应用气象学报  2017, 28 (4): 470-480   PDF    
西江流域面雨量与区域大气环流型关系
钟利华1, 曾鹏1, 史彩霞1, 古文保2, 李勇1     
1. 广西壮族自治区气象服务中心, 南宁 530022;
2. 广西壮族自治区气象减灾研究所, 南宁 530022
摘要: 利用Lamb-Jenkinson大气环流分型方法,对西江流域1971—2015年逐日平均850 hPa和500 hPa高度场进行环流客观分型,分析流域降水天气环流型出现概率及主导环流型变化特征,探讨主导环流型对西江流域总面雨量和子流域面雨量的贡献率及环流型配置与降水的关系。结果表明:当850 hPa为西南风型、500 hPa为西风型时,流域出现降水天气的概率最大;850 hPa气旋型和500 hPa西风型对年总面雨量和各子流域面雨量的贡献率均为最大,且对东部子流域面雨量的贡献率大于西部子流域,850 hPa南风型与500 hPa反气旋型的环流配置是西部子流域秋季降水偏多的主导环流型配置;春季850 hPa气旋型与500 hPa西风型、夏季850 hPa气旋型与500 hPa西风型、秋季850 hPa南风型与500 hPa反气旋型、冬季850 hPa西南风型与500 hPa西风型的环流配置时,出现强降水天气的概率分别为18.7%,21.1%,4.0%和2.0%,即夏季最大,其次为春季,冬季最小。近45年,850 hPa气旋型、500 hPa西风型对流域年总面雨量的贡献率呈增加趋势,是西江流域面雨量呈偏多趋势的主导环流型。
关键词: Lamb-Jenkinson    环流分型    西江流域    面雨量    贡献率    
Relationship Between Areal Rainfall and Circulation Characteristics in Xijiang River Basins
Zhong Lihua1, Zeng Peng1, Shi Caixia1, Gu Wenbao2, Li Yong1     
1. Guangxi Meteorological Science and Technology Service Center, Nanning 530022;
2. Guangxi Research Institute of Meteorological Disaster Mitigation, Nanning 530022
Abstract: The reanalysis grid data of daily average 850 hPa and 500 hPa geopotential height field during 1971-2015 provided by NCEP/NCAR are used for computing six daily circulation indices of Xijiang River Basins using Lamb-Jenkinson atmospheric circulation classification method. The daily circulation is divided into straight wind type, rotary type and mixed type according to the relationship between the geostrophic wind speed, wind direction and the geostrophic vorticity. The circulation frequency of precipitation weather circulation in Xijiang River Basins is researched, showing that the probability of precipitation is the greatest when the circulation is southwest wind type at 850 hPa and west wind type at 500 hPa, which is the dominant circulation for precipitation in Xijiang River Basins. The contribution rate of different types of circulation to the total areal rainfall is calculated, and types with top 3 contribution rates are called the dominant circulation pattern. It's found that for the annual total rainfall and sub basin rainfall, the cyclone type at 850 hPa and westerly type at 500 hPa has the maximum contribution in each layer. The contribution of areal rainfall is larger in the east part and smaller in the west part of Xijiang River Basins. The main configuration of south wind type at 850 hPa and anticyclone type at 500 hPa causes rainy autumn over the western sub basin. By the influence situation of the first dominant circulation configuration of season total areal rainfall contribution for strong precipitation, it shows that the probability of strong precipitation are 21.1%, 18.7% and 2.0% while the configuration are cyclone at 850 hPa and west wind type at 500 hPa in summer or spring, south wind at 850 hPa and anticyclone type at 500 hPa in autumn, southwest wind at 850 hPa and west wind type at 500 hPa in winter, respectively. Analysis on the dominant circulation configuration for season rainfall indicate that, in spring and summer it's cyclone at 850 hPa and westerly at 500 hPa, in autumn it's southerly at 850 hPa and anti-cyclone at 500 hPa, and in winter it's southwest wind at 850 hPa and westerly at 500 hPa. The corresponding probability of heavy rainfall are 21.1%, 18.7%, 4% and 2%. In the past 45 years, areal rainfall contribution rates of cyclone at 850 hPa and the west wind at 500 hPa are increasing, which has a significant positive correlation (correlation coefficients are 0.63 and 0.69), indicating that it is the dominant circulation pattern with the trend of rainy in Xijiang River Basins.
Key words: Lamb-Jenkinson     circulation type classification     Xijiang River Basins     areal rainfall     contribution rate    
引言

