华南地区持续性强降雨事件的分类以及相关的水汽来源分析外文翻译资料

 2022-11-09 16:27:23

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华南地区持续性强降雨事件的分类以及相关的水汽来源分析

刘瑞鑫 孙建华 卫 捷 傅慎明

1.大气物理研究所大气降水物理与强风暴重点实验室

中国科学院，北京100029

2中国科学院大学，北京100049

(2016年2月29日收到;最终形式为2016年7月18日)

摘要

以我国752个台站日降水资料为基础，采用客观方法对1981-2014年华南地区持续强降雨事件（PHREs）进行了分类。研究了不同类型PHREs的循环特性、干冷空气和水汽来源。主要结果如下。本研究共发现华南地区有32个受台风影响的PHREs。通过相关分析，将PHREs划分为三类：SC-A型，其主要雨带位于广东省沿海和东北部；SC-B型，主要雨带位于广东与广西之间；和SC-C型，其主要雨带位于广西北部地区。对于SC-A事件，干冷气流起源于乌拉尔山脉和西西伯利亚平原的对流层中部波谷的转向作用下，向华南地区流动；而SC-C事件不受高纬度冷空气的影响。SC-A和SC-C PHREs均有三条来自低纬度地区的水汽通道。热带印度洋是这两种PHRE的主要水汽来源；南海也是SC-C PHRE的主要来源。此外，SC-A事件还受到来自黄海的湿冷空气的影响。SC-C PHREs总体上属于暖区降雨类型，降水区以西南风为主，风速辐合是降水的主要原因。

关键词：持续强降雨事件，华南，暖区降雨，干冷空气，水汽来源，水汽输送

引用文献:刘瑞新，孙建华，魏杰，等，2016:华南地区的持续性强降雨事件分类及相关湿气来源的分析。 J. Meteor. Res., 30(5), 678–693, doi:10.1007/s13351-016-6042-x.

  1. 简介

在东亚夏季风和东亚复杂地形的影响下（Tao，1980），中国是雨量最丰富的地区之一。特别是中国经历了多次降雨事件，降雨量大、持续时间长、共同构成了极其严重、往往是致命的气象灾害。每年，由持续暴雨（PHREs）引发的山洪暴发、城市内涝或山体滑坡坠落事件，对人民生命安全构成严重威胁，造成重大经济损失。例如，1998年和1999年的PHREs事件在长江流域引发了严重的洪水事件 (Tao et al.,2001, 2004; Zhao et al., 2004)；在华南1994年由于PHREs的发生引起了灾难性的洪水(Shi and Ding, 2000; Sun and Zhao, 2002a, b)。由于PHREs的重要性，揭示了它们的主要意义进化的机制和预测他们的活动(发生率、持续时间、强度等)已成为研究的重要课题(Yu and Li, 2012)。在早期的研究中，Tao(1980)将有利于PHREs的大规模环流分为子午型和纬向型。他指出，当PHRE发生时，行星尺度环流维持良好或经历快速调整。丰富的水汽输送，稳定的天气尺度系统维护，良好的地形效应，可维持PHRE数天以上。Bao(2007)讨论了我国近50年来PHREs的特征和变化，总结出四种PHREs:渤海-辽西型PHREs;北纬向型;南部锋型和热带低压型。Chen和Zhai(2014)将中国东部-中部地区PHREs划分为双阻塞高压模式和单阻塞高压模式。此外，Sun和Ding(2002)指出季风将大量温湿空气输送到降水区，为降雨事件提供了丰富的水分和不稳定的能量条件。

受东亚夏季风、印度季风、西太平洋副热带高压(WPSH)和青藏高原动力/热力影响，华南是一个重要的多雨地区(Tao, 1980; Zhao et al.,2004; Zhou et al., 2008)。近年来，华南地区暴雨事件发生频率显著增加(Fu et al., 2016; Li et al., 2016)，这些暴雨导致了严重的洪涝灾害(如1994年、1998年、2005年和2008年的特大洪水)。对华南地区PHREs进行了大量的分类研究(Hu et al.，2013)，也有一些研究关注其潜在机制(Huang et al., 2005; Ren et al.,2006; Feng et al., 2011; Chen et al., 2012a; Li and Leung, 2013)。例如胡等(2013)将华南地区的雨季前降水事件分为东南海岸型、北部型和西南海岸型。此外，华南降水的成因可能与热带气旋活动(Ren et al.， 2006;Chen et al.，2012a)和中纬度西风槽或热带辐合带有关(Huang et al.，2005)。

