1969—2020年夏季山東極端暴雨事件的時(shí)空特征及其影響環(huán)流分型?

曹 倩,黃 菲,3??,歐陽婧怡,曲穎慧

(1. 中國海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院,山東 青島 266100; 2. 中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 深海多圈層與地球系統(tǒng)前沿科學(xué)中心,山東 青島 266100; 3. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266237; 4. 象山縣氣象局,浙江 寧波 315712)

政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第六次評(píng)估報(bào)告指出,近百年來全球地表平均氣溫已經(jīng)上升約1.0 ℃,而全球變暖將導(dǎo)致地表蒸發(fā)增強(qiáng)以及大氣保持水分的能力增強(qiáng),全球水循環(huán)加劇,極端天氣事件頻發(fā)[1-4]。

山東位于北半球中緯度地區(qū),同時(shí)受中低緯的熱帶、副熱帶系統(tǒng)以及中高緯的西風(fēng)系統(tǒng)等影響,地理位置特殊,季風(fēng)氣候顯著[5-8]。山東全年降水量主要集中在夏季,6、7、8三個(gè)月降水量占全年總降水量的60%以上[9]。山東作為中國第一農(nóng)業(yè)大省,對(duì)極端降水較為敏感。據(jù)統(tǒng)計(jì),在山東省自然災(zāi)害造成的損失中,排在前5位的依次是:洪澇、臺(tái)風(fēng)、干旱、風(fēng)雹、低溫冷凍和雪災(zāi),其中洪澇災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約占41.1%[10]。而極端暴雨事件(Extreme rainstorm events,EREs)這樣的強(qiáng)降水過程極容易導(dǎo)致洪水災(zāi)害[11],因此,全面認(rèn)識(shí)山東EREs的時(shí)空分布特征及其物理機(jī)制,并在此基礎(chǔ)上尋找可能的預(yù)報(bào)因子,具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)于山東夏季極端暴雨的影響系統(tǒng)分型,前人進(jìn)行了一系列的工作。曹鋼鋒等[12]在1988年提出暴雨的分類標(biāo)準(zhǔn)并將20世紀(jì)80年代以前的山東省夏季暴雨天氣過程分為氣旋、臺(tái)風(fēng)、低槽冷鋒和切變線4類;閻麗鳳和楊成芳等[10]將2000—2009年山東暴雨影響系統(tǒng)分為:低槽冷鋒、溫帶氣旋、低渦切變線以及臺(tái)風(fēng)及中緯度相互作用4類;侯淑梅等[13]將2000—2009年39個(gè)山東極端強(qiáng)降水事件進(jìn)行分型,得到高空槽類、副高外圍類、切變線類、氣旋類以及熱帶氣旋類5類極端強(qiáng)降水概念模型;鄭麗娜和孫興池[14]將2001年1月—2015年8月32例氣旋類暴雨過程分為黃河氣旋型、黃淮氣旋型以及江淮氣旋型,并通過分析暴雨的動(dòng)力機(jī)制、水汽特征,建立了相應(yīng)的概念模型。前人針對(duì)山東夏季極端強(qiáng)降水的分型研究中,多是根據(jù)某一閾值挑選一定量的事件,進(jìn)行主觀環(huán)流分類,且依據(jù)的數(shù)據(jù)年份較短。但是,影響山東EREs的天氣系統(tǒng)多樣,如何對(duì)影響山東夏季極端暴雨的大氣環(huán)流系統(tǒng)進(jìn)行客觀定量的分型研究,對(duì)深入理解山東極端暴雨的發(fā)生機(jī)制和防災(zāi)減災(zāi)都有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。本文將對(duì)1969—2020年50多年的山東夏季EREs發(fā)生的環(huán)流特征進(jìn)行系統(tǒng)的研究,并在此基礎(chǔ)上對(duì)產(chǎn)生極端暴雨的天氣環(huán)流進(jìn)行客觀分型,為進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)極端暴雨的預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文的降水?dāng)?shù)據(jù)來自于山東125個(gè)氣象站,由于各個(gè)氣象站記錄的起始時(shí)間不一致,且氣象臺(tái)站有遷移、撤銷等情況,綜合考慮降水時(shí)間序列長度和臺(tái)站觀測密度,最終選取了84個(gè)氣象臺(tái)站(見圖1)的逐日降水資料,時(shí)間跨度為1969—2020年,共計(jì)52 a。大尺度環(huán)流場的數(shù)據(jù)來自于美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心和國家大氣研究中心(National Centers for Environmental Prediction and National Center for Atmospheric Research,NCEP/NCAR)的日平均再分析資料,包括位勢高度、風(fēng)場、溫度、海平面氣壓場以及垂直速度場,水平分辨率為2.5°×2.5°;山東的夏季降水部分來源于熱帶氣旋的影響,熱帶氣旋數(shù)據(jù)來自于中國氣象局熱帶氣旋資料中心的CMA最佳路徑數(shù)據(jù)集[15-16],包含1949年以來西北太平洋海域每6 h熱帶氣旋的位置和強(qiáng)度。