西江流域水系主要流经云南、贵州、广西,是珠江流域三大水系中最大的水系,水力资源十分丰富,是我国重要的水电开发基地,其水电梯级开发被列为国家重点开发项目,现已开发的有红水河梯级、郁江梯级、柳江梯级、龙江梯级等主要梯级,随着各梯级水电站的建设并投产发电,为珠江三角洲地区提供了持续的清洁能源,满足了该地区不断增长的用电需求,从而改善了珠江三角洲地区以煤为主的能源消费结构,并对提升该地区大气环境质量起积极作用。作为水资源的开发工程,其来水主要由降水形成,流域径流与降水的趋势变化呈正相关关系[1],在某种程度上,降水量的不均匀分布对人类利用水资源带来不利的影响。而降水是在一定大气环流条件下形成的,多位学者对华南降水(异常)大气环流特征及成因进行了深入研究,形成了一些具有业务应用前景的气候特征分析技术及理论[2-7]

大气环流形势一般会决定区域天气气候的类型及其变化[8],大气环流持续异常会引起气候的异常变化,甚至导致极端天气气候事件发生,研究大气环流与降水、气温等气候要素的关系是研究区域气候变化规律的一种有效方法。环流分型方法可以分为主观和客观两种,主观分型方法十分直观且容易解释其物理意义,但主要依靠经验,因人而易,有明显的主观性,不利于推广应用。基于Lamb[9]大气环流分型方法的Jenkinson法[10]是一种克服了主观性的缺点,将主、客观方法结合起来的客观环流分型方法,简单易操作,又有明确的天气学意义,从天气气候学角度研究局地环流及其与气候变化的联系。Lamb-Jenkinson方法应用范围较广,如朱艳峰等[11]计算了中国16个区逐日的6个环流指数及相应的环流分类,分析中国各区域不同季节各种环流类型出现的概率及其变化特征,清晰地分辨出各区域不同的环流配置型,说明该方法在我国大部分地区是适用的;一些学者针对中国不同的季节和区域,分析各种环流型的变化特征,研究主要环流型与气象要素如降水、气温的关系及在预测中的应用,如周荣卫等[12]、郝立生等[13]、马占良[14]分别对北京地区、华北区域和青海省大气环流分型、特点及与气候的关系进行了分析,滕华超[15]、贾丽伟等[16]分别对山东省和东北地区降水与大气环流关系进行分析,邓伟涛等[17]、段雯瑜等[18]和覃志年等[19]分别将该方法应用于淮河流域夏季降水、冬季气温及广西延伸期区域性暴雨过程的预测。但这些研究主要采用海平面气压场资料展开对气候、气象要素影响的分析,而形成降水天气需要中低空大气环流的相互匹配、相互作用,自下而上各垂直高度层大气变化,尤其是中低空水汽、动力、辐合作用及其变化对强降水形成具有关键性作用。

本文采用Lamb-Jenkinson大气环流分型方法,对西江流域区域850 hPa高度场、500 hPa高度场进行环流型定量划分,分析西江流域主要环流型降水出现概率的气候特征,研究主导环流型变化特征及其对西江流域总面雨量和子流域面雨量的贡献率,以及环流型配置与降水的关系,为建立基于该方法的西江流域分区面雨量、流量预报模型提供参考。

1 资料及方法 1.1 资料

采用1971—2015年NCEP/NCAR逐日平均850 hPa和500 hPa高度场及海温场再分析资料(水平分辨率为2.5°×2.5°),以及西江流域范围内(21.5°~27.0°N,102.2°~112.1°E)122个气象站(其中广西77个, 云南23个,贵州22个)降水量资料(全国综合气象信息共享平台即CIMISS平台提取的1971—2015年逐日资料)。

