2011—2019年影响安徽致暴江淮气旋统计分析

吴照宪 吴晶晶 卢雄伟 王惠 刘玉林

(1 池州市气象局，安徽 池州 247000;2 青阳县气象局, 安徽 青阳 242800)

引 言

江淮气旋是指发生在长江中下游和淮河流域(28°～35°N、111°～125°E)、生命史在12 h以上的、具有明显冷、暖锋结构的低值系统[1],也是造成江淮地区暴雨的重要天气系统。对江淮气旋个例诊断与分析发现,其气旋性环流和气旋性涡度在对流层中层的700 hPa附近最强[2],具有垂直环流圈[3],随锋区向北倾斜[4], 中空西部冷输送带和中低层暖湿空气的叠加,有利于位势不稳度的增加[5],在发展阶段, 700 hPa层以下的温压场的斜压结构是气旋发展的重要因素[6];其暴雨过程及降水落区与气旋前(后)部暖(冷)式切变、地形、冷暖气团的相互作用等因素密切相关[7-11]。

高空辐散场引起的对流层低层减压及低层强盛的暖湿气流引起的上升运动均可导致江淮气旋最初的形成,降水和气旋发展期间可以建立类似“CISK”的正反馈机制,说明了江淮气旋的发展在环流背景及启动机制方面具有多样性[12]。

在对江淮气旋个例主观识别与统计的基础上,1980s,江苏省气象局[1]对1961—1980年春季和初夏江淮气旋进行研究,提出其概念,给出其判断标准,并将其起始场划分为高压脊型、北槽南涡型和暖切变型三类,探讨其发生和发展的预报指标,为后来的研究奠定了基础。魏建苏等[13]对1961—2009年江淮气旋分析后指出,江淮气旋源地主要集中在大别山及其东北侧、淮河上游及苏皖浙交界处、鄱阳湖等区域;其生成强度有上升趋势,平均路径有3条,分别为西北东移、偏南东移和偏北东移,并有明显的季节性变化。

近年来,江淮气旋的客观识别与研究越来越多。王艳玲等[14]利用气旋客观识别方法统计表明,1980s—1990s江淮气旋活动频数偏少,强度偏弱;21世纪初期10 a间气旋活动频数偏多,强度偏强,气旋活动频数多发年与少发年500 hPa出现稳定的长波环流结构存在显著差异。周越等[15]运用气旋的客观判定与追踪算法,指出1979—2010年江淮气旋春季最活跃,其中5月发生次数最多;受地形和下垫面等影响,江淮气旋生成的源地主要位于洞庭湖、鄱阳湖地区和大别山东北侧等。黄文彦等[16]使用改进的温带气旋识别和追踪方法,统计分析了近40 a夏季影响江苏致暴江淮气旋路径、落区等,并把江淮气旋主观划分为偏西气流和低槽两类天气型等。

然而,江淮气旋环流背景客观分型依然较少，安徽虽然受江淮气旋影响较大,但针对性研究却仅限一些典型个例[17-18]。本文试图通过江淮气旋的客观识别和天气背景客观天气分型,分析影响安徽致暴江淮气旋的大气环流特征及其主要降水落区,以供参考。

1 资料与方法

1.1 资料

通过“全国综合气象信息共享平台”(China Integrated Meteorological Information Service System,CIMISS)下载的安徽省2011—2019年地面国家观测站逐小时降水资料,按气候界限值及年、日、小时降水量空间及时间一致性原则,对数据进行质量控制[19-20],并利用逐6 min的雷达反射率资料定性对比验证每次气旋降水过程及暴雨站点。

利用2011—2019年欧洲第五代ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)全球气候大气再分析资料(水平分辨率为0.25°×0.25°;时间分辨率为1 h;高空分为1 000、925、850、700、600、500、400、300、200及100 hPa共10层的位势高度、温度、风向风速、比湿、相对湿度等要素场；地面包括海平面气压、温度等要素场;网址:https：∥cds.climate.copernicus.eu/),用于影响安徽致暴江淮气旋大气环流分型和环流场特征分析等。

