1979—2019年云贵高原夏季区域性极端日降水事件的异常环流特征.pdf
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1、夏阳,陈金梅,李明刚,等.19792019年云贵高原夏季区域性极端日降水事件的异常环流特征J.热带气象学报,2023,39(4):603-613.文章编号:1004-4965(2023)04-0603-1119792019年云贵高原夏季区域性极端日降水事件的异常环流特征夏阳1,陈金梅1,李明刚2,字冉3,吴华洪1,肖艳林1(1.六盘水市气象局,贵州 六盘水 553000;2.成都信息工程大学大气科学学院,四川 成都 610225;3.西双版纳傣族自治州气象局,云南 景洪 666100)摘要:利用中国气象局国家气象信息中心整编的站点观测资料和NCEP/NCAR逐日再分析资料,对云贵高原19792
2、019年夏季区域性极端日降水事件的异常环流进行了分析。云贵高原99%分位上的夏季(68月)极端日降水事件(以下简称降水事件)降水阈值为20.0 mm/d,在近41年里共发生了35次降水事件,其中7月上旬发生次数最多,7月下旬次之,8月中旬最少;35次降水事件中有4次为热带气旋系统影响,降水中心位于广西西南部及沿海地区,中心值超过75 mm,其余31次的降水中心主要集中在贵州中南部和广西北部,且降水中心强度明显低于热带气旋系统所带来的强度;受欧亚大陆中纬度(3050 N)地区的纬向扰动波列和低纬地区异常垂直环流圈控制,云贵高原上空对流层中建立了深厚的异常上升运动,配合500 hPa副热带地区的异
3、常反气旋式环流将南海和孟加拉湾的水汽输送至云贵高原并在当地沿地形辐合抬升,为云贵高原极端降水的形成提供有利的动力条件和水汽条件,同时周边地区异常冷却所带来的加热场梯度还进一步加强了云贵高原上空的气流入流,更加有利于强降水的产生和维持。此外,降水事件还与乌拉尔山至我国东北地区的低值系统活动和源自北大西洋及热带低纬地区的波扰能量传播有关。关键词:云贵高原;夏季;极端日降水;异常环流;波作用量通量中图分类号:P426.62文献标志码:ADoi:10.16032/j.issn.1004-4965.2023.052收稿日期:2021-11-08;修订日期:2023-04-18基金项目:国家自然科学基金项
4、目(42175042);四川省自然科学基金(2022NSFSC1056);云南省气象局科研项目(YZ202122);贵州省气象局科研业务项目(202204-11号)共同资助通讯作者:李明刚,男,山东省人,讲师,主要从事气候动力学研究。E-mail:第39卷 第4期2023年8月热 带 气 象 学 报JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGYVol.39,No.4Aug.,20231 1 引引言言近年来,国内诸如北京7211、京津冀7192、郑州7203等突破历史记录的极端强降水事件时有发生,较长持续时间的极端降水更容易造成大范围洪涝,给民众生命财产和社会经济发展带来严重损害
5、。因此,国内的极端降水事件逐渐受到气象学者的广泛关注。极端降水事件的特征和影响因子在不同区域之间的差异十分明显4-9。总体上,我国极端降水在夏季的长江中下游和华南地区以及青藏高原东南部发生频率更高,持续时间多为1 d或2 d4。前人研究表明,极端降水的发生往往是多尺度大气环流异常共同作用的结果,而引发极端降水的异常大气环流又常常受到大气波动和海温等外强迫的调制10-15。如欧亚中高纬度地区阻塞形势带来的活跃冷空气与热带暖湿气流频繁交汇所形成的局地环流异常,是造成华南前汛期15-17和华西秋雨18中的强降水事件频发,以及长江中下游地区19-22汛期降水异常偏多的重要原因。而中纬度大气中的Ross
6、by波自南欧地区沿西风带向下游传热 带 气 象 学 报第39卷播,能够为长江中下游和江淮地区暴雨的发生发展提供必要的能量来源12,23-26。不同于位于东亚季风区的长江中下游和华南等区域,云贵高原地处我国西南腹地,属于低纬高原27,具有干湿季分明的显著特点28-29,当地的汛期降水异常与印度洋暖池海温30、海洋性大陆区域对流活动29,31等存在密切关系。受印度西南季风和东亚季风的共同影响,云贵高原极端降水的时空分布和变化趋势并不均匀32-34,尽管夏季总降水量在近几十年来逐渐下降,但当地的极端降水量和降水日数却表现出显著的增长趋势33,使得地形错综复杂的云贵高原山区极易遭受强降水引发的山体滑坡
