2020年湖北省两次低涡型极端降水气象因子异常特征对比

董良鹏 张萍萍

(1.武汉中心气象台,湖北武汉 430074； 2.威海市气象局,山东威海 264200)

引言

IPCC(政府间气候变化专门委员会)第五次评估报告表明，全球变暖背景下，极端气候事件呈增多趋势[1]。极端降水天气作为极端气候事件的一部分,所引发的洪涝、滑坡、泥石流等自然灾害已成为目前人类面临的严峻问题[2-4]。

现阶段的极端降水预报仍为天气预报难题，其研究的主要方向为3方面：一是极端降水多尺度天气特征研究，黄荣辉等[5]认为中国长江流域和江淮流域洪涝灾害频繁发生与东亚夏季风变弱、西太平洋副热带高压偏南、偏西有关。陶诗言和卫捷[6]研究表明，中国南方流域性致洪暴雨与季风涌存在密切的关系。孙凤华等[7]分析了东亚副热带西风急流位置的南北移动与中国长江流域和华北降水异常之间的联系。方翀等[8]、张楠等[9]研究了大暴雨发生过程中的中尺度系统特征。杨磊等[10]分析了台风影响下辽宁不同区域的极端暴雨成因。林璇等[11]对中国华北“7·20”特大暴雨进行了多尺度特征分析。二是极端降水气象因子异常度研究，杜钧等[12]以北京“7·21”特大暴雨为例应用了一种采用标准化异常度来进行极端降水预报的方法。张萍萍等[13]对一次梅雨期罕见极端强降水进行了气象因子异常特征分析，并给出了此次过程气象因子异常度的定量配置。何光碧等[14]认为2018年7月四川盆地降水偏多的主要原因在于较气候态异常偏多的水汽聚集。娄小芬等[15]对台风“利奇马”造成浙江极端降水的成因进行了分析，指出物理量的异常度可作为判断极端降水的重要因子。三是极端降水天气分型研究，孙建华等[16]对20世纪90年代中国华北的大暴雨天气形势进行了分型研究，指出台风和低涡是主要影响系统。钱维宏等[17]将中国东部地区的41日次区域暴雨划分为7类异常环流型，其中的涡旋类有4类。张家国等[18]对湖北省60例极端降水过程进行分析，归纳出5类主要影响天气系统，即锋面气旋、西南涡切变、西南涡—东北气旋、暖倒槽和登陆台风。钟敏等[19]通过对华中区域139例极端降水个例进行研究，总结出纬向型、经向型、台风西风带冷槽结合型和短波槽前低涡暖切变型四类极端降水天气形势。

以上研究表明，低涡型是产生极端降水的重要天气型。以往的低涡型极端降水研究多侧重于低涡天气系统和中尺度系统方面的研究，对于极端降水发生时低涡特征及气象因子异常度的研究较少。因此，研究不同类型低涡结构、气象因子异常度特征，判断低涡型极端降水可能的发生区域，是极端降水预报实际业务的迫切需求。2020年夏季湖北省遭遇了两次较明显的低涡型极端降水过程(6月27日和7月7日)，这两次极端降水的预报强度偏弱、范围偏小。基于实际预报需求，有必要深入探讨两次过程的异同，找出相应的预报指标，以期为湖北省及其他地区的低涡型极端降水预报提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

所用资料包括2020年6月27日、7月7日气象常规高空观测资料， 1981—2012年湖北省78个国家站以及2020年6月27日、7月7日国家站及区域站实况降水观测资料，1981—2012年NCEP/NCAR 2.5°×2.5°逐6 h再分析资料，主要计算并应用了位势高度、风、温度、海平面气压、大气可降水量、水汽通量散度、比湿、露点、涡度、散度、K指数、温度平流等物理量。

1.2 研究方法

极端强降水阈值应用百分位法，将1981—2012年单站日降水量中达到中雨量级(≥10 mm)的降水量从小到大进行排序，取95%百分位的降水量值定义为该站的极端降水阈值[20]。为研究极端强降水事件中各物理量的异常度特征，本文应用标准化距平法计算气象因子异常度，公式为

