中国东部区域极端降水事件特征——两种方法监测对比

基于中国区域地面降水格点日值数据集,对比国家气候中心业务暴雨指数和区域极端强度—持续时间综合(Region-Extreme-Intensity-Duration,REID)指数识别区域极端降水事件方法,给出了中国5个区域极端降水事件(Regional Extreme Precipitation,REP)的频数、强度、影响面积以及持续时间统计规律及变化特征,探讨了两种方法识别结果存在的差异。结果表明:(1)两种方法识别持续时间为1~2 d,影响面积为200000 km^(2)左右的极端降水事件统计、气候特征相近。(2)REID法能客观识别华南和长江流域地区3 d以上的持续性REP,业务法会将其分割为多次降水过程。此外,REID法无日降水阈值,适用于监测日降水量小于50 mm的极端降水事件。再者,REID法可识别较小尺度REP,而业务法因降水主观比例的限制导致对此的监测存在不足。(3)业务法每日确定降水中心,有利于识别降水中心移动较快的极端降水事件。此外,REID法所识别的极端区域一般小于业务法基于50 mm的极端区域。在极端降水监测中,两种方法相互协作,取长补短,可以有效提高区域水灾预警预防能力。

区域极端降水事件的空间极值建模分析

空间不确定性事件的建模问题在自然环境和区域空间结构方面具有重要意义,若按地域特点将数据聚合分组的传统方法无法分析极端事件的区域性结构,而基于极值稳定性过程的空间极值模型对区域共性和相依结构可提供可靠的理论依据。在总结4种空间结构模型的基础上,借助Spatial Extremes中的数据集,针对瑞士47年的极端降水事件,运用4种结构模型结构特征,对广义极值模型进行统计分析,采用似然方法估计不同模型中的参数,在考虑空间相依关系和边际结构的基础上,设计模型的边际结构形式,比较了不同相依结构,在TIC指标下进行模型选择,对优化后的模型进行统计推断,为自然事件的发生及其演变规律提供参考。

中国区域性极端降水事件及人口经济暴露度研究

基于中国1960—2014年771个气象站的逐日降水资料,选取有效降水序列95百分位数作为极端降水阈值,将既定持续时间尺度和连续面积上超过阈值的降水事件定义为区域性极端降水事件。采用强度-面积-持续时间(Intensity-Area-Du-ration,IAD)法,根据极端降水事件空间和时间上的连续性特征,对不同持续时间的区域性极端降水事件演变趋势及暴露于极端降水事件下的人口和国内生产总值进行研究。结果表明:(1)相对强度最大的区域性极端降水事件主要集中在1960—1968、1991—1999和2006—2013年3个时段;(2)区域性极端降水事件最强中心主要分布在长江以南和东北地区,发生在北方的多为单日极端降水,南方多为持续多日的极端降水;(3)1960—2014年区域性极端降水事件影响面积有所增大,相对强度变化不明显;(4)暴露于极端降水事件影响区域内的人口和国内生产总值均呈显著增大趋势,暴露人口最多的年份在1983年,达到2408万人/d,暴露国内生产总值最多的年份在1998年,达到20亿元/d。

华南地区7—10月两类区域性极端降水事件特征及环流异常对比

利用1981—2016年7—10月中国753站逐日降水资料、气象信息综合分析处理系统(MICAPS)逐日站点降水资料、日本东京台风中心西北太平洋热带气旋(TC)最佳路径资料和NCEP/NCAR再分析资料集,分析了华南地区区域性日降水极端事件(RDPE事件)的统计特征及环流异常。根据华南地区RDPE事件的发生是否受热带气旋影响将其分为TCfree-RDPE和TCaff-RDPE两类事件,其中TCaff-RDPE事件占42%且集中发生在8月4—5候;TCfree-RDPE事件以7月发生频数最多,占其总频次的1/2以上。TCfree-RDPE事件发生时,华南地区受异常气旋性环流控制,来自西太平洋和中国南海的暖湿气流与北方冷气团在此汇合并形成一条狭长的水汽辐合带,低层辐合、高层辐散,显著强烈的上升运动为TCfree-RDPE事件的发生与维持提供了有利条件;与此同时,波扰动能量由高原东北侧及河西走廊地区向华南一带传播并在华南显著辐合,有利于华南上空扰动的发展和维持。TCaff-RDPE事件发生时,华南上空由低层到高层的斜压环流结构更为明显,异常上升运动更加强烈,热带气旋在其运动过程中携带了大量源自孟加拉湾、中国南海和西太平洋地区的水汽并输送至华南地区,水汽辐合气流更为强盛。同时,波扰动能量由高纬度地区沿河西走廊向下游传播,但在华南地区辐合不甚明显。两类极端事件发生时,加热场上的差异亦明显。华南及邻近地区上空的大气净加热及其南侧大范围区域的净冷却所形成的加热场梯度对TCfree-RDPE事件的发生有利。而TCaff-RDPE事件发生时,〈Q_1〉和〈Q_2〉在经向上由18°N以南、华南及其邻近地区、32°N以北呈负—正—负的异常分布型,正距平值更高,加热场梯度更大,有利于TCaff-RDPE事件的维持。这些结果有利于人们认识和预测华南区域性日降水极端事件的发生。

从气候学角度理解“21.7”河南特大暴雨的形成机理

2021年7月19—22日,河南省遭遇历史罕见特大暴雨,破纪录降水引发了严重的洪涝灾害。目前,“21.7”河南特大暴雨的研究大多针对降水个例,引发极端降水的气候学机制仍不明确。本文基于谱聚类方法,利用中国气象局多年历史站点降水资料和NCEP/NCAR再分析数据研究了1960—2021年华北地区夏季区域性极端降水事件的主控环流天气型,系统揭示了“21.7”河南特大暴雨的发生过程。结果表明,“21.7”河南特大暴雨发生在罕见天气型下,即西太平洋上空增强的远距离台风配合异常偏西北的西太平洋副热带高压与异常偏东北的南亚高压。该天气型虽然仅贡献了华北地区夏季区域性极端降水事件的5.97%,却易导致更强的极端降水事件。台风和副高之间的盛行东南风将水汽从西太平洋输送到河南,对流层高低层强烈的风切变引发的垂直上升运动导致了“21.7”河南暴雨的发生。河南及周边地区对流层低层更加强烈的上升运动与非绝热加热之间的正反馈效应使得“21.7”河南暴雨相对同一天气型下的其他特大暴雨事件的极端性更强。本研究为理解和准确预测类似“21.7”河南暴雨的破纪录区域性极端降水提供了全新的气候学视角。