2021年漢江秋汛的水雨情及環(huán)流異常特征研究*

高 琦 吳翠紅 徐 明 劉佳明 彭 濤,4

1 武漢中心氣象臺(tái),武漢 430074 2 中國氣象局水文氣象重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,北京 100081 3 中國氣象局武漢暴雨研究所暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430205 4 三峽國家氣候觀象臺(tái),湖北宜昌 443099 5 長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,武漢 430010

提 要：利用NCEP/NCAR再分析資料及常規(guī)氣象水文實(shí)況觀測(cè)資料,研究2021年漢江秋汛的水雨情及環(huán)流異常特征,并初步分析致洪成因,結(jié)果表明:2021年漢江流域降水呈“西多東少”分布,漢江上游累計(jì)降水量為400～985 mm,累計(jì)面雨量居1961年以來第一位。秋汛期間丹江口水庫出現(xiàn)10 000 m3·s-1以上的洪峰過程7次,漢江中下游主要水文控制站點(diǎn)累計(jì)超警時(shí)間為151～580 h,最大超警幅度為0.29～1.56 m,呈現(xiàn)越到下游超警時(shí)間越長、超警幅度越大的特征。與2011年和2017年水情對(duì)比表明,2021年漢江上游洪峰出現(xiàn)時(shí)間最早,洪峰次數(shù)最多,上游高水位流量持續(xù)時(shí)間最長,漢江中下游累計(jì)超警時(shí)間也最長,水情異常程度明顯更強(qiáng)。在大氣環(huán)流形勢(shì)方面,巴爾喀什湖—貝加爾湖地區(qū)為負(fù)異常,我國大陸東部至西北太平洋為正異常,日本島以東地區(qū)為負(fù)異常,副熱帶高壓、南亞高壓、東亞副熱帶西風(fēng)急流較歷史同期偏強(qiáng),異常的低層流場(chǎng)及水汽輻合中心的形成,以及對(duì)流層高層的輻散抽吸,是漢江上游降水得以持續(xù)并階段性增強(qiáng)的有利環(huán)流配置。當(dāng)?shù)そ谒畮烊霂炝髁拷咏?000 m3·s-1后,漢江上游超過60 mm的5 d累計(jì)面雨量與10 000 m3·s-1以上洪峰的出現(xiàn)密切相關(guān)。上游來水增大后,漢江中下游河道逐級(jí)收窄是導(dǎo)致此地降水并不明顯卻出現(xiàn)超警洪水的主要原因。

引 言

漢江為長江中游最大支流,其地勢(shì)西高東低(圖1),以湖北省丹江口水庫以上為上游,河谷狹窄,長約925 km;丹江口至鐘祥為中游,河谷較寬,沙灘多,長約270 km;鐘祥至漢口為下游,長約382 km,流經(jīng)江漢平原。漢江中下游河道呈“漏斗型”,河道逐級(jí)收窄,其中皇莊至澤口段河道寬度為600～2500 m,澤口至仙桃段河道寬度為300～600 m,至仙桃以下河道寬度僅為200～300 m,因而過洪能力有限。漢江上游大部地區(qū)處于華西秋雨區(qū)內(nèi),某些年份由于降水持續(xù)時(shí)間長、累計(jì)雨量大,易造成秋汛。漢江上游來水增大后,由于河道斷面越到下游越窄,又受長江水位頂托的影響,往往導(dǎo)致泄洪能力不足,造成漢江中下游也泛濫成災(zāi),歷史上為了確保漢江中下游城市安全,曾21次啟用分蓄洪區(qū)。

圖1 漢江流域分區(qū)及氣象、水文站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of sub-basin and meteorological and hydrological stations in the Hanjiang River Basin

