湖北省兩類典型極端降水過程氣象因子異常特征對比

張萍萍，鐘敏，董良鵬

(1.山東省氣象防災減災重點實驗室，山東 濟南 250031；2.威海市氣象局，山東 威海 264200；3.武漢中心氣象臺，湖北 武漢 430074)

引言

近些年來，全球氣候變暖，極端降水事件頻發(fā)，不僅導致河道漫溢、農田被淹、房屋倒塌，還會引發(fā)山洪、滑坡、泥石流、城市漬澇等次生災害，造成的災害損失非常嚴重。

目前極端降水預報仍是天氣預報中的一大難題，許多學者對其進行了氣候和天氣學方面的研究。袁文德等[1]對1962—2012年西南地區(qū)極端降水事件的時空變化特征進行了統(tǒng)計分析。劉學華等[2]分析了中國近40 a極端降水的分布特征及年代際差異。任正果等[3]總結歸納了1961—2011年中國南方地區(qū)極端降水事件變化規(guī)律。孫繼松等[4]從中尺度系統(tǒng)結構演變特征方面，對2012年“7·21”北京極端降水成因進行了分析，指出地形強迫造成的暖區(qū)內中尺度輻合以及低空急流增強過程中的風速脈動觸發(fā)初始對流，中尺度對流單體沿低空急流軸左側傳播形成“列車效應”是極端降水的成因。孫軍等[5]從降水效率、水汽、上升運動、持續(xù)時間等方面探討了“7·21”北京極端降水的成因。符嬌蘭等[6]對2016年7月華北極端強降水特征及天氣學成因進行了分析，指出異常強的垂直速度和異常充沛的水汽以及地形增幅是此次極端降水的重要原因。婁小芬等[7]分析了山脈地形對臺風“利奇馬”極端降水的增幅作用。秦思等[8]發(fā)現(xiàn)環(huán)境因子、地形和內部條件多尺度相互作用是臺風“菲特”極端降水的主要成因。鄭怡等[9]指出低層強風速帶在魯中山區(qū)迎風坡強迫抬升不斷觸發(fā)中尺度對流系統(tǒng)，在中高層氣流引導和地形作用下產生“列車效應”是臺風“溫比亞”造成山東極端強降水的成因。馬蘊琦等[10]研究發(fā)現(xiàn)南海季風與臺風相互作用是強熱帶風暴“碧利斯”產生極端降水的一個重要原因。

還有一些學者對極端強降水的天氣類型進行了總結。孫建華等[11]把華北夏季特大暴雨過程的天氣形勢分為5型，分別為臺風與低槽(低渦)遠距離相互作用型、低渦(登陸臺風)與西風槽相互作用型、登陸臺風北上受高壓阻擋停滯型、低渦暴雨型和暖切變暴雨型。侯淑梅等[12]將山東省極端強降水天氣形勢分為高空槽類、副熱帶高壓外圍類、切變線類、氣旋類、熱帶氣旋類。肖遞祥等[13]將四川盆地極端暴雨天氣分為東高西低和兩高切變兩類。張家國等[14]對湖北省60例極端短時強降水過程進行分析，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。孫興池[15]研究認為地面倒槽是有利于極端降水產生的一個重要的天氣系統(tǒng)。張芹等[16]研究發(fā)現(xiàn)當副熱帶高壓邊緣出現(xiàn)水汽通量躍增現(xiàn)象和“列車效應”時，有利于極端降水的產生。

綜合以上分析發(fā)現(xiàn)，學者們對于極端降水的天氣學機理及天氣分型方面研究較多，但是天氣學方面的極端降水研究多局限于單個個例，而利用天氣分型方法進行極端降水的落區(qū)預報還存在一定困難。基于此，本文在對湖北省極端降水進行天氣分型的基礎上，對造成極端降水的主要氣象因子的異常特征及其閾值進行統(tǒng)計分析，探討導致極端降水形成的關鍵氣象因子的定量性特征，以期為極端降水過程的預報預警服務提供有力的定量化參考依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料

