2021年汉江秋汛的水雨情及环流异常特征研究*

高 琦 吴翠红 徐 明 刘佳明 彭 涛,4

1 武汉中心气象台,武汉 430074 2 中国气象局水文气象重点开放实验室,北京 100081 3 中国气象局武汉暴雨研究所暴雨监测预警湖北省重点实验室,武汉 430205 4 三峡国家气候观象台,湖北宜昌 443099 5 长江勘测规划设计研究有限责任公司,武汉 430010

提 要：利用NCEP/NCAR再分析资料及常规气象水文实况观测资料,研究2021年汉江秋汛的水雨情及环流异常特征,并初步分析致洪成因,结果表明:2021年汉江流域降水呈“西多东少”分布,汉江上游累计降水量为400～985 mm,累计面雨量居1961年以来第一位。秋汛期间丹江口水库出现10 000 m3·s-1以上的洪峰过程7次,汉江中下游主要水文控制站点累计超警时间为151～580 h,最大超警幅度为0.29～1.56 m,呈现越到下游超警时间越长、超警幅度越大的特征。与2011年和2017年水情对比表明,2021年汉江上游洪峰出现时间最早,洪峰次数最多,上游高水位流量持续时间最长,汉江中下游累计超警时间也最长,水情异常程度明显更强。在大气环流形势方面,巴尔喀什湖—贝加尔湖地区为负异常,我国大陆东部至西北太平洋为正异常,日本岛以东地区为负异常,副热带高压、南亚高压、东亚副热带西风急流较历史同期偏强,异常的低层流场及水汽辐合中心的形成,以及对流层高层的辐散抽吸,是汉江上游降水得以持续并阶段性增强的有利环流配置。当丹江口水库入库流量接近2000 m3·s-1后,汉江上游超过60 mm的5 d累计面雨量与10 000 m3·s-1以上洪峰的出现密切相关。上游来水增大后,汉江中下游河道逐级收窄是导致此地降水并不明显却出现超警洪水的主要原因。

引 言

汉江为长江中游最大支流,其地势西高东低(图1),以湖北省丹江口水库以上为上游,河谷狭窄,长约925 km;丹江口至钟祥为中游,河谷较宽,沙滩多,长约270 km;钟祥至汉口为下游,长约382 km,流经江汉平原。汉江中下游河道呈“漏斗型”,河道逐级收窄,其中皇庄至泽口段河道宽度为600～2500 m,泽口至仙桃段河道宽度为300～600 m,至仙桃以下河道宽度仅为200～300 m,因而过洪能力有限。汉江上游大部地区处于华西秋雨区内,某些年份由于降水持续时间长、累计雨量大,易造成秋汛。汉江上游来水增大后,由于河道断面越到下游越窄,又受长江水位顶托的影响,往往导致泄洪能力不足,造成汉江中下游也泛滥成灾,历史上为了确保汉江中下游城市安全,曾21次启用分蓄洪区。

图1 汉江流域分区及气象、水文站点分布Fig.1 Distribution of sub-basin and meteorological and hydrological stations in the Hanjiang River Basin

