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    2008—2018年江南暖區(qū)暴雨特征

    2022-04-02 01:01:31田瑩葉成志姚蓉
    大氣科學(xué)學(xué)報(bào) 2022年1期
    關(guān)鍵詞:統(tǒng)計(jì)分析江南

    田瑩 葉成志 姚蓉

    摘要 利用2008—2018年常規(guī)地面資料、探空站資料、逐小時(shí)自動(dòng)站降水資料,NCEP/NCAR再分析資料及FY2E衛(wèi)星TBB資料對(duì)江南暖區(qū)暴雨進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析和可能影響因子研究。2008—2018年共發(fā)生65次江南暖區(qū)暴雨,分為切變型、副高型、副高和切變相互作用型和西南急流型4類(lèi),可進(jìn)一步細(xì)分為暖切變型、冷切變型、暖切變與副高相互作用型、冷切變與副高相互作用型、副高邊緣型、副高內(nèi)部型和西南急流型,其中以冷切變型最多且分布最廣,西南急流型最少,暖切變型降水強(qiáng)度大且極端性明顯。江南暖區(qū)暴雨多出現(xiàn)于江南中部?jī)?nèi)陸平原地區(qū),其與華南暖區(qū)暴雨相互獨(dú)立。東北冷渦南側(cè)低槽對(duì)江南暖區(qū)暴雨的作用顯著,高原槽的影響次之。江南暖區(qū)暴雨發(fā)生時(shí)多伴隨急流,春季和初夏時(shí)節(jié)伴隨低空急流的概率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于盛夏時(shí)節(jié),兩支影響江南暖區(qū)暴雨的水汽輸送通道均通過(guò)西南急流向江南地區(qū)輸送水汽。江南暖區(qū)暴雨除西南急流型(具有較低的對(duì)流指數(shù))和副高內(nèi)部型(具有較高的對(duì)流指數(shù))外普遍具有較為明顯的 CAPE(>500 J/kg)和K指數(shù)(>35 K),而CIN(<100 J/kg)和LI(<0)則較小,LCL大部分處于920~980 hPa,LFC處于800~900 hPa,0 ℃層高度處于4 500~5 500 m,假相當(dāng)位溫處于340~360 K。

    關(guān)鍵詞江南;暖區(qū)暴雨;統(tǒng)計(jì)分析

    暖區(qū)暴雨最早針對(duì)華南前汛期提出,定義為遠(yuǎn)離地面冷空氣或鋒面南側(cè)(包括冷鋒和靜止鋒)大約200 km以外發(fā)生的暴雨(黃士松等,1986)。此后暖區(qū)暴雨定義被廣義化,不受冷空氣影響的暴雨可稱為暖區(qū)暴雨。暖區(qū)暴雨具有降水強(qiáng)度大、降水集中、對(duì)流性明顯的特點(diǎn),眾多學(xué)者已開(kāi)展廣泛的研究(Jiang et al.,2017;丁治英等,2017;Yang et al.,2017)。暖區(qū)暴雨往往發(fā)生在鋒前西南暖濕氣流中,有時(shí)則發(fā)生在西南風(fēng)和東南風(fēng)匯合氣流里,或一致的西南氣流輻合區(qū),發(fā)生前天氣尺度擾動(dòng)的信號(hào)較弱,觸發(fā)機(jī)制不明顯。同時(shí)華南地區(qū)復(fù)雜的地形以及海陸熱力差異等外強(qiáng)迫作用,使得業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中經(jīng)常出現(xiàn)誤報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象。暖區(qū)暴雨作為預(yù)報(bào)中的一個(gè)難點(diǎn),也成為暴雨研究中的一個(gè)熱點(diǎn)(Jiang et al.,2017;高守亭等,2018;智協(xié)飛等,2020)。高守亭等(2018)指出華南暖區(qū)暴雨的形成主要發(fā)生在低空南風(fēng)向北推進(jìn)過(guò)程中,由海岸線及地形抬升而產(chǎn)生位勢(shì)不穩(wěn)定造成強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)。此外,由于南風(fēng)低空急流向北發(fā)展時(shí)會(huì)產(chǎn)生急流前部的輻合而發(fā)生流線分叉,向左分叉時(shí)會(huì)使低層低渦發(fā)展,促進(jìn)垂直運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)或使正渦度集中,從而產(chǎn)生低渦性質(zhì)或強(qiáng)對(duì)流性質(zhì)的暴雨。

    在華南以外的其他地區(qū)也可產(chǎn)生暖區(qū)暴雨,如北方暖區(qū)暴雨具有開(kāi)始時(shí)間早,強(qiáng)降水中心分散,持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn),主要受低渦切變、低空急流、地面輻合線、地形等作用,在邊界層極端高濕區(qū)觸發(fā)和維持(侯淑梅等,2014;何麗華等,2020)。長(zhǎng)江中下游暖區(qū)暴雨多發(fā)生于距離地面冷鋒或850 hPa暖切變以南100~300 km的暖區(qū)范圍內(nèi),甚至是副熱帶高壓邊緣等(陳玥,2015)。江南地處長(zhǎng)江中下游平原,地形上呈南高北低之勢(shì),其北部地勢(shì)平坦,以平原為主,南部則分布有一些山地丘陵,降水豐富,江南地區(qū)河道棋布、湖泊眾多。江南與華南北部接壤,特別是江南南部地區(qū),受華南前汛期降水影響明顯,許多影響嚴(yán)重、范圍小的大暴雨和特大暴雨過(guò)程,尤其是局地性特大暴雨大都發(fā)生在暖區(qū)里。

