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[气象图书馆] 1954、1991、2003年淮河流域致洪暴雨气象成因对比分析

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发表于 2008-3-25 23:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
张晓红1 程兴无2* 柴化全1 黄春生1 梁树献2 高飞1 范宝龙1 何华1
(1、安徽省蚌埠市气象局 233010, 2、淮河水利委员会水文局 233000)

 

摘 要  利用气象资料分析了1954、1991、2003年三年淮河大水期间的降水时空分布,对致洪暴雨过程和成因进行了分析和探讨。结果发现江淮梅雨期长短与与西太平洋副热带高压伸入大陆脊线位置以及中高纬度建立稳定的阻塞高压有密切的关系;江淮梅雨期出现的强降水都是多个影响系统叠加的结果。
关键词 淮河流域 致洪暴雨 天气成因

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 楼主| 发表于 2008-3-25 23:42 | 显示全部楼层

1 雨情

1.1 1954年雨情
    1954年 5月中旬和6月出现2次暴雨过程,中心位置位于淮南、史淠河上游。7月出现5次致洪暴雨过程,其起止时间分别为1-7日、 8-12日、15-18日、19-21日、23-30日。
    7月淮河流域面平均雨量达513mm。暴雨中心有4处,最大暴雨中心位于淠河上游的吴店-前畈一带,中心雨量为1265.3mm。

1.2 1991年雨情
    1991年梅雨期有3次主要暴雨过程(5月18-25日,6月12-14日,6月28日-7月11日)。其中6月中旬和7月上旬两次暴雨过程最强形成流域本年两次主要洪水过程。6月12-14日雨区主要在淮河水系南部,过程雨量均在100mm以上,其中中游沿淮地区在200mm以上。这次暴雨特点是降雨强度大,大暴雨区始终稳定在中游沿淮地区。6月28日-7月11日是本年梅雨期历时最长、次雨量最大的一次过程。淮河中游沿淮地区降水200-400mm,大别山区和里下河地区降水500mm以上,暴雨中心马宗岭、兴化站雨量分别为1200、919mm。这次降雨过程历时长,强度大,暴雨中心移动频繁,组合恶劣,过程雨量大。

1.3 2003年雨情
    淮河水系6月20日入梅,7月22日出梅。主要降水位于沿淮地区、大别山区、淮北各支流中下游地区以及苏北里下河大部地区。淮河水系从6月20-7月22日有六次降雨过程,最大30天降雨为6月22日至7月22日。
2003年最大30天降雨过程中,除伏牛山区、淮北各支流上游外,淮河水系其它地区降水都在400mm以上;600mm以上的雨区在大别山区、史灌河地区、洪汝河、沙颍河和涡河中下游、洪泽湖周边及里下河大部分地区,其中大别山和颍河中游局部地区超过800mm,暴雨中心大别山区前畈站为946mm,颍河关集站为879mm,里下河宝应站为757mm。
 楼主| 发表于 2008-3-25 23:44 | 显示全部楼层

2 致洪暴雨天气成因

2.1 致洪暴雨的定义

    暴雨的区域、范围、强度和持续时间都是影响致洪暴雨的致洪因子。致洪暴雨过程中,还应考虑流域内主要水文控制站的水位、流量、洪峰、警戒水位和保证水位等水文特征量。章淹教授给出的致洪暴雨定义,采用气象与水文相结合的办法,其数学表达式为:

FCTR=∫a∫t Ist da dt +BQ

FCTR:致洪暴雨(Flood-causing Torrential Rain),公式中Ist 表示强降水的降水量,强降水是指降水量≥20-30毫米/天(包括通常定义的暴雨以上的降水),a强降水的面积,t代表强降水出现的确历时;BQ代表前期基础降水量(或江河底水)。

统计分析,3年中主要致洪暴雨过程分别是:1954年7月2日-8月6日,1991年6月13-17日、7月1日-15日、8月8日-12日,2003年6月30日-7月25日。
 楼主| 发表于 2008-3-25 23:45 | 显示全部楼层
2.2 欧亚中高纬环流形势分析

