2020年湖北省兩次低渦型極端降水氣象因子異常特征對比

董良鵬 張萍萍

(1.武漢中心氣象臺,湖北武漢 430074； 2.威海市氣象局,山東威海 264200)

引言

IPCC(政府間氣候變化專門委員會)第五次評估報告表明，全球變暖背景下，極端氣候事件呈增多趨勢[1]。極端降水天氣作為極端氣候事件的一部分,所引發(fā)的洪澇、滑坡、泥石流等自然災害已成為目前人類面臨的嚴峻問題[2-4]。

現(xiàn)階段的極端降水預報仍為天氣預報難題，其研究的主要方向為3方面：一是極端降水多尺度天氣特征研究，黃榮輝等[5]認為中國長江流域和江淮流域洪澇災害頻繁發(fā)生與東亞夏季風變弱、西太平洋副熱帶高壓偏南、偏西有關。陶詩言和衛(wèi)捷[6]研究表明，中國南方流域性致洪暴雨與季風涌存在密切的關系。孫鳳華等[7]分析了東亞副熱帶西風急流位置的南北移動與中國長江流域和華北降水異常之間的聯(lián)系。方翀等[8]、張楠等[9]研究了大暴雨發(fā)生過程中的中尺度系統(tǒng)特征。楊磊等[10]分析了臺風影響下遼寧不同區(qū)域的極端暴雨成因。林璇等[11]對中國華北“7·20”特大暴雨進行了多尺度特征分析。二是極端降水氣象因子異常度研究，杜鈞等[12]以北京“7·21”特大暴雨為例應用了一種采用標準化異常度來進行極端降水預報的方法。張萍萍等[13]對一次梅雨期罕見極端強降水進行了氣象因子異常特征分析，并給出了此次過程氣象因子異常度的定量配置。何光碧等[14]認為2018年7月四川盆地降水偏多的主要原因在于較氣候態(tài)異常偏多的水汽聚集。婁小芬等[15]對臺風“利奇馬”造成浙江極端降水的成因進行了分析，指出物理量的異常度可作為判斷極端降水的重要因子。三是極端降水天氣分型研究，孫建華等[16]對20世紀90年代中國華北的大暴雨天氣形勢進行了分型研究，指出臺風和低渦是主要影響系統(tǒng)。錢維宏等[17]將中國東部地區(qū)的41日次區(qū)域暴雨劃分為7類異常環(huán)流型，其中的渦旋類有4類。張家國等[18]對湖北省60例極端降水過程進行分析，歸納出5類主要影響天氣系統(tǒng)，即鋒面氣旋、西南渦切變、西南渦—東北氣旋、暖倒槽和登陸臺風。鐘敏等[19]通過對華中區(qū)域139例極端降水個例進行研究，總結出緯向型、經(jīng)向型、臺風西風帶冷槽結合型和短波槽前低渦暖切變型四類極端降水天氣形勢。

以上研究表明，低渦型是產(chǎn)生極端降水的重要天氣型。以往的低渦型極端降水研究多側重于低渦天氣系統(tǒng)和中尺度系統(tǒng)方面的研究，對于極端降水發(fā)生時低渦特征及氣象因子異常度的研究較少。因此，研究不同類型低渦結構、氣象因子異常度特征，判斷低渦型極端降水可能的發(fā)生區(qū)域，是極端降水預報實際業(yè)務的迫切需求。2020年夏季湖北省遭遇了兩次較明顯的低渦型極端降水過程(6月27日和7月7日)，這兩次極端降水的預報強度偏弱、范圍偏小。基于實際預報需求，有必要深入探討兩次過程的異同，找出相應的預報指標，以期為湖北省及其他地區(qū)的低渦型極端降水預報提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

所用資料包括2020年6月27日、7月7日氣象常規(guī)高空觀測資料， 1981—2012年湖北省78個國家站以及2020年6月27日、7月7日國家站及區(qū)域站實況降水觀測資料，1981—2012年NCEP/NCAR 2.5°×2.5°逐6 h再分析資料，主要計算并應用了位勢高度、風、溫度、海平面氣壓、大氣可降水量、水汽通量散度、比濕、露點、渦度、散度、K指數(shù)、溫度平流等物理量。

1.2 研究方法

極端強降水閾值應用百分位法，將1981—2012年單站日降水量中達到中雨量級(≥10 mm)的降水量從小到大進行排序，取95%百分位的降水量值定義為該站的極端降水閾值[20]。為研究極端強降水事件中各物理量的異常度特征，本文應用標準化距平法計算氣象因子異常度，公式為

