前汛期惠州市強(qiáng)降水氣候突變及其環(huán)流特征分析*

吳 蔚 ，喬云亭，溫之平 ，陳運(yùn)光 ，李明華 ，楊 柳

(1.惠州市氣象局，廣東 惠州 516003;2.中山大學(xué)季風(fēng)與環(huán)境研究中心/大氣科學(xué)系，廣東 廣州 510275)

華南屬副熱帶季風(fēng)氣候區(qū),是我國(guó)汛期時(shí)間最長(zhǎng)、降水最多、雨澇最多的地區(qū)之一，降水具有明顯的季節(jié)變化[1]。前汛期(4-6月)降水占華南全年降水40％～50％或更多，其中5月下旬-6月中旬(俗稱(chēng)“龍舟水”)為前汛期降水高峰。期間暴雨頻繁發(fā)生，甚至出現(xiàn)大暴雨或特大暴雨，容易誘發(fā)洪澇災(zāi)害[2]。因此，華南前汛期強(qiáng)降水事件一直備受?chē)?guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。

隨著全球氣候變暖,陸地大部分地區(qū)強(qiáng)降水比例增加,我國(guó)極端降水事件發(fā)生的頻率也在增加,并具有明顯的區(qū)域性和季節(jié)變化特征[3-4]。盡管近幾十年來(lái)，全國(guó)總降水量變化趨勢(shì)不明顯，但雨日顯著減少[5]，表明降水過(guò)程可能存在強(qiáng)化的趨勢(shì)，旱澇可能趨于增多[6-8]。在我國(guó)不同地區(qū)，降水及其極端事件頻率均有較明顯的時(shí)空差異[9-11]。就華南地區(qū)總體降水特征而言，年降水量在1992年經(jīng)歷了一次由減少趨勢(shì)到增加趨勢(shì)的突變,日最大降水量和年平均暴雨日數(shù)間有很好的相關(guān)關(guān)系[12]；華南夏季降水存在兩個(gè)主要?dú)夂蜃儺悈^(qū)，中部降水以年代際變化特征為主，西北部降水則以年際變化特征為主[13]。而華南極端降水易發(fā)生在厄爾尼諾年春季和拉尼娜年夏季[14]。綜上可見(jiàn),強(qiáng)降水事件的研究已引起越來(lái)越多氣象學(xué)者的關(guān)注。然而，華南強(qiáng)降水事件研究尚處于起步階段，強(qiáng)降水事件的變化存在明顯地域差異。惠州市龍門(mén)縣是廣東省3大暴雨中心之一，近50年來(lái)惠州市雨日明顯減少，降水呈集中趨勢(shì)[15]，然而，針對(duì)惠州市前汛期強(qiáng)降水的氣候分析尚存不足。因此，本文將在考察惠州前汛期強(qiáng)降水年際變化的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析強(qiáng)降水事件異常的環(huán)流背景及其對(duì)強(qiáng)降水的影響，為進(jìn)一步研究華南前汛期強(qiáng)降水事件異常的機(jī)理提供觀測(cè)事實(shí)和診斷基礎(chǔ)。

1 資料與方法

本文使用的資料包括1967-2009年惠州市4個(gè)站的逐日降水資料和美國(guó)NOAA提供的1967-2009年NCEP/NCAR月平均再分析資料[16]。采用的方法主要是Mann-Kendall檢驗(yàn)法、小波分析[17]和合成分析。

為了分析前汛期強(qiáng)降水事件的氣候特征，本文選取總降水量、暴雨量和暴雨日數(shù)作為強(qiáng)降水統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，指標(biāo)定義和單位見(jiàn)表1。

表1 惠州前汛期強(qiáng)降水統(tǒng)計(jì)指標(biāo)及其定義

2 前汛期強(qiáng)降水的氣候變化特征

2.1 前汛期強(qiáng)降水的氣候特征

廣東省各地暴雨量可占年降水量20％以上，且就汛期而言，廣東中北部(龍門(mén)、佛岡和清遠(yuǎn)一帶)是前汛期暴雨量占年降水量大比值區(qū)之一[18]?？梢?jiàn)，廣東各地的暴雨量往往對(duì)總降水量有重要貢獻(xiàn)，而各地強(qiáng)降水的偏多或偏少，不僅具有地域代表性，且又與大范圍降水過(guò)程密切相關(guān)。