    由前期的研究(陳玥,2015;汪玲瑤等,2018)可知,華南暖區(qū)暴雨的影響系統(tǒng)(西太平洋副熱帶高壓、南亞高壓、副熱帶西風(fēng)急流、高空低槽、地面氣旋、鋒面、低空切變、低渦、低空急流及超低空急流)同樣適用于其他地區(qū)暖區(qū)暴雨(李建輝,1982;黃士松等,1986;廖慕科等,2010;丁治英等,2011;陳翔翔等,2012;何立富等,2016),華南暖區(qū)暴雨的定義在江南地區(qū)同樣適用。陳玥(2015)等對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的暖區(qū)暴雨進(jìn)行了研究和分型,按天氣形勢(shì)將暖區(qū)暴雨劃分為冷鋒前暖區(qū)暴雨,暖切變暖區(qū)暴雨及副熱帶高壓內(nèi)部暴雨3種類(lèi)型。汪玲瑤等(2018)將2010—2016年夏季江南地區(qū)暖區(qū)暴雨分為了暖切變型、冷鋒鋒前型、副熱帶高壓型和強(qiáng)西南急流型,統(tǒng)計(jì)了江南暖區(qū)暴雨的時(shí)空分布特征和降水性質(zhì)等,并對(duì)暖區(qū)暴雨的形成原因進(jìn)行初步分析。

    本文利用常規(guī)和非常規(guī)觀測(cè)資料根據(jù)主要影響系統(tǒng)對(duì)江南暖區(qū)進(jìn)行了分型,分類(lèi)型和月份分析了江南暖區(qū)暴雨時(shí)空分布特征,并對(duì)江南暖區(qū)暴雨和主要影響系統(tǒng)的配置關(guān)系進(jìn)行了探討,以期提高對(duì)江南暖區(qū)暴雨的認(rèn)識(shí),尋找江南暖區(qū)暴雨的預(yù)報(bào)著眼點(diǎn)和預(yù)報(bào)指標(biāo)。

    1 資料和方法

    本文使用的資料包括江南地區(qū)2008—2018年2—9月常規(guī)地面資料、探空站資料和逐小時(shí)自動(dòng)站降水資料,美國(guó)氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCEP/NCAR)再分析資料(2.5°×2.5°)及中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心2010—2018年逐小時(shí)FY2E衛(wèi)星Black Body Temperature(TBB)資料(0.1°×0.1°)。

    對(duì)于江南的定義,Tian and Yasunari(1998)定義其間南北范圍為25°~30°N;萬(wàn)日金和吳國(guó)雄(2008)的研究中認(rèn)為長(zhǎng)江以南、南嶺以北的地區(qū)即為江南;黃埡飛等(2021)研究的江南地區(qū)取上海、浙江、福建、江西、湖南5個(gè)省級(jí)行政區(qū)域,包括352個(gè)氣象觀測(cè)站;汪玲瑤等(2018)在對(duì)江南暖區(qū)暴雨進(jìn)行篩選時(shí)取108.8°~123°E、24.5°~32.3°N為研究區(qū)域。在前期研究的基礎(chǔ)上,本文綜合考慮地形因素(長(zhǎng)江以南,南嶺以北)和行政區(qū)劃(至少包含省區(qū)行政區(qū)劃的一半以上),定義江南地區(qū)為108°~125°E、25°~32°N范圍內(nèi)長(zhǎng)江以南的區(qū)域,包括湖南、江西、浙江、福建和上海。

    關(guān)于暖區(qū)暴雨形成的環(huán)流特征的定義、統(tǒng)計(jì)和分類(lèi)工作(黃士松等,1986;丁治英等,2011;陳翔翔等,2012;陳玥,2015;何立富等,2016;汪玲瑤等,2018;劉瑞鑫等,2019)已有很多,但存在研究時(shí)間段偏短,標(biāo)準(zhǔn)不完全統(tǒng)一的問(wèn)題。在前期的暖區(qū)暴雨個(gè)例的研究中,一般而言,相對(duì)于鋒面暴雨,暖區(qū)暴雨斜壓性弱,然而暖區(qū)暴雨的發(fā)生、演變亦會(huì)受到環(huán)境斜壓性的影響(黃士松等,1986;劉瑞鑫等,2021)。黃士松等(1986)指出在暖區(qū)發(fā)生的暴雨,也往往與中尺度斜壓區(qū)有密切關(guān)系,淺薄的冷空氣突入暖區(qū)可以觸發(fā)暖區(qū)暴雨。劉瑞鑫等(2021)利用Eady增長(zhǎng)率(Hoskins and Valdes,1990)計(jì)算不同類(lèi)型暖區(qū)暴雨背景環(huán)境場(chǎng)斜壓性,發(fā)現(xiàn)大部分暖區(qū)暴雨個(gè)例的環(huán)境場(chǎng)都存在一定的斜壓性,降水區(qū)主要位于西風(fēng)帶短波槽槽前,低層均有低空急流的影響。但因?yàn)樾眽盒缘某潭容^小,所以在做診斷分析和天氣預(yù)報(bào)的過(guò)程中往往出現(xiàn)低估或者漏報(bào)的情況。

    本文在對(duì)于江南暖區(qū)暴雨過(guò)程定義時(shí)沿承了前期學(xué)者(黃士松等,1986;丁治英等,2011;陳翔翔等,2012;陳玥,2015;何立富等,2016;汪玲瑤等,2018;劉瑞鑫等,2019)對(duì)于暖區(qū)暴雨的定義,著重考慮了地面沒(méi)有冷鋒影響的情況(或有冷鋒存在,但降水區(qū)位于冷鋒南側(cè)的暖區(qū)中),同時(shí)因?yàn)殇h區(qū)是一個(gè)三維空間結(jié)構(gòu),降水區(qū)也需要位于低層切變線南側(cè)沒(méi)有明顯冷平流入侵的區(qū)域內(nèi),但這些暖區(qū)暴雨中仍然可能存在某一層或者某幾層中有較弱的冷平流的侵入,為暖區(qū)暴雨的觸發(fā)提供條件。本文定義江南暖區(qū)暴雨為江南地區(qū)超過(guò)6個(gè)相鄰的國(guó)家基本站的24 h(08時(shí)—次日08時(shí),北京時(shí),下同)累積降水達(dá)到50 mm以上,且站點(diǎn)同時(shí)跨越兩省以上,暴雨發(fā)生時(shí)未受明顯冷空氣或變性冷高壓脊控制(即地面無(wú)鋒面存在,或降水區(qū)位于地面鋒面或低層切變線南側(cè)200 km以外)。