1.2 江淮气旋定义与识别方法

根据以上江淮气旋的定义[1],第一次出现具有明显的冷、暖锋结构的气旋或气旋波,称为江淮气旋发生。采用ERA5海平面气压场(水平分辨率0.25°×0.25°;时间分辨率6 h,即将每日00、06、12、18时(世界时,下同)设定为江淮气旋生消时间点,下同)资料,利用改进的温带气旋客观识别和追踪方法[21],首先使用九点最低气压法确定气旋中心,再基于气旋最外围闭合等值线识别确定气旋范围,通过气旋的识别,再进行相邻时次气旋的追踪,识别所有可能影响安徽的气旋。该方法对于气旋及气旋分裂和合并、短周期的强风暴、多中心气旋等识别度高达98%以上。在此基础上,参考周越等[15]关于江淮气旋环流中心和闭合等压线、温度梯度(即冷暖锋区)等定量标准,判断与识别影响安徽的江淮气旋个例。

1.3 致暴江淮气旋个例挑选

按上节方法共识别出132个影响安徽的江淮气旋个例,从历史致灾的角度,满足安徽境内5个国家基本观测站过程雨量50 mm以上,其中至少一个观测站过程降水量超过100 mm的条件,共有25个影响安徽致暴江淮气旋个例(表1),其中,最长持续时间达78 h,最大小时雨强90.4 mm。满足条件的江淮气旋主要出现在4—8月,约占同期所有影响安徽江淮气旋数的18.9%,年均2.8次,与近年来影响江苏省的致暴江淮气旋年均次数基本一致[16]。当某个江淮气旋影响安徽过程中,站点过程累积降水量达到50 mm以上,则判断该站点受到一次江淮气旋的影响。

表1 2011—2019年影响安徽致暴江淮气旋一览

1.4 江淮气旋环流场分型法

分型法就是将环流特征相似的样本场聚类,目前多采用客观分型法[22-25]。本文采用斜旋转T模态主成分分析法[26](简称TPCA),该方法按时间序列对网格点数据进行主成分分析,建立每个时间网格点的主成分类型,其中输入数据的列表示时间序列,行对应于网格点,对预定类型的再现、时间和空间稳定性,以及对预设参数的依赖性等方面表现较好。目前,TPCA方法已经在“欧洲地区天气模型分类协调与应用”方案(简称:COST733)中被发展为软件“cost733class-1.2”(http:∥cost733.geo.uniaugsburg.de)[27]。

为了研究影响安徽致暴江淮气旋的不同环流形态特征,根据一些个例诊断结果和预报员经验,江淮气旋影响系统和环流特征在700 hPa反映较好[1,4],故本文尝试利用TPCA对25个致暴江淮气旋天气个例,取江淮气旋生消时间点(分别为00、06、12、18时 4个时次)ERA5再分析资料700 hPa位势高度场和温度场(空间范围:25°～40°N、110°～125°E),进行多要素大气环流场分型,共分得4种环流型。TPCA客观分型结果(如图3中SP1、SP2和SP3型)与江苏省气象局关于江淮气旋的主观天气分型结果[1]较为接近,能很好地呈现江淮气旋的发生、发展的环流背景场特征。

图3 利用2011—2019年影响安徽致暴江淮气旋700 hPa位势高度(阴影，单位：gpm)和温度(红实线，单位：℃)，划分4种天气背景类型(风场(风标，单位:m·s-1，长杆为5 m·s-1)，绿色箭矢表示显著气流，橙色实线表示槽线或切变线)

2 影响安徽致暴江淮气旋气候特征

2.1 江淮气旋的路径

根据表1选择影响安徽致暴江淮气旋,按地面气旋中心点从开始至结束(或移出江淮区域),绘制江淮气旋的路径,用不同颜色标识不同江淮气旋,如图1所示。同时,对气旋中心位置经度≤0.25°范围内的所有江淮气旋按纬度进行平均,并以2个经度距离进行滑动平均,绘制江淮气旋的滑动平均路径(图1粗阴影线)。