汉江秋汛一般发生于华西秋雨偏强的年份(殷淑燕和黄春长,2012;肖莺等,2013)。一系列研究表明,华西秋雨的强弱多寡与东亚大气环流异常密切相关,西太平洋副热带高压(以下简称副高)、南亚高压和东亚副热带西风急流等季风环流成员对华西秋雨的维持及增强具有重要作用。鲍媛媛等(2003)、李传浩等(2015)的研究均表明,巴尔喀什湖地区500 hPa准稳定的低压槽及距平场上的负异常,以及偏西偏北的副高,是导致华西地区持续阴雨的典型环流特征。白虎志和董文杰(2004)指出,副高、印缅槽、贝加尔湖低槽是华西秋雨的主要影响系统,当贝加尔湖、印缅槽深且副高强时,有利于华西多秋雨。俞亚勋等(2013)、吴瑶和杜良敏(2016)的研究表明,副高的西伸滞留及其脊线的准双周振荡对华西秋雨具有重要作用,当脊线准双周周期较强时,汉江上游9—10月容易降水偏多。罗霄等(2013)总结了近50 年华西秋雨的典型环流后发现,东亚副热带西风急流对华西地区的垂直运动有较大影响,当东亚副热带西风急流中心西移,中心强风速带偏窄时,华西北部地区上升运动加强,华西秋雨出现北多南少的异常型。进一步研究表明,青藏高原地表热状况(陈忠明等,2001;鲍媛媛等,2020)、海温(韩晋平等,2013;郑然等,2018;彭韵萌和徐涂明,2021)、印度洋偶极子(刘佳等,2015)、热带大气季节内振荡(赵佳玉等,2016)等是季风系统及大气环流异常形成的深层机制。此外,华西秋雨年际及年代际差异明显,存在4～8 a(王春学等,2015),5～8 a(蒋竹将等,2014),3、13、17 a(冯丽文和郭其蕴,1983)以及10～15 a(梁健洪,1989)的周期。由于这种周期性的存在,使得汉江秋汛发生频次相对较少,因此对于秋汛期降水特征、洪水演变及可能造成的影响,预报员往往认识相对有限。随着气候变暖背景加强,进入21世纪后,华西秋雨强度明显增强(罗霄等,2013;俞亚勋等,2013),这使得进一步深入认识和了解汉江秋汛的特点和成因迫在眉睫。

2021年秋季汉江上游出现了超过20年一遇的大洪水,丹江口水库发生7次超过10 000 m3·s-1的入库洪水过程,8月下旬至10月上旬,丹江口水库秋汛累计来水量约为340亿m3,较常年同期偏多约4倍,为1969年建库以来历史同期第一位。通过研究2021年汉江秋汛期间降水的时空分布及历史极端性特征,汉江流域水位、流量的演变特征,并与典型秋汛年(2011年和2017年)的水情进行对比,分析致洪降水的大尺度环流及水汽输送异常,从气象、水文等多角度揭示了2021年汉江秋汛的致洪成因,有助于加深对于汉江秋汛发生发展规律的认识,促进流域上下游、左右岸联动防洪工作的开展。

1 资料和方法

根据长江水利委员会水文局提供的汉江流域水系划分,将汉江流域细分为石泉以上、石泉安康、安康丹江口、丹皇区间和皇庄以下等 5 个子流域(图1),该区域内包含气象站63个。文中所指的汉江上游为石泉以上、石泉安康、安康丹江口3个子流域组成的区域。文中涉及的汉江流域水文站有6个,其中丹江口水库代表汉江上游来水情况,皇庄、沙洋、岳口、仙桃、汉川为汉江中下游干流主要水文控制站。

采用的资料包括:NCEP/NCAR再分析资料,1日4次(02、08、14、20时,北京时,下同),分辨率为2.5°×2.5°;汉江流域1961—2021年国家气象站逐日降水资料;汉江流域主要水文控制站的水位、流量资料。文中所指的历史平均为1991—2020年的30年平均。面雨量(毕宝贵等,2003;徐晶和姚学祥,2007;高琦等,2014)的计算采用站点平均法。

2 致洪降水的时空分布特征

根据国家气候中心监测,2021年华西秋雨北区雨期自8月23日开始,至10月16日结束。汉江流域上游所有站点均处于华西秋雨监测区内,其中大部分站点属华西秋雨监测北区,少数站点属监测南区。若以整个汉江上游为研究对象,参照华西秋雨行业标准(中国气象局,2019),则自8月21日起,即已满足50%以上站点降水量≥0.1 mm的秋雨日判定标准,且10月8日后不再满足,考虑该时间与汉江流域汛情的发展有较好的对应关系,因此本文选取8月21日至10月7月为降水研究时段。

2.1 致洪降水的空间分布特征

从2021年8月21日至10月7日汉江流域累计降水量空间分布可见(图2a),汉江流域降水呈现西多东少分布特征,汉江下游累计降水量仅为50～150 mm,中游为150～400 mm,上游则为400～800 mm,局部站点可达900 mm以上,最强降水中心位于石泉以上子流域的镇巴站,达985 mm。分析累计降水量距平分布(图2b),除汉江中下游部分地区接近历史同期或略偏少外,汉江中游北部及汉江上游的大部地区较历史同期偏多1～2倍,局地偏多2倍以上,由此可见2021年秋汛期的降水主要来自于汉江上游地区,因此下文将重点针对汉江上游,研究其降水的时间演变及极端性特征。

