不同关键期长江上游与洞庭湖洪水遭遇过程气候特征对比

张萍萍，董良鹏，陈　璇，张　宁， 车　钦，韦惠红，岳岩裕

(1.武汉中心气象台，湖北　武汉　430074; 2.湖北省气象局科技与预报处，湖北　武汉　430074)



不同关键期长江上游与洞庭湖洪水遭遇过程气候特征对比

张萍萍1，董良鹏1，陈璇1，张宁2， 车钦1，韦惠红1，岳岩裕1

(1.武汉中心气象台，湖北武汉430074; 2.湖北省气象局科技与预报处，湖北武汉430074)

摘要：长江上游与洞庭湖一旦遭遇洪水，将会形成全流域洪水或特大洪水，给防洪减灾带来巨大考验。从大尺度环流背景、天气系统特征以及物理量场特征3个角度出发，对1981—2012年共30次长江上游洪水与洞庭湖洪水遭遇过程进行分析，总结出消落期、汛期、蓄水期3个不同关键期内发生洪水遭遇的不同气候特征，提出面上物理量和面上综合指数的新概念。

关键词：长江上游；洞庭湖；洪水遭遇；关键期

引言

长江流域幅员辽阔，通常各地暴雨洪水发生的时间不同，一旦气候反常，上下游雨季发生重叠，则会导致长江上游与洞庭湖流域洪水遭遇，形成流域性大洪水[1-2]，给长江中下游防洪、尤其是荆江河段防洪带来巨大压力。三峡工程建立后，长江流域防洪形势有了很大改善，但如何在不同关键期内进行最优调度，以达到防洪的最佳效益，还有许多问题需深入研究。

关于洪水遭遇已有很多相关研究，如郭家力等[3]对鄱阳湖流域洪水遭遇规律和危险度进行分析，并基于灾变度概念建立2个评价指标；边玮等[4]从年际变化、流量特征等方面分析近代记录的大洪水资料，指出对于长江流域性的大洪水，金沙江与长江中下游洪水遭遇的可能性很大，并且以15 d以上的洪量遭遇最为恶劣；肖天国[5]利用水文学分析方法，对金沙江和岷江洪水遭遇中的流量特征等进行了分析；范可旭等[6]从暴雨洪水特征方面分析乌江洪水与长江三峡洪水发生遭遇的可能性；张有芷[7]、戴明龙[8]等分析了长江上游洪水遭遇的特征。以上研究多从水文学角度出发对洪水遭遇特征展开分析，而对于洪水遭遇的天气学规律研究较少。本文利用水文、气象资料，对不同关键期内洪水遭遇的气候特征进行分析，以期对不同关键期内长江上游与洞庭湖洪水遭遇的预报以及三峡水利枢纽防洪调度提供一定参考。

1资料和方法

1.1资料

流量资料为长江流域主要控制站宜昌、城陵矶、螺山日平均流量资料，时段为1981—2012年5—11月；天气学分析资料包括NCEP/NCAR 08:00、20:00起报资料(2.5°×2.5°)以及高空地面观测资料，时段为1981—2012年5—11月；根据三峡水利枢纽梯级调度规程，关键期划分标准为：5月1日—6月10日为消落期、6月11日—8月31日为汛期、9月1日—10月30日为蓄水期。

1.2研究方法

为体现发生洪水遭遇过程的大尺度环流背景、天气系统和物理量场特征的平均态以及与多年平均值的偏差，采用物理量平均场和距平场分析法。

大尺度环流背景的演变对于不同关键期天气特征分析至关重要，各种环流指数定义如下：①南亚高压脊线位置：70°E—130°E、0°—45°N范围内的西风零线的平均纬度；②西太平洋副热带高压脊线位置：105°E—150°E、0°—45°N范围内的西风零线的平均纬度；③西太平洋副热带高压西伸脊点：588 dagpm线最西端的经度；④西太平洋副热带高压面积指数：105°E—180°、0°—45°N范围内位势高度≥588 dagpm的格点总和；⑤西太平洋副热带高压强度指数：588 dagpm网格点上平均高度值编码之和。

在洪水遭遇过程中，各种天气系统的相互影响和演变对于强降水发生落区非常重要，分析过程中通过统计不同关键期平均风场来体现系统水平分布特征，以宜昌站和城陵矶站为代表站计算平均风速，体现长江上游和洞庭湖流域水汽输送特征。

