应用气象学报  2006, 17 (3): 354-362   PDF    
引用本文
谢炯光, 纪忠萍, 谷德军, 梁健, 曾琮, 熊亚丽, 林镇国. 广东省前汛期连续暴雨的气候背景及中期环流特征[J]. 应用气象学报, 2006, 17(3): 354-362.
Xie Jiongguang, Ji Zhongping, Gu Dejun, Liang Jian, Zeng Cong, Xiong Yali, Lin Zhenguo. The Climatic Background and Medium-range Circulation Features of Continuous Torrential Rain from April to June in Guangdong[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2006, 17(3): 354-362  
广东省前汛期连续暴雨的气候背景及中期环流特征
谢炯光1, 纪忠萍1, 谷德军2, 梁健1, 曾琮1, 熊亚丽1, 林镇国1     
1. 广州中心气象台, 广州 510080;
2. 广州热带海洋气象研究所, 广州 510080
2005-06-16 收到, 2006-03-16 收到修改稿.
资助项目: 广东省气象局气象科技研究课题“广东省中期灾害性天气过程的预报研究”及广东省气象台科研课题“连续暴雨的中期环流特征及预测”共同资助    
摘要: 为了解中期连续暴雨的成因, 进一步做好4—6月广东省致洪连续暴雨的中期预报, 用统计和合成分析方法, 对1961—2001年广东省前汛期连续暴雨过程的气候背景及中期环流特征进行了分析。分析结果表明:广东省6月出现连续暴雨的几率最大; 小波分析和最大熵谱分析表明, 广东省的连续暴雨存在准2~5年和10年左右的周期振荡, 未来几年发生连续暴雨的次数将增多; 用500 hPa候平均高度场资料, 对出现在广东省的前汛期连续暴雨过程的中期环流特征及高、低纬地区的环流演变特点进行了分析归纳, 总结出两类造成连续暴雨过程的中期环流特征的2条指标, 它们的共同特点为:中高纬度具有十分稳定的“西阻”和“东阻”, 中高纬的“东阻”和低纬120°E以东的正距平区相叠加, 使得低纬维持稳定的东高西低形势, 有利于出现连续暴雨过程。在此基础上利用欧洲中心500 hPa高度场未来1~5 d的格点逐日预报资料得到候平均图, 用动力-相似诊断方法作出2003—2005年广东省有无连续暴雨过程的中期趋势预报。
关键词: 广东    前汛期    连续暴雨    环流特征    
The Climatic Background and Medium-range Circulation Features of Continuous Torrential Rain from April to June in Guangdong
Xie Jiongguang1, Ji Zhongping1, Gu Dejun2, Liang Jian1, Zeng Cong1, Xiong Yali1, Lin Zhenguo1     
1. Guangzhou Central Meteorological Observatory, Guangzhou 510080;
2. Guangzhou Institute of Tropical and Marine Meteorology, Guangzhou 510080
Abstract: To better understand the cause of medium-range continuous torrential rain and forecast its inducing flood from April to June in Guangdong, the climatic background and medium-range circulation characteristics of continuous torrential rain happens in the target season during 1961—2001 in the Guangdong Province are analyzed using statistic and composite analysis. It shows that the continuous torrential rain has the highest probability (47%) in June and lowest probability (13%) in April. The wavelet transform and maximum entropy spectral demonstrate that the continuous torrential rain in Guangdong exhibits periodic oscillation of about 2—5 and 10 years, and the number of the continuous torrential rain will increase in the coming years. The medium-range circulation characteristics and evolving circulation features of high-and low-latitudes prone to Guangdong continuous torrential rain are analyzed with the pentad mean 500 hPa geopotential height. The two indexes of mediumrange circulation characteristics favorable for Guangdong continuous torrential rain are summarized. Their common feature is that the very stable blocking high in the west and blocking high in the east happen in the midhigh latitudes. The superposition between the east blocking high in the mid-high latitude and the positive anomalies east of 120°E in the low-latitudes make the pattern of east high and west low very steady. At 850 hPa, the significant composite pentad southwest wind belt in 10°—25°N, 80°—115°E provides water vapor for continuous torrential rain, from which the water vapor of the Bay of Bengal is continually transported to South China. The positive vertical velocity center is located over Guangdong Province in composite pentad vertical velocity field at 850 hPa. All these conditions are in favor of continuous torrential rain. Based on the above results and pentad mean 500 hPa geopotential height from daily prediction products of the European Center for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF), medium-range forecasting of continuous torrential rain in the Guangdong Province is made by dynamic-similarity diagnostic weather analysis and interpretation of Ki, Si, depression of the dew point in 850 hPa and other physical factors from numerical simulation according to forecasting experiments for precipitation. The accuracy is 12/17 (71%) for 17 forecasted continuous torrential rains process from April through June during 2003—2005. This demonstrates that the method has good reference for operational forecasting of continuous torrential rain.
Key words: Guangdong     from April to June     continuous torrential rain     circulation feature    
引言

