影響安徽致暴江淮氣旋統(tǒng)計分析

2011影響安徽致暴江淮氣旋統(tǒng)計分析

吳照憲吳晶晶盧雄偉王惠劉玉林(1池州市氣象局，安徽池州247000;2青陽縣氣象局,安徽青陽242800)引言江淮氣旋是指發(fā)生在長江中下游和淮河流域(28°～35°N、111°～125°E)、生命史在12h以上的、具有明顯冷、暖鋒結(jié)構(gòu)的低值系統(tǒng)[1],也是造成江淮地區(qū)暴雨的重要天氣系統(tǒng)。對江淮氣旋個例診斷與分析發(fā)現(xiàn),其氣旋性環(huán)流和氣旋性渦度在對流層中層的700hPa附近最強(qiáng)[2],具有垂直環(huán)流圈[3],隨鋒區(qū)向北傾斜[4],中空西部冷輸送帶和中低層暖濕空氣的疊加,有利于位勢不穩(wěn)度的增加[5],在發(fā)展階段,700hPa層以下的溫壓場的斜壓結(jié)構(gòu)是氣旋發(fā)展的重要因素[6];其暴雨過程及降水落區(qū)與氣旋前(后)部暖(冷)式切變、地形、冷暖氣團(tuán)的相互作用等因素密切相關(guān)[7-11]。高空輻散場引起的對流層低層減壓及低層強(qiáng)盛的暖濕氣流引起的上升運動均可導(dǎo)致江淮氣旋最初的形成,降水和氣旋發(fā)展期間可以建立類似“CISK”的正反饋機(jī)制,說明了江淮氣旋的發(fā)展在環(huán)流背景及啟動機(jī)制方面具有多樣性[12]。在對江淮氣旋個例主觀識別與統(tǒng)計的基礎(chǔ)上,1980s,江蘇省氣象局[1]對1961—1980年春季和初夏江淮氣旋進(jìn)行研究,提出其概念,給出其判斷標(biāo)準(zhǔn),并將其起始場劃分為高壓脊型、北槽南渦型和暖切變型三類,探討其發(fā)生和發(fā)展的預(yù)報指標(biāo),為后來的研究奠定了基礎(chǔ)。魏建蘇等[13]對1961—2009年江淮氣旋分析后指出,江淮氣旋源地主要集中在大別山及其東北側(cè)、淮河上游及蘇皖浙交界處、鄱陽湖等區(qū)域;其生成強(qiáng)度有上升趨勢,平均路徑有3條,分別為西北東移、偏南東移和偏北東移,并有明顯的季節(jié)性變化。近年來,江淮氣旋的客觀識別與研究越來越多。王艷玲等[14]利用氣旋客觀識別方法統(tǒng)計表明,1980s—1990s江淮氣旋活動頻數(shù)偏少,強(qiáng)度偏弱;21世紀(jì)初期10a間氣旋活動頻數(shù)偏多,強(qiáng)度偏強(qiáng),氣旋活動頻數(shù)多發(fā)年與少發(fā)年500hPa出現(xiàn)穩(wěn)定的長波環(huán)流結(jié)構(gòu)存在顯著差異。周越等[15]運用氣旋的客觀判定與追蹤算法,指出1979—2010年江淮氣旋春季最活躍,其中5月發(fā)生次數(shù)最多;受地形和下墊面等影響,江淮氣旋生成的源地主要位于洞庭湖、鄱陽湖地區(qū)和大別山東北側(cè)等。黃文彥等[16]使用改進(jìn)的溫帶氣旋識別和追蹤方法,統(tǒng)計分析了近40a夏季影響江蘇致暴江淮氣旋路徑、落區(qū)等,并把江淮氣旋主觀劃分為偏西氣流和低槽兩類天氣型等。然而,江淮氣旋環(huán)流背景客觀分型依然較少，安徽雖然受江淮氣旋影響較大,但針對性研究卻僅限一些典型個例[17-18]。本文試圖通過江淮氣旋的客觀識別和天氣背景客觀天氣分型,分析影響安徽致暴江淮氣旋的大氣環(huán)流特征及其主要降水落區(qū),以供參考。