張偉勇 王其偉

(南京大學(xué) 中尺度災(zāi)害性天氣教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/大氣科學(xué)學(xué)院，南京 210023)

引 言

大別山位于我國(guó)安徽省、湖北省、河南省三省交界處，平均海拔600～800 m，主峰最高處約1 500 m。近年研究發(fā)現(xiàn)大別山地區(qū)是受地形影響暴雨的多發(fā)區(qū)，降水成因不同，導(dǎo)致降水的分布在地形影響下有顯著區(qū)別[1-4]。諸多學(xué)者研究了大別山地形與降水的關(guān)系。如苗春生等[4]利用數(shù)值模擬研究了大別山對(duì)梅雨期暴雨低渦的影響；張家國(guó)等[5]利用衛(wèi)星云圖研究了大別山西側(cè)降水的對(duì)流結(jié)構(gòu)特征；郭蕊等[6]通過(guò)敏感性實(shí)驗(yàn)研究了大別山地形在梅雨鋒暴雨中的作用；翟盤(pán)茂等[7]總結(jié)了大別山所在江淮流域持續(xù)性極端降水的預(yù)報(bào)方法。這些研究都表明大別山地區(qū)是降水及極端降水發(fā)生的高頻區(qū)域。

部分學(xué)者統(tǒng)計(jì)了大別山及其周?chē)絽^(qū)的降水情況[8-9]，這些統(tǒng)計(jì)研究主要使用我國(guó)常規(guī)氣象臺(tái)站的降水觀測(cè)數(shù)據(jù)，但觀測(cè)網(wǎng)分辨率有限，還不能分辨大別山地區(qū)中小尺度降水分布的結(jié)構(gòu)。另外，這些降水的統(tǒng)計(jì)分布與大別山地形的聯(lián)系還不清晰，特別是在什么樣的天氣背景下大別山地形在何地容易誘發(fā)極端降水天氣事件。因此，需要使用更高分辨率的降水觀測(cè)資料對(duì)大別山地區(qū)的極端降水事件進(jìn)行天氣背景的分類(lèi)和統(tǒng)計(jì)分析。目前，我國(guó)自動(dòng)氣象站與CMORPH(Climate Prediction Center Morphing)降水產(chǎn)品融合的逐時(shí)降水量網(wǎng)格數(shù)據(jù)集為進(jìn)一步研究提供了條件。一些學(xué)者利用該資料進(jìn)行了降水研究，并且取得了較好的結(jié)果，如周璇等[10]利用該資料對(duì)中國(guó)南方短時(shí)強(qiáng)降水進(jìn)行了分析，并與國(guó)家級(jí)觀測(cè)站地面資料進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該資料能夠更好地描述地形作用；JIANG, et al[11]分析了日平均與月平均統(tǒng)計(jì)指數(shù)研究了該資料在黃河流域的適用性。

在降水分布的分類(lèi)方法上，自組織特征映射(Self-Organizing Map， SOM)是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聚類(lèi)方法，它可以把一類(lèi)樣本按照相似性分成指定的類(lèi)型數(shù)，進(jìn)而使得同一類(lèi)樣本之間盡可能相似，而不同類(lèi)間的樣本盡量不同。該方法不需要外部指導(dǎo)信息，能對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)，對(duì)數(shù)據(jù)的適應(yīng)性良好。王彥磊等[12]用SOM方法建立了風(fēng)預(yù)報(bào)模型；閔晶晶等[13]用此方法對(duì)京津冀地區(qū)的天氣形勢(shì)進(jìn)行了客觀分類(lèi)，得到了不同類(lèi)型的天氣形勢(shì)特征和造成的強(qiáng)對(duì)流天氣類(lèi)型；羅未萌等[14]利用SOM方法對(duì)中國(guó)東部夏季降水進(jìn)行了分型，發(fā)現(xiàn)SOM比EOF方法能夠更真實(shí)地描述降水分布。本文將采用SOM方法對(duì)大別山地區(qū)極端降水的天氣背景進(jìn)行分型研究。