N=(X-μ)/σ

(1)

(2)

式(1) ～式(2)中，N为因子异常度；X为要素值；μ为要素平均值；σ为标准差；n为样本数。根据1981—2012年NCEP/NCAR再分析资料，采用滑动平均法，取当天前10 d、当天、当天后10 d共21 d的数据计算得到要素平均值。Grumm和Hart[21]的研究表明，可用N值大小判定极端事件中因子的异常程度，N的绝对值越大，表明因子与历史同期平均值的偏离程度越高。

2 结果分析

2.1 两次过程降水极端性对比

2020年6月27日和7月7日，湖北省分别发生了入梅以来两次大范围的大暴雨、局地特大暴雨降水过程，其中6月27日过程出现了龙卷。经统计，两次降水过程出现大暴雨(24 h降水量≥100 mm)的国家站、区域站总站数分别为489站和359站，达到特大暴雨标准(24 h降水量≥250 mm)的总站数分别为24站和21站。 6月27日降水过程有4个国家站24 h降水量突破建国以来当月历史极值，7月7日过程有2个国家站24 h降水量排名历史第一(表1)。

表1 2020年湖北省两次降水过程24 h降水量实况Table 1 Characteristic of the 24 h precipitation amount of the two rainstorm processes in Hubei province in 2020

极端降水事件统计结果表明，6月27日降水过程湖北省有29个国家站24 h雨量达到极端降水标准(图1a)，而7月7日降水过程则有31个国家站24 h雨量达到极端降水标准(图1b)。

两次过程均有短时强降水发生，但是降水性质不同。6月27日过程以对流性降水为主，对流非常剧烈，最强降水集中在27日午后到傍晚时段，区域站小时最大雨强达98.8 mm(当阳市向家草坝站)，伴随明显的雷电，并出现了龙卷。7月7日过程降水以大尺度降水为主，最强降水出现在8日凌晨，区域站小时最大雨强达82.8 mm(黄梅县杉木乡站)，没有观测到雷电。

2.2 大尺度背景及天气形势异常特征对比

2020年6月27日降水过程500 hPa环流形势较为稳定(图2a)，欧亚中高纬度西风带主要为两槽一脊型。6月27日20时巴尔喀什湖槽附近的高度场较常年同期偏低2个标准差，表明此处低值系统非常活跃，湖北省主要受巴尔喀什湖附近分裂短波槽东移影响，500 hPa为槽前西南气流控制。西太平洋副热带高压(简称副高)呈东西走向稳定位于华南地区，脊线在20°N附近，较常年同期显著偏强，引导暖湿气流向湖北地区输送。在高空槽前的正涡度平流作用下，850 hPa有西南低涡在四川、重庆一带生成并向东北方向移动加强，27日20时低涡东南侧出现明显的超低空急流(图2c)，最大风速达16 m·s-1，急流中心强度较气候平均偏强达到3个标准差，异常偏强的低空急流为此次极端天气的产生输送了充沛的水汽和较强的不稳定能量，有利于极端降水的产生。由海平面气压场可知(图略)，湖北省暖低压发展的最低值较气候平均偏低2个标准差，有利于不稳定能量的迅速积累，地面图的湖北西部在锋面前侧暖槽中(图2e)，地面温度达26 ℃左右，湖北中部有一条明显的地面辐合线。

小三角为达到极端降水标准气象站点；大三角为24 h累计降水量超过200 mm的气象站点；数字为大三角所示气象站点24 h累计降水量图1 2020年6月27日08时至28日08时(a)和7月7日08时至8日08时(b)湖北省极端降水站点分布Fig.1 Station distributions for extreme rainfall in Hubei province from 08:00 on June 27 to 08:00 on June 28 (a) and from 08:00 on July 7 to 08:00 on August 8 (b),2020