1.2 西江流域分区及面雨量计算

西江流域由南盘江、红水河、黔江、浔江及西江等河段组成,主要支流有北盘江、柳江、郁江、桂江及贺江,针对水电行业对流域水文气象方面综合信息的要求,根据西江流域地形地貌、中小河流及各梯级水力发电站分布特征,采用文献[20]提出的西江流域小流域区划方法,将西江流域分为22个子流域(图 1a),自西向东依次排序为南盘江3个子流域(南盘江上游、南盘江中游、南盘江下游)、北盘江3个子流域(北盘江上游、北盘江下游、龙滩近库区)、郁江5个子流域(右江上游、右江流域、左江流域、郁江流域、西津流域)、红水河2个子流域(红水河上游、红水河下游)、柳江3个子流域(融江流域、龙江流域、柳江流域)、黔浔江3个子流域(洛清江流域、清水河流域、西江汇流)、桂江2个子流域(桂江上游、桂江中下游)、贺江1个子流域(贺江流域)。

图1 西江流域气象站点及22个子流域分区(a)与1971—2015年平均面雨量分布(单位:mm)(b) Fig.1 Distribution of meteorological stations in 22 sub basins(a) and the average areal rainfall(unit: mm)(b) in Xijiang River Basins during 1971-2015

采用泰森多边形法[21],利用西江流域范围122个气象站(图 1a)1971—2015年逐日降水量资料,统计西江流域历年22个子流域面雨量(图 1b)并建立时间序列。

图 1b可见,1971—2015年西江流域年平均面雨量呈现东多西少、东北多西南少、下游多上游少的特点,这与有关西江流域降水变化的研究结论一致[22-23]

1.3 方法

Lamb-Jenkinson环流分型方法是20世纪50年代英国气象学家Lamb[9]提出的, Jenkinson等[10]通过定义指数及分类标准将Lamb分类方法客观化, 该方法可以得到针对局地环流的客观数值描述, 并从天气气候学角度研究局地环流及其与气候变化的联系。它操作性强, 又有明确的天气气候学意义, 在气候变化和预测研究中使用广泛[11-19]

利用Lamb-Jenkinson分型方法对西江流域进行环流的客观分型,首先需要进行区域划分,区域划分既能覆盖西江流域,又能反映影响系统的主要特点。由于西江流域地处中、南亚热带季风气候区,冬季受东北季风影响,夏季受东南季风和西南季风影响,所以研究区域取以图 2中五角星处为中心点的15°~35°N, 100°~115°E范围,该范围包含了整个西江流域和南北季风影响的主要区域。取该范围内每隔5°的网格点为1个网格点(共16个点),对逐日850 hPa和500 hPa高度场进行环流分型。根据16个网格点数值,采用差分公式[11]计算中心点的地转风指数uv和涡度指数ξuξv(其中uv分别是地转风的纬向分量和经向分量,ξuu的经向梯度,ξvv的纬向梯度), (单位为dagpm/10°)。

图2 分型计算选用的16个格点位置示意 Fig.2 Distribution of 16 differential grid points for circulation type classification

根据地转风速、风向以及地转涡度之间的关系,将环流类型分为平直气流型、旋转型和混合型三大类,共计27小类,ξ < V为平直气流型(北风型、东北风型、东风型、东南风型、南风型、西南风型、西风型、西北风型),ξ > 2V为旋转型(气旋或反气旋);V < ξ < 2V为混合型(即气旋环流与反气旋环流分别配合北风、东北风、东风、东南风、南风、西南风、西风、西北风型),V < 6且ξ > 6时, 则无定义。若某一区域的环流型为反气旋型, 说明该区域为高压(反气旋控制),若为气旋型则为低压(气旋控制),北风型则表示该区域为偏北的地转风气流控制,反气旋配合北风型则表示该区域为高值系统控制下的偏北地转风影响,其余依此类推。

2 降水天气环流型特征

研究环流型对西江流域面雨量的贡献大小,首先需了解该流域出现降水时各种环流型的出现概率以及各自的特点,图 3给出1971—2015年西江流域850 hPa和500 hPa高度场历年降水日环流型出现概率(大于5%)分布(这里所述概率是指有降水天气时,环流型在一定时段内出现的频繁程度,用百分比(%)表示)。由图 3可见,有9种环流型出现概率超过5%,其中西风型、西南风型、气旋配合西南风型、气旋型、反气旋型和南风型是概率最大的5种环流型,而500 hPa西风型概率接近60%,表明西江流域降水500 hPa环流以西风型为主要特征。