從氣候平均來(lái)看，前汛期華南區(qū)域平均總降水量、暴雨日數(shù)分別為660 mm和2.7 d[19]。前汛期惠州市總降水量為879.5 mm，雨日52.3d；其中暴雨量382.8 mm，占前汛期降水量的41.8％，而暴雨日數(shù)達(dá)4.5 d，占前汛期雨日的8.6％?？梢?jiàn)，前汛期惠州市總降水量和暴雨量大，暴雨日數(shù)多，能很好反映惠州前汛期強(qiáng)降水的氣候平均特征。然而，由于每年華南前汛期降水時(shí)空分布往往極不均勻，導(dǎo)致此間惠州市強(qiáng)降水指標(biāo)在極端異常年份出現(xiàn)明顯差異。如：前汛期總降水量、暴雨量和暴雨日數(shù)的極端最大值分別高達(dá)為1395.0 mm(2008年)、874.3 mm(2008年)和9 d(2008年)，而極端最小值僅為324.2 mm(2002年)、130.6 mm(1995年)和1 d(2002年)。

2.2 前汛期強(qiáng)降水的年際變化

圖1為惠州前汛期強(qiáng)降水指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化距平的時(shí)間序列。由圖可見(jiàn)，惠州市前汛期近40年強(qiáng)降水指標(biāo)均無(wú)明顯的線性變化趨勢(shì)，但這些強(qiáng)降水指標(biāo)具有同相變化特征，其中暴雨量、暴雨日數(shù)與總降水的同期相關(guān)分別達(dá)0.93和0.85(超過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn))，說(shuō)明本文所選的2個(gè)暴雨指標(biāo)對(duì)惠州前汛期總降水量的時(shí)間變化有很好的指示意義。

圖1 惠州前汛期強(qiáng)降水指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化距平曲線

圖2 惠州前汛期強(qiáng)降水指標(biāo)小波變換模(a)為總降水量，(b)暴雨量，(c)暴雨日數(shù))

值得注意的是，3個(gè)指標(biāo)均經(jīng)歷了2個(gè)明顯的階段性變化，即在上世紀(jì)70年代中至90年代前三者振幅均較小，此后振幅加大。通過(guò)小波分析發(fā)現(xiàn)，這些強(qiáng)降水指標(biāo)在上世紀(jì)90年代之前無(wú)明顯的振蕩周期，但從1990s之后開(kāi)始呈現(xiàn)明顯振蕩周期，1990年代中期振蕩周期為4 a左右，1990年代后期至今周期縮短至2 a左右(圖2)。此外，通過(guò)計(jì)算方差貢獻(xiàn)率(即距平平方與方差之比)發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)降水指標(biāo)的逐年方差貢獻(xiàn)率自1990年代也均呈顯著增加(圖3)。而總降水量、暴雨量和暴雨日數(shù)的方差貢獻(xiàn)率突變時(shí)間分別為1998、1995和1997年(圖4)。突變后3者的平均方差貢獻(xiàn)率分別為4.5％、4.2％和4.1％，大于突變前的1.5％、1.3％和1.5％。綜上所述，近20年惠州市前汛期強(qiáng)降水不僅頻率趨增多，且氣候變化異常幅度趨顯著。