1 資料與方法

1.1 選用資料

采用的降水資料為2008—2014年自動(dòng)氣象站與CMORPH降水產(chǎn)品融合的逐時(shí)降水量網(wǎng)格數(shù)據(jù)集。此數(shù)據(jù)集基于全國(guó)3萬(wàn)多個(gè)自動(dòng)氣象觀測(cè)站(包括國(guó)家級(jí)自動(dòng)站和區(qū)域自動(dòng)站)上傳的逐小時(shí)降水資料以及CMORPH衛(wèi)星反演降水產(chǎn)品，采用融合方法生成了逐小時(shí)0.1°×0.1°分辨率的降水?dāng)?shù)據(jù)。背景場(chǎng)資料為NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)集，分辨率為1°×1°，包括海平面氣壓、近地面溫度、850 hPa風(fēng)場(chǎng)、850 hPa相對(duì)濕度、500 hPa高度場(chǎng)和500 hPa溫度場(chǎng)等要素。背景場(chǎng)時(shí)次分別為00時(shí)、06時(shí)、12時(shí)和18時(shí)(世界時(shí)，下同)，對(duì)應(yīng)北京時(shí)08時(shí)、14時(shí)、20時(shí)和次日02時(shí)。為了使兩套資料在分辨率和時(shí)序上相符合，將降水資料從逐小時(shí)累加為逐6 h，用插值的方法將背景場(chǎng)資料內(nèi)插到與降水資料一致的0.1°×0.1°分辨率的網(wǎng)格上。為了使在該背景場(chǎng)下產(chǎn)生的降水與背景場(chǎng)相匹配，將當(dāng)前時(shí)刻的背景場(chǎng)與隨后6 h產(chǎn)生的累積降水建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系。

降水資料與背景場(chǎng)資料選取的范圍如圖1所示，劃定在大別山及其周邊地區(qū)(28°～34°N，112°～120°E)。

圖1 大別山及其周邊地形高度分布(陰影為地形高度，單位：m；黑色虛線(xiàn)方框?yàn)闃O端降水天氣事件篩選區(qū)域)Fig.1 Terrain height of the Dabie Mountains and surrounding areas(terrain height is shaded, unit: m; the black dashed box outlines where the focused extreme precipitation events occurred)

1.2 極端降水篩選方法

將逐6 h累積降水及其對(duì)應(yīng)的背景場(chǎng)視為一個(gè)成員，2008—2014年間共有10 228個(gè)成員。首先，挑選出現(xiàn)極端降水的成員。重點(diǎn)關(guān)注的極端降水天氣事件，將出現(xiàn)極端降水的判定范圍限定在受大別山影響地區(qū)，即圖1中黑色虛線(xiàn)區(qū)域(30°～33.5°N，112.5°～117.5°E)，其右下角為大別山主體，向西北延伸為高度較低的山脊。大別山西南方為九嶺山和慕阜山地區(qū)(統(tǒng)稱(chēng)幕阜山地區(qū))，其東南方為黃山及其周邊山區(qū)(統(tǒng)稱(chēng)黃山地區(qū))。采取了閾值劃分的方法選取極端降水天氣事件的過(guò)程，對(duì)于一個(gè)成員，如果至少有一個(gè)格點(diǎn)的6 h降水量超過(guò)50 mm，則將該成員挑選為極端降水成員，即閾值定為50 mm/(6 h)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2008—2014年極端降水成員總計(jì)343個(gè)，單點(diǎn)最大降水量為所有成員的前96.9%?？梢?jiàn)，這一閾值基本保證了各成員極端降水的代表性。

區(qū)域降水總量的方法也廣泛用于極端降水的篩選。翟盤(pán)茂等[7]和丁建隆等[8]分別用這種方法分析了江淮地區(qū)和安徽省降水。為了對(duì)比區(qū)域降水總量法和格點(diǎn)閾值法劃分極端降水的效果，本文利用區(qū)域降水總量法對(duì)這些已經(jīng)篩選出的成員進(jìn)行再計(jì)算。將選定區(qū)域的同一時(shí)次各個(gè)格點(diǎn)的降水累加，獲得該區(qū)域的降水總量，并對(duì)其排序。通過(guò)計(jì)算，這343個(gè)成員中95%都在區(qū)域降水總量的前88%。從這一方面來(lái)看，50 mm/(6 h)的閾值和格點(diǎn)閾值劃分法既滿(mǎn)足了格點(diǎn)降水的極端性，也從一定程度上體現(xiàn)了區(qū)域降水總量的極端性。

1.3 極端降水分類(lèi)方法與結(jié)果統(tǒng)計(jì)