所用數(shù)據(jù)：湖北省1981—2016年3個探空站數(shù)據(jù)和78個國家級地面氣象觀測站數(shù)據(jù)；氣候背景數(shù)據(jù)選取1981—2012年格點為2.5°×2.5°的NCEP/NCAR逐6 h再分析數(shù)據(jù)，主要計算了大氣可降水量等物理量及氣象因子異常度。

1.2 氣象因子異常度及異常度比例計算

為了研究極端強降水事件中各物理量的異常度特征，應用標準化距平法計算氣象因子異常度，公式如下：

N=(X-μ)/σ

(1)

(2)

式(1)和式(2)中N表示因子的異常度，X為要素值，μ為要素平均值，σ為標準差，n為樣本數(shù)，其中要素平均值根據(jù)1981—2012年的NCEP/NCAR 2.5°×2.5°再分析數(shù)據(jù)，應用滑動平均法，取當天前10 d、當天和當天后10 d共21 d的數(shù)據(jù)計算得到。GRUMM and HART[17]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，當|N|≥2 σ時，表明因子與歷史同期平均值的偏離程度較高，異常度較大。

此外，將氣象因子在極端降水過程中出現(xiàn)異常時所占的比例，定義為氣象因子異常度比例，具體計算公式如下：

Yi=Ai/B×100%

(3)

式中，Yi為第i個因子出現(xiàn)異常所占的比例，Ai為第i個因子出現(xiàn)異常時異常強降水發(fā)生的次數(shù)，B為極端降水發(fā)生總次數(shù)。

1.3 個例選取及分型

本文在極端強降水定義及過程選取中，選擇百分位法，將1981—2016年湖北省6—8月78個國家級地面氣象觀測站08時日降水由大到小進行排序，取99%百分位的降水量值定義為極端降水閾值[18]。當湖北省內3站及以上異常時統(tǒng)計為一次極端強降水事件。按照此標準共整理出湖北省104個極端強降水過程。按照500 hPa天氣形勢進行分型，通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)梅雨期極端降水主要有5種類型(表1)，其中南北氣流匯合型、南北槽疊加型占了所有類型的82.6%，因此本文將主要針對這兩類典型極端降水的天氣特征展開研究。

表1 極端降水天氣類型統(tǒng)計

2 兩類典型極端降水天氣特征對比

2.1 降水特征

由南北氣流匯合型08時24 h降水量≥100 mm降水頻次分布(圖1a)可看出，大暴雨發(fā)生頻率最大的區(qū)域主要位于江漢平原—鄂東北和鄂西南，其中大暴雨頻率高發(fā)中心位于漢陽地區(qū)。由該型極端最大降水的分布(圖1c)可以看出，該型24 h雨量超過150 mm的降水主要分布在鄂西南—江漢平原—鄂東北。其中24 h降雨量超過250 mm的典型極端降水站點分別是鶴峰、京山、漢川、黃石、英山，典型的極端降水過程是1998年7月21日(5個國家級地面氣象觀測站突破歷史極值，黃石雨量達到271 mm)。由南北槽疊加型08時24 h雨量≥100 mm降水頻次分布(圖1b)可看出，大暴雨發(fā)生頻率最大的區(qū)域主要位于鄂東北北部和鄂東南，其中大暴雨頻率高發(fā)中心位于咸寧地區(qū)。由該型24 h極端最大降水的分布(圖1d)可以看出，該型24 h雨量超過150 mm的降水主要分布在江漢平原—鄂東，其中08時降雨量超過250 mm的典型極端降水站點分別是荊門、蔡甸、麻城、黃石、通城。典型的極端降水過程是2016年6月30日(4個國家級地面氣象觀測站突破歷史極值，麻城雨量達到285 mm)。與南北氣流匯合型相比，南北槽疊加型鄂東南極端降水強度增大，鄂西南極端降水強度略有減弱。此外，由上述兩種典型極端降水中最大極端降水分布與地形的對應關系看，較強的極端降水主要落在鄂東北大別山南麓、鄂西南武陵山脈迎風坡、鄂東南幕府山北側，均與地形關系密切。

