漢江流域暴雨天氣學概念模型分析

訾 麗,王 志 良,張 方 偉,王 樂,3

(1.長江水利委員會 水文局,湖北 武漢 430010; 2.漢江水利水電(集團)有限責任公司,湖北 武漢 430010;3.武漢大學 水資源工程與調度全國重點實驗室,湖北 武漢 430072)

0 引 言

漢江是長江中游最大的一級支流,也是長江豐枯變化最大的支流之一[1],其水資源、水能資源和水運資源豐富,具有發電、航運、水利等綜合開發利用的有利條件[2]。漢江上游的丹江口水利樞紐是漢江綜合利用的關鍵性工程,也是南水北調中線、引漢濟渭等跨流域調水工程的供水水源地[3];漢江中下游是漢江及長江中下游防洪的重點。漢江流域暴雨增大了丹江口水庫綜合科學調度的難度,也極易在漢江中下游形成峰高量大的洪水,與河道泄流能力沿程減小的矛盾十分突出[3]。為保障漢江流域防洪和供水安全,需要提升漢江流域強降水預報能力,而暴雨特征及典型暴雨天氣學分析對降水預報具有較好的指導意義[4]。

在暴雨特征分析方面,沈滸英等[5]對長江流域分區面雨量達到中雨及以上量級的降雨發生時間、空間分布特征和發生頻次進行了分析;殷淑燕等[6]研究了不同季風在漢江上游造成暴雨洪水月份的差異;秦琳香[7]對漢江流域“漢中段”分三片區探討了暴雨出現次數及頻率;還有文獻僅概述了漢江暴雨特性或對特定暴雨過程進行了雨量分析[8-11]。暴雨天氣學分析主要集中在以下幾個方面:① 暴雨成因的天氣背景[12]。邱輝等[13]將2020年長江流域主汛期暴雨成因歸為高空環流形勢穩定、中低層西南暖濕氣流異常強盛及極地冷渦活躍、高空冷槽活動頻繁。楊文發等[14]也從天氣背景角度分析了長江上游暴雨天氣成因。② 暴雨過程的天氣形勢及物理量診斷[15]。楊若歐等[16]對成都強降水過程從高低層環流形勢及水汽通量、散度、渦度、穩定指數等方面進行了分析。王旭仙等[17]診斷了漢江流域一次致洪暴雨的物理量。③ 暴雨的天氣系統及天氣學概念模型[18-20]。黨紅梅等[4]構建了漢江流域西南氣流型、低槽型及低渦切變型致災暴雨天氣學概念模型;張艷平等[21]認為丹江口水庫洪水影響系統為臺風與臺風組合的復合系統、各類低渦冷鋒及其復合天氣系統。以上研究針對漢江流域的暴雨特征分析不夠全面,且沒有針對漢江流域不同分區選取典型暴雨過程進行天氣學分析,對不同分區暴雨影響天氣系統未進行概化、形成不同類型天氣學概念模型的研究較少。

本文主要采取統計及天氣系統辨識相結合的方法分析漢江暴雨特征,依據暴雨特性將漢江流域細化分區,研究不同區域暴雨過程的高中低層及地面天氣形勢,建立漢江不同區域的暴雨天氣學概念模型,并展開實踐應用。

1 研究對象和方法

1.1 研究對象

采用1960～2021年漢江流域63個氣象站逐日降水量資料(北京時間08:00至次日08:00),所有雨量數據均通過系統的質量控制和均一性檢驗,長序列資料具有連續性、完整性和代表性。2005年以后的天氣學分析資料為中國國家氣象局下發的500,700,850 hPa及地面天氣填圖資料,2005年以前的天氣學分析資料采用歐洲中期天氣預報中心全球氣候第5代大氣再分析ERA5逐日北半球位勢高度及風場資料,分辨率為0.25°×0.25°。

根據漢江流域水系及水庫特征,將漢江流域劃分為漢江上游(丹江口以上)、漢江中游(丹江口-皇莊)、漢江下游(皇莊以下),其中,由于丹江口水庫的重要作用,漢江上游再細劃分為石泉以上、石泉-白河、白河-丹江口3個小分區,如圖1所示。本文中定義6～8月為夏季,9～11月為秋季。

圖1 漢江流域分區及氣象站點Fig.1 Subareas of Hanjiang River Basin and meteorological stations

1.2 研究方法

對面雨量等級進行劃分,依據GB/T 20486-2017《江河流域面雨量等級》,確定流域面雨量≥60 mm為大暴雨,60 mm>流域面雨量≥30 mm為暴雨,通過對漢江流域63個氣象站進行泰森多邊形法計算得到日面雨量。