与6月27日过程相似，7月7日500 hPa高度场也表现为两槽一脊(图2b)，但中国东北地区低槽明显偏强，而巴尔喀什湖槽明显偏弱，500 hPa湖北省主要受东北低槽槽后偏北气流影响。7月7日20时副高与大陆高压连为一体，强度较气候平均偏高2个标准差，东北冷槽与副高的强烈发展，导致500 hPa上南北气流在湖北省交汇。在500 hPa南北气流的共同作用下，低层850 hPa (图略)气流辐合中心先位于湖北省中北部，之后向南缓慢移动至江汉平原，7日20时之后加强为江汉平原低涡，并沿西南—东北方向移动到湖北省东北地区，低涡东南侧有一支最大风速为12 m·s-1的超低空急流形成(图2d)，急流的强度较6月27日过程偏弱，但具有一定的持续性，为极端降水的发生发展提供了持续的水汽输送。海平面气压场上，华北地区正距平明显偏强，冷高压强度达1010 hPa，在湖北省夏季属于异常偏强。由地面图可知(图2f)，自7月7日08时开始，湖北省东部地区降水区域出现了明显的露点梯度大值区，形成了梅雨静止锋。

图a和图b黑色实线为等高线，单位为hPa,红色虚线为等温线，单位为℃;图a至图d阴影为标准化距平；图c至图f风羽长杆为4 m·s-1，短杆为2 m·s-1；图e和图f闭合黑实线为极端降水范围，黑色粗虚线为地面辐合线，红色数字为温度，绿色数字为露点温度，单位均为℃图2 2020年6月27日20时(a)和7月7日20时(b)500 hPa高度场、温度场以及高度场标准化距平场、6月27日20时(c)和7月7日20时(d)925 hPa风场和南风标准化距平场、6月27日14时(e)和7月7日08时(f)国家站地面填图分析场Fig.2 The 500 hPa height field,temperature field,and height field normalized anomaly at 20:00 on June 27, (a) and 20:00 on July 7 (b),the 925 hPa wind and southerly normalized anomaly at 20:00 on June 27 (c) and 20:00 on July 7 (d),and the surface weather chart at 14:00 on June 27 (e) and 08:00 on July 7 (f),2020

综上，两次极端降水过程高空中高纬均为两槽一脊的形势，中低纬副高均显著偏强，低层均有低涡系统形成。但两次过程中巴尔喀什湖槽和东北槽的强弱、500 hPa风的走向、锋区位置、低层低涡生成的位置和性质等均有所不同，属于两种不同类型的低涡型极端降水。

2.3 气象因子异常特征

2.3.1 水汽异常

极端强降水的发生需要充分的水汽供应。2020年6月27日过程的水汽来源于副高外围西南暖湿气流，从风场上看低层出现了明显的超低空急流(图2c)。由27日20时整层大气可降水量(PW)及其异常度分布可知(图3a)，湖北省中西部大部地区的PW均为60 mm以上，较常年同期偏大1.5个标准差以上。中心位于远安—随州一带，最大值在70 mm以上，超过2.5个标准差。7月7日过程低层急流要弱于6月27日过程，但强烈的水汽辐合作用使得湖北省中东部的PW达到了65 mm以上(图3b)，较常年同期偏多了2.5个标准差，表明两次过程PW均有明显的异常特征。

极端降水的形成不仅与单时刻水汽因子异常度有关，还与其异常度的持续性有关[13]。两个过程各选取一个站点为例进行分析。6月27日过程选取钟祥市双河站(24 h累积雨量301.1 mm)。由该站6 h雨量与逐 6 h的PW及其异常度值演变的对应关系可知(图3c至图3e)，该站点上空PW一直维持≥60 mm的高值，PW异常度也持续维持≥2个标准差的明显异常。6月27日14—20时，随着PW和PW异常度的增加，降水也呈现出迅速增强的趋势。7月7日过程选取了黄梅县挪步园站(24 h累积雨量为351.5 mm)，在该站极端降水发生过程中，PW一直维持≥68 mm的高值，同时PW异常度也维持≥1.8个标准差的异常(图3d和图3f)。以上分析表明，两次极端降水过程发生中，PW大值及其异常度均表现出一定的持续性，在降水最强时段，PW及其异常度的增强对于降水增强均有一定的指示性，PW异常度较PW对降水增强的指示性更强。