圖1 本文選取的山東84個(gè)氣象站空間分布圖Fig.1 The spatial distribution of 84 stations in Shandong Province

1.2 研究方法

首先,本文依據(jù)國際上通用的極端事件的定義,使用百分位相對(duì)閾值法計(jì)算了山東地區(qū)夏季極端暴雨的閾值[17]。針對(duì)日降水量大于或等于0.1 mm的臺(tái)站降水,取概率譜密度第95個(gè)百分位的降水量值作為山東地區(qū)夏季極端暴雨的閾值,得到閾值為55.4 mm。若山東當(dāng)天存在站點(diǎn)降水量達(dá)到或超過該閾值,則將該天視作一個(gè)EREs,最終獲得1 351個(gè)EREs。對(duì)于山東而言,全國通用的50 mm/24 h的暴雨標(biāo)準(zhǔn)其實(shí)表征了接近95%閾值的極端強(qiáng)降水事件,也就是說山東的暴雨事件幾乎可以認(rèn)為是極端強(qiáng)降水事件?？紤]到“極端降水事件”一詞可以包含極端降水偏多和極端降水偏少兩種極端情況,為了避免歧義并且該閾值超過了暴雨的標(biāo)準(zhǔn),我們將事件命名為“極端暴雨事件”。其次,對(duì)山東EREs的850 hPa位勢高度距平場進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分解(Empirical orthogonal function,EOF),得到影響山東夏季EREs的環(huán)流分型。最后,使用回歸分析以及合成分析研究了影響山東夏季EREs的大氣環(huán)流特征。

為確定EREs的垂直運(yùn)動(dòng)的主要貢獻(xiàn)項(xiàng),本文使用準(zhǔn)地轉(zhuǎn)ω方程對(duì)垂直運(yùn)動(dòng)進(jìn)行診斷分析,方程如下所示:

(1)

1.3 研究區(qū)域

本文的研究區(qū)域?yàn)樯綎|地區(qū),經(jīng)度范圍112.5°E—125°E,緯度范圍32.5°N—40°N。山東省位于中國東部,東臨黃海,北隔渤海,屬于典型溫帶大陸性氣候,同時(shí)地處南北氣候的過渡區(qū),位于華北平原和江淮平原之間。山東地形以平原、丘陵為主,根據(jù)其地勢分布可將山東分為魯中、魯西北、魯西南以及膠東半島。

2 山東省夏季EREs的時(shí)空分布特征

圖2是EREs降水量占總降水量比值的空間分布圖。整體來看,山東夏季極端暴雨降水量占總降水量的比值在25%～40%之間,呈現(xiàn)出南多北少的不均衡空間分布特征(見圖2(a)),占比較低的區(qū)域主要集中在魯中和魯西北地區(qū)。6月極端暴雨降水量占比在10%～40%之間,呈現(xiàn)出東南沿海向內(nèi)陸減少的特征(見圖2(b))。7月極端暴雨降水量占比較6月有所增多,在20%～50%之間,魯中地區(qū)的極端暴雨降水量占比較少(見圖2(c))。8月極端暴雨降水量占比總體大于6和7月(見圖2(d)),只有魯中部分站點(diǎn)極端暴雨降水量占比在20%～30%之間,魯東南個(gè)別站點(diǎn)極端暴雨降水量占比高達(dá)53.47%,8月是熱帶氣旋北上影響山東的高發(fā)時(shí)間[18],熱帶氣旋為極端暴雨提供了充足的水汽供應(yīng)。

圖2 1969—2020年山東夏季(a)、6月(b)、7月(c)和8月(d)極端暴雨降水量與總降水量比值(填色,單位:%)的空間分布Fig.2 Spatial distribution of ratios of extreme rainstorm precipitation to total precipitation (shaded,Unit: %) in Summer (a),June (b),July (c) and August (d) in Shandong Province from 1969 to 2020

與極端暴雨占比的空間分布相似,山東夏季極端暴雨發(fā)生頻次同樣呈現(xiàn)由東南向西北減少的特征(見圖3)。從各月來看,山東夏季極端暴雨主要集中在7、8月,6月極端暴雨發(fā)生頻次明顯少于7和8月,這與中國夏季雨帶南北移動(dòng)的時(shí)間相關(guān),在7月中旬之后,西太平洋副熱帶高壓(西太副高)第二次北跳,中國北方進(jìn)入雨季。

圖3 1969—2020年山東夏季(a)、6月(b)、7月(c)和8月(d)極端暴雨發(fā)生日數(shù)(填色,單位:日)的空間分布Fig.3 Spatial distribution of number of days of extreme rainstorm (shaded,Unit: d) in Summer (a),June (b),July (c) and August (d) in Shandong Province from 1969 to 2020

