2011—2019年影響安徽致暴江淮氣旋統計分析

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

江淮氣旋是指發生在長江中下游和淮河流域(28°～35°N、111°～125°E)、生命史在12 h以上的、具有明顯冷、暖鋒結構的低值系統[1],也是造成江淮地區暴雨的重要天氣系統。對江淮氣旋個例診斷與分析發現,其氣旋性環流和氣旋性渦度在對流層中層的700 hPa附近最強[2],具有垂直環流圈[3],隨鋒區向北傾斜[4], 中空西部冷輸送帶和中低層暖濕空氣的疊加,有利于位勢不穩度的增加[5],在發展階段, 700 hPa層以下的溫壓場的斜壓結構是氣旋發展的重要因素[6];其暴雨過程及降水落區與氣旋前(后)部暖(冷)式切變、地形、冷暖氣團的相互作用等因素密切相關[7-11]。

高空輻散場引起的對流層低層減壓及低層強盛的暖濕氣流引起的上升運動均可導致江淮氣旋最初的形成,降水和氣旋發展期間可以建立類似“CISK”的正反饋機制,說明了江淮氣旋的發展在環流背景及啟動機制方面具有多樣性[12]。

在對江淮氣旋個例主觀識別與統計的基礎上,1980s,江蘇省氣象局[1]對1961—1980年春季和初夏江淮氣旋進行研究,提出其概念,給出其判斷標準,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,探討其發生和發展的預報指標,為后來的研究奠定了基礎。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、淮河上游及蘇皖浙交界處、鄱陽湖等區域;其生成強度有上升趨勢,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計表明,1980s—1990s江淮氣旋活動頻數偏少,強度偏弱;21世紀初期10 a間氣旋活動頻數偏多,強度偏強,氣旋活動頻數多發年與少發年500 hPa出現穩定的長波環流結構存在顯著差異。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月發生次數最多;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、鄱陽湖地區和大別山東北側等。黃文彥等[16]使用改進的溫帶氣旋識別和追蹤方法,統計分析了近40 a夏季影響江蘇致暴江淮氣旋路徑、落區等,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流特征及其主要降水落區,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”(China Integrated Meteorological Information Service System,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,對數據進行質量控制[19-20],并利用逐6 min的雷達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(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)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1 h;高空分為1 000、925、850、700、600、500、400、300、200及100 hPa共10層的位勢高度、溫度、風向風速、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;網址:https：∥cds.climate.copernicus.eu/),用于影響安徽致暴江淮氣旋大氣環流分型和環流場特征分析等。

1.2 江淮氣旋定義與識別方法

根據以上江淮氣旋的定義[1],第一次出現具有明顯的冷、暖鋒結構的氣旋或氣旋波,稱為江淮氣旋發生。采用ERA5海平面氣壓場(水平分辨率0.25°×0.25°;時間分辨率6 h,即將每日00、06、12、18時(世界時,下同)設定為江淮氣旋生消時間點,下同)資料,利用改進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、短周期的強風暴、多中心氣旋等識別度高達98%以上。在此基礎上,參考周越等[15]關于江淮氣旋環流中心和閉合等壓線、溫度梯度(即冷暖鋒區)等定量標準,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

按上節方法共識別出132個影響安徽的江淮氣旋個例,從歷史致災的角度,滿足安徽境內5個國家基本觀測站過程雨量50 mm以上,其中至少一個觀測站過程降水量超過100 mm的條件,共有25個影響安徽致暴江淮氣旋個例(表1),其中,最長持續時間達78 h,最大小時雨強90.4 mm。滿足條件的江淮氣旋主要出現在4—8月,約占同期所有影響安徽江淮氣旋數的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基本一致[16]。當某個江淮氣旋影響安徽過程中,站點過程累積降水量達到50 mm以上,則判斷該站點受到一次江淮氣旋的影響。

表1 2011—2019年影響安徽致暴江淮氣旋一覽

1.4 江淮氣旋環流場分型法

分型法就是將環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T模態主成分分析法[26](簡稱TPCA),該方法按時間序列對網格點數據進行主成分分析,建立每個時間網格點的主成分類型,其中輸入數據的列表示時間序列,行對應于網格點,對預定類型的再現、時間和空間穩定性,以及對預設參數的依賴性等方面表現較好。目前,TPCA方法已經在“歐洲地區天氣模型分類協調與應用”方案(簡稱:COST733)中被發展為軟件“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流形態特征,根據一些個例診斷結果和預報員經驗,江淮氣旋影響系統和環流特征在700 hPa反映較好[1,4],故本文嘗試利用TPCA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700 hPa位勢高度場和溫度場(空間范圍:25°～40°N、110°～125°E),進行多要素大氣環流場分型,共分得4種環流型。TPCA客觀分型結果(如圖3中SP1、SP2和SP3型)與江蘇省氣象局關于江淮氣旋的主觀天氣分型結果[1]較為接近,能很好地呈現江淮氣旋的發生、發展的環流背景場特征。