图3 2020年6月27日20时(a)和7月7日20时(b)PW及其标准化距平场、双河站(c)和挪步园站(d)PW及其异常度、双河站(e)和挪步园站(f)逐6 h降水量序列和PW异常度变化Fig.3 PW and normalized anomaly at 20:00 on June 27 (a) and 20:00 on July 7 (b),2020,PW and its normalized anomaly sequence diagram at Shuanghe station (c) and Nuobuyuan station (d),and 6 h rainfall and PW normalized anomaly sequence diagram at Shuanghe station (e) and Nuobuyuan station (f)

2.3.2 不稳定因子异常

对流有效位能(Convective Available Potential Energy,CAPE)是代表垂直方向总体不稳定大小的常用指标[22-23]。由2020年6月27日08时CAPE值及其异常度分布可知(图4a)，大部地区CAPE值达1000 J·kg-1以上，CAPE异常度达1.5个标准差以上，表现出明显的异常性。而7月7日过程(图4b)，湖北地区CAPE值均为500 J·kg-1以下，这是由于7月4—6日湖北地区出现连续性强降水，导致不稳定能量大量释放，CAPE异常度值均小于0，表明此次过程CAPE值并没有表现出一定的异常性。

图a和图b中CAPE单位为J·kg-1；图c和图d露点单位为℃，黑色虚线为露点锋；图e和图f温度平流单位为10-5 ℃·s-1；图a至图f阴影为标准化距平图4 2020年6月27日08时(a)和7月7日08时(b)CAPE和标准化距平场、6月27日14时(c)和7月7日14时(d)850 hPa露点和标准化距平场、6月27日20时(e)和7月7日20时(f)850 hPa温度平流和标准化距平场Fig.4 CAPE and normalized anomaly at 08:00 on June 27 (a) and July 7 (b),the 850 hPa dew-point temperature and normalized anomaly at 14:00 on June 27 (c) and July 7 (d),and the 850 hPa temperature advection and normalized anomaly at 20:00 on June 27 (e) and July 7 (f),2020

强降水发生不仅与垂直方向上的总体热力不稳定有关，还与水平方向上的对流不稳定有关[24-25]，露点锋是表示水平方向对流不稳定的一个重要气象因子[26]。由两次过程850 hPa露点分布可知(图4c)，6月27日过程露点锋主要位于河南西南部，与极端降水发生区相隔较远，极端降水主要发生在露点锋南侧的暖区中。从850 hPa温度平流分布看(图4e)，极端降水上空为暖平流增强区，表明6月27日极端降水的性质主要为锋前暖区降水。7月7日过程露点锋的位置位于湖北省东部地区(图4d)，降水主要发生在锋面附近，由850 hPa温度平流分布可知(图4f)，湖北省东北部露点锋的北侧为冷区，干冷空气渗透南下，与露点锋南侧的暖湿空气交汇，对流不稳定度加大，促进了极端降水的形成，表明7月7日极端降水的性质主要为锋面型降水。

2.3.3 低涡动力异常

两次极端降水过程中均伴随低涡系统的生成发展，2020年6月27日和7月7日700 hPa、850 hPa、925 hPa涡度多层平面分布见图5。由图5可知，6月27日20时，各层低涡中心位置比较接近(图5a)，均位于湖北省西北东部，低涡中心从低层往高层略向西倾斜，涡度高值区对应涡度异常度高值区，其中850 hPa涡度中心值较气候平均偏高了1.5个标准差。极端降水区靠近925 hPa涡度及异常度大值区。由7月7日过程涡度垂直结构可知(图5b)，此次过程同样出现了850 hPa涡度明显强于925 hPa、700 hPa的特征，涡度异常度大值区与涡度大值区重合，但与6月27日过程不同，此次过程各层低涡位于江汉平原地区，低涡中心从低层到高层略向东倾斜，极端降水区位于涡度大值区的东侧，远离低涡中心。