50年代陶诗言先生指出:在梅雨期中、高纬度易出现稳定的环流型。一般来说,6-7月在江淮地区出现大范围持续性暴雨常与大气环流某种环流异常稳定,欧亚大陆中、高纬出现持久的阻塞形势,同时在西太平洋的副高强且持久地稳定,西南季风异常活跃等有关。通过对1954、1991、2003年江淮梅雨期产生致洪暴雨大气环流的分析,很好地应证了这一点。

1954年7月,北半球环流形势稳定,高空槽脊系统持续出现在某一稳定地区,变化甚少。从1954年梅雨期6-8月阻高候活动统计结果看,东亚(鄂霍茨克海)阻高最活跃,乌拉尔山阻高次之,中阻高较少,因此以双阻型为主。该年7月亚洲环流属于典型的梅雨形势(与图1相似),中高纬度西风带是稳定的二脊一槽型(双阻型)。鄂霍茨克海和乌拉尔山上空为阻塞高压,西伯利亚中部的贝加尔湖附近为一长波槽所在。在鄂霍茨克海阻塞高压的西南方,我国东北的南部和朝鲜北部维持一个切断冷低压,低槽底部一直伸到江淮流域。加上贝加尔湖长波槽中,不断有分裂的短波槽东移南下,这就使得冷空气能源源不断侵入江淮流域。

1991年江淮梅雨期欧亚大气环流具有持久的稳定性。从1991年6月500hPa月平均的高度场和距平场(图略)可以看出:中高纬度乌拉尔山地区和鄂霍茨克海附近稳定维持阻塞形势(双阻型)。1991年梅雨期57天(5月18-7月13日)中,乌拉尔山阻塞形势共持续45天,并从乌拉尔山阻高南部出现西风环流显著分支现象。南面的一支西风沿40°N从地中海经里海、沿黄淮而向日本方向流去,西风风速轴线稳定维持在35°N左右,最大值出现在120-130°E。鄂霍茨克海附近阻塞形势持续26天。贝加尔湖维持一低槽。副热带高压大陆段脊线位置稳定维持在20-25°N。欧亚中高纬度持久而稳定的大气环流,使乌拉尔山阻高南部分支的西风环流,频频产生扰动东传,把北方冷空气一次次带入我国,与副热带高压西北侧的西南暖湿气流交汇于江淮流域。1991年江淮梅雨期的三个主要降水时段与中高纬度的阻塞高压削弱和重建有一定的对应关系,每次乌山阻高的减弱和崩溃过程,均伴随着一次强的冷空气南下。三次强冷空气南下,促使江淮流域形成三个明显的梅雨时段。总的来说,1991年双阻型暴雨占主导地位。

    2003年江淮梅雨期间(6月20-7月22日),欧亚中高纬天气系统交替较为频繁,单一稳定的阻塞形势维持时间不长。出现双阻型暴雨环流,发生在6月下旬末到7月上旬初,阻塞高压主要出现在乌拉尔山地区和鄂霍茨克海(见图1);其它出现的暴雨环流均为两槽一脊型,即单阻型。单阻高压要么出现在乌拉尔山地区(西阻),要么出现在贝加尔湖西部(图略)或鄂霍次克海(东阻)。经过比较,乌拉尔山阻塞高压比较稳定持久,中阻次之,东阻出现次数最少而且较弱。低槽往往从贝加尔湖或我国东北地区伸向西安附近,西风带急流位于北纬40度左右,与往年相近。与欧亚中高纬系统相对应的副热带高压,在此期间脊线位置稳定维持在22-25°N。

[ 本帖最后由 罗斯贝 于 2008-3-25 23:47 编辑 ]
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 楼主| 发表于 2008-3-25 23:53 | 显示全部楼层
2.3 副热带高压

    西太平洋副热带高压季节性北跳过20°N的早晚、持续稳定在20-25°N的时间长短和第二次北跳过25°N的日期,直接关系到江淮流域入梅、出梅和梅雨的长短。所以西太平洋副热带高压是淮河流域雨季预报的一个重要的环流因子。按多年平均,6月第4候前后,东亚地区(110-130°E)副高季线出现夏季的第一次季节性北跳,脊线跳到19-20°N左右时,长江流域进入梅雨。7月第3候副高出现第二次季节性北跳,脊线跳过25°N,主要降雨带从长江流域逐渐北移,先后到达黄淮、华北、东北等地区。