图3 1971—2015年西江流域降水日环流型出现概率(大于5%)分布 Fig.3 Frequency distribution of circulation types(more than 5%) in Xijiang River Basins during 1971-2015

表 1给出了1971—2015年西江流域850 hPa和500 hPa高度场降水日出现概率高的前3种环流型, 其中,850 hPa为西南风型、南风型和气旋型,这3种环流型累计概率为48.8%;500 hPa为西风型和反气旋型、反气旋配合西风型,这3种环流型累计概率达80.1%。前3种环流型累计出现概率超过48%,可表征48%以上的西江流域降水天气环流特征,其中概率最大的环流型分别是850 hPa西南风型和500 hPa西风型,出现概率超过21%,是西江流域降水天气的主要环流型。

表 1 1971—2015年西江流域850 hPa和500 hPa高度场降水日出现概率的前3种环流型(单位:%) Table 1 The top 3 circulations and their frequency at 850 hPa and 500 hPa in Xijiang River Basins during 1971-2015(unit:%)

3 主导环流型对西江流域面雨量的贡献率 3.1 主导环流型对年总面雨量的贡献率

为了了解1971—2015年西江流域各主要环流型对面雨量的贡献情况,根据式(1) 统计环流型对面雨量的贡献率,即

(1)

式(1) 中,i为年序,c为环流型,N为某年c型环流出现的次数,Rc表示出现该种环流型时的面雨量,Rb为西江流域年总面雨量,Rcr为环流型对总面雨量的贡献率。将贡献率高的前3种环流型称为主导环流型。

图 4给出1971—2015年西江流域850 hPa和500 hPa高度场主导环流型对年总面雨量的贡献率及降水出现概率,850 hPa各主导环流型对面雨量的贡献率均超过10%,其中气旋型贡献率为最大(25%),且超过该环流降水的出现概率,表明气旋型环流对西江流域产生强降水天气提供了有利的低层动力和辐合条件;500 hPa西风型和反气旋型面雨量的贡献率超过10%,其中西风型高达46%,表明这两种环流型对西江流域产生强降水天气提供中层辐散抽吸条件,加强了低层气流的辐合上升运动。

图4 1971—2015年西江流域主导环流型对年总面雨量贡献率及降水出现概率 Fig.4 Annual average appearance frequency of main circulation types and the contribution rate of the total areal rainfall during 1971-2015

3.2 主导环流型对季总面雨量的贡献率

表 2给出1971—2015年西江流域850 hPa和500 hPa高度场主导环流型对季总面雨量的贡献率。

表 2 1971—2015年西江流域主导环流型对季总面雨量的贡献率 Table 2 The contribution rate of areal rainfall of dominant circulation types in four seasons in Xijiang River Basins during 1971-2015

冬季,850 hPa主导环流型累计面雨量贡献率为49.5%,其中西南风型贡献率为21.7%,500 hPa主导环流型累计面雨量贡献率为98.6%,其中西风型贡献率高达93.0%。总体而言, 主导环流型可描述近半数以上的降水情况,其中以西南风型、西风型为主的主导环流型,可描述21%以上的降水情况, 表征了冬季受欧亚大陆冷高压西南边缘影响,以平直气流辐合型而产生的降水为主,因而降水偏少。

春季,850 hPa主导环流型累计面雨量贡献率为58.6%,其中气旋型贡献率为25.1%;500 hPa主导环流型累计面雨量贡献率为90.9%,其中西风型贡献率高达77.8%。总体而言, 主导环流型可描述半数以上的降水情况,其中以气旋型、西风型为主的主导环流型,可描述25%以上的降水情况, 表征了春季逐渐受大陆热低压影响,850 hPa气旋活动加强,以气旋型气流辐合降水为主,500 hPa平直气流辐合型降水为辅,随着水汽输送的增强,降水也较冬季增多。

夏季,850 hPa主导环流型累计面雨量贡献率为64.2%,其中气旋型贡献率为34.8%;500 hPa主导环流型累计面雨量贡献率为48.3%,其中西风型贡献率为26.1%。总体而言, 主导环流型可描述半数以上的降水情况,以气旋型、西风型为主的主导环流型,可描述26%以上的降水情况,表征了夏季受大陆热低压和西太平洋副热带高压西侧边缘影响,850 hPa气旋活动更为活跃,气旋型气流辐合降水起主导作用,随着动力、热力和水汽条件的进一步加强,降水较春季明显增多。