    依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn),11 a間江南地區(qū)共出現(xiàn)暖區(qū)暴雨65例。影響暖區(qū)暴雨的主要天氣和次天氣尺度系統(tǒng)主要有高空低槽、西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱副高)、低空切變、低空急流、超低空急流、冷鋒、地面輻合線等。通過(guò)對(duì)65例江南暖區(qū)暴雨的天氣形勢(shì)進(jìn)行分析,采用主要影響系統(tǒng)作為分類(lèi)依據(jù),根據(jù)暴雨發(fā)生時(shí)各個(gè)影響系統(tǒng)距離暴雨區(qū)中心的距離判斷主要影響系統(tǒng),將65例江南暖區(qū)暴雨分為副高型、切變型、副高和切變相互作用型(當(dāng)副高和低空切變同時(shí)為暖區(qū)暴雨的主要影響系統(tǒng))和西南急流型(當(dāng)僅有西南急流為主要影響系統(tǒng)時(shí))4大類(lèi),而在4大類(lèi)的基礎(chǔ)之上,又將江南暖區(qū)暴雨細(xì)分為7類(lèi)(圖1)。各類(lèi)暖區(qū)暴雨的特點(diǎn)如下:

    1)副高型暖區(qū)暴雨:主要影響系統(tǒng)為西太平洋副熱帶高壓,此類(lèi)暖區(qū)暴雨常位于副高內(nèi)部或距離副高(5 880 gpm)200 km以內(nèi)受其影響大的區(qū)域,低層暖濕氣流顯著,沒(méi)有明顯的切變系統(tǒng)影響。副高型暖區(qū)暴雨又可以分為副高邊緣型和副高內(nèi)部型。

    2)切變型暖區(qū)暴雨:主要影響系統(tǒng)為低空切變線,此類(lèi)暖區(qū)暴雨通常發(fā)生在低層(700~850 hPa)切變線(冷/暖)東側(cè)或南側(cè)(100~300 km)的暖濕氣流里,常伴隨有低空急流。其中,冷式切變線指偏北風(fēng)與西南風(fēng)的輻合,常對(duì)應(yīng)冷鋒;暖式切變線指東南風(fēng)和西南風(fēng)的輻合,常對(duì)應(yīng)暖鋒。由于以上兩種切變線結(jié)構(gòu)上存在差異,且造成暴雨的機(jī)制也不相同,因此將切變型暖區(qū)暴雨分為冷切變型和暖切變型。

    3)副高和切變相互作用型:主要影響系統(tǒng)包括副高和切變線,此類(lèi)暖區(qū)暴雨通常位于副

    高(5 880 gpm)北側(cè)400 km以內(nèi),700~850 hPa切變線系統(tǒng)以南,副高與切變線系統(tǒng)共同作用導(dǎo)致暴雨發(fā)生,低層常伴隨有低空急流,暖濕氣流顯著。參考第二類(lèi),此類(lèi)暖區(qū)暴雨亦可分為副高與暖切共同作用型和副高與冷切共同作用型。

    4)西南急流型暖區(qū)暴雨:此類(lèi)暖區(qū)暴雨既不在切變線附近,也不直接受副高的影響,而是處于無(wú)明顯切變的寬廣的偏南氣流中。此類(lèi)暖區(qū)暴雨發(fā)生時(shí),副高主體偏南,脊線位于20°N以南,低層850~700 hPa強(qiáng)西南急流(風(fēng)速≥16 m/s)推進(jìn)至江南上空但無(wú)切變形成,且地面無(wú)明顯冷空氣活動(dòng),暴雨區(qū)常位于沿低空甚至超低空急流軸傳播方向的中尺度風(fēng)速脈動(dòng)附近。

    2 結(jié)果分析

    2.1 江南暖區(qū)暴雨的時(shí)空演變特征

    2.1.1 時(shí)間分布特征

    從年際和月際變化序列(圖2)來(lái)看,江南暖區(qū)暴雨表現(xiàn)出明顯的年際和月際變化特征。從江南暖區(qū)暴雨的年際變化情況來(lái)看,2008—2018年每年的發(fā)生頻次平均約為6次,2009年是頻次最少的年份(2次),2012年最多(10次),2008—2012年之間為波動(dòng)中增長(zhǎng),而2012—2017年之后則為波動(dòng)下降的趨勢(shì),2018年有一個(gè)較大幅度的增加。從月際變化情況來(lái)看,江南暖區(qū)暴雨全部發(fā)生在4—8月,6月最多,達(dá)到26例,占江南暖區(qū)暴雨總數(shù)量的40%,8月最少為5例。由此可見(jiàn),對(duì)于江南地區(qū),暖區(qū)暴雨表現(xiàn)出了明顯的月際變化特征,其多發(fā)時(shí)段為初夏。

    進(jìn)一步分析不同類(lèi)型江南暖區(qū)暴雨的月際變化特征(表略)可知,切變型暖區(qū)暴雨共35次,占據(jù)江南暖區(qū)暴雨的大部分(53.85%),其中冷切變型暖區(qū)暴雨占36.92%(24次),暖切型暖區(qū)暴雨占16.93%(11次),而且切變型的暖區(qū)暴雨主要發(fā)生在4—6月,7—8月較少,而與副高相伴隨的切變型暖區(qū)暴雨發(fā)生在6—8月。

    其次,與冷切變相關(guān)的暖區(qū)暴雨(包括冷切變型和冷切變與副高相互作用型)占切變型暖區(qū)暴雨的58.46%(38次),所以雖然地面沒(méi)有冷空氣影響,但冷切變?nèi)愿自斐山吓瘏^(qū)暴雨。再次,副高型暖區(qū)暴雨較少,僅占總數(shù)的10.77%(7次),但副高與切變相互作用產(chǎn)生暖區(qū)暴雨占江南暖區(qū)暴雨總數(shù)的32.31%(21次)。另外,西南急流型江南暖區(qū)暴雨數(shù)量極少,11 a中只有2例,且均發(fā)生于4月。