1資料與方法1.1資料通過“全國綜合氣象信息共享平臺”(ChinaIntegratedMeteorologicalInformationServiceSystem,CIMISS)下載的安徽省2011—2019年地面國家觀測站逐小時降水資料,按氣候界限值及年、日、小時降水量空間及時間一致性原則,對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制[19-20],并利用逐6min的雷達(dá)反射率資料定性對比驗證每次氣旋降水過程及暴雨站點。利用2011—2019年歐洲第五代ECMWF(EuropeanCentreforMedium-RangeWeatherForecasts)全球氣候大氣再分析資料(水平分辨率為0.25°×0.25°;時間分辨率為1h;高空分為1000、925、850、700、600、500、400、300、200及100hPa共10層的位勢高度、溫度、風(fēng)向風(fēng)速、比濕、相對濕度等要素場；地面包括海平面氣壓、溫度等要素場;網(wǎng)址:https：∥cds.climate.copernicus.eu/),用于影響安徽致暴江淮氣旋大氣環(huán)流分型和環(huán)流場特征分析等。1.2江淮氣旋定義與識別方法根據(jù)以上江淮氣旋的定義[1],第一次出現(xiàn)具有明顯的冷、暖鋒結(jié)構(gòu)的氣旋或氣旋波,稱為江淮氣旋發(fā)生。采用ERA5海平面氣壓場(水平分辨率0.25°×0.25°;時間分辨率6h,即將每日00、06、12、18時(世界時,下同)設(shè)定為江淮氣旋生消時間點,下同)資料,利用改進(jìn)的溫帶氣旋客觀識別和追蹤方法[21],首先使用九點最低氣壓法確定氣旋中心,再基于氣旋最外圍閉合等值線識別確定氣旋范圍,通過氣旋的識別,再進(jìn)行相鄰時次氣旋的追蹤,識別所有可能影響安徽的氣旋。該方法對于氣旋及氣旋分裂和合并、短周期的強(qiáng)風(fēng)暴、多中心氣旋等識別度高達(dá)98%以上。在此基礎(chǔ)上,參考周越等[15]關(guān)于江淮氣旋環(huán)流中心和閉合等壓線、溫度梯度(即冷暖鋒區(qū))等定量標(biāo)準(zhǔn),判斷與識別影響安徽的江淮氣旋個例。1.3致暴江淮氣旋個例挑選按上節(jié)方法共識別出132個影響安徽的江淮氣旋個例,從歷史致災(zāi)的角度,滿足安徽境內(nèi)5個國家基本觀測站過程雨量50mm以上,其中至少一個觀測站過程降水量超過100mm的條件,共有25個影響安徽致暴江淮氣旋個例(表1),其中,最長持續(xù)時間達(dá)78h,最大小時雨強(qiáng)90.4mm。滿足條件的江淮氣旋主要出現(xiàn)在4—8月,約占同期所有影響安徽江淮氣旋數(shù)的18.9%,年均2.8次,與近年來影響江蘇省的致暴江淮氣旋年均次數(shù)基本一致[16]。當(dāng)某個江淮氣旋影響安徽過程中,站點過程累積降水量達(dá)到50mm以上,則判斷該站點受到一次江淮氣旋的影響。表12011—2019年影響安徽致暴江淮氣旋一覽1.4江淮氣旋環(huán)流場分型法分型法就是將環(huán)流特征相似的樣本場聚類,目前多采用客觀分型法[22-25]。本文采用斜旋轉(zhuǎn)T模態(tài)主成分分析法[26](簡稱TPCA),該方法按時間序列對網(wǎng)格點數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析,建立每個時間網(wǎng)格點的主成分類型,其中輸入數(shù)據(jù)的列表示時間序列,行對應(yīng)于網(wǎng)格點,對預(yù)定類型的再現(xiàn)、時間和空間穩(wěn)定性,以及對預(yù)設(shè)參數(shù)的依賴性等方面表現(xiàn)較好。