本研究利用Philipp, et al[15]開(kāi)發(fā)的cost733class分類(lèi)軟件(http:∥cost733.geo.uni-augsburg.de)中的SOM分類(lèi)方法，對(duì)挑選出的343個(gè)成員分類(lèi)。由于強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程十分復(fù)雜，在不同的條件下，影響天氣發(fā)生發(fā)展的因素不同，利用天氣分型的方法研究極端降水天氣事件，能夠考察極端降水天氣事件形成的天氣型及主要原因，有助于提高極端降水天氣事件預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。一般認(rèn)為，形成降水的基本條件有水汽條件、抬升條件和不穩(wěn)定層結(jié)。為了同時(shí)考慮上、中、下各層的天氣環(huán)境對(duì)極端降水的影響，選取背景場(chǎng)的7個(gè)要素進(jìn)行分類(lèi)，分別為海平面氣壓、近地面溫度、850 hPa風(fēng)場(chǎng)、850 hPa相對(duì)濕度、500 hPa高度場(chǎng)和500 hPa溫度場(chǎng)，各個(gè)物理量在分型過(guò)程中的權(quán)重取值設(shè)為相等。因大別山地區(qū)極端降水的水汽主要來(lái)源于東南方，本文分類(lèi)的背景場(chǎng)區(qū)域選取了圖1中比降水篩選區(qū)更大的范圍(28°～34°N，112°～120°E)。通過(guò)不同類(lèi)型數(shù)設(shè)定結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)分為四類(lèi)時(shí)，聚類(lèi)情況比較合理，可以同時(shí)滿(mǎn)足類(lèi)型豐富且各類(lèi)型相對(duì)獨(dú)立而不重復(fù)。

圖2為SOM分類(lèi)方法得到的分類(lèi)結(jié)果。其中，占比明顯的兩類(lèi)是第Ⅰ類(lèi)和第Ⅱ類(lèi)，各有157和145個(gè)成員，分別占總成員的45.77%和42.27%。第Ⅲ類(lèi)型相對(duì)較少，有39個(gè)成員，占總成員數(shù)的11.37%。而第Ⅳ類(lèi)型僅有兩個(gè)成員，回查后發(fā)現(xiàn)其涉及一次特殊的天氣過(guò)程，并不具有代表性，本文將詳細(xì)討論前三類(lèi)型的極端降水天氣事件。

圖2 2008—2014年大別山地區(qū)不同類(lèi)型極端降水天氣事件的頻數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.2 Frequency of different-type extreme precipitation eventsover the Dabie Mountains during 2008-2014

將各類(lèi)型按月份進(jìn)行排序，如圖3所示，則類(lèi)型Ⅰ和類(lèi)型Ⅱ的極端降水分別集中在6—8月和7—9月，代表了夏季極端降水，而類(lèi)型Ⅲ主要出現(xiàn)在每年的3—6月及10—11月，可以認(rèn)為是春秋季節(jié)的極端降水。大別山地區(qū)夏季天氣系統(tǒng)活躍，水汽條件充足，當(dāng)不同的天氣系統(tǒng)在此交匯時(shí)，特定的抬升條件和降水維持條件容易導(dǎo)致極端降水天氣事件的發(fā)生，類(lèi)型Ⅰ和類(lèi)型Ⅱ?qū)?yīng)夏季極端降水天氣事件，占比達(dá)88.04%。以下分別分析這三類(lèi)極端降水天氣事件的天氣背景和降水條件。

圖3 2008—2014年大別山地區(qū)不同類(lèi)型極端降水天氣事件的月分布Fig.3 Monthly distribution of different-type extremeprecipitation events over the Dabie Mountains during 2008-2014

2 極端降水天氣事件的天氣背景類(lèi)型

2.1 降水場(chǎng)分析

根據(jù)以上分型，得到各類(lèi)型6 h極端降水場(chǎng)的平均場(chǎng)(圖4)。極端降水平均值的分布從一定程度上體現(xiàn)了極端降水集中程度。平均值高的區(qū)域可視為極端降水發(fā)生的關(guān)鍵區(qū)，因不同類(lèi)型天氣環(huán)境下極端降水的強(qiáng)度和集中程度會(huì)有所不同，圖4中選用不同的平均閾值來(lái)標(biāo)示這些區(qū)域，將類(lèi)型Ⅰ、類(lèi)型Ⅱ和類(lèi)型Ⅲ的平均閾值分別取為11 mm/(6 h)(紅色)、7 mm/(6 h)(綠色)和14 mm/(6 h)(紫色)?？梢钥吹?，各類(lèi)型極端降水的關(guān)鍵區(qū)域主要集中在大別山附近。類(lèi)型Ⅰ在大別山主體及其東南方與黃山之間，類(lèi)型Ⅱ在大別山往西北延伸的低矮山脊兩側(cè)，類(lèi)型Ⅲ主要在大別山西南側(cè)及其西南方與幕阜山之間。

圖4 2008—2014年大別山地區(qū)各類(lèi)型極端降水天氣事件的平均降水場(chǎng):(填色為降水平均值，單位：mm/(6 h)；黑色實(shí)線(xiàn)為200 m和800 m地形高度等值線(xiàn)；紅色、綠色和紫色實(shí)線(xiàn)分別表示為11、7和14 mm/(6 h)的區(qū)域Fig.4 The averaged precipitation of different-type extreme precipitation events over the Dabie Mountains during 2008-2014 (The averaged precipitation is shaded，unit: mm/(6 h)； the terrain height is outlined at 200 m and 800 m levels；the solid red，green，purple lines outline the 11，7，14 mm/(6 h) area respectively)