    降水日變化受局地下墊面強(qiáng)迫和大氣環(huán)流的綜合影響,涉及復(fù)雜的云、雨形成和演變過(guò)程,對(duì)地球系統(tǒng)水循環(huán)和能量循環(huán)以及人類(lèi)日常生活都有重要影響。隨著現(xiàn)代氣象觀測(cè)網(wǎng)的完善與數(shù)值模擬、雷達(dá)估算、衛(wèi)星反演等手段獲取的降水產(chǎn)品日趨豐富(沈艷等,2013),國(guó)際上許多學(xué)者圍繞著不同區(qū)域的降水日變化特征開(kāi)展了系統(tǒng)的研究工作。Chen et al.(2009)發(fā)現(xiàn)在我國(guó)夏季短時(shí)強(qiáng)降雨的日變化特征與中尺度對(duì)流系統(tǒng)(MCSs)的日變化是相一致的。

    本文根據(jù)江南地區(qū)紅外黑體亮溫(TBB)的日變化來(lái)揭示暖區(qū)暴雨發(fā)生時(shí)段內(nèi)的降水的日變化特征(圖3)。為避免不同衛(wèi)星參數(shù)的不同而給結(jié)果造成影響,本文統(tǒng)一采用FY2E衛(wèi)星2010—2018年的數(shù)據(jù),期間有少部分時(shí)次數(shù)據(jù)缺失,為減少誤差,以相鄰時(shí)次的TBB來(lái)代替相應(yīng)時(shí)次的數(shù)據(jù)資料。如圖3所示,江南地區(qū)TBB均表現(xiàn)出了明顯的日變化特征。湖南地區(qū)的日變化相對(duì)其他幾個(gè)省份所在區(qū)域來(lái)說(shuō)相對(duì)平穩(wěn),其最大值出現(xiàn)在午夜(23時(shí)),而最小值出現(xiàn)在凌晨(04時(shí))左右。江西、福建、浙江及上海三區(qū)域的日變化特征較為一致,其最大值出現(xiàn)在上午(約08—11時(shí)),而最小值出現(xiàn)在午后(17—20時(shí))。Chen et al.(2013) 發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江中下游地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水多出現(xiàn)于傍晚(17—20時(shí)),這與江西等3區(qū)域的曲線比較一致,而四川和貴州的短時(shí)強(qiáng)降水卻有兩個(gè)高發(fā)時(shí)段:18—20時(shí)和02—04時(shí)。由于湖南地區(qū)東西跨度較大,其兼具東、西部?jī)商幍奶卣?,兩者相抵消而造成其波?dòng)較小的特征,這與林春澤等(2016)的分析也具有一致性。

    2.1.2 空間分布特征

    從2008—2018年江南地區(qū)各站點(diǎn)暖區(qū)暴雨的頻次來(lái)看,主要集中在1~18次,其中超過(guò)10次的站點(diǎn)多集中于江南地區(qū)中北部,包括湖南中部、江西中北部、浙江西南和福建西北部地區(qū),說(shuō)明江南暖區(qū)暴雨與華南暖區(qū)暴雨是相互獨(dú)立的,盡管華南暖區(qū)暴雨可以向北延展進(jìn)而影響江南地區(qū),但影響程度較小。

    從圖4還可看出,江南地區(qū)暖區(qū)暴雨多出現(xiàn)于內(nèi)陸地區(qū),沿海地區(qū)站點(diǎn)的發(fā)生頻次均在10次以下,多數(shù)沿海站點(diǎn)的發(fā)生頻次小于等于5次。進(jìn)一步將發(fā)生頻次與江南地形對(duì)比發(fā)現(xiàn),暖區(qū)暴雨多發(fā)于靠近較低海拔地帶,尤其是平原地區(qū)。

    從逐月暖區(qū)暴雨的空間分布特征進(jìn)行看(圖5),4月的暖區(qū)暴雨發(fā)生次數(shù)少,主要集中在江南中北部地區(qū)(湖南北部、江西中部、浙江東北和福建中西部地區(qū)),日雨量極大值約為100~200 mm,大部處于江西北部地區(qū)。5月隨著南海夏季風(fēng)的爆發(fā),暖區(qū)暴雨數(shù)量明顯增多,影響區(qū)域擴(kuò)大,江南大部地區(qū)均有暖區(qū)暴雨出現(xiàn),日雨量極大值仍處于100~200 mm,且多發(fā)于江南中部。6月暖區(qū)暴雨的范圍達(dá)到最廣,頻次也最多,江南大部地區(qū)都有暖區(qū)暴雨出現(xiàn),但高發(fā)區(qū)域仍然位于江南中部。

    本月日雨量極值有了明顯的增大,尤其是江南中部地區(qū),出現(xiàn)了多處24 h降水量大于300 mm,這些極值多出現(xiàn)在地形復(fù)雜的區(qū)域,如羅霄山脈、武夷山脈和鄱陽(yáng)湖附近。

    7月暖區(qū)暴雨的頻次和范圍均開(kāi)始減少,受副高的影響,高發(fā)范圍向西北方向發(fā)展,江西、浙江、福建境內(nèi)的暖區(qū)暴雨有明顯的減少,而湖南西北部的暖區(qū)暴雨有所增多。與此同時(shí),暖區(qū)暴雨日雨量的極值也主要出現(xiàn)在湖南北部和江西西北部地區(qū)。8月的暖區(qū)暴雨減少更為明顯,且其主要分布區(qū)域分為兩片,一片位于湖南西部,另一片則位于江西中南部地區(qū)。

    以上分析說(shuō)明江南中部地區(qū)(包括江西大部和湖南東部、浙江西南部、福建西北部部分地區(qū))為暖區(qū)暴雨多發(fā)地,從4月到8月均有暖區(qū)暴雨發(fā)生,且數(shù)量多,而其他地區(qū)暖區(qū)暴雨多發(fā)于5—7月,4月和8月較少。從暖區(qū)暴雨的雨量分布來(lái)看,6月的暖區(qū)降雨對(duì)流性特征更加明顯,日雨量極值超過(guò)300 mm,且極值多發(fā)于山脈和湖泊附近的地形復(fù)雜處,地形的增強(qiáng)效應(yīng)顯著。

