大渡河上游強(qiáng)降水的環(huán)流分型及時(shí)空分布特征

黃 瑤，陶 麗，劉新超，袁 夢(mèng)，孫 明，淡 嘉

（四川省氣象服務(wù)中心，四川 成都610072）

大渡河流域位于青藏高原東南邊緣向四川盆地西部的過(guò)渡地帶，其主體分布在川西高原境內(nèi)，上游段是從青海省的果洛山到甘孜州瀘定縣，該段流域內(nèi)天然落差大，水能資源十分豐富，是我國(guó)西南地區(qū)重要的水利樞紐和淡水來(lái)源[1-2]。但由于該區(qū)地形及地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，生態(tài)環(huán)境相對(duì)脆弱，地震時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致巖體松散，一旦發(fā)生強(qiáng)降水，隨之而來(lái)的便是滑坡、泥石流等次生災(zāi)害，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)丶跋掠稳嗣竦纳?cái)產(chǎn)安全，危害極大。前期研究表明大渡河極端降水指數(shù)呈現(xiàn)波動(dòng)增加的趨勢(shì)[3]，所以有必要對(duì)大渡河上游強(qiáng)降水進(jìn)行以環(huán)流分型為先導(dǎo)的系統(tǒng)性研究。

環(huán)流形勢(shì)是極端降水產(chǎn)生的背景場(chǎng)，可以從環(huán)流形勢(shì)分析降水產(chǎn)生的機(jī)理、落區(qū)和持續(xù)時(shí)間等特征[4-6]。目前聚類(lèi)分析方法在暴雨及其天氣環(huán)流客觀分型方面具有廣泛應(yīng)用，能更客觀定量地鑒別不同類(lèi)型暴雨的特征[7-9]。湯桂生等[10]利用聚類(lèi)分析法研究了我國(guó)暴雨落區(qū)和暴雨環(huán)流形勢(shì)特征，將暴雨環(huán)流形勢(shì)主要分為深槽型、低渦切變型、切變線型、高空冷渦型和低槽冷鋒型。張端禹等[11]研究了南亞高壓的環(huán)流型分類(lèi)對(duì)華南前汛期暴雨過(guò)程的影響，將華南前汛期暴雨分為夏季風(fēng)降水前、后南亞高壓東部型、夏季風(fēng)降水后南亞高壓帶狀型、西部型4 種類(lèi)型。趙漢光等[12]利用K-mean 聚類(lèi)分析法將我國(guó)東部降水分為江淮多雨、華南及河套少雨和江淮少雨、華南河套多雨兩種類(lèi)型。閔晶晶等[13]利用聚類(lèi)分析法對(duì)京津冀地區(qū)強(qiáng)對(duì)流天氣環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行客觀分型，歸納出造成該地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的4 種環(huán)流形勢(shì)。

目前大部分研究是針對(duì)我國(guó)東部強(qiáng)對(duì)流環(huán)流分類(lèi)，而對(duì)我國(guó)西部高原地區(qū)強(qiáng)降水研究主要以氣候統(tǒng)計(jì)和個(gè)例分析為主，尤其針對(duì)西南地區(qū)流域極端天氣的研究匱乏[14-16]。本文以1980—2019 年大渡河上游強(qiáng)降水為研究對(duì)象，利用K-means 聚類(lèi)分析法將強(qiáng)降水環(huán)流進(jìn)行分型，進(jìn)而分析各類(lèi)型環(huán)流下大渡河上游強(qiáng)降水特征。以此可以進(jìn)一步了解該流域強(qiáng)降水產(chǎn)生的機(jī)理，為流域強(qiáng)降水預(yù)報(bào)提供理論依據(jù)，并且為高原山地防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)參考。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

降水資料取自于 1980—2019 年 0.5°×0.5°中國(guó)地面降水格點(diǎn)數(shù)據(jù)集（V2.0）。該套數(shù)據(jù)集是基于全國(guó)2 400 多個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站點(diǎn)的實(shí)測(cè)資料，應(yīng)用薄盤(pán)樣條法和數(shù)字高程模型進(jìn)行插值，具有精度高、時(shí)間長(zhǎng)、代表性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了高原基準(zhǔn)站點(diǎn)稀疏和區(qū)域站觀測(cè)時(shí)限短的不足，保證了研究結(jié)果的可靠性。再分析資料取自于1980—2019 年NCEP/NCAR的2.5°×2.5°日數(shù)據(jù)和月數(shù)據(jù)集，包括位勢(shì)高度、風(fēng)、海平面氣壓、比濕等氣象要素。

