中国气象学会主办。
文章信息
- 胡娅敏, 翟盘茂, 罗晓玲, 吕俊梅, 覃志年, 郝全成. 2014.
- HU Yamin, ZHAI Panmao, LUO Xiaoling, LV Junmei, QIN Zhinian, HAO Quancheng. 2014.
- 2013年华南前汛期持续性强降水的大尺度环流与低频信号特征
- Large scale circulation and low frequency signal characteristics for the persistent extreme precipitation in the first rainy season over South China in 2013
- 气象学报, 72(3): 465-477
- Acta Meteorologica Sinica, 72(3): 465-477.
- http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2014.042
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文章历史
- 收稿日期:2013-7-30
- 改回日期:2014-3-10
2. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室, 北京, 100081;
3. 广西自治区气候中心, 南宁, 530022
2. State Key Laboratory of Severe Weather, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China;
3. Guangxi Climate Center, Nanning 530022, China
每年4—9月是华南的降水集中期,其中4—6月华南经历第1个多雨期,人们常称其为华南前汛期,其降水量占全年降水量的40%—50%或更多,是华南持续性暴雨的多发期(Wu et al,2013),南海季风爆发前主要以锋面降水为主,而南海季风爆发后主要以夏季风降水为主(丁一汇等,2004;郑彬等,2006,2007a;何金海等,2008;强学民等,2008)。前汛期开始后,随着时间的推移,降水强度越来越强,持续时间越来越长,常导致严重的暴雨洪涝、局地性山洪爆发、泥石流和山体滑坡等地质灾害。为了认识华南前汛期的天气气候特征,许多学者利用常规观测资料、再分析资料和数值模拟,开展了大量的研究工作。例如从天气动力学角度诊断华南前汛期暴雨过程(吴乃庚等,2013),从气候学角度分析华南前汛期的月、季、年、年际和年代际变化特征(谢炯光等,2006;张焱等,2008;袁媛等,2012),从统计学角度寻找华南前汛期的影响因子(黄颖等,2011),这些研究提高了对华南前汛期降水的认识。为了从观测角度获取对华南前汛期更深入细致的认识,气象学家还开展了一系列的野外观测试验,基于这些观测资料对华南前汛期特征的揭示,对华南前汛期的认识取得了新的进展。
近年来,随着全球变暖,华南前汛期持续性强降水频现,2006年6月18—25日华南出现大范围的强降水和暴雨到大暴雨天气过程(郑彬等,2007b),2008年5月21日—6月20日 “龙舟水”期间,广东平均雨量创1951年以来历史新高,期间连续出现4次强降水过程,降水集中期长达23 d(林良勋等,2009;王东海等,2011)。2010年5月上中旬南海季风尚未爆发,华南一周内出现罕见的连续3场区域性暴雨(吴乃庚等,2013)。
2013年3月下旬开始,华南地区频繁遭遇强降水袭击,3月26—30日连续的强降水造成整个3月降水异常偏多,其中华南中部地区降水偏多1倍以上,珠三角以西的地区偏多2倍以上。3月28日华南开汛,较气候平均明显偏早了9 d。随后5月8—10日粤西和珠三角地区出现持续性暴雨到大暴雨,局部特大暴雨天气,其中10日阳江、8日阳春降水量分别高达307.6和212.2 mm。5月19—22日,华南大部分地区出现暴雨到大暴雨,局部特大暴雨天气,期间共有58个县(市)出现79个暴雨站次,珠海过程降雨量362.7 mm,22日04时该站小时降雨量118.7 mm。2013年3月下旬开始的持续性强降水一直持续到6月中旬,使华南3、4和5月降水偏多,6月12日受热带低压和热带风暴“贝碧嘉”影响,华南进入后汛期雨季。2013年华南前汛期强降水天气频现,相伴随的暴雨等灾害天气导致华南73人死亡,10人失踪,经济损失近50亿元,其中广西近十年来同期受灾最为严重。那么,2013年华南前汛期持续性强降水具有什么特点?什么样的大气环流配置导致这么长时间的持续性强降水呢?