    1954年6-7月副高脊线始终徘徊在19-23°N,6月第4候至7月第6候,脊线位置比常年偏南,接近8月中旬,副高才出现第二次季节性北跳,较常年偏迟了20天左右。使梅雨带未象通常那样移出江淮北推至黄河流域一带,而只是略向北扩,主雨带一直滞留在长江和淮河流域,致使江淮梅雨期延长两旬以上,且强雨区较宽,造成淮河和长江流域的特大洪水。1954年盛夏(7-8月)副高主体偏小,面积指数远小于多年平均,5-8月各月的西伸脊点持续比常年偏西(图2)。副高强度表现为5-8月均偏弱。

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图2  左图1954年1-8月西太平洋副热带高压月平均脊线位置(虚线为多年平均)

右图1954年1—8月西太平洋副热带高压面积支书距平(实线)和西伸脊点位置距平(虚线)


 


      1991年西太平洋副热带高压的主要特征是,持续偏强,初夏位置偏北,盛夏位置偏南。1991年副高的第一次北跳出现在5月第6候,比常年提早约3个候。第二次北跳过25°N的时间在7月第四候,比常年推迟1-2候。特别是从5月第6候到7月第3候,脊线位置一直稳定维持在19-24°N之间,造成主雨带一直徘徊于长江至淮河流域一带。1991年5-8月副高面积指数和强度指数除8月偏弱外,其余3个月均明显偏强。西伸脊点的位置5-7月比常年偏西,但同1954年相比位置略偏东(图3)。

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图3  左图1991年1—8月副高平均脊线位置(虚线为多年平均)

右图1991年1—8月西太平洋副高面积指数距平(实线)和西伸脊点位置距平(虚线)



    2003年5-7月的西太平洋副高脊线位置较常年略偏南, 6月20日淮河流域进入雨季,之后副高脊线位置稳定徘徊在21-25°N之间。第二次北跳过25°N在7月的第5候,较常年偏迟1-2候,7月23日淮河流域雨季结束。从6月的第5候到7月的第4候,西太平洋副高脊线一直维持在21-25°N之间,使得强降雨带始终徘徊在淮河流域,形成淮河流域的大洪水。由于2003年春夏之交副高脊线位置偏南,造成当年长江梅雨不明显。2003年6-8月副高面积指数和强度指数比历史同期偏强,7、8两月尤为明显,其中两月的强度指数为仅次于1995年的最大值。5-8月的西伸脊点位置比常年明显偏西(图4)。

 
4.jpg



图4  左图2003年1—8月副高月平均脊线位置(虚线为多年平均)

右图2003年1-8月西太平洋副高面积指数距平(实线)和西伸脊点位置距平(虚线)
 楼主| 发表于 2008-3-25 23:54 | 显示全部楼层
2.4 热带海温场特征
    1954年是厄尔尼诺减弱年,从1953年4月份开始爆发的厄尔尼诺事件较弱,持续了7个月。1954年春季开始,赤道太平洋海温向冷位相转变。1954年下半年至1956年爆发了一次强的拉尼娜事件。

1991年在赤道东太平洋上出现了一次较强的厄尔尼诺事件。自1990年夏季以来,赤道东太平洋(0-10°S,80-90°W)海面温度持续偏高,到1991年5月发展成为90年代的第一次厄尔尼诺事件,11月份厄尔尼诺进入强盛期(平均海温距平≥1.0℃),12月份达到本次厄尔尼诺的峰值(1.5℃)。这次厄尔尼诺的盛期持续了7个月,是近40年中仅次于1982-1983(9个月)和1986-1987(8个月)年的强厄尔尼诺事件。

    2003年是厄尔尼诺的次年。2002年年初开始,赤道中东太平洋大部海表温度呈上升趋势,南方涛动指数3月份以后维持较稳定的暖位相特征,到5月一次新的ENSO暖事件开始形成,11-12月份达到峰值。2003年1月起,赤道中东太平洋海温出现明显的下降趋势,2月赤道东太平洋大部分地区海表温度开始恢复正常,到3月本次厄尔尼诺事件基本结束。此次厄尔尼诺事件的持续时间较短,强度中等。

