湖北省深秋氣候?qū)W定義及其暴雨特征分析

諶 偉，劉佩廷，徐迎春，岳 陽，張 麗

（1.武漢市氣象局，武漢 430040；2.中國氣象局武漢暴雨研究所/暴雨監(jiān)測預警湖北重點實驗室，武漢 430205；3.武漢市江夏區(qū)氣象局，武漢 430200）

湖北省位于長江中游，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，春秋短、冬夏長。秋季，東亞大氣環(huán)流由夏季型向冬季型轉(zhuǎn)換，發(fā)生暴雨天氣的概率在降低。但隨著全球氣候變暖，湖北省近年深秋季節(jié)的極端天氣與氣候事件卻在增多，例如2014年，湖北省深秋連續(xù)發(fā)生2次極端降水事件，一是10月27—30日，從國家觀測站的暴雨站次和累計降水量來看，為湖北省有氣象記錄以來同期之最，二是11月22—23日，湖北省東部出現(xiàn)歷史第二晚的區(qū)域性暴雨。

目前，關(guān)于秋季降水的氣候特征和秋季暴雨的發(fā)生機制已有較多研究。如，在秋季降水氣候特征方面，顧薇等［1］認為中國秋季降水年際變化可能受到副熱帶高壓的南北位置和相應的日本島附近異常的氣旋/反氣旋的影響；諶蕓等［2］指出中國35°N以南秋季降水較多，且年際變化大，35°N以北地區(qū)的特征基本相反，長江中下游地區(qū)的秋季降水同歐亞大陸冷高壓、副熱帶高壓有關(guān)；高由禧等［3］、何敏［4］指出中國華西地區(qū)是秋季降水較多的地區(qū)之一，表現(xiàn)為9—10月陰雨綿綿且低溫寡照的華西秋雨現(xiàn)象；劉揚等［5］指出中國西南東部秋季降水主要與熱帶海溫異常有關(guān)。在秋季暴雨的發(fā)生機制方面，孫欣等［6］診斷遼寧省深秋暴雨，認為高位渦從對流層高層向低層伸展形成濕位渦柱引起氣旋性環(huán)流與低渦環(huán)流疊加；王淑云等［7］分析河北省滄州市深秋暴雨，認為暴雨過程前后大氣層結(jié)穩(wěn)定，能量聚集小于夏季，急流為暴雨提供了很好的水汽和動力條件，屬于穩(wěn)定型降水；魏東等［8］在對一次北京市深秋暴雨過程進行分析后認為暴雨是在高空冷槽和地面冷鋒系統(tǒng)的配合下，地形和熱島效應共同作用下產(chǎn)生的中尺度系統(tǒng)造成的；段旭等［9］認為帶通濾波后獲得的中尺度輻合線、負值擾動是一次滇西南秋季暴雨產(chǎn)生的直接影響系統(tǒng)；劉勇等［10］認為陜西省一次秋季暴雨系統(tǒng)的層結(jié)特征與夏季暴雨相比有明顯差異，即暴雨發(fā)生在層結(jié)穩(wěn)定狀態(tài)下，低層鋒區(qū)附近的強水汽輻合是秋季暴雨產(chǎn)生的主要機制。此外，眾多學者［11-17］還對海南島秋季暴雨的氣候背景、環(huán)流特征及物理機制進行了研究。由此可以看出，學者們研究秋季暴雨時并沒有區(qū)分初秋與深秋，但實際上，初秋降水更接近于夏季，深秋降水卻明顯不同；同時，學者們對長江中下游深秋暴雨的研究較少，預報人員對其認知不深，易忽視、易漏報。

為了便于長時間序列研究，因而有必要基于現(xiàn)代氣象觀測給出深秋的一個氣候?qū)W定義，用于準確描述秋冬季節(jié)循環(huán)中的這一特殊階段，也可為研究有關(guān)氣候變化提供一個量化的基礎。本研究引入氣候?qū)W概念和方法，綜合運用人體舒適度指數(shù)來界定湖北省深秋季節(jié)，據(jù)此挑選湖北省深秋暴雨個例，分析其深秋暴雨時空分布及大尺度環(huán)流特征，對比深秋與典型梅雨過程鋒的形態(tài)結(jié)構(gòu)，為今后預報服務與氣候變化研究等工作打基礎。