N=(X-μ)/σ

(1)

(2)

式(1) ～式(2)中，N為因子異常度；X為要素值；μ為要素平均值；σ為標準差；n為樣本數(shù)。根據(jù)1981—2012年NCEP/NCAR再分析資料，采用滑動平均法，取當天前10 d、當天、當天后10 d共21 d的數(shù)據(jù)計算得到要素平均值。Grumm和Hart[21]的研究表明，可用N值大小判定極端事件中因子的異常程度，N的絕對值越大，表明因子與歷史同期平均值的偏離程度越高。

2 結果分析

2.1 兩次過程降水極端性對比

2020年6月27日和7月7日，湖北省分別發(fā)生了入梅以來兩次大范圍的大暴雨、局地特大暴雨降水過程，其中6月27日過程出現(xiàn)了龍卷。經(jīng)統(tǒng)計，兩次降水過程出現(xiàn)大暴雨(24 h降水量≥100 mm)的國家站、區(qū)域站總站數(shù)分別為489站和359站，達到特大暴雨標準(24 h降水量≥250 mm)的總站數(shù)分別為24站和21站。 6月27日降水過程有4個國家站24 h降水量突破建國以來當月歷史極值，7月7日過程有2個國家站24 h降水量排名歷史第一(表1)。

表1 2020年湖北省兩次降水過程24 h降水量實況Table 1 Characteristic of the 24 h precipitation amount of the two rainstorm processes in Hubei province in 2020

極端降水事件統(tǒng)計結果表明，6月27日降水過程湖北省有29個國家站24 h雨量達到極端降水標準(圖1a)，而7月7日降水過程則有31個國家站24 h雨量達到極端降水標準(圖1b)。

兩次過程均有短時強降水發(fā)生，但是降水性質不同。6月27日過程以對流性降水為主，對流非常劇烈，最強降水集中在27日午后到傍晚時段，區(qū)域站小時最大雨強達98.8 mm(當陽市向家草壩站)，伴隨明顯的雷電，并出現(xiàn)了龍卷。7月7日過程降水以大尺度降水為主，最強降水出現(xiàn)在8日凌晨，區(qū)域站小時最大雨強達82.8 mm(黃梅縣杉木鄉(xiāng)站)，沒有觀測到雷電。

2.2 大尺度背景及天氣形勢異常特征對比

2020年6月27日降水過程500 hPa環(huán)流形勢較為穩(wěn)定(圖2a)，歐亞中高緯度西風帶主要為兩槽一脊型。6月27日20時巴爾喀什湖槽附近的高度場較常年同期偏低2個標準差，表明此處低值系統(tǒng)非?；钴S，湖北省主要受巴爾喀什湖附近分裂短波槽東移影響，500 hPa為槽前西南氣流控制。西太平洋副熱帶高壓(簡稱副高)呈東西走向穩(wěn)定位于華南地區(qū)，脊線在20°N附近，較常年同期顯著偏強，引導暖濕氣流向湖北地區(qū)輸送。在高空槽前的正渦度平流作用下，850 hPa有西南低渦在四川、重慶一帶生成并向東北方向移動加強，27日20時低渦東南側出現(xiàn)明顯的超低空急流(圖2c)，最大風速達16 m·s-1，急流中心強度較氣候平均偏強達到3個標準差，異常偏強的低空急流為此次極端天氣的產(chǎn)生輸送了充沛的水汽和較強的不穩(wěn)定能量，有利于極端降水的產(chǎn)生。由海平面氣壓場可知(圖略)，湖北省暖低壓發(fā)展的最低值較氣候平均偏低2個標準差，有利于不穩(wěn)定能量的迅速積累，地面圖的湖北西部在鋒面前側暖槽中(圖2e)，地面溫度達26 ℃左右，湖北中部有一條明顯的地面輻合線。

小三角為達到極端降水標準氣象站點；大三角為24 h累計降水量超過200 mm的氣象站點；數(shù)字為大三角所示氣象站點24 h累計降水量圖1 2020年6月27日08時至28日08時(a)和7月7日08時至8日08時(b)湖北省極端降水站點分布Fig.1 Station distributions for extreme rainfall in Hubei province from 08:00 on June 27 to 08:00 on June 28 (a) and from 08:00 on July 7 to 08:00 on August 8 (b),2020