2.5 太阳活动

    太阳黑子活动具有明显的11年周期。这种周期也叫太阳活动周,一般以黑子活动最小年作活动周的开始年份。国际上规定1755年开始为太阳黑子活动第一周,到现在已经历了22周,从1996年开始进入第23周。

1954年是太阳黑子活动第19周的开始年,即M+0年,年平均黑子数是近百年来的最低值。
1991年是第22周峰年后的第2年,即M+2年,太阳活动仍异常活跃,年平均黑子数高达145。

2003年是第23周峰年后的第3年,即M+3年,太阳活动比较活跃。

    太阳活动对中国旱涝的影响比较复杂,目前尚无定论,但有研究表明长江中下游的夏涝多出现于一月份太阳黑子数持续小于50的低值期开始年、谷年和高值期(黑子数大于或等于50的年份)的第二年、第三年。1954、1991和2003年的太阳活动与淮河流域夏涝的关系与上述条件相符,说明淮河流域的大水年可能与太阳活动有关。
 楼主| 发表于 2008-3-25 23:57 | 显示全部楼层
2.6 天气影响系统
    江淮梅雨期,天气影响系统多,成因也很复杂。一般而言,梅雨期的主要影响系统有江淮切变线、西南涡、江淮气旋、低空急流等。由于资料所限,下面主要讨论1991年和2003年梅雨期的情况。

2.6.1 江淮切变线
    江淮切变线是江淮梅雨期的重要影响系统之一。梅雨期内的降水都与切变线存在密切的关系。以东经117°E为准,1991年江淮梅雨期,850hPa、700hPa切变线稳定维持在31-36°N之间。在这个纬度范围内,梅雨期57天共有42天存在双层切变线,其走向ENE-WSW;8天存在单层切变线。
    2003年梅雨期间,700hPa、850hPa江淮切变线主体都在32-35°N。其中双层切变日数16天,单层切变4天,无切变线日数4天。在此范围内出现单层切变线或无切变线期间,淮河流域降雨相对较弱;而淮河流域出现大范围暴雨、大暴雨期间,均有双层切变线的存在。例如6月29日-7月4日、7月8-12日两次最严重的致洪暴雨过程,只是前者是暖式切变且走向基本与淮河走向一致,后者为冷式切变(图5)。
    梅雨期江淮切变线的形成是一次又一次切变线替换过程。每次切变线转换过程,都与500hPa分支的西风带扰动有关。这表明每次出现的扰动,对应低层就有一次切变线的新陈代谢过程,有新鲜冷空气侵入,有利于江淮地区形成暴雨、大暴雨。

2.6.2 西南涡
    西南涡是江淮梅雨期形成暴雨、大暴雨的重要天气系统。西南涡在高空扰动系统的影响下,沿着切变线方向移动,所经之地大部分地区产生暴雨、大暴雨。1991年江淮梅雨期,四川附近形成西南涡29个,移出该地8个,生命史2天左右。2003年江淮梅雨期西南涡生成的总数虽然比1991年少,但仍然有4个西南涡和5个低涡影响淮河流域,低涡沿切变线方向移动,造成淮河流域一次次暴雨过程。

2.6.3 江淮气旋
    1991年梅雨期出现10次江淮气旋活动。2003年梅雨期有8个江淮气旋生成东移,相应中低层有中尺度低压(槽)和切变线对应。分析表明,江淮梅雨期内出现的江淮气旋,它们的形成与500hPa分支的西风带中较强扰动系统、切变线替换有关。1991年500hPa分支西风带扰动系统活跃,有利于西南涡和江淮气旋的形成。2003年500hPa分支西风带不明显,低槽位置偏东,使西南涡形成的个数偏少,影响范围也相对较窄。