1 資料與方法

1.1 資料來源

實況氣象資料來源于湖北省氣象局信息與保障中心提供的1962—2020年湖北省78個國家氣象站9—12月地面2 m溫度、相對濕度、日降水資料（時間段為8時至次日8時，北京時，下同），為統(tǒng)一資料時間，選取1962年以來具有持續(xù)記錄（連續(xù)缺測不超過3 d）的67個氣象站，個別缺測值采用前后兩天的平均值代替。對應時段再分析資料來源于美國國家環(huán)境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP），包括NCEP 2.5°×2.5°和GFS 0.5°×0.5°資料。

1.2 定義與方法

人體舒適度指數(shù)量化了人體對外界環(huán)境的感受程度，考慮了氣溫、濕度等氣象要素，具體求算公式：

式中，I為人體舒適度；T為環(huán)境溫度；RH為相對濕度。本研究應用文獻［18，19］中9級人體舒適度指數(shù)劃分方法，分級標準見表1。

表1 人體舒適度指數(shù)分級

人體舒適度指數(shù)求算公式反映出相對濕度的影響遠低于溫度要素，結(jié)合QX/T 152—2012［20］氣候季節(jié)劃分方法，定義當人體舒適度指數(shù)首次低于60時，對應的溫度為單站進入深秋的上限溫度，下限溫度為氣象行業(yè)入冬溫度標準。從圖1可以看出，湖北省各站主要在10月下旬進入深秋，入深秋的常年平均溫度在15～16℃，為方便應用，劃定湖北省單站深秋季節(jié)的日平均溫度區(qū)間為10～16℃。參照湖北省秋季地方標準，當全省一半以上站點日平均溫度＜16℃為入深秋日、＜10℃為出深秋進入冬季日，得出湖北省常年入深秋起始日期為10月27日，結(jié)束日期為11月24日。根據(jù)每年進入深秋的溫度標準統(tǒng)計，1962年以來湖北省共發(fā)生64日（次）深秋暴雨個例，詳見表2。

圖1 湖北省各站人體舒適度首次低于60所對應的日期（a）及平均溫度（單位：℃）（b）

表2 1962—2020年湖北省深秋暴雨個例

湖北省深秋暴雨時空分布特征分析采用經(jīng)驗正交函數(shù)（Empirical orthogonal function，EOF）對暴雨日數(shù)場進行分解，利用Morlet小波、Mann-Kendall檢驗對暴雨日數(shù)時間序列進行周期診斷檢驗；湖北省深秋暴雨大尺度環(huán)流特征分析采用合成分析法。

2 結(jié)果與分析

2.1 時空分布特征

2.1.1 空間分布特征 為了揭示湖北省深秋暴雨的空間分布特征，對近59年湖北省深秋季節(jié)標準化暴雨日數(shù)場進行EOF分解。根據(jù)North判別標準，湖北省深秋暴雨日數(shù)前三個模態(tài)相互獨立且可以同其他模態(tài)分開（圖2），3個模態(tài)累計方差貢獻率達60.50%，為湖北省深秋暴雨的主要空間分布型。