4—6月是广东省的主要雨季, 俗称为前汛期。前汛期是广东省暴雨多发季节, 大范围暴雨易引起致洪水患, 特别是连续暴雨更易引起江河水库猛涨, 甚至超警戒水位, 造成洪涝、堤坝水库崩溃, 使人民生命财产遭受巨大损失。如1951年是20世纪最严重的一次大水灾, 广州被淹7天, 仅珠江三角洲灾民378万, 死伤10余万人; 1994年6, 7月, 华南两次大范围持续性致洪暴雨, 导致了特大洪涝, 两广直接经济损失高达540亿元[1]。

影响华南地区的前汛期暴雨系统有锋面、低槽、低涡、低空急流、切变线等, 发生的动力和天气学机制十分复杂, 是多种暴雨系统共同作用的结果。要准确地预报它的发生难度很大, 特别是中期连续暴雨过程的预报, 难度更大, 但防洪、防汛的迫切需要, 及近年来由于连续暴雨造成的经济损失, 引起了业务部门的极大关注和重视。文献[2]介绍了5 d暴雨中期预报系统, 文献[3]利用欧洲中心数值预报产品建立了汛期连续暴雨中期预报模型。本文用500 hPa候平均环流资料, 采用合成分析方法, 对广东省连续暴雨过程的基本成因及预报进行了初步的探索, 归纳、总结出广东省前汛期中期两类典型的有、无连续暴雨过程的天气概念模型的2条指标, 并分析其成因及天气学意义。在此基础上, 利用ECMWF 1~5 d 500 hPa高度场格点逐日预报得到候平均预报图, 用动力-相似诊断方法做出有、无连续暴雨过程出现的趋势预报, 在2003—2005年汛期连续暴雨过程的预报中有较好的参考价值。

1 连续暴雨过程的定义及资料 1.1 定义

按照广东省气象台中期预报服务的实际经验, 在每日的雨量图上 (08:00—08:00), 凡广东省内某测站的日雨量达50 mm以上者, 称该站有暴雨; 而当某日省内测站有相邻4个站暴雨连成片者, 称该日省内有暴雨。凡广东省暴雨日持续3 d以上者, 称为一次连续暴雨过程。

1.2 资料

1961—2005年广东省86站逐日降水资料, 1961—2005年4—6月广东省逐日雨型分布图, 1971—2001年500 hPa候平均高度场资料; 欧洲中心未来1~5 d 500 hPa逐日格点高度场预报资料。

2 各月连续暴雨个例

统计1961—2001年4—6月广东省逐日雨型分布图, 得到4—6月逐月连续暴雨个例共76个, 见表 1。

表 1 1961—2001年4—6月广东省连续暴雨的历史个例

3 连续暴雨的气候特征 3.1 连续暴雨随时间变化的特征

根据1961—2001年4—6月逐日雨型资料统计, 共出现76次连续暴雨, 平均每年有1.9次连续暴雨出现, 其中1963, 1967, 1985, 1990, 2000年全年没有出现连续暴雨, 1973年出现次数最多 (5次), 1980, 1992, 1993, 1998年每年出现4次。在4—6月前汛期连续暴雨中, 4月出现过10次 (占13%), 5月出现过30次 (占40%), 6月出现过36次 (占47%)。可见, 6月出现连续暴雨的机会最多, 历史上最长的连续暴雨出现在1994年和2001年6月, 均为12 d, 4月出现的机会较少。