圖1 24 h雨量≥100 mm降水頻次(色階)分布和極端最大降水量(紅色三角：24 h雨量≥250 mm，藍色三角：250 mm≥24 h雨量≥200 mm，黑色三角：200 mm≥24 h雨量≥150 mm；色階為海拔高度，單位：m)分布(a、c.南北氣流匯合型，b、d.南北槽疊加型)Fig.1 Frequency distribution (color scale) of precipitation with rainfall greater than or equal to 100 mm in 24 h and distribution of extreme maximum precipitation (red triangles indicate that rainfall is greater than or equal to 250 mm in 24 h, blue triangles indicate that rainfall is between 200 mm and 250 mm in 24 h, and black triangles indicate that rainfall is between 150 mm and 200 mm in 24 h; color scale denotes the altitude, units: m)(a/c. the north-south flow convergence type, b/d. the north-south trough superposition type)

2.2 天氣背景特征

由南北氣流匯合型500 hPa高度場平均場及標準化距平分布(圖2a)可看出：該型中高緯度為兩槽一脊形勢，東北地區(qū)多形成冷槽，槽線多延伸至長江中下游地區(qū)；受到東北槽阻擋，副熱帶高壓位置略偏南，588 dagpm線位于華南及沿海地區(qū)，西伸脊點位于110°E附近，脊線位于23°N附近；中緯度地區(qū)，受到東北槽后部偏北氣流以及副熱帶高壓外圍偏南氣流的共同影響，湖北省上空處在南北氣流交匯處，500 hPa高度場往往呈現(xiàn)弱槽或者以平直環(huán)流為主，高原上多小波東傳。700 hPa(圖略)自河南中部至湖北西部形成冷式切變線，850 hPa(圖略)或925 hPa(圖略)上自湖北中西部至河南東南部一帶形成東北—西南向切變線，有時也有低渦形成，925 hPa南風的標準化距平達1.2 σ，表明邊界層附近南風發(fā)展較氣候平均值偏強。地面上，湖北受低壓倒槽控制，河南西北側多冷空氣擴散南下，其冷高壓標準化距平達0.6 σ，冷空氣入暖倒槽，多形成靜止鋒，冷暖空氣在湖北省上空強烈交匯，為極端降水提供了有利的天氣背景。

與南北氣流匯合型不同，南北槽疊加型中高緯度為兩脊一槽型(圖2b)，貝加爾湖附近為一深厚的低槽，槽的經向度較大或分裂短波槽南下，青藏高原上低值系統(tǒng)也非常活躍，貝加爾湖槽和高原槽在東移的過程中逐漸合并加深并使槽經向度加大。由于低槽強烈發(fā)展，受到槽前正渦度平流的作用，低層在川東往往有低渦形成并移動到湖北境內，江漢平原一帶低渦形成的頻率也增加。850 hPa或925 hPa(圖略)上湖北境內受低渦影響，暖平流強盛，暖鋒鋒生明顯，降水強度大，有利于形成極端降水。700 hPa(圖略)上，川東有低渦發(fā)展，低渦東側西南風與偏東風之間形成一條準東西向的切變線。地面上，川東至貴州一帶有暖倒槽形成，倒槽向東伸展至湖南北部至湖北東部，地面暖槽的強烈發(fā)展，為極端降水的形成積蓄了充足的不穩(wěn)定能量。

圖2 南北氣流匯合型(a)和南北槽疊加型(b)500 hPa位勢高度(等值線，單位：dagpm)和異常度(色階，單位：σ)平均場 Fig.2 Mean field of geopotential height at 500 hPa (isoline, units: dagpm) and its abnormal degree (color scale, units: σ) of the north-south flow convergence type (a) and the north-south trough superposition type (b)