圖2 1962—2020年湖北省深秋暴雨日數(shù)EOF分解的第一模態(tài)（a）、第二模態(tài)（b）和第三模態(tài)（c）空間分布

第一模態(tài)（圖2a）除鄂西北為反位相變化，其余大部為同位相變化，這種變化趨勢解釋了總方差的34.20%，存在自東向西遞減的明顯差異，正位相中心位于江漢平原南部-鄂東北東部一帶。第二模態(tài)（圖2b）大致表現(xiàn)為西多東少分布，正位相中心位于恩施和荊門附近，方差貢獻率為15.80%。第三模態(tài)（圖2c）仍然表現(xiàn)為自東向西遞減的分布特征，但正位相中心局限于鄂東南，方差貢獻率為10.50%。結(jié)合湖北省深秋暴雨個例雨量實況，發(fā)現(xiàn)暴雨分布達到湖北省5個氣候分區(qū)（鄂西北、鄂西南、江漢平原、鄂東北及鄂東南）中3個及以上的區(qū)域性暴雨個 例有19651107、19811016、19831021、19861025、19871031、19891025、19891104、19901107、19961104、19991030、20141028、20141123（時間形式，YYYYMMDD）共12個，其中暴雨分布類似第一模態(tài)的有5個、類似第二模態(tài)的有1個、類似第三模態(tài)的有6個。這表明EOF分解得到的前三個模態(tài)攬括了所有影響較大的湖北省深秋暴雨個例，反映出了其主要空間分布特征。

2.1.2 時間分布特征 將1962—2020年湖北省深秋年暴雨日數(shù)作M-K突變分析。由圖3可知，除1962—1965年下降外，湖北省深秋年暴雨日數(shù)均呈振蕩上升趨勢，且在1981年開始達到顯著水平線（U0.05=1.96），其中80年代中期以后超過了0.01的顯著性水平（U0.01=2.56），表明湖北省深秋暴雨日數(shù)在20世紀80年代以后顯著偏多，但UF與UB曲線無相交點，無突變發(fā)生。

圖3 湖北省深秋暴雨日數(shù)的M-K變化曲線

將1962—2020年湖北省深秋暴雨日數(shù)進行Morlet小波變換，得到小波變換實部（圖4，其中實線為正或零等值線，虛線為負等值線）。從圖4可以看出，湖北省深秋年暴雨日數(shù)周期變化明顯，高低交替顯著。10年以上年代際變化主要存在1個主要周期振蕩模態(tài)，周期為12～13年；10年以下尺度存在2個主要振蕩模態(tài)，中心周期分別為2～3年和準6年。在12～13年的周期變化中，年暴雨日數(shù)大致經(jīng)歷了5個偏多期，特別是進入20世紀90年代后，年代際振蕩現(xiàn)象呈增強趨勢。準6年的周期變化尺度最穩(wěn)定且顯著，經(jīng)歷了1966—1968年、1972—1974年、1976—1978年、1981—1983年、1987—1990年、1994—1996年、2002—2004年、2008—2010年、2014—2016年9個偏多期。

圖4 湖北省深秋暴雨日數(shù)的小波變換實部

2.2 環(huán)流背景特征

利用NCEP2.5°×2.5°再分析資料，計算1981—2020年深秋階段500 hPa平均高度場和海平面氣壓場，同時對1981—2020年共11日（次）具有代表性的湖北省深秋區(qū)域性暴雨的高度場和海平面氣壓場進行合成，并據(jù)此得出合成分析場相對深秋階段的距平場（圖5）。

從深秋暴雨過程500 hPa高度合成場看（圖5a），影響中國中東部地區(qū)的主要系統(tǒng)有東亞沿海大槽、西太平洋副熱帶高壓及孟灣附近南支槽，而短波系統(tǒng)在合成場中會被過濾掉。主要影響系統(tǒng)特征可以歸納為3點，一是東亞大槽剛北收東移入海，說明前期中國中東部應出現(xiàn)過冷空氣影響；二是南支槽較深厚，高度場上對應有負距平，有利于印度洋水汽向中國中東部輸送；三是副高壓強盛，西伸點已近中南半島，北側(cè)邊緣達到南嶺一帶，它不但會促進東亞沿海大槽的東移北收，削弱了大陸冷空氣團的影響，而且會擠壓南支槽，延緩其東移，促使南支槽前、副高壓西側(cè)的西南暖濕氣流長時間向長江流域發(fā)展加強。風矢合成場（圖6）顯示，700 hPa西南氣流已經(jīng)發(fā)展到黃淮流域，長江中下游干流已出現(xiàn)急流，但近地面仍然維持著偏北氣流，同時地面氣壓的下降（圖5b）表明，西南暖濕氣流的強盛發(fā)展正導致冷空氣勢力減弱、變性。由此可知，湖北省深秋暴雨應該是中低層西南暖濕氣流在冷墊面上爬升所形成的，這里存在一個鋒面系統(tǒng)，典型個例分析會進一步驗證。

