季节内振荡水汽收支对长江中下游持续性极端降水强度的调控作用

利用中国1979—2019年逐日降水格点数据,考量降水的时空聚集性强度之客观监测方法,识别中国东部区域极端降水事件,发现长江中下游是夏季持续3 d及以上区域持续性极端降水(PREP)发生最频繁的区域。以此为研究对象,基于水汽收支理论,利用ERA-Interim再分析资料和带通滤波方法,诊断日降水及其水汽收支的季节内特征,研究关键尺度对流层高低空系统配置及演变。结果显示:PREP日降水强度及其演变被证实与区域大气柱水汽辐合量相一致。10~30 d准双同振荡(QBWO)和30~90 d(MJO)的水汽辐合在事件发生前1~3 d和7~9 d开始由负位相转为正位相。区域南、北边界QBWO(MJO)水汽输送在事件发生前2~4 d(9~10 d)由水汽输出转为输入。南海的QBWO对流北传至长江中下游,促使源于西北太平洋的对流层低层QBWO反气旋式环流系统向西南移动,其西北侧的西南风使区域南边界水汽输送在事件开始日达最大。事件发生前10 d左右,对流层低层MJO反气旋式环流系统出现在西北太平洋,并向西南移动,长江中下游气旋系统加强维持,对流层中层孟加拉湾MJO尺度低槽开始加深,三者的配合使区域南边界的MJO水汽输入逐渐增强并维持到事件发生后。MJO尺度的强水汽输入结合QBWO反气旋式环流促使长江中下游地区的持续性极端降水事件的发生。研究结果对持续性极端降水事件延伸期的预报提供参考。

近45年长江中下游地区汛期极端强降水事件分析

利用长江中下游地区1960—2004年78个台站汛期(4—9月)逐日降水资料,首先定义了不同台站的极端强降水阈值,然后统计出了不同台站近45年逐年汛期极端强降水事件的发生频次,并进行了时空分布特征分析。结果表明:长江中下游汛期极端强降水事件发生频次的多寡很大程度上影响着汛期总降水量的多少。一致性异常分布特征是长江中下游地区汛期极端强降水事件发生频次的最主要空间模态;长江中下游地区汛期极端强降水事件发生频次的空间分布可分为5个主要区域。通过最大熵谱估计分析表明,Ⅰ区显著周期为2～4年;Ⅱ区和Ⅳ区的主要显著周期是基本一致的,显著周期为2～3年和6.3年;Ⅲ区显著周期为14.7年的年代际变化;Ⅴ区显著周期为22年的年代际变化和4～5年的年际变化。各分区代表站中岳阳(Ⅰ区)表现为很显著的增长趋势,10年增长率为1.0次;南岳(Ⅱ区)和南京(Ⅳ区)增长趋势相对较弱;衢州(Ⅴ区)增长趋势相对最弱;而洪家(Ⅲ区)近45年来汛期极端强降水事件发生频次则表现为很弱的减少趋势。

夏季长江中下游流域性极端日降水事件的环流异常特征及其与非极端事件的比较

利用1979—2008年夏季(6—8月)的NCEP/NCAR再分析逐日资料与中国743测站的逐日降水资料,对长江中下游地区流域性极端降水(99百分位,也称为极端强降水)、85～90百分位、75～80百分位降水事件进行合成分析,比较了不同百分位降水事件的环流异常特征。结果表明:长江中下游地区流域性极端日降水量的99百分位阈值为25 mm/d。各类降水事件在梅雨汛期出现频率较高。1990年代以后的极端日降水事件明显偏多。在各百分位降水事件中,在对流层中、低层,长江中下游地区均受气旋性异常环流控制,但对流层高层异常环流特征明显不同。无论在低层还是高层,极端事件的异常环流比非极端事件的异常环流强。不同百分位降水事件的水汽主要来源亦有所不同。极端降水事件中,由孟加拉湾直接辐散至长江流域的水汽较强,而在非极端降水事件中,则是来自南海地区的水汽明显偏强。非绝热加热率<Q1>、<Q2>与<Q1>-<Q2>的异常分布在各百分位降水事件中的分布较为一致,但强度随降水强度的减小而明显减小。另外,极端日降水事件与85～90百分位的降水事件在太平洋上都存在着北负南正的海温分布,但极端降水事件相应的海温异常明显偏强。而在75～80百分位降水事件中,海温并未出现明显异常。说明极端日降水事件的形成与较强的局地环流异常、与中纬度和热带西太平洋-南海区域的环流异常直接相关,与太平洋海温异常存在可能的密切联系,而非极端事件则主要与局地性异常环流有关。这些结果有利于人们认识和预测极端日降水事件的发生。