7、、泥石流等次生灾害的潜在威胁。目前,学者们对于云贵高原地区极端降水事件的成因分析仍更多地集中在单次或局地性的强降水天气过程30,35,在气候角度上针对区域性极端降水事件环流成因以及Rossby波活动特征方面的研究并不多见。因此,本文将依据台站观测资料及 NCEP/NCAR逐日再分析资料,运用多种统计诊断方法,在对云贵高原极端降水事件时空分布进行分析的基础上,着重探讨与之相关的环流异常和波扰能量传播特征,以及降水事件发生前夕的环流信号,以期为加深对于云贵高原区域性极端降水事件发生机理的认识,为当地极端降水事件的预报预测提供理论基础。2 2 资料与方法资料与方法2.1 资料中国气象局国家气象信息中
8、心整编的全国2 400站逐日观测资料,从中选取云贵高原地区共341个站点的夏季逐日降水资料;NCEP/NCAR逐日再分析资料36,垂直方向 17 层,水平分辨率2.5 2.5,要素包括位势高度、风场、温度、垂直速度、比湿等;中国气象局热带气旋中心最佳路径数据集;研究时段为 19792019 年的夏季(68月),共3 772天。本文中的云贵高原定义为97110 E,2130 N,范围内包含四川、重庆、广西、云南和贵州的五省(市、自治区)。2.2 方法由于云贵高原地区的站点空间分布较均匀(图1),为了避免水平插值所带来的误差,文中的区域平均仅采用简单的算术平均。经过计算各站点与区域平均的夏季降水相
9、关系数(图1)发现,云贵高原区域内各站点的相关系数基本呈正相关分布,且除了滇西横断山脉、川西高原和四川盆地,其余地区的相关系数均通过了0.05的显著性t检验,表明包含贵州大部、广西西北部、重庆南部、云南中东部和四川南部在内的云贵高原大部地区的夏季降水具有高度一致性,因此将云贵高原作为一个整体进行降水特征的分析是合理的。图1云贵高原地区341个观测站的空间分布不同样式圆点表示各站点与区域平均的夏季降水相关系数通过不同水平信度的显著性t检验。30N28N26N24N22N20N96E98E100E102E104E106E108E110E604第4期夏阳等:19792019年云贵高原夏季区域性极端日
10、降水事件的异常环流特征为分析降水与加热场的关系,文中还计算了整层大气积分的视热源和视水汽汇,计算公式为,W=p2|U u(u2-vx)+v(-uv+ux)u(-uv+ux)+v(u2+uy)f0RaN2H0u(vT-Tx)+v(-uT-Ty),式中,L为凝结潜热,Pr为降水量,QS为地面感热输送,E为蒸发量,ps为地面气压,p1为气压上限,取300 hPa,为辐射加热(冷却)的垂直积分,C为水汽凝结的液态水量,ES为地面潜热输送。波作用量通量采用Takaya等37-38推导出的三维波作用量通量(简称 T-N通量),该通量在 WKB近似假定下与波位相无关,且与定常Rossby波列的局地群速度方向
11、一致。对应波作用量通量(W)在对数气压坐标中的公式为,Q1=1gp1psQ1dp=(LPr+LC-LE)+Qs+QR,Q2=1gp1psQ2dp=(LPr+LC-LE)-LEs,Q1-Q2=QR+Qs+LEs,式中,为准地转扰动流函数,u和v为扰动准地转风,U为基本流场,p为气压,Ra为干气体常数,H0为标高,N2为浮力频率,T为扰动气温。此外,文中还采用了相关分析、滑动平均、合成差值和统计检验等常规气候统计方法。3 3云贵高原夏季区域性极端日降水云贵高原夏季区域性极端日降水事件的定义及时空分布事件的定义及时空分布3.1 区域性极端日降水事件的定义为使得云贵高原区域性极端日降水事件具有较高的一
12、致性和代表性,首先去掉与区域平均夏季降水相关系数低于0.308(通过0.05的显著性t检验)的61个站点(图1),对研究时段内其余280个站点的日降水量进行算术平均,选取日降水量1mm的降雨日共有3 557天。对平均后的日降水值由大至小进行排序,利用百分位法39-40,计算出99%分位上的降水阈值为20.0 mm/d。以此作为标准,共得到云贵高原夏季区域性极端日降水事件共35次(表1)。35次降水事件的平均单次降水量达到 22.5 mm,占夏季降水量(598.2 mm)的3.8%。通过与热带气旋资料进行比对发现,在上述35次降水事件中,有4次受到热带气旋系统影响,系统最高强度均为台风级别。此外