圖5 1981—2020年深秋暴雨日500 hPa高度（a）（單位：dagpm）和海平面氣壓（b）（單位：hPa）合成場及距平場疊加

圖6 1981—2020年深秋暴雨日700 hPa（a）、1 000 hPa（b）風矢合成場

2.3 深秋與夏季暴雨典型個例對比

2.3.1 降水實況2014年深秋發(fā)生了一次極端降水事件，主要降水時段為10月28日9時至29日8時（圖7a、圖7c），暴雨區(qū)位于湖北省東部、南部地區(qū)，呈西南-東北走向，局部出現(xiàn)大暴雨，國家站最大雨量為公安的115 mm，其降水持續(xù)24 h，小時最大雨量為8.7 mm；2011年梅雨期有一個暴雨區(qū)分布（圖7b、圖7d），類似2014年深秋暴雨的個例，國家站最大雨量為潛江的198 mm，其降水持續(xù)了17 h，小時最大雨量為65 mm。由此可以看出，深秋暴雨不同于夏季暴雨，雨強偏小，但持續(xù)時間較長，屬于穩(wěn)定性降水。

圖7 2014年10月28日9時至29日8時（a）、2011年6月17日21時至18日20時（b）降水實況及公安（c）、潛江站（d）小時雨量

2.3.2 主要天氣系統(tǒng)分析 從2014年10月28日20時500 hPa高空場看（圖8a），主要天氣系統(tǒng)類同合成分析場，只是除東移入海的東北冷渦、副高壓及南支槽外，在川陜多了短波槽活動。850 hPa風場上（圖8a），長江流域存在一個天氣尺度的切變輻合帶，其右端長江中下游為西南風與東南風形成的暖式切變，左端長江上游為偏北風與偏南風形成的冷式切變。地面上（圖9a），冷高壓落后于高空冷渦，長江中游位于冷高壓西南側(cè)的氣壓梯度帶上，仍維持偏北氣流控制。由此可以看出，隨著高空冷渦帶動地面冷高壓東移，地面冷空氣勢力是減弱的，而南支槽前、副高壓西側(cè)的西南暖濕氣流是強烈發(fā)展的，長江中游形成中低層西南暖濕氣流在冷空氣墊上爬升的鋒面結(jié)構(gòu)，當西風帶短波槽東移逼近或疊加其上時，鋒生輻合導致深秋暴雨。

分析2011年6月17日20時500 hPa高空場（圖8b），影響中國主要天氣尺度系統(tǒng)為西太平洋副熱帶高壓、東北冷渦、蒙古高壓、孟灣低壓，兩高、兩低構(gòu)成鞍型大尺度環(huán)流背景場，中低層長江流域梅雨鋒帶與鞍型結(jié)構(gòu)場的中間低值區(qū)對應；此外，由青藏高原來的短波槽已東移至川北、陜南，短波槽的作用一是槽前正渦度平流會使低層輻合加強，促進不活躍的梅雨鋒鋒生，二是會引導槽后北風氣流進入，加劇南北氣流的交匯，觸發(fā)對流活動。6月17日20時地面（圖9b），暖低壓自云貴高原向長江中下游凸起如舌狀，其北側(cè)有小股的偏北氣流進入，冷鋒入倒槽為湖北省夏季較典型的強降水啟動模式。

圖8 2014年10月28日20時（a）和2011年6月17日20時（b）500 hPa高度與850 hpa風場疊加

圖9 2014年10月28日20時（a）和2011年6月17日20時（b）海平面氣壓與10 m風場疊加

綜上，湖北省梅雨鋒暴雨、深秋暴雨都存在短波槽與鋒的結(jié)合情況，但夏季能量、水汽更加充沛，梅雨鋒觸發(fā)機制更加多樣，鋒的形成方式也大不相同。

2.3.3 鋒面系統(tǒng)分析 由于假相當位溫（θse）是表征大氣溫度、壓力、濕度的綜合物理量，具有保守性，能很好地鑒別干冷、暖濕空氣團的性質(zhì)，所以在實際工作中，經(jīng)常采用θse等值線密集帶來確定鋒面系統(tǒng)，并利用850 hPa與500 hPa的θse之差表征大氣對流不穩(wěn)定性。