計(jì)算山東夏季區(qū)域平均極端暴雨降水量以及極端暴雨降水日數(shù)距平值,得到極端暴雨降水量以及極端暴雨降水日數(shù)的年際變化曲線(見圖4)。夏季區(qū)域平均極端暴雨降水量與極端暴雨日數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.98,通過了99%的顯著性檢驗(yàn)(見表1),表明山東極端暴雨的發(fā)生日數(shù)與極端暴雨降水量的年際變化是一致的。從各月來看,8月極端暴雨降水量及發(fā)生日數(shù)與其夏季的相關(guān)系數(shù)分別為0.81和0.68,均高于6和7月,這表明8月EREs的年際變化與夏季的變化最為一致,說明山東夏季EREs的變化主要由8月的年際變化主導(dǎo)。另外,除了極端暴雨降水量在8月(見圖4(g))有較為顯著的增加趨勢(趨勢顯著性水平為80%)外,山東夏季極端暴雨降水量與日數(shù)均沒有顯著的線性趨勢變化,而是以年際年代際振蕩為主。

表1 山東區(qū)域平均極端暴雨降水量(行)以及極端暴雨日數(shù)(列)的相關(guān)系數(shù)表Table 1 Correlation between precipitation(row) and frequency(column) of extreme rainstorm in Summer in Shandong Province

(左列為極端暴雨降水量,右列為極端暴雨發(fā)生日數(shù);圖中紅色實(shí)線為線性趨勢線,*表示通過80%顯著性檢驗(yàn)。Extreme rainstorm precipitation is listed on the left. Number of days of extreme rainstorm are listed on the right. The solid red line is a linear trend line. * indicates that it passes the 80% significance test.)圖4 1969—2020年夏季(a,b)、6月(c,d)、7月(e,f)和8月(g,h)山東省極端暴雨降水量(單位:mm)和極端暴雨發(fā)生日數(shù)(單位:站次)區(qū)域平均的距平時(shí)間序列Fig.4 Time series of regional mean extreme rainstorm precipitation (unit: mm) and number of days of extreme rainstorm in summer (a,b),June (c,d),July (e,f) and August (g,h) in Shandong Province from 1969 to 2020

3 影響山東夏季EREs的環(huán)流分型

充沛的水汽供應(yīng)、強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)以及較為持久的作用時(shí)間是暴雨產(chǎn)生的必要條件,而這些均與大氣環(huán)流密切相關(guān)[19]。對(duì)山東省1969—2020年夏季EREs發(fā)生時(shí)的850 hPa位勢高度距平場進(jìn)行EOF分解,尋找方差貢獻(xiàn)最大的幾個(gè)主模態(tài)對(duì)影響山東夏季EREs的大氣環(huán)流進(jìn)行分型。結(jié)果表明,前3個(gè)模態(tài)的方差貢獻(xiàn)率分別為76.41%、11.37%、7.53%,累積方差貢獻(xiàn)超過了95%,且這3個(gè)模態(tài)均通過了North檢驗(yàn)[20],表明是3個(gè)獨(dú)立的模態(tài)。前3個(gè)模態(tài)的時(shí)間序列與850 hPa風(fēng)場以及位勢高度場如圖5所示,第一模態(tài)的正位相顯示山東上空存在反氣旋環(huán)流異常,歐亞地區(qū)中緯度位勢高度正距平(見圖5(a));第二模態(tài)的正位相山東上空西北部存在異常的反氣旋環(huán)流,東南部存在異常的氣旋式環(huán)流,歐亞大陸中緯度位勢高度距平呈現(xiàn)西北正-東南負(fù)的分布型(見圖5(c));第三模態(tài)的正位相山東上空東北部存在異常的氣旋式環(huán)流,西南部存在異常的反氣旋環(huán)流,歐亞大陸中緯度位勢高度距平場呈現(xiàn)東北負(fù)-西南正的分布型(見圖5e)。上述3個(gè)模態(tài)負(fù)位相的環(huán)流型分布則對(duì)應(yīng)著時(shí)間序列負(fù)值所發(fā)生的時(shí)間。

((a)、(b)為第一模態(tài),(c)、(d)為第二模態(tài),(e)、(f)為第三模態(tài);右列的前3個(gè)模態(tài)的時(shí)間序列中深紅色、深藍(lán)色表示絕對(duì)值大于1.0倍標(biāo)準(zhǔn)差的樣本,淺紅色、淺藍(lán)色表示小于1.0倍標(biāo)準(zhǔn)差的樣本。(a) and (b) are the first mode,(c) and (d) are the second mode and (e) and (f) are the third mode. In the time series of the first three modes in the right column,dark red and dark blue represent samples with absolute value greater than 1.0 times standard deviation,while light red and light blue represent samples with absolute value less than 1.0 times standard deviation.)圖5 1969—2020年山東省夏季EREs發(fā)生時(shí)的850 hPa位勢高度距平場EOF分解的前3個(gè)模態(tài)的時(shí)間序列分別回歸到850 hPa風(fēng)場(箭頭,單位:m/s)和位勢高度場(填色,單位:gpm)上的回歸場及前3個(gè)模態(tài)的時(shí)間序列日期-年的分布圖Fig.5 The EOF time series of the first three modes of the 850 hPa geopotential-height anomaly field during the summer EREs in Shandong Province from 1969 to 2020 regressed to the 850 hPa wind field (arrow,Unit: m/s),geopotential-height field (shaded,Unit: gpm) and the date-year distribution of the time series of the top three modes