一些研究者从低频振荡角度进行华南持续性强降水的研究(唐天毅等,2007;张婷等,2011;梁巧倩等,2011;章丽娜等,2011;纪忠萍等,2010;谷德军等,2013),但研究多针对某个固定时段降水性质及其环流特征或关键区,并指出准双周振荡对华南前汛期降水影响更为显著。那么,2013年华南前汛期降水具有什么样的频谱特征?哪些环流因子对持续性强降水具有前期指示意义呢?基于此,本研究从大气环流角度入手寻找影响持续性强降水的物理因子,根据降水和大气环流的耦合振荡特征寻找影响降水的前期信号,以期为华南前汛期持续性强降水的延伸期预测提供参考。 2 资料选取和分析方法
本研究降水数据是由广东省气候中心和广西自治区气候中心提供的华南2013年174个台站的1月1日—7月31日逐日观测资料。大气环流资料取自2013年1月1日—7月31日美国NCEP/NCAR的水平分辨率为2.5°×2.5°的逐日再分析资料,以及同期NOAA卫星观测的向外长波辐射(OLR)资料。
本研究采用莫莱特小波(Torrence et al,1998)来分析各参数不同局部频率的变化特征,并通过对资料双向对称延伸来减弱边界效应的影响。交叉小波变换是一种新的多信号分析技术,能够有效诊断不同信号的相关性、时延性和位相结构(Grinsted et al,2004),用来揭示2个信号相互影响的时延相关特征和时频位相关系。
为了克服经验模态分解(EMD)边缘效应和尺度混合的缺陷,引入了一种利用噪音辅助的集合经验模态分解(EEMD)方法,其继承了经验模态分解的自适性,同时由于引入了白噪声扰动并进行集合平均,从而避免了尺度混合问题,重要的是能使最终分解的本征模函数(IMFs)保持物理上的唯一性(刘莉红等,2008)。 3 华南前汛期降水的持续性及频谱特征
2013年华南前汛期降水开始于3月下旬,结束于6月上旬末。6月中旬初受热带低压和热带风暴“贝碧嘉”影响,华南进入后汛期雨季。
2013年华南前汛期大部分时段是强于历史平均值(图 1),其持续性强降水主要发生在3月底—4月上旬、4月下旬中期—5月上旬初、5月上旬中期—上旬末期、5月中旬中期—5月底、6月上旬中期—上旬末。其中,广东新丰、博罗2站共出现8次持续性强降水过程;强降水持续时间破或平历史同期记录的单站有广西全州(7 d)、灌阳(8 d)、临桂(8 d)、隆林(6 d);单站暴雨日数最多的为广东普宁(9 d),过程最大日雨量为广东佛冈(232.4 mm),该过程初日发生在5月14日,持续4 d,过程雨量达265.5 mm;持续时间最长的单站为广东丰顺,降水始于6月3日共持续了10 d,过程雨量为276.6 mm,最大日雨量达74.4 mm。
本研究主要从区域角度研究持续性强降水的特征,因此首先采用Cressman方案将华南站点资料插值到0.5°×0.5°的网格点上,研究包括广西和广东的华南地区,插值起到空间平滑作用,滤掉了中小尺度扰动。参照格点江淮梅雨的定义(胡娅敏等,2008)的划分标准,对华南区域持续性强降水进行划分,所不同的是,本研究未考虑西太平洋副热带高压(副高)脊线和温度的标准,且以3月1日作为最早可能开始期限(纪忠萍等,2005)。
计算得到2013年华南区域有两个持续性强降水时段,主要发生在3月26日—4月11日(以下简称第1阶段)和4月23日—5月30日(以下简称第2阶段)。根据Chen 等(2013)持续性暴雨事件定义可以得到,5月6—9日这次过程符合持续性暴雨事件的定义,此时正好是小波分析图中小波功率谱最强阶段。根据曹鑫等(2013)的区域持续性强降水时间定义,5月7—10日和19—25日这两次过程符合持续性强降水事件的定义。这些研究得到的时段均在本研究定义的范围之内。