1.2 強(qiáng)降水定義

考慮到大渡河上游區(qū)域降水較內(nèi)陸地區(qū)偏少，若采用普遍的暴雨劃分標(biāo)準(zhǔn)定義強(qiáng)降水則有不妥，本文采用百分位閾值法[17-19]來(lái)定義強(qiáng)降水事件。具體是將大渡河上游研究區(qū)域1980—2019 年日降水量區(qū)域平均，剔除無(wú)降水和微量降水（<0.1 mm）的日數(shù)，將有降水記錄的時(shí)間序列從小到大排序，取其第99 個(gè)百分位的日降水量為強(qiáng)降水閾值。經(jīng)計(jì)算，大渡河上游強(qiáng)降水閾值為17.2 mm，按閾值篩選出40 a 強(qiáng)降水 111 例，發(fā)現(xiàn)其中 110 例均在 6—9 月，僅1 例發(fā)生在3 月，下文僅取6—9 月期間110 例強(qiáng)降水作為研究對(duì)象。

1.3 K-means 聚類(lèi)分析

K-means 聚類(lèi)法[20-21]基本原理是給定一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)集合D 和需要的聚類(lèi)數(shù)目k，隨機(jī)選取k 個(gè)對(duì)象作為初始聚類(lèi)中心根據(jù)距離函數(shù)計(jì)算每個(gè)樣本與給定聚類(lèi)中心的距離，以距離遠(yuǎn)近作為分類(lèi)依據(jù)，將最近的樣本劃分為一簇，使簇內(nèi)樣本相似度高，而簇間樣本相似度低。完成一次完整計(jì)算后，再重新計(jì)算聚類(lèi)中心重復(fù)聚類(lèi)過(guò)程，直到滿足給定終止條件。具體步驟是：

（1）計(jì)算 D 中 n 個(gè)樣本 Pj（j=1，…，n）到各簇中心的距離：

（2）得出Pj到的最小距離Mind（i，j），將Pj納入到與距離最小的簇中。

（3）所有樣本歸類(lèi)結(jié)束后，重新計(jì)算各簇聚類(lèi)中心：

（4）計(jì)算 D 中所有樣本的離差平方和 E（t）（t 表示循環(huán)時(shí)次），并與前一次離差平方和E（t-1）比較，若 E（t）-E（t-1）<0，則再轉(zhuǎn)到（1），否則結(jié)束運(yùn)算。

最佳分類(lèi)數(shù)k 的選取是采用了離差平方和拐點(diǎn)法。計(jì)算不同k 值下所有樣本離差平方和，可視化k值與離差平方和的關(guān)系，關(guān)注斜率由大變小的拐點(diǎn)，折線拐點(diǎn)處的k 值即為最佳聚類(lèi)數(shù)。拐點(diǎn)說(shuō)明隨著k 值增加，離差平方和變化趨于平穩(wěn)，聚類(lèi)效果提升不大，所以取拐點(diǎn)處的k 值聚類(lèi)效果最為理想。

2 環(huán)流分型結(jié)果

利用K-means 聚類(lèi)分析法對(duì)大渡河上游110個(gè)強(qiáng)降水事件同期500 hPa 高度場(chǎng)進(jìn)行分類(lèi)，依次計(jì)算了類(lèi)別數(shù)為2~10 的簇內(nèi)離差平方和。根據(jù)離差平方和與類(lèi)別的折線關(guān)系，發(fā)現(xiàn)k=3 是折線拐點(diǎn)，也就說(shuō)明將環(huán)流分為3 類(lèi)是最優(yōu)分類(lèi)數(shù)。

分類(lèi)結(jié)果顯示，1980—2019 年 6—9 月，第一類(lèi)環(huán)流形勢(shì)下的強(qiáng)降水一共有9 次，占8.2%；第二類(lèi)環(huán)流形勢(shì)下的強(qiáng)降水56 次，占50.9%；第三類(lèi)45次，占40.9%。對(duì)這三種類(lèi)別強(qiáng)降水的200、500 和700 hPa 環(huán)流場(chǎng)以及水汽條件進(jìn)行合成分析。在合成計(jì)算過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)若將所有個(gè)例都進(jìn)行合成，則會(huì)在較大程度上將環(huán)流特征平均化，所以取每個(gè)類(lèi)別中降水量最大的5 次強(qiáng)降水作為每類(lèi)代表，將其與同期環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行合成，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2.1 兩脊一槽型