圖5為三類(lèi)極端降水天氣事件發(fā)生的頻次統(tǒng)計(jì)，可更清晰地表明極端降水的集中程度。可見(jiàn)，降水在某點(diǎn)超過(guò)50 mm/(6 h)時(shí)，則在該點(diǎn)記為發(fā)生一次極端降水天氣事件。比較極端降水平均值中心(實(shí)線(xiàn)區(qū)域)與高頻區(qū)(填色區(qū)域)，發(fā)現(xiàn)對(duì)類(lèi)型Ⅰ和類(lèi)型Ⅲ，兩者重合程度較高，使得類(lèi)型Ⅰ和類(lèi)型Ⅲ的極端降水平均值高，而類(lèi)型Ⅱ的頻數(shù)分布相對(duì)分散，使其極端降水平均值偏低。實(shí)際上，比較三類(lèi)極端降水平均值的最大值，發(fā)現(xiàn)類(lèi)型Ⅰ(63.52 mm/(6 h))和類(lèi)型Ⅱ(63.99 mm/(6 h))接近，都大于類(lèi)型Ⅲ(59.65 mm/(6 h))，表明夏季降水(類(lèi)型Ⅰ和類(lèi)型Ⅱ)的極端程度要高于春秋季節(jié)(類(lèi)型Ⅲ)。

圖5 2008—2014年大別山地區(qū)各類(lèi)型極端降水天氣事件的頻次(填色圖為頻次，黑色實(shí)線(xiàn)為200 m和800 m地形高度等值線(xiàn)，紅色、綠色和紫色實(shí)線(xiàn)分別表示為11、7和14 mm/(6 h)的區(qū)域)Fig.5 Frequency of different-type extreme precipitation events over the Dabie Mountains during 2008-2014(The frequency is shaded； the terrain height is outlined at 200 m and 800 m levels； the solid red，green，purple lines outline the 11，7，14 mm/(6 h) area respectively)

2.2 背景場(chǎng)分析——類(lèi)型Ⅰ

結(jié)合三類(lèi)極端降水的平均背景場(chǎng)，分別分析導(dǎo)致相應(yīng)極端降水分布的原因。

類(lèi)型Ⅰ的極端降水關(guān)鍵區(qū)域大致分為兩個(gè)中心：一個(gè)在大別山上空；另一個(gè)在大別山和黃山之間的的河谷地帶。產(chǎn)生此類(lèi)極端降水的背景場(chǎng)有以下特征：在500 hPa上，風(fēng)向?yàn)槲髂掀黠L(fēng)(圖6a，風(fēng)近似沿等高線(xiàn)吹)，對(duì)比等高線(xiàn)對(duì)應(yīng)的風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)配置可看到有暖平流輸送到大別山上空(圖6b)；在850 hPa上，大別山西北側(cè)存在氣旋式環(huán)流，環(huán)流中心風(fēng)速較弱，環(huán)流東南側(cè)為西南風(fēng)，西南風(fēng)在大別山上空維持一定強(qiáng)度，從大別山到黃山逐漸增強(qiáng)(圖6c)，而相對(duì)濕度在大別山地區(qū)較大，由于大別山的阻擋作用，相對(duì)濕度在大別山上空最大，大別山和黃山之間的喇叭口地形的輻合作用[16]也使得兩山之間的相對(duì)濕度偏大(圖6d)，850 hPa上的西南風(fēng)配合大別山上空延伸至黃山的高濕度區(qū)，則易于產(chǎn)生強(qiáng)降水，這與類(lèi)型一極端降水的關(guān)鍵區(qū)域相對(duì)應(yīng)；850 hPa的環(huán)流中心對(duì)應(yīng)于海平面上的西南—東北向延伸的低壓區(qū)，低壓中心位于大別山西南(圖6e)，大別山上空至黃山之間正處于該低壓系統(tǒng)東側(cè)的氣旋式環(huán)流區(qū)，1 000 hPa上的溫度場(chǎng)分布(圖6f)顯示該區(qū)域?qū)?yīng)有暖平流。由于導(dǎo)致此類(lèi)極端降水的明顯環(huán)流特征是低壓系統(tǒng)東南側(cè)較強(qiáng)的西南氣流，稱(chēng)此類(lèi)極端降水為強(qiáng)西南氣流型。