漢江秋汛一般發(fā)生于華西秋雨偏強(qiáng)的年份(殷淑燕和黃春長,2012;肖鶯等,2013)。一系列研究表明,華西秋雨的強(qiáng)弱多寡與東亞大氣環(huán)流異常密切相關(guān),西太平洋副熱帶高壓(以下簡稱副高)、南亞高壓和東亞副熱帶西風(fēng)急流等季風(fēng)環(huán)流成員對(duì)華西秋雨的維持及增強(qiáng)具有重要作用。鮑媛媛等(2003)、李傳浩等(2015)的研究均表明,巴爾喀什湖地區(qū)500 hPa準(zhǔn)穩(wěn)定的低壓槽及距平場(chǎng)上的負(fù)異常,以及偏西偏北的副高,是導(dǎo)致華西地區(qū)持續(xù)陰雨的典型環(huán)流特征。白虎志和董文杰(2004)指出,副高、印緬槽、貝加爾湖低槽是華西秋雨的主要影響系統(tǒng),當(dāng)貝加爾湖、印緬槽深且副高強(qiáng)時(shí),有利于華西多秋雨。俞亞勛等(2013)、吳瑤和杜良敏(2016)的研究表明,副高的西伸滯留及其脊線的準(zhǔn)雙周振蕩對(duì)華西秋雨具有重要作用,當(dāng)脊線準(zhǔn)雙周周期較強(qiáng)時(shí),漢江上游9—10月容易降水偏多。羅霄等(2013)總結(jié)了近50 年華西秋雨的典型環(huán)流后發(fā)現(xiàn),東亞副熱帶西風(fēng)急流對(duì)華西地區(qū)的垂直運(yùn)動(dòng)有較大影響,當(dāng)東亞副熱帶西風(fēng)急流中心西移,中心強(qiáng)風(fēng)速帶偏窄時(shí),華西北部地區(qū)上升運(yùn)動(dòng)加強(qiáng),華西秋雨出現(xiàn)北多南少的異常型。進(jìn)一步研究表明,青藏高原地表熱狀況(陳忠明等,2001;鮑媛媛等,2020)、海溫(韓晉平等,2013;鄭然等,2018;彭韻萌和徐涂明,2021)、印度洋偶極子(劉佳等,2015)、熱帶大氣季節(jié)內(nèi)振蕩(趙佳玉等,2016)等是季風(fēng)系統(tǒng)及大氣環(huán)流異常形成的深層機(jī)制。此外,華西秋雨年際及年代際差異明顯,存在4～8 a(王春學(xué)等,2015),5～8 a(蔣竹將等,2014),3、13、17 a(馮麗文和郭其蘊(yùn),1983)以及10～15 a(梁健洪,1989)的周期。由于這種周期性的存在,使得漢江秋汛發(fā)生頻次相對(duì)較少,因此對(duì)于秋汛期降水特征、洪水演變及可能造成的影響,預(yù)報(bào)員往往認(rèn)識(shí)相對(duì)有限。隨著氣候變暖背景加強(qiáng),進(jìn)入21世紀(jì)后,華西秋雨強(qiáng)度明顯增強(qiáng)(羅霄等,2013;俞亞勛等,2013),這使得進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)和了解漢江秋汛的特點(diǎn)和成因迫在眉睫。

2021年秋季漢江上游出現(xiàn)了超過20年一遇的大洪水,丹江口水庫發(fā)生7次超過10 000 m3·s-1的入庫洪水過程,8月下旬至10月上旬,丹江口水庫秋汛累計(jì)來水量約為340億m3,較常年同期偏多約4倍,為1969年建庫以來歷史同期第一位。通過研究2021年漢江秋汛期間降水的時(shí)空分布及歷史極端性特征,漢江流域水位、流量的演變特征,并與典型秋汛年(2011年和2017年)的水情進(jìn)行對(duì)比,分析致洪降水的大尺度環(huán)流及水汽輸送異常,從氣象、水文等多角度揭示了2021年漢江秋汛的致洪成因,有助于加深對(duì)于漢江秋汛發(fā)生發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識(shí),促進(jìn)流域上下游、左右岸聯(lián)動(dòng)防洪工作的開展。

1 資料和方法

根據(jù)長江水利委員會(huì)水文局提供的漢江流域水系劃分,將漢江流域細(xì)分為石泉以上、石泉安康、安康丹江口、丹皇區(qū)間和皇莊以下等 5 個(gè)子流域(圖1),該區(qū)域內(nèi)包含氣象站63個(gè)。文中所指的漢江上游為石泉以上、石泉安康、安康丹江口3個(gè)子流域組成的區(qū)域。文中涉及的漢江流域水文站有6個(gè),其中丹江口水庫代表漢江上游來水情況,皇莊、沙洋、岳口、仙桃、漢川為漢江中下游干流主要水文控制站。

采用的資料包括:NCEP/NCAR再分析資料,1日4次(02、08、14、20時(shí),北京時(shí),下同),分辨率為2.5°×2.5°;漢江流域1961—2021年國家氣象站逐日降水資料;漢江流域主要水文控制站的水位、流量資料。文中所指的歷史平均為1991—2020年的30年平均。面雨量(畢寶貴等,2003;徐晶和姚學(xué)祥,2007;高琦等,2014)的計(jì)算采用站點(diǎn)平均法。