圖3 惠州前汛期強(qiáng)降水指標(biāo)方差貢獻(xiàn)率

圖4 惠州前汛期強(qiáng)降水指標(biāo)方差貢獻(xiàn)率的MK曲線直線為0.05顯著性水平臨界值

3 前汛期強(qiáng)降水與大氣環(huán)流異常的關(guān)系

3.1 前汛期大氣環(huán)流氣候特征

圖5給出了1967-2009年平均的前汛期500 hPa位勢(shì)高度和850 hPa風(fēng)場(chǎng)。對(duì)流層中層，西風(fēng)帶環(huán)流系統(tǒng)和熱帶季風(fēng)系統(tǒng)是影響華南前汛期降水的主要因子。中高緯呈準(zhǔn)一槽一脊型，槽、脊分別位于東亞和巴爾喀什湖附近，此外貝加爾湖和額庫(kù)茨克海是弱高壓脊；低緯副熱帶高壓穩(wěn)定維持在西北太平洋，南支槽開(kāi)始活躍。對(duì)流層低層，華南西南氣流主要來(lái)自南亞季風(fēng)、南海季風(fēng)和西北太平洋副熱帶高壓西側(cè)的東南季風(fēng)?；葜菔姓梦挥谑茄馗备呒咕€北上的暖濕氣流與中緯南下的冷空氣相交綏地區(qū)，鋒面、氣旋活動(dòng)頻繁，形成大范圍降水天氣，受其影響惠州市進(jìn)入雨季。

3.2 前汛期強(qiáng)降水與環(huán)流的相關(guān)

為了進(jìn)一步分析惠州市降水與大氣環(huán)流的聯(lián)系，圖6給出了惠州市前汛期降水距平與500 hPa位勢(shì)高度和850 hPa風(fēng)場(chǎng)的回歸。500 hPa，最明顯的特征是巴爾喀什湖-貝加爾湖-額庫(kù)茨克海呈現(xiàn)“+ - +”的遙相關(guān)波列(圖6a)；850 hPa，貝加爾湖附近存在一顯著氣旋性環(huán)流，西北太平洋則為顯著反氣旋性環(huán)流，華南及其沿海主要受該反氣旋西北緣的異常西南氣流影響(圖6b)。暴雨量、暴雨日數(shù)與大氣環(huán)流的回歸與上述結(jié)果類(lèi)似，這里不再贅述。以上分析表明，惠州市前汛期強(qiáng)降水與大氣環(huán)流存在顯著相關(guān)，即對(duì)流層中層，巴爾喀什湖、額庫(kù)茨克海高壓脊偏強(qiáng)、貝爾加爾湖高壓脊偏弱，且華南低層西南季風(fēng)偏強(qiáng)，惠州市前汛期強(qiáng)降水偏多；反之則強(qiáng)降水偏少。

圖5 1967-2009年前汛期500 hPa 位勢(shì)高度(a，單位：gpm)和850 hPa風(fēng)場(chǎng)(b，單位：m·s-1)

圖6 惠州市前汛期降水與500 hPa 位勢(shì)高度(a，單位：gpm)和850 hPa風(fēng)場(chǎng)(b，單位：m·s-1)的回歸(陰影區(qū)：通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn))

4 前汛期強(qiáng)降水氣候突變的環(huán)流差異

大氣環(huán)流異常是導(dǎo)致華南前汛期降水異常的直接原因，因此有必要關(guān)注突變前后前汛期惠州市強(qiáng)降水偏多、少年的物理量和環(huán)流特征差異，從而為前汛期惠州市強(qiáng)降水變化的研究和氣候預(yù)測(cè)提供物理背景。這里定義總降水量、暴雨量和暴雨日數(shù)同時(shí)小(大)于-0.75(0.75)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化距平的年份為強(qiáng)降水偏少(多)年(表2)，突變時(shí)間選3個(gè)強(qiáng)降水指標(biāo)方差貢獻(xiàn)率中最早的1995年，則強(qiáng)降水偏少、偏多年在突變前分別有3(1988、1991、1994)和3(1973、1975、1993)年，在突變后分別有4(1995、1999、2002、2004)和5(2000、2005、2006、2007、2008)年。以下分別對(duì)強(qiáng)降水偏少(多)年突變前后的環(huán)流形勢(shì)和物理量進(jìn)行合成對(duì)比分析。

