安徽省高山站与周边站暴雨及其大气环流特征分析

2021-05-09丁从慧邱学兴杨祖祥

湖北农业科学 2021年7期

丁从慧，邱学兴，杨祖祥

（安徽省气象台，合肥230061）

近年来，全球变暖背景下极端气候事件的变化已引起社会各界的广泛关注，IPCC第四次评估报告指出：全球气候变暖已是事实，气候变化通过改变降水的空间分布和时间变异特性，从而影响水资源的时空布局［1］。突发性局地暴雨或持续性暴雨造成巨大的经济损失和人员伤亡，并且对人们的生活有着广泛影响［2］。国内的研究表明，长江中下游地区近20年降水有显著增多趋势，主要影响极端降水的天气系统是锋面气旋、西南涡切变类型［3，4］。降水发展过程迅速、强度大而给气象预警和数值预报系统带来巨大的挑战，从而研究其机理可以为气象灾害预报暴雨发生、发展规律等提供依据，具有很重要的实际意义。

安徽省地处中纬度地带，属于暖温带向亚热带的过渡型气候，南北气流交汇，天气多变，区域气候特征明显，降水的年际变化较大，旱涝频发，暴雨是主要灾害性天气之一，其中皖南山区强降水容易导致山洪、泥石流等次生灾害。黄山、九华山为皖南三大山系之二，面积分别约1 200、120 km2，气候具有垂直变化特性，局部地形对其天气起一定作用，形成云雾多、降水多的气候特点。有研究表明，安徽省常年暴雨量呈南多北少的纬向空间分布，暴雨量及暴雨站次最多出现在6月下旬和7月上旬，暴雨量呈上升趋势的地区主要集中在淮北西部和江南南部；当山脉出现强降水时，恰好是降水系统扰动经过山脉时，扰动使降水系统增强，降水出现增幅［5-8］。

本研究旨在通过统计多年高山站和周边站的降水指标，以期得到该地区的降水规律，对提高山区强降水预报能力具有重要意义，旨在为今后暴雨预报及研究提供参考，同时也能为风景名胜区自然资源的开发利用与保护以及旅游事业的发展提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料

主要选取1981—2013年安徽省黄山及周边具有代表性的观测站（太平、黟县）、1991—2013年九华山及周边观测站（青阳、池州）逐日（20时至次日20时，北京时）降水资料；其中各站高度为黄山站1 836.0 m、太平站194.8 m、黟县站227.3 m、九华山站647.0 m、青阳站32.7 m、池州站39.4 m。美国国家环境预报中心（NCEP）发布的水平分辨率为1°×1°的逐日再分析数据集，包括位势高度、风场等物理量，资料长度为2000年1月1日至2013年12月31日。站点位置如图1所示。

1.2 方法

根据中国气象局规定，R24h（24 h内雨量）50.0～99.9 mm为暴雨，100.0～249.9 mm为大暴雨。本研究规定，台站某日R24h≥50 mm，则该台站在该日出现一次暴雨，也记该日为一个暴雨日；定义年平均暴雨强度为一年中所有暴雨日降水总量与暴雨日总数之比（即24 h降水量）；年平均暴雨日为多年所有暴雨日的平均。并对高度场进行经验正交函数分解（EOF）和时间系数的分析。

图1 安徽省空间站点分布

2 结果与分析

2.1 高山站和周边站降水特征分析

2.1.1 降水指标特征表1统计了安徽省高山站与周边站的多年降水量，黄山、九华山2个高山站年均降雨日为197.7、187.7 d，分别比周边站太平、池州高15.7、14.7 d；2个高山站年均降水量为2 290.3、2 077.6 mm，分别比周边站太平、池州高722.8、594.7 mm；2个高山站年平均暴雨强度（暴雨日）分别为83.3 mm/d（8.5 d）、79.6 mm/d（7.7 d），大暴雨强度（大暴雨日）分别为133.5 mm/d（1.9 d）、135.0 mm/d（1.5 d），且高山站的前2项降水指标均大于周边站，说明地形对降雨有促进作用，黄山站的大暴雨强度指标低于周边站（太平），可能在大暴雨情形下地形对降水影响不大，与天气系统本身有关。