图1 2011—2019年影响安徽致暴江淮气旋的路径(细实线,*起始点,·结束点)和滑动平均路径(粗阴影线)

从影响安徽致暴江淮气旋起源地看,有湖北、安徽、湖南、江西、河南等地区,其中湖北、湖南均为9个个例,占比最多为36.0%,河南4个个例,占16.0%,江西1个个例,占4.0%,安徽江淮之间生成的江淮气旋有2个,占8.0%。

从影响安徽致暴江淮气旋移动路径看,淮河流域附近生成的江淮气旋容易出现西北—东南路径走向,其中第21号江淮气旋基本是自北向南走向。西南方向(湖南、湖北境内)起源的江淮气旋一般开始向东北方向移动,进入安徽境内,出现向东移动,入海前又出现向东北移动。从影响安徽致暴江淮气旋滑动平均路径可以发现,江淮气旋滑动平均起源位置位于湖北与湖南交界处,向东北移动经大别山进入安徽境内,继而向东偏东南方向移动,在皖苏浙交界处移出安徽后转向东北方向移动。江淮气旋的中心位置及移动路径,直接影响着降水落区的分布。

2.2 江淮气旋雨区分布

按1.3节挑选的25个江淮气旋个例,从江淮气旋起始时间至结束时间内在安徽境内产生的逐时降水进行累加,并取9 a平均,得到2011—2019年影响安徽致暴江淮气旋的平均降水分布(图2a)。

图2 2011—2019年影响安徽省致暴江淮气旋年均降水量(a)及站点过程降水量≥50 mm频次(b)

2011—2019年安徽省致暴江淮气旋年均降水量总体是自北向南递增,江淮之间中部至淮北地区,年均降水量在110.0 mm以下,而长江流域至皖南地区年均降水量基本在110.0 mm以上,主雨带位于大别山南麓至皖南山区一线,年均降水量在170.0 mm以上,其中大的降水中心位于皖南山区的黄山站(站号:58437,海拔1 840.4 m)和大别山区的天柱山站(站号:58112,海拔968.2 m),均为高山站,年均降水量分别为250.3 mm和216.8 mm。2011—2019年安徽省致暴江淮气旋年均降水量与1981—2010年4—8月的30 a整编平均降水量进行显著性检验,计算的F值为101.8,查询F统计表知,在显著水平α=0.05时Fα为1.47,即二者有显著差异,表明江淮气旋的合成降水场与气候平均态存在显著不同,说明江淮气旋对安徽的降水分布影响是显著的。

比较江淮气旋滑动平均路径和主雨带分布,可以看出,两者相对位置在安徽境内对应比较好,主雨带位于江淮气旋滑动平均路径的东南偏南一侧,这可能与江淮气旋中心东南侧的低空急流和水汽输送密切相关。高山站出现大的降水中心,应与高海拔山体对江淮气旋涡旋气流抬升有一定的关联。

统计安徽2011—2019年各国家观测站点受致暴江淮气旋影响频次(图2b),发现江淮气旋影响高频次区域依然在大别山和皖南山区西南侧,全省自南向北依次减少,淮北地区个别站点9 a间仅出现一次。位于大别山的天柱山、皖南山区的黄山和九华山,江淮气旋影响频次高,9 a间25个江淮气旋个例分别出现15、17和15次,说明60%以上的江淮气旋对大别山、皖南山区有明显的影响。也可以看出,山体抬升对江淮气旋的发展和降水影响非常明显。