图2 2021年8月21日至10月7日汉江流域(a)总降水量和(b)降水距平百分率分布Fig.2 (a) Accumulated precipitation and (b) precipitation anomaly percentage in the Hanjiang River Basin from 21 August to 7 October 2021

2.2 致洪降水的时间演变特征

从汉江上游出现0.1 mm以上降水站数占比的逐日演变可见(图3,虚线),2021年8月21日至10月7日,汉江上游降水过程频繁,雨日较多,定义单日50%以上站点出现0.1 mm以上降水为一个雨日,则期间雨日约占总日数的60.4%。从逐日面雨量演变可以看出(图3,柱状),大致可分为4个集中期,分别在8月21日至9月6日、9月15—19日、9月22—28日、10月3—6日,其中8月21日至9月6日为降水持续时间最长、过程最为频繁和集中的时段。从5 d累计面雨量的演变(图3,实线)可以看出,汉江上游5 d累计面雨量≥60 mm的峰值有7次,其中≥90 mm峰值有3次,分别为8月28日至9月1日(98.7 mm)、9月15—19日(98.6 mm)、9月23—27日(94.6 mm),对比丹江口水库的入库流量发现,在入库流量接近2000 m3·s-1后,60 mm以上的5 d累计面雨量与10 000 m3·s-1以上的洪峰有较好的对应关系,而90 mm以上的5 d累计面雨量与20 000 m3·s-1以上的洪峰有较好的对应关系。

图3 2021年8月21日至10月7日汉江上游日面雨量、5 d累计面雨量、≥0.1 mm站点百分率的逐日演变Fig.3 Daily variation of areal rainfall, 5 d accumulated areal rainfall and percentage of site rainfall ≥0.1 mm from 21 August to 7 October 2021

2.3 致洪降水的极端性特征

高琦等(2020)基于近60 年降水数据,利用相对阈值法(百分位法)统计了汉江子流域极端面雨量阈值及5 d累计面雨量极值,2021年8月21日至10月7日汉江上游3个子流域(石泉以上、石泉安康、安康丹江口)的逐日面雨量超过极端面雨量95%分位阈值的日数分别占总日数的29.1%、22.9%、16.7%,表明秋汛期间汉江上游子流域约有1/5～1/3的日数有强降水发生。9月1—5日石泉以上的5 d累计面雨量达117.2 mm, 8月28日至9月1日安康丹江口的5 d累计面雨量达115.5 mm,均突破了两子流域自1961年以来5 d累计面雨量的极值。

从1961年以来汉江5个子流域8月21日至10月7日累计面雨量的时间演变(图4)可以看出,2021年汉江上游的石泉以上、石泉安康、安康丹江口累计面雨量分别为641.8、641.5、438.4 mm,分别位居1961年以来的第一、第一、第二位,且由石泉以上、石泉安康、安康丹江口3个子流域组成的汉江上游流域累计面雨量位居1961年以来第一位。

综上所述,2021年汉江秋汛致洪降水主要有以下特征:一是降水开始时间早、持续时间长,从8月21日开始发展,至10月上旬减弱;二是降水的累计强度大,汉江上游累计降水量普遍在400～800 mm,其中局部站点达900 mm以上;三是降水历史极端性强,汉江上游流域累计面雨量居1961年以来第一位。

3 汉江秋汛的水情演变特征

3.1 2021年汉江流域水情特征分析

丹江口水库的入库流量可反映汉江上游来水的总体情况,从其8月初至10月上旬的演变(图5a)可以看出,丹江口的入库流量大致可分为4个阶段,8月21日起,随着降水进入第一个集中期,丹江口的入库流量也出现显著上涨,并在短短的17 d内先后在8月23日(14 400 m3·s-1)、8月30日(23 400 m3·s-1)、9月2日(16 400 m3·s-1)、9月6日(18 800 m3·s-1)出现4次10 000 m3·s-1以上的洪峰过程;9月15日起,随着第2～4个降水集中期发展,汉江上游来水再度出现3轮明显上涨,丹江口水库分别在9月19日(22 800 m3·s-1)、9月29日(24 900 m3·s-1)、10月7日(10 500 m3·s-1)出现3次洪峰过程。结合丹江口水库的出库流量可以看出,丹江口水库对7次洪峰的削峰率分别为46.5%、67.0%、47.0%、46.3%、71.0%、55.8%、2.0%,有效减轻了上游洪水对汉江中下游的影响,并在10月10日14时首次实现170 m的蓄水目标。