2.1.2 年际降水特征由图2可知，黄山、九华山站与周边站年际降水量变化整体呈波动式分布。高山站的多年降水量基本高于同年的周边站，1999年降水量最大，黄山和九华山分别为3 228.1、3 166.1 mm，其他年份都呈波动趋势。黄山、九华山站多年平均降水量分别为2 290.3、2 077.6 mm，其中黄山、九华山的多年降水量平均值分别比周边站太平、青阳高722.8、215.5 mm；黄山站海拔高于九华山，均处于同一大气环流之下，且降水量相差较大，由此现象可以说明地形对降水有一定的影响，且根据山体高度的不同而不同，山体高度高，降水量大。

2.1.3 不同季节降水特征对比2个高山站与周边站的多年平均暴雨强度如图3所示，均随月份呈先增大后减小的趋势。黄山地区3个站均在6月暴雨强度最大，其次是7月、8月；其中黄山、太平、黟县站多年平均最大暴雨强度分别达293.5、160.0、260.0 mm/d，1月太平站的多年平均暴雨强度为0 mm/d，其他2个站多年平均暴雨强度大于63 mm/d，但在2月，太平站的年均暴雨强度达111.5 mm/d，均高于其他2个站，3站在12月均无暴雨日。九华山地区暴雨强度最大分布在7月（九华山、青阳）和6月（池州），九华山、青阳、池州站多年平均最大暴雨强度分别为195.0、169.0、184.0 mm/d；九华山（1—2月）、青阳和池州（12月）站暴雨强度为0 mm/d；在6—8月的大暴雨强度均是高山站大于周边站（青阳、池州），8月九华山站多年平均暴雨强度比青阳、池州站多55.4%、72.8%，高山站高于周边站且相差最大，可能因为山脉的动力抬升作用使得山区降水强度偏高于周边，因此海拔高度对降水的增强作用明显；在大暴雨量级降水中，地形对降水差异影响不大，可能与天气系统本身有关。

陶诗言等［9］研究表明，地形对暴雨的落区和幅度有影响，山脉地形对暴雨有加强和增幅作用，并影响强降水的落区；丁仁海等［10］研究发现，山区雨量分布不均，具有明显的山地地域特征，地形作用就是其中一个影响因素。通过多年平均降水量、暴雨日、暴雨强度等变化研究分析，降水集中在6—8月，高山站的降水量以及强度方面均高于周边站，地形对降水的增强作用十分明显。

2.2 地形增幅下的风场统计特征

经统计，1981—2013年黄山、太平、黟县站暴雨日分别有280、138、214 d；1991—2013年九华山、池州、青阳站暴雨日分别有176、168、182 d。其中，同时发生暴雨时黄山站的暴雨强于周边太平站的日数有79 d，小于周边太平站的有26 d；九华山站的暴雨强于周边青阳站的日数有52 d，小于周边青阳站的有35 d。统计结果表明，高山站的暴雨日均高于周边站，山区地形对降水有一定的增幅作用。

表1 各站点多年降水特征统计

图2 黄山（a）、九华山（b）与周边站年际降水量的变化特征

图3 黄山（a）、九华山（b）与周边站多年平均暴雨强度随季节变化特征

图4 统计了高山站为暴雨且大于山下（太平、青阳）的天气背景下的各层风向，此种情况下黄山、九华山站降雨日分别共有100、76 d。黄山站850 hPa西南风占比最大，为28.0%，其次为偏西风（15.0%）；700 hPa的偏西风占比最大，为36.0%，其次为西南风（23.0%）；低层925 hPa，东北风占比最大，为20.0%，其次为偏北风（16.0%）和西南风（16.0%）。九华山站925 hPa的东北风占比最大，为31.6%，其次是偏北风（17.0%）；850 hPa中偏东风占比最大，为19.7%，其次是东北风（18.4%）；700 hPa偏西风占比最大，为34.2%，其次是西南风（19.7%）。