2 致洪降水的時(shí)空分布特征

根據(jù)國家氣候中心監(jiān)測(cè),2021年華西秋雨北區(qū)雨期自8月23日開始,至10月16日結(jié)束。漢江流域上游所有站點(diǎn)均處于華西秋雨監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi),其中大部分站點(diǎn)屬華西秋雨監(jiān)測(cè)北區(qū),少數(shù)站點(diǎn)屬監(jiān)測(cè)南區(qū)。若以整個(gè)漢江上游為研究對(duì)象,參照華西秋雨行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(中國氣象局,2019),則自8月21日起,即已滿足50%以上站點(diǎn)降水量≥0.1 mm的秋雨日判定標(biāo)準(zhǔn),且10月8日后不再滿足,考慮該時(shí)間與漢江流域汛情的發(fā)展有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此本文選取8月21日至10月7月為降水研究時(shí)段。

2.1 致洪降水的空間分布特征

從2021年8月21日至10月7日漢江流域累計(jì)降水量空間分布可見(圖2a),漢江流域降水呈現(xiàn)西多東少分布特征,漢江下游累計(jì)降水量僅為50～150 mm,中游為150～400 mm,上游則為400～800 mm,局部站點(diǎn)可達(dá)900 mm以上,最強(qiáng)降水中心位于石泉以上子流域的鎮(zhèn)巴站,達(dá)985 mm。分析累計(jì)降水量距平分布(圖2b),除漢江中下游部分地區(qū)接近歷史同期或略偏少外,漢江中游北部及漢江上游的大部地區(qū)較歷史同期偏多1～2倍,局地偏多2倍以上,由此可見2021年秋汛期的降水主要來自于漢江上游地區(qū),因此下文將重點(diǎn)針對(duì)漢江上游,研究其降水的時(shí)間演變及極端性特征。

圖2 2021年8月21日至10月7日漢江流域(a)總降水量和(b)降水距平百分率分布Fig.2 (a) Accumulated precipitation and (b) precipitation anomaly percentage in the Hanjiang River Basin from 21 August to 7 October 2021

2.2 致洪降水的時(shí)間演變特征

從漢江上游出現(xiàn)0.1 mm以上降水站數(shù)占比的逐日演變可見(圖3,虛線),2021年8月21日至10月7日,漢江上游降水過程頻繁,雨日較多,定義單日50%以上站點(diǎn)出現(xiàn)0.1 mm以上降水為一個(gè)雨日,則期間雨日約占總?cè)諗?shù)的60.4%。從逐日面雨量演變可以看出(圖3,柱狀),大致可分為4個(gè)集中期,分別在8月21日至9月6日、9月15—19日、9月22—28日、10月3—6日,其中8月21日至9月6日為降水持續(xù)時(shí)間最長、過程最為頻繁和集中的時(shí)段。從5 d累計(jì)面雨量的演變(圖3,實(shí)線)可以看出,漢江上游5 d累計(jì)面雨量≥60 mm的峰值有7次,其中≥90 mm峰值有3次,分別為8月28日至9月1日(98.7 mm)、9月15—19日(98.6 mm)、9月23—27日(94.6 mm),對(duì)比丹江口水庫的入庫流量發(fā)現(xiàn),在入庫流量接近2000 m3·s-1后,60 mm以上的5 d累計(jì)面雨量與10 000 m3·s-1以上的洪峰有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,而90 mm以上的5 d累計(jì)面雨量與20 000 m3·s-1以上的洪峰有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖3 2021年8月21日至10月7日漢江上游日面雨量、5 d累計(jì)面雨量、≥0.1 mm站點(diǎn)百分率的逐日演變Fig.3 Daily variation of areal rainfall, 5 d accumulated areal rainfall and percentage of site rainfall ≥0.1 mm from 21 August to 7 October 2021

2.3 致洪降水的極端性特征

高琦等(2020)基于近60 年降水?dāng)?shù)據(jù),利用相對(duì)閾值法(百分位法)統(tǒng)計(jì)了漢江子流域極端面雨量閾值及5 d累計(jì)面雨量極值,2021年8月21日至10月7日漢江上游3個(gè)子流域(石泉以上、石泉安康、安康丹江口)的逐日面雨量超過極端面雨量95%分位閾值的日數(shù)分別占總?cè)諗?shù)的29.1%、22.9%、16.7%,表明秋汛期間漢江上游子流域約有1/5～1/3的日數(shù)有強(qiáng)降水發(fā)生。9月1—5日石泉以上的5 d累計(jì)面雨量達(dá)117.2 mm, 8月28日至9月1日安康丹江口的5 d累計(jì)面雨量達(dá)115.5 mm,均突破了兩子流域自1961年以來5 d累計(jì)面雨量的極值。