长江中下游地区冬季极端降水事件与天气尺度瞬变波活动的可能联系

利用ERA40、NCEP/NCAR逐日再分析资料和长江中下游地区85站逐日降水资料,从大气内部天气尺度瞬变波的角度对长江中下游地区极端降水事件进行了成因分析。研究发现瞬变波活动与极端降水的发生关系密切;冬季在两支急流并存的欧亚大陆上空存在南北两支瞬变波活跃带。南支瞬变波在冬季极端降水频发、少发年存在较明显的差异。总体而言,极端降水频发年,瞬变波活动活跃,欧亚大陆上空的瞬变波持续时间长、传播连续、强度偏强;极端降水少发年,则反之。从逐日变化来看,南支瞬变波的强度和能量传播过程与极端降水的发生频次均具有一定的对应关系。北支瞬变波的传播及瞬变波对水汽的输送和极端降水的发生也有一定促进作用。这些结果均表明,冬季极端降水的发生与天气尺度瞬变波的活动联系紧密,天气尺度瞬变波的异常活动及传播可能是极端降水发生的重要条件,研究可为极端降水的成因研究提供新的思路。

长江中下游平原2022年高温干旱复合型极端事件的影响因子分析

基于ERA5和ERA5-LAND再分析资料,利用水量平衡分解法,将净降水量(降水量减蒸发量,P-E)的变化分解为热动力贡献、热力学贡献和涡动贡献,分析了2022年发生在长江中下游平原的极端干旱事件的机理和演变过程,并将其与2013年同样发生在长江中下游的高温干旱事件进行对比分析。净降水量分析表明,2022年长江中下游平原汛期前期(5—6月)干旱主要由降水量减小导致,水量平衡分解分析显示,湍流涡动与平均环流变化的贡献是早期干旱的主要因子;中期(7—8月)的高温增强了地表蒸散发,尤其是裸土蒸发的增强,加剧了干旱程度,水量平衡分解显示,表征温度升高引起的水汽含量变化的热力贡献对干旱加剧的贡献最大;后期(9—10月)高温进一步引发平均环流变化导致的热动力贡献延长了干旱持续时间。而2013年的高温干旱为高温引发的热力学贡献主导,持续事件短,干旱程度弱。本文对2022年发生在长江中下游平原的高温干旱复合型极端事件的发展和演变过程的剖析,可为湿润区极端高温干旱事件的预测预警提供参考。

海表温度的增暖趋势和自然变率对长江中下游夏季极端降水强度的影响

极端降水引起的洪、涝等灾害每年给我国带来极大的人员伤亡和经济损失。全球增暖使极端降水事件发生的频率增加,强度增强。但是针对不同区域极端降水事件,其贡献究竟如何还有待于进一步认识。本文以我国长江中下游地区的极端降水事件为研究对象,通过典型年份夏季区域极端降水过程的水汽收支特征,探讨海表温度(SST)的增暖趋势和自然变率强迫对该区域典型极端降水强度的影响效应。结果表明:(1)极端降水过程及其夏季都伴随着区域整层大气的水汽辐合,且水汽辐合发生在经向方向。西北太平洋异常反气旋式环流,在区域南边界形成了稳定的西南风异常的水汽输送。(2)典型极端降水过程发生的夏季,SST在赤道印度洋和热带大西洋为强正异常,主要为增暖趋势的贡献,赤道中东太平洋SST异常表现为La Ni?a型。(3)SST增暖趋势和自然变率的数值敏感性试验表明,1998、2017和2020年的SST增暖趋势强迫的区域水汽辐合分别是其自然变率强迫的83%、210%和107%,SST增暖趋势比自然变率的影响更为重要。(4)SST增暖趋势和自然变率都是通过强迫西北太平洋异常反气旋式环流,引起长江中下游区域南边界异常的西南水汽输送,是导致极端降水发生的主要过程。

基于小波变换的长江中下游地区极端降水与大气环流响应关系研究

在气候变暖背景下,探讨极端降水对大气环流的响应规律,对区域洪涝灾害防护以及科学管理极为重要。基于长江中下游地区435个气象站点1980-2018年的日降水数据,以连续小波变换为基础,采用交叉小波变换与小波相干方法分析了长江中下游地区近40年来极端降水指数以及大气环流指数的振荡周期特征及其之间在时频域中的共同特征和相关关系。结果表明:极端降水指数均存在多尺度周期性震荡,这些指标的周期性震荡趋向于高时频尺度,这意味着从1980年到2018年,极端降水各个指标“增加-减少”变化更加频繁;大气环流指数在20世纪80年代中期至90年代中期均出现显著周期;大气环流指数与极端降水之间的相互影响主要体现在年际尺度上,不同时域中存在明显差异,但是EASM与PDO在高能量谱区对长江中下游地区极端降水的影响较弱,IOD在低能量谱区对极端降水指数影响较弱。