王等(2014)采用三种标准对华南地区PHREs进行选择;首先，PHREs必须覆盖研究区域内的10多个数据网格;其次，日降水量超过50mm，持续时间至少五天;最后，连续两天降雨，雨带重叠程度大于20%。由于PHREs发生在不同的时间和地区，我们首先需要处理它们的分类。到目前为止，华南地区的PHRE分类主要是根据相关天气的环流特征进行的。然而，这也存在着主观性的问题，尤其是在面对大量数据时。因此，本研究的主要目的是利用一种兼顾降水区和关键天气系统的客观方法对华南地区的PHREs进行分类。在此基础上，对华南地区PHREs的类型特征进行了分类分析。

长期降水一般受暖湿空气和干冷空气活动的影响。此外，华南地区多为暖区降雨，充足的水分是PHREs维持的重要条件。Ding(1992)提出中国南方的水汽主要来自孟加拉湾和南海。田等(2004)指出，从气候学上讲，在寒带夏季低纬度地区，有三股主要季风气流将水汽输送到中国。其中一股为与印度夏季风有关的西南气流，另两股分别为与南海季风和亚热带季风有关的南风和东南气流(Zhou and Yu, 2005;Chow et al ., 2008)。其中西南气流和南风气流对华南PHREs有一定的影响。我们开始意识到，这些关于水汽运输的讨论主要是基于气候时间尺度，而不是关注具体的案例。这些研究无法分析不同水汽路径的贡献。目前有两种广泛应用的航空包裹追踪模型:FLEXPART(柔性颗粒分散模型)(Qing et al.， 2014)和HYSPLIT(混合单粒子拉格朗日积分轨迹模型)。在本研究中，HYSPLIT被用来分析水蒸气和干冷空气的来源和途径。在此之前，该模型已被用于分析各种天气过程中水汽的输送和贡献(Jiang et al., 2011; Fuhrmann and Konrad II, 2013; Sun et al., 2016)。

此前的研究表明，华南地区的一些降雨事件明显没有冷空气的特征。Huang(1986)提出了暖区降雨的概念，将其定义为发生在暖区内部，距离地表锋200-300公里，或者发生在西南和东南辐合气流中，或者发生在没有水平风切变的西南气流中。在这里，暖区降雨不包括任何受台风或其他热带系统影响的降雨事件。此外，Chen et al.(2012b)将华南暖区降雨划分为剪切线型、低涡型和南风速度型三种类型。

根据Wang et al .(2014)继续研究南海的PHREs,我们采用客观标准来选择地区18°–26°N, 105°–120°E地区的PHREs(图1中紫色矩形)在温暖的季节(4月- 11月) 1981 - 2014。对所选PHREs进行复合分析，以确定这些事件在多尺度环流中的异同。利用HYSPLIT对华南地区不同类型PHREs的水汽和干冷空气来源进行了分析。在此介绍之后，第2节介绍了用于选择和分类PHREs的数据和方法;第3节分析了与所选PHREs相关联的复合环流特征;第4节根据HYSPLIT结果，研究了不同类型PHRE的水汽和冷空气的来源和输送;第5节描述了暖区降水的主要特征;最后，第6节讨论和总结了主要的发现。

  1. 数据和方法

利用1981-2014年中国气象局752个监测站的日降水观测数据，确定华南地区的PHREs。因为站点分布不均和相应的降水出现大的地区差异,站点数据内用王et al .(2014)用过的0.25°times;0.25°网格克雷斯曼插值方法后。然后利用插值降水数据对PHREs进行分析。此外，PHREs的选取还考虑了中国气象局联合台风预警中心的年度台风轨迹数据，剔除了受台风和热带低压影响的特定PHREs。每日NCEP-NCAR再分析数据也被使用。发出的长波辐射(OLR)卫星数据来自NOAA。再分析数据的水平分辨率2.5°times;2.5°,被用来分析天气循环期间PHREs。此外,6小时临时ECMWF再分析数据,水平分辨率为0.75°times;0.75°的24垂直层(Simmons et al .,2007),是用于分析暖区降雨。

HYSPLIT版本4.9采用拉格朗日方法计算平流和扩散，分析了水蒸气的来源和路径。该模型通常用于跟踪气流携带粒子的轨迹。在模型集成过程中，数据被插值到一个地形坐标(Draxler and Hess, 1998)。模拟域指定为土地面积覆盖20.0°-27.5°N,105°-120°E,和500米,1500米,3000米三个高度，来启东模拟。整个模拟中有57个初始轨迹点。为了得到每小时的轨迹点位置和对应的物理量，在这57个点的基础上，模拟了每个PHRE的10天持续轨迹跟踪。由于模拟输出轨迹数量过大，我们根据最接近的轨迹轨迹簇原理分析了不同水分路径的贡献，从而识别出更显著的轨迹分布。水汽通道贡献率计算如下(Sun et al.， 2016):