圖1 所對(duì)應(yīng)的是第一類(lèi)合成環(huán)流形勢(shì)。在該類(lèi)強(qiáng)降水天氣類(lèi)型中，200 hPa（圖 1a）上 45°N 以北為兩脊一槽，烏拉爾山以東和鄂霍次克海地區(qū)為高壓脊，貝加爾湖附近為低壓槽。30°~45°N 為西風(fēng)急流區(qū)，急流南側(cè)南亞高壓脊線位于25°N 附近，東伸脊點(diǎn)在110°E 附近，位置偏南，范圍較窄，強(qiáng)度較弱（以1 252 dagpm 等值線范圍作為南亞高壓覆蓋區(qū)域）。高壓中心存在一個(gè)弱的反氣旋。大渡河流域上游位于西風(fēng)急流與南亞高壓交界處、反氣旋東北部。高空急流入口區(qū)右側(cè)和南亞高壓控制區(qū)都有助于高空氣流輻散，對(duì)低層氣流有雙重抽吸作用，加強(qiáng)低層氣流抬升，為強(qiáng)降水提供動(dòng)力條件。從散度場(chǎng)看，大渡河上游對(duì)應(yīng)高空輻散區(qū)。500 hPa（圖1b）上等位勢(shì)高度線分布與高層基本一致，中高緯度為兩脊一槽的分布形勢(shì)。烏拉爾山以東和鄂霍次克海附近的高壓脊穩(wěn)定維持，有助于貝加爾湖附近低槽加深。槽后冷空氣沿貝加爾湖附近南下，容易在川西高原觸發(fā)切變線、低槽等低值擾動(dòng)系統(tǒng)。貝加爾湖大槽與川西高原生成的淺槽（高原淺槽在合成之后被平均化，所以在合成圖中表現(xiàn)不明顯（圖1b），僅表現(xiàn)為氣旋式曲率）相互配合共同形成大渡河上游降水天氣系統(tǒng)，并且高原淺槽區(qū)和中高緯大槽區(qū)均通過(guò)0.05 的顯著性檢驗(yàn)。這類(lèi)環(huán)流中，副熱帶高壓偏南偏東，主體位于海上，強(qiáng)度較弱。

700 hPa 上（圖1c），貝加爾湖到青藏高原地區(qū)為西南東北走向的低壓區(qū)，與中高層低槽相對(duì)應(yīng)，低壓區(qū)覆蓋整個(gè)青藏高原，地面低壓有助于低層氣流輻合上升，與高層輻散場(chǎng)對(duì)應(yīng)。風(fēng)場(chǎng)上，中高緯地區(qū)西風(fēng)氣流在貝加爾湖轉(zhuǎn)為西北氣流南下，經(jīng)過(guò)我國(guó)東部再回流向西進(jìn)入川西高原。低緯度孟加拉灣西北部存在南支槽，槽前形成較強(qiáng)的西南氣流帶，為降水帶來(lái)暖濕空氣，與北方回流冷空氣在降水區(qū)輻合。

從地面到高空整層大氣水汽通量和水汽通量散度圖中更容易看清水汽來(lái)源和水汽輸送大?。▓D1d）。水汽輻合的大值中心在青藏高原東部，中心數(shù)值達(dá)-11×10-5kg/（m2·s），大渡河上游降水區(qū)位于水汽輻合大值中心偏東位置。高原四周和孟加拉灣為水汽輻散區(qū)，最大輻散區(qū)位于青藏高原南側(cè)。由水汽通量方向可見(jiàn)此類(lèi)降水水汽來(lái)源主要是孟加拉灣，南海也有較弱的暖濕氣流輸送，輸送路徑分兩條，分別是直接進(jìn)入川西高原的孟加拉灣西南氣流和經(jīng)貴州、重慶等地向西回流的南海東南氣流。其中西南氣流輸送帶最強(qiáng)，而東南水汽輸送強(qiáng)度較弱，貢獻(xiàn)較小。

圖1 第一類(lèi)降水環(huán)流形勢(shì)

由上述分析可知，此類(lèi)降水是在貝加爾湖大槽與青藏高原東部淺槽配合下，孟加拉灣強(qiáng)暖濕氣流與東部弱回流冷氣流在川西高原交匯，從而造成大渡河上游強(qiáng)降水的產(chǎn)生。

2.2 多波動(dòng)型

第二類(lèi)降水的各層環(huán)流形勢(shì)如圖2 所示，高層200 hPa（圖 2a）上西風(fēng)急流位于 30°N 以北，急流相對(duì)于第一類(lèi)更強(qiáng)，位置更偏北。在巴爾喀什湖和貝加爾湖之間存在一深槽，貝加爾湖以東是平直西風(fēng)帶。南亞高壓脊線北移至30°N 附近，東伸脊點(diǎn)達(dá)到120°E，強(qiáng)度和寬度相較于第一類(lèi)都增加。高壓中心對(duì)應(yīng)反氣旋強(qiáng)度比第一類(lèi)更強(qiáng)，大渡河上游區(qū)域位于反氣旋中心，更有利于高空輻散。