用小波分析和最大熵谱分析对连续暴雨的气候背景进行分析, 可以了解连续暴雨的气候演变及周期变化情况。图 1和图 2是1961—2001年4—6月广东省连续暴雨的小波分析和最大熵谱分析结果。

图 1. 1961—2001年4—6月广东省连续暴雨次数的距平变化与高斯9点平滑 (a) 及其小波系数 (b)

图 2. 1961—2001年4—6月连续暴雨次数的小波方差 (a) 及最大熵谱分析 (b)

由图 1a可见, 连续暴雨次数具有明显的年际和年代际变化。从高斯9点平滑曲线可见, 1960—1970年连续暴雨的次数以偏少为主, 1971—1974年次数以偏多为主, 1975—1979年次数以偏少为主, 1980—1984年次数增多, 1985—1991年次数减少, 1992—1998年次数以偏多为主, 1999—2001年又明显偏少, 具有非常明显的阶段性及准周期性变化。

由图 1b可见, 小波系数等值线的正、负变化与距平图及高斯9点平滑曲线所反映的连续暴雨次数的正、负变化基本一致。小波系数图又反映了随时间的振荡周期变化, 主要表现为:1961—1974年, 振荡周期主要为准2~3年、3~5年的年际变化; 1975—1984年主要表现为明显的准8~10年及2~3年的周期变化; 1985—2001年主要表现为准13年的年代际周期变化及准3~5年、2~3年的年际变化。1990—2001年准3~5年周期变化的小波系数以“- + - + -”的形势变化。因此可以预测未来几年准3~5年周期变化的小波系数由负转正, 即未来几年发生连续暴雨的次数将增多。这种连续暴雨增多的趋势和全球变暖的趋势之间是否有一种内在的联系, 值得从多方面进行探索。

图 2为1961—2001年4—6月连续暴雨次数小波方差及最大熵谱图。由图 2a可见, 图中小波方差的峰值主要出现在3.8~10年及2~3年。由图 2b可见, 图中明显的峰值主要对应准10年, 5.0, 3.1, 2.2年左右的周期振荡。故连续暴雨次数主要存在准10年及准2~5年左右的周期振荡。

3.2 连续暴雨的空间分布特征

一次连续暴雨过程, 其暴雨落区 (广东省中期预报分5个区, 用1, 2, 3, 4, 5分别代表本省东北部、东南部、西北部、西南部、中部, 下同) 分布较为随机。由1961—2001年共41年的中期雨型资料统计可以看出, 一次连续暴雨过程只出现在一个区的可能性非常少, 多数情况是几个区分别出现。对4—6月的连续暴雨落区统计有如下结果:4月, 连续暴雨多出现在5区和2区; 5月, 连续暴雨多出现在4区和2区; 6月, 连续暴雨多出现在2, 3, 4区。可见, 2区出现连续暴雨的次数最多, 其次是4区, 这几个区也是广东省的多暴雨中心, 其中2区包含以粤东莲花山南麓的海丰、陆丰为中心, 4区包含以粤西天露山、八甲大山南坡的两阳两平 (阳江、阳春、恩平、开平) 为中心的地带。广东省的东北部和珠江三角洲一带出现连续暴雨的机会相对较少。

4 连续暴雨的500 hPa中期环流特征

暴雨, 特别是大范围连续暴雨, 一定要有一个相对稳定的大气环流形势, 使得为暴雨提供必须的水汽和动力条件的各种不同尺度的天气系统的相互作用能够在一定的时间里维持、再生和发展。文献[4]指出东亚东部高纬地区的阻塞形势和低纬西太平洋副热带高压系统稳定是造成连续性暴雨的大尺度环流背景, 另外, 不同地区产生连续暴雨的天气系统和大尺度环流形势都会有差异[4-5]。对1961—2001年4—6月76个连续暴雨过程的500 hPa候平均环流场进行分析发现, 造成广东省连续暴雨过程的500 hPa中期环流特征主要有2种类型, 为归纳出它们的共性, 本研究从中分别挑选出17个个例进行合成分析。