2020年6—7月长江中下游地区梅汛期强降水的极端性特征

2020年6—7月长江中下游地区出现了极为严重的暴雨洪涝。基于国家站长时段逐日降水资料、国家站和区域自动站小时降水资料等分析了强降水的极端性特征。长江中下游地区降水异常偏多的范围明显大于1998年和2016年同期,仅次于1954年。大别山区、皖南山区和鄂西南山区是三个雨量大值中心,最大累计降雨量均在1500 mm以上。降水的异常偏多与强降水长时间维持在长江中下游地区密切相关。2020年长江中下游梅雨期历时52 d,较常年偏多23 d,且是1961年以来唯一一年6—7月逐旬降水均偏多的年份。不同等级雨日的分析表明,该年中雨、大雨、暴雨、大暴雨及以上站次均为1961年以来同期最多,后三种等级偏多更为显著。强降水的极端性同样体现在小时尺度的短历时降水中,2020年6—7月长江中下游地区出现大于等于20和50 mm·h-1短时强降水的累计站日数分别为1612和100站日,均列1981年以来的同期第一位;强降水中心的黄山、祁门、岳西和鹤峰站小时降水超过20 mm的时次数是常年同期的2~4倍,各自前43、21、19和27次最强小时降水累加即超过常年6—7月累计降水量。上述结果表明,2020年6—7月长江中下游地区梅汛期强降水在总雨量、持续时长及雨强等方面均具有明显的极端性特征。

两类ENSO事件对长江中下游地区季节降水的影响

使用1966-2015年长江中下游地区91个气象站月降水资料,采用线性倾向估计、Mann-Kendall检验、距平分析等方法分析了长江中下游地区近50年降水变化特征及其对两类ENSO事件的响应。结果表明,近50年来长江中下游地区夏季降水量以2.04mm/a的倾向率呈显著增加趋势,年降水量在区域内呈东增西减的分布特征。厄尔尼诺事件易造成长江中下游冬、春季降水异常偏多,而拉尼娜事件发生时夏季降水大幅偏多。东部型厄尔尼诺发生当年长江沿岸一带附近夏季降雨偏少,中部型事件当年呈现南多北少的响应特征,次年则转变为相反的空间分布。中、东部型拉尼娜事件发生当年,秋季降水分别显著偏多和偏少。东部型拉尼娜次年夏季降水普遍偏多,以长江中下游东部最为显著,而中部型事件次年夏季降水则呈现东南多西北少的分布格局。

长江中下游区域性极端降水时空变化特征及其与ENSO的关系

极端降水越来越受重视,而现有绝大多数基于降水网格数据的研究忽略了空间一致性。对此,引入考虑空间一致性的连通分量标记法,识别和定义区域性极端降水事件(Region Extreme Precipitation Events,REPE),并利用1970~2020年长江中下游0.5°×0.5°地面降水格点数据,选用线性拟合、Mann-Kendall趋势检验法、Pettitt突变检验法和置换检验法等方法分析了长江中下游近51年来REPE不同时间尺度的分布特征,揭示了不同类型ENSO事件对当年与次年REPE的影响。分析表明,年内REPE主要发生在5~9月;年际REPE总体表现为数量显著增加,尺度显著增大;在年代际时间尺度上,REPE突变发生在1993~1994年,尺度突变早于数量突变,且在突变点后期REPE相对突变点前期频数更多,尺度更大;REPE与年降水总量呈现强相关性;对于ENSO而言,总体上ENSO事件会使得事件发生的当年和次年REPE增多且尺度变大;EPC事件总体上使得当年的REPE数量上显著增加,其显著影响体现在4、5、7月;EPW事件总体上使得次年REPE尺度显著增大,其显著影响体现在事件当年12月及次年1月;而发生在CPW事件当年和次年的REPE总体上无显著变化,但在CPW事件次年7月REPE存在显著增强。研究结果可为长江中下游极端降水预报提供依据。