根據(jù)EOF前3個(gè)模態(tài)的空間環(huán)流型分布可以發(fā)現(xiàn),影響山東極端暴雨的異常環(huán)流均表現(xiàn)為異常的氣旋式環(huán)流,只是異常氣旋相對(duì)于山東的位置在不同的模態(tài)中有所不同,第一模態(tài)的正位相較為例外,主要呈現(xiàn)出包含山東在內(nèi)的大尺度反氣旋式環(huán)流異常,這種作為單獨(dú)的1種類型,其他5種空間分布型均表現(xiàn)為相對(duì)于山東在其偏北或偏南位置出現(xiàn)了氣旋式異常環(huán)流,本文將山東北側(cè)出現(xiàn)的異常氣旋歸為北方氣旋型,主要出現(xiàn)在第一和第二模態(tài)負(fù)位相、第三模態(tài)正位相,山東南側(cè)出現(xiàn)的異常氣旋環(huán)流稱為南方氣旋型,主要出現(xiàn)在第二模態(tài)正位相和第三模態(tài)負(fù)位相。為了挑選每個(gè)模態(tài)典型的異常環(huán)流事件,本文只挑選了EOF分解的前3個(gè)模態(tài)的主成分(時(shí)間序列)大于(小于)1.0(-1.0)倍標(biāo)準(zhǔn)差的EREs加以分析。圖5(b)、5(d)、5(f)中深紅色和深藍(lán)色分別表示各個(gè)模態(tài)正負(fù)位相中被選中的EREs的時(shí)間分布。由圖5可知,山東夏季EREs主要分布在7、8月,與前文得到的結(jié)論一致。

歐陽婧怡等[18]的研究表明,山東易受北上的熱帶氣旋影響,因此上述各模態(tài)不同位相所挑選出來的北方氣旋型和南方氣旋型的EREs都不可避免有熱帶氣旋的影響。因此,我們?cè)谔暨x出來的所有個(gè)例中根據(jù)熱帶氣旋路徑數(shù)據(jù),將距離山東500 km以內(nèi)出現(xiàn)熱帶氣旋的異常環(huán)流視為熱帶氣旋型。這樣,影響山東夏季EREs的環(huán)流系統(tǒng)主要分為4種類型,分別為3種異常氣旋型(包括北方氣旋型、南方氣旋型以及熱帶氣旋型)和1種異常反氣旋型。令人費(fèi)解的是通常受異常反氣旋控制的地區(qū)不利于暴雨的產(chǎn)生,但第一模態(tài)正位相的空間分布恰恰表現(xiàn)出這樣的環(huán)流特征,我們?cè)诤笪闹械姆治霭l(fā)現(xiàn)這些EREs暴雨的產(chǎn)生與高空急流的配置有關(guān),因此我們將這一類環(huán)流型命名為高空急流型(見表2)。從表2的統(tǒng)計(jì)分型結(jié)果看,近三分之二的山東夏季EREs由上述4種環(huán)流異常所引起,其中北方氣旋型的異常環(huán)流貢獻(xiàn)最大(占比33.1%),其次是高空急流型,占比約11.3%;南方氣旋型和熱帶氣旋型的環(huán)流型影響相當(dāng),出現(xiàn)的概率分別為9.7%和9.4%。由于熱帶氣旋對(duì)山東降水的影響與熱帶氣旋的位置、路徑、強(qiáng)度以及臺(tái)風(fēng)倒槽和遠(yuǎn)程降水的影響有關(guān),無法進(jìn)行簡單的環(huán)流合成進(jìn)行分型分析,因此下文中主要針對(duì)影響山東EREs的前三類(北方氣旋型,高空急流型,南方氣旋型)環(huán)流特征進(jìn)行合成分析。

表2 影響山東夏季EREs的主要的環(huán)流系統(tǒng)Table 2 The main circulation system affecting summer EREs in Shandong province

3.1 高空急流型

高空急流型EREs一共出現(xiàn)了152個(gè)事件,占EREs總數(shù)的11.3%。這一類EREs最為特殊。將高空急流型EREs的500 hPa位勢高度場進(jìn)行合成(見圖6)可以發(fā)現(xiàn),北半球上空整體為位勢高度正距平,西太副高增強(qiáng),588線較夏季平均氣候態(tài)位置明顯西伸北抬,山東地區(qū)位于西太副高的西北側(cè)。將該類EREs的水汽通量異常以及散度異常進(jìn)行合成(見圖7),從水汽通量散度異常來看,山東地區(qū)雖然沒有水汽輻合,但是從水汽通量異常來看,受西太副高西伸北抬的影響,副高西側(cè)東南氣流增強(qiáng),仍有水汽向山東地區(qū)輸送,為高空急流型EREs提供水汽條件。