图 3a是第一类型连续暴雨过程500 hPa候平均高度合成场 (由1976年5月2候等共17个个例合成平均)。由图可以看出, 其主要特点是:低纬为准二槽二脊型, 30°E和90°E附近为低槽控制, 60°E处以西和120°E以东为高压脊控制, 副热带高压西脊点在120°E附近, 副高外围588 dagpm线北边界在25°N附近, 南边界在10°N附近, 东界在180°附近, 可见副热带高压较强, 影响广东省的低纬环流表现为东高西低形势。中高纬地区环流呈准二槽三脊型, 二槽主要位于巴尔喀什湖和朝鲜半岛附近; 三脊位于20°~50°E, 100°~120°E, 140°~180°E, 其中贝尔加湖附近的高压脊呈东北—西南走向。在这样的中高纬环流与低纬环流场配置下, 可以看出, 低纬副热带高压与中高纬东部的高压脊相叠加, 使副热带高压稳定少变, 低纬的低槽移动缓慢, 形成东高西低的阻塞形势, 而位于贝尔加湖附近的冷空气源源不断东移南下, 与稳定的低纬槽前西南气流相遇, 或形成切变线南压, 或形成锋面低槽, 由于东高西低形势稳定, 因此, 易造成连续不断的暴雨发生。

图 3. 两类有连续暴雨过程的合成平均环流特征场 (单位:dagpm) (a) 1976年5月2候等17个个例合成平均, (b) 1982年5月2候等17个个例合成平均

图 3b是第二类型连续暴雨过程500 hPa候平均高度合成场 (由1982年5月2候等共17个个例合成平均), 由图可以看出, 其主要特点与一类型相似:低纬为准二槽二脊型, 二槽、二脊所在位置相差不多, 副热带高压较强, 副热带高压西脊点伸到105°E附近, 副热带高压外围588 dagpm线北边界在25°N附近、南边界在10°N附近, 东界在180°E附近, 可见副热带高压较强, 影响广东的低纬环流表现为东高西低形势。中高纬地区呈准二脊一槽型, 二脊位于里海—巴尔喀什湖和鄂霍次克海附近 (40°~80°E, 130°~160°E), 贝加尔湖附近为低槽控制, 巴尔喀什湖附近地区的冷空气, 由贝加尔湖附近的低槽引导南下, 与低纬槽前西南气流相遇, 同样, 由于东高西低形势稳定, 因此易造成连续不断的暴雨发生。

图 4是两类连续暴雨过程850 hPa候平均风场合成场, 由图可以看出, 两类连续暴雨过程850 hPa候平均风场合成场图上, 10°~25°N, 80°~115°E间有一条明显的西南风带, 为连续暴雨的水汽通道, 孟加拉湾的水汽源源不断地输送到华南上空, 与副热带高压西端边缘的东南气流在广东省上空汇合。另外, 可以看到北方冷空气相当活跃。图 5是两类连续暴雨过程850 hPa候平均垂直速度合成分布, 可见广东省均处在正垂直速度中心, 十分有利连续暴雨过程的产生。

图 4. 两类连续暴雨过程850 hPa候平均风场合成场 (单位: m/s, (a) 与 (b) 说明同图 3)

图 5. 两类连续暴雨过程850 hPa垂直速度合成分布 (单位: m/s, (a) 与 (b) 说明同图 3)

对比图 3a和3b两类环流特征场可以看出, 连续暴雨过程有它固有的一些特征, 而非连续暴雨过程一般不具备这些特征 (图略), 因此, 使得判断有无连续暴雨天气过程, 具有明确的天气学意义 (指标的定量化还有待改进)。这些特征可以归纳为:

① 中高纬地区环流呈准二槽三脊型或准二脊一槽型。第一型中高纬在20°~50°E与140°E~180°附近为高压脊控制, 第二型在中高纬40°~80°E与130°~160°E附近为高压脊控制, 称之“西阻”、“东阻”。其中第一型巴尔喀什湖附近为低槽控制, 贝加尔湖附近为东北—西南向高压脊控制, 而第二型巴尔喀什湖附近为高压脊控制, 贝加尔湖附近为低槽控制, 两者刚好相反。