2.3 氣象因子異常特征

2.3.1 南北氣流匯合型

為定量分析兩類極端降水發(fā)生過程中氣象因子的異常特征，對每一類極端降水的氣象因子進行了異常度比例排序。由南北氣流匯合型極端降水的氣象因子異常度(≥2.0 σ)所占比例統(tǒng)計結果(圖3)來看，比例前10的因子中有4個動力因子、3個水汽因子、3個不穩(wěn)定因子，其中排名前5的因子及異常度排序比例分別是850 hPa渦度(68.5%)、200 hPa散度(65.7%)、大氣可降水量(54.2%)、850 hPa散度(51.4%)、850 hPa水汽通量散度(43.2%)。可見此類極端降水發(fā)生過程中，動力因子和水汽因子出現(xiàn)異常特征的比例較高。這是由于在此類極端降水發(fā)生的過程中，由于低層有明顯的冷切變線或者低渦形成且發(fā)展強烈，易導致低層輻合和高層輻散出現(xiàn)異常，同時由于低層切變線或低渦南側的南風氣流發(fā)展異常強盛，導致水汽輸送通道通暢，因此大氣可降水量的值迅速增長，容易出現(xiàn)超氣候平均值達2.0 σ以上的異?，F(xiàn)象。從時間演變上看，這種類型極端降水發(fā)生過程中，水汽因子異常往往呈現(xiàn)一定的持續(xù)性，即在極端降水發(fā)生的整個過程中大氣可降水量都會表現(xiàn)出一定的異常性。因此在此類極端降水的預報過程中，應著重關注動力因子和水汽因子的異常性特征，以及水汽因子異常的持續(xù)時間，當其達到某種閾值時，預示著可能會發(fā)生極端性降水。此外，通過研究發(fā)現(xiàn)極端降水的落區(qū)不僅與相關氣象因子本身可能達到的閾值有關[19]，而且與氣象因子異常度可能達到的閾值有關，為此，還需要對氣象因子及其異常度的閾值進行統(tǒng)計分析。

圖3 南北氣流匯合型氣象因子異常度比例(單位：%)Fig.3 Ratio of abnormal degree of meteorological factors for the north-south flow convergence type (units: %)

選取異常度比例排名前三的氣象因子(850 hPa渦度、200 hPa散度、大氣可降水量)進行統(tǒng)計分析(圖4)。此類極端降水850 hPa渦度中位數(shù)為15.6×10-6s-1，上四分位數(shù)達到25.1×10-6s-1，最大值高達58.7×10-6s-1。850 hPa渦度異常度中位數(shù)為1.1 σ，上四分位數(shù)為1.9 σ，最大異常度達到3.7 σ。這說明此類極端降水對于低層動力條件的異常度閾值要求較高；由高層輻散動力條件(200 hPa散度)來看，200 hPa散度中位數(shù)為8.2×10-6s-1，上四分位數(shù)為13.2×10-6s-1，最大值高達35.1×10-6s-1。200 hPa散度異常度中位數(shù)為1.0 σ，上四分位數(shù)為1.7 σ，最大異常度達到3.5 σ。高層異常強輻散配合低層異常強輻合是此類極端降水的最顯著的氣象因子特征。水汽因子(大氣可降水量)中位數(shù)為57.0 mm，上四分位數(shù)為60.3 mm，最大值為74.8 mm。大氣可降水量異常度中位數(shù)為1.6 σ，上四分位數(shù)為2.0 σ，最大值為3.9 σ。綜上所述，此類極端降水發(fā)生過程中，動力因子本身要求的閾值較高，水汽因子的異常度閾值較高。在此類極端降水預報分析過程中，應著重分析動力因子和水汽因子及其異常度是否達到相關閾值，并依據(jù)統(tǒng)計分析得出的異常度閾值對出現(xiàn)極端降水的可能性進行判斷。

圖4 南北氣流匯合型氣象因子四分位圖Fig.4 Quartile map of meteorological factors for the north-south flow convergence type