500 hPa（圖 2b）上 50°N 以北的中高緯地區(qū)為多波動(dòng)經(jīng)向環(huán)流形勢(shì)，自西向東分布有烏拉爾山高壓脊、巴爾喀什湖與貝加爾湖之間的低壓槽、貝加爾湖附近的高壓脊、我國(guó)東北地區(qū)的低壓槽。50°N 以南至高原北部等位勢(shì)高度線較平直，西風(fēng)帶以緯向氣流為主。這種形勢(shì)下，貝加爾湖與巴爾喀什湖之間的槽區(qū)向西南傾斜，引導(dǎo)脊前槽后冷空氣南下，在中緯度西風(fēng)氣流中引起小擾動(dòng)，有助于青藏高原短波槽脊形成，青藏高原淺槽向東移動(dòng)導(dǎo)致降水產(chǎn)生。這類(lèi)環(huán)流場(chǎng)中，西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度較強(qiáng)，588 dagpm線西伸進(jìn)入我國(guó)東南地區(qū)，高壓脊線位于30°N 附近。

圖2 第二類(lèi)降水環(huán)流形勢(shì)

700 hPa（圖2c）上低壓中心位于高原東部，與200 hPa 反氣旋輻散中心相對(duì)應(yīng)，更有利于低層氣流輻合上升。風(fēng)場(chǎng)上巴爾喀什湖西北氣流沿槽后南下，匯入中緯度西風(fēng)氣流帶，青藏高原北側(cè)存在一小反氣旋，反氣旋東側(cè)將高緯度西風(fēng)冷氣流帶下匯入青藏高原。低緯度地區(qū)西風(fēng)氣流也較平直，南支槽較弱且位于孟加拉灣以北，西風(fēng)在孟加拉灣北部轉(zhuǎn)為西南風(fēng)北上進(jìn)入川西高原。南海地區(qū)的西風(fēng)也轉(zhuǎn)為南風(fēng)向川西高原輸送暖濕氣流。此外副熱帶高壓外圍的反氣旋環(huán)流較明顯，其西側(cè)的偏南氣流位于我國(guó)東南地區(qū)，有助于阻擋低緯度的西風(fēng)前進(jìn)，促使西風(fēng)轉(zhuǎn)為南風(fēng)向北進(jìn)入川西高原，因此副熱帶高壓對(duì)川西高原暖濕氣流的輸送起間接作用。

水汽通量圖中（圖2d）高原水汽輻合帶呈緯向型分布，大渡河上游降水區(qū)位于輻合中心東部，與第一類(lèi)相似。水汽輻散區(qū)依然位于青藏高原四周，在青藏高原以南輻散最強(qiáng)，與第一類(lèi)不同的是來(lái)自南海的水汽比第一類(lèi)強(qiáng)，孟加拉灣和南海水汽分別從西南方和東南方匯入降水區(qū)。

第二類(lèi)強(qiáng)降水的產(chǎn)生是因?yàn)榘蜖柨κ埠拓惣訝柡g的低槽引導(dǎo)冷空氣南下，在中緯度緯向西風(fēng)氣流上激發(fā)短波槽，短波槽東移造成川西高原降水。此類(lèi)降水來(lái)自高緯度的冷空氣輸送較弱，暖濕氣流的輸送與副熱帶高壓有間接關(guān)系。

2.3 橫槽型

第三類(lèi)降水環(huán)流如圖3 所示。200 hPa（圖3a）上西風(fēng)急流強(qiáng)盛，急流軸位于40°N 附近，高緯度中西伯利亞地區(qū)存在一個(gè)低壓中心，低壓向?yàn)趵瓲柹揭詵|傾斜發(fā)展成為一個(gè)低槽。此類(lèi)降水南亞高壓最強(qiáng)，1 252 dagpm 等高線脊點(diǎn)東伸至 140°E 附近，高壓脊線位于30°N 左右。南亞高壓反氣旋分裂為2個(gè)中心，西部反氣旋正好在青藏高原上空，東部反氣旋位于我國(guó)東海與黃海之間。降水區(qū)對(duì)應(yīng)西部反氣旋、位于高空急流和南亞高壓輻散區(qū)。

圖3 第三類(lèi)降水環(huán)流形勢(shì)

