訾 丽,王 志 良,张 方 伟,王 乐,3

(1.长江水利委员会 水文局,湖北 武汉 430010; 2.汉江水利水电(集团)有限责任公司,湖北 武汉 430010;3.武汉大学 水资源工程与调度全国重点实验室,湖北 武汉 430072)

0 引 言

汉江是长江中游最大的一级支流,也是长江丰枯变化最大的支流之一[1],其水资源、水能资源和水运资源丰富,具有发电、航运、水利等综合开发利用的有利条件[2]。汉江上游的丹江口水利枢纽是汉江综合利用的关键性工程,也是南水北调中线、引汉济渭等跨流域调水工程的供水水源地[3];汉江中下游是汉江及长江中下游防洪的重点。汉江流域暴雨增大了丹江口水库综合科学调度的难度,也极易在汉江中下游形成峰高量大的洪水,与河道泄流能力沿程减小的矛盾十分突出[3]。为保障汉江流域防洪和供水安全,需要提升汉江流域强降水预报能力,而暴雨特征及典型暴雨天气学分析对降水预报具有较好的指导意义[4]。

在暴雨特征分析方面,沈浒英等[5]对长江流域分区面雨量达到中雨及以上量级的降雨发生时间、空间分布特征和发生频次进行了分析;殷淑燕等[6]研究了不同季风在汉江上游造成暴雨洪水月份的差异;秦琳香[7]对汉江流域“汉中段”分三片区探讨了暴雨出现次数及频率;还有文献仅概述了汉江暴雨特性或对特定暴雨过程进行了雨量分析[8-11]。暴雨天气学分析主要集中在以下几个方面:① 暴雨成因的天气背景[12]。邱辉等[13]将2020年长江流域主汛期暴雨成因归为高空环流形势稳定、中低层西南暖湿气流异常强盛及极地冷涡活跃、高空冷槽活动频繁。杨文发等[14]也从天气背景角度分析了长江上游暴雨天气成因。② 暴雨过程的天气形势及物理量诊断[15]。杨若欧等[16]对成都强降水过程从高低层环流形势及水汽通量、散度、涡度、稳定指数等方面进行了分析。王旭仙等[17]诊断了汉江流域一次致洪暴雨的物理量。③ 暴雨的天气系统及天气学概念模型[18-20]。党红梅等[4]构建了汉江流域西南气流型、低槽型及低涡切变型致灾暴雨天气学概念模型;张艳平等[21]认为丹江口水库洪水影响系统为台风与台风组合的复合系统、各类低涡冷锋及其复合天气系统。以上研究针对汉江流域的暴雨特征分析不够全面,且没有针对汉江流域不同分区选取典型暴雨过程进行天气学分析,对不同分区暴雨影响天气系统未进行概化、形成不同类型天气学概念模型的研究较少。

本文主要采取统计及天气系统辨识相结合的方法分析汉江暴雨特征,依据暴雨特性将汉江流域细化分区,研究不同区域暴雨过程的高中低层及地面天气形势,建立汉江不同区域的暴雨天气学概念模型,并展开实践应用。

1 研究对象和方法

1.1 研究对象

采用1960～2021年汉江流域63个气象站逐日降水量资料(北京时间08:00至次日08:00),所有雨量数据均通过系统的质量控制和均一性检验,长序列资料具有连续性、完整性和代表性。2005年以后的天气学分析资料为中国国家气象局下发的500,700,850 hPa及地面天气填图资料,2005年以前的天气学分析资料采用欧洲中期天气预报中心全球气候第5代大气再分析ERA5逐日北半球位势高度及风场资料,分辨率为0.25°×0.25°。

根据汉江流域水系及水库特征,将汉江流域划分为汉江上游(丹江口以上)、汉江中游(丹江口-皇庄)、汉江下游(皇庄以下),其中,由于丹江口水库的重要作用,汉江上游再细划分为石泉以上、石泉-白河、白河-丹江口3个小分区,如图1所示。本文中定义6～8月为夏季,9～11月为秋季。

图1 汉江流域分区及气象站点Fig.1 Subareas of Hanjiang River Basin and meteorological stations

1.2 研究方法

对面雨量等级进行划分,依据GB/T 20486-2017《江河流域面雨量等级》,确定流域面雨量≥60 mm为大暴雨,60 mm>流域面雨量≥30 mm为暴雨,通过对汉江流域63个气象站进行泰森多边形法计算得到日面雨量。