(黑色打點(diǎn)區(qū)域?yàn)橥ㄟ^95%顯著性檢驗(yàn)區(qū)域,藍(lán)色實(shí)線和紅色實(shí)線分別代表事件和氣候平均態(tài)的5 880 gpm的位置,黃色方框表示研究區(qū)域。The black dotted area is the area that passed the 95% significance test. The blue and red solid line denotes 5 880 gpm contour of EREs and climatological mean,respectively. The yellow box indicates the study area.)圖6 高空急流型EREs 的500 hPa位勢高度距平合成場(填色,單位:gpm)及500 hPa位勢高度氣候平均態(tài)(等值線,單位:gpm)Fig.6 500 hPa geopotential height anomaly composite field (shading,Unit: gpm) and 500 hPa geopotential height climatic average state (contour,Unit: gpm) for EREs of the upper-level jet

(箭頭為通過99%顯著性檢驗(yàn)的風(fēng)矢量,紅色打點(diǎn)區(qū)域?yàn)橥ㄟ^99%顯著性檢驗(yàn)區(qū)域,紅色方框表示研究區(qū)域。Arrows are wind vectors that pass the 99% significance test. The red dotted area is the area that passed the 99% significance test. The red box indicates the study area.)圖7 高空急流型EREs的850 hPa水汽通量異常(箭頭,單位:g·cm-1·s-1·hPa-1)和散度異常(填色,單位:10-6g·cm-2·hPa-1·s-1)的合成Fig.7 Synthesis of 850 hPa vapor flux anomalies (arrow,Unit:g·cm-1·s-1·hPa-1) and divergence anomalies (shading,Unit: 10-6g·cm-2·hPa-1·s-1) of EREs of the upper-level jet

暴雨的產(chǎn)生不僅需要穩(wěn)定的環(huán)流和有利的水汽條件,更重要的是需要有利于產(chǎn)生強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)的環(huán)流條件。進(jìn)一步分析高空急流型EREs的動(dòng)力條件,將高空急流型EREs的200 hPa緯向風(fēng)進(jìn)行合成。結(jié)果表明,當(dāng)高空急流型EREs發(fā)生時(shí),山東位于東亞高空急流入口區(qū)的右側(cè)(見圖8(a)),此處有強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)(見圖8(b))。為了進(jìn)一步確定這類EREs的垂直運(yùn)動(dòng)的主要貢獻(xiàn)項(xiàng),使用準(zhǔn)地轉(zhuǎn)ω方程對(duì)其進(jìn)行診斷分析,圖8(c)是準(zhǔn)地轉(zhuǎn)ω方程中溫度平流項(xiàng)和渦度平流隨高度的變化項(xiàng)在山東地區(qū)的區(qū)域平均值。由圖可知,渦度平流隨高度變化項(xiàng)是該類EREs的垂直運(yùn)動(dòng)的主要貢獻(xiàn)項(xiàng),它主要與高空急流的配置有關(guān)。

(圖(a)中黃色方框表示研究區(qū)域,黑色打點(diǎn)區(qū)域?yàn)橥ㄟ^95%顯著性檢驗(yàn)區(qū)域。圖(b)中灰色豎線分別為32.5°N、40°N。In (a) the yellow box indicates the study area; Black dotted area is the area that passes the 95% significance test. In (b) the grey vertical lines are 32.5°N and 40°N respectively.)圖8 高空急流型EREs(a)200 hPa緯向風(fēng)距平合成場(填色,單位:m·s-1)和200 hPa 緯向風(fēng)合成場(等值線,單位:m·s-1);(b)垂直速度(等值線,單位:10-2Pa·s-1)與垂直速度距平(填色,單位:10-2Pa·s-1)沿112.5°E—125°E緯向平均值的氣壓-經(jīng)度剖面圖;(c)渦度平流隨高度變化項(xiàng)A與溫度平流的拉普拉斯項(xiàng)B在山東地區(qū)的區(qū)域平均值(量級(jí):10-19)Fig.8 EREs of the upper-level jet (a)200 hPa zonal wind anomaly composite field (shading,Unit:m·s-1) and 200 hPa zonal wind composite field (contour,Unit:m·s-1),(b) barometric-meridional profile of vertical velocity (contour,Unit: 10-2Pa·s-1) and vertical velocity anomalies(shading,Unit: 10-2Pa·s-1) along the zonal mean of 112.5°E—125°E,(c) regional mean of the vorticity advection varying with height term A and the laplace of temperature advection term B in Shandong Region (magnitude: 10-19) of EREs of the upper-level jet