圖3 利用2011—2019年影響安徽致暴江淮氣旋700 hPa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(風場(風標，單位:m·s-1，長桿為5 m·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束(或移出江淮區域),繪制江淮氣旋的路徑,用不同顏色標識不同江淮氣旋,如圖1所示。同時,對氣旋中心位置經度≤0.25°范圍內的所有江淮氣旋按緯度進行平均,并以2個經度距離進行滑動平均,繪制江淮氣旋的滑動平均路徑(圖1粗陰影線)。

圖1 2011—2019年影響安徽致暴江淮氣旋的路徑(細實線,*起始點,·結束點)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,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)起源的江淮氣旋一般開始向東北方向移動,進入安徽境內,出現向東移動,入海前又出現向東北移動。從影響安徽致暴江淮氣旋滑動平均路徑可以發現,江淮氣旋滑動平均起源位置位于湖北與湖南交界處,向東北移動經大別山進入安徽境內,繼而向東偏東南方向移動,在皖蘇浙交界處移出安徽后轉向東北方向移動。江淮氣旋的中心位置及移動路徑,直接影響著降水落區的分布。

2.2 江淮氣旋雨區分布

按1.3節挑選的25個江淮氣旋個例,從江淮氣旋起始時間至結束時間內在安徽境內產生的逐時降水進行累加,并取9 a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2 2011—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≥50 mm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,年均降水量在110.0 mm以下,而長江流域至皖南地區年均降水量基本在110.0 mm以上,主雨帶位于大別山南麓至皖南山區一線,年均降水量在170.0 mm以上,其中大的降水中心位于皖南山區的黃山站(站號:58437,海拔1 840.4 m)和大別山區的天柱山站(站號:58112,海拔968.2 m),均為高山站,年均降水量分別為250.3 mm和216.8 mm。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30 a整編平均降水量進行顯著性檢驗,計算的F值為101.8,查詢F統計表知,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對應比較好,主雨帶位于江淮氣旋滑動平均路徑的東南偏南一側,這可能與江淮氣旋中心東南側的低空急流和水汽輸送密切相關。高山站出現大的降水中心,應與高海拔山體對江淮氣旋渦旋氣流抬升有一定的關聯。

統計安徽2011—2019年各國家觀測站點受致暴江淮氣旋影響頻次(圖2b),發現江淮氣旋影響高頻次區域依然在大別山和皖南山區西南側,全省自南向北依次減少,淮北地區個別站點9 a間僅出現一次。位于大別山的天柱山、皖南山區的黃山和九華山,江淮氣旋影響頻次高,9 a間25個江淮氣旋個例分別出現15、17和15次,說明60%以上的江淮氣旋對大別山、皖南山區有明顯的影響。也可以看出,山體抬升對江淮氣旋的發展和降水影響非常明顯。

3 致暴江淮氣旋環流場

3.1 環流場分型結果

江淮氣旋按其定義要求至少持續12 h以上,在具體的天氣個例中,有些江淮氣旋持續時間往往超過48 h,甚至更長時間。在江淮氣旋生消、移動、變化的過程中,大氣環流場或背景場難免發生調整和變化,對江淮氣旋的影響也將不同。按氣旋生消時間點進行TPCA多要素客觀天氣環流分型,得出四個天氣環流場模型,按主要影響天氣系統,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,高壓脊東側有顯著的經向環流,引導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,冷暖氣團匯合于安徽江淮流域;SP3型,低渦位于安徽以西河南境內,強盛的西南暖濕氣流經大別山區向東北方輸送;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環流分型結果,可以確定江淮氣旋過程各生消時間點的環流類型。按生消時間點前后3 h共6 h累積降水量,統計該江淮氣旋過程各環流型的累積雨量,以最大累積降水量確定該江淮氣旋致暴環流類型(表1),其中,SP1型出現10次致暴過程,占40%;SP2型出現9次,占36%;SP3型出現5次,占20%;SP4型最少,僅出現1例,故該型忽略,不予討論。