从这2个阶段华南地区降水量的空间分布(图 2)可以看出,2个时段的降水均较常年偏多,其中第1个阶段雨量占前汛期降水总量的24.7%,雨带呈西北—东南分布,由北向南逐渐增大,最大降水中心位于珠江口以西地区,达350 mm;第2阶段的降水强度比第1阶段显著增强,雨量占前汛期降水总量的54.0%,雨带主要集中在北部和东南沿海2个区域,大部分降水超过500 mm,降水中心超过700 mm,较常年平均偏多300 mm以上。
采用莫莱特小波分析得到图 3,3月中旬—4月中旬华南降水主要对应20—50 d的季节内振荡,3月底—4月初对应一个准双周振荡,当两种不同周期的振荡出现锁相时,正好对应华南开汛(集合经验模态分解方法也得到同样的结论);4月中旬后,降水的振荡周期缩短,以8—15 d的准双周振荡为主。
综上所述,2013年华南前汛期第1阶段持续性降水出现在3月26日—4月11日,期间雨量占前汛期降水总量的24.7%,雨带呈西北—东南分布,降水量由北向南逐渐增大,对应20—50 d的季节内振荡;第2阶段4月23日—5月30日,雨量占前汛期降水总量的54.0%,雨带主要集中在北部和东南沿海2个区域,降水强度较第1阶段明显增大,主要以8—15 d的准双周振荡为主。
以下针对2013年两段持续性强降水过程分析其对应的环流特征,寻找影响降水过程的主要环流因子。 4 两段持续性强降水期间的环流特征对比
研究表明,华南前汛期降水受多种因子共同影响,主要有北面的中高纬度冷空气、南面的南海季风和热带天气系统、东面的西太平洋副热带高压。图 4为2013年华南前汛期的天气配置,可以看到3月下旬—4月上旬华南降水主要受北方冷空气的持续影响(图 4a),而4月下旬—5月底,南海季风爆发前,冷空气依然影响华南,西太平洋副高南压、偏大、偏强(图 4c,见http://cmdp.ncc.cma.gov.cn/extreme/floods.php?product=floods_diag),而季风爆发后(5月第3候),北方冷空气势力减弱(图 4a),来自低纬的热带对流系统迅速北抬(图 4d)。
由于大气环流的持续性异常是造成持续性强降水的直接原因,以下分析引起这两种不同持续性降水的大气环流特征。 4.1 主要影响系统和过程
研究得到,持续性强降雨主要出现在大尺度天气异常系统稳定时期(Chen et al,2013)。第1时段在对流层中层500 hPa高度场主要呈现“西高东低”的经向分布型,巴尔喀什湖至贝加尔湖以西是高压脊,东亚大槽明显加深,在中国东北地区冷涡长时间盘踞,槽底一直到江南地区,此时冷空气一直南下至华南地区,华南地区有南支槽活动,构成“丁字槽”(图 5a),此时西太平洋副高脊线偏南、面积偏大,强度3月偏强、4月偏弱、西伸脊点以偏西为主(图略,见http://cmdp.ncc.cma.gov.cn/extreme/floods.php?product=floods_diag)。在这种形势下,低槽稳定维持,导致华南持续性降水;而第2时段500 hPa高度场调整为两脊一槽的分布型,在乌拉尔山以西和贝加尔湖以东地区分别有一个相对稳定的高压脊,中国东北、华北和黄淮地区主要受高压脊控制,而中国新疆到贝加尔湖西边附近地区是一个低压槽,由于受到东面阻塞高压的阻挡,贝加尔湖低压不断分裂短波槽,从新疆、青藏高原一带移动到华南地区,引导冷空气不断补充南下,但冷空气势力较前一阶段偏弱,西太平洋副高脊线较气候平均值偏南(但较第1阶段偏北)、面积偏大、强度偏强,西伸脊点5月上旬偏西之后以偏东为主,此时中南半岛到中国华南一带南支波动频繁活跃(图 5b)。