表2 惠州前汛期強(qiáng)降水事件

4.1 前汛期強(qiáng)降水氣候突變的形勢(shì)對(duì)比

圖7、8分別給出了突變前后惠州前汛期強(qiáng)降水事件的合成500 hPa位勢(shì)高度和850 hPa風(fēng)場(chǎng)。

強(qiáng)降水偏多年，500 hPa突變前貝加爾湖附近為位勢(shì)高度負(fù)異常區(qū)(圖7a)，突變后巴爾喀什湖附近為位勢(shì)高度正異常區(qū)(圖7c)，巴爾喀什湖高壓脊較突變前偏強(qiáng)，脊前經(jīng)向度加大，更有利于引導(dǎo)冷空氣南下。850 hPa突變前蒙古地區(qū)為氣旋性異常環(huán)流，其東側(cè)有明顯的偏南風(fēng)異常，華南受顯著異常的西南風(fēng)控制，強(qiáng)盛的西南暖濕氣流自中南半島一直延伸至長(zhǎng)江流域南側(cè)，我國(guó)大部地區(qū)處于一致的偏南風(fēng)場(chǎng)(圖8a)；突變后蒙古地區(qū)為反氣旋性異常環(huán)流，其南側(cè)北風(fēng)異常顯著，低緯地區(qū)中南半島為顯著的東北風(fēng)異常，廣西上空為偏北風(fēng)，廣東南嶺以北為東北風(fēng)場(chǎng)，沿海地區(qū)為明顯的偏西風(fēng)異常，南海中東部的東南風(fēng)異常直指廣東沿海(圖8c)。

強(qiáng)降水偏少年，500 hPa突變前華南為位勢(shì)高度正異常區(qū)(圖7b)，突變后華南高度場(chǎng)無(wú)明顯異常，而蒙古地區(qū)存在反氣旋中心(圖7d)，突變后冷空氣勢(shì)力明顯增強(qiáng)。850 hPa突變前長(zhǎng)江流域?yàn)榉礆庑眰?cè)的西風(fēng)異常，南海為反氣旋南側(cè)的東風(fēng)異常，華南處于西南風(fēng)和東北風(fēng)的輻散區(qū)域(圖8b)；突變后黃淮-江淮為顯著東北風(fēng)異常，華南-中南半島亦為異常東北風(fēng)，我國(guó)大部地區(qū)處于一致的偏北風(fēng)場(chǎng)(圖8d)。

進(jìn)一步對(duì)比可知，惠州前汛期強(qiáng)降水偏多(少)年，突變前后低緯地區(qū)均呈現(xiàn)偏南(東北)氣流異常；而引起強(qiáng)降水偏多(少)年突變的環(huán)流形勢(shì)差異，主要表現(xiàn)為突變后冷空氣作用明顯，低層北風(fēng)分量增強(qiáng)。強(qiáng)降水偏多年，突變前，低緯地區(qū)的西南風(fēng)異常尤為顯著，強(qiáng)盛的西南暖濕氣流對(duì)水汽和不穩(wěn)定能量的輸送造成惠州強(qiáng)降水明顯偏多，但由于強(qiáng)盛的西南風(fēng)延伸至長(zhǎng)江流域南側(cè)，我國(guó)大部地區(qū)為一致偏南風(fēng)場(chǎng)，水汽仍可進(jìn)一步向北輸送，隨著雨帶北推，惠州強(qiáng)降水難以繼續(xù)維持；突變后，南風(fēng)異常雖不如突變前顯著，但由于北風(fēng)的顯著增強(qiáng)，冷、暖空氣在華南地區(qū)交綏，易引發(fā)惠州強(qiáng)降水，且因?yàn)楸憋L(fēng)的阻擋作用，致使水汽和不穩(wěn)定能量在華南地區(qū)不斷堆積，造成強(qiáng)降水的增幅和維持。即在一定的形勢(shì)背景下，當(dāng)存在冷空氣和低層北風(fēng)的顯著作用時(shí)，更易引發(fā)或加劇強(qiáng)降水異常。強(qiáng)降水偏少年，突變前，華南地區(qū)主要受反氣旋控制，南、北風(fēng)輻散明顯，低緯地區(qū)偏東氣流異常對(duì)西南水汽輸送的抑制，不利于惠州出現(xiàn)強(qiáng)降水；突變后，冷空氣較突變前強(qiáng)盛，中南半島-華南為一致的東北風(fēng)異常，華南受單一冷氣團(tuán)控制，大氣更加干冷，更不易于惠州強(qiáng)降水的發(fā)生。