500 hPa（圖3b）上高緯度地區(qū)環(huán)流形勢(shì)與高層一致，中西伯利亞閉合低壓中心代表強(qiáng)大的冷空氣團(tuán)，冷低壓分裂低槽南下，在烏拉爾山以東到巴爾喀什湖以西之間發(fā)展成一個(gè)東北—西南向的橫槽。貝加爾湖東側(cè)為寬廣的高壓脊，此高壓脊在東亞的穩(wěn)定存在使西部低壓中心東移受阻，從而橫槽也穩(wěn)定少動(dòng)，隨著時(shí)間推移，橫槽會(huì)逐漸向東南發(fā)展移動(dòng)。冷空氣隨橫槽南下，有利于在橫槽底部生成青藏高原槽，青藏高原槽在地面熱力作用下逐漸東移，形成影響大渡河上游降水的主要天氣系統(tǒng)。降水區(qū)正好位于一個(gè)高原低槽前，槽深度強(qiáng)于前兩類(lèi)高原淺槽。此類(lèi)降水中，副熱帶高壓也較強(qiáng)，位置西伸到我國(guó)華南，與第二類(lèi)類(lèi)似。

700 hPa（圖3c）上地面氣壓整體分布東高西低，中西伯利亞與高層低壓中心對(duì)應(yīng)的是東西向的氣旋性環(huán)流，在橫槽區(qū)也對(duì)應(yīng)一個(gè)氣旋，氣旋西側(cè)北風(fēng)強(qiáng)盛，有助于將高緯度冷空氣輸送到青藏高原。低緯度地區(qū)孟加拉灣存在南支槽，位置和強(qiáng)度與第一類(lèi)相似。由于受副熱帶高壓西側(cè)反氣旋環(huán)流影響，南海附近西風(fēng)轉(zhuǎn)為南風(fēng)向北，最后轉(zhuǎn)為東南風(fēng)進(jìn)入高原，與第二類(lèi)風(fēng)場(chǎng)類(lèi)似。第三類(lèi)水汽通量散度與前兩類(lèi)相似（圖3d），青藏高原東部表現(xiàn)為東西向輻合中心，青藏高原四周均為輻散中心。水汽源地和輸送路徑與第二類(lèi)一致，主要是孟加拉灣的西南氣流和南海的東南氣流。

第三類(lèi)環(huán)流主要是中西伯利亞冷低壓中心向西發(fā)展的過(guò)程中形成橫槽，橫槽底部有高原槽生成，高原槽東移，導(dǎo)致強(qiáng)降水產(chǎn)生。

2.4 3 類(lèi)環(huán)流型異同點(diǎn)分析

根據(jù)上述3 種類(lèi)型環(huán)流形勢(shì)的分析，對(duì)比總結(jié)出異同點(diǎn)。

主要區(qū)別：（1）中高緯度冷空氣南下路徑不同。第一類(lèi)是西北冷空氣經(jīng)我國(guó)東部回流進(jìn)入川西高原，是偏東路徑；第二類(lèi)是由青藏高原北側(cè)反氣旋將冷空氣帶下，屬于偏北路徑；第三類(lèi)是巴爾喀什湖氣旋將橫槽冷空氣帶入青藏高原，屬于偏西路徑。（2）西風(fēng)急流、南亞高壓和副熱帶高壓強(qiáng)度和位置不同。第一類(lèi)西風(fēng)急流軸偏南，南亞高壓強(qiáng)度弱，位置偏西、偏南，副熱帶高壓偏弱，位置偏東。第二類(lèi)和三類(lèi)西風(fēng)急流、南亞高壓、副熱帶高壓都較強(qiáng)，其中第三類(lèi)南亞高壓強(qiáng)度最強(qiáng)，位置最偏東。（3）南支槽強(qiáng)度和位置不同，水汽主要源地不同。第一類(lèi)南支槽強(qiáng)度和位置與第三類(lèi)相似，強(qiáng)度較強(qiáng)，位于孟加拉灣西北部，第二類(lèi)強(qiáng)度最弱，位置偏北。第一類(lèi)水汽源地主要是孟加拉灣，來(lái)自南海水汽較弱，第二類(lèi)和第三類(lèi)來(lái)自孟加拉灣和南海的水汽都較強(qiáng)。

主要相同點(diǎn)：（1）大渡河上游3 類(lèi)降水均位于高空急流南側(cè)，同時(shí)受南亞高壓反氣旋影響，降水都發(fā)生在高空輻散區(qū)內(nèi)。（2）水汽通量散度場(chǎng)分布類(lèi)似，輻合區(qū)位于青藏高原東部，輻合中心呈東西走向，青藏高原四周為輻散區(qū)，最大輻散中心在青藏高原以南。暖濕氣流均從西南和東南兩個(gè)方向匯入降水區(qū)。

3 各類(lèi)環(huán)流型下強(qiáng)降水時(shí)空分布特征

3.1 時(shí)間分布特征

根據(jù)上述環(huán)流分類(lèi)結(jié)果，將降水個(gè)例進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，以了解各類(lèi)環(huán)流型下降水的時(shí)空分布規(guī)律。

