏感區(qū)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)加強(qiáng)在研究區(qū)域基本呈水平分布，在江西省北部與安徽省、湖北省、浙江省交界處，鄱陽湖附近海拔低于100 m 的區(qū)域為系統(tǒng)加強(qiáng)高發(fā)區(qū)。