典型暴雨過程的天氣學分析是依據天氣學原理辨識各種天氣系統,如:副熱帶高壓(簡稱副高)、高空槽、切變線、低渦、西南急流、冷空氣等,根據500,700 hPa及850 hPa天氣系統的配置及位置來建立天氣學概念模型。

1.2.1典型暴雨過程選取

考慮到漢江流域強降雨過程通常自西向東移動,且結合漢江分區歷史暴雨量統計,發現單次暴雨過程易同時覆蓋漢江整個流域或者漢江上中游地區,而漢江下游強降雨如果由長江中下游干流的強降雨過程所致,容易單獨發生極強暴雨,與漢江上中游相比具有其獨特個性。因此在選取典型暴雨過程時,按照上述暴雨特性,漢江流域暴雨可劃分為漢江流域型、漢江上中游型及漢江下游型。

參考《江河流域面雨量等級》標準,結合漢江分區歷史暴雨實況,對漢江流域不同分區暴雨過程定義如下:

(1) 漢江流域型暴雨過程:漢江流域面雨量≥30 mm,且至少有一個小分區日面雨量≥50 mm。

(2) 漢江上中游型暴雨過程:漢江上中游小分區中至少有兩個分區面雨量≥30 mm,且至少有一個小分區面雨量≥50 mm。

(3) 漢江下游型暴雨過程:至少連續有兩日面雨量≥60 mm,或分區單日面雨量≥80 mm。

1.2.2天氣系統辨識

漢江流域位于秦嶺以南,是中國南北氣候交界的地帶,氣候條件復雜,影響漢江流域的天氣系統主要有來自中高緯的西風帶系統、副熱帶和低緯度天氣系統,此外還受到青藏高原地區天氣系統的影響。本文對相關天氣系統影響漢江流域進行定義,以便辨識漢江流域強降雨過程關鍵影響天氣系統。

500 hPa天氣圖上副高脊線位于15°N以北、西伸脊點位于95°E以東,則判斷副高可能為影響漢江流域強降雨的影響因子。500 hPa天氣圖上102°E～115°E范圍內出現槽線,則判斷高空槽可能為影響漢江流域強降雨的影響因子。700 hPa或850 hPa天氣圖上105°E～115°E、30°N～34°N范圍內出現切變線或低渦,則判斷切變線或低渦可能為影響漢江流域強降雨的影響因子。700 hPa或850 hPa天氣圖上100°E～120°E、25°N～34°N范圍內出現風速≥12 m/s的西南風,平均長度1 000～2 000 km,則判斷低空急流可能為影響漢江流域強降雨的影響因子。地面天氣圖上漢江流域以北出現冷高壓,則判斷冷空氣可能為影響漢江流域強降雨的影響因子。

1.2.3天氣學概念模型構建

基于挑選的不同區域典型暴雨過程,對每場典型暴雨過程對應的環流形勢進行天氣圖繪制,包括500,750 hPa和850 hPa的高、中、低層天氣圖,基于繪制的天氣圖辨識暴雨過程中關鍵影響天氣系統,通過統計不同場次暴雨過程天氣系統出現的頻次、配置組合,建立相應的天氣學概念模型。

2 漢江流域暴雨特征

首先對漢江流域不同分區的暴雨日特征進行分析。表1為1960～2021年漢江流域各分區各月暴雨日數及頻率,從空間分布來看,漢江下游暴雨日數最多為460 d,其次漢江上中游為118 d,漢江流域則為94 d,漢江下游更容易發生暴雨,這是由于漢江下游的氣候和降水特性更接近于長江中下游和江漢平原。

表1 1960～2021年漢江流域各分區月暴雨日數及頻率Tab.1 Monthly number and frequency of rainstorm days in subareas of Hanjiang River Basin during 1960～2021

從時間分布來看,漢江流域及各分區夏季(6～8月)暴雨發生頻率均高于秋季(9～11月)。其中,漢江下游夏季和秋季暴雨發生的頻率相差最大,為43.4%,整個夏秋季暴雨發生頻率為70.0%,除12月外,其余各月均有可能發生暴雨,但漢江上中游及漢江流域暴雨發生時間在4～10月。對于各月,漢江上中游6～9月、漢江下游5～7月暴雨發生頻率相對更高,這與對應多年月平均雨量一致,雨量多的月份更容易發生暴雨。漢江流域6月暴雨發生頻率最高,其次是7月和9月,漢江流域降水量年內分配中7月降水量比6月明顯多,而暴雨日數7月反而小于6月。