典型暴雨过程的天气学分析是依据天气学原理辨识各种天气系统,如:副热带高压(简称副高)、高空槽、切变线、低涡、西南急流、冷空气等,根据500,700 hPa及850 hPa天气系统的配置及位置来建立天气学概念模型。

1.2.1典型暴雨过程选取

考虑到汉江流域强降雨过程通常自西向东移动,且结合汉江分区历史暴雨量统计,发现单次暴雨过程易同时覆盖汉江整个流域或者汉江上中游地区,而汉江下游强降雨如果由长江中下游干流的强降雨过程所致,容易单独发生极强暴雨,与汉江上中游相比具有其独特个性。因此在选取典型暴雨过程时,按照上述暴雨特性,汉江流域暴雨可划分为汉江流域型、汉江上中游型及汉江下游型。

参考《江河流域面雨量等级》标准,结合汉江分区历史暴雨实况,对汉江流域不同分区暴雨过程定义如下:

(1) 汉江流域型暴雨过程:汉江流域面雨量≥30 mm,且至少有一个小分区日面雨量≥50 mm。

(2) 汉江上中游型暴雨过程:汉江上中游小分区中至少有两个分区面雨量≥30 mm,且至少有一个小分区面雨量≥50 mm。

(3) 汉江下游型暴雨过程:至少连续有两日面雨量≥60 mm,或分区单日面雨量≥80 mm。

1.2.2天气系统辨识

汉江流域位于秦岭以南,是中国南北气候交界的地带,气候条件复杂,影响汉江流域的天气系统主要有来自中高纬的西风带系统、副热带和低纬度天气系统,此外还受到青藏高原地区天气系统的影响。本文对相关天气系统影响汉江流域进行定义,以便辨识汉江流域强降雨过程关键影响天气系统。

500 hPa天气图上副高脊线位于15°N以北、西伸脊点位于95°E以东,则判断副高可能为影响汉江流域强降雨的影响因子。500 hPa天气图上102°E～115°E范围内出现槽线,则判断高空槽可能为影响汉江流域强降雨的影响因子。700 hPa或850 hPa天气图上105°E～115°E、30°N～34°N范围内出现切变线或低涡,则判断切变线或低涡可能为影响汉江流域强降雨的影响因子。700 hPa或850 hPa天气图上100°E～120°E、25°N～34°N范围内出现风速≥12 m/s的西南风,平均长度1 000～2 000 km,则判断低空急流可能为影响汉江流域强降雨的影响因子。地面天气图上汉江流域以北出现冷高压,则判断冷空气可能为影响汉江流域强降雨的影响因子。

1.2.3天气学概念模型构建

基于挑选的不同区域典型暴雨过程,对每场典型暴雨过程对应的环流形势进行天气图绘制,包括500,750 hPa和850 hPa的高、中、低层天气图,基于绘制的天气图辨识暴雨过程中关键影响天气系统,通过统计不同场次暴雨过程天气系统出现的频次、配置组合,建立相应的天气学概念模型。

2 汉江流域暴雨特征

首先对汉江流域不同分区的暴雨日特征进行分析。表1为1960～2021年汉江流域各分区各月暴雨日数及频率,从空间分布来看,汉江下游暴雨日数最多为460 d,其次汉江上中游为118 d,汉江流域则为94 d,汉江下游更容易发生暴雨,这是由于汉江下游的气候和降水特性更接近于长江中下游和江汉平原。

表1 1960～2021年汉江流域各分区月暴雨日数及频率Tab.1 Monthly number and frequency of rainstorm days in subareas of Hanjiang River Basin during 1960～2021

从时间分布来看,汉江流域及各分区夏季(6～8月)暴雨发生频率均高于秋季(9～11月)。其中,汉江下游夏季和秋季暴雨发生的频率相差最大,为43.4%,整个夏秋季暴雨发生频率为70.0%,除12月外,其余各月均有可能发生暴雨,但汉江上中游及汉江流域暴雨发生时间在4～10月。对于各月,汉江上中游6～9月、汉江下游5～7月暴雨发生频率相对更高,这与对应多年月平均雨量一致,雨量多的月份更容易发生暴雨。汉江流域6月暴雨发生频率最高,其次是7月和9月,汉江流域降水量年内分配中7月降水量比6月明显多,而暴雨日数7月反而小于6月。