秋季,850 hPa主导环流型累计面雨量贡献率为41.3%,其中南风型贡献率为16.6%;500 hPa主导环流型累计面雨量贡献率为80.5%,其中反气旋型贡献率为34.9%。总体而言, 主导环流型可描述41%以上的降水情况,以南风型、反气旋型为主的主导环流型,可描述16%以上的降水情况, 表征了秋季开始受大陆冷高压和西太平洋副热带高压脊影响,以平直气流辐合型和反气旋西侧气流辐合型产生的降水为主,较少气旋型降水,因而降水较春夏季少。

分析西江流域第1主导环流型配置对强降水的影响情况,统计1971—2015年各季节850 hPa与500 hPa高度场第1主导环流型配置下的西江流域降水个例,分析大雨(日面雨量为15.0~29.9 mm)、暴雨(日面雨量为30.0~59.9 mm)和大暴雨(日面雨量不小于60.0 mm)的出现概率(这里所述概率,是指大雨、暴雨、大暴雨出现的频繁程度,用百分比(%)表示),结果见表 3。由表 3可见,春季、夏季、秋季、冬季强降水天气出现的概率分别为18.7%,21.1%,4.0%和2.0%,其中夏季出现概率最大,其次为春季,冬季最小;春夏季大暴雨出现概率大于大雨或暴雨,而秋冬季大雨出现概率大于大暴雨,表明第1主导环流型配置的春夏季易于出现大暴雨及以上强降水天气,秋冬季的强降水主要为大雨量级。

表 3 1971—2015年西江流域各季节第1主导环流型配置的强降水面雨量出现概率(单位:%) Table 3 The frequency of areal rainfall about the combination of the first domiant circulation type in four seasons in Xijiang River Basins during 1971-2015(unit:%)

3.3 主导环流型对年总面雨量贡献率的趋势分析

图 5为1971—2015年西江流域850 hPa和500 hPa主导环流型对年总面雨量贡献率的线性倾向分布。由图 5可见,850 hPa(图 5a)气旋型对面雨量贡献率呈显著性增加趋势(达到0.001显著性水平),西南风型和南风型对面雨量贡献率呈显著性减少趋势(分别达到0.001和0.01显著性水平),对应的气候倾向分别为2.62 %/(10 a),1.78%/(10 a)和1.35%/(10 a),表明45年以来,气旋型对面雨量贡献率增加了11.78%,西南风型和南风型对面雨量贡献率减少了7.99%和6.07%;500 hPa(图 5b)西风型对面雨量贡献率为增加趋势,反气旋型和反气旋型配合西风型对面雨量贡献率呈减少趋势,3种环流型对面雨量贡献率均未通过显著性检验,对应的气候倾向分别为1.07 %/(10 a), 0.52%/(10 a)和0.25%/(10 a),西风型面雨量贡献率增加了4.8%,反气旋型和反气旋型配合西风型面雨量贡献率减少了2.34%和1.1%。

图5 1971—2015年西江流域850 hPa高度场(a)和500 hPa高度场(b)主导环流型对年总面雨量贡献率 Fig.5 The contribution rate of dominant circulations for annual areal rainfall in Xijiang River Basins during 1971-2015 (a)850 hPa, (b)500 hPa

统计表明,近45年西江流域年面雨量呈增多趋势(图略),选取对面雨量贡献率为增加趋势的主导环流型(850 hPa气旋型和500 hPa西风型)与西江流域面雨量进行相关分析,其相关分别为0.63和0.69,均为显著正相关,表明近45年来850 hPa气旋型和500 hPa西风型面雨量贡献率呈增加趋势,是西江流域年面雨量呈偏多趋势的主导环流型。