從1961年以來漢江5個(gè)子流域8月21日至10月7日累計(jì)面雨量的時(shí)間演變(圖4)可以看出,2021年漢江上游的石泉以上、石泉安康、安康丹江口累計(jì)面雨量分別為641.8、641.5、438.4 mm,分別位居1961年以來的第一、第一、第二位,且由石泉以上、石泉安康、安康丹江口3個(gè)子流域組成的漢江上游流域累計(jì)面雨量位居1961年以來第一位。

綜上所述,2021年漢江秋汛致洪降水主要有以下特征:一是降水開始時(shí)間早、持續(xù)時(shí)間長,從8月21日開始發(fā)展,至10月上旬減弱;二是降水的累計(jì)強(qiáng)度大,漢江上游累計(jì)降水量普遍在400～800 mm,其中局部站點(diǎn)達(dá)900 mm以上;三是降水歷史極端性強(qiáng),漢江上游流域累計(jì)面雨量居1961年以來第一位。

3 漢江秋汛的水情演變特征

3.1 2021年漢江流域水情特征分析

丹江口水庫的入庫流量可反映漢江上游來水的總體情況,從其8月初至10月上旬的演變(圖5a)可以看出,丹江口的入庫流量大致可分為4個(gè)階段,8月21日起,隨著降水進(jìn)入第一個(gè)集中期,丹江口的入庫流量也出現(xiàn)顯著上漲,并在短短的17 d內(nèi)先后在8月23日(14 400 m3·s-1)、8月30日(23 400 m3·s-1)、9月2日(16 400 m3·s-1)、9月6日(18 800 m3·s-1)出現(xiàn)4次10 000 m3·s-1以上的洪峰過程;9月15日起,隨著第2～4個(gè)降水集中期發(fā)展,漢江上游來水再度出現(xiàn)3輪明顯上漲,丹江口水庫分別在9月19日(22 800 m3·s-1)、9月29日(24 900 m3·s-1)、10月7日(10 500 m3·s-1)出現(xiàn)3次洪峰過程。結(jié)合丹江口水庫的出庫流量可以看出,丹江口水庫對(duì)7次洪峰的削峰率分別為46.5%、67.0%、47.0%、46.3%、71.0%、55.8%、2.0%,有效減輕了上游洪水對(duì)漢江中下游的影響,并在10月10日14時(shí)首次實(shí)現(xiàn)170 m的蓄水目標(biāo)。

注:藍(lán)色實(shí)線:水位,紫色實(shí)線:入庫流量及流量,黃色實(shí)線:出庫流量,橙色實(shí)線:警戒水位。圖5 2021年8月初至10月上旬洪峰前后漢江主要控制站水位流量演變(a)丹江口水庫,(b)皇莊,(c)沙洋,(d)岳口,(e)仙桃,(f)漢川Fig.5 The temporal variation of water level (blue line), inflow and flow (purple line), outflow (yellow line) with its alert water level (orange line) before and after the flood peak in the Hanjing River Basin in 2021(a) Danjiangkou Reservoir, (b) Huangzhuang, (c) Shayang, (d) Yuekou, (e) Xiantao, (f) Hanchuan

從中下游干流主要水文控制站的水位流量演變(圖5b～5f)可以看出,受漢江上游來水影響,皇莊以下主要水文控制站點(diǎn)在8月下旬至9月上中旬、9月下旬至10月上旬均存在2個(gè)超警戒階段,其中皇莊、沙洋、岳口、仙桃、漢川累計(jì)超警時(shí)間分別為151、255、228、232、580 h,最大超警幅度分別為0.29、0.40、0.50、0.53、1.56 m,呈現(xiàn)越到下游超警時(shí)間越長、超警幅度越大的特征,這與中下游河道落差小,斷面愈下愈小,導(dǎo)致的泄洪能力不足有關(guān)。此外,由于長江上游秋汛也較為明顯,長江上游來水造成漢口水位升高,也對(duì)漢江來水形成頂托作用。