圖6 大別山地區(qū)強(qiáng)西南氣流型(類(lèi)型Ⅰ)極端降水的平均背景場(chǎng)(灰色實(shí)線(xiàn)為200 m和800 m地形等值線(xiàn)；c、d中的實(shí)線(xiàn)A1A2、A3A4分別為圖7和圖8的垂直剖面位置；灰色虛線(xiàn)標(biāo)示的極端降水關(guān)鍵區(qū)域與圖4a的紅色實(shí)線(xiàn)區(qū)域相對(duì)應(yīng)):(a)500 hPa高度場(chǎng)(單位：dagpm)；(b)500 hPa溫度場(chǎng)(單位：℃)；(c)850 hPa水平風(fēng)場(chǎng)(單位：m·s-1)；(d)850 hPa相對(duì)濕度場(chǎng)(單位：%)；(e)海平面氣壓場(chǎng)(單位：hPa)；(f)1 000 hPa溫度場(chǎng)(單位：℃)Fig.6 Averaged background for extreme precipitation of type Ⅰ over the Dabie Mountains: (a) geopotential height at500 hPa (unit: dagpm); (b) temperature at 500 hPa (unit: ℃); (c)horizontal wind vectors at 850 hPa (unit: m·s-1);(d) relative humidity at 850 hPa (unit: %); (e) sea level pressure (unit: hPa); (f) temperature on 1 000 hPa (unit: ℃)(The gray solid lines represent 200 m and 800 m terrain height; the solid lines A1A2 and A3A4 in (c) and (d) denote the positions of verticalcross sections shown in fig.7 and fig.8， respectively；the grey dotted line corresponds to the red solid line in fig.4a)

對(duì)于強(qiáng)西南氣流型的環(huán)境場(chǎng)，局地充足的水汽條件是大別山上空極端降水形成的重要原因，從圖7a可以看到，700 hPa以下，大別山上空存在相對(duì)濕度大于85%的高值中心，西南風(fēng)在大別山地形強(qiáng)迫下抬升觸發(fā)降水時(shí)，此條件可提供充足的水汽條件。此相對(duì)濕度場(chǎng)為類(lèi)型Ⅰ極端降水發(fā)生前6 h的平均相對(duì)濕度場(chǎng)，此時(shí)大別山上空可能已經(jīng)存在降水，導(dǎo)致相對(duì)濕度的高值中心位于大別山上空。然而，圖7a的垂直剖面區(qū)域較大，涵蓋有非降水區(qū)域，從總體上看，大別山中心附近的相對(duì)濕度確實(shí)較大，水汽條件充分。對(duì)下面將要討論的其他類(lèi)型相對(duì)濕度背景場(chǎng)的高值中心有類(lèi)似情況。大別山主峰最高峰為1 500 m左右，地形的影響集中在中低層。從圖7b的水平風(fēng)速垂直剖面可以看出，沿順風(fēng)方向(從A1到A2)，低層風(fēng)速由大到小。表明大別山地形對(duì)于水平風(fēng)有阻擋作用，為降水提供了抬升條件。另一極端降水形成的關(guān)鍵區(qū)域在大別山和黃山之間的河谷地帶，峽谷效應(yīng)形成的急流可對(duì)極端降水的形成有一定的影響。水汽集中在峽谷正上方中層(圖8a)，為降水提供了水汽條件。從圖8b沿西南風(fēng)方向穿過(guò)河谷地帶的風(fēng)場(chǎng)垂直剖面可以看到，地面到850 hPa的峽谷地區(qū)風(fēng)速在入口附近減弱，入口處的輻合會(huì)導(dǎo)致一定的抬升，有利于觸發(fā)和維持對(duì)流，另一方面，西南風(fēng)可改變降水的分布，使降水落區(qū)沿風(fēng)速方向移動(dòng)，使得這一極端降水關(guān)鍵區(qū)域出現(xiàn)了沿西風(fēng)方向延伸的特征。

圖7 沿圖6c中A1A2的垂直剖面(黑色虛線(xiàn)表示850 hPa):(a)相對(duì)濕度(單位：%)；(b)水平風(fēng)速(單位：m·s-1)Fig.7 Vertical cross section along A1A2 in fig.6c: (a) relative humidity (unit: %);(b) horizontal wind speed (unit: m·s-1). (The black dotted line denotes 850 hPa level)