3.2 北方氣旋型

1969—2020年,北方氣旋型EREs一共有447個(gè),占EREs總數(shù)的33.1%,北方氣旋是造成山東省夏季極端暴雨的主要環(huán)流系統(tǒng)之一。從對(duì)流層中層500 hPa位勢高度距平場及夏季位勢高度氣候態(tài)(見圖9(a))以及500 hPa位勢高度場、溫度距平場(見圖9(b))中可以看出,此時(shí)北半球中緯度存在明顯的長波槽脊活動(dòng),山東位于高空槽的槽前脊后溫度暖平流異常區(qū)域,有利于地面氣旋的發(fā)展及上升運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生。西太副高588線較氣候平均態(tài)偏西偏北,有利于副高西北側(cè)山東地區(qū)的水汽輸送。從夏季氣候平均海平面氣壓場及海平面氣壓距平場(見圖9(c))可以看出,山東地區(qū)明顯處于地面低壓系統(tǒng)中,結(jié)合高空槽的高低空配置特征,為典型的發(fā)展型北方氣旋環(huán)流特征。對(duì)流層高層的環(huán)流特征也會(huì)對(duì)極端暴雨造成影響,特別是東亞高空急流的位置與強(qiáng)度的變化對(duì)中國中緯度降水有著重要的意義。為了分析高空急流對(duì)該類降水的影響,將200 hPa緯向風(fēng)及其距平場進(jìn)行合成(見圖10(b))。此時(shí)山東以北地區(qū)緯向風(fēng)正距平,西風(fēng)增強(qiáng),以南地區(qū)緯向風(fēng)負(fù)距平,西風(fēng)減弱。山東位于東亞高空急流南側(cè)、低空急流的左側(cè)(見圖10(a)),這樣低空輻合高空輻散的配置有利于產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng),為極端暴雨的發(fā)生提供動(dòng)力條件。從垂直速度及其距平場(見圖9(d))可以看出,山東上空及其以北均有明顯的上升運(yùn)動(dòng),有利于極端暴雨的發(fā)生。

(灰色豎線分別為32.5°N、40°N,藍(lán)色實(shí)線和紅色實(shí)線分別代表事件和氣候平均態(tài)的5 880 gpm的位置,黑色打點(diǎn)區(qū)域?yàn)橥ㄟ^95%的顯著性檢驗(yàn)區(qū)域,黃色方框表示研究區(qū)域。The grey vertical lines are 32.5°N and 40°N respectively. The solid blue and red lines represent the positions of the event and climate averages at 5 880 gpm,respectively. The black dotted area is the area that passed the 95% significance test. The yellow box indicates the study area.)圖9 北方氣旋型EREs(a)500 hPa位勢高度距平合成場(填色,單位:gpm)以及500 hPa位勢高度氣候平均態(tài)(等值線,單位:gpm)、(b)500 hPa氣溫距平合成場(填色,單位:℃)以及500 hPa位勢高度合成場(等值線,單位:gpm)、(c)海平面氣壓距平合成場(填色,單位:hPa)以及海平面氣壓氣候平均態(tài)(等值線,單位:hPa)和(d)垂直速度(等值線,單位:10-2Pa·s-1)與垂直速度距平(填色,單位:10-2Pa·s-1)沿112.5°E—125°E緯向平均值的氣壓-經(jīng)向剖面圖Fig.9 The northern cyclones EREs (a) 500 hPa geopotential height anomaly composite field (shading,Unit: gpm) and 500 hPa geopotential height climatic average state (contour,Unit: gpm),(b) 500 hPa temperature anomaly composite field (shading,Unit: ℃) and 500 hPa potential height composite field (contour,Unit: gpm),(c) combined field of sea level pressure anomaly (shading,Unit: hPa) and mean state of sea level pressure and climate (contour,Unit: hPa) and (d) barometric-meridional profile of vertical velocity (contour,Unit: 10-2Pa·s-1) and vertical velocity anomalies(shading,Unit: 10-2Pa·s-1) along the zonal mean of 112.5°E—125°E.

(黑色打點(diǎn)區(qū)域?yàn)橥ㄟ^95%的顯著性檢驗(yàn)區(qū)域,黃色方框表示研究區(qū)域。The black dotted area is the area that passed the 95% significance test. The yellow box indicates the study area.)圖10 北方氣旋型EREs的(a)850 hPa風(fēng)速距平場(填色,單位:m·s-1)以及風(fēng)場(箭頭,單位:m·s-1)、(b)200 hPa緯向風(fēng)距平場(填色,單位:m·s-1)以及緯向風(fēng)速(等值線,單位:m·s-1)Fig.10 (a) 850 hPa wind speed anomaly field (shading,Unit: m·s-1) and wind field (vector,Unit: m·s-1) and (b) 200 hPa zonal wind anomaly field (shading,Unit: m·s-1)and zonal wind speed (contour,Unit: m·s-1)of EREs of the northern cyclone

從850 hPa水汽通量異常及其散度異常來看,受北方氣旋和西伸的西太副高的影響,北方氣旋西側(cè)的偏北氣流與西太副高西側(cè)的西南暖濕氣流交匯,并且在山東地區(qū)輻合,為山東極端暴雨提供有利的水汽條件(見圖11)。