    由江南暖區(qū)暴雨的空間分布來(lái)看,切變型暖區(qū)暴雨數(shù)量最多,分布最廣。江南中部是冷切變型(含冷切與副高相互作用型)暖區(qū)暴雨降水集中且高發(fā)區(qū),其中江西中北部、武夷山區(qū)、浙江西部和湖南中部降水發(fā)生頻次最高。大部分地區(qū)的最大降水中心強(qiáng)度為100~200 mm/(24 h),個(gè)別高地勢(shì)區(qū)或湖區(qū)可達(dá)200 mm/(24 h)以上。由此可見(jiàn),冷切變型降水范圍廣、強(qiáng)度較大且具有一定的極端性,降水主要位于江南中部地區(qū),山區(qū)附近降水強(qiáng)度大。暖切變型(含暖切與副高相互作用型)數(shù)量明顯少于冷切變型且主要集中在江南中部地區(qū),暖切變與副高共同作用型暖區(qū)暴雨降水范圍廣且極端性強(qiáng),多個(gè)特大暴雨中心(>300 mm/(24 h))位于江南中部的閩贛交界處,可能與此地多山地、局地水汽充沛且不均勻下墊面的局地?zé)崃?qiáng)迫作用有關(guān)。由此可見(jiàn),暖切變型暖區(qū)暴雨降水強(qiáng)度大且極端性明顯,主要分布于江南中部,特大暴雨集中在閩贛交界山區(qū)附近。

    副高型暖區(qū)降水分布與副高位置有關(guān),通常5 880 gpm線北側(cè)400 km以內(nèi)受到副高影響比較大,同時(shí)也有暴雨發(fā)生在副高內(nèi)部。由圖6a、d可見(jiàn),純副高影響的暖區(qū)暴雨數(shù)量少,高頻區(qū)主要位于江南中東部(副高邊緣型暖區(qū)暴雨主要發(fā)生在福建和湘贛交界處附近,副高內(nèi)部型暖區(qū)暴雨主要發(fā)生在贛中及以南地區(qū)),其日雨量極值均在200 mm以下。當(dāng)副高加強(qiáng)西伸時(shí),湘東、湘西、武夷山區(qū)附近有超過(guò)200 mm/(24 h)的大暴雨點(diǎn),尤其是武夷山區(qū)受到副高和暖切變的共同影響出現(xiàn)了超過(guò)300 mm/(24 h)的降水量。由此可見(jiàn),單純副高型暖區(qū)暴雨強(qiáng)度相對(duì)偏弱,降水多發(fā)于江南中東部,而與切變共同作用時(shí),暖區(qū)暴雨強(qiáng)度強(qiáng),降水極端性明顯。

    西南急流型暖區(qū)暴雨發(fā)生時(shí),西太平洋副高主體偏南,江南地面無(wú)鋒面活動(dòng),低層850 hPa強(qiáng)西南急流推進(jìn)至江南上空,從500 hPa到925 hPa均為西南氣流控制。研究表明,常伴低空急流區(qū)的暖舌與急流兩側(cè)的冷舌相配合使得低層假相當(dāng)位溫增大,局地層結(jié)不穩(wěn)定增大,有利于對(duì)流發(fā)展(陶祖鈺,1980),若低空急流中存在風(fēng)速脈動(dòng),低空急流的大風(fēng)核沿急流軸向前傳播時(shí),可能導(dǎo)致重力波并觸發(fā)對(duì)流性暴雨(巢紀(jì)平,1980)。由圖6g所示,西南急流型暖區(qū)暴雨數(shù)量最少,影響范圍也最少(湖南和江西境內(nèi)),并且僅有1個(gè)站點(diǎn)的日降水量超過(guò)200 mm。

    2.2 江南暖區(qū)暴雨的環(huán)流特征及概念模型

    2.2.1 江南暖區(qū)暴雨的500 hPa高空槽特征

    對(duì)華南各類(lèi)型暖區(qū)暴雨的500 hPa中層系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn)一些連續(xù)的、影響范圍廣、降水量大的暴雨常常與高空槽系統(tǒng)相聯(lián)系,對(duì)流層中層的槽為暖區(qū)暴雨的發(fā)展提供了動(dòng)力條件(陳翔翔等,2012)。對(duì)65例江南暖區(qū)暴雨的高空槽進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)不同類(lèi)型暖區(qū)暴雨對(duì)應(yīng)的高空槽也不盡相同。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn):65次江南暖區(qū)暴雨中除3例副高內(nèi)部型和1例副高邊緣型暖區(qū)暴雨沒(méi)有受到500 hPa高空槽影響外,其他61例均在500 hPa高空低槽的影響之下??蓪⒂绊懡吓瘏^(qū)暴雨時(shí)的高空槽系統(tǒng)分為4種(圖7):1)東北冷渦南側(cè)低槽影響,低槽為東北西南向,深度較深;2)華北冷渦由北向南移動(dòng),南側(cè)低槽加深增強(qiáng),并且穩(wěn)定維持在我國(guó)中部地區(qū);3)高原槽移出高原后,東移發(fā)展直接影響江南地區(qū);4)貝加爾湖附近低渦東移南下,形成強(qiáng)盛的低槽維持于我國(guó)中部地區(qū)。

    各類(lèi)型暖區(qū)暴雨中受到高空槽影響的次數(shù)及類(lèi)型如表1所示,從不同高空影響槽的作用來(lái)看,東北冷渦南側(cè)低槽對(duì)江南暖區(qū)暴雨的作用顯著,共有25次暖區(qū)暴雨是在東北冷渦南側(cè)低槽的影響之下產(chǎn)生;其次為高原東移槽形勢(shì),由高原槽東移直接導(dǎo)致的暖區(qū)暴雨有22次,華北冷渦南側(cè)低槽的影響明顯少于前兩種,其主要由蒙古或俄羅斯一帶的低渦南移至華北一帶而形成,有8次過(guò)程;貝湖冷渦低槽形勢(shì)下的暴雨主要由貝湖南側(cè)的冷渦南伸的低槽影響而成,有6次。因此在分析暖區(qū)暴雨時(shí)要特別關(guān)注500 hPa東北冷渦低槽和高原東移槽的作用。

