丹東地區(qū)極端降水事件的水汽來(lái)源和環(huán)流特征

徐金秀，單璐璐，辛 鑫，孫 瑩

(東港市氣象局，遼寧 東港 118300)

工業(yè)革命以來(lái)，隨著人類活動(dòng)的加強(qiáng)，全球變暖已經(jīng)成為不爭(zhēng)的事實(shí)，20世紀(jì)的升溫率是近千年以來(lái)最快的，并且過(guò)去50年以來(lái)升溫速率更快。已有的研究發(fā)現(xiàn)，全球變暖導(dǎo)致熱浪、干旱、洪水等極端天氣事件頻發(fā)，強(qiáng)度也逐漸加強(qiáng)，這種溫濕配置的變化也導(dǎo)致區(qū)域的降水和水文循環(huán)都發(fā)生顯著差異，進(jìn)而將對(duì)環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和自然生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響[1-3]。

丹東市地處遼寧省東南部，于遼東半島與朝鮮半島形成的倒“V”字形喇叭口頂端，長(zhǎng)白山脈東南部，地勢(shì)從東北向西南傾斜，特殊的地理位置和地形條件，使得丹東地區(qū)成為淮河流域以北降水最多的地區(qū)。值得注意的是，過(guò)去的幾十年來(lái)丹東地區(qū)的極端降水無(wú)論是頻率還是強(qiáng)度皆在增強(qiáng)[4]，容易產(chǎn)生城市內(nèi)澇等風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究丹東地區(qū)水汽來(lái)源，特別是極端降水事件的水汽來(lái)源，對(duì)提高丹東地區(qū)降水預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)及防災(zāi)減災(zāi)有重要意義。前人對(duì)于中國(guó)東部地區(qū)水汽輸送和來(lái)源的研究已有不少，例如馬梁臣[5]等通過(guò)模擬計(jì)算暴雨個(gè)例的水汽輸送通道及不同源地的水汽貢獻(xiàn)，得到東北地區(qū)典型暴雨個(gè)例水汽通道基本有兩支，一支來(lái)自南海或西太平洋的海面，另一支來(lái)自西北氣流的水汽輸送。楊柳[6]等分析得到了影響我國(guó)東部季風(fēng)降水水汽通道有6條：印度季風(fēng)區(qū)偏南的西風(fēng)水汽輸送；印度季風(fēng)區(qū)偏北的西風(fēng)水汽輸送；西太平洋副高到來(lái)的太平洋水汽；西風(fēng)帶的水汽輸送；來(lái)自孟加拉灣向北的水汽輸送；來(lái)自印度洋和孟加拉灣在中南半島轉(zhuǎn)向及來(lái)自南海的水汽。

丹東作為東北地區(qū)降水最多的城市，且在全球變暖背景下其極端降水強(qiáng)度和頻率普遍增強(qiáng)，那么，增強(qiáng)的極端降水的水汽來(lái)源特征是什么？是否與東北其他地區(qū)有差異？探究并回答這些問(wèn)題，無(wú)論是加深對(duì)相關(guān)科學(xué)問(wèn)題的理解還是對(duì)丹東地區(qū)的洪澇等地質(zhì)災(zāi)害戰(zhàn)略部署有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 資料與方法

1.1 資料

本研究降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自1960年—2020年遼寧省丹東市氣象4站逐日降水資料。使用的大氣環(huán)流要素資料來(lái)自美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)和大氣研究中心(NCEP/NCAR)的1960年—2020年再分析逐日、逐月資料(Kalnay等,1996)，空間分辨率為2.5°×2.5°，從地面到高空共分為17層，筆者選取了水平風(fēng)場(chǎng)、位勢(shì)高度、垂直速度、比濕等氣象要素。海溫資料來(lái)自NOAA重建海溫?cái)?shù)據(jù)集，分辨率為2.0°×2.0°。

1.2 計(jì)算極端降水事件的方法

在對(duì)極端降水事件的環(huán)流特征和水汽輸送分析之前，首先要計(jì)算丹東地區(qū)的極端降水事件。將1960年—2020年遼寧省丹東地區(qū)各個(gè)季節(jié)的降水分別進(jìn)行區(qū)域平均，并求出多年季節(jié)總降水量，按該總量5%的降水量作為選取極端降水事件的節(jié)點(diǎn)量。之后對(duì)各季節(jié)的日降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行降序排列，對(duì)各季節(jié)的日降水量從大到小依次累加，當(dāng)其累加總量大于選取極端降水事件的節(jié)點(diǎn)量時(shí)，得出求和的天數(shù)，同時(shí)選出對(duì)應(yīng)的極端降水日期。具體選取結(jié)果見表1。