3 類(lèi)降水頻率的年代際變化如表1 所示。兩脊一槽型降水發(fā)生頻率最低，隨時(shí)間沒(méi)有明顯變化；多波動(dòng)型降水在20 世紀(jì)80 年代發(fā)生較少，90 年代開(kāi)始明顯增加；橫槽型降水在前30 a 發(fā)生次數(shù)較少，2010 年之后明顯增加。強(qiáng)降水總頻次20 世紀(jì)80 年代發(fā)生 15 次，90 年代增長(zhǎng)較快，總計(jì) 29 次，21 世紀(jì)前10 a 略有回落，總計(jì)24 次。這30 a 期間大渡河上游平均每年發(fā)生強(qiáng)降水2.3 次，且以多波動(dòng)型降水貢獻(xiàn)最大，說(shuō)明在此期間大渡河上游強(qiáng)降水多由中高緯度多波動(dòng)型環(huán)流形勢(shì)引起。21 世紀(jì)10 年代強(qiáng)降水頻率相比前30 a 明顯增多，總計(jì)發(fā)生42 次，年均發(fā)生強(qiáng)降水4.2 次，其中橫槽型發(fā)生頻次最多，共計(jì)25 次，占比接近60%。這25 次橫槽型降水中，6 和 8 月各占 5 次，7 月共計(jì) 15 次，與表 1 數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)21 世紀(jì)10 年代7 月橫槽型降水比20 世紀(jì)80年代、90 年代、21 世紀(jì)前10 a 的橫槽型降水頻次多。說(shuō)明近年來(lái)高緯冷空氣南下在巴爾喀什湖附近堆積頻繁，導(dǎo)致橫槽產(chǎn)生，形成青藏高原強(qiáng)降水的環(huán)流背景，而這類(lèi)背景場(chǎng)在21 世紀(jì)10 年代7 月表現(xiàn)尤為突出。兩脊一槽型的平均降水強(qiáng)度最弱，平均為19.1 mm/d，橫槽型的平均降水強(qiáng)度最強(qiáng)，平均為21.1 mm/d，多波動(dòng)型介于兩者之間，為20.8 mm/d。

表1 各類(lèi)強(qiáng)降水頻次年代際變化和平均強(qiáng)度

強(qiáng)降水頻次年際變化如圖4 所示。各年之中發(fā)生強(qiáng)降水次數(shù)以2~3 次居多，但近年強(qiáng)降水頻次有明顯增長(zhǎng)，增長(zhǎng)原因主要來(lái)源于橫槽型降水的貢獻(xiàn)。一年之中發(fā)生強(qiáng)降水4 次以上的年份共計(jì)9 a，其中5 a 集中在2010—2019 年。發(fā)生最頻繁的是1990 年，共發(fā)生9 次，其中由多波動(dòng)型環(huán)流引起的有6 次，其余3 次由橫槽型環(huán)流引起。頻數(shù)次多的年份為2018 年，共計(jì)8 次，其中多波動(dòng)型環(huán)流和橫槽型環(huán)流各占4 次。

圖4 各類(lèi)強(qiáng)降水頻次年際變化

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)各類(lèi)降水的月分布特征（表2），兩脊一槽型降水常發(fā)生在6 月，為7 次，9 月發(fā)生2次，7、8 月未發(fā)生，這可能與副熱帶高壓位置有關(guān)。在6、9 月副熱帶高壓位置偏南，強(qiáng)度偏弱，與兩脊一槽型環(huán)流中副熱帶高壓偏東偏南表現(xiàn)相對(duì)應(yīng)。多波動(dòng)型降水多集中在7、8 月，分別出現(xiàn)20、21 次，在6、9 月也有少量頻次出現(xiàn)。橫槽型降水主要集中在7月，總計(jì)發(fā)生29 次，其中20 世紀(jì)80 年代發(fā)生2 次，90 年代發(fā)生 8 次，21 世紀(jì)前 10 a 發(fā)生 4 次，21 世紀(jì)10 年代發(fā)生15 次，再次證明21 世紀(jì)10 年代7月橫槽型強(qiáng)降水頻次增加明顯。橫槽型降水在6、8月出現(xiàn)次數(shù)較少，9 月未發(fā)生此類(lèi)型強(qiáng)降水。從各月強(qiáng)降水總頻次看，7 月發(fā)生強(qiáng)降水最多，其次是8月，而9 月發(fā)生頻次最少。