图4 黄山（a）、九华山（b）高山站925、850、700 hPa各层风向

由850 hPa和700 hPa的风向统计资料可以看出，西南风或偏西风会增加黄山地区的降水量；九华山的700 hPa为偏西风，850 hPa为偏东风，山区更易出现暴雨，并且不同山体走向、高度、环境等因素也会影响降水的强度。

2.3 高山站和周边站的环流特征

以高山站大于周边站的暴雨日为统计对象，对500、850 hPa高度环流形势场进行EOF分解，依次分析前3个载荷向量（LV1、LV2、LV3）及其对应的时间系数（PC1、PC2、PC3），能够同时反映出空间要素分解随空间分布模态和时间系数的变化特征。

2.3.1 黄山、九华山站降水异常分布的空间模态

近33年黄山暴雨背景下500 hPa高度场的EOF分析表明，方差贡献率相对大，收敛速度快。选取高山站降水为暴雨量级且降水量大于周边站降水的环境背景下高度形势场的空间分布类型，展开前3个模态，其累积方差贡献率达72.32%。第一模态的方差贡献率为53.03%，全省一致为正，载荷值在1.5以上（图5a）；其对应的时间系数PC1的峰（谷）值为黄山站降水的偏多（少）年（图5b）。第二模态的方差贡献率为13.99%，安徽省沿江江南地区载荷值在-0.5以下，沿江江北地区在-0.5～0（图5c），表明全省高度场呈一致分布，沿江江南值小（大），沿江江北值大（小）；其对应的PC2整体呈波动式的变化，以线性式下降（图5d），说明降水有减少的趋势。第三模态的方差贡献率为5.30%，全省载荷值在-1～0（图5e）；其对应的PC3整体波动不显著，其中有6年的降水分布型与该年呈相反的分布型，并且相差很大（图5f）。

850 hPa高度场EOF展开前3个模态累积方差贡献为53.44%（图6）。第一模态的方差贡献率为30.02%，全省一致为正，呈经向空间分布，载荷值在1.5～2.0，大值区位于安徽省的西部（图6a）；其对应的PC1的趋势偏少，波动幅度较小（图6b），其中在2003年、2012年时间系数为极大值且为正，表明这2年安徽省黄山站降水量偏多的状态极为显著。第二模态的方差贡献率为14.56%，全省一致为负，呈纬向空间分布，载荷值在-1.5～0（图6c），表明全省降水日的高度场呈相同的分布，由北向南增大（减小）分布趋势一致；其对应的PC2显示降水量趋势稍偏多（图6d），在2002年、2011年、2012年降水量与该年呈相反的分布型显著。第三模态的方差贡献率为8.86%，全省一致为正，呈纬向空间分布，载荷值在0～1.5（图6e）；其对应的PC3整体趋势为负值，多年的降水特征呈下降趋势（图6f）。

图5 黄山暴雨增幅日500 hPa高度场EOF分析的前3个模态及相应的时间系数

对近23年九华山暴雨背景下作500 hPa高度场EOF分析，展开前3个模态累积方差贡献为70.1%，空间分布见图7。第一模态方差贡献率为51.53%，全省一致分布为负，载荷值在-2.0～-1.8（图7a）；PC1的谷（峰）值为全省的高度场的波动状态，整体呈线性减弱的趋势，其平均减弱幅度约0.42%/10年，但未通过0.05显著水平的统计性检验，即减少的趋势不明显（图7b）。第二模态方差贡献率为12.55%，全省一致分布为正，载荷值在0～0.8，呈纬向分布（图7c），有研究表明江淮地区梅雨期的暴雨年在500 hPa中高纬西风带中的经向运动大大加强［11］；PC2主要反映了全省的高度场随时间的变化，它以0.07%/10年的线性递减率下降，下降趋势不显著（图7d）。第三模态方差贡献率为6.02%，一致分布为负，载荷值在-1.8～-1.2，呈纬向空间分布，由北向南递减，江南地区值最小（图7e）；PC3主要反映了全省的高度场随时间的变化，它以0.60%/10年的线性递增率上升（图7f）。在前期，时间系数为负值，表明呈现相反的高度场分布，且这类分布因系数绝对值较大，分布比较显著。