首先，分析深秋極端暴雨過程的鋒面系統(tǒng)。從2014年10月28日20時（圖10a）、29日2時（圖10b）經(jīng)公安站的v-w和θse經(jīng)向剖面可以看到，30°N上空有一個清晰的鋒面系統(tǒng)，坡度較小，鋒面上方為南風氣流，下方為北風氣流，鋒面上下出現(xiàn)次級環(huán)流，上升運動主要存在于鋒面上方，28日20時較強的上升運動和鋒面次級環(huán)流位于公安以南，29日2時隨著短波槽的臨近，鋒面系統(tǒng)進一步伸展，強的上升運動和鋒面次級環(huán)流出現(xiàn)在公安上空；大氣層結(jié)上，公安上空從低層到高層θse均表現(xiàn)由低值到高值的分布，反映大氣一直呈穩(wěn)定狀態(tài)，并不利于對流發(fā)展。

圖10 2014年10月28日20時（a）和29日2時（b）v-w流場和θse徑向剖面

其次，分析夏季暴雨的梅雨鋒系統(tǒng)。從2011年6月18日2時（圖11a）、18日8時（圖11b）經(jīng)潛江站的v-w和θse經(jīng)向剖面可以看出，梅雨鋒暴雨的鋒面系統(tǒng)坡度較大，鋒線更接近觀測站，到短波槽臨近的18日8時，近地層鋒面陡峭接近垂直地面，上升運動表現(xiàn)更強，自地面延伸到對流層頂，也出現(xiàn)了鋒面次級環(huán)流；降水發(fā)生前的18日2時，潛江上空θse呈高-低-高分布，即“三明治”形態(tài)，表明中低層大氣層結(jié)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于對流發(fā)生，到強降水發(fā)生的18日8時，中低層θse差值在變小，700 hPa附近θse增長明顯，大氣向中性層結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，這與強降水的潛熱釋放有關(guān)，大量的潛熱釋放有利于中層上升氣流實現(xiàn)“空中加油”。

圖11 2011年6月18日2時（a）和18日8時（b）v-w流場和θse徑向剖面

3 小結(jié)

本研究利用氣象實況及再分析資料界定了湖北省深秋季節(jié)，詳細分析了湖北省深秋暴雨特征，初步結(jié)論如下。

1）湖北省單站深秋季節(jié)的日平均溫度區(qū)間為10～16 °C，湖北省常年入深秋起始日期為10月27日，結(jié)束日期為11月24日。

2）湖北省深秋暴雨日數(shù)場EOF分解的3種模態(tài)攬括了所有影響較大的深秋暴雨個例，反映出湖北省深秋暴雨主要發(fā)生于除鄂西北以外的大部分地區(qū)，其中江漢平原南部、鄂東北東部及鄂東南為高發(fā)區(qū)。

3）湖北省深秋年暴雨日數(shù)周期變化明顯，高低交替顯著。Morlet小波分析表明，湖北省深秋暴雨存在明顯的2～3年和準6年、12～13年的周期振蕩信號，其中準6年最為突出，12～13年振蕩現(xiàn)象進入20世紀90年代后呈增強趨勢。

4）湖北省深秋暴雨的主要影響系統(tǒng)有西太平洋副高壓、東亞大槽及孟灣南支槽，近地面形成西南暖濕氣流在冷墊上爬升的鋒面形態(tài)，當西風帶短波槽東移接近或疊加于鋒面系統(tǒng)時，會促使鋒生加強。不同于湖北省夏季梅雨鋒暴雨，深秋暴雨的鋒面系統(tǒng)坡度較小，上升運動偏弱，主要發(fā)生于對流層中上部；同時，深秋暴雨過程的大氣層結(jié)呈穩(wěn)定狀態(tài)，并不利于對流的發(fā)生。所以，湖北省深秋暴雨主要表現(xiàn)為長時間的、小時雨強≤20 mm的穩(wěn)定性降水。