2.3.2 南北槽疊加型

由南北槽疊加型極端降水的物理量異常度(≥2.0 σ)所占比例統(tǒng)計結果(圖5)來看，比例前10的因子中有5個動力因子，3個不穩(wěn)定因子，2個水汽因子，其中排名前5的因子及異常度排序比例分別是200 hPa散度(62.5%)、925 hPa渦度(55.5%)、700 hPa溫度平流(52.5%)、925 hPa散度(45%)、850 hPa渦度(41%)。此類極端降水發(fā)生過程中，動力因子和不穩(wěn)定因子表現(xiàn)出明顯的異常性。這是因為在此類極端降水發(fā)生過程中，南北槽疊加使高空槽經向度加大，500 hPa槽前正渦度平流增強，促使邊界層輻合強烈發(fā)展，造成動力因子出現(xiàn)明顯異常。從時間演變上看，動力因子的異常性持續(xù)時間在6～12 h之間。同時由于邊界層低渦切變強烈發(fā)展，切變南側的暖平流發(fā)展異常強烈，造成不穩(wěn)定因子出現(xiàn)異常偏強現(xiàn)象，因此在此類極端降水的預報過程中，應著重關注動力因子和不穩(wěn)定因子的異常性特征及可能達到的閾值。

圖5 南北槽疊加型氣象因子異常度比例(單位：%)Fig.5 Ratio of abnormal degree of meteorological factors for the north-south trough superposition type (units: %)

選取異常度比例排名前三的氣象因子(200 hPa散度、925 hPa渦度、700 hPa溫度平流)進行統(tǒng)計分析(圖6)。200 hPa散度中位數(shù)為9.3×10-6s-1，上四分位數(shù)為14×10-6s-1，最大值高達24.8×10-6s-1。200 hPa散度異常度中位數(shù)為1.0 σ，上四分位數(shù)為1.5 σ，最大異常度達到3.6 σ。由邊界層輻合條件(925 hPa渦度)看，925 hPa渦度中位數(shù)為14.8×10-6s-1，上四分位數(shù)達到20.8×10-6s-1，最大值高達29.7×10-6s-1。925 hPa渦度異常度中位數(shù)為1.4 σ，上四分位數(shù)為1.9 σ，最大異常度達到2.9 σ。不穩(wěn)定因子(700 hPa溫度平流)的中位數(shù)為1.2×10-5℃·s-1，上四分位數(shù)為2.8×10-5℃·s-1，最大值為8.9×10-5℃·s-1。700 hPa溫度平流異常度中位數(shù)為0.9 σ，上四分位數(shù)為1.7 σ，最大值為4.4 σ。綜上所述，在此類極端降水過程中，邊界層動力因子本身要求的以及異常度閾值較高，應重點關注邊界層動力輻合系統(tǒng)出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，并結合高層輻散以及低層溫度平流可能達到的異常度閾值，對極端降水出現(xiàn)的可能性進行判斷。

圖6 南北槽疊加型氣象因子四分位圖Fig.6 Quartile map of typical meteorological factors for the north-south trough superposition type

3 兩類極端降水天氣概念模型

通過以上分析，給出兩類集天氣背景與氣象因子異常度配置相結合的極端天氣概念模型(圖7)。其中南北氣流匯合型500 hPa上，東北冷槽后部偏北氣流與副熱帶高壓西側偏南氣流形成氣流匯合形勢。低層850 hPa或925 hPa上形成東北—西南向切變線，切變線南側的南風發(fā)展異常強盛，地面上冷空氣入暖倒槽形成靜止鋒，極端降水區(qū)位于靜止鋒附近。在此類極端降水發(fā)生過程中，東北冷槽、副熱帶高壓的位置相對穩(wěn)定，地面形成靜止鋒并維持較長時間，易形成系統(tǒng)性東北—西南向雨帶，且雨帶方向與中尺度系統(tǒng)移動方向一致，有利于產生“列車效應”，另外，由于此類極端降水發(fā)生過程中邊界層南風發(fā)展異常強烈，往往與大別山迎風坡產生正交，由于地形增幅作用導致降水強度加大。另外，邊界層南風在北上過程中受到鄂西南地形以及北側峽谷地形阻擋，易進入鶴峰附近喇叭口內產生輻合，導致鄂西南鶴峰降水強度加強。在此類極端降水的預報過程中，當某地850 hPa渦度異常度≥1.1 σ，200 hPa散度異常度≥1.0 σ，大氣可降水異常度≥1.6 σ時，該地有出現(xiàn)極端降水的可能性，預報員應給與足夠重視。