圖8 同圖7，但剖面沿圖6c中A3A4Fig.8 Same as fig.7， but along A3A4 in fig.6c

2.3 背景場(chǎng)分析——類(lèi)型Ⅱ

類(lèi)型Ⅱ的極端降水落區(qū)位于大別山往西北延伸的低矮山脊兩側(cè)，其中，位于北側(cè)的落區(qū)呈帶狀往東北偏東遠(yuǎn)離大別山脊，這一帶狀降水落區(qū)與天氣系統(tǒng)有關(guān)，在靠近大別山脊處受地形影響明顯[17]，這里將重點(diǎn)討論靠近大別山山脊的極端降水。圖9為產(chǎn)生此類(lèi)極端降水的平均背景場(chǎng)。500 hPa上588 dagpm等值線(xiàn)的位置顯示西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱(chēng)副高)已經(jīng)逼近了大別山地區(qū)，副高西北側(cè)氣流(風(fēng)近似沿等高線(xiàn)吹)位于大別山上空(圖9a)，從溫度場(chǎng)分布(圖9b)看，此氣流可輸送暖平流至大別山及其西北延伸山脊處。7—9月正是副高北上至江淮流域的時(shí)候，由于副高的影響，在副高北部經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生降水[18]，這與圖9a顯示的副高位置與類(lèi)型Ⅱ極端降水的落區(qū)相吻合，說(shuō)明副高對(duì)類(lèi)型Ⅱ的極端降水有重要影響。副高邊緣風(fēng)速不強(qiáng)，對(duì)應(yīng)850 hPa上的風(fēng)速較類(lèi)型Ⅰ也整體偏低(圖9c)，而水汽條件則在大別山西北延伸山脊附近較為充沛(圖9d)。這樣，雖然大別山西北部的山脊不高，也可以部分阻擋較弱的西南氣流，在低山脊南側(cè)造成輻合抬升條件，并在水汽條件充沛處形成強(qiáng)降水，如果副高穩(wěn)定，降水可連續(xù)維持一段時(shí)間，造成極端降水天氣事件，這與大別山西北山脊南側(cè)的極端降水落區(qū)相對(duì)應(yīng)。

由于高度較低，850 hPa上顯示大部分氣流越過(guò)了大別山西北延伸山脊，隨后減弱并向左偏轉(zhuǎn)(圖9c)。大別山西北山脊北側(cè)的帶狀極端降水落區(qū)與這一氣流偏轉(zhuǎn)區(qū)的位置相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明該帶狀極端降水源于副高環(huán)流背景下在此處形成的氣旋式環(huán)流系統(tǒng)。此帶狀極端降水在靠近大別山西北山脊處較強(qiáng)，范圍也較大，與此處較高的相對(duì)濕度環(huán)境有關(guān)(圖9d)，地形的局地影響也會(huì)起到一定的作用，如抬升作用觸發(fā)更多對(duì)流，增幅作用增加降水強(qiáng)度，以及阻擋作用增加降水維持時(shí)間等。850 hPa上的氣旋式氣流偏轉(zhuǎn)區(qū)對(duì)應(yīng)海平面上低壓系統(tǒng)的北部西側(cè)邊緣(圖9e)，此低壓系統(tǒng)位于副高所在位置的西側(cè)，比類(lèi)型Ⅰ相應(yīng)的低壓系統(tǒng)要弱，中心位置也偏向西南。從1 000 hPa溫度場(chǎng)(圖9f)可以看到，該弱低壓系統(tǒng)東北部的氣旋式環(huán)流可輸送暖平流到達(dá)極端降水落區(qū)的位置，為帶狀極端降水提供低層水汽和不穩(wěn)定能量條件。

圖9 同圖6，但為副高西北側(cè)氣流型(類(lèi)型Ⅱ)極端降水的平均背景場(chǎng)(c、d 中的實(shí)線(xiàn)B1B2、B3B4分別為圖10和圖11的垂直剖面位置，灰色虛線(xiàn)標(biāo)示的極端降水關(guān)鍵區(qū)域與圖4b中的綠色實(shí)線(xiàn)區(qū)域相對(duì)應(yīng))Fig.9 Same as fig.6， but for extreme precipitation of type Ⅱ (The solid lines B1B2 and B3B4 in (c) and (d) denote positions ofvertical cross sections shown in fig.10 and fig.11， respectively; the grey dotted line corresponds to the green solid line in fig.4b)

因此類(lèi)極端降水出現(xiàn)在副高西北側(cè)并受到副高環(huán)流的影響，我們稱(chēng)此類(lèi)極端降水為副高西北側(cè)氣流型。

從相對(duì)濕度剖面(圖10a、圖11a)來(lái)看，中低層相對(duì)濕度分布均勻，表明較低的地形對(duì)于降水落區(qū)沒(méi)有決定性的改變作用。對(duì)比中低層水平風(fēng)速，副高西北側(cè)氣流型(圖10b、圖11b)整體低于強(qiáng)西南氣流型(圖7b、圖8b)，較弱的水平風(fēng)速有利于降水落區(qū)的穩(wěn)定和維持，促進(jìn)降水的累積而形成極端降水。帶狀降水中心東北側(cè)的強(qiáng)降水區(qū)域已經(jīng)遠(yuǎn)離了大別山主體，實(shí)際上受到地形的影響并不大。在這一類(lèi)型的降水中，地形沒(méi)有起到?jīng)Q定性作用，更多的是調(diào)整降水的落區(qū)，夏季的副高西退和北進(jìn)及其維持是這類(lèi)降水的主要原因。