從漢江流域各氣象站暴雨日數、最大日雨量及發生日期來看,最大日雨量絕大多數發生在夏季,且強度都為大暴雨量級(≥100 mm)或以上,其中最大的為方城站,日雨量448.2 mm,發生在1975年8月7日,主要是由臺風造成的極端特大暴雨。

圖2為整個漢江流域1960～2021年逐年暴雨日數圖,從圖中可見暴雨日數的年際變化雖然表現出增多的趨勢,但利用t檢驗發現其沒有通過信度檢驗。圖3是1960～2021年期間漢江流域及各分區各月大暴雨日數,漢江上中游及漢江流域均在8月發生過一次大暴雨;漢江下游的大暴雨發生在4～10月各月,共86次。

圖2 漢江流域逐年暴雨日數Fig.2 Days of rainstorm in Hanjiang River Basin

圖3 1960～2021年漢江流域及分區各月大暴雨日數Fig.3 Heavy rain days in each month in subareas of Hanjiang River Basin during 1960～2021

3 天氣學概念模型構建

3.1 典型暴雨過程

從典型暴雨、洪水兩方面考慮致洪暴雨過程的選取,典型暴雨主要依據漢江各分區面雨量排序,典型洪水考慮歷史大洪水及2005年后丹江口入庫流量超20 000 m3/s的明顯洪水。歷史典型大洪水有“83·10”“03·9”及“05·10”漢江大洪水。1983年10月3～6日漢江流域有大暴雨,丹江口水庫10月6日11:00入庫洪峰流量達34 300 m3/s,相當于20 a一遇。2003年8月28日至9月1日,漢江上中游發生大暴雨,形成漢江秋汛,丹江口入庫洪峰流量9月2日05:00達26 500 m3/s;9月5～6日,漢江上游再次普降暴雨,丹江口入庫洪峰流量9月8日05:00達28 000 m3/s。2005年9月30日至10月3日,漢江上游有持續強降雨,安康-白河區間支流旬河向家坪站10月2日00:38的洪峰流量達6 220 m3/s,為建站以來的最大洪水,丹江口入庫洪峰流量10月3日20:00為30 700 m3/s。2005年后丹江口年最大入庫流量超過20 000 m3/s的有:2010年7月25日的34 100 m3/s、2011年9月19日的26 600 m3/s、2021年8月30日的23 400 m3/s。丹江口入庫洪峰流量前對應的強降雨過程則為致洪暴雨過程。依據典型洪水及暴雨選取的致洪暴雨過程見表2。

表2 漢江流域型、上中游型及下游型典型暴雨過程發生時間統計Tab.2 Occurrence time of typical rainstorm processes in the Hanjiang River Basin,upper and middle reaches and lower reaches

3.2 天氣學概念模型構建

對選取的典型暴雨過程分析500,700,850 hPa及地面高中低層天氣形勢,可以辨識出重要影響天氣系統及天氣系統的配置,從而建立典型暴雨天氣學概念模型。

3.2.1漢江流域型典型暴雨

對12次漢江流域型暴雨天氣形勢進行分析,得出導致漢江流域暴雨的重要影響天氣系統是高空槽、切變線、低渦、西南急流及冷空氣。在天氣形勢分析的基礎上,歸納出4類漢江流域型典型暴雨天氣配置:槽前切變低渦型、低空切變急流型、槽及兩高輻合型、高空深槽型,見表3及圖4。

表3 漢江流域型典型暴雨過程天氣系統配置Tab.3 Weather system of typical rainstorm process in Hanjiang River Basin

圖4 漢江流域型典型暴雨天氣概念性模型Fig.4 Synoptic conceptual models of typical rainstorm in Hanjiang River Basin

(1) 槽前切變低渦型。西風帶短波槽發展東移影響漢江,中低層切變低渦位于槽前,切變線在漢江上游生成并南壓,低渦在四川盆地生成并東移至漢江;西南氣流或急流軸線位于兩湖水系并給漢江提供水汽條件,冷空氣從中路南下影響漢江。

(2) 低空切變急流型。高原槽或西風帶短波槽發展東移影響漢江,或者短波槽在發展東移過程中并入中高緯深槽底部影響漢江;700 hPa有切變線從漢江石泉以上不斷南壓至漢江中下游;850 hPa低渦或者切變線位于漢江中下游;長江干流以南至漢江,或者長江中下游干流以南至漢江有強盛的西南氣流,風速達到西南急流的強度,且切變線南側的漢江區域處于急流軸區,為漢江輸送暖濕水汽;冷空氣在中高緯深槽引導下從中路或東路南下影響漢江。