从汉江流域各气象站暴雨日数、最大日雨量及发生日期来看,最大日雨量绝大多数发生在夏季,且强度都为大暴雨量级(≥100 mm)或以上,其中最大的为方城站,日雨量448.2 mm,发生在1975年8月7日,主要是由台风造成的极端特大暴雨。

图2为整个汉江流域1960～2021年逐年暴雨日数图,从图中可见暴雨日数的年际变化虽然表现出增多的趋势,但利用t检验发现其没有通过信度检验。图3是1960～2021年期间汉江流域及各分区各月大暴雨日数,汉江上中游及汉江流域均在8月发生过一次大暴雨;汉江下游的大暴雨发生在4～10月各月,共86次。

图2 汉江流域逐年暴雨日数Fig.2 Days of rainstorm in Hanjiang River Basin

图3 1960～2021年汉江流域及分区各月大暴雨日数Fig.3 Heavy rain days in each month in subareas of Hanjiang River Basin during 1960～2021

3 天气学概念模型构建

3.1 典型暴雨过程

从典型暴雨、洪水两方面考虑致洪暴雨过程的选取,典型暴雨主要依据汉江各分区面雨量排序,典型洪水考虑历史大洪水及2005年后丹江口入库流量超20 000 m3/s的明显洪水。历史典型大洪水有“83·10”“03·9”及“05·10”汉江大洪水。1983年10月3～6日汉江流域有大暴雨,丹江口水库10月6日11:00入库洪峰流量达34 300 m3/s,相当于20 a一遇。2003年8月28日至9月1日,汉江上中游发生大暴雨,形成汉江秋汛,丹江口入库洪峰流量9月2日05:00达26 500 m3/s;9月5～6日,汉江上游再次普降暴雨,丹江口入库洪峰流量9月8日05:00达28 000 m3/s。2005年9月30日至10月3日,汉江上游有持续强降雨,安康-白河区间支流旬河向家坪站10月2日00:38的洪峰流量达6 220 m3/s,为建站以来的最大洪水,丹江口入库洪峰流量10月3日20:00为30 700 m3/s。2005年后丹江口年最大入库流量超过20 000 m3/s的有:2010年7月25日的34 100 m3/s、2011年9月19日的26 600 m3/s、2021年8月30日的23 400 m3/s。丹江口入库洪峰流量前对应的强降雨过程则为致洪暴雨过程。依据典型洪水及暴雨选取的致洪暴雨过程见表2。

表2 汉江流域型、上中游型及下游型典型暴雨过程发生时间统计Tab.2 Occurrence time of typical rainstorm processes in the Hanjiang River Basin,upper and middle reaches and lower reaches

3.2 天气学概念模型构建

对选取的典型暴雨过程分析500,700,850 hPa及地面高中低层天气形势,可以辨识出重要影响天气系统及天气系统的配置,从而建立典型暴雨天气学概念模型。

3.2.1汉江流域型典型暴雨

对12次汉江流域型暴雨天气形势进行分析,得出导致汉江流域暴雨的重要影响天气系统是高空槽、切变线、低涡、西南急流及冷空气。在天气形势分析的基础上,归纳出4类汉江流域型典型暴雨天气配置:槽前切变低涡型、低空切变急流型、槽及两高辐合型、高空深槽型,见表3及图4。

表3 汉江流域型典型暴雨过程天气系统配置Tab.3 Weather system of typical rainstorm process in Hanjiang River Basin

图4 汉江流域型典型暴雨天气概念性模型Fig.4 Synoptic conceptual models of typical rainstorm in Hanjiang River Basin

(1) 槽前切变低涡型。西风带短波槽发展东移影响汉江,中低层切变低涡位于槽前,切变线在汉江上游生成并南压,低涡在四川盆地生成并东移至汉江;西南气流或急流轴线位于两湖水系并给汉江提供水汽条件,冷空气从中路南下影响汉江。

(2) 低空切变急流型。高原槽或西风带短波槽发展东移影响汉江,或者短波槽在发展东移过程中并入中高纬深槽底部影响汉江;700 hPa有切变线从汉江石泉以上不断南压至汉江中下游;850 hPa低涡或者切变线位于汉江中下游;长江干流以南至汉江,或者长江中下游干流以南至汉江有强盛的西南气流,风速达到西南急流的强度,且切变线南侧的汉江区域处于急流轴区,为汉江输送暖湿水汽;冷空气在中高纬深槽引导下从中路或东路南下影响汉江。