② 低纬为准二槽二脊型, 二槽分别在30°~40°E和90°E处, 两脊分别在60°E以西和120°E以东附近。副热带高压西脊点第一型在120°E附近, 第二型在100°E附近。副热带高压面积的大小 (588 dagpm线范围) 第一型大约在10°~25°N, 120°E~180°。第二型大约在10°~25°N, 100°E~180°。

在此中高纬与低纬环流形势配置下, 贝加尔湖 (一类)、巴尔喀湖 (二类) 的高压少动, 冷空气南下与90° E处低槽前的西南气流交绥, 产生连续不断的暴雨。

众所周之, 合成分析归纳出来的天气概念模型, 一般来说, 如果天气意义明确, 所选个例又较多, 是能够反映实际大气的天气个例的。但有些时候与实际大气的天气个例往往会有较大的差别, 因此, 所归纳出的模型是否客观？是否有代表性？为此, 我们对1971—2001年5—6月共372候按照以上的2条指标与所归纳出来的天气概念模型进行对比分析试验, 得到如下统计结果:5月份预报无连续暴雨天气过程156次, 报错6次 (即漏报6次), 报有连续暴雨天气过程30次, 报错5次 (即空报5次); 6月份预报无连续暴雨天气过程152次, 报错10次 (即漏报10次), 报有连续暴雨天气过程34次, 报错10次 (即空报10次)。所得结果做χ2检验 (表略)。由表计算出的χ2=186.9, 自由度为 (2-1)×(2-1)=1, 由χα2算α=0.001为10.83), 表明方法通过α=0.001的显著性检验, 说明所归纳出来的天气概念模型试验结果还是较客观的。

图 6a给出了一类典型场的代表, 1973年3—8月10°~30°N经向平均的逐月500 hPa高度距平时间-纬向剖面图。由图可见, 5月2候前后在30°~60°E为负距平区, 60°~70°E为正距平区, 80°~100°E附近为一“W型”负距平, 110°~140°E处为正距平, 180°为正距平, 可以看出低纬为稳定的东高西低形势, 表明西边不断有低值系统东移; 图 6b相应给出了1973年3—8月55°~75°N经向平均逐月500 hPa高度距平时间-纬向剖面图, 由图可见, 5月2候前后在30°~70°E为一稳定正距平区, 70°~110°E为负距平区, 110°~170°E为正距平, 其中140°E附近为正距平中心强度为+2.5 dagpm, 60°E和170°E处从4—7月为西北—东南向的正距平区, 说明中高纬度的“西阻”和“东阻”十分稳定, 使得4—6月多连续暴雨出现。

图 6. 1973年3—8月经向平均的逐月500 hPa高度距平时间-纬向剖面 (单位: dagpm) (a) 10°~30°N, (b) 55°~75°

图 7a相应给出了二类典型场的代表, 1982年3—8月10°~30°N经向平均逐月500 hPa高度距平时间-纬向剖面图。由图可见, 5月2候前后在10°~40°E为负距平中心, 其强度为-1 dagpm, 70°~90°E附近为-1.0~-0.5的低值区, 120°E~180为正距平值区, 其中140°E附近为正距平中心, 与图 6a一样, 低纬为稳定的东高西低形势; 图 7b相应给出了1982年3—8月55°~75°N经向平均逐月500 hPa高度距平时间-纬向剖面图, 由图可见, 5月2候前后在10°~50°E范围内出现了-5~-3左右的距平, 在50°~90°E间为3.5 dagpm的正距平区, 110°~160°E范围内为较大的负距平中心。这表明中高纬地区西边存在稳定的阻塞形势, 这种形势维持到6月初。

图 7. 1982年3—8月经向平均的逐月500 hPa高度距平时间-纬向剖面图 (单位: dagpm) (a) 10°~30°N, (b) 55°~75°N

由上分析可见, 两类连续暴雨过程的环流特征场的共同特点是:中高纬度具有十分稳定的“西阻”和“东阻”, 低纬副热带高压较强, 副热带高压西脊点以西, 热带低纬20°~25°N, 30°~40°E与80°~100°E间低槽活动活跃。中高纬的“东阻”和低纬120°E以东的正距平区相叠加, 使得低纬维持稳定的东高西低形势, 有利于出现连续暴雨过程。