表1 丹東地區(qū)各個(gè)季節(jié)極端降水日數(shù)

2 丹東地區(qū)降水特征

過(guò)去近70年丹東地區(qū)平均降水量：春季140.4 mm，夏季645.8 mm，秋季178.3 mm，冬季35.6 mm，全年降水2/3集中在夏季。受地形影響，平均年降水量自西南向東北遞增，寬甸縣最多為1 105.4 mm。年降水量最多出現(xiàn)在1985年為1 470.1 mm，最少出現(xiàn)在2000年為523.3 mm。降水量年代際變化表現(xiàn)為：20世紀(jì)50年代—60年代中期，降水量偏多；60年代中后期—整個(gè)70年代，持續(xù)偏少；80年代之后降水量逐步增加，之后陡降進(jìn)入起伏波動(dòng)階段。丹東地區(qū)降水主要集中在夏季，占全年降水60%以上，且根據(jù)李慧琳[7]等統(tǒng)計(jì)，6月—8月為各類地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)期，占全年各類地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)的96%，所以筆者只討論夏季極端降水事件。

3 丹東地區(qū)極端降水事件的水汽來(lái)源與環(huán)流和海溫的關(guān)系

對(duì)1960年—2020年丹東地區(qū)每個(gè)季節(jié)極端降水事件發(fā)生時(shí)低層水汽通量(1 000 hPa～700 hPa)和整層(1 000 hPa～300 hPa)分別進(jìn)行合成，結(jié)果表明低層和整層結(jié)果都近似，由此可知，低層水汽輸送在整層水汽輸送中占有很大比重，因此本研究?jī)H考慮整層水汽輸送。由于降水的產(chǎn)生不僅僅與水汽輸送的強(qiáng)弱有關(guān)，還與垂直運(yùn)動(dòng)有密切的關(guān)系，因而進(jìn)一步計(jì)算了極端降水的垂直速度，制作出1960年—2020年丹東地區(qū)夏季極端降水事件發(fā)生的前一天和當(dāng)天垂直速度圖。為進(jìn)一步了解極端降水發(fā)生時(shí)的大氣環(huán)流異常情況，對(duì)丹東地區(qū)夏季高、中、低層位勢(shì)高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行合成分析。結(jié)合以上，對(duì)丹東地區(qū)夏季極端降水事件環(huán)流異常進(jìn)行分析。

3.1 丹東地區(qū)夏季極端降水事件水汽來(lái)源

圖1為1960年—2020年丹東地區(qū)夏季極端降水事件發(fā)生的(a)前一天的垂直速度和低層水汽通量(箭頭)和(b)整層水汽通量(箭頭)分布。

通過(guò)圖1可知，在丹東地區(qū)夏季極端降水發(fā)生時(shí)，中緯度范圍存在兩脊一槽環(huán)流形勢(shì)，丹東地區(qū)位于槽前，副高中心線位于30°N。影響丹東地區(qū)夏季極端降水的水汽輸送路徑主要有3個(gè)：①丹東地區(qū)夏季極端降水事件水汽來(lái)源主要由江淮、江南、淮南和渤海、黃海、東海的水汽隨低空急流輸送到丹東地區(qū)；②來(lái)自南支西風(fēng)帶低槽前部的西南氣流和南海中南半島上空的轉(zhuǎn)向氣流孟加拉灣的水汽；③來(lái)自西太平洋日本海的水汽沿副高邊緣的輸送。

圖1 (a)垂直速度和低層水汽通量(箭頭)和(b)整層水汽通量(箭頭)分布

圖2 中、低、高層高度場(chǎng)距平和風(fēng)場(chǎng)距平

3.2 丹東地區(qū)夏季極端降水異常環(huán)流特征

圖2為1960年—2020年丹東地區(qū)夏季極端降水事件的200 hPa高度場(chǎng)距平(a，等值線)和風(fēng)場(chǎng)距平(b，箭頭)；500 hPa高度場(chǎng)距平(c，等值線)和風(fēng)場(chǎng)距平(d，箭頭)；850 hPa高度場(chǎng)距平(e，等值線)和風(fēng)場(chǎng)距平(f，箭頭)。