注:蓝色实线:水位,紫色实线:入库流量及流量,黄色实线:出库流量,橙色实线:警戒水位。图5 2021年8月初至10月上旬洪峰前后汉江主要控制站水位流量演变(a)丹江口水库,(b)皇庄,(c)沙洋,(d)岳口,(e)仙桃,(f)汉川Fig.5 The temporal variation of water level (blue line), inflow and flow (purple line), outflow (yellow line) with its alert water level (orange line) before and after the flood peak in the Hanjing River Basin in 2021(a) Danjiangkou Reservoir, (b) Huangzhuang, (c) Shayang, (d) Yuekou, (e) Xiantao, (f) Hanchuan

从中下游干流主要水文控制站的水位流量演变(图5b～5f)可以看出,受汉江上游来水影响,皇庄以下主要水文控制站点在8月下旬至9月上中旬、9月下旬至10月上旬均存在2个超警戒阶段,其中皇庄、沙洋、岳口、仙桃、汉川累计超警时间分别为151、255、228、232、580 h,最大超警幅度分别为0.29、0.40、0.50、0.53、1.56 m,呈现越到下游超警时间越长、超警幅度越大的特征,这与中下游河道落差小,断面愈下愈小,导致的泄洪能力不足有关。此外,由于长江上游秋汛也较为明显,长江上游来水造成汉口水位升高,也对汉江来水形成顶托作用。

3.2 2021年汉江流域水情与2011年、2017年的对比

2010年以来,汉江秋汛比较严重的年份还出现在2011年(蔡芗宁等,2012;柳艳菊等,2012;蔡新玲等,2013)、2017年(梁萍等,2019;李玉荣等,2017),其中2011年为减轻汉江上游来水对下游城市尤其是对武汉的影响,曾采用杜家台分蓄洪区进行分洪(刘志文,2012)。对比此3年丹江口水库超过10 000 m3·s-1洪峰出现次数可见(表1),2011年次数最少,仅为2次;2017年为3次;2021年最多,达7次。从首次洪峰出现时间来看,2021年最早,在8月末就有洪峰出现,而2011年、2017年则分别出现在9月中旬和9月下旬。在3个典型秋汛年中,最大洪峰流量出现在2011年9月19日,达26 600 m3·s-1,且此次过程流量涨幅也最大,达22 980 m3·s-1,2021年9月29日洪峰次之,为24 900 m3·s-1,流量过程涨幅居第二位,为21 850 m3·s-1,2017年的洪峰流量均在20 000 m3·s-1以下。从丹江口水库洪峰水位来看,2021年普遍高于2011年和2017年。

表1 2021、2017、2011年丹江口水库水文特征值Table 1 Key hydrological values of the Danjiangkou Reservoir in 2021, 2017 and 2011

对2011、2017、2021年汉江中下游主要水位控制站的水文特征值(表2)进行对比,从超警戒站点数量来看,2021年、2017年皇庄以下江段均为全线超警,但在2011年超警戒站点略少,警戒主要发生在沙洋以下江段。从最高水位的情况来看,皇庄站以2017年为最高,为48.62 m;沙洋、岳口、仙桃站均是以2011年为最高;而汉川站,则以2021年为最高,为30.56 m,2011年次之,为30.55 m。从累计超警戒时长来看,均是以2021年为最长,但从超保证时长来看,在2011年仙桃站还出现了超保证的情况。

表2 2021、2017、2011年汉江中下游主要水文控制站特征值Table 2 Key hydrological values of the control stations in the middle and lower reaches of Hanjiang River in 2021, 2017 and 2011