3 致暴江淮气旋环流场

3.1 环流场分型结果

江淮气旋按其定义要求至少持续12 h以上,在具体的天气个例中,有些江淮气旋持续时间往往超过48 h,甚至更长时间。在江淮气旋生消、移动、变化的过程中,大气环流场或背景场难免发生调整和变化,对江淮气旋的影响也将不同。按气旋生消时间点进行TPCA多要素客观天气环流分型,得出四个天气环流场模型,按主要影响天气系统,分别划分为高压脊型(SP1型，图3a)、高空槽型(SP2型，图3b)、暖式切变型(SP3型，图3c)和静止锋型(SP4型，图3d)。其中,SP1型,安徽以西有一高压脊,高压脊东侧有显著的经向环流,引导中高层干冷空气南侵;SP2型,安徽受东北—西南向高空槽影响,槽前有暖湿气流,槽后有冷平流,冷暖气团汇合于安徽江淮流域;SP3型,低涡位于安徽以西河南境内,强盛的西南暖湿气流经大别山区向东北方输送;SP4型,安徽江淮流域为东西向切变线,安徽北部受偏东气流影响。

按TPCA环流分型结果,可以确定江淮气旋过程各生消时间点的环流类型。按生消时间点前后3 h共6 h累积降水量,统计该江淮气旋过程各环流型的累积雨量,以最大累积降水量确定该江淮气旋致暴环流类型(表1),其中,SP1型出现10次致暴过程,占40%;SP2型出现9次,占36%;SP3型出现5次,占20%;SP4型最少,仅出现1例,故该型忽略,不予讨论。

3.2 三种环流型江淮气旋雨区分布

从影响安徽致暴江淮气旋三种环流型年平均累积降水量(图4),可以看出,SP1型江淮气旋降水分布主要集中在皖南山区(图4a),年平均降水量基本在70 mm以上,可能受山体的抬升作用,黄山、九华山年平均降水量达90 mm以上。从皖南山区至淮河以北地区,年均降水量逐渐减小,特别是淮北地区年均降水量仅10 mm左右。该环流型江淮气旋最大小时雨强90.4 mm·h-1,位于皖南山区的石台站,也是2011—2019年致暴江淮气旋国家站最大雨强。

SP2型环流型江淮气旋雨区分布与SP1型不同(图4b),雨区主要集中在安徽长江一线,年平均降水量≥50 mm。天柱山、黄山高山站出现70 mm以上的降水中心。淮河流域及其以北年均降水量也偏小,淮北地区仅10 mm左右。

SP3型环流型雨区分布与SP1、SP2型也存在较明显差异,年均降水中心位于大别山区(图4c),年均降水量≥50 mm。同样,天柱山高山站最大降水量达到85 mm,黄山站在皖南山区也有一个小的雨量中心,达60 mm。

图4 2011—2019年三种环流型江淮气旋年平均降水分布(单位：mm)

为了检验SP1、SP2、SP3型平均降水量与25次江淮气旋平均降水量分布的差异,计算得到F分别为39.9、57.1、63.4,在显著水平α=0.05时Fα为1.47,即三种形态降水分布与江淮气旋平均降水分布有显著差异,说明分型结果是可以接受的。

3.3 主要天气型环流特征

江淮气旋不同的天气类型,其影响区域和降水分布,尤其雨量中心有很大的差异。同时也发现,江淮气旋影响的高海拔地区累积降水量明显较大,可见山体抬升对江淮气旋的影响非常明显。江淮气旋影响安徽的这些特点,可能与大气环流、水汽输送与辐合、高层干侵入等因素有着密切关系。

为更好呈现致暴江淮气旋对安徽的影响,选择致暴江淮气旋影响安徽的时间段内,采用ERA5再分析资料,按环流分型对高空要素场分别进行叠加,并求平均值,讨论致暴江淮气旋各分型环流场特征等。

3.3.1 高压脊型(SP1型)