表2 各類(lèi)強(qiáng)降水頻次月分布 次

3.2 空間分布特征

將各類(lèi)降水個(gè)例進(jìn)行合成，分析降水的空間分布特征（圖5）。3 類(lèi)降水最大值中心均在小金縣，以小金為中心向南北方向遞減。兩脊一槽型的最大降水強(qiáng)度為52 mm/d（圖5a），多波動(dòng)型的最大降水強(qiáng)度為67 mm/d（圖5b），橫槽型的最大降水強(qiáng)度為64 mm/d（圖5c）。除小金以外，3 類(lèi)降水在金川與丹巴交界處、康定中部均存在次大值中心，但3 類(lèi)降水次大值中心范圍大小不一致。兩脊一槽型中，壤塘以南、馬爾康、金川以北、康定以南范圍內(nèi)降水量相近，為19~27 mm/d；寶興、天全、瀘定、滎經(jīng)、色達(dá)、班瑪、阿壩、久治、壤塘以北降水在19 mm/d 以下；降水最少的區(qū)域在久治和阿壩東北部，降水量在10 mm/d以下。多波動(dòng)型和橫槽型降水分布主要區(qū)別在于寶興、天全、滎經(jīng)3 縣降水量，橫槽型在這3 縣降水要多于多波動(dòng)型，其余各縣兩類(lèi)降水量分布相似。

圖5 各類(lèi)強(qiáng)降水空間分布

4 21 世紀(jì)10 年代大渡河上游強(qiáng)降水偏多的原因分析

21 世紀(jì)10 年代強(qiáng)降水頻次增多主要是因?yàn)闄M槽型降水增加，而橫槽型降水主要集中發(fā)生在7 月。分別將1980—2009 年 7 月和 2010—2019 年 7 月大渡河上游強(qiáng)降水時(shí)間序列與同期500 hPa 高度場(chǎng)做相關(guān)分析（圖6）。對(duì)比2 個(gè)時(shí)間段相關(guān)系數(shù)分布發(fā)現(xiàn)，1980—2009 年（圖 6a）和 2010—2019 年（圖 6b）降水與高度場(chǎng)高相關(guān)區(qū)分布相似，并且與橫槽型500 hPa 高度場(chǎng)高低壓以及槽脊位置分布相對(duì)應(yīng)。證明了在大渡河上游7 月強(qiáng)降水主要由橫槽型環(huán)流引起。在烏拉爾山以東至貝加爾湖之間、巴爾喀什湖附近分別存在一個(gè)顯著負(fù)相關(guān)中心，并分別對(duì)應(yīng)于橫槽型500 hPa 高度場(chǎng)中的中西伯利亞冷低壓中心和向西伸展的橫槽，說(shuō)明冷低壓和橫槽強(qiáng)度越強(qiáng)，越有利于大渡河上游強(qiáng)降水發(fā)生。另外在高原主體位置和孟加拉灣也為負(fù)相關(guān)區(qū)，說(shuō)明高原東部的低值系統(tǒng)和孟加拉灣低槽也對(duì)大渡河上游強(qiáng)降水有影響。在貝加爾湖東南方存在東北西南走向的正相關(guān)區(qū)，對(duì)應(yīng)500 hPa 高壓脊位置，該區(qū)域高壓脊越強(qiáng)，越有利于西側(cè)橫槽冷空氣堆積。此外西太平洋也存在正相關(guān)中心，說(shuō)明副熱帶高壓加強(qiáng)也有利于大渡河上游強(qiáng)降水產(chǎn)生。

圖6 1980—2009 年（a）與 2010—2019 年（b）7 月強(qiáng)降水與同期 500 hPa 高度場(chǎng)相關(guān)系數(shù)

值得注意的是2010—2019 年相關(guān)系數(shù)在降水關(guān)鍵區(qū)中絕對(duì)值有所增大，并且通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的區(qū)域與橫槽型500 hPa 高度場(chǎng)對(duì)應(yīng)得更好，說(shuō)明21世紀(jì)10 年代7 月降水與橫槽型環(huán)流聯(lián)系更緊密，相關(guān)性更強(qiáng)。

從 2010—2019 年 7 月 500 hPa 的高度場(chǎng)氣候距平圖中（圖7a），發(fā)現(xiàn)在此期間7 月平均位勢(shì)高度在烏拉爾山—巴爾喀什湖—貝加爾湖一帶為負(fù)距平區(qū)，在貝加爾湖以東到鄂霍次克海、我國(guó)東北到日本海附近均為正距平中心，2010—2019 年中高緯總體處于東高西低的環(huán)流形勢(shì)。說(shuō)明近10 a 的7 月，中西伯利亞冷低壓中心整體偏強(qiáng)，致使其向西發(fā)展的巴爾喀什湖橫槽強(qiáng)度偏強(qiáng)。同時(shí)位于貝加爾湖東南側(cè)高壓脊偏強(qiáng)，并且其東北—西南向的形勢(shì)更有利于橫槽形成。橫槽引導(dǎo)冷空氣南下，有利于青藏高原短波槽生成，短波槽在青藏高原加強(qiáng)東移，最終導(dǎo)致大渡河上游強(qiáng)降水的產(chǎn)生。