1960—2012年长江中下游极端降水与极端径流时空演变研究

利用1960—2012年间的长江中下游地区75个站点的逐日降水观测资料,基于11个极端降水指标,采用趋势分析、滑动平均、Mann-Kendall检验等方法对长江中下游地区各个子流域的极端降水事件的时空变化以及极端降水的集中度和集中期进行了研究。同时,分析了长江中下游干流区域4个水文站点的极端径流的变化情况,以期综合全面地分析极端事件的演变情况。结果表明:1)极端降水在各个子流域的大部分地区都表现为增加趋势,其中汉江流域西北部、中游干流区域东部、洞庭湖西部、鄱阳湖北部以及下游干流东北部显著增加;2)极端降水在总降水量中所占比例较大,这表明降水的形式更加趋于集聚化,并且比例自西北向东南逐渐减少,这表明越往西北部极端降水造成灾害的概率越大;3)长江中下游干流区域几个主要水文站点的极端径流各项指标均表现为较为显著地减小的趋势,极端降水和极端径流的变化趋势差异较大,这可能与人类活动有关(三峡工程)。

基于广义帕累托分布的长江中下游极端降水重现期研究

根据长江中下游地区75个站点1960-2012年逐日降水资料,选取最大日降水量作为极端降水指标,采用广义帕累托分布模型研究长江中下游地区极端降水重现期。将长江中下游地区在时间上分为1960-1980年和1981-2012年两个时间段,分别模拟十年一遇、二十年一遇、五十年一遇、百年一遇极端降水重现期的最大日降雨量。结果表明:在不同时期,不同的地区在相同重现期最大日降水量有显著区别。在不同重现期内,均是汉江流域最大日降水量较低,而长江中游干流和鄱阳湖区域最大日降水量较高;同时,在相同重现期内,不同时间段降水也有差异,1981-2012年重现期最大日降雨量平均比1960-1980年重现期最大日降雨量高5%左右。

长江中下游夏季极端降水指数的变化特征

利用长江中下游地区66个气象站逐日降水资料,通过经验正交函数分解分析中雨以上日数极端降水指数及形成的原因。结果表明:长江中下游中雨以上日数主要表现为全区一致型、南北反向型,且两种分布形势均存在准2 a周期的年际变化和年代际变化;中雨以上日数在1990s开始显著增长,2000s以来,长江以北地区偏多,长江以南地区偏少;2000—2011年,我国东部经向上仍旧存在"反气旋—气旋"水汽输送异常,蒙古高原反气旋型水汽输送加强,引起雨带停滞在长江以北,造成长江以南地区中雨以上日数偏少。

21世纪前期长江中下游流域极端降水预估及不确定性分析

在全球变暖背景下,极端降水的频率、强度以及持续时间均在显著增加,尤其是对于气候变化敏感的长江中下游流域。由于模式本身、温室气体排放情景以及自然变率存在较大的不确定性,因此未来预估变化的不确定性一直备受关注。为了能够得到对于未来极端降水更为准确的预估结果,使用NEX-GDDP(NASA Earth Exchange Global Daily Downscaled Projections)提供的19个CMIP5降尺度高分辨率数据(0.25°×0.25°),给出21世纪前期(2016—2035年)长江中下游流域极端降水的可能变化。根据长江中下游流域178个气象站1981—2005年的逐日降水量数据,计算了能够代表极端降水不同特征的指数,在评估模拟能力的基础上给出了21世纪前期RCP4.5情景下极端降水的变化。结果表明,降尺度结果对长江中下游流域极端降水有很好的模拟能力,除R90N外,所有模式模拟其余指数的空间结构与观测的相关系数均超过了0.6。其中所有模式模拟PRCPTOT和R10的相关系数均超过0.95。21世纪前期,长江中下游地区降水趋于极端化,尤其是在流域的西部地区。极端降水日数的变化在减少,表明对于极端降水的贡献主要来自于极端降水日的较大日降水量,而非极端降水日数。未来预估不确定性的大值区主要位于流域的南部地区,流域的西部地区不确定性较低,西部地区极端降水的增加应该受到更多的重视。

拉尼娜事件对长江中下游旱涝的影响

为研究不同强度拉尼娜事件下长江中下游旱涝差异,利用旋转经验正交函数方法,将长江中下游划分为4个区(西北部、中部、南部和东部);基于MEI指数,提取了1961—2014年的拉尼娜事件,并采用标准化降水蒸散指数来评估旱涝等级。结果表明:不同强度的拉尼娜事件可对各分区的旱涝频率、强度和时空分布产生不同的影响。在强事件持续期,一区易发严重干旱,二到四区易发生严重洪涝;在强事件结束后,一区可出现轻度洪涝,二到四区可出现中等以上干旱。在中等事件持续期,一区洪涝的频率和强度略大,二区到四区干旱的频率和强度略大;在中等事件结束后,一区洪涝的频率和强度非常大,二区到四区干旱的频率和强度非常大。弱事件对旱涝影响较小,且在南部和北部有反向变化特征,南旱北涝。旱涝频率、强度和分布差异与不同等级的拉尼娜事件影响水汽输送和垂直运动的强度有关。