3.2 三種環流型江淮氣旋雨區分布

從影響安徽致暴江淮氣旋三種環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(圖4a),年平均降水量基本在70 mm以上,可能受山體的抬升作用,黃山、九華山年平均降水量達90 mm以上。從皖南山區至淮河以北地區,年均降水量逐漸減小,特別是淮北地區年均降水量僅10 mm左右。該環流型江淮氣旋最大小時雨強90.4 mm·h-1,位于皖南山區的石臺站,也是2011—2019年致暴江淮氣旋國家站最大雨強。

SP2型環流型江淮氣旋雨區分布與SP1型不同(圖4b),雨區主要集中在安徽長江一線,年平均降水量≥50 mm。天柱山、黃山高山站出現70 mm以上的降水中心?；春恿饔蚣捌湟员蹦昃邓恳财?淮北地區僅10 mm左右。

SP3型環流型雨區分布與SP1、SP2型也存在較明顯差異,年均降水中心位于大別山區(圖4c),年均降水量≥50 mm。同樣,天柱山高山站最大降水量達到85 mm,黃山站在皖南山區也有一個小的雨量中心,達60 mm。

圖4 2011—2019年三種環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,說明分型結果是可以接受的。

3.3 主要天氣型環流特征

江淮氣旋不同的天氣類型,其影響區域和降水分布,尤其雨量中心有很大的差異。同時也發現,江淮氣旋影響的高海拔地區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,可能與大氣環流、水汽輸送與輻合、高層干侵入等因素有著密切關系。

為更好呈現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,采用ERA5再分析資料,按環流分型對高空要素場分別進行疊加,并求平均值,討論致暴江淮氣旋各分型環流場特征等。

3.3.1 高壓脊型(SP1型)

如圖5a所示,500 hPa位勢高度西高東低,安徽以西為高壓脊,高壓脊東側有顯著的向南經向環流,引導中高層干冷空氣南侵,江淮氣旋一般偏南東移(圖1)。在此天氣環流背景下,850 hPa從東北到山東半島有一冷舌(假相當位溫<324 K，圖5b),低層冷空氣位置偏北,西南地區暖濕氣流向東北方向輸送大量暖濕空氣(圖5a),在安徽南部形成暖濕舌(假相當位溫>336 K)北伸至江淮南部(圖5b),皖南地區整層水汽通量達到550 kg·m-1·s-1以上,可降水量達55 mm左右,皖南地區在850 hPa上表現為高溫高濕的暖濕環境(圖5b)。經過皖南山區降水大值區的垂直剖面上(圖5c),可以看出,皖南山區的迎風坡有較明顯的水汽輻合,最大水汽通量散度位于925 hPa,超過-6.0×10-5g·s-1·hPa-1·cm-2;而高海拔山區水汽輻合區在850 hPa以上。整個皖南山區上空大氣基本為上升運動,上升運動發展深厚且高度高,超過6.0×10-2m·s-1的上升運動區域從600 hPa一直伸展至200 hPa,有利于低層減壓導致大氣輻合,配合充沛的水汽輸送,在皖南山區形成大的降水中心(圖4a),尤其是高海拔山區及其迎風坡區域。沿暴雨區南北向垂直剖面上(圖5d),對流層底層31°N附近為大的濕度區,與氣旋中心位置一致。氣旋中心對流層高層200 hPa以北有明顯的干區,高層有明顯的干侵入南侵,氣旋中心附近處于中性層結,有利于對流層高層位渦下傳;而皖南山區700 hPa以下假相當位溫達到342 K,暴雨區上空呈現出大氣層結不穩定。高層干冷、低層暖濕不穩定層結的配置有利于對流性強降水的產生。

圖5 江淮氣旋SP1型(a、b)水平大氣平均環流場：(a)500 hPa位勢高度(等值線，單位：gpm),925 hPa風場(風標，長桿為5 m·s-1，加粗表示風速大于5 m·s-1)和整層水汽通量積分(陰影，單位：kg·m-1·s-1)；(b)850 hPa風場和整層可降水量(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，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：10-2 m·s-1)；(d)沿117.0°E垂直剖面(黑實等值線為假相當位溫(單位：K)；陰影為相對濕度(單位：%)；黑色箭矢為垂直剖面風；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,500 hPa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)。850 hPa冷空氣(假相當位溫<324 K)位于淮北,冷空氣從低層侵入安徽,336 K位于皖南南部,暖濕輸送的強度不如SP1。安徽沿江一線整層水汽通量中心值在400 kg·m-1·s-1左右,整層可降水量<55 mm,小于SP1型。上升速度大于6.0×10-2m·s-1的區域位于400～300 hPa之間(圖6c),垂直運動發展的高度和深厚程度都較SP1型低。氣旋南側西南氣流加上山體抬升作用,安徽西南角(30.3°N、118.6°E)水汽通量散度達到最大為-4.0×10-5g·s-1·hPa-1·cm-2,較大水汽輻合區伸展到850 hPa以上,水汽輻合的強度亦不如SP1(圖6c)。圖6d可見,925 hPa氣旋輻合中心位于大濕區(相對濕度>90%),隨高度輻合區向北傾斜,暴雨區北側存在著明顯的相對濕度和假相當位溫的鋒區,可見高空槽型主要表現為低層冷鋒南侵的過程,與南方暖濕氣流的匯合,導致安徽長江流域有較大降水發生,高海拔山區如大別山站、黃山站降水量同樣表現得相對明顯(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5