如图5a所示,500 hPa位势高度西高东低,安徽以西为高压脊,高压脊东侧有显著的向南经向环流,引导中高层干冷空气南侵,江淮气旋一般偏南东移(图1)。在此天气环流背景下,850 hPa从东北到山东半岛有一冷舌(假相当位温<324 K，图5b),低层冷空气位置偏北,西南地区暖湿气流向东北方向输送大量暖湿空气(图5a),在安徽南部形成暖湿舌(假相当位温>336 K)北伸至江淮南部(图5b),皖南地区整层水汽通量达到550 kg·m-1·s-1以上,可降水量达55 mm左右,皖南地区在850 hPa上表现为高温高湿的暖湿环境(图5b)。经过皖南山区降水大值区的垂直剖面上(图5c),可以看出,皖南山区的迎风坡有较明显的水汽辐合,最大水汽通量散度位于925 hPa,超过-6.0×10-5g·s-1·hPa-1·cm-2;而高海拔山区水汽辐合区在850 hPa以上。整个皖南山区上空大气基本为上升运动,上升运动发展深厚且高度高,超过6.0×10-2m·s-1的上升运动区域从600 hPa一直伸展至200 hPa,有利于低层减压导致大气辐合,配合充沛的水汽输送,在皖南山区形成大的降水中心(图4a),尤其是高海拔山区及其迎风坡区域。沿暴雨区南北向垂直剖面上(图5d),对流层底层31°N附近为大的湿度区,与气旋中心位置一致。气旋中心对流层高层200 hPa以北有明显的干区,高层有明显的干侵入南侵,气旋中心附近处于中性层结,有利于对流层高层位涡下传;而皖南山区700 hPa以下假相当位温达到342 K,暴雨区上空呈现出大气层结不稳定。高层干冷、低层暖湿不稳定层结的配置有利于对流性强降水的产生。

图5 江淮气旋SP1型(a、b)水平大气平均环流场：(a)500 hPa位势高度(等值线，单位：gpm),925 hPa风场(风标，长杆为5 m·s-1，加粗表示风速大于5 m·s-1)和整层水汽通量积分(阴影，单位：kg·m-1·s-1)；(b)850 hPa风场和整层可降水量(阴影，单位：mm)；(c)为(a)中黑色粗直线位置的垂直剖面，黑色箭矢为平行于剖面的风，彩色阴影为水汽通量散度(单位：10-5g·s-1·hPa-1·cm-2)，棕色实(虚线)等值线为上升(下沉)运动(单位：10-2 m·s-1)；(d)沿117.0°E垂直剖面(黑实等值线为假相当位温(单位：K)；阴影为相对湿度(单位：%)；黑色箭矢为垂直剖面风；红实等值线为位涡(单位：10-6K·m2·kg-1·s-1)；(c、d)黑色阴影为地形

3.3.2 高空槽型(SP2型)

江淮气旋SP2型(高空槽型)较SP1型不同,500 hPa位势高度略呈东高西低,安徽淮河以南受高空槽前西南气流影响(图6a),江淮气旋一般向偏东方向移动(图1)。850 hPa冷空气(假相当位温<324 K)位于淮北,冷空气从低层侵入安徽,336 K位于皖南南部,暖湿输送的强度不如SP1。安徽沿江一线整层水汽通量中心值在400 kg·m-1·s-1左右,整层可降水量<55 mm,小于SP1型。上升速度大于6.0×10-2m·s-1的区域位于400～300 hPa之间(图6c),垂直运动发展的高度和深厚程度都较SP1型低。气旋南侧西南气流加上山体抬升作用,安徽西南角(30.3°N、118.6°E)水汽通量散度达到最大为-4.0×10-5g·s-1·hPa-1·cm-2,较大水汽辐合区伸展到850 hPa以上,水汽辐合的强度亦不如SP1(图6c)。图6d可见,925 hPa气旋辐合中心位于大湿区(相对湿度>90%),随高度辐合区向北倾斜,暴雨区北侧存在着明显的相对湿度和假相当位温的锋区,可见高空槽型主要表现为低层冷锋南侵的过程,与南方暖湿气流的汇合,导致安徽长江流域有较大降水发生,高海拔山区如大别山站、黄山站降水量同样表现得相对明显(图4,SP2)。

图6 江淮气旋SP2型(a、b)水平大气平均环流场,(c)为(a)中黑色粗直线位置的垂直剖面；(d)沿116.5°E垂直剖面,其他同图5

3.3.3 暖式切变型(SP3型)