浅析长江中下游地区夏季极端降水量时间变化特征

利用长江中下游地区1961—2010年88个测站夏季(6—8月)的逐日降水资料,NOAA延伸再建的海表面温度资料和NCEP/NCAR再分析500h Pa高度场资料。利用第95百分位法统计出极端降水序列,采用EOF、REOF分解、线性倾向估计以及M-K突变性检验等方法对我国长江中下游地区夏季极端降水的时空特征进行了分析。结果表明:长江中下游地区划分为6种主要的空间型:分别为运河流域型、入海型、两湖平原型、南部型、北方型和沿海型。6种主要空间型的夏季极端降水年际变化特征并不完全一致,但从长期变化趋势来看,除了湘北、赣北及长江中下游地区东北部,这3块小区域的极端降水表现为减少外,其余区域均表现为增加趋势;进入20世纪90年代,长江中下游地区整体夏季极端降水偏多。

浅析长江中下游夏季极端降水分布特征

本文利用长江中下游地区1961—2010年88个测站夏季(6—8月)的逐日降水资料,NOAA延伸再建的海表面温度资料和NCEP/NCAR再分析500h Pa高度场资料。通过第95百分位法统计出极端降水序列,采用EOF、REOF分解、线性倾向估计以及M-K突变性检验等方法对我国长江中下游地区夏季极端降水时空分布特征进行了分析,结果显示:长江中下游夏季极端降水阈值空间分布差异较大,大致呈现东高西低,南多北少的分布形势。其中阈值高值区位于赣鄂皖3省的交界处,高低值相差达40mm/d;夏季极端降水在一致性异常特征的基础上,存在着南北反向差异;并可以再划分为6种主要的空间型:分别为运河流域型、入海型、两湖平原型、南部型、北方型和沿海型。6种主要空间型的夏季极端降水年际变化特征并不完全一致,但从长期变化趋势来看,除了湘北、赣北及长江中下游地区东北部,这3块小区域的极端降水表现为减少外,其余区域均表现为增加趋势;进入20世纪90年代,长江中下游地区整体夏季极端降水偏多。

2016年梅雨期间长江中下游强降水与对流层上层斜压波包的关系

2016年6—7月,长江中下游地区发生了自1998年以来最严重的强降水事件,造成了重大的经济损失。利用NCEP/NCAR再分析资料和中国2479站逐月及逐日降水资料,研究了2016年梅雨期间长江中下游地区降水与欧亚大陆对流层上层斜压波包活动的关系,并诊断了两者之间的信息流向。结果表明,梅雨期间的高频斜压波动具有明显的下游频散效应。波动起源于黑海,沿西北—东南方向于3—4 d后传至长江中下游地区。斜压波包为长江中下游地区强降水的发生提供了必要的能量。波作用通量矢量的分布表明,梅雨期间逐日均有来自西风带上游的扰动能量向长江中下游流域传播。而梅雨期间降水与斜压波包的信息流关系表明,二者之间存在信息传递。因此,3—4 d并源于黑海附近的斜压波包活动是2016年长江中下游梅雨期间异常降水的成因。这些结果为深刻认识长江中下游地区强降水事件发生的成因和有效预测提供了线索。

长江中下游一次暖区极端致洪暴雨特征及天气学成因分析

基于多源观测资料和再分析资料,采用天气学诊断分析方法研究了2019年5月长江中下游地区发生的一次致洪暴雨的特征及主要成因。结果表明:该次极端致洪暴雨过程是在稳定的“西低东高”天气形势下,由持续时间长的短时强降水累积而成,具有明显的中尺度和阶段性特征。直接造成极端暴雨的中尺度对流系统在低空急流前沿不断新生东移,表现出明显的“列车效应”和准静止特点。过程中低空急流和超低空急流异常强盛,为极端暴雨提供了持续有利的水汽和对流不稳定条件,特别是整层高湿、较低的抬升凝结高度和较大暖云层厚度有利于提高降水效率,产生雨强较大的短时强降水;高低空急流耦合是强降水发生发展的重要动力机制,强垂直风切变区与暴雨落区有较好的对应。