目前,TPCA方法已經(jīng)在“歐洲地區(qū)天氣模型分類協(xié)調(diào)與應(yīng)用”方案(簡稱:COST733)中被發(fā)展為軟件“cost733class-1.2”(http:∥cost733.geo.uniaugsburg.de)[27]。為了研究影響安徽致暴江淮氣旋的不同環(huán)流形態(tài)特征,根據(jù)一些個例診斷結(jié)果和預(yù)報員經(jīng)驗,江淮氣旋影響系統(tǒng)和環(huán)流特征在700hPa反映較好[1,4],故本文嘗試?yán)肨PCA對25個致暴江淮氣旋天氣個例,取江淮氣旋生消時間點(分別為00、06、12、18時4個時次)ERA5再分析資料700hPa位勢高度場和溫度場(空間范圍:25°～40°N、110°～125°E),進(jìn)行多要素大氣環(huán)流場分型,共分得4種環(huán)流型。TPCA客觀分型結(jié)果(如圖3中SP1、SP2和SP3型)與江蘇省氣象局關(guān)于江淮氣旋的主觀天氣分型結(jié)果[1]較為接近,能很好地呈現(xiàn)江淮氣旋的發(fā)生、發(fā)展的環(huán)流背景場特征。圖3利用2011—2019年影響安徽致暴江淮氣旋700hPa位勢高度(陰影，單位：gpm)和溫度(紅實線，單位：℃)，劃分4種天氣背景類型(風(fēng)場(風(fēng)標(biāo)，單位:m·s-1，長桿為5m·s-1)，綠色箭矢表示顯著氣流，橙色實線表示槽線或切變線)2影響安徽致暴江淮氣旋氣候特征2.1江淮氣旋的路徑根據(jù)表1選擇影響安徽致暴江淮氣旋,按地面氣旋中心點從開始至結(jié)束(或移出江淮區(qū)域),繪制江淮氣旋的路徑,用不同顏色標(biāo)識不同江淮氣旋,如圖1所示。同時,對氣旋中心位置經(jīng)度≤0.25°范圍內(nèi)的所有江淮氣旋按緯度進(jìn)行平均,并以2個經(jīng)度距離進(jìn)行滑動平均,繪制江淮氣旋的滑動平均路徑(圖1粗陰影線)。圖12011—2019年影響安徽致暴江淮氣旋的路徑(細(xì)實線,*起始點,·結(jié)束點)和滑動平均路徑(粗陰影線)從影響安徽致暴江淮氣旋起源地看,有湖北、安徽、湖南、江西、河南等地區(qū),其中湖北、湖南均為9個個例,占比最多為36.0%,河南4個個例,占16.0%,江西1個個例,占4.0%,安徽江淮之間生成的江淮氣旋有2個,占8.0%。從影響安徽致暴江淮氣旋移動路徑看,淮河流域附近生成的江淮氣旋容易出現(xiàn)西北—東南路徑走向,其中第21號江淮氣旋基本是自北向南走向。西南方向(湖南、湖北境內(nèi))起源的江淮氣旋一般開始向東北方向移動,進(jìn)入安徽境內(nèi),出現(xiàn)向東移動,入海前又出現(xiàn)向東北移動。從影響安徽致暴江淮氣旋滑動平均路徑可以發(fā)現(xiàn),江淮氣旋滑動平均起源位置位于湖北與湖南交界處,向東北移動經(jīng)大別山進(jìn)入安徽境內(nèi),繼而向東偏東南方向移動,在皖蘇浙交界處移出安徽后轉(zhuǎn)向東北方向移動。江淮氣旋的中心位置及移動路徑,直接影響著降水落區(qū)的分布。2.2江淮氣旋雨區(qū)分布按1.3節(jié)挑選的25個江淮氣旋個例,從江淮氣旋起始時間至結(jié)束時間內(nèi)在安徽境內(nèi)產(chǎn)生的逐時降水進(jìn)行累加,并取9a平均,得到2011—2019年影響安徽致暴江淮氣旋的平均降水分布(圖2a)。