在低層700 hPa 高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)距平（圖7b）中，巴爾喀什湖異常低壓區(qū)對(duì)應(yīng)異常氣旋，氣旋西側(cè)向高原輸送高緯度冷空氣。中低緯度孟加拉灣和南海表現(xiàn)為負(fù)距平中心，分別對(duì)應(yīng)異常氣旋，說(shuō)明在此期間孟加拉灣低槽偏強(qiáng)，氣旋東側(cè)向高原東輸送孟加拉灣水汽，南海氣旋北側(cè)也向高原輸送南海水汽，兩個(gè)異常氣旋的存在為大渡河上游強(qiáng)降水提供了充足的水汽條件。

圖7 2010—2019 年 500 hPa 高度場(chǎng)（a，單位：dagpm）和 700 hPa 高度場(chǎng)與風(fēng)場(chǎng)（b，單位：m/s）距平

大渡河上游7 月強(qiáng)降水的關(guān)鍵天氣系統(tǒng)為中西伯利亞的低壓中心、巴爾喀什湖附近低壓槽、貝加爾湖以東的東北—西南向的高壓脊，此外還有孟加拉灣低槽和副熱帶高壓。2010—2019 年7 月高度場(chǎng)距平中心與關(guān)鍵區(qū)天氣系統(tǒng)基本一致，均與橫槽型天氣形勢(shì)吻合，充分說(shuō)明21 世紀(jì)10 年代大渡河上游強(qiáng)降水增加的主要原因是7 月橫槽型環(huán)流盛行，導(dǎo)致此類(lèi)型強(qiáng)降水總頻次增加。

5 結(jié)論

本文重點(diǎn)分析了大渡河上游強(qiáng)降水環(huán)流形勢(shì)聚類(lèi)分型結(jié)果，進(jìn)而分析了不同類(lèi)型強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征以及21 世紀(jì)10 年代強(qiáng)降水頻次增加的原因，主要得出以下結(jié)論：

（1）大渡河上游強(qiáng)降水環(huán)流形勢(shì)主要分為兩脊一槽型、多波動(dòng)型和橫槽型3 種類(lèi)型。第一類(lèi)型是在貝加爾湖大槽與高原東部淺槽配合下導(dǎo)致大渡河上游降水產(chǎn)生；第二類(lèi)型是西風(fēng)帶短波槽東移造成大渡河上游降水；第三類(lèi)型是巴爾喀什湖附近橫槽底部有青藏高原槽生成，青藏高原槽東移導(dǎo)致大渡河上游降水產(chǎn)生。第一類(lèi)西風(fēng)急流、南亞高壓和副熱帶高壓偏弱，水汽主要來(lái)源于孟加拉灣，第二類(lèi)和第三類(lèi)西風(fēng)急流、南亞高壓、副熱帶高壓都較強(qiáng)，水汽來(lái)源于孟加拉灣和南海。

（2）1980—2009 年大渡河上游汛期強(qiáng)降水以多波動(dòng)型為主，平均每年發(fā)生強(qiáng)降水2.3 次，21 世紀(jì)10 年代汛期強(qiáng)降水以橫槽型為主，降水頻率增加到4.2 次/a。兩脊一槽型降水常發(fā)生在6 月，平均降水強(qiáng)度最弱，多波動(dòng)型降水多集中在7—8 月，橫槽型降水集中在7 月，平均強(qiáng)度最強(qiáng)。3 類(lèi)降水強(qiáng)度的空間分布均以小金縣為中心向南北方向遞減。

（3）大渡河上游7 月強(qiáng)降水時(shí)間序列與同期500 hPa 高度場(chǎng)顯著相關(guān)區(qū)與橫槽型環(huán)流吻合，關(guān)鍵系統(tǒng)為中西伯利亞的低壓中心、巴爾喀什湖附近低壓槽、貝加爾湖以東的東北—西南向的高壓脊、孟加拉灣低槽和副熱帶高壓。2010—2019 年相關(guān)性和關(guān)鍵系統(tǒng)強(qiáng)度均比1980—2009 年強(qiáng)，說(shuō)明21 世紀(jì)10 年代大渡河上游強(qiáng)降水增加的主要原因是7 月橫槽型環(huán)流盛行，導(dǎo)致此類(lèi)型強(qiáng)降水增加。