(箭頭為通過99%顯著性檢驗(yàn)的風(fēng)矢量,紅色打點(diǎn)區(qū)域?yàn)橥ㄟ^99%的顯著性檢驗(yàn)區(qū)域的合成,紅色方框表示研究區(qū)域。Arrows are wind vectors that pass the 99% significance test. The red dotted area is the area that passed the 99% significance test. The red box indicates the study area.)圖11 北方氣旋型EREs的850 hPa水汽通量異常(箭頭,單位:g·cm-1·s-1·hPa-1)和散度異常(填色,單位:10-6g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.11 Synthesis of 850 hPa vapor flux anomalies(arrow,Unit: g·cm-1·s-1·hPa-1)and divergence anomalies (shading,Unit: 10-6g·cm-2·hPa-1·s-1) of EREs of the northern cyclone

3.3 南方氣旋型

南方氣旋型EREs數(shù)為131個(gè),約為北方氣旋的三分之一。南方氣旋型EREs與北方氣旋型EREs環(huán)流形勢相似(見圖12(a)),東亞中緯度對(duì)流層中層500 hPa位勢高度距平場呈現(xiàn)“北正南負(fù)”的偶極型阻塞異常環(huán)流分布,588線較氣候平均態(tài)位置略偏東,與阻塞環(huán)流形成穩(wěn)定的環(huán)流形勢。山東上空存在淺槽(見圖12(b)),槽前為暖平流區(qū),有利于產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng)。從海平面氣壓距平場來看(見圖12(c)),山東南部存在低壓系統(tǒng)。從垂直速度及其距平場可以看出(見圖12(d)),山東上空及其以南的區(qū)域呈現(xiàn)明顯的上升運(yùn)動(dòng),為極端暴雨的發(fā)生提供良好的動(dòng)力條件。

(灰色豎線分別為32.5°N、40°N。藍(lán)色實(shí)線和紅色實(shí)線分別代表事件和氣候平均態(tài)的5 880 gpm的位置,黑色打點(diǎn)區(qū)域?yàn)橥ㄟ^95%的顯著性檢驗(yàn)區(qū)域,黃色方框表示研究區(qū)域。The grey vertical lines are 32.5°N and 40°N respectively. The solid blue and red lines represent the positions of the event and climate averages at 5 880 gpm,respectively. The black dotted area is the area that passed the 95% significance test. The yellow box indicates the study area.)圖12 南方氣旋型EREs(a)500 hPa位勢高度距平合成場(填色,單位:gpm)以及500 hPa位勢高度氣候平均態(tài)(等值線,單位:gpm)、(b)500 hPa氣溫距平合成場(填色,單位:℃)以及500 hPa位勢高度合成場(等值線,單位:gpm)、(c)海平面氣壓距平合成場(填色,單位:hPa)以及海平面氣壓氣候平均態(tài)(等值線,單位:hPa)和(d)垂直速度(等值線,單位:10-2Pa·s-1)與垂直速度距平(填色,單位:10-2Pa·s-1)沿112.5°E—125°E緯向平均值的氣壓-經(jīng)向剖面圖Fig.12 EREs of southern cyclonic (a) 500 hPa geopotential height anomaly composite field (shading,Unit: gpm) and 500 hPa geopotential height climatic average state (contour,Unit: gpm),(b) 500 hPa temperature anomaly composite field (shading,Unit: ℃) and 500 hPa potential height composite field (contour,Unit: gpm),(c) combined field of sea level pressure anomaly (shading,Unit: hPa) and mean state of sea level pressure and climate (contour,Unit: hPa) and (d) barometric-meridional profile of vertical velocity (contour,Unit: 10-2Pa·s-1) and vertical velocity anomalies(shading,Unit: 10-2Pa·s-1) along the zonal mean of 112.5°E—125°E

圖13是850 hPa水汽通量異常及其散度異常的合成。從圖中可以看出,山東地區(qū)東北側(cè)為反氣旋性異常環(huán)流,西南側(cè)為氣旋性異常環(huán)流,受異常東風(fēng)的影響,來自西太平洋的水汽輸送增強(qiáng),為山東地區(qū)極端暴雨提供有利的水汽條件。

(箭頭為通過99%顯著性檢驗(yàn)的風(fēng)矢量,紅色打點(diǎn)區(qū)域?yàn)橥ㄟ^99%顯著性檢驗(yàn)區(qū)域,紅色方框表示研究區(qū)域。Arrows are wind vectors that pass the 99% significance test. The red dotted area is the area that passed the 99% significance test. The red box indicates the study area.)圖13 南方氣旋型EREs的850 hPa水汽通量異常(箭頭,單位:g·cm-1·s-1·hPa-1)和散度異常(填色,單位:10-6g·cm-2·hPa-1·s-1)的合成Fig.13 Synthesis of 850 hPa vapor flux anomalies (arrow,Unit: g·cm-1·s-1·hPa-1) and divergence anomalies (shading,Unit:10-6g·cm-2·hPa-1·s-1) of EREs of the southern cyclone