圖22011—2019年影響安徽省致暴江淮氣旋年均降水量(a)及站點過程降水量≥50mm頻次(b)2011—2019年安徽省致暴江淮氣旋年均降水量總體是自北向南遞增,江淮之間中部至淮北地區(qū),年均降水量在110.0mm以下,而長江流域至皖南地區(qū)年均降水量基本在110.0mm以上,主雨帶位于大別山南麓至皖南山區(qū)一線,年均降水量在170.0mm以上,其中大的降水中心位于皖南山區(qū)的黃山站(站號:58437,海拔1840.4m)和大別山區(qū)的天柱山站(站號:58112,海拔968.2m),均為高山站,年均降水量分別為250.3mm和216.8mm。2011—2019年安徽省致暴江淮氣旋年均降水量與1981—2010年4—8月的30a整編平均降水量進(jìn)行顯著性檢驗,計算的F值為101.8,查詢F統(tǒng)計表知,在顯著水平α=0.05時Fα為1.47,即二者有顯著差異,表明江淮氣旋的合成降水場與氣候平均態(tài)存在顯著不同,說明江淮氣旋對安徽的降水分布影響是顯著的。比較江淮氣旋滑動平均路徑和主雨帶分布,可以看出,兩者相對位置在安徽境內(nèi)對應(yīng)比較好,主雨帶位于江淮氣旋滑動平均路徑的東南偏南一側(cè),這可能與江淮氣旋中心東南側(cè)的低空急流和水汽輸送密切相關(guān)。高山站出現(xiàn)大的降水中心,應(yīng)與高海拔山體對江淮氣旋渦旋氣流抬升有一定的關(guān)聯(lián)。統(tǒng)計安徽2011—2019年各國家觀測站點受致暴江淮氣旋影響頻次(圖2b),發(fā)現(xiàn)江淮氣旋影響高頻次區(qū)域依然在大別山和皖南山區(qū)西南側(cè),全省自南向北依次減少,淮北地區(qū)個別站點9a間僅出現(xiàn)一次。位于大別山的天柱山、皖南山區(qū)的黃山和九華山,江淮氣旋影響頻次高,9a間25個江淮氣旋個例分別出現(xiàn)15、17和15次,說明60%以上的江淮氣旋對大別山、皖南山區(qū)有明顯的影響。也可以看出,山體抬升對江淮氣旋的發(fā)展和降水影響非常明顯。3致暴江淮氣旋環(huán)流場3.1環(huán)流場分型結(jié)果江淮氣旋按其定義要求至少持續(xù)12h以上,在具體的天氣個例中,有些江淮氣旋持續(xù)時間往往超過48h,甚至更長時間。在江淮氣旋生消、移動、變化的過程中,大氣環(huán)流場或背景場難免發(fā)生調(diào)整和變化,對江淮氣旋的影響也將不同。按氣旋生消時間點進(jìn)行TPCA多要素客觀天氣環(huán)流分型,得出四個天氣環(huán)流場模型,按主要影響天氣系統(tǒng),分別劃分為高壓脊型(SP1型，圖3a)、高空槽型(SP2型，圖3b)、暖式切變型(SP3型，圖3c)和靜止鋒型(SP4型，圖3d)。其中,SP1型,安徽以西有一高壓脊,高壓脊東側(cè)有顯著的經(jīng)向環(huán)流,引導(dǎo)中高層干冷空氣南侵;SP2型,安徽受東北—西南向高空槽影響,槽前有暖濕氣流,槽后有冷平流,冷暖氣團(tuán)匯合于安徽江淮流域;SP3型,低渦位于安徽以西河南境內(nèi),強(qiáng)盛的西南暖濕氣流經(jīng)大別山區(qū)向東北方輸送;SP4型,安徽江淮流域為東西向切變線,安徽北部受偏東氣流影響。按TPCA環(huán)流分型結(jié)果,可以確定江淮氣旋過程各生消時間點的環(huán)流類型。按生消時間點前后3h共6h累積降水量,統(tǒng)計該江淮氣旋過程各環(huán)流型的累積雨量,以最大累積降水量確定該江淮氣旋致暴環(huán)流類型(表1),其中,SP1型出現(xiàn)10次致暴過程,占40%;SP2型出現(xiàn)9次,占36%;SP3型出現(xiàn)5次,占20%;SP4型最少,僅出現(xiàn)1例,故該型忽略,不予討論。3.2三種環(huán)流型江淮氣旋雨區(qū)分布從影響安徽致暴江淮氣旋三種環(huán)流型年平均累積降水量(圖4),可以看出,SP1型江淮氣旋降水分布主要集中在皖南山區(qū)(圖4a),年平均降水量基本在70mm以上,可能受山體的抬升作用,黃山、九華山年平均降水量達(dá)90mm以上。