图 8是1973年和1982年1—12月80°~110°E平均逐月500 hPa高度距平经向-时间剖面图。由图可以看出20°~35°N维持稳定相对低值区, 在中高纬“东阻”和“西阻”之间的低值中心是造成广东省连续暴雨过程的大尺度环流背景。

图 8. 1—12月80°~110°E平均逐月500 hPa高度距平经向-时间剖面图 (单位: dagpm) (a) 1973年, (b) 1982年

5 中期连续暴雨过程的动力诊断

为了检验所归纳出来的连续暴雨天气过程概念模型, 本研究建立了连续暴雨天气过程业务系统, 整个操作过程自动运行, 从2003年起投入业务预报试验。

在具体的业务预报中, 分3步作动力诊断:①利用欧洲中心1~5 d预报的500 hPa高度场逐日格点资料计算出未来5 d的候平均预报场, 并与历史个例计算场的相似程度 (相似准则用公式:S (χi, χj)=Rij +(1/D (χi, χj)) 确定, 公式中Rij是两个场的相关系数 (公式略), 它反映两个场的相关性, , 是两个场的欧氏距离, 它反映两个场数值大小的吻合程度, 两者结合能较好地衡量两个场的相似程度, 选取最大数值S (χi, χj) 的相似场, 看其是否具有连续暴雨天气过程的特征。其中, i, j表示不同候平均预报场, m表示格点数; ②对欧洲中心5 d的候平均预报场用上面2条指标进行分析并与相似计算结果进行综合判断是否有连续暴雨天气过程; ③结合实况资料与数值预报产品的各种物理量, 如日本中尺度数值预报的K指数、沙氏指数、850 hPa温度露点差等进行综合分析, 最后做出广东省未来5 d是否有连续暴雨天气过程发生的趋势预报。

2003—2005年一共做了17次有无连续暴雨过程预报, 准确率为12/17=71%。对2种连续暴雨天气过程概念模型所得结果做χ2检验:

由表 2计算出的χ2=3.35自由度为 (2-1)×(2-1)=1, 由χα2算 (α=0.05和α=0.10分别为3.84和2.71), 表明方法通过α=0.10的显著性检验, 与α=0.05显著性检验有稍有差距。

表 2 有无连续暴雨过程χ2检验

特别值得一提的是, 对2004年6月份广东省出现的长时间连续暴雨过程和2005年6月广东省出现的百年一遇的大洪水的长时间连续暴雨过程, 在实际业务中应用该方法均准确预报了连续暴雨过程的出现, 在中期连续暴雨预报中发挥了较好的作用。

6 小结

1) 广东省每年约出现2次连续暴雨过程, 历史上最长连续暴雨日数为12 d (1994年, 2001年) 均出现在6月, 6月出现连续暴雨的机率最大。

2) 广东省连续暴雨存在准2~5年和10年左右的周期振荡, 未来几年发生连续暴雨的次数将增多。

3) 广东省的连续暴雨多发生在莲花山南麓的海丰、陆丰、汕尾一带, 其次是粤西的两阳、两平为中心的地带。

4) 广东省的连续暴雨的典型环流形势有两类, 在500 hPa候平均环流场上的主要特点是:中高纬为准二槽三脊或准二脊一槽; 低纬为二槽二脊型, 两类的共同特点是:中高经向具有十分稳定的“西阻”和“东阻”, 低纬副热带高压较强, 副热带高压西脊点以西, 热带低纬20°~25°N, 30°~40°E与80°~100°E间低槽活动活跃。中高纬的东阻和低纬120°E以东的正距平区相叠加, 使得低纬维持稳定的东高西低形势, 有利于连续暴雨过程的出现。

5) 利用数值预报产品对天气概念模型进行动力-统计释用是提高和改进中期预报的有效途径之一。

6) 2003—2005年4—6月共做了17次有无连续暴雨过程预报, 准确率为12/17=71%, 在业务应用上具有很好的参考价值。

参考文献
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