13、,35次降水事件中还存在5次连续性降水事件,如1983年7月31日8月 1日、1988年 6月 2627日、1989年 7月2627日、1999年7月1516日、2001年7月23日(受0103号台风“榴莲”影响),持续时间均为2 d。3.2 年际变化和旬际分布由降水事件次数的年际和旬际变化(图 2)可见,35次降水事件发生在41年中的21个年份里,以2001年的4次为最多,其次是1986年和1988年的3次。此外,降水事件的连续出现年份大多为23年,尤其是1995年以后更明显,表明云贵高原区域性极端日降水事件在年际尺度上存在一定的集中性,而连续未出现年份普遍为12年,其中以20092012
14、年的 4 年为最长。从年代分布上来说,2000年代出现的次数最多,达到11次,2010年代最少,仅有6次。在旬际分布方面,以7月上旬的8次为最多,其次是7月下旬的7次,在月际尺度上7月共出现17次降水事件,几乎占全部降水事件的一半,出现最少的是8月中旬,仅有1次。较高的降水事件频次同样带来了较多的降水,如7月上旬和下旬的事件累计降水量均超过160 mm,而8月中旬的降水量仅有21.8 mm。605热 带 气 象 学 报第39卷表1云贵高原夏季区域性极端日降水事件统计(备注表示当次过程是否受热带气旋影响)序号123456789101112131415161718发生日期(年.月.日)1998.6
15、.182017.8.241986.7.32013.6.91983.7.312002.8.92008.6.151988.6.261999.7.162001.7.22001.7.71988.7.281989.7.261988.6.271982.7.282007.7.251995.6.62014.8.18降水量/mm26.826.826.325.625.324.124.123.923.923.723.623.223.022.522.422.322.221.8备注1713号0103号序号1920212223242526272829303132333435发生日期(年.月.日)1993.7.62003.
16、6.52001.7.31996.7.282014.7.32015.8.271998.6.231983.8.11986.6.201999.7.151989.7.272006.7.72001.6.12007.6.122008.6.111986.7.42018.6.11降水量/mm21.721.621.421.321.321.321.221.121.121.120.920.920.820.820.320.120.0备注0103号9607号图2极端日降水事件频次的年际变化(a,空心柱表示事件次数,虚线为9年滑动平均)和旬分布(b,空心柱表示事件次数,折线为累积降雨量,单位:mm)3.3 降水特征由前文
17、可知,云贵高原的35次降水事件中共有4次事件受到3个热带气旋系统影响,下文给出了受热带气旋系统影响的4次(图3a)和其余31次(图3b)降水事件的平均日降水量空间分布。由图3a可见,受热带气旋系统影响的事件降水中心主要集中在广西西南部及沿海地区,中心值超过75mm,此外在贵州西部还存在超过30 mm的相对大值区。通过对影响云贵高原的3个热带气旋的路径分析发现,0103号“榴莲”和1713号“天鸽”在广东沿海登陆后一路西北行影响广西和云南,9607号“Gloria”则是在福建登陆后转向西行,从湖南进入云贵高原境内,从而给黔桂地区带来明显降水(图略)。相比于热带气旋,其余31次事件的降水5.04.
18、03.02.01.00(a)19801990200020102020频次1815129630(b)20016012080400降水量上旬 中旬 下旬 上旬 中旬 下旬 上旬 中旬 下旬6月7月8月年份606第4期夏阳等:19792019年云贵高原夏季区域性极端日降水事件的异常环流特征大值中心主要位于贵州中南部和广西北部,中心值仅有30 mm,要明显低于热带气旋系统给云贵高原地区所带来的降水强度,另外在滇北还存在25 mm左右的降水次大值中心。图3云贵高原夏季受热带气旋系统影响的4次(a)和其余31次(b)极端日降水事件的平均日降水量分布单位:mm/d。4 4 异常环流特征异常环流特征为得到云贵
19、高原区域性极端日降水事件的普遍环流特征,同时考虑到热带气旋带来的极端降水不是本文的研究重点,因此在剔除掉受热带气旋系统影响的4次降水事件后,对剩下31次降水事件的有关环流要素进行了合成分析。需要说明的是,文中的异常均指降水事件的合成平均减去多年夏季平均的距平值。4.1 水平环流特征图4给出了对流层不同高度的水平环流异常分布,其中在对原始风场(V)进行分析时将其分解为旋转分量(V)和辐散分量(V)。图4对流层100 hPa(a)、500 hPa(b)、700 hPa(c)上的旋转风(流线)、辐散风(箭头)以及垂直速度(500 hPa中阴影,单位:10-1Pa/s)和散度(100 hPa、700