    不同種類(lèi)的低槽與雨區(qū)的相對(duì)位置有所不同。60%以上的東北冷渦南側(cè)低槽和華北冷渦南側(cè)低槽影響的暖區(qū)暴雨雨區(qū)與低槽的距離小于200 km;54.55%的高原東移槽影響的暖區(qū)暴雨雨區(qū)與低槽距離處于300~500 km;貝湖冷渦影響的暖區(qū)暴雨距離特征不明顯。

    為了研究不同類(lèi)型高空槽影響下江南暖區(qū)暴雨發(fā)生位置不同的原因,本文對(duì)高原槽和東北冷渦影響下暴雨發(fā)生時(shí)的500 hPa溫度平流進(jìn)行合成。為了去除暴雨發(fā)生區(qū)域不同對(duì)結(jié)果的影響,合成的標(biāo)準(zhǔn)如下:首先暖區(qū)暴雨主要發(fā)生在江西和福建中部;其次,時(shí)次選取暴雨發(fā)生前6 h,由此挑選出高原槽個(gè)例5例:2014年5月21日、2014年6月19日、2015年5月7日、2015年8月12日和2017年03月30日,東北冷渦低槽個(gè)例5例:2010年6月14日、2012年4月29日、2012年6月10日、2012年6月23日和2016年7月17日。對(duì)這些個(gè)例中江南暖區(qū)暴雨發(fā)生前6 h的500 hPa溫度平流進(jìn)行合成(圖8),結(jié)果表明,高原東移槽形勢(shì)下的江南地區(qū)暖平流強(qiáng)盛,低槽后側(cè)冷平流較弱,對(duì)暖區(qū)暴雨的影響不顯著,而東北冷渦低槽影響之下江南暖區(qū)暴雨發(fā)生時(shí),江南地區(qū)雖均為暖平流,但強(qiáng)度明顯低于高原東移槽形勢(shì),并且槽后的冷平流強(qiáng)。當(dāng)江南地區(qū)上層有弱的冷平流作用,而低層冷空氣不明顯,處于上冷下暖的溫度層結(jié)之下,更有利于產(chǎn)生對(duì)流性降雨。而根據(jù)預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)可知,溫度槽一般距離高空低槽位置較近,這是東北冷渦低槽影響下的暖區(qū)暴雨距離低槽距離近的主要原因。

    2.2.2 水汽輸送特征

    暴雨的形成離不開(kāi)大尺度范圍的水汽持續(xù)輸送和水汽在暴雨帶的輻合。丁一匯和胡國(guó)權(quán)(2003)針對(duì)1998年長(zhǎng)江流域水汽收支的研究中明確指出,水汽輸送是一個(gè)大尺度甚至是全球性的問(wèn)題。因此,通過(guò)分析不同類(lèi)型暖區(qū)暴雨水汽通量和水汽通量散度的分布,可以反映出水汽的全球性分布對(duì)江南暖區(qū)暴雨過(guò)程的貢獻(xiàn),對(duì)理解暖區(qū)暴雨的水汽條件非常重要。

    由2008—2018年4—8月11 a平均的水汽通量場(chǎng)(圖略)來(lái)看,影響江南地區(qū)的水汽輸送主要有兩條通道,首先是來(lái)自孟加拉灣經(jīng)中南半島向北輸送的西南風(fēng)水汽輸送通道,這支水汽輸送帶的上游與索馬里越赤道氣流相連接,其次為來(lái)自中國(guó)南海的偏南風(fēng)水汽輸送通道(包含了來(lái)自副熱帶高壓西南側(cè)的偏東氣流和來(lái)自孟加拉灣的偏西氣流匯合后轉(zhuǎn)向向北輸送)。

    統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),2009年僅有2次江南暖區(qū)暴雨發(fā)生,而2012年則有10次江南暖區(qū)暴雨發(fā)生,兩者數(shù)量懸殊。對(duì)比2009年(最少年)和2012年(最多年) 4—8月850 hPa的水汽輸送異常場(chǎng)的情況(圖略)可以發(fā)現(xiàn):2009年南海地區(qū)以偏北風(fēng)氣流輸送異常為主,因此,輸送入江南地區(qū)的水汽異常主要來(lái)自西北太平洋,且量級(jí)較小,偏冷。2012年的水汽輸送異常中,南海地區(qū)水汽輸送以偏西分量為主,同時(shí)伴有一定量的偏南分量,而且南海的偏西水汽輸送經(jīng)西北太平洋洋面氣旋性旋轉(zhuǎn)輸送到江南地區(qū),形成了一個(gè)氣旋式的水汽輸送環(huán)流,其水汽收入遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2009年。

    將不同類(lèi)型江南暖區(qū)暴雨發(fā)生前6 h的850 hPa水汽通量進(jìn)行合成(圖9)可知,在江南暖區(qū)暴雨發(fā)生期間,南海北部、華南沿海至西北太平洋區(qū)域的水汽輸送明顯增強(qiáng),江南地區(qū)大部都是水汽通量輻合區(qū),說(shuō)明對(duì)流層低層水汽通量輻合是強(qiáng)降水的必要條件。不同類(lèi)型江南暖區(qū)暴雨的水汽輸送異常部分主要來(lái)源有較大差異。西南急流型、冷切變型、暖切變型和副高邊緣型江南暖區(qū)暴雨的水汽輸送異常主要來(lái)源于熱帶西太平洋,隨副高邊緣氣流向江南地區(qū)輸送,而經(jīng)由索馬里越赤道氣流向東北輸送的水汽為負(fù)異常,且西南急流型、冷切變型和暖切變型的水汽輸送異常中有一小部分來(lái)自我國(guó)中低緯度地區(qū)隨偏北氣流向南回流的水汽輸送。而副高型江南暖區(qū)暴雨中除副高邊緣型外,其他類(lèi)型暖區(qū)暴雨(包含與切變相互作用類(lèi))越赤道氣流較常年偏強(qiáng),所以水汽輸送異常主要來(lái)源于經(jīng)越赤道氣流向北的熱帶西南季風(fēng)的水汽輸送,僅有小部分來(lái)源于副高邊緣。