物理量场分析对于准确预报暴雨落区至关重要，对于单场暴雨来说，暴雨区通常较为集中，物理量阈值常规分析方法主要为单点物理量分析法，而洪水遭遇一般由多场暴雨造成，暴雨区域涉及面广，常规单点物理量阈值分析法无法有效判断暴雨区的位置，因此尝试使用面上物理量分析法，将长江流域分成上游和洞庭湖2个面进行计算，得到的面上物理量对于是否产生洪水遭遇具有更好的指示意义。此外为了更好地描述各种物理量的组合特征，设计了一个面上综合指数zy，通过计算和分析综合指数，可以表现致洪暴雨发生过程中水汽、不稳定条件、动力因子的组合特征，更加有效地确定暴雨可能发生的区域以及对不同关键期内暴雨发生的综合物理量阈值进行对比分析。

(1)面上可降水量

从地面到大气顶界的单位面积大气柱所含水汽总量全部凝结并降落到地面产生的降水量。通常用相当的水量在同面积容器中的深度表示，以mm为单位。其计算方法如下[9]：

(1)

(2)

式中：r为水汽混合比，随气压p而变；g为重力加速度，p0为地面气压，W是气柱中的水汽总质量。Wi为单点可降水量，n为选定区域内的站点个数，PW1为面上可降水量。

(2)面上K指数

K指数对气团的潮湿度、稳定度有一定判别能力，是对强对流天气指示性较好的物理量之一[10]。一般K指数值愈大表示大气层结越不稳定，计算公式为：

(3)

(4)

式中：T为温度，Td为露点温度，Ki为单点K指数，n为选定区域内站点个数，K1为面上K指数。

(3)面上涡度

涡度是衡量空气质块旋转运动强度的物理量[11]，逆时针旋转为正值，顺时针旋转为负值。涡度是一个矢量，由于大气做准水平运动，着重讨论水平面上的旋转，即垂直方向的涡度分量ζ，直角坐标系中涡度的计算如下：

(5)

(6)

式中：ζi为单点涡度，n为选定区域内站点个数，VOR1为面上涡度。

(4)面上综合指数

(7)

式中：PW1为面上可降水量，K1为面上K指数，VOR1700为700 hPa面上涡度。

2不同关键期洪水遭遇气候特征对比

2.1洪水特征

选取宜昌、城陵矶站为长江上游、洞庭湖主要控制站点，根据日平均流量变化情况，当宜昌站和城陵矶站流量增幅、流量峰值同时满足以下条件时，定义为一次洪峰，相应的过程定义为一次洪水过程。其中宜昌站需要满足的条件为：①流量增幅Qmi-Qm(i-1)≥5 000m3·s-1；②流量峰值：消落期Qmi≥20 000m3·s-1，汛期Qmi≥45 000m3·s-1，蓄水期Qmi≥30 000m3·s-1；城陵矶站需要满足的条件：①流量增幅：Qmi-Qm(i-1)≥3 000m3·s-1；②流量峰值：Qmi≥20 000m3·s-1。Qm(i-1)为临近洪峰的峰前流量极小值，Qmi为洪峰流量，Qm(i-1)为临近洪峰的峰后流量极小值。若宜昌站、城陵矶站的洪峰同日传播至螺山站，即视为洪峰遭遇；若宜昌站、城陵矶站洪峰传播至螺山站的时间在5 d以内，即视为洪水过程遭遇。对1981—2012年30次洪水遭遇过程进行统计(表1)，发现长江上游与洞庭湖洪水遭遇消落期共发生6次、汛期20次、蓄水期4次；从洪水过程历经天数看，消落期洪水遭遇过程平均33 d、汛期23 d、蓄水期34 d。

表1　不同关键期长江上游与洞庭湖洪水遭遇统计

2.2环流背景

3个关键期内，500 hPa平均高度场中高纬度均表现为2槽1脊形势，巴尔克什湖、东北地区有低值系统存在，蒙古附近表现为弱脊。

从距平场分布看，消落期(图1a)从高纬到低纬表现为典型的“-+-+”遥相关距平型，中纬地区贝加尔湖南侧有负距平带存在，表明该地区中纬度低槽十分活跃，多携带北方冷空气南下，鄂霍次克海地区有正距平中心，表明此处多高压系统发展，高压系统的阻挡作用使得冷空气频繁南下，这是造成消落期长江上游与洞庭湖洪水遭遇的主要原因之一。