3.2 2021年漢江流域水情與2011年、2017年的對(duì)比

2010年以來,漢江秋汛比較嚴(yán)重的年份還出現(xiàn)在2011年(蔡薌寧等,2012;柳艷菊等,2012;蔡新玲等,2013)、2017年(梁萍等,2019;李玉榮等,2017),其中2011年為減輕漢江上游來水對(duì)下游城市尤其是對(duì)武漢的影響,曾采用杜家臺(tái)分蓄洪區(qū)進(jìn)行分洪(劉志文,2012)。對(duì)比此3年丹江口水庫超過10 000 m3·s-1洪峰出現(xiàn)次數(shù)可見(表1),2011年次數(shù)最少,僅為2次;2017年為3次;2021年最多,達(dá)7次。從首次洪峰出現(xiàn)時(shí)間來看,2021年最早,在8月末就有洪峰出現(xiàn),而2011年、2017年則分別出現(xiàn)在9月中旬和9月下旬。在3個(gè)典型秋汛年中,最大洪峰流量出現(xiàn)在2011年9月19日,達(dá)26 600 m3·s-1,且此次過程流量漲幅也最大,達(dá)22 980 m3·s-1,2021年9月29日洪峰次之,為24 900 m3·s-1,流量過程漲幅居第二位,為21 850 m3·s-1,2017年的洪峰流量均在20 000 m3·s-1以下。從丹江口水庫洪峰水位來看,2021年普遍高于2011年和2017年。

表1 2021、2017、2011年丹江口水庫水文特征值Table 1 Key hydrological values of the Danjiangkou Reservoir in 2021, 2017 and 2011

對(duì)2011、2017、2021年漢江中下游主要水位控制站的水文特征值(表2)進(jìn)行對(duì)比,從超警戒站點(diǎn)數(shù)量來看,2021年、2017年皇莊以下江段均為全線超警,但在2011年超警戒站點(diǎn)略少,警戒主要發(fā)生在沙洋以下江段。從最高水位的情況來看,皇莊站以2017年為最高,為48.62 m;沙洋、岳口、仙桃站均是以2011年為最高;而漢川站,則以2021年為最高,為30.56 m,2011年次之,為30.55 m。從累計(jì)超警戒時(shí)長來看,均是以2021年為最長,但從超保證時(shí)長來看,在2011年仙桃站還出現(xiàn)了超保證的情況。

表2 2021、2017、2011年漢江中下游主要水文控制站特征值Table 2 Key hydrological values of the control stations in the middle and lower reaches of Hanjiang River in 2021, 2017 and 2011

對(duì)比此3年的水情特征后發(fā)現(xiàn),2011年漢江上游洪峰集中發(fā)生于9月中旬,洪峰次數(shù)最少(2次),但流量漲幅迅猛,洪峰流量及過程流量漲幅最大均出現(xiàn)在這一年。此外,2011年漢江中下游水位高、流量大,其超警戒站數(shù)及持續(xù)時(shí)間雖不及2021年,但沙洋、岳口、仙桃等站水位均為3年中最高,且出現(xiàn)了1個(gè)站超保證;2017年漢江上游洪峰發(fā)生在9月末至10月中旬前期,次數(shù)為3次,略高于2011年,但在峰值流量、中下游主要站點(diǎn)洪峰水位及超警戒時(shí)長上來看,普遍不及2011年和2021年;2021年漢江上游洪峰出現(xiàn)在8月下旬至10月上旬,洪峰出現(xiàn)時(shí)間最早,洪峰次數(shù)最多(7次),上游高水位流量持續(xù)時(shí)間最長,中下游累計(jì)超警時(shí)間也最長,其下游的漢川站水位為3年中最高,其超警幅度也最大。