对比此3年的水情特征后发现,2011年汉江上游洪峰集中发生于9月中旬,洪峰次数最少(2次),但流量涨幅迅猛,洪峰流量及过程流量涨幅最大均出现在这一年。此外,2011年汉江中下游水位高、流量大,其超警戒站数及持续时间虽不及2021年,但沙洋、岳口、仙桃等站水位均为3年中最高,且出现了1个站超保证;2017年汉江上游洪峰发生在9月末至10月中旬前期,次数为3次,略高于2011年,但在峰值流量、中下游主要站点洪峰水位及超警戒时长上来看,普遍不及2011年和2021年;2021年汉江上游洪峰出现在8月下旬至10月上旬,洪峰出现时间最早,洪峰次数最多(7次),上游高水位流量持续时间最长,中下游累计超警时间也最长,其下游的汉川站水位为3年中最高,其超警幅度也最大。

4 2021年汉江秋汛的异常环流特征

4.1 500 hPa环流异常特征

秋汛的形成与大尺度环流的异常稳定维持密切相关。2021年8月21日至10月7日(图6,等值线),极涡呈偏心型,其中心位于78°N、180°E附近,亚欧中高纬呈现“两槽一脊”环流型,我国东北及其以北地区有高压脊维持,巴尔喀什湖—贝加尔湖地区、日本以东—白令海地区各有一低槽发展。中低纬地区,副高较历史同期明显偏强、偏西,其平均西伸脊点位于27°N、100°E附近。对应的距平场显示(图6,填色),欧亚地区中高纬从西南至东北呈现经向“-+-”波列分布,即巴尔喀什湖—贝加尔湖地区为明显的负异常,欧洲大陆北部为显著的正异常,白令海峡以北的大部地区为显著的负异常,其负异常中心较历史同期差值在-7 dagpm以上。此外,纬向上同样存在明显的“-+-”波列分布,即巴尔喀什湖—贝加尔湖地区为负异常,我国大陆东部至西北太平洋为正异常,日本岛以东地区为负异常。中高纬地区的环流异常有利于冷空气在巴尔喀什湖—贝加尔湖地区堆积并不断分裂南下,与异常偏西的副高外围暖湿气流交汇于汉江上游地区。2021年在巴尔喀什湖—贝加尔湖地区高度场的负异常、欧洲北部的正异常、我国大陆东部至西北太平洋的正异常,与白虎志和董文杰(2004)、罗霄等(2013)、王春学等(2015)研究的华西秋雨偏强年的典型大尺度异常环流相比,基本一致,主要差异表现在低纬度孟加拉湾至南海地区高度场仍以正距平为主,而非典型环流中的明显负距平。

注:红色实线:汉江流域边界。图6 2021年8月21日至10月7日500 hPa平均位势高度(等值线,单位:dagpm)及距平场(填色)Fig.6 The 500 hPa mean geopotential height (isoline, unit: dagpm) and anomaly field (colored) from 21 August to 7 October 2021

4.2 西太平洋副高异常特征

500 hPa副高的变化是影响秋雨多少的主要因子之一,从2021年8月21日至10月7日期间逐日副高强度及面积指数演变(图7a)可见,副高异常偏强、面积偏大,秋汛期间平均的强度指数和面积指数分别为历史同期的1.5倍和1.7倍。从秋汛期间副高脊线、西伸脊点演变可见(图7b),副高呈现出阶段性的南北及东西摆动,对比逐日降水演变可见,副高西伸脊线在26°～28°N、西伸脊点在90°～110°E的阶段,也是汉江上游降水显著增强的阶段。

图7 2021年8月21日至10月7日逐日500 hPa(a)副高面积指数和强度指数及(b)西伸脊点和脊线演变Fig.7 Daily variation of (a) subtropical high intensity and area index and (b) westward extension ridge point and ridge line at 500 hPa from 21 August to 7 October 2021