九华山850 hPa高度场EOF分析，展开前3个模态累积方差贡献为54.94%，空间分布见图8。第一模态方差贡献率为30.82%，全省一致分布为正，呈经向分布，载荷值在1.8～2.4（图8a），此地区暖湿气流活跃，为强降水提供了充足的水汽，当上游系统东移，西太平洋副热带高压的活动或冷空气扩散南下时易形成强降水；第一模态对应的时间系数PC1以0.16%/10年的线性递减，整体的波动率较小（图8b）。第二模态方差贡献率为15.94%，一致分布为负，载荷值在-1～0，呈纬向空间分布，由北向南递增，江南地区值最大（图8c）；PC2以0.24%/10年的线性递减率下降，表现为低值背景-高值背景-低值背景的状态，反映了23年暴雨背景下的环流分布（图8d）。第三模态方差贡献率为8.18%，全省一致分布为负，载荷值在-2.4～-1.8，呈纬向空间分布，由北向南递减，江南地区值最小（图8e）；PC3以0.90%/10年的线性递减，表现为高值-低值-高值背景的状态，揭示了环流场年际变化特征（图8f）。

图6 黄山暴雨增幅日850 hPa高度场EOF分析的前3个模态及相应的时间系数

2.3.2 降水异常年份的高度场分布图9是黄山站多年暴雨事件500、850 hP高度合成场的前3个贡献率最大模态分布。500 hPa第一模态TT1整体的环流形势是安徽省处于槽底（图9a）；第二模态TT2表现的环流形势平稳，同时孟加拉湾的西南暖湿气流持续向华东输送丰富水汽（图9b）；第三模态TT3表现为中纬度地区有冷空气南下，同时有西南气流向华东输送暖湿水汽（图9c）。在暴雨的环流背景下，850 hPa前3个贡献率最大的模态均为平稳偏西环流形势（图9d、图9e、图9f）。

图10 为九华山多年暴雨事件500、850 hPa高度合成场上的前3个贡献率最大模态。500 hPa第一模态环流形势比较平直，主要为偏西气流（图10a）；第二（图10b）、第三（图10c）模态环流形势表现为西高东低，安徽省处于环流平直状态下。850 hPa 3个模态的形势场表现为北方低槽与西南气流相结合，更能反映出环流形势的变化特征（图10d、图10e、图10f）。

图7 九华山暴雨增幅日500 hPa高度场EOF分析的前3个模态及相应的时间系数

通过研究表明，500 hPa环流形势对黄山的降水影响大，850 hPa环流形势对九华山的降水影响大，因此在今后的预报中更多考虑分析黄山500 hPa、九华山850 hPa的高度场，以期对高山站降水能做出更精准的预报指导。

3 结论

1）高山站年际降水变化均高于周边站，多年平均月降水多集中在6—8月，多年平均月暴雨日最大值均出现在6月。6月黄山站多年平均暴雨强度最大值为293.5 mm/d，比周边站平均暴雨强度高39.8%；九华山地区在6—7月多年平均月暴雨强度的最大值为195.0 mm/d，比周边站平均暴雨强度高10.5%，因此说明海拔高度对增雨是显著的，随着高度的增加降水增幅作用越显著，但对于大暴雨量级降水，降水有可能与系统本身有关，与地形关系不显著。

2）据统计分析，研究时段内黄山暴雨日为280 d，比周边站平均暴雨日高59.1%；九华山暴雨日为176 d，与周边站平均暴雨日相当，说明暴雨量级降水量只是在一定海拔高度内随海拔高度增加而增加；影响高山站降水的风向主体为700 hPa偏西风，低海拔的黄山850 hPa西南风、九华山925 hPa东北风对降水的影响更大。

3）暴雨背景下对高山站500、850 hPa进行EOF分解，500、850 hPa高度场分别对黄山、九华山降水影响更大，因此可为今后预报分析黄山500 hPa、九华山850 hPa高度场提供依据，以期对高山站降水能做出更精准的预报指导。