3.4 850 hPa主导环流型对面雨量贡献率影响机制

从主导环流型对年总面雨量贡献率的趋势分析可知,850 hPa为气旋型、西南风型和南风型对面雨量贡献率呈显著增加(或减少)趋势,分别达到0.001和0.01显著性水平。由以往研究[24-25]可知,热带海洋是大气运动能量的主要源地, 也是大气中水汽的主要来源。而太平洋赤道地区是整个热带海洋中海水温度变化最大的区域,这里海水温度的异常, 不仅影响当地的大气环流和天气, 而且通过影响Hadley环流强度的变化, 使中高纬度西风带的环流系统和天气发生异常,从而导致东亚大气环流的持续异常。为揭示西江流域区域850 hPa气旋型和偏南风型近45年趋势变化特征,对西江流域区域经向环流指数和涡度指数变化展开分析,首先找到影响经向环流指数和涡度指数的海温关键区, 该区域位于130°~170°W,15°S~5°N范围,即赤道中太平洋地区,然后分析该区域海温距平和西江流域区域850 hPa高度场平均经向环流指数和涡度的逐年变化(图 6)。由图 6可见,年平均经向环流指数为正值,表明西江流域区域850 hPa常年持续偏南风,从20世纪70年代以来呈下降趋势达到0.001显著性水平, 其中在20世纪70年代后期出现大幅度的衰减, 可见,南风在20世纪70年代后期以来显著减弱;年平均涡度指数为正值,表明西江流域低层常年多低压活动,涡度总体呈现不显著性的上升趋势,说明西江流域低压活动或低压强度有所增强;20世纪70年代以来, 年平均赤道中太平洋海温距平呈上升趋势(达到0.02显著性水平),21世纪初期开始至今多超过0.5℃,另外,海温距平与经向环流指数为显著的反相关关系(-0.49),与涡度指数为显著正相关关系(相关系数0.34),说明近45年来受赤道中太平洋海温升温的影响,西江流域区域850 hPa偏南风呈减弱趋势,而低压活动或低压强度呈增加(增强)趋势。

图6 1971—2015年赤道中太平洋海温距平和西江流域区域850 hPa高度场平均经向环流指数及涡度变化 Fig.6 Variations of SST anomaly in equatorial central Pacific and the average circulation index with vortex at 850 hPa in Xijiang River Basins during 1971-2015

3.5 主导环流型对西江子流域面雨量的贡献率

图 7给出1971—2015年西江流域850 hPa和500 hPa高度场主导环流型对西江各子流域面雨量的贡献率。由图 7可见,850 hPa气旋型对面雨量贡献率在各子流域中均最大(超过20%,最大达30%)(图 7a),且东部子流域(25%~30%)大于西部子流域(20%~24%),西南风型次之,各子流域贡献率为13%~17%,南风型对各子流域贡献率为9%~15%。表征850 hPa气旋式环流提供的动力抬升和水汽辐合作用,及西南气流的水汽输送作用对西江流域产生降水天气的贡献最大。

图7 1971—2015年西江流域850 hPa(a)和500 hPa(b)主导环流型对西江子流域面雨量贡献率 Fig.7 The contribution rate of dominant circulations for areal rainfall of sub basins in Xijiang River Basins during 1971-2015 (a)850 hPa, (b)500 hPa

500 hPa西风型在各子流域面雨量贡献率最大(超过30%,最大达61%)(图 7b),且东部子流域(45%~61%)大于西部子流域(31%~44%),反气旋型和反气旋配合西风型在西江西部子流域面雨量的贡献率为10%~25%,但在西江东部子流域面雨量的贡献率大部小于10%。总体上,500 hPa西风型对西江各子流域产生降水天气起到绝对的主导作用,另外,反气旋型和反气旋配合西风型对西江东部子流域面雨量的贡献率很小,不利于产生降水天气,而对西江西部子流域面雨量有较大的贡献率,表征了西江西部子流域处于副热带高压西侧,由于偏南气流的辐合作用,易于产生降水天气。