4.3 东亚副热带西风急流和南亚高压

南亚高压及其北侧的东亚副热带西风急流是中高纬地区对流层中上层大气环流的重要组成部分,其对大范围雨带形成及维持具有重要作用(张琼和吴国雄,2001;况雪源和张耀存,2006;陆晓娟等,2022)。从历史平均的8月21日至10月7日200 hPa 南亚高压及平均纬向风的历史平均分布特征(图8a)可见,南亚高压1252 dagpm所控制的范围很小,仅在高原西侧90°E附近区域东亚副热带西风急流轴(u≥30 m·s-1)呈准东西向带状分布,在90°E、150°E存在两个35 m·s-1以上的急流中心。从2021年8月21日至10月7日秋汛期间200 hPa南亚高压及平均纬向风(图8b)分布可见,南亚高压较历史同期异常偏强、范围偏大,1252 dagpm覆盖了20°～130°E的广大地区,且其中心值超过1256 dagpm。东亚副热带西风急流较历史同期范围更广,覆盖了37°～42°N、 35°～160°E大部区域,并且强度更强,在60°～140°E的大范围区域内其中心强度均超过了35 m·s-1。从2021年秋汛期105°～112°E平均的200 hPa位势高度、纬向风及水平散度随时间演变来看(图8c),南亚高压及东亚副热带西风急流经历了4次加强北抬随后又减弱南撤的过程,当东亚副热带西风急流轴与南亚高压脊线分别稳定在35°～40°N、25°～30°N时,在30°～35°N(即汉江上游所在区域)有明显的高空辐散发展,对应的降水也进入显著增强阶段。

注:图a,b中红色实线:汉江流域边界;图c中红色实线:南亚高压脊线。图8 (a)1991—2021年历史平均和(b)2021年8月21日至10月7日200 hPa平均位势高度(黑色实线,单位:dagpm,绿色实线:1252 dagpm)及纬向风(填色:≥30 m·s-1),(c)2021年105°～112°E的200 hPa平均位势高度(黑色虚线,单位:dagpm)、纬向风(黑色实线,单位:m·s-1)和水平散度(填色)的时间-纬度剖面Fig.8 (a, b) The 200 hPa average geopotential height (black solid line, unit: dagpm: green solid line: 1252 dagpm) and u-wind (colored: ≥30 m·s-1) from 21 August to 7 October (a) of climate mean (1991-2021) and (b) in 2021, (c) the time-latitude cross-section of geopotential height (black dashed line, unit: dagpm), u-wind (black solid line, unit: m·s-1) and horizontal divergence (colored)

4.4 低层流场及水汽输送异常

由2021年8月21日至10月7日700 hPa距平流场(图9)可见,在中高纬度巴尔喀什湖—贝加尔湖地区有异常的气旋性环流存在,而我国东部沿海地区处于与副高相关的异常反气旋环流控制下,在其南侧的0°～20°N、 100°～120°E区域内,可以看到存在明显的气旋性环流,其与越赤道气流、高压底部的偏东气流汇合成一支偏东气流,在进入陆地后转向形成一支异常的西南气流,最终与中高纬气旋性环流底部的偏北气流在汉江上游地区交汇。

注:D:气旋性环流中心,G:反气旋性环流中心,红色实线:汉江流域边界。图9 2021年8月21日至10月7日700 hPa距平流场Fig.9 The 700 hPa streamline field of anomalies from 21 August to 7 October 2021

从气候平均的8月21日至10月7日700 hPa水汽通量及水汽通量散度(图10a)分布特征可以看出,水汽辐合区主要位于28°～40°N、 80°～100°E附近,即汉江流域以西的四川盆地附近地区,此外在汉江流域以东地区也存在一个弱水汽辐合中心,汉江上游流域无明显的水汽辐合。但在2021年秋汛期(图10b),水汽辐合中心范围明显增大,东扩至118°E附近,汉江上游地区处于明显的水汽辐合区中,这与李多和顾薇(2022)的研究结论较为一致。水汽的输送路径主要有4支,来自南海、阿拉伯海的水汽首先在0°～20°N、 100°～120°E形成一个水汽辐合中心,而后经由副高南侧的偏东南气流与孟加拉湾水汽汇合成一条西南水汽输送带,最终与来自西风带的水汽在汉江上游形成强烈的辐合,为秋汛期持续降水提供了充分的水汽供应。