， （1）

其中qt为每次模拟时间的气团比湿度，m为包含轨迹的每个簇的个数，n为所有轨迹的个数。

本研究以1981-2014年未受台风影响的华南地区32个选定PHREs为研究对象。在2001年6月1日至13日期间，最长的持续时间为13天。同时，4 - 6月出现PHREs 19例，7 - 10月出现13例，6 - 7月出现PHREs最多，6月出现例子最多，这与Xie et al.(2006)的研究结果一致。虽然选择过程中强调PHREs的持续时间不能短于5天，但PHREs的持续时间是不同的，这将影响每个案例累积的降水量。因此，本研究基于客观方法，分析每个例子平均日降水量的标准化距平。也就是说,N =(Xminus;micro;)/sigma;,其中X是一个网格的物理量(日平均降水量),micro;是在1981 - 2010年30年期间气候平均网格的物理数量,sigma;标准差是。同时，按照Santer et al.(1993)的方法计算任意两个PHREs之间的平均日降水量标准化距平相关系数。根据各PHREs(相关系数均在0.3以上)与降水中心区之间的相关系数，对华南地区PHREs进行了初步分类。因此,所选PHREs分类以下条件满足时:(1)研究区北部(30°-50°N)和西部120◦E有低槽;(2)降水范围以锋面或其他影响降水的主要系统为特征。

分类详见表1和图2。根据雨带的空间分布，将华南地区的PHREs划分为三类:SC-A型事件，其中主雨带位于广东省沿海和东北地区(8例);主要雨带位于广东省与广西之间的SC-B型事件(5例);和以广西北部为主要雨带的SC-C型事件(7例)。入选的PHREs包括Bao(2007)发现的4例，从1981年至2005年持续5天以上。对气象变量(位势高度、风u、v)进行统计分析，SC-B型事件的这些变量均未通过显著性检验。此外，对SC-B型事件的循环进行单独检查，发现这些例子差异显著;没有发现共同特征。因此，我们只关注SC-A和SC-C PHREs的循环特征及其水分来源。此外，还研究了SC-C型事件的暖区降雨特征。

  1. SC - A和SC-C PHREs的复合循环特性

基于系统的影响(表1),综合分析SC-A和SC-C PHREs发生在中国南方进行识别的相似点和不同点环流特征和气候平均环流模式(图3和4。,可以看出，对于200h Pa的SC-A事件(图3a)，在高纬度的西伯利亚东部与鄂霍次克海之间有一个深槽，而欧亚大陆的其他部分基本为平直气流。此外，在中纬度，从欧洲西部到贝加尔湖的气流相对直接。南部的一个深槽的南端达到30◦N附近存在江淮流域和日本海上(负位势高度异常达到90%置信水平)。与此同时，急流的纬向覆盖范围大于气候平均值，位置偏南，有利于将冷空气吹向降水区域。

500h Pa时复合循环特性(图3b)与200h Pa时相似。中国东部的中纬度槽有利于冷空气向华南的输送。在SC-A事件中，WPSH西临南海，比气候学向西、向南延伸更远，强度更大。此外，WPSH西北缘上空的对流特别活跃，在广东和福建沿海附近，OLR负异常中心达到-1.5或以上(图3b)。

在850h Pa上WPSH较强，盖范围较广(图3c)，为PHREs的发生提供了来自WPSH西部的丰富水分。从降水中心横断面上看，降水区上方低层不稳定，中层呈中性分层。因此，向上运动控制了整个对流层，有利于降水的维持(图3d)。

对于SC-C型事件的复合环流，在200h Pa和500h Pa时特征基本相同。在这些活动期间，北大西洋东部高纬度地区出现了一道槽，贝加尔湖附近又出现了一道浅槽。乌拉尔山脉附近的两个槽之间存在着一个高达90%置信水平的宽脊，呈现出“– –”的位势高度异常分布。中纬度地区受垂直气流控制，长江-淮河流域附近存在浅槽。此外，在亚太地区附近，高空急流明显弱于气候平均值(图4a)，行星尺度和天气尺度系统的弱活动使得对流层中低层冷空气不活跃。对于SC-C型事件，高空急流的强度是两种PHREs之间最显著的差异之一。华南西部受12520-gpm等值线东段控制(图4a)。广西地区以南亚高压东段为主，与之相对应的上水平辐合区在华南上空。因此，这有利于维持低水平的上升运动。WPSH在500h Pa控制了南海东部区域，明显比SC-A型事件更向东(图4b)。同时，SC-C型事件的降水中心主要在广西地区，说明WPSH对这些PHREs的降水影响较小。此外，对水汽轨迹的分析也表明，WPSH对SC-C型水汽输运的影响不明显。广

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