圖7 惠州前汛期不同強(qiáng)降水事件突變前(a、b)、后(c、d)合成的500 hPa 位勢(shì)高度(單位：gpm)(a、c為強(qiáng)降水偏多事件，b、d為強(qiáng)降水偏少事件；陰影區(qū)：通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn))

4.2 前汛期強(qiáng)降水氣候突變的物理量差異

除了上述的形勢(shì)差異以外，突變前后前汛期惠州強(qiáng)降水事件在動(dòng)力和熱力特征方面也有顯著區(qū)別。強(qiáng)降水偏多年，華南上空高低層散度差進(jìn)一步偏強(qiáng)(圖9a)，有利于垂直上升運(yùn)動(dòng)的形成；而500 hPa垂直速度和假相當(dāng)位溫垂直梯度均呈負(fù)距平差異(圖10a、11a)，則表明中層垂直上升偏強(qiáng)和對(duì)流不穩(wěn)定加大。這些物理量的異常有利于突變后惠州地區(qū)強(qiáng)降水的發(fā)生。降水偏少年，情況則相反(圖9b、10b、11b)，上述物理量的異常較突變前更不利于強(qiáng)降水的出現(xiàn)。

圖8 同圖7，但為850 hPa風(fēng)場(chǎng)(單位：m·s-1)

圖9 惠州市前汛期強(qiáng)降水事件散度D(200 hPa-850 hPa)的突變差異(突變后減突變前，單位：10-5·s-1)(a、b分別為偏多、少年，陰影區(qū)：通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn))

圖10 同圖9，但為500 hPa垂直速度(單位：hPa·s-1)

圖11 同圖9，但為假相當(dāng)位溫θse(300 hPa-850 hPa)(單位：K)

5 結(jié) 論

1)總降水量、暴雨量和暴雨日數(shù)能很好反映惠州前汛期強(qiáng)降水氣候特征,惠州地區(qū)近40年前汛期平均總降水量、暴雨量分別為879.5和382.8 mm，暴雨日數(shù)達(dá)4.5 d。

2)惠州地區(qū)近40年前汛期平均總降水量、暴雨量和暴雨日數(shù)無(wú)明顯趨勢(shì)變化，但1990年代中期至今，其總降水量、暴雨量和暴雨日數(shù)不僅頻率趨增多，且氣候變化異常程度趨顯著。

3)進(jìn)一步對(duì)比惠州前汛期強(qiáng)降水異常事件突變前后的環(huán)流特征，強(qiáng)降水偏多(少)年，突變前后低緯地區(qū)均呈現(xiàn)偏南(東北)氣流異常，而引起強(qiáng)降水偏多(少)年突變的環(huán)流形勢(shì)差異，主要表現(xiàn)為突變后冷空氣作用明顯，低層北風(fēng)分量增強(qiáng)：當(dāng)存在冷空氣和低層北風(fēng)的顯著作用時(shí)，強(qiáng)降水偏多年，在一定的形勢(shì)背景下，冷暖氣團(tuán)交綏和北風(fēng)阻擋堆積作用更易引發(fā)或加劇強(qiáng)降水異常；強(qiáng)降水偏少年，華南受單一冷氣團(tuán)控制，為顯著東北風(fēng)異常，大氣更加干冷，更不易于強(qiáng)降水發(fā)生。突變前后物理量的差異主要表現(xiàn)為，突變后強(qiáng)降水偏多年高、低層散度梯度加大，垂直上升運(yùn)動(dòng)偏強(qiáng)，對(duì)流性不穩(wěn)定加大，利于強(qiáng)降水發(fā)生；強(qiáng)降水偏少年上述物理量的變化則相反，不利強(qiáng)降水出現(xiàn)。

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