6月27日过程，各层散度辐合区主要位于湖北省西北以及东北西部(图5c)，各层散度均表现出明显的异常，低于气候平均达3个标准差以上。极端降水位于925 hPa散度及异常度大值区附近。7月7日过程则呈现不同的特征(图5d)，各层中只有850 hPa有明显的散度负值大值区，且中心处散度异常度低于气候平均达3个标准差，为显著异常，且散度异常现象维持时间长达12 h左右。极端降水区位于850 hPa散度负值中心及其附近位置。

综上，两次过程均存在明显低涡结构， 850 hPa低涡及其异常度均较明显，但引发两次过程出现动力异常的机理明显不同。6月27日过程由于低涡的中低层涡度与散度中心较为重合，且均表现为一定的异常性，中低层动力辐合系统位置较为一致，有利于低涡附近形成强垂直上升运动。7月7日过程仅低层散度表现出一定的异常性，低层强辐合与地面静止锋相叠加，形成强上升运动。

涡度、散度单位为10-5 ·s-1；阴影为标准化距平图5 2020年6月27日20时700 hPa(a1)、850 hPa(a2)、925 hPa (a3) 和7月7日20时700 hPa(b1)、850 hPa(b2)、925 hPa(b3)等压面层涡度和标准化距平场、6月27日20时700 hPa(c1)、850 hPa(c2)、925 hPa (c3)和7月7日20时700 hPa(d1)、850 hPa(d2)、925 hPa(d3)等压面层散度和标准化距平场 Fig.5 Vorticity and normalized anomaly at 700 hPa (a1),850 hPa (a2),and 925 hPa (a3) at 20:00 on June 27,at 700 hPa (b1),850 hPa (b2),925 hPa (b3) at 20:00 on July 7,and divergence and normalized anomaly at 700 hPa (c1),850 hPa (c2),and 925 hPa (c3) at 20:00 on June 27,at 700 hPa (d1),850 hPa (d2),925 hPa (d3) at 20:00 on July 7,2020

3 结论与讨论

(1) 2020年6月27日和7月7日湖北省两次低涡型极端降水过程，中高纬均为两槽一脊环流形势，中低纬副高均显著偏强，低层均有低涡形成东移。6月27日过程的巴尔喀什湖槽异常偏强、500 hPa湖北省为西南气流，低涡中心从低层往高层略向西倾斜，地面暖低压发展异常强烈，最低值较气候平均偏低2个标准差。而7月7日过程的东北槽异常偏强、500 hPa湖北省为偏北气流，低涡中心从低层往高层略向东倾斜，地面冷高压偏强，较气候平均偏强约1个标值差，随冷空气不断渗透南下，地面形成显著静止锋。

(2)2020年湖北省两次极端降水过程水汽因子均表现为一定的异常性及异常持续性，但不稳定及动力因子异常性有所不同。6月27日过程极端降水的性质主要为锋前暖区降水，边界层超低空急流发展强烈，中心强度较气候平均偏强，达3个标准差，强烈发展的超低空急流带来明显的暖湿不稳定能量，导致CAPE值较气候平均偏高1.5个标准差，西南涡涡度正值与散度负值异常偏强，形成强烈上升运动。7月7日过程降水性质主要为锋面降水，前期持续性降水导致不稳定能量积累较弱，低层强辐合与地面静止锋相叠加，导致动力条件出现异常偏强，并且稳定维持12 h左右。

(3)低涡型极端降水预报业务研究，可根据水汽含量及辐合、不稳定因子特点及动力抬升强度等因素的共同配置，以及其异常特征对极端降水可能发生的区域做出有效判断。但由于分析个例数较少，还需积累更多极端降水天气个例进行对比分析。