4.2 高纬度冷空气及热带对流系统在对流层低层850 hPa风场上,中国东北上空在第1阶段存在一气旋性环流,此时冷空气非常强盛,5℃的温度线达到了30°N附近,其风场在中国东北地区表现为异常的偏北风,一直南下至30°N附近,然后青藏高原东侧的异常反气旋将冷空气进一步输送到华南地区,此时来自西太平洋副高的暖湿气流与来自北方的冷空气正好交汇在华南地区(图 6a、c)。而第2阶段北方冷空气势力减弱,5℃的温度线位于50°N附近,此时华南地区主要由来自孟加拉湾和南海北部的西南风控制,并在华南上空辐合,其距平场表现一异常的气旋性环流(图 6b、d)。
从经向风和垂直风速沿110°—118°E的垂直剖面(图 7)可以看出,华南上空两个降水时段均对应气流上升阶段,前者受北方系统影响,表现为冷式锋面降水,锋面位于30°N附近;后者在整个对流层均表现为明显的上升运动,对流系统较为深厚,此时冷空气势力已经大为减弱,影响范围在35°N以北,这个时段主要以南面热带系统的影响为主,中低纬度地区对流层高层对应一风向转向,说明中国南海夏季风已经爆发,该阶段降水主要为季风性质的降水。
由于华南特殊的地理位置,它还受到热带对流系统的影响,用小于220 W/m2的向外长波辐射数值表示深对流,从其分布图上(图 6a、b)可以看出,第1阶段向外长波辐射低值区主要位于15°S—5°N,呈现带状分布;而第2阶段向外长波辐射低值区开始北移,主要位于0°—15°N,呈现西—东南和西南—东北两条带状分布,即此时向外长波辐射反映出热带辐合带从赤道印度洋地区东伸到华南地区影响其降水的发生。 4.3 水汽输送
为探讨两段持续性降水形成的异同,对比两个阶段的整层水汽输送特征(图 8)。在第1阶段西太平洋副热带高压位于中国南海地区,脊线较常年偏南,华南的暖湿气流主要来自西太平洋副高的西北侧,华南南部和中国南海北部上空存在一异常的气旋性环流,异常西南水汽输送来自孟加拉湾;在第2时段,中国南海季风爆发之前,水汽主要来自西太平洋副热带高压的西南输送,仍以冷暖空气交汇的锋面降水为主,中国南海季风爆发后,西太平洋副热带高压撤出中国南海地区,来自孟加拉湾的西南水汽输送被打通,其异常水汽输送主要来自孟加拉湾和中国南海北部地区,华南上空表现为一异常的气旋性环流,热带对流活跃,华南上空易产生对流不稳定,此时以季风降水为主。
综上所述,第1阶段的华南降水主要是北方冷空气和来自西太平洋副高西北侧的暖湿气流在华南交汇造成,属于冷式锋面降水性质;而第2阶段在中国南海季风爆发之前,华南主要以来自西太平洋副高的西南暖湿气流和来自中纬度西风带的冷空气交汇造成的锋面降水为主,这是锋面降水向季风降水的过渡阶段(图略),但降水的低频特征已经从季节内振荡过渡到准双周振荡;中国南海季风爆发后,冷空气势力大大减弱,5℃的温度线位于50°N附近,西太平洋副高撤离中国南海,来自孟加拉湾的西南水汽通道打通,低纬度的对流系统活跃,中南半岛到中国华南一带南支波动活跃,此时华南上空对流不稳定,易造成暖式对流降水。 5 影响两段持续性强降水的可能前期信号
从上述分析可知,2013年华南前汛期具有两段不同性质的持续性强降水过程,其具有不同的频谱特征,前者主要呈现季节内振荡特征,后者主要呈现准双周振荡特征,而且引起这两段持续性强降水的大气环流因子亦不同,第1阶段主要是北方冷空气活动的频繁影响,第2阶段主要是加强的西太平洋副热带高压和中国南海季风爆发的影响。刘慧斌等(2012)指出与东北冷涡活动相关的大气环流的10—30 d振荡和中国东部夏季降水异常具有明显的锁相关系,Mao等(2005)指出30—60和10—20 d 振荡是控制中国南海夏季风活动的两个基本的振荡类型。那么能否从大气环流系统中寻找到影响两段不同降水过程的主要因子,使其对持续性强降水的延伸期预报具有一定的指示意义呢?