图7为暖式切变型(SP3型)大气水平平均环流场。该天气型500 hPa安徽以西有一深槽,925、850 hPa均有较强的西南气流经大别山区向东北方输送,并伴有暖式切变线(图7a、b)。受西南气流引导,江淮气旋一般偏北东移(图1)。850 hPa暖湿气流(假相当位温>342 K)伸向大别山区,大气整层可降水量≥60 mm(图7b),暖湿输送的强度明显超过SP1、SP2型; 大别山区域大气整层水汽通量550 kg·m-1·s-1以上(图7a),也均较其他天气环流型大。沿降水中心南北向垂直剖面上(图7d),31°N附近整层为高湿区(相对湿度≥90%),北方干冷空气明显偏弱,这些特点明显有别于其他环流型,说明SP3型降水属于暖区暴雨或强降水类型。暖区一侧中低层有明显大气辐合抬升,尤其是迎风坡,最大水汽通量散度为-8.0×10-5g·s-1·hPa-1·cm-2(图7c),925 hPa最大上升速度超过6.0×10-2m·s-1,约为其他环流型的2倍,具有较高的降水效率。表1也可以看出,SP3型江淮气旋(编号:6、7、10、22、23号)大暴雨过程较其他环流型明显偏多,雨强也整体偏强。

图7 江淮气旋SP3型(a、b)水平大气平均环流场,(c)为(a)中黑色粗直线位置的垂直剖面；(d)沿116.5°E垂直剖面,其他同图5

4 结论

通过对2011—2019年影响安徽的致暴江淮气旋进行统计,并分析了致暴江淮气旋的环流特征。主要结论如下:

(1)安徽致暴江淮气旋数约占同期总江淮气旋数约18.9%,年均2.8次,主要出现在4—8月;其源地多发生于湖北、湖南等地,一般向东北移动经大别山进入安徽境内,继而向东偏东南方向移动;其主雨带一般位于移动路径东南偏南一侧。

(2)利用旋转T模式主成分分析法,将江淮气旋天气类型主要划分为高压脊型(SP1型)、高空槽型(SP2型)和暖式切变型(SP3型)。按江淮气旋最大累积降水划分环流型致暴过程,则SP1型致暴过程达40%;SP2型占36%;SP3型最少,为20%。

(3)从雨区分布看,影响安徽致暴江淮气旋年均降水量总体是自北向南递增,降水大值区及高暴雨频次均位于大别山至皖南山区西南侧,高海拔山区尤其明显。其中,高压脊型(SP1型)降水中心主要位于皖南山区,高空槽型(SP2型)较强降水主要分布于安徽长江流域,暖式切变型(SP3型)降水主要集中在大别山及其周边区域。

(4)从移动路径看,淮河流域及其以北生成的江淮气旋容易出现西北—东南走向,西南方向(湖南、湖北境内)起源的江淮气旋一般向东北方向移动,进入安徽境内,出现向东移动。从环流分型结果看,高压脊型(SP1型)江淮气旋一般偏南东移，高空槽型(SP2型)江淮气旋一般向偏东方向移动，暖式切变型(SP3型)江淮气旋一般偏北东移。

(5)从环流特征看,高压脊型(SP1型),安徽以西有一高压脊,高压脊东侧有显著的向南经向环流,中高层有明显干侵入过程,低层暖湿舌伸向皖南山区,暖湿不稳定层结配置有利于皖南山区对流性强降水的产生。高空槽型(SP2型),安徽中北部中高层为东北—西南向高空槽,低层表现为冷锋南侵,与南方暖湿气流汇合于安徽长江流域,导致雨区分布于安徽长江一线。暖式切变型(SP3型),低涡位于安徽以西,强盛的西南暖湿气流经大别山区向东北方输送,整层均为大湿区,低层有较强的辐合抬升,降水效率高,属于暖区暴雨或强降水类型。