    2.2.3 低空急流特征

    充足的水汽輸送對(duì)暖區(qū)暴雨有重要貢獻(xiàn),西南季風(fēng)的加強(qiáng)帶來(lái)大量的水汽從而影響暖區(qū)暴雨增強(qiáng),同時(shí)配合低槽帶來(lái)大量暖濕氣流及渦度平流(夏茹娣等,2006)。地面低壓的發(fā)展,使大氣低層已經(jīng)具有一定熱力條件,西南低空急流的加強(qiáng)使得低層暖濕條件加強(qiáng),配合中高層大氣不穩(wěn)定的動(dòng)力作用,使得上升運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步發(fā)展,地面輻合線鋒生觸發(fā)暴雨形成(周明飛等,2014)。

    朱乾根等(2000)定義850 hPa和700 hPa低空急流的標(biāo)準(zhǔn)為超過(guò)12 m/s,而對(duì)于925 hPa可以適當(dāng)減小為10 m/s。對(duì)65例暖區(qū)暴雨的分析發(fā)現(xiàn),63.1%的暖區(qū)暴雨伴隨著700 hPa急流,有53.85%伴隨850 hPa急流,而只有41.54%伴隨925 hPa的超低空急流。說(shuō)明隨著高度的下降,地面的摩擦效應(yīng)隨之增強(qiáng),急流出現(xiàn)的可能性在降低,但仍然有接近一半的出現(xiàn)概率。

    在所有的暖區(qū)暴雨事件中,春季和初夏時(shí)節(jié)伴隨低空急流的概率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于盛夏時(shí)節(jié),以700 hPa為例,6月及之前伴隨急流的暖區(qū)暴雨事件占75.51%,7月及之前的概率為66.67%,而截止到8月的概率下降為63.1%。對(duì)8月的平均環(huán)流形勢(shì)進(jìn)行分析,副高脊線位于30°N附近,而長(zhǎng)江流域整體處于東風(fēng)系統(tǒng)的控制之下,在出現(xiàn)暖區(qū)暴雨的個(gè)例中,高空有低槽東移,迫使副熱帶高壓南撤明顯,但5 880 gpm等值線仍然控制華南及以南地區(qū),不利于南海及孟加拉灣的水汽北上西南急流增強(qiáng),因?yàn)槭⑾募竟?jié)江南地區(qū)本身水汽旺盛,熱量充足,只要有觸發(fā)條件存在,仍然會(huì)有暴雨天氣出現(xiàn)。

    2.2.4 中尺度對(duì)流系統(tǒng)物理量特征

    近年來(lái),隨著高分辨率觀測(cè)資料的投入使用,更深入的研究暖區(qū)暴雨中中小尺度對(duì)流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征成為可能,研究表明暖區(qū)暴雨往往范圍小、降水對(duì)流性強(qiáng)(林良勛,2006)。本次研究中也發(fā)現(xiàn)暖區(qū)降雨對(duì)流性特征明顯,日雨量極值甚至超過(guò)300 mm,且極值多發(fā)于山脈和湖泊附近的地形復(fù)雜處,地形的增強(qiáng)效應(yīng)顯著。

    對(duì)7類(lèi)暖區(qū)暴雨過(guò)程中與中尺度對(duì)流關(guān)聯(lián)緊密的物理量特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明,西南急流型暖區(qū)暴雨過(guò)程的環(huán)境場(chǎng)物理量特征與其他類(lèi)型有較大差別(圖10),表現(xiàn)為較小的對(duì)流有效位能(CAPE)、K指數(shù)(K INDEX)、零度層高度(H0)、自由對(duì)流高度(LFC)和假相當(dāng)位溫(Thetase),而對(duì)流抑制能量(CIN)、抬升凝結(jié)高度(LCL)和抬升指數(shù)(LI)則較大。副高內(nèi)部型暴雨過(guò)程的環(huán)境場(chǎng)物理量特征相較其他幾類(lèi)則表現(xiàn)為較大的CAPE、CIN、K INDEX、H0、Thetase和LCL,而Li和LFC卻相對(duì)較小。其他類(lèi)型暖區(qū)暴雨的物理量值差別不明顯,其發(fā)生顯然存在統(tǒng)計(jì)意義閾值,其物理量特征如下:較為明顯的CAPE(>500 J/kg);較小的CIN(<100 J/kg);較大的K指數(shù)(>35 K);LI<0;LCL大部處于920~980 hPa;LFC處于800~900 hPa;0 ℃層高度處于4 500~5 500 m;Thetase處于340~360 K。

    2.2.5 江南暖區(qū)暴雨概念模型

    通過(guò)以上對(duì)江南暖區(qū)暴雨發(fā)生中的環(huán)流形勢(shì)的分析,利用中尺度天氣分析技術(shù)規(guī)范(張小玲等,2012),可以對(duì)形成各類(lèi)江南暖區(qū)暴雨的中尺度關(guān)鍵條件進(jìn)行分析,并結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果總結(jié)出不同類(lèi)型暖區(qū)暴雨的概念模型。

    在副高邊緣型江南暖區(qū)暴雨中,西太平洋副熱帶高壓北界接近或位于江南地區(qū),暖區(qū)暴雨雨區(qū)處于副高邊緣,500 hPa有弱的低槽東移,500 hPa以下無(wú)切變系統(tǒng)及冷空氣影響,低空急流與超低空急流帶來(lái)豐沛的熱量和水汽,使江南地區(qū)處于暖濕空氣當(dāng)中,同時(shí)高空急流入口區(qū)右側(cè)的分流區(qū)疊加在低空急流上導(dǎo)致大氣層結(jié)不穩(wěn)定增強(qiáng),暖區(qū)降水主要由邊界層輻合線的抬升作用和中空的弱冷空氣觸發(fā)能量釋放形成。副高內(nèi)部型江南暖區(qū)暴雨中,太平洋副熱帶高壓控制江南地區(qū),使得江南地區(qū)處于強(qiáng)暖濕環(huán)境中,中層無(wú)低槽影響,低層無(wú)急流,暖濕空氣在移動(dòng)過(guò)程中受地形或熱力條件影響而形成弱的切變輻合,進(jìn)而觸發(fā)降水,同時(shí)配合高空分流區(qū)的抽吸作用,暖區(qū)暴雨形成。