从主导环流型对季总面雨量和子流域面雨量贡献率分析可知,850 hPa南风型和500 hPa反气旋型是秋季降水的第1主导环流型,并对西部子流域面雨量有较大的贡献率。一些研究[26-28]表明:华西地区气旋性距平环流(气旋性风切变)形成低层风场辐合,同时高层为辐散,由此产生强烈的上升运动,500 hPa欧亚环流形势相对稳定, 偏强、偏北、偏西的副热带高压外围偏南气流为该区域输送大量水汽。乌拉尔山的长波脊和中亚低槽维持, 西北气流由此加强,冷暖空气交汇于华西地区从而形成极端降水,这种异常环流型在极端降水发生前1 d已存在。统计西江流域1971—2015年850 hPa南风型与500 hPa反气旋型配置的207个秋雨个例,并计算典型秋雨个例前1 d 850 hPa和500 hPa合成高度场及西江流域平均面雨量场(图 8),由图 8可见,西江流域区域850 hPa(图 8a)气流流向为自南向北方向,为东高西低的分布特征,在西江流域西部有等高线的密集区,存在气流的辐合;500 hPa副热带高压控制西江流域(图 8b),但其西侧有偏南暖湿空气沿副热带高压边缘向西江流域西部地区输送,与850 hPa气流的辐合区配合,形成较强降水,对应西江流域秋雨平均面雨量场(图 8c),最大值中心位于西江流域西部的南盘江下游和北盘江流域,总体呈西多东少的分布特征,而常年西江流域年平均面雨量为东多西少的气候态,表明850 hPa南风型与500 hPa反气旋型的环流配置对西江西部子流域秋雨偏多的影响显著。

图8 1971—2015年西江流域典型秋雨个例前1 d 850 hPa高度合成场(单位:dagpm)(a)和500 hPa高度合成场(单位:dagpm)(b)与平均面雨量场(单位:mm)(c) Fig.8 The height of 850 hPa (unit: dagpm)(a) and 500 hPa(unit:dagpm)(b) 1 d before typical autumn rains with the average areal rainfall in Xijiang River Basins(unit:mm)(c) during 1971-2015

4 小结

利用Lamb-Jenkinson方法,对西江流域逐日平均850 hPa和500 hPa高度场进行大气环流客观分型,揭示了主导环流型配置与西江流域降水的关系,主要结论如下:

1) 西江流域降水日850 hPa和500 hPa高度场出现概率高的3个环流型累计概率达48%以上,其中出现概率最高的环流型分别是850 hPa西南风型和500 hPa西风型。

2) 850 hPa和500 hPa对西江流域年总面雨量贡献率最大的环流型为850 hPa气旋型和500 hPa西风型,贡献率分别为25%和46%,是年面雨量25%以上降水天气的主导环流型。

3) 夏季和春季出现850 hPa气旋型与500 hPa西风型、秋季出现850 hPa南风型与500 hPa反气旋型、冬季出现850 hPa西南风型与500 hPa西风型的环流型配置时,强降水天气的概率分别为21.1%,18.7%,4.0%和2.0%,即夏季最大,其次为春季,冬季最小。

4) 近45年来,850 hPa气旋型、500 hPa西风型对面雨量的贡献率呈增多趋势,并与西江流域面雨量呈显著的正相关关系,是西江流域面雨量呈偏多趋势的主导环流型。

5) 850 hPa气旋型对各子流域面雨量贡献率最大,且东部子流域的贡献率(25%~30%)大于西部子流域(20%~24%)的贡献率,500 hPa西风型对各子流域面雨量贡献率最大,也是东部子流域的贡献率(45%~61%)大于西部子流域的贡献率(31%~44%);850 hPa南风型与500 hPa反气旋型配置是西部子流域秋季降水偏多的主导环流型配置。

本文从主导环流型对总面雨量贡献率趋势变化中得到呈上升趋势且贡献率较大的环流型及其对应西江流域面雨量的偏多趋势,对呈下降趋势的其他环流型可能是造成西江流域季节性或区域降水偏少的主要环流型需进一步研究。