20、hPa中阴影,单位:10-6s-1)的异常分布打点区域表示散度、垂直速度通过0.05的显著性t检验。30N28N26N24N22N20N96E98E 100E 102E 104E 106E 108E 110E30N28N26N24N22N20N96E98E 100E 102E 104E 106E 108E 110E(a)(b)80655035205353025201510590N60N30N030S045E90E135E1801.0 m/s1.0 m/s1.0 m/s(a)(b)90N60N30N030S045E90E135E18090N60N30N030S045E90E135E180(c)0
21、-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0-1.2-0.5-1.5-2.5-3.5-4.5-0.5-1.5-2.5-3.5-4.5607热 带 气 象 学 报第39卷在对流层高层(100 hPa)的中纬度(3050 N)地区(图4a),旋转风(V)异常在乌拉尔山至西北太平洋上空呈现“气旋-反气旋-气旋-反气旋”分布的扰动波列,其中在我国华北地区和南疆盆地西部分别存在一个异常气旋式和反气旋式环流中心,云贵高原处于二者之间的西北气流控制之下。在偏北气流的分流作用下,云贵高原上空出现强烈的辐散中心,为对流层中低层上升气流的建立提供“抽吸”作用,从云贵高原向外的辐散气流在赤道海洋性大陆(Marine C
22、ontinent)上空与来自西印度洋上空的向东辐散气流形成显著的辐合中心。而在对流层中层 500 hPa(图 4b)和低层 700hPa(图4c),欧亚中纬度地区的扰动波列结构仍然十分清晰,表明来源于欧洲地区的纬向扰动波列在垂直方向上几乎呈准正压分布,与此同时,副热带地区还出现了明显的异常反气旋式环流,其北侧与异常气旋式环流之间的偏西气流将孟加拉湾的水汽源源不断地向中国南方输送。此外,位于中国上空的异常气旋式环流中心还存在随高度增加逐渐向北倾斜的垂直结构特征,在对流层中低层南落至华中和云贵高原东部,此时云贵高原地区受到异常气旋式环流的直接控制,并在当地形成了明显的异常辐合中心,从而有利于低层水
23、汽在云贵高原辐合抬升凝结的同时,配合高层 100hPa上强烈辐散带来的抽吸作用,在对流层中建立了深厚的异常上升运动(图 4b),从而为云贵高原地区强降水的形成提供了有利的水汽条件和动力条件。4.2 水汽通量众所周知,极端降水的形成离不开大量水汽向降水区的稳定输送。考虑到云贵高原的平均海拔在 2 000 m 左右,下文给出了对流层低层 700hPa和整层大气积分(地面至300 hPa)的水汽通量距平的流函数及其辐散分量(图5)。图5 700 hPa(a)和整层(b)大气积分的水汽通量异常的流函数(阴影,a、b中单位分别为102g/s、106g/s)及辐散分量(箭头,a、b中单位分别为g/(cmh
24、Pas)、g/(cms)打点区域表示流函数通过0.05的显著性t检验。无论是 700 hPa(图 5a)还是整层大气(图 5b),水汽通量距平的流函数分布均与700 hPa的环流特征相一致,在云贵高原至日本岛以南的广大区域内为水汽通量距平流函数的负值区,其中 700hPa上的负值中心正位于云贵高原上空,中心值达到-30102g/s,而在中南半岛至南海则为流函数的正值区域,在整层大气积分中,上述地区的正值中心超过了75106g/s。同时,从水汽通量距平的辐散分量分布中可看到,从南海中南部和孟加拉湾有大量的水汽自辐散中心向北方地区输送,并在云贵高原上空强烈辐合,尤其在整层大气积分的水汽通量特征分布
25、中表现最明显,表明在云贵高原的极端日降水事件中,水汽主要来自南海和孟加拉湾地区。4.3 垂直环流为进一步分析云贵高原极端降水事件发生时的垂直环流特征,图6分别给出了云贵高原上空的经向环流和纬向环流异常特征,需要说明的是,分析中所用到的经向风和纬向风均为其辐散分量(V)。云贵高原上空的异常经向环流(图6a)显示,在热带0 10 N和中纬度地区5060 N的纬度带内分别存在一个异常经向环流圈,其中赤道上空的异常反经圈环流在700 hPa和350 hPa附近分别存在两个环流中心,而中纬度地区的异常正经圈环流中心位于400 hPa高度附近,两个异常环流圈底部的偏南气流和偏北气流在云贵高原上空辐合抬升,
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