從皖南山區(qū)至淮河以北地區(qū),年均降水量逐漸減小,特別是淮北地區(qū)年均降水量僅10mm左右。該環(huán)流型江淮氣旋最大小時雨強(qiáng)90.4mm·h-1,位于皖南山區(qū)的石臺站,也是2011—2019年致暴江淮氣旋國家站最大雨強(qiáng)。SP2型環(huán)流型江淮氣旋雨區(qū)分布與SP1型不同(圖4b),雨區(qū)主要集中在安徽長江一線,年平均降水量≥50mm。天柱山、黃山高山站出現(xiàn)70mm以上的降水中心?；春恿饔蚣捌湟员蹦昃邓恳财?淮北地區(qū)僅10mm左右。SP3型環(huán)流型雨區(qū)分布與SP1、SP2型也存在較明顯差異,年均降水中心位于大別山區(qū)(圖4c),年均降水量≥50mm。同樣,天柱山高山站最大降水量達(dá)到85mm,黃山站在皖南山區(qū)也有一個小的雨量中心,達(dá)60mm。圖42011—2019年三種環(huán)流型江淮氣旋年平均降水分布(單位：mm)為了檢驗SP1、SP2、SP3型平均降水量與25次江淮氣旋平均降水量分布的差異,計算得到F分別為39.9、57.1、63.4,在顯著水平α=0.05時Fα為1.47,即三種形態(tài)降水分布與江淮氣旋平均降水分布有顯著差異,說明分型結(jié)果是可以接受的。3.3主要天氣型環(huán)流特征江淮氣旋不同的天氣類型,其影響區(qū)域和降水分布,尤其雨量中心有很大的差異。同時也發(fā)現(xiàn),江淮氣旋影響的高海拔地區(qū)累積降水量明顯較大,可見山體抬升對江淮氣旋的影響非常明顯。江淮氣旋影響安徽的這些特點,可能與大氣環(huán)流、水汽輸送與輻合、高層干侵入等因素有著密切關(guān)系。為更好呈現(xiàn)致暴江淮氣旋對安徽的影響,選擇致暴江淮氣旋影響安徽的時間段內(nèi),采用ERA5再分析資料,按環(huán)流分型對高空要素場分別進(jìn)行疊加,并求平均值,討論致暴江淮氣旋各分型環(huán)流場特征等。3.3.1高壓脊型(SP1型)如圖5a所示,500hPa位勢高度西高東低,安徽以西為高壓脊,高壓脊東側(cè)有顯著的向南經(jīng)向環(huán)流,引導(dǎo)中高層干冷空氣南侵,江淮氣旋一般偏南東移(圖1)。在此天氣環(huán)流背景下,850hPa從東北到山東半島有一冷舌(假相當(dāng)位溫336K)北伸至江淮南部(圖5b),皖南地區(qū)整層水汽通量達(dá)到550kg·m-1·s-1以上,可降水量達(dá)55mm左右,皖南地區(qū)在850hPa上表現(xiàn)為高溫高濕的暖濕環(huán)境(圖5b)。經(jīng)過皖南山區(qū)降水大值區(qū)的垂直剖面上(圖5c),可以看出,皖南山區(qū)的迎風(fēng)坡有較明顯的水汽輻合,最大水汽通量散度位于925hPa,超過-6.0×10-5g·s-1·hPa-1·cm-2;而高海拔山區(qū)水汽輻合區(qū)在850hPa以上。整個皖南山區(qū)上空大氣基本為上升運動,上升運動發(fā)展深厚且高度高,超過6.0×10-2m·s-1的上升運動區(qū)域從600hPa一直伸展至200hPa,有利于低層減壓導(dǎo)致大氣輻合,配合充沛的水汽輸送,在皖南山區(qū)形成大的降水中心(圖4a),尤其是高海拔山區(qū)及其迎風(fēng)坡區(qū)域。沿暴雨區(qū)南北向垂直剖面上(圖5d),對流層底層31°N附近為大的濕度區(qū),與氣旋中心位置一致。