(3) 槽及兩高輻合型。漢江流域處于青藏高原高壓環流與西太平洋高壓環流之間,同時處于高緯高空槽的底部(或西風帶小槽東移并入高緯高空槽底部);漢江處于兩高之間的輻合區,也處于高空槽區。低層切變線大多位于漢江中游,當有西風帶小槽東移并入高緯高空槽底部時,漢江上游產生切變線并逐漸南壓至漢江下游;低層的低渦從漢江上游南部移至漢江中下游。冷空氣根據高緯冷槽位置的不同,可從西路、中路或東路南下影響漢江流域。

(4) 高空深槽型。漢江流域處于高緯深槽的槽前,隨著深槽的東移影響漢江流域,低層700 hPa及850 hPa有切變線,并伴有寬廣強盛的西南暖濕氣流帶源源不斷為漢江輸送水汽,西路或中路冷空氣受深槽引導南下與暖濕氣流交匯。

3.2.2漢江上中游型典型暴雨

采取同樣的方法辨識出導致漢江上中游典型暴雨的重要影響天氣系統是切變線、低渦、西南急流及冷空氣,臺風可阻擋短波槽繼續東移,可促進副高明顯西伸,使低渦、切變線維持在漢江上游附近,漢江上中游型暴雨天氣配置可歸納為2類:低空切變急流型、兩高輻合型,見表4及圖5。

圖5 漢江上中游型典型暴雨天氣概念性模型Fig.5 Synoptic conceptual models of typical rainstorm in the upper and middle reaches of Hanjiang River

(1) 低空切變急流型。高原槽或西風帶短波槽發展東移影響漢江上中游,700 hPa在漢江白河以上有切變線,切變線以南的漢江大部地區、長江干流及以南有大片強盛的西南風或西南急流,該層切變線位置一般維持不變,最南移至丹江口附近;850 hPa低渦或切變線較700 hPa偏南,漢江大部地區、長江中下游干流及以南為西南氣流;冷空氣可從西路、中路或東路南下影響漢江上中游地區。

(2) 兩高輻合型。漢江流域處于華北高壓環流與副高環流之間的輻合區;低層在漢江上中游有橫切變和強切變;副高強大、脊線位置偏北,為水汽輸送至漢江上中游創造了有利條件。

3.2.3漢江下游型典型暴雨

漢江下游典型暴雨的重要影響天氣系統是切變線、西南急流及冷空氣;漢江下游型暴雨天氣配置可分為:槽后切變型、偏南氣流型、槽前切變型,見表5及圖6。

表5 漢江下游型典型暴雨過程天氣系統配置Tab.5 Weather system of typical rainstorm process in the lower reaches of Hanjiang River

圖6 漢江下游型致洪暴雨天氣概念性模型Fig.6 Synoptic conceptual models of typical rainstorm in the lower reaches of Hanjiang River

(1) 槽后切變型。中高緯深槽(東北低渦、貝加爾湖槽等)底部分裂出小槽影響漢江下游,西風帶短波淺槽東移影響漢江;中低層有切變線一直維持在漢江下游,或者漢江下游有切變線,同時漢江上中游有切變線快速南壓至漢江下游;兩湖水系至長江中下游干流為西南急流;冷空氣根據高空深槽的位置可從中路或東路南下影響漢江下游。

(2) 偏南氣流型。西風帶小槽快速東移或消亡,對漢江流域基本無影響,副高逐漸西伸為漢江帶來豐沛水汽,中層為大片的偏南風,低層在漢江下游有切變線維持,切變線南側為強盛的西南風或偏南風,冷空氣從東路南下影響漢江下游。

(3) 槽前切變型。西風帶有深槽或不斷有小槽東移影響漢江流域,副高逐漸東退或先東退再西伸;700 hPa有切變線從漢江上游或中游快速南壓至漢江下游,850 hPa有切變線一直維持在漢江下游;長江中下游干流及兩湖水系有西南氣流或西南急流;冷空氣從中路或東路南下影響漢江下游。

漢江上中游、漢江下游及漢江流域型典型暴雨的天氣概念性模型,主要是高空槽、切變線、低渦、西南急流及冷空氣的配置。500 hPa高空槽前西南氣流帶來正渦度平流促使低層系統發展增強,中低層大氣的風速、風向切變形成強動力輻合抬升[22],西南急流左側強有力的正渦度擾動有利于急流出口左側強降水的產生[23],為位于急流左側的漢江提供源源不斷的不穩定能量和水汽。冷暖空氣交匯,配合中層強烈的動力輻合抬升及秦嶺迎風坡地形抬升,給漢江帶來暴雨。