(3) 槽及两高辐合型。汉江流域处于青藏高原高压环流与西太平洋高压环流之间,同时处于高纬高空槽的底部(或西风带小槽东移并入高纬高空槽底部);汉江处于两高之间的辐合区,也处于高空槽区。低层切变线大多位于汉江中游,当有西风带小槽东移并入高纬高空槽底部时,汉江上游产生切变线并逐渐南压至汉江下游;低层的低涡从汉江上游南部移至汉江中下游。冷空气根据高纬冷槽位置的不同,可从西路、中路或东路南下影响汉江流域。

(4) 高空深槽型。汉江流域处于高纬深槽的槽前,随着深槽的东移影响汉江流域,低层700 hPa及850 hPa有切变线,并伴有宽广强盛的西南暖湿气流带源源不断为汉江输送水汽,西路或中路冷空气受深槽引导南下与暖湿气流交汇。

3.2.2汉江上中游型典型暴雨

采取同样的方法辨识出导致汉江上中游典型暴雨的重要影响天气系统是切变线、低涡、西南急流及冷空气,台风可阻挡短波槽继续东移,可促进副高明显西伸,使低涡、切变线维持在汉江上游附近,汉江上中游型暴雨天气配置可归纳为2类:低空切变急流型、两高辐合型,见表4及图5。

图5 汉江上中游型典型暴雨天气概念性模型Fig.5 Synoptic conceptual models of typical rainstorm in the upper and middle reaches of Hanjiang River

(1) 低空切变急流型。高原槽或西风带短波槽发展东移影响汉江上中游,700 hPa在汉江白河以上有切变线,切变线以南的汉江大部地区、长江干流及以南有大片强盛的西南风或西南急流,该层切变线位置一般维持不变,最南移至丹江口附近;850 hPa低涡或切变线较700 hPa偏南,汉江大部地区、长江中下游干流及以南为西南气流;冷空气可从西路、中路或东路南下影响汉江上中游地区。

(2) 两高辐合型。汉江流域处于华北高压环流与副高环流之间的辐合区;低层在汉江上中游有横切变和强切变;副高强大、脊线位置偏北,为水汽输送至汉江上中游创造了有利条件。

3.2.3汉江下游型典型暴雨

汉江下游典型暴雨的重要影响天气系统是切变线、西南急流及冷空气;汉江下游型暴雨天气配置可分为:槽后切变型、偏南气流型、槽前切变型,见表5及图6。

表5 汉江下游型典型暴雨过程天气系统配置Tab.5 Weather system of typical rainstorm process in the lower reaches of Hanjiang River

图6 汉江下游型致洪暴雨天气概念性模型Fig.6 Synoptic conceptual models of typical rainstorm in the lower reaches of Hanjiang River

(1) 槽后切变型。中高纬深槽(东北低涡、贝加尔湖槽等)底部分裂出小槽影响汉江下游,西风带短波浅槽东移影响汉江;中低层有切变线一直维持在汉江下游,或者汉江下游有切变线,同时汉江上中游有切变线快速南压至汉江下游;两湖水系至长江中下游干流为西南急流;冷空气根据高空深槽的位置可从中路或东路南下影响汉江下游。

(2) 偏南气流型。西风带小槽快速东移或消亡,对汉江流域基本无影响,副高逐渐西伸为汉江带来丰沛水汽,中层为大片的偏南风,低层在汉江下游有切变线维持,切变线南侧为强盛的西南风或偏南风,冷空气从东路南下影响汉江下游。

(3) 槽前切变型。西风带有深槽或不断有小槽东移影响汉江流域,副高逐渐东退或先东退再西伸;700 hPa有切变线从汉江上游或中游快速南压至汉江下游,850 hPa有切变线一直维持在汉江下游;长江中下游干流及两湖水系有西南气流或西南急流;冷空气从中路或东路南下影响汉江下游。

汉江上中游、汉江下游及汉江流域型典型暴雨的天气概念性模型,主要是高空槽、切变线、低涡、西南急流及冷空气的配置。500 hPa高空槽前西南气流带来正涡度平流促使低层系统发展增强,中低层大气的风速、风向切变形成强动力辐合抬升[22],西南急流左侧强有力的正涡度扰动有利于急流出口左侧强降水的产生[23],为位于急流左侧的汉江提供源源不断的不稳定能量和水汽。冷暖空气交汇,配合中层强烈的动力辐合抬升及秦岭迎风坡地形抬升,给汉江带来暴雨。