通過(guò)不同的高度場(chǎng)合成分析可知，200 hPa上，整個(gè)中國(guó)東北地區(qū)為正變高區(qū)，正變高中心位于日本海山空，風(fēng)場(chǎng)距平顯示與正變高中心相對(duì)應(yīng)的區(qū)域呈現(xiàn)明顯的反氣旋環(huán)流，丹東位于反氣旋環(huán)流中心的底后部高空氣流的分流區(qū)，表現(xiàn)出一致的東南風(fēng)，且呈現(xiàn)出風(fēng)速輻散特征。500 hPa上，中國(guó)東北地區(qū)為負(fù)變高區(qū)，負(fù)變高中心位于內(nèi)蒙古東南部和遼寧西部，日本海以東地區(qū)則為正變高區(qū)，風(fēng)場(chǎng)上與負(fù)變高中心相配合為明顯的氣旋性環(huán)流，丹東位于氣旋性環(huán)流的底前部，且位于氣旋前部大風(fēng)速帶的左前側(cè)。形勢(shì)與500 hPa形勢(shì)基本一致，但高度距平場(chǎng)顯示有兩個(gè)負(fù)變高中心，一個(gè)與500 hPa上負(fù)變高中心相對(duì)應(yīng)，另一個(gè)則位于蒙古國(guó)，兩個(gè)低渦中心相互牽制，有利于東部低渦中心的維持。風(fēng)場(chǎng)距平上氣旋前部的西南風(fēng)速大值區(qū)中心風(fēng)速明顯增大，中心風(fēng)速值超過(guò)10 m/s。從各層配置可以看出，丹東夏季極端降水出現(xiàn)在冷渦前部，低空急流的左前側(cè)，高空氣流的分流區(qū)，這種形勢(shì)配置，為極端降水提供了有利的大尺度天氣背景和豐富的水汽條件。

3.3 與海溫的關(guān)系

海洋主要通過(guò)海表面的溫度變化對(duì)大氣的非絕熱加熱產(chǎn)生影響，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)大氣運(yùn)動(dòng)，最終影響大氣環(huán)流異常分布，給各地降水變化帶來(lái)影響，因此陸地降水與大氣環(huán)流和海洋溫度聯(lián)系緊密[7]?；诖?，進(jìn)一步分析了丹東地區(qū)夏季降水異常與海溫之間的關(guān)系。

圖3中(a)顯示1960年—2020年丹東地區(qū)夏季降水與整層水汽通量積分(箭頭)、500 hPa位勢(shì)高度(等值線)的回歸分析；(b)1960年—2020年丹東地區(qū)夏季降水與同期海溫場(chǎng)(SST)的相關(guān)系數(shù)分布(陰影)。其中黑色點(diǎn)狀表示海溫與春季降水相關(guān)性通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)，紅色圓點(diǎn)代表丹東地區(qū)。

通過(guò)對(duì)丹東地區(qū)夏季降水與整層水汽通量積分和500 hPa位勢(shì)高度的回歸分析發(fā)現(xiàn)， 丹東地區(qū)及其東南海面地區(qū)存在異常的反氣旋水汽輸送，異常的反氣旋輸送與500 hPa位勢(shì)高度異常一致(圖3 a)。丹東地區(qū)西部、南部等地區(qū)負(fù)的位勢(shì)高度異常使得西太平洋副熱帶高壓南側(cè)的東南氣流、來(lái)自孟加拉灣的偏南氣流，附近越赤道氣流到達(dá)丹東地區(qū)，北東南部海面正的位勢(shì)高度異常阻擋，在丹東地區(qū)輻合，導(dǎo)致丹東地區(qū)夏季降水異常。

丹東地區(qū)夏季異常降水與全球海溫關(guān)系，根據(jù)丹東地區(qū)夏季降水與同期海溫場(chǎng)的相關(guān)系數(shù)分布圖(圖3 b)，可知，海溫對(duì)丹東地區(qū)夏季降水影響較大的區(qū)域位于東太平洋，印度洋、北冰洋，赤道附近大西洋及北太平洋相關(guān)系數(shù)超過(guò)0.4，通過(guò)了95%的顯著性檢驗(yàn)。其中赤道附近大西洋、北太平洋具有正相關(guān)關(guān)系，東太平洋，印度洋、北冰洋具有負(fù)相關(guān)關(guān)系。即赤道附近大西洋、北太平洋地區(qū)海溫越高，赤道附近大西洋、北太平洋海溫越低，丹東地區(qū)夏季降水越多。

(a)

(b)圖3 (a)水汽通量積分與500 hpa位勢(shì)高度的回歸分析；(b)相關(guān)系數(shù)分布

4 展望

對(duì)丹東地區(qū)極端降水事件進(jìn)行分析，初步探討了丹東地區(qū)不同季節(jié)極端降水與位勢(shì)高度場(chǎng)、水汽通量、垂直速度和海溫之間的聯(lián)系，雖然得到一些有意義的結(jié)論，但對(duì)丹東地區(qū)極端降水事件形成的內(nèi)在機(jī)制并沒(méi)有討論，所以在接下來(lái)的研究中，將通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行試驗(yàn)分析，探求其發(fā)生的變化規(guī)律和物理發(fā)生機(jī)制。