4 2021年漢江秋汛的異常環(huán)流特征

4.1 500 hPa環(huán)流異常特征

秋汛的形成與大尺度環(huán)流的異常穩(wěn)定維持密切相關(guān)。2021年8月21日至10月7日(圖6,等值線),極渦呈偏心型,其中心位于78°N、180°E附近,亞歐中高緯呈現(xiàn)“兩槽一脊”環(huán)流型,我國東北及其以北地區(qū)有高壓脊維持,巴爾喀什湖—貝加爾湖地區(qū)、日本以東—白令海地區(qū)各有一低槽發(fā)展。中低緯地區(qū),副高較歷史同期明顯偏強(qiáng)、偏西,其平均西伸脊點(diǎn)位于27°N、100°E附近。對(duì)應(yīng)的距平場(chǎng)顯示(圖6,填色),歐亞地區(qū)中高緯從西南至東北呈現(xiàn)經(jīng)向“-+-”波列分布,即巴爾喀什湖—貝加爾湖地區(qū)為明顯的負(fù)異常,歐洲大陸北部為顯著的正異常,白令海峽以北的大部地區(qū)為顯著的負(fù)異常,其負(fù)異常中心較歷史同期差值在-7 dagpm以上。此外,緯向上同樣存在明顯的“-+-”波列分布,即巴爾喀什湖—貝加爾湖地區(qū)為負(fù)異常,我國大陸東部至西北太平洋為正異常,日本島以東地區(qū)為負(fù)異常。中高緯地區(qū)的環(huán)流異常有利于冷空氣在巴爾喀什湖—貝加爾湖地區(qū)堆積并不斷分裂南下,與異常偏西的副高外圍暖濕氣流交匯于漢江上游地區(qū)。2021年在巴爾喀什湖—貝加爾湖地區(qū)高度場(chǎng)的負(fù)異常、歐洲北部的正異常、我國大陸東部至西北太平洋的正異常,與白虎志和董文杰(2004)、羅霄等(2013)、王春學(xué)等(2015)研究的華西秋雨偏強(qiáng)年的典型大尺度異常環(huán)流相比,基本一致,主要差異表現(xiàn)在低緯度孟加拉灣至南海地區(qū)高度場(chǎng)仍以正距平為主,而非典型環(huán)流中的明顯負(fù)距平。

注:紅色實(shí)線:漢江流域邊界。圖6 2021年8月21日至10月7日500 hPa平均位勢(shì)高度(等值線,單位:dagpm)及距平場(chǎng)(填色)Fig.6 The 500 hPa mean geopotential height (isoline, unit: dagpm) and anomaly field (colored) from 21 August to 7 October 2021

4.2 西太平洋副高異常特征

500 hPa副高的變化是影響秋雨多少的主要因子之一,從2021年8月21日至10月7日期間逐日副高強(qiáng)度及面積指數(shù)演變(圖7a)可見,副高異常偏強(qiáng)、面積偏大,秋汛期間平均的強(qiáng)度指數(shù)和面積指數(shù)分別為歷史同期的1.5倍和1.7倍。從秋汛期間副高脊線、西伸脊點(diǎn)演變可見(圖7b),副高呈現(xiàn)出階段性的南北及東西擺動(dòng),對(duì)比逐日降水演變可見,副高西伸脊線在26°～28°N、西伸脊點(diǎn)在90°～110°E的階段,也是漢江上游降水顯著增強(qiáng)的階段。

圖7 2021年8月21日至10月7日逐日500 hPa(a)副高面積指數(shù)和強(qiáng)度指數(shù)及(b)西伸脊點(diǎn)和脊線演變Fig.7 Daily variation of (a) subtropical high intensity and area index and (b) westward extension ridge point and ridge line at 500 hPa from 21 August to 7 October 2021

4.3 東亞副熱帶西風(fēng)急流和南亞高壓

南亞高壓及其北側(cè)的東亞副熱帶西風(fēng)急流是中高緯地區(qū)對(duì)流層中上層大氣環(huán)流的重要組成部分,其對(duì)大范圍雨帶形成及維持具有重要作用(張瓊和吳國雄,2001;況雪源和張耀存,2006;陸曉娟等,2022)。從歷史平均的8月21日至10月7日200 hPa 南亞高壓及平均緯向風(fēng)的歷史平均分布特征(圖8a)可見,南亞高壓1252 dagpm所控制的范圍很小,僅在高原西側(cè)90°E附近區(qū)域東亞副熱帶西風(fēng)急流軸(u≥30 m·s-1)呈準(zhǔn)東西向帶狀分布,在90°E、150°E存在兩個(gè)35 m·s-1以上的急流中心。從2021年8月21日至10月7日秋汛期間200 hPa南亞高壓及平均緯向風(fēng)(圖8b)分布可見,南亞高壓較歷史同期異常偏強(qiáng)、范圍偏大,1252 dagpm覆蓋了20°～130°E的廣大地區(qū),且其中心值超過1256 dagpm。東亞副熱帶西風(fēng)急流較歷史同期范圍更廣,覆蓋了37°～42°N、 35°～160°E大部區(qū)域,并且強(qiáng)度更強(qiáng),在60°～140°E的大范圍區(qū)域內(nèi)其中心強(qiáng)度均超過了35 m·s-1。從2021年秋汛期105°～112°E平均的200 hPa位勢(shì)高度、緯向風(fēng)及水平散度隨時(shí)間演變來看(圖8c),南亞高壓及東亞副熱帶西風(fēng)急流經(jīng)歷了4次加強(qiáng)北抬隨后又減弱南撤的過程,當(dāng)東亞副熱帶西風(fēng)急流軸與南亞高壓脊線分別穩(wěn)定在35°～40°N、25°～30°N時(shí),在30°～35°N(即漢江上游所在區(qū)域)有明顯的高空輻散發(fā)展,對(duì)應(yīng)的降水也進(jìn)入顯著增強(qiáng)階段。