参考文献
[1] 殷正雄.水资源及其变化的区域环境影响机制——以汉江流域中下游(湖北省内)为例.武汉:华中师范大学, 2011.
[2] 陈思, 高建芸, 黄丽娜, 等. 华南前汛期持续性暴雨年代际变化特征及成因. 应用气象学报, 2017, 28, (1): 86–97. DOI:10.11898/1001-7313.20170108
[3] 覃志年, 胡娅敏, 陈丽娟. 广西夏季降水的多时间尺度特征及影响因子. 应用气象学报, 2013, 24, (5): 565–575. DOI:10.11898/1001-7313.20130506
[4] 谢炯光, 纪忠萍, 谷德军, 等. 广东省6月长连续暴雨过程的气候特征及成因. 应用气象学报, 2012, 23, (2): 174–183. DOI:10.11898/1001-7313.20120206
[5] 马慧, 陈桢华, 毛文书, 等. 华南前汛期降水异常及其环流特征分析. 热带气象学报, 2009, 25, (1): 89–96.
[6] 何立富, 陈涛, 孔期. 华南暖区暴雨研究进展. 应用气象学报, 2016, 27, (5): 559–569. DOI:10.11898/1001-7313.20160505
[7] 李维京, 张若楠, 孙丞虎, 等. 中国南方旱涝年际年代际变化及成因研究进展. 应用气象学报, 2016, 27, (5): 577–591. DOI:10.11898/1001-7313.20160507
[8] 李崇银. 动力气候学引论. 北京: 气象出版社, 2000.
[9] Lamb H H. Types and spells of weather around the year in the British Isles. Quart J Roy Meteor Soc, 1950, 76: 393–438. DOI:10.1002/(ISSN)1477-870X
[10] Jenkinson A F, Collison F P. An Initial Climatology of Gales over the North Sea. Synoptic Climatology Branch Memorandum, 1977.
[11] 朱艳峰, 陈德亮, 李维京, 等. Lamb-Jenkinson环流客观分型方法及其在中国的应用. 南京气象学院学报, 2007, 30, (3): 289–297.
[12] 周荣卫, 何晓凤, 苗世光, 等. 北京地区大气环流型及气候特征. 气候变化研究进展, 2010, 6, (5): 338–343.
[13] 郝立生, 李维京. 华北区域环流型与河北气候的关系. 大气科学学报, 2009, 32, (5): 618–626.
[14] 马占良. 青海省大气环流分型及特点分析. 青海气象, 2008, (2): 6–10.
[15] 滕华超. 山东省夏季降水与大气环流型关系分析. 干旱气象, 2016, 34, (5): 789–795.
[16] 贾丽伟, 李维京, 陈德亮. 东北地区降水与大气环流关系. 应用气象学报, 2006, 17, (5): 557–566. DOI:10.11898/1001-7313.20060513
[17] 邓伟涛, 段雯瑜, 何冬燕, 等. 夏季淮河流域大气环流型在降水趋势预测中的应用. 气象科学学报, 2015, 38, (3): 333–341.
[18] 段雯瑜, 邓伟涛. 淮河流域大气环流型在冬季气温预测中的应用. 气象与减灾研究, 2014, 37, (1): 6–12.
[19] 覃志年, 李维京, 何慧, 等. 广西6月区域性暴雨过程的延伸预测试验. 高原气象, 2009, 28, (3): 688–693.
[20] 钟利华, 钟仕全, 李勇, 等. 广西电网流域面雨量监测、预报、报警系统. 气象研究与应用, 2013, 34, (3): 26–31.
[21] 徐晶, 林建, 姚学祥, 等. 七大江河流域面雨量计算方法及应用. 气象, 2001, 27, (11): 13–16. DOI:10.3969/j.issn.1000-0526.2001.11.003
[22] 王兆礼, 陈晓宏, 张灵, 等. 近40年来珠江流域降水量的时空演变特征. 水文, 2006, 26, (6): 71–75.
[23] 黄海洪, 林开平, 高安宁, 等. 广西天气预报技术与方法. 北京: 气象出版社, 2012.
[24] 李建东, 蒋国荣, 刘庭杰. 东亚季风区大气季内振荡与我国东部降水以及赤道中东太平洋海温的关系研究. 海洋预报, 2007, 24, (2): 33–38. DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2007.02.005
[25] 彭加毅, 孙照渤. 赤道东太平洋海温异常对夏季东亚大气环流的影响. 南京气象学院学报, 2001, 24, (1): 37–43.
[26] 李传浩, 刘宣飞, 李智, 等. 华西秋雨区域性极端降水的环流特征. 热带气象学报, 2015, 34, (4): 526–535.
[27] 鲍媛媛, 阿布力米提, 李峰, 等. 2001年华西秋雨的时空分布的特点及其成因分析. 应用气象学报, 2003, 14, (2): 215–222.
[28] 方建刚, 白爱娟, 陶建玲. 2003年陕西秋季连阴雨降水特点及环流条件分析. 应用气象学报, 2005, 16, (4): 509–517. DOI:10.11898/1001-7313.20050412