圖10 同圖7，但剖面沿圖9c中B1B2Fig.10 Same as fig.7， but along B1B2 in fig.9c

圖11 同圖7，但剖面沿圖9c中B3B4Fig.11 Same as fig.7， but along B3B4 in fig.9c

2.4 背景場(chǎng)分析——類(lèi)型Ⅲ

類(lèi)型Ⅲ的極端降水關(guān)鍵區(qū)位于大別山南側(cè)及其西南方與幕阜山之間，此類(lèi)極端降水發(fā)生在春秋季節(jié)，平均背景場(chǎng)顯示大別山500 hPa上空仍為西南氣流(圖12a，風(fēng)近似沿等高線(xiàn)吹)，但是500 hPa溫度場(chǎng)(圖12b)較平直且與等高線(xiàn)夾角較小，無(wú)明顯的暖平流。在850 hPa上為較強(qiáng)的西南偏南氣流，幕阜山附近地區(qū)的平均風(fēng)速達(dá)到了約10 m·s-1，氣流過(guò)大別山之后轉(zhuǎn)向西北偏北(圖12c)，大別山西南至幕阜山上空有明顯水汽輸送(圖12d)。850 hPa上的明顯水汽輸送區(qū)位于海平面低壓右前方的上空，此低壓較副高西北側(cè)氣流型對(duì)應(yīng)的低壓更弱，位置也更偏向西南(圖12e)，低壓(對(duì)應(yīng)氣旋式環(huán)流)和其右側(cè)的溫度分布(圖12f)的配置顯示，低層暖平流可越過(guò)幕阜山，到達(dá)大別山的南側(cè)，與此類(lèi)極端降水的關(guān)鍵落區(qū)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖12 同圖6，但為強(qiáng)偏南氣流型(類(lèi)型Ⅲ)極端降水的平均背景場(chǎng)(c、d中的實(shí)線(xiàn)C1C2、C3C4分別為圖13和圖14的垂直剖面位置，灰色虛線(xiàn)標(biāo)示的極端降水關(guān)鍵區(qū)域與圖4c的紫色實(shí)線(xiàn)區(qū)域相對(duì)應(yīng))Fig.12 Same as fig.6， but for extreme precipitation of type Ⅲ (The solid lines C1C2 and C3C4 in (c) and (d) denote positions ofvertical cross sections shown in fig.13 and fig.14， respectively; the grey dotted line corresponds to the purple solid line in fig.4c)

暖濕氣流由南向北從幕阜山地區(qū)和黃山地區(qū)中間穿過(guò)，兩側(cè)山地形成的“喇叭口”地形，使得氣流更加集中，氣流最終可到達(dá)大別山南側(cè)的迎風(fēng)坡。隨著氣流不斷地將中低層高溫高濕空氣推向大別山南坡，地形的抬升作用可觸發(fā)持續(xù)的對(duì)流系統(tǒng)，形成強(qiáng)降水[19]，這與此類(lèi)極端降水在大別山南側(cè)的落區(qū)相對(duì)應(yīng)。分布在大別山西南方至幕阜山之間的極端降水與幕阜山地區(qū)地形和南北向暖濕氣流的相互作用有關(guān)。幕阜山地區(qū)地形高度較低，抬升作用導(dǎo)致的降水可被平流到背風(fēng)區(qū)，從圖12c可以看到，氣流越過(guò)幕阜山后，風(fēng)速并沒(méi)有明顯降低，而圖12f上顯示低層的暖平流已經(jīng)越過(guò)了幕阜山地區(qū)，其前緣與此極端降水的落區(qū)相對(duì)應(yīng)。

此類(lèi)型極端降水的背景環(huán)流特征為低層偏南強(qiáng)氣流，稱(chēng)為強(qiáng)偏南氣流型。

從相對(duì)濕度剖面(圖13a)看，大別山東側(cè)“喇叭口”地形區(qū)850 hPa有明顯的高值區(qū)，為降水提供了水汽和不穩(wěn)定能量[20，21]。沿南風(fēng)方向，風(fēng)速在大別山山前快速減弱(圖13b)，表明了大別山地形的阻擋作用使得水汽在山前聚集，可在迎風(fēng)坡形成極端降水。幕阜山上空相對(duì)濕度較大別山南側(cè)偏高(圖14a)，濕度中心廣泛地分布在850～700hPa的區(qū)域上。雖然幕阜山高度偏低，抬升作用偏弱，對(duì)風(fēng)速的影響偏小(圖14b)，但是充沛的水汽亦可以在這種情形下形成極端降水。