與6月27日過程相似，7月7日500 hPa高度場也表現(xiàn)為兩槽一脊(圖2b)，但中國東北地區(qū)低槽明顯偏強，而巴爾喀什湖槽明顯偏弱，500 hPa湖北省主要受東北低槽槽后偏北氣流影響。7月7日20時副高與大陸高壓連為一體，強度較氣候平均偏高2個標準差，東北冷槽與副高的強烈發(fā)展，導致500 hPa上南北氣流在湖北省交匯。在500 hPa南北氣流的共同作用下，低層850 hPa (圖略)氣流輻合中心先位于湖北省中北部，之后向南緩慢移動至江漢平原，7日20時之后加強為江漢平原低渦，并沿西南—東北方向移動到湖北省東北地區(qū)，低渦東南側有一支最大風速為12 m·s-1的超低空急流形成(圖2d)，急流的強度較6月27日過程偏弱，但具有一定的持續(xù)性，為極端降水的發(fā)生發(fā)展提供了持續(xù)的水汽輸送。海平面氣壓場上，華北地區(qū)正距平明顯偏強，冷高壓強度達1010 hPa，在湖北省夏季屬于異常偏強。由地面圖可知(圖2f)，自7月7日08時開始，湖北省東部地區(qū)降水區(qū)域出現(xiàn)了明顯的露點梯度大值區(qū)，形成了梅雨靜止鋒。

圖a和圖b黑色實線為等高線，單位為hPa,紅色虛線為等溫線，單位為℃;圖a至圖d陰影為標準化距平；圖c至圖f風羽長桿為4 m·s-1，短桿為2 m·s-1；圖e和圖f閉合黑實線為極端降水范圍，黑色粗虛線為地面輻合線，紅色數(shù)字為溫度，綠色數(shù)字為露點溫度，單位均為℃圖2 2020年6月27日20時(a)和7月7日20時(b)500 hPa高度場、溫度場以及高度場標準化距平場、6月27日20時(c)和7月7日20時(d)925 hPa風場和南風標準化距平場、6月27日14時(e)和7月7日08時(f)國家站地面填圖分析場Fig.2 The 500 hPa height field,temperature field,and height field normalized anomaly at 20:00 on June 27, (a) and 20:00 on July 7 (b),the 925 hPa wind and southerly normalized anomaly at 20:00 on June 27 (c) and 20:00 on July 7 (d),and the surface weather chart at 14:00 on June 27 (e) and 08:00 on July 7 (f),2020

綜上，兩次極端降水過程高空中高緯均為兩槽一脊的形勢，中低緯副高均顯著偏強，低層均有低渦系統(tǒng)形成。但兩次過程中巴爾喀什湖槽和東北槽的強弱、500 hPa風的走向、鋒區(qū)位置、低層低渦生成的位置和性質等均有所不同，屬于兩種不同類型的低渦型極端降水。

2.3 氣象因子異常特征

2.3.1 水汽異常

極端強降水的發(fā)生需要充分的水汽供應。2020年6月27日過程的水汽來源于副高外圍西南暖濕氣流，從風場上看低層出現(xiàn)了明顯的超低空急流(圖2c)。由27日20時整層大氣可降水量(PW)及其異常度分布可知(圖3a)，湖北省中西部大部地區(qū)的PW均為60 mm以上，較常年同期偏大1.5個標準差以上。中心位于遠安—隨州一帶，最大值在70 mm以上，超過2.5個標準差。7月7日過程低層急流要弱于6月27日過程，但強烈的水汽輻合作用使得湖北省中東部的PW達到了65 mm以上(圖3b)，較常年同期偏多了2.5個標準差，表明兩次過程PW均有明顯的異常特征。

極端降水的形成不僅與單時刻水汽因子異常度有關，還與其異常度的持續(xù)性有關[13]。兩個過程各選取一個站點為例進行分析。6月27日過程選取鐘祥市雙河站(24 h累積雨量301.1 mm)。由該站6 h雨量與逐 6 h的PW及其異常度值演變的對應關系可知(圖3c至圖3e)，該站點上空PW一直維持≥60 mm的高值，PW異常度也持續(xù)維持≥2個標準差的明顯異常。6月27日14—20時，隨著PW和PW異常度的增加，降水也呈現(xiàn)出迅速增強的趨勢。7月7日過程選取了黃梅縣挪步園站(24 h累積雨量為351.5 mm)，在該站極端降水發(fā)生過程中，PW一直維持≥68 mm的高值，同時PW異常度也維持≥1.8個標準差的異常(圖3d和圖3f)。以上分析表明，兩次極端降水過程發(fā)生中，PW大值及其異常度均表現(xiàn)出一定的持續(xù)性，在降水最強時段，PW及其異常度的增強對于降水增強均有一定的指示性，PW異常度較PW對降水增強的指示性更強。

