张瑞1,2 , 李英1 , 肖若瑶1 , 樊晓婷1,3 , 张释文1
1. 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室
2. 中国科学院大学
3. 复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院
与西北太平洋热带气旋(Tropical Cyclone,TC)相关的降水是华北雨季(6-9月)区域性极端降水(Regional Extreme Precipitation,REP)的重要来源,但很少有研究探讨华北REP的变化特征及其与TC的联系。本研究重点关注(1)在当前全球变暖的背景下,TC影响对华北雨季REP及其变化趋势的贡献,及(2)TC影响下华北REP的环流类型、降水分布特征和影响机制。研究结果对加强华北极端降水事件形成机理的科学认识,应对防灾减灾和气候变化等具有参考价值。
基于1977-2023年6-9月逐日降水观测资料和中国气象局上海台风研究所的台风最佳路径数据集,采用最小二乘法和student-t 检验方法,统计华北地区台风(TC-REP)和非台风(Other-REP)影响下的REP变化特征,探究TC-REP对华北REP及其变化趋势的贡献;基于ERA5再分析资料,采用倾斜旋转T模态主成分分析方法(obliquely rotated principal components in T-mode,PCT)和合成分析方法,对比分析TC-REP不同环流类型的差异特征、降水特征及影响机制。
(1)华北雨季总降水量和REP降水量均由1977-2002年的下降趋势转为 2003-2023 年的上升趋势,REP降水量的变化是华北雨季总降水变化的主要原因;在2003-2023年,TC-REP和Other-REP均为上升趋势,其中TC-REP的趋势系数更大,且通过显著性检验,说明华北近20年REP降水量显著增加与TC的影响密切相关。(2)在不同阈值(90th、95th、99th)的 REP 日数中,TC-REP 日数的比例约为 25%-40%,随着极端降水阈值的增大而增加;其中TC直接影响(通过自身环流影响)日数的比例也随阈值的增大而增大,对90th和95th,70%以上的REP过程与TC的间接影响(通过低层水汽输送影响)有关;对99th,约54%的REP过程与TC的直接影响有关。(3)华北REP发生在经向环流的背景之下,无TC影响时,华北地区的水汽输送主要来自于印度洋的西南水汽输送;有TC影响时,来自南海和西太平洋的水汽输送明显增加,在15°N~30°N范围内存在多个异常低值系统,这种低值系统对华北REP的水汽输送有重要贡献。(4)TC通过自身环流直接影响华北REP时,环流形势单一,TC中心的平均位置在河南南部;TC通过低层水汽输送影响华北REP时,采用PCT方法分为四种环流型:西风槽与副高相互作用型(T1,占比32.3%)、副高外围型(T2,占比33.8%)、低涡型(T3,占比9.2%)以及小波动型(T4,占比26.6%)。T1型,TC位于南海,水汽通道呈S形,极端降水由中纬度西风槽和副高相互作用引发,降水与锋面或低层急流平行,呈东北-西南走向;T2型,TC位于南海,水汽通道为双通道,降水由副高外围暖湿气流中强烈发展的对流引发,在山东地区呈块状分布;T3型,TC位于台湾岛东部洋面,华北西部上空的局地低涡驱动低层东南水汽急流冲击太行山,引起剧烈地上升运动,导致太行山迎风坡一侧出现极端降水,平均降水强度最强;T4型,TC位于台湾岛附近,水汽通道呈S形,降水发生在弱天气尺度强迫下,与低层暖湿空气和地形的相互作用有关,降水主要分布在太行山东麓的平原地区。
(1)华北近20年REP降水量显著增加与台风的影响密切相关;(2)TC-REP 日数对REP日数的贡献与极端降水阈值有关,阈值越大,TC-REP所占比例越大;(3)当TC通过自身环流直接影响华北REP,其中心的平均位置在河南南部;(4)TC通过低层水汽输送影响华北REP时,主要有四种环流类型:西风槽与副高相互作用型(T1,占比32.3%)、副高外围型(T2,占比33.8%)、低涡型(T3,占比9.2%)以及小波动型(T4,占比26.6%);T1型降水由中纬度西风槽和副高相互作用引发,与锋面或低层急流平行,呈东北-西南走向;T2型降水由副高外围暖湿气流中强烈发展的对流引发,在山东呈块状分布;T3型华北西部山区存在的局地低涡驱动低层东南暖湿气流冲击太行山,引起剧烈地上升运动,导致太行山迎风坡一侧出现极端降水,平均降水强度最强;T4型降水发生在弱天气尺度强迫下,与低层暖湿空气和地形的相互作用有关,降水主要分布在太行山东麓的平原地区。