圖13 同圖7，但剖面沿圖12c中C1C2Fig.13 Same as fig.7， but along C1C2 in fig.12c

圖14 同圖7，但剖面沿圖12c中C3C4Fig.14 Same as fig.7， but along C3C4 in fig.12c

3 結(jié)論

本文利用2008—2014年我國(guó)自動(dòng)站與CMORPH降水產(chǎn)品融合的逐時(shí)降水資料和相應(yīng)NCEP再分析背景場(chǎng)資料，將背景場(chǎng)與背景場(chǎng)時(shí)刻后6 h的累積降水建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，共獲得10 228個(gè)樣本。之后設(shè)定50 mm/(6 h)為極端降水閾值，用格點(diǎn)降水判定法得到343個(gè)極端降水天氣事件樣本。該格點(diǎn)閾值方法能很好反應(yīng)極端降水樣本在總樣本中的極端性，也從一定程度體現(xiàn)了區(qū)域降水總量法對(duì)極端降水天氣事件的判定。

為考察這些極端降水天氣事件發(fā)生的環(huán)境特征，采用自組織特征圖映射方法對(duì)這些極端降水天氣事件的背景場(chǎng)進(jìn)行了分型。分型考慮了上、中、下各層天氣環(huán)境對(duì)極端降水的影響。選取了海平面氣壓、近地面溫度、850 hPa風(fēng)場(chǎng)、850 hPa相對(duì)濕度、500 hPa高度場(chǎng)和500 hPa溫度場(chǎng)為背景要素進(jìn)行綜合分型，各個(gè)要素場(chǎng)在分型過(guò)程中取相同權(quán)重。結(jié)果表明，大別山地區(qū)極端降水天氣事件的背景環(huán)境主要可分為三類(lèi)，分別是西南強(qiáng)氣流型(類(lèi)型Ⅰ)、副高西北側(cè)氣流型(類(lèi)型Ⅱ)和偏南強(qiáng)氣流型(類(lèi)型Ⅲ)。時(shí)間上，類(lèi)型Ⅰ和類(lèi)型Ⅱ的極端降水分別集中在6—8月和7—9月，代表了夏季極端降水，而類(lèi)型Ⅲ的極端降水主要出現(xiàn)在3—6月及10—12月，屬于春秋季節(jié)的極端降水。其中，類(lèi)型Ⅰ與類(lèi)型Ⅱ占極端降水天氣事件的主要部分，分別占45.77%和42.27%，這是因?yàn)橄募敬髣e山地區(qū)天氣系統(tǒng)活躍，水汽條件充足，當(dāng)不同的天氣系統(tǒng)在此交匯時(shí)，特定的抬升條件和降水維持條件容易導(dǎo)致極端降水天氣事件的發(fā)生。

進(jìn)一步結(jié)合大別山地形與極端降水分布及環(huán)境場(chǎng)的配置關(guān)系，分析和討論了各類(lèi)型極端降水天氣事件的成因。發(fā)現(xiàn)：

(1)類(lèi)型Ⅰ的極端降水主要分布在大別山主體及其東南方與黃山之間。在中層的高濕度和強(qiáng)西南氣流的條件下，迎風(fēng)坡動(dòng)力抬升導(dǎo)致的降水是大別山主體極端降水的主要原因，大別山和黃山之間喇叭口地形的輻合抬升作用使得極端降水也分布于大別山主體東南方與黃山之間。

(2)類(lèi)型Ⅱ的極端降水主要分布在大別山往西北延伸的低矮山脊兩側(cè)。當(dāng)西太平洋副熱帶高壓北抬和西進(jìn)后，此極端降水落區(qū)位于西太平洋副熱帶高壓的西北側(cè)。此環(huán)流背景下，大別山西北低矮山脊處水汽條件充足，地形弱的抬升可增強(qiáng)降水，副高的穩(wěn)定可使降水長(zhǎng)時(shí)間維持，導(dǎo)致極端降水的發(fā)生。

(3)對(duì)類(lèi)型Ⅲ，偏南氣流與大別山及其西南方幕阜山地區(qū)地形的配置使得極端降水主要分布在大別山南側(cè)往西南方向。低層暖平流越過(guò)幕阜山地區(qū)到達(dá)大別山南側(cè)，幕阜山地區(qū)地形對(duì)偏南氣流阻擋偏弱，但越過(guò)幕阜山地區(qū)地形的氣流的相對(duì)濕度較大，弱的抬升可導(dǎo)致強(qiáng)降水往下游平移。當(dāng)偏南氣流到達(dá)大別山南側(cè)時(shí)，相對(duì)濕度有所減弱，但大別山對(duì)偏南氣流有明顯阻擋，強(qiáng)的抬升條件可導(dǎo)致極端降水的發(fā)生。