注:圖a,b中紅色實(shí)線:漢江流域邊界;圖c中紅色實(shí)線:南亞高壓脊線。圖8 (a)1991—2021年歷史平均和(b)2021年8月21日至10月7日200 hPa平均位勢(shì)高度(黑色實(shí)線,單位:dagpm,綠色實(shí)線:1252 dagpm)及緯向風(fēng)(填色:≥30 m·s-1),(c)2021年105°～112°E的200 hPa平均位勢(shì)高度(黑色虛線,單位:dagpm)、緯向風(fēng)(黑色實(shí)線,單位:m·s-1)和水平散度(填色)的時(shí)間-緯度剖面Fig.8 (a, b) The 200 hPa average geopotential height (black solid line, unit: dagpm: green solid line: 1252 dagpm) and u-wind (colored: ≥30 m·s-1) from 21 August to 7 October (a) of climate mean (1991-2021) and (b) in 2021, (c) the time-latitude cross-section of geopotential height (black dashed line, unit: dagpm), u-wind (black solid line, unit: m·s-1) and horizontal divergence (colored)

4.4 低層流場(chǎng)及水汽輸送異常

由2021年8月21日至10月7日700 hPa距平流場(chǎng)(圖9)可見,在中高緯度巴爾喀什湖—貝加爾湖地區(qū)有異常的氣旋性環(huán)流存在,而我國東部沿海地區(qū)處于與副高相關(guān)的異常反氣旋環(huán)流控制下,在其南側(cè)的0°～20°N、 100°～120°E區(qū)域內(nèi),可以看到存在明顯的氣旋性環(huán)流,其與越赤道氣流、高壓底部的偏東氣流匯合成一支偏東氣流,在進(jìn)入陸地后轉(zhuǎn)向形成一支異常的西南氣流,最終與中高緯氣旋性環(huán)流底部的偏北氣流在漢江上游地區(qū)交匯。

注:D:氣旋性環(huán)流中心,G:反氣旋性環(huán)流中心,紅色實(shí)線:漢江流域邊界。圖9 2021年8月21日至10月7日700 hPa距平流場(chǎng)Fig.9 The 700 hPa streamline field of anomalies from 21 August to 7 October 2021

從氣候平均的8月21日至10月7日700 hPa水汽通量及水汽通量散度(圖10a)分布特征可以看出,水汽輻合區(qū)主要位于28°～40°N、 80°～100°E附近,即漢江流域以西的四川盆地附近地區(qū),此外在漢江流域以東地區(qū)也存在一個(gè)弱水汽輻合中心,漢江上游流域無明顯的水汽輻合。但在2021年秋汛期(圖10b),水汽輻合中心范圍明顯增大,東擴(kuò)至118°E附近,漢江上游地區(qū)處于明顯的水汽輻合區(qū)中,這與李多和顧薇(2022)的研究結(jié)論較為一致。水汽的輸送路徑主要有4支,來自南海、阿拉伯海的水汽首先在0°～20°N、 100°～120°E形成一個(gè)水汽輻合中心,而后經(jīng)由副高南側(cè)的偏東南氣流與孟加拉灣水汽匯合成一條西南水汽輸送帶,最終與來自西風(fēng)帶的水汽在漢江上游形成強(qiáng)烈的輻合,為秋汛期持續(xù)降水提供了充分的水汽供應(yīng)。

注:紅色實(shí)線:漢江流域邊界。圖10 (a)1991—2021年歷史平均和(b)2021年8月21日至10月7日700 hPa平均水汽通量(箭矢,單位:kg·m-1·s-1)及水汽通量散度(填色,單位:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.10 The 700 hPa water vapor flux (arrow, unit: kg·m-1·s-1) and water vapor flux divergence (colored, unit: 10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1) from 21 August to 7 October (a) of climate mean (1991-2021) and (b) in 2021

5 2021年漢江秋汛成因概念模型

綜合上文對(duì)2021年漢江秋汛水文氣象演變特征和大氣環(huán)流異常分析結(jié)果,得到2021年漢江秋汛成因概念模型(圖11)。

圖11 2021年漢江秋汛成因示意圖Fig.11 Schematic diagram of causes for autumn floods in Hanjiang River in 2021