2.6.4 低空急流
    江淮梅雨期强而持续的低空急流活动对暴雨的形成起了重要作用。强降雨区位置多位于急流轴的左侧,这个区域有利于梅雨锋的维持和低气压的生成。
1991年江淮梅雨期中,850hPa出现≥16m/s西风急流17次。急流宽度平均500km左右,急流轴从南海伸向我国大陆,长江口附近为偏西风急流。与暴雨过程相伴随的低空急流十分强劲,平均风速达16m/s左右,最强达36m/s。它提供了暴雨区热量、动量及水汽的来源。
2003年暴雨期间,西南低空急流位置和常年同期差不多,轴线一般呈WSW-ENE或SW向(图5)。低空急流的平均宽度为550km,平均风速15.5m/s,大于16m/s的风速出现10次,最大风速超过20m/s。急流前端多为安庆-合肥一线和安庆-南京-上海一线,最前端曾到达上海(且风速大于16m/s),急流在江淮流域至长江口段的方向偏东。

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                  图5  左图为2003年6月29日—7月4日致洪暴雨过程850hpa影响系统配置示意图,右图为

                       2003年7月8日—12日致洪暴雨过程850hpa影响配置示意图
 楼主| 发表于 2008-3-25 23:58 | 显示全部楼层

3 总结

3.1 江淮梅雨期间,欧亚中高纬形势异常稳定持久,双阻型和单阻型(中阻型)已成为江淮流域的致洪暴雨模式。所不同的是1954年和1991年江淮梅雨以双阻型为主,环流异常稳定,构成了江淮梅雨期异常偏长;2003年江淮梅雨以单阻型为主,环流稳定性相对较弱,这是2003年梅雨期不如1954、1991年长的主要原因。

3.2 副高两次季节性北跳的时间的早晚,持续稳定在20-25°N的时间长短,与江淮流域入梅、出梅和梅雨的长短密切相关,所以西太平洋副热带高压是江淮流域旱涝预报的一个重要的环流因子。1954年、1991年副高脊线第一次北跳偏早,第二次北跳偏晚,即初夏时副高脊线位置偏北,盛夏位置偏南,副高脊线长时间徘徊在19-24°N之间,形成长江和淮河流域的大范围洪涝。而2003年初夏至盛夏,副高脊线位置持续偏南,导致了长江梅雨不明显,持续的强降雨集中在淮河流域。

3.3 海温场和太阳活动对中国旱涝的影响比较复杂,目前尚无定论。但有研究表明,厄尔尼诺对江淮流域的旱涝有一定的影响。在开始年的春夏季,对流层上部位势高度和副热带高压都处在由弱到强的转变状态,我国东部地区以少雨为主;在厄尔尼诺次年和拉尼娜年,流域以多雨为主。在太阳黑子活动的峰谷年前后,江淮流域一般容易出现大洪水。通过对1954、1991和2003年的厄尔尼诺状况和太阳活动的分析发现,淮河流域的大水年与热带太平洋海温状况及太阳活动有一定的关系,但由于样本少,相关信度不确定。

3.4 影响天气系统特点:江淮梅雨期影响系统大致相同,影响系统的位置和强弱,决定着降雨的强度和范围。1991年、2003年江淮梅雨期强降雨都是多个影响系统叠加的结果,但2003年江淮切变线位置略偏北1-2°N,同时500hPa扰动系统位置偏东,导致西南涡和江淮气旋移动路径比1991年偏北,形成了2003年江淮梅雨期强降雨影响范围相对较窄,强降雨集中在淮河流域。


参考文献
1 冯利华. 江淮流域大洪水的发生规律探讨. 2000,20(5):427-430.
2 晁淑懿、李月安. 1998年与1954年夏季大尺度环流特征的对比分析. 气象,2000,26(1):38-42.
3 张庆云、 陶诗言. 夏季西太平洋副热带高压异常时的东亚大气环流特征. 大气科学,2003,27(3):369-380.
4 励申申、寿绍文. 赤道东太平洋海温与我国江淮流域夏季旱涝的成因分析. 应用气象学报,2000,11(3):331-338.
5 丁一汇等. 1991年江淮流域持续性特大暴雨研究. 北京:气象出版社,1993.
6 刘永强、丁一汇. ENSO事件对我国季节降水和温度的影响. 大气科学,1995,19(2):200-208.
发表于 2008-3-26 18:50 | 显示全部楼层
好贴啊
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