    切變型(冷切)江南暖區(qū)暴雨中,西太平洋副熱帶高壓脊線常位于20°N以南,而發(fā)展旺盛的低槽冷鋒延伸至江南西北部,或前傾的冷鋒快速東移至長(zhǎng)江流域。鋒前暖濕低空急流上空疊加200 hPa高空輻散場(chǎng),配合中層弱冷平流入侵、低空風(fēng)速輻合、地面輻合線、地形或局地加熱不均勻等的作用使得不穩(wěn)定能量釋放,觸發(fā)暖區(qū)暴雨。暖切變型江南暖區(qū)暴雨發(fā)生時(shí),江南中部一般位于青藏高原東移的西南低渦暖切變南側(cè)的暖濕氣流里,低空急流旺盛,地面倒槽發(fā)展,地面輻合線和地形抬升觸發(fā)暖區(qū)暴雨。

    當(dāng)切變線與副高共同作用形成暖區(qū)暴雨時(shí),副熱帶高壓脊線一般位于20°N左右,并且5 880 gpm線穿過(guò)江南地區(qū),降水發(fā)生在副高西北側(cè)的西南氣流中,中層?xùn)|北冷渦或華北冷渦低槽東移南下,與副高形成對(duì)峙,移動(dòng)緩慢,致使雨區(qū)在江南地區(qū)長(zhǎng)時(shí)間維持,形成暴雨。冷渦后部冷空氣較強(qiáng)時(shí),低層為冷式切變,此時(shí)一般為前傾結(jié)構(gòu),降水出現(xiàn)在鋒前暖區(qū)中,當(dāng)冷渦后部冷空氣較弱時(shí),切變較淺薄,主要在中層維持,低層為輻合線觸發(fā)暖區(qū)暴雨。

    西南急流型暖區(qū)暴雨發(fā)生時(shí),中低層強(qiáng)西南急流推進(jìn)至華南-江南上空,帶來(lái)豐沛的熱量和水汽,使得大氣處于層結(jié)不穩(wěn)定狀態(tài)。江南山區(qū)平原交界處等不均勻下墊面附近常出現(xiàn)低空急流軸上的中尺度風(fēng)速脈動(dòng)(汪玲瑤等,2018)。高空強(qiáng)西風(fēng)急流右側(cè)分流區(qū)疊加在低空風(fēng)速輻合區(qū)上,并配合地面中尺度輻合線觸發(fā)局地強(qiáng)降水。西南急流型江南暖區(qū)暴雨多發(fā)于春季,此時(shí)副高脊線一般位于20°N以南。

    3 討論和結(jié)論

    利用探空資料、地面觀測(cè)資料、衛(wèi)星資料、NCEP/NCAR再分析資料和FY2E衛(wèi)星TBB資料對(duì)2008—2018年4—8月共計(jì)65次江南暖區(qū)暴雨進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到以下結(jié)論:

    1)江南暖區(qū)暴雨可分為切變型、副高型、副高和切變相互作用型、和西南急流型4類(lèi);4類(lèi)又可進(jìn)一步細(xì)分為冷切變型、暖切變型、暖切變與副高相互作用型及冷切變與副高相互作用型、副高邊緣型、副高內(nèi)部型和西南急流型7種,江南暖區(qū)暴雨以冷切變型為最多,西南急流型最少。

    2)江南暖區(qū)暴雨表現(xiàn)出了明顯的年際、月際和日變化特征:2009年暖區(qū)暴雨次數(shù)最少,2012年暖區(qū)暴雨次數(shù)最多;其多發(fā)季節(jié)為初夏;湖南地區(qū)的暖區(qū)暴雨日變化相對(duì)其他4個(gè)省份來(lái)說(shuō)不明顯,江西、福建、浙江和上海的日變化特征較為一致,其TBB最大值出現(xiàn)在上午(約08—11時(shí)),而TBB最小值出現(xiàn)在午后(17—20時(shí)),說(shuō)明17—20時(shí)為暖區(qū)暴雨多發(fā)時(shí)段。

    3)江南暖區(qū)暴雨多出現(xiàn)于江南中部?jī)?nèi)陸平原地區(qū),閩浙沿海地區(qū)出現(xiàn)暖區(qū)暴雨的站點(diǎn)少,其與華南暖區(qū)暴雨相互獨(dú)立。從暖區(qū)暴雨的雨量分布來(lái)看,日雨量極值多發(fā)于山脈和湖泊附近的地形復(fù)雜處,地形的增強(qiáng)效應(yīng)顯著。冷切變型降水分布范圍最廣,暖切變型降水極端性明顯,極端降水主要分布于江南中部閩贛交界山區(qū)附近。

    4)除副高內(nèi)部型外,江南暖區(qū)暴雨多受到高空槽的影響,其中東北冷渦南側(cè)低槽對(duì)江南暖區(qū)暴雨的作用顯著,其次是高原槽的影響,受中層冷平流觸發(fā)影響,東北冷渦和華北冷渦低槽影響下的江南暖區(qū)暴雨距離低槽的距離較近。

    5)不同類(lèi)型暖區(qū)暴雨的水汽來(lái)源略有差異,均通過(guò)西南急流向江南地區(qū)輸送水汽。隨著高度的下降,地面的摩擦效應(yīng)隨之增強(qiáng),急流出現(xiàn)的概率降低,但仍達(dá)50%以上,春季和初夏時(shí)節(jié)伴隨低空急流的概率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于盛夏時(shí)節(jié)。

    6)江南暖區(qū)暴雨除西南急流型(具有較低的對(duì)流指數(shù))和副高內(nèi)部型(具有較高的對(duì)流指數(shù))外普遍具有較為明顯的 CAPE(>500 J/kg)和K指數(shù)(>35 K),而CIN(<100 J/kg)和LI(<0)則較小,LCL大部處于920~980 hPa,LFC處于800~900 hPa,0 ℃層高度處于4 500~5 500 m,Thetase處于340~360 K。

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    (責(zé)任編輯:劉菲)

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