圖7 南北氣流匯合型(a)和南北槽疊加型(b)天氣概念模型Fig.7 Conceptual model of weather of the north-south flow convergence type (a) and the north-south trough superposition type (b)

南北槽疊加型500 hPa上，貝加爾湖附近有冷槽東移，同時川東一帶有高原槽東移，形成南北槽疊加形勢。850 hPa和925 hPa上，川東有低渦發(fā)展，低渦東側西南風與偏東風之間形成一條準東西向的暖式切變線，地面上暖低壓強烈發(fā)展。極端降水區(qū)位于低渦東側西南風與偏東風形成的暖式切變線附近。此類極端降水雨帶多為準東西向，低空西南風與偏東風之間形成較強而持續(xù)的輻合帶，東風同時也對南風起到阻擋作用，導致對流帶穩(wěn)定維持。此類極端降水發(fā)生過程中，大別山南麓由于迎風坡效應容易產生極端降水，此外受到幕府山阻擋，邊界層暖切易在鄂東南山地維持較長時間，易導致鄂東南降水出現(xiàn)明顯增幅。在此類極端降水的預報過程中，預報員可參考的氣象因子異常度閾值為：200 hPa散度異常度≥1.0 σ，925 hPa渦度異常度≥1.4 σ，700 hPa溫度平流異常度≥0.9 σ。

4 小結

本文通過對湖北省梅雨期兩類典型極端降水天氣特征及氣象因子異常特征進行分析，得出如下結論。

(1)南北氣流匯合型500 hPa東北冷槽后部偏北氣流與副熱帶高壓西側偏南氣流形成氣流匯合形勢，低層形成冷式切變線，切變線南側南風發(fā)展異常強盛，地面上形成靜止鋒，極端降水區(qū)位于靜止鋒附近，呈東北—西南走向；南北槽疊加型500 hPa上貝加爾湖槽與高原槽疊加使低槽經向度加大，低層或邊界層形成顯著低渦，地面上暖低壓強烈發(fā)展，極端降水區(qū)位于低渦東側暖式切變線附近，呈準東西向。

(2)通過對兩類典型極端降水的氣象因子異常度特征進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，南北氣流匯合型動力因子和水汽因子的異常度比例較大，異常偏強的低層輻合配合高層輻散形成強烈的上升運動，強烈發(fā)展的低空急流導致可降水量異常度達到1.6 σ以上，異常強的動力因子和水汽因子的形成和維持導致極端降水的產生；南北槽疊加型動力因子和不穩(wěn)定因子易出現(xiàn)顯著異常，由于低層及邊界層低渦強烈發(fā)展，導致925 hPa渦度異常度超過了1.4 σ，低渦發(fā)展的同時低層出現(xiàn)了異常強的低層暖平流，因此在這類極端降水的預報中，要特別關注邊界層動力因子和低層不穩(wěn)定因子可能出現(xiàn)異常的區(qū)域，此外兩類極端降水落區(qū)均與地形關系密切。

通過以上分析，在今后的極端降水預報業(yè)務中，可根據(jù)不同類型極端降水的天氣特征以及典型氣象因子的異常閾值，對極端降水可能發(fā)生的區(qū)域做出事先判斷，因此具有一定的實際應用價值。然而在極端降水發(fā)生的過程中，除了大尺度和氣象因子表現(xiàn)出的異常特征之外，也應多關注中尺度系統(tǒng)的演變特征。