注:红色实线:汉江流域边界。图10 (a)1991—2021年历史平均和(b)2021年8月21日至10月7日700 hPa平均水汽通量(箭矢,单位:kg·m-1·s-1)及水汽通量散度(填色,单位:10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1)Fig.10 The 700 hPa water vapor flux (arrow, unit: kg·m-1·s-1) and water vapor flux divergence (colored, unit: 10-7 g·cm-2·hPa-1·s-1) from 21 August to 7 October (a) of climate mean (1991-2021) and (b) in 2021

5 2021年汉江秋汛成因概念模型

综合上文对2021年汉江秋汛水文气象演变特征和大气环流异常分析结果,得到2021年汉江秋汛成因概念模型(图11)。

图11 2021年汉江秋汛成因示意图Fig.11 Schematic diagram of causes for autumn floods in Hanjiang River in 2021

当200 hPa南亚高压、东亚副热带西风急流较同期异常偏强;500 hPa巴尔喀什湖—贝加尔湖地区有低槽发展,其距平场呈明显负距平,我国大陆东部有高压脊发展、副高异常偏西偏北,且中东部大部地区在距平场上呈明显正距平;对流层中低层,汉江上游地区有异常的水汽辐合中心发展,并且上述异常大尺度环流配置稳定维持时,有利于汉江上游出现大范围持续性降水。当东亚副热带西风急流轴位于35°～40°N,南亚高压脊线位于25°～30°N时,副高脊线在26°～28°N、西伸脊点在90°～110°E时,有利于汉江上游降水显著增强。在丹江口水库入库流量接近2000 m3·s-1后,当汉江上游5 d累计面雨量达60 mm以上时,往往造成汉江上游流域10 000 m3·s-1以上的洪峰过程。汉江上游洪峰形成后,在其向中下游的移动过程中,由于河道落差小,断面逐级收窄,导致降水并不明显的汉江中下游地区出现超警戒洪水。

6 结 论

本文分析了2021年汉江秋汛降水的时空分布及历史极端性特征,汉江流域主要水文控制站水情演变及大尺度环流异常特征,并初步探讨了致洪的环流特征,得出以下结论:

(1)2021年汉江秋汛致洪降水主要分布在汉江上游地区,具有开始时间早、持续时间长、降水的累计强度大及历史极端性强等特征,降水自8月21日开始发展,至10月上旬方减弱,持续近50 d,期间经历了4个降水的集中时段。汉江上游3个子流域石泉以上、石泉安康、安康丹江口累计面雨量分别为1961年以来的第一、第一、第二位,且整个汉江上游流域累计面雨量居1961年以来第一位。

(2)受汉江上游降水影响,丹江口水库出现10 000 m3·s-1以上的洪峰过程7次,最大洪峰流量出现在9月29日,为24 900 m3·s-1。汉江中下游主要水文控制站点累计超警时间在151～580 h,最大超警幅度分别为0.29～1.56 m,呈现越到下游超警时间越长、超警幅度越大的特征。与典型秋汛年水情的对比分析表明,2021年水情的异常程度明显超过2011年、2017年。2021年汉江上游洪峰出现在8月下旬至10月上旬,洪峰出现时间最早,洪峰次数最多(7次),上游高水位流量持续时间最长,中下游累计超警时间也最长,其下游的汉川站水位为3年中最高,超警幅度也最大。

(3)副高异常偏西偏北,是导致秋汛期间汉江流域降水“西多东少”的主要原因。在同期异常偏强的南亚高压、东亚副热带西风急流及对流层中低层异常的西南气流的共同作用下,汉江上游地区形成了持续的高空辐散及低层水汽辐合中心,这为降水的长期维持起到重要作用。当副高脊线在26°～28°N、西伸脊点在90°～110°E,且西风急流轴与南亚高压脊线分别稳定在35°～40°N、25°～30°N时,对应的汉江上游降水也进入显著增强阶段。当丹江口水库入库流量接近2000 m3·s-1后,汉江上游60 mm 以上的5 d累计面雨量往往能造成10 000 m3·s-1以上的洪峰过程。上游来水增大后,汉江中下游河道逐级收窄,是导致降水并不明显的汉江中下游地区出现超警洪水的主要原因。