圖3 2020年6月27日20時(a)和7月7日20時(b)PW及其標準化距平場、雙河站(c)和挪步園站(d)PW及其異常度、雙河站(e)和挪步園站(f)逐6 h降水量序列和PW異常度變化Fig.3 PW and normalized anomaly at 20:00 on June 27 (a) and 20:00 on July 7 (b),2020,PW and its normalized anomaly sequence diagram at Shuanghe station (c) and Nuobuyuan station (d),and 6 h rainfall and PW normalized anomaly sequence diagram at Shuanghe station (e) and Nuobuyuan station (f)

2.3.2 不穩(wěn)定因子異常

對流有效位能(Convective Available Potential Energy,CAPE)是代表垂直方向總體不穩(wěn)定大小的常用指標[22-23]。由2020年6月27日08時CAPE值及其異常度分布可知(圖4a)，大部地區(qū)CAPE值達1000 J·kg-1以上，CAPE異常度達1.5個標準差以上，表現(xiàn)出明顯的異常性。而7月7日過程(圖4b)，湖北地區(qū)CAPE值均為500 J·kg-1以下，這是由于7月4—6日湖北地區(qū)出現(xiàn)連續(xù)性強降水，導致不穩(wěn)定能量大量釋放，CAPE異常度值均小于0，表明此次過程CAPE值并沒有表現(xiàn)出一定的異常性。

圖a和圖b中CAPE單位為J·kg-1；圖c和圖d露點單位為℃，黑色虛線為露點鋒；圖e和圖f溫度平流單位為10-5 ℃·s-1；圖a至圖f陰影為標準化距平圖4 2020年6月27日08時(a)和7月7日08時(b)CAPE和標準化距平場、6月27日14時(c)和7月7日14時(d)850 hPa露點和標準化距平場、6月27日20時(e)和7月7日20時(f)850 hPa溫度平流和標準化距平場Fig.4 CAPE and normalized anomaly at 08:00 on June 27 (a) and July 7 (b),the 850 hPa dew-point temperature and normalized anomaly at 14:00 on June 27 (c) and July 7 (d),and the 850 hPa temperature advection and normalized anomaly at 20:00 on June 27 (e) and July 7 (f),2020

強降水發(fā)生不僅與垂直方向上的總體熱力不穩(wěn)定有關，還與水平方向上的對流不穩(wěn)定有關[24-25]，露點鋒是表示水平方向對流不穩(wěn)定的一個重要氣象因子[26]。由兩次過程850 hPa露點分布可知(圖4c)，6月27日過程露點鋒主要位于河南西南部，與極端降水發(fā)生區(qū)相隔較遠，極端降水主要發(fā)生在露點鋒南側的暖區(qū)中。從850 hPa溫度平流分布看(圖4e)，極端降水上空為暖平流增強區(qū)，表明6月27日極端降水的性質主要為鋒前暖區(qū)降水。7月7日過程露點鋒的位置位于湖北省東部地區(qū)(圖4d)，降水主要發(fā)生在鋒面附近，由850 hPa溫度平流分布可知(圖4f)，湖北省東北部露點鋒的北側為冷區(qū)，干冷空氣滲透南下，與露點鋒南側的暖濕空氣交匯，對流不穩(wěn)定度加大，促進了極端降水的形成，表明7月7日極端降水的性質主要為鋒面型降水。

2.3.3 低渦動力異常

兩次極端降水過程中均伴隨低渦系統(tǒng)的生成發(fā)展，2020年6月27日和7月7日700 hPa、850 hPa、925 hPa渦度多層平面分布見圖5。由圖5可知，6月27日20時，各層低渦中心位置比較接近(圖5a)，均位于湖北省西北東部，低渦中心從低層往高層略向西傾斜，渦度高值區(qū)對應渦度異常度高值區(qū)，其中850 hPa渦度中心值較氣候平均偏高了1.5個標準差。極端降水區(qū)靠近925 hPa渦度及異常度大值區(qū)。由7月7日過程渦度垂直結構可知(圖5b)，此次過程同樣出現(xiàn)了850 hPa渦度明顯強于925 hPa、700 hPa的特征，渦度異常度大值區(qū)與渦度大值區(qū)重合，但與6月27日過程不同，此次過程各層低渦位于江漢平原地區(qū)，低渦中心從低層到高層略向東傾斜，極端降水區(qū)位于渦度大值區(qū)的東側，遠離低渦中心。