3.3.3 暖式切變型(SP3型)

圖7為暖式切變型(SP3型)大氣水平平均環流場。該天氣型500 hPa安徽以西有一深槽,925、850 hPa均有較強的西南氣流經大別山區向東北方輸送,并伴有暖式切變線(圖7a、b)。受西南氣流引導,江淮氣旋一般偏北東移(圖1)。850 hPa暖濕氣流(假相當位溫>342 K)伸向大別山區,大氣整層可降水量≥60 mm(圖7b),暖濕輸送的強度明顯超過SP1、SP2型; 大別山區域大氣整層水汽通量550 kg·m-1·s-1以上(圖7a),也均較其他天氣環流型大。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(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流型,說明SP3型降水屬于暖區暴雨或強降水類型。暖區一側中低層有明顯大氣輻合抬升,尤其是迎風坡,最大水汽通量散度為-8.0×10-5g·s-1·hPa-1·cm-2(圖7c),925 hPa最大上升速度超過6.0×10-2m·s-1,約為其他環流型的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流型明顯偏多,雨強也整體偏強。

圖7 江淮氣旋SP3型(a、b)水平大氣平均環流場,(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5

4 結論

通過對2011—2019年影響安徽的致暴江淮氣旋進行統計,并分析了致暴江淮氣旋的環流特征。主要結論如下:

(1)安徽致暴江淮氣旋數約占同期總江淮氣旋數約18.9%,年均2.8次,主要出現在4—8月;其源地多發生于湖北、湖南等地,一般向東北移動經大別山進入安徽境內,繼而向東偏東南方向移動;其主雨帶一般位于移動路徑東南偏南一側。

(2)利用旋轉T模式主成分分析法,將江淮氣旋天氣類型主要劃分為高壓脊型(SP1型)、高空槽型(SP2型)和暖式切變型(SP3型)。按江淮氣旋最大累積降水劃分環流型致暴過程,則SP1型致暴過程達40%;SP2型占36%;SP3型最少,為20%。

(3)從雨區分布看,影響安徽致暴江淮氣旋年均降水量總體是自北向南遞增,降水大值區及高暴雨頻次均位于大別山至皖南山區西南側,高海拔山區尤其明顯。其中,高壓脊型(SP1型)降水中心主要位于皖南山區,高空槽型(SP2型)較強降水主要分布于安徽長江流域,暖式切變型(SP3型)降水主要集中在大別山及其周邊區域。

(4)從移動路徑看,淮河流域及其以北生成的江淮氣旋容易出現西北—東南走向,西南方向(湖南、湖北境內)起源的江淮氣旋一般向東北方向移動,進入安徽境內,出現向東移動。從環流分型結果看,高壓脊型(SP1型)江淮氣旋一般偏南東移，高空槽型(SP2型)江淮氣旋一般向偏東方向移動，暖式切變型(SP3型)江淮氣旋一般偏北東移。

(5)從環流特征看,高壓脊型(SP1型),安徽以西有一高壓脊,高壓脊東側有顯著的向南經向環流,中高層有明顯干侵入過程,低層暖濕舌伸向皖南山區,暖濕不穩定層結配置有利于皖南山區對流性強降水的產生。高空槽型(SP2型),安徽中北部中高層為東北—西南向高空槽,低層表現為冷鋒南侵,與南方暖濕氣流匯合于安徽長江流域,導致雨區分布于安徽長江一線。暖式切變型(SP3型),低渦位于安徽以西,強盛的西南暖濕氣流經大別山區向東北方輸送,整層均為大濕區,低層有較強的輻合抬升,降水效率高,屬于暖區暴雨或強降水類型。