4 應用實例

繼漢江2021年發生明顯秋汛后,在2022年長江流域汛期極度干旱的情況下,2022年10月2～5日漢江上中游有一次自西向東暴雨強度的強降雨過程,造成漢江流域發生一般秋汛,丹江口水庫在上游石泉水庫攔蓄1.36億m3、安康水庫攔蓄4.79億m3的情況下,平均入庫流量由1 330 m3/s(10月1日)漲至12 000 m3/s(10月5日),10月2～5日漢江上游水庫群蓄量增加22.63億m3,有效緩解漢江上游地區的干旱,也為南水北調提供了一定的水資源量。分析此次暴雨過程的天氣形勢如下:高空高層500 hPa上,西風帶槽發展東移影響漢江上中游,副熱帶高壓由控制長江中下游大部地區逐漸西伸再南壓控制長江干流及以南地區,漢江上中游隨著副熱帶高壓的移動逐漸在其控制范圍之外。中層700 hPa上,10月2日切變線位于漢江石泉以北地區,10月3日移至漢江白河附近,10月4～5日切變線由豎轉橫位于丹江口以上地區,10月6日切變線快速南壓,漢江流域轉為北風控制;10月2～5日漢江白河以南有大片強盛的西南風或西南急流。低層850 hPa上,10月2日風場較凌亂,10月3日08:00白河以上有弱切變形成,10月3日20:00漢江上游北部轉為北風,10月4～5日切變線位于漢江上游南部,漢江上游北部為偏東風。地面圖上,10月3日晚冷空氣從東路南下影響漢江流域。在強冷空氣、西風帶槽、切變線及西南急流的影響下,漢江上中游發生了強降雨過程。從天氣形勢圖(見圖7)上看,該次暴雨過程符合漢江上中游低空切變急流型天氣學概念模型,漢江上中游將發生暴雨強度的強降雨過程。從漢江流域及分區面雨量(見表6)上來看,漢江上中游實況雨量也滿足上面所述典型暴雨過程的標準,10月3日漢江上游3個小分區的面雨量均≥30 mm,且石泉-白河分區面雨量≥50 mm。

表6 2022年10月2～5日漢江上中游型典型暴雨逐日雨量實況Tab.6 Daily rainfall of typical rainstorm in the upper and middle reaches of Hanjiang River from October 2 to 5,2022 mm

圖7 10月3日08:00天氣形勢圖Fig.7 Weather situation at 08:00 on October 3

5 結 論

(1) 漢江下游暴雨及大暴雨日數最多,其次為漢江上中游。漢江上中游、下游及整個流域夏季暴雨發生頻率均高于秋季。漢江上中游及漢江流域暴雨多發生在5～10月,漢江下游暴雨多發生在3～10月。漢江上中游6～9月、漢江下游5～7月暴雨發生頻率相對更高,雨量多的月份更容易發生暴雨,漢江流域6月暴雨發生頻率最高,但7月多年降水量明顯多于6月。

(2) 針對漢江流域型暴雨天氣,建立4類天氣學概念模型,分別是槽前切變低渦型、低空切變急流型、槽及兩高輻合型、高空深槽型。4種類型的天氣配置,基本伴隨著中低層的西南氣流或急流,以及地面冷空氣。切變線及低渦的移動使得雨區覆蓋整個漢江流域,中低層的西南氣流或急流為漢江輸送暖濕水汽,加強大氣潛在的不穩定性,冷空氣南下加劇漢江流域的降雨強度。

(3) 針對漢江上中游型暴雨天氣,建立2類天氣學概念模型,分別是低空切變急流型、兩高輻合型。低空切變急流型是高原槽或西風帶短波槽發展東移影響漢江上中游,中低層漢江上中游有切變線,漢江大部為西南氣流或急流,且伴隨著冷空氣南下影響。兩高輻合型是漢江流域處于華北高壓環流與副高環流之間的輻合區,低層漢江上中游有切變,副高為水汽輸送創造有利條件。

(4) 針對漢江下游型暴雨天氣,建立3類天氣學概念模型,分別是槽后切變型、偏南氣流型、槽前切變型。3種類型的天氣配置中低層的切變線維持在漢江下游,兩湖水系至長江中下游干流為西南氣流或急流,冷空氣從中路或東路南下影響漢江下游。

以上模型歸納僅限所選取暴雨過程,后續可通過更多暴雨個例完善概念模型。同時,提煉暴雨過程中具有指示意義的物理量指標、多種探空指標、暴雨云圖及雷達回波中尺度特征,更利于預報員參考應用。