4 結(jié)論與討論

本文利用山東84個(gè)氣象站的日降水?dāng)?shù)據(jù)、NCEP/NCAR的逐日再分析數(shù)據(jù)集以及中國氣象局熱帶氣旋資料中心的CMA最佳路徑數(shù)據(jù)集,對(duì)山東夏季極端暴雨事件發(fā)生頻次的時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析,并對(duì)影響山東夏季EREs的環(huán)流進(jìn)行了分型,揭示了每種環(huán)流型有利于山東暴雨發(fā)生的物理機(jī)制。

山東夏季極端暴雨發(fā)生日數(shù)的空間分布呈由南向北減少的特征。夏季極端暴雨降水量占比在25%～40%之間,也呈現(xiàn)出南多北少的空間分布特征,其中8月極端暴雨降水量占當(dāng)月的總降水量的比值最大。山東夏季極端暴雨降水量以及極端暴雨發(fā)生日數(shù)呈顯著的年際年代際振蕩,無顯著的線性趨勢,只有在8月呈現(xiàn)較為顯著的增加趨勢(趨勢顯著性水平為80%)。

影響山東夏季EREs的環(huán)流系統(tǒng)主要有高空急流型、北方氣旋型、南方氣旋型以及熱帶氣旋型。高空急流型EREs的環(huán)流特征為西太副高位置較氣候態(tài)偏西偏北,為極端暴雨的發(fā)生提供穩(wěn)定的環(huán)流形勢;同時(shí),山東位于高空急流入口區(qū)的右側(cè),有利于上升運(yùn)動(dòng),為極端暴雨提供了有利的動(dòng)力條件;水汽主要來自于西太副高外圍風(fēng)場的輸送(見圖14(a))。北方氣旋型是影響山東夏季EREs的主要的環(huán)流系統(tǒng),這一類EREs的環(huán)流特征為山東位于地面發(fā)展型氣旋的南側(cè),中緯度高空槽的槽前脊后區(qū)域,槽后冷平流槽前暖平流,有利于地面氣旋的發(fā)展,并產(chǎn)生上升運(yùn)動(dòng);西太副高西伸北抬,850 hPa西南氣流增強(qiáng),有利于水汽輸送至山東地區(qū)(見圖14(b))。南方氣旋型的環(huán)流特征為山東位于高空偶極型阻塞環(huán)流南部西風(fēng)槽的槽前脊后區(qū)域、地面氣旋的北側(cè),為極端暴雨的發(fā)生提供穩(wěn)定的環(huán)流形勢以及動(dòng)力條件;水汽則來自于西太平洋(見圖14(c))。

((a)高空急流型,(b)北方氣旋型,(c)南方氣旋型。圖中綠色箭頭代表低空水汽通量異常,紅色向上箭頭代表垂直上升運(yùn)動(dòng),藍(lán)色中心標(biāo)記L代表地面氣旋,黃色中心標(biāo)記H代表反氣旋,粉色區(qū)域代表西太副高,500 hPa上藍(lán)色(紅色)箭頭分別代表冷(暖)平流。(a) EREs of the upper-level jet. (b) EREs of the northern cyclone. (c) EREs of the southern cyclone. Green streamlines represent low-level water vapor transport. The red upward arrow represents vertical upward motion. The blue center mark L represents the surface cyclone. The yellow center H represents an anticyclone. The pink area represents the West Pacific Subtropical high. The blue (red) arrows on the 500 hPa isobaric surface represent cold (warm) advection,respectively.)圖14 影響山東夏季EREs的環(huán)流系統(tǒng)示意圖Fig.14 Circulation system affecting EREs in summer in Shandong Province

本文利用山東84個(gè)站的夏季降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)山東夏季EREs進(jìn)行了分析,其中63.4%的EREs的影響天氣系統(tǒng)得以初步確定。但是由于極端暴雨受到復(fù)雜多變的因素影響,仍然有36.6%的EREs的影響系統(tǒng)及其成因尚未確定,因此對(duì)于山東夏季極端暴雨的成因分析還需要后續(xù)研究。同時(shí),應(yīng)該指出的是,本文分類得到的熱帶氣旋型影響環(huán)流主要指熱帶氣旋中心移動(dòng)到山東附近距離500 km以內(nèi)的熱帶氣旋內(nèi)雨帶直接造成的極端暴雨類型,事實(shí)上臺(tái)風(fēng)與中緯度系統(tǒng)相互作用造成的遠(yuǎn)距離降水的影響也有可能造成山東極端暴雨,這類過程在我們的研究中并未考慮。為探究各類EREs的影響因子,我們將在之后的工作中繼續(xù)探究熱帶天氣系統(tǒng)與中緯度大氣環(huán)流異常協(xié)同作用對(duì)山東夏季EREs的影響,尋找可能的預(yù)報(bào)因子。