氣旋中心對流層高層200hPa以北有明顯的干區(qū),高層有明顯的干侵入南侵,氣旋中心附近處于中性層結(jié),有利于對流層高層位渦下傳;而皖南山區(qū)700hPa以下假相當(dāng)位溫達(dá)到342K,暴雨區(qū)上空呈現(xiàn)出大氣層結(jié)不穩(wěn)定。高層干冷、低層暖濕不穩(wěn)定層結(jié)的配置有利于對流性強(qiáng)降水的產(chǎn)生。圖5江淮氣旋SP1型(a、b)水平大氣平均環(huán)流場：(a)500hPa位勢高度(等值線，單位：gpm),925hPa風(fēng)場(風(fēng)標(biāo)，長桿為5m·s-1，加粗表示風(fēng)速大于5m·s-1)和整層水汽通量積分(陰影，單位：kg·m-1·s-1)；(b)850hPa風(fēng)場和整層可降水量(陰影，單位：mm)；(c)為(a)中黑色粗直線位置的垂直剖面，黑色箭矢為平行于剖面的風(fēng)，彩色陰影為水汽通量散度(單位：10-5g·s-1·hPa-1·cm-2)，棕色實(虛線)等值線為上升(下沉)運動(單位：10-2m·s-1)；(d)沿117.0°E垂直剖面(黑實等值線為假相當(dāng)位溫(單位：K)；陰影為相對濕度(單位：%)；黑色箭矢為垂直剖面風(fēng)；紅實等值線為位渦(單位：10-6K·m2·kg-1·s-1)；(c、d)黑色陰影為地形3.3.2高空槽型(SP2型)江淮氣旋SP2型(高空槽型)較SP1型不同,500hPa位勢高度略呈東高西低,安徽淮河以南受高空槽前西南氣流影響(圖6a),江淮氣旋一般向偏東方向移動(圖1)。850hPa冷空氣(假相當(dāng)位溫90%),隨高度輻合區(qū)向北傾斜,暴雨區(qū)北側(cè)存在著明顯的相對濕度和假相當(dāng)位溫的鋒區(qū),可見高空槽型主要表現(xiàn)為低層冷鋒南侵的過程,與南方暖濕氣流的匯合,導(dǎo)致安徽長江流域有較大降水發(fā)生,高海拔山區(qū)如大別山站、黃山站降水量同樣表現(xiàn)得相對明顯(圖4,SP2)。圖6江淮氣旋SP2型(a、b)水平大氣平均環(huán)流場,(c)為(a)中黑色粗直線位置的垂直剖面；(d)沿116.5°E垂直剖面,其他同圖53.3.3暖式切變型(SP3型)圖7為暖式切變型(SP3型)大氣水平平均環(huán)流場。該天氣型500hPa安徽以西有一深槽,925、850hPa均有較強(qiáng)的西南氣流經(jīng)大別山區(qū)向東北方輸送,并伴有暖式切變線(圖7a、b)。受西南氣流引導(dǎo),江淮氣旋一般偏北東移(圖1)。850hPa暖濕氣流(假相當(dāng)位溫>342K)伸向大別山區(qū),大氣整層可降水量≥60mm(圖7b),暖濕輸送的強(qiáng)度明顯超過SP1、SP2型;大別山區(qū)域大氣整層水汽通量550kg·m-1·s-1以上(圖7a),也均較其他天氣環(huán)流型大。沿降水中心南北向垂直剖面上(圖7d),31°N附近整層為高濕區(qū)(相對濕度≥90%),北方干冷空氣明顯偏弱,這些特點明顯有別于其他環(huán)流型,說明SP3型降水屬于暖區(qū)暴雨或強(qiáng)降水類型。暖區(qū)一側(cè)中低層有明顯大氣輻合抬升,尤其是迎風(fēng)坡,最大水汽通量散度為-8.0×10-5g·s-1·hPa-1·cm-2(圖7c),925hPa最大上升速度超過6.0×10-2m·s-1,約為其他環(huán)流型的2倍,具有較高的降水效率。表1也可以看出,SP3型江淮氣旋(編號:6、7、10、22、23號)大暴雨過程較其他環(huán)流型明顯偏多,雨強(qiáng)也整體偏強(qiáng)。圖7江淮氣旋SP3型(a、b)水平大氣平均環(huán)流場,(c)為(a)中黑色粗直線位置的垂直剖面；(d)沿116.5°