东亚大槽和东北低涡(苗春生等,2006)是常见的影响华南的天气气候系统,其作用是在槽前输送正涡度和暖空气,槽后带来冷空气,有利于槽前的辐合上升运动和增强气柱的不稳定度。前述研究得到,第1阶段降水呈现出20—50 d的低频特征,主要影响因子为北方冷空气,因此选取(40°—50°N,120°—130°E)区域平均的500 hPa位势高度为东北冷涡指数(刘慧斌等,2012)来表征冷空气,对东北冷涡指数进行莫莱特小波分析(图 9b),可以看到,东北冷涡在整个降水时段对应较为显著的20—50 d的季节内振荡,且对应其功率谱的高值区。为了更好地揭示北方冷空气与降水的耦合振荡行为,尤其是其时频分布特征,进一步计算了该指数与降水序列的交叉小波功率谱和小波相干谱(图 9c),可以看出2013年3、4月在20—50 d的周期尺度上,降水与东北冷涡具有较强的相关,两者几乎同位相,东北冷涡信号先于降水一个周期变化,即东北冷涡对华南第1阶段降水可能具有20—50 d的指示(图 9a)。
此外,西太平洋副高和中国南海季风也是影响华南的天气气候系统(鲍名,2008;罗秋红等,2010;Mao et al,2010)。由前述分析得到,2013年华南地区第2阶段降水主要对应8—15 d的准双周振荡,主要受加强的西太平洋副高和中国南海季风爆发的影响,两者均在南海地区为西南向的水汽输送,因此选取(10°—20°N,110°—120°E)中国南海区域平均的整层水汽输送的纬向分量来表征,对其进行莫莱特小波分析(图 10b),可以看到,水汽输送的纬向分量在大部分频段对应较为显著的8—15 d的准双周振荡,且4、5月对应着功率谱的高值区。采用水汽输送的纬向分量与降水序列的交叉小波功率谱和小波相干谱分析两者的关系(图 10c),可以得到4月底—5月底在8—15 d的周期尺度上,降水与水汽输送的纬向分量具有较强的相关,两者相差约1/2周期,这说明南海地区的纬向水汽输送可能提前4—7 d,对华南降水有一定的指示意义(图 10a)。
综上所述,第1(2)阶段降水呈20—50(8—15)d的低频特征,主要是北方冷空气活动频繁(加强的西太平洋副高和中国南海季风爆发)的影响,从交叉小波功率谱和小波相干谱分析得到,降水与东北冷涡(中国南海地区水汽输送的纬向分量)具有较强的相关,东北冷涡(中国南海地区水汽输送的纬向分量)可能提前1(1/2)个周期对华南降水具有一定的指示。 6 结论与讨论
2013年华南前汛期开始于3月下旬,结束于6月上旬末,开汛后持续性强降水频发,给华南地区造成了重大经济损失。本研究采用小波分析、交叉小波功率谱和小波相干谱、集合经验模态分解、带通滤波等统计方法,对2013年华南前汛期持续性强降水过程进行分析,得到10—20和20—50 d两种低频周期共同影响2013年华南前汛期降水,主要结论如下:
(1)2013年华南前汛期的持续性降水主要有两个阶段,第1个阶段3月26日—4月11日,期间雨量占前汛期降水总量的24.7%,对应20—50 d的季节内振荡;第2阶段4月23日—5月30日,雨量占前汛期降水总量的54.0%,降水强度较第1阶段明显增大,主要以8—15 d的准双周振荡为主。
(2)影响两个阶段的主要环流特征不同,第1阶段的华南降水主要是北方冷空气和来自西太平洋副热带高压西北侧的暖湿气流在华南交汇造成,属于冷式锋面降水性质;而第2阶段在中国南海季风爆发之前,华南主要以来自西太平洋副热带高压的西南暖湿气流和来自中纬度西风带的冷空气交汇造成的锋面降水为主,这是锋面降水向季风降水的过渡阶段,但降水的低频特征已经从季节内振荡过渡到准双周振荡;南海季风爆发后,冷空气势力大大减弱,5℃的温度线位于50°N附近,西太平洋副高撤离中国南海,来自孟加拉湾的西南水汽通道打通,低纬度对流系统活跃,中南半岛到中国华南一带南支波动活跃,此时华南上空对流不稳定,易造成暖式对流降水。
(3)第1(2)阶段降水呈20—50(8—15)d的低频特征,主要是北方冷空气活动频繁(加强的西太平洋副热带高压和中国南海季风爆发)影响,交叉小波功率谱和小波相干谱分析得到,降水与东北冷涡(中国南海地区水汽输送的纬向分量)具有较强的相关,东北冷涡(中国南海地区水汽输送的纬向分量)可能提前一个(1/2)周期对华南降水具有一定的指示。
最新的研究指出,近20年华南季节降水循环由双峰型向单峰型发生了转变(高辉等,2013)。但前汛期存在两段不同性质的降水,且引起它们降水的系统是不一样的,深入研究两种不同性质的持续性强降水的机理,为天气预报提供基础研究,这是今后需要进一步关注的问题。本研究主要从频谱特征分析影响2013年华南前汛期两段不同的持续性强降水的显著环流因子,为华南降水的延伸期预测提供参考。今后将进一步深入开展研究,寻找出影响华南前汛期持续性降水的多个关键因子,并探寻它们之间的可能作用,通过合适的数理方法构建延伸期预报模型。
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