6月27日過程，各層散度輻合區(qū)主要位于湖北省西北以及東北西部(圖5c)，各層散度均表現(xiàn)出明顯的異常，低于氣候平均達3個標準差以上。極端降水位于925 hPa散度及異常度大值區(qū)附近。7月7日過程則呈現(xiàn)不同的特征(圖5d)，各層中只有850 hPa有明顯的散度負值大值區(qū)，且中心處散度異常度低于氣候平均達3個標準差，為顯著異常，且散度異常現(xiàn)象維持時間長達12 h左右。極端降水區(qū)位于850 hPa散度負值中心及其附近位置。

綜上，兩次過程均存在明顯低渦結構， 850 hPa低渦及其異常度均較明顯，但引發(fā)兩次過程出現(xiàn)動力異常的機理明顯不同。6月27日過程由于低渦的中低層渦度與散度中心較為重合，且均表現(xiàn)為一定的異常性，中低層動力輻合系統(tǒng)位置較為一致，有利于低渦附近形成強垂直上升運動。7月7日過程僅低層散度表現(xiàn)出一定的異常性，低層強輻合與地面靜止鋒相疊加，形成強上升運動。

渦度、散度單位為10-5 ·s-1；陰影為標準化距平圖5 2020年6月27日20時700 hPa(a1)、850 hPa(a2)、925 hPa (a3) 和7月7日20時700 hPa(b1)、850 hPa(b2)、925 hPa(b3)等壓面層渦度和標準化距平場、6月27日20時700 hPa(c1)、850 hPa(c2)、925 hPa (c3)和7月7日20時700 hPa(d1)、850 hPa(d2)、925 hPa(d3)等壓面層散度和標準化距平場 Fig.5 Vorticity and normalized anomaly at 700 hPa (a1),850 hPa (a2),and 925 hPa (a3) at 20:00 on June 27,at 700 hPa (b1),850 hPa (b2),925 hPa (b3) at 20:00 on July 7,and divergence and normalized anomaly at 700 hPa (c1),850 hPa (c2),and 925 hPa (c3) at 20:00 on June 27,at 700 hPa (d1),850 hPa (d2),925 hPa (d3) at 20:00 on July 7,2020

3 結論與討論

(1) 2020年6月27日和7月7日湖北省兩次低渦型極端降水過程，中高緯均為兩槽一脊環(huán)流形勢，中低緯副高均顯著偏強，低層均有低渦形成東移。6月27日過程的巴爾喀什湖槽異常偏強、500 hPa湖北省為西南氣流，低渦中心從低層往高層略向西傾斜，地面暖低壓發(fā)展異常強烈，最低值較氣候平均偏低2個標準差。而7月7日過程的東北槽異常偏強、500 hPa湖北省為偏北氣流，低渦中心從低層往高層略向東傾斜，地面冷高壓偏強，較氣候平均偏強約1個標值差，隨冷空氣不斷滲透南下，地面形成顯著靜止鋒。

(2)2020年湖北省兩次極端降水過程水汽因子均表現(xiàn)為一定的異常性及異常持續(xù)性，但不穩(wěn)定及動力因子異常性有所不同。6月27日過程極端降水的性質主要為鋒前暖區(qū)降水，邊界層超低空急流發(fā)展強烈，中心強度較氣候平均偏強，達3個標準差，強烈發(fā)展的超低空急流帶來明顯的暖濕不穩(wěn)定能量，導致CAPE值較氣候平均偏高1.5個標準差，西南渦渦度正值與散度負值異常偏強，形成強烈上升運動。7月7日過程降水性質主要為鋒面降水，前期持續(xù)性降水導致不穩(wěn)定能量積累較弱，低層強輻合與地面靜止鋒相疊加，導致動力條件出現(xiàn)異常偏強，并且穩(wěn)定維持12 h左右。

(3)低渦型極端降水預報業(yè)務研究，可根據(jù)水汽含量及輻合、不穩(wěn)定因子特點及動力抬升強度等因素的共同配置，以及其異常特征對極端降水可能發(fā)生的區(qū)域做出有效判斷。但由于分析個例數(shù)較少，還需積累更多極端降水天氣個例進行對比分析。