當(dāng)200 hPa南亞高壓、東亞副熱帶西風(fēng)急流較同期異常偏強(qiáng);500 hPa巴爾喀什湖—貝加爾湖地區(qū)有低槽發(fā)展,其距平場(chǎng)呈明顯負(fù)距平,我國大陸東部有高壓脊發(fā)展、副高異常偏西偏北,且中東部大部地區(qū)在距平場(chǎng)上呈明顯正距平;對(duì)流層中低層,漢江上游地區(qū)有異常的水汽輻合中心發(fā)展,并且上述異常大尺度環(huán)流配置穩(wěn)定維持時(shí),有利于漢江上游出現(xiàn)大范圍持續(xù)性降水。當(dāng)東亞副熱帶西風(fēng)急流軸位于35°～40°N,南亞高壓脊線位于25°～30°N時(shí),副高脊線在26°～28°N、西伸脊點(diǎn)在90°～110°E時(shí),有利于漢江上游降水顯著增強(qiáng)。在丹江口水庫入庫流量接近2000 m3·s-1后,當(dāng)漢江上游5 d累計(jì)面雨量達(dá)60 mm以上時(shí),往往造成漢江上游流域10 000 m3·s-1以上的洪峰過程。漢江上游洪峰形成后,在其向中下游的移動(dòng)過程中,由于河道落差小,斷面逐級(jí)收窄,導(dǎo)致降水并不明顯的漢江中下游地區(qū)出現(xiàn)超警戒洪水。

6 結(jié) 論

本文分析了2021年漢江秋汛降水的時(shí)空分布及歷史極端性特征,漢江流域主要水文控制站水情演變及大尺度環(huán)流異常特征,并初步探討了致洪的環(huán)流特征,得出以下結(jié)論:

(1)2021年漢江秋汛致洪降水主要分布在漢江上游地區(qū),具有開始時(shí)間早、持續(xù)時(shí)間長、降水的累計(jì)強(qiáng)度大及歷史極端性強(qiáng)等特征,降水自8月21日開始發(fā)展,至10月上旬方減弱,持續(xù)近50 d,期間經(jīng)歷了4個(gè)降水的集中時(shí)段。漢江上游3個(gè)子流域石泉以上、石泉安康、安康丹江口累計(jì)面雨量分別為1961年以來的第一、第一、第二位,且整個(gè)漢江上游流域累計(jì)面雨量居1961年以來第一位。

(2)受漢江上游降水影響,丹江口水庫出現(xiàn)10 000 m3·s-1以上的洪峰過程7次,最大洪峰流量出現(xiàn)在9月29日,為24 900 m3·s-1。漢江中下游主要水文控制站點(diǎn)累計(jì)超警時(shí)間在151～580 h,最大超警幅度分別為0.29～1.56 m,呈現(xiàn)越到下游超警時(shí)間越長、超警幅度越大的特征。與典型秋汛年水情的對(duì)比分析表明,2021年水情的異常程度明顯超過2011年、2017年。2021年漢江上游洪峰出現(xiàn)在8月下旬至10月上旬,洪峰出現(xiàn)時(shí)間最早,洪峰次數(shù)最多(7次),上游高水位流量持續(xù)時(shí)間最長,中下游累計(jì)超警時(shí)間也最長,其下游的漢川站水位為3年中最高,超警幅度也最大。

(3)副高異常偏西偏北,是導(dǎo)致秋汛期間漢江流域降水“西多東少”的主要原因。在同期異常偏強(qiáng)的南亞高壓、東亞副熱帶西風(fēng)急流及對(duì)流層中低層異常的西南氣流的共同作用下,漢江上游地區(qū)形成了持續(xù)的高空輻散及低層水汽輻合中心,這為降水的長期維持起到重要作用。當(dāng)副高脊線在26°～28°N、西伸脊點(diǎn)在90°～110°E,且西風(fēng)急流軸與南亞高壓脊線分別穩(wěn)定在35°～40°N、25°～30°N時(shí),對(duì)應(yīng)的漢江上游降水也進(jìn)入顯著增強(qiáng)階段。當(dāng)?shù)そ谒畮烊霂炝髁拷咏?000 m3·s-1后,漢江上游60 mm 以上的5 d累計(jì)面雨量往往能造成10 000 m3·s-1以上的洪峰過程。上游來水增大后,漢江中下游河道逐級(jí)收窄,是導(dǎo)致降水并不明顯的漢江中下游地區(qū)出現(xiàn)超警洪水的主要原因。