4 应用实例

继汉江2021年发生明显秋汛后,在2022年长江流域汛期极度干旱的情况下,2022年10月2～5日汉江上中游有一次自西向东暴雨强度的强降雨过程,造成汉江流域发生一般秋汛,丹江口水库在上游石泉水库拦蓄1.36亿m3、安康水库拦蓄4.79亿m3的情况下,平均入库流量由1 330 m3/s(10月1日)涨至12 000 m3/s(10月5日),10月2～5日汉江上游水库群蓄量增加22.63亿m3,有效缓解汉江上游地区的干旱,也为南水北调提供了一定的水资源量。分析此次暴雨过程的天气形势如下:高空高层500 hPa上,西风带槽发展东移影响汉江上中游,副热带高压由控制长江中下游大部地区逐渐西伸再南压控制长江干流及以南地区,汉江上中游随着副热带高压的移动逐渐在其控制范围之外。中层700 hPa上,10月2日切变线位于汉江石泉以北地区,10月3日移至汉江白河附近,10月4～5日切变线由竖转横位于丹江口以上地区,10月6日切变线快速南压,汉江流域转为北风控制;10月2～5日汉江白河以南有大片强盛的西南风或西南急流。低层850 hPa上,10月2日风场较凌乱,10月3日08:00白河以上有弱切变形成,10月3日20:00汉江上游北部转为北风,10月4～5日切变线位于汉江上游南部,汉江上游北部为偏东风。地面图上,10月3日晚冷空气从东路南下影响汉江流域。在强冷空气、西风带槽、切变线及西南急流的影响下,汉江上中游发生了强降雨过程。从天气形势图(见图7)上看,该次暴雨过程符合汉江上中游低空切变急流型天气学概念模型,汉江上中游将发生暴雨强度的强降雨过程。从汉江流域及分区面雨量(见表6)上来看,汉江上中游实况雨量也满足上面所述典型暴雨过程的标准,10月3日汉江上游3个小分区的面雨量均≥30 mm,且石泉-白河分区面雨量≥50 mm。

表6 2022年10月2～5日汉江上中游型典型暴雨逐日雨量实况Tab.6 Daily rainfall of typical rainstorm in the upper and middle reaches of Hanjiang River from October 2 to 5,2022 mm

图7 10月3日08:00天气形势图Fig.7 Weather situation at 08:00 on October 3

5 结 论

(1) 汉江下游暴雨及大暴雨日数最多,其次为汉江上中游。汉江上中游、下游及整个流域夏季暴雨发生频率均高于秋季。汉江上中游及汉江流域暴雨多发生在5～10月,汉江下游暴雨多发生在3～10月。汉江上中游6～9月、汉江下游5～7月暴雨发生频率相对更高,雨量多的月份更容易发生暴雨,汉江流域6月暴雨发生频率最高,但7月多年降水量明显多于6月。

(2) 针对汉江流域型暴雨天气,建立4类天气学概念模型,分别是槽前切变低涡型、低空切变急流型、槽及两高辐合型、高空深槽型。4种类型的天气配置,基本伴随着中低层的西南气流或急流,以及地面冷空气。切变线及低涡的移动使得雨区覆盖整个汉江流域,中低层的西南气流或急流为汉江输送暖湿水汽,加强大气潜在的不稳定性,冷空气南下加剧汉江流域的降雨强度。

(3) 针对汉江上中游型暴雨天气,建立2类天气学概念模型,分别是低空切变急流型、两高辐合型。低空切变急流型是高原槽或西风带短波槽发展东移影响汉江上中游,中低层汉江上中游有切变线,汉江大部为西南气流或急流,且伴随着冷空气南下影响。两高辐合型是汉江流域处于华北高压环流与副高环流之间的辐合区,低层汉江上中游有切变,副高为水汽输送创造有利条件。

(4) 针对汉江下游型暴雨天气,建立3类天气学概念模型,分别是槽后切变型、偏南气流型、槽前切变型。3种类型的天气配置中低层的切变线维持在汉江下游,两湖水系至长江中下游干流为西南气流或急流,冷空气从中路或东路南下影响汉江下游。

以上模型归纳仅限所选取暴雨过程,后续可通过更多暴雨个例完善概念模型。同时,提炼暴雨过程中具有指示意义的物理量指标、多种探空指标、暴雨云图及雷达回波中尺度特征,更利于预报员参考应用。