汛期(图1c)高纬地区贝加尔湖两侧各有1个正距平中心，该处多阻塞高压发展，巴尔克什湖西侧为弱的负距平，表明该处多分裂短波槽东移；中纬河套—东北地区存在负距平区域，表明该地区有短波槽活动，与东北横槽底部分裂的短波槽叠加，这是造成汛期长江上游与洞庭湖洪水遭遇的主要原因之一。

蓄水期(图1e)从高纬到低纬表现为“+- +”的距平型；贝加尔湖北侧出现4 dagpm的正距平，表明此处阻塞高压易发展，巴尔克什湖西侧有-4 dagpm的负距平中心，对照多年平均高度场发现，该处低值系统发展较常年同期偏强，低槽活动频繁，不断分裂短波槽东移至长江流域，长江流域上空也出现大范围负距平，表明与常年同期相比，蓄水期发生洪水遭遇时，长江流域上空高度场明显偏低，多低槽活动。

200 hPa南亚高压分布及强度有明显不同。消落期(图1b)南亚高压脊线在20°N附近，高压主体呈带状，位于印度半岛、中南半岛和青藏高原南部，长江流域上空受偏北气流控制，有利于上升运动发展，距平场呈现正距平，表明南亚高压比常年同期偏强；汛期(图1d)南亚高压呈东西带状，脊线北上至29°N附近，高压主体位于青藏高原和伊朗高原，长江流域上空有明显的正距平中心，高空辐散达到最强；蓄水期(图1f)南亚高压脊线回落到27°N附近，高压中心位于青藏高原上空，强度减弱。

副热带高压各种指数的变化对于不同关键期内的洪水遭遇具有极其重要的指示作用(表2)。其中消落期副高脊线位置最偏南，汛期其北抬至25°N附近，蓄水期则进一步北抬；面积指数汛期最大，而强度指数蓄水期最大，表明蓄水期发生洪水遭遇时，副高较强，副高的强大维持有利于其边缘西南暖湿气流输送；西伸脊点自汛期至蓄水期逐渐西进，表明蓄水期副高位置更加偏西，更加有利于长江上游的降水发生。南亚高压脊线汛期抬至最北，对于长江流域洪水遭遇也具有一定的指示意义。

2.3天气系统特征

从消落期洪水遭遇个例低层平均风场可看出：受高空冷槽东移影响，700 hPa长江中游附近形成冷切变线，南风平均风速仅有2 m·s-1(表3)；850 hPa华南一带形成暖切变线，暖切变线和水汽输送出口位置偏南(图2a)；受高空冷平流影响，北方冷空气活动频繁，地面多冷空气扩散南下，锋后冷平流势力较强，引导高空偏北气流可到达长江中游地区，长江流域平均海平面气压场偏高，宜昌站和城陵矶站平均海平面气压值均达1 007.3 hPa(图略)。显然这个时期发生洪水遭遇，地面冷空气起到重要作用。

汛期700 hPa北部冷切变线位置偏东，引导地面弱冷空气南下，风向的偏南分量加大至4 m·s-1，暖湿气流发展更加旺盛(表3)；同时850 hPa暖切变线位置北抬至湖北中部(图2b)，低层动力条件加强，有利于在长江中游产生强降水天气。地面平均气压场上，河套附近出现冷高压中心，长江流域沿江以南形成暖低压中心，宜昌和城陵矶站平均海平面气压场为1 004.6 hPa(图略)，来自于河套的冷空气以扩散形势南下与来自江南的西南暖湿气流交汇，有利于长江流域形成强降水。这个时期发生洪水遭遇，暖湿气流增强与北方南下弱冷空气相互作用是一个关键因素。

图1　消落期(a,b)、汛期(c,d)及蓄水期(e,f)500 hPa(a,c,e)与200 hPa(b,d,f)

关键期副高脊线副高面积指数副高强度指数副高西伸脊点南亚高压脊线消落期20.0°N129231122.5°E20°N汛期25.7°N177415115°E29°N蓄水期27.1°N148435132.5°E27°N

图2　消落期(a)、汛期(b)和蓄水期(c)850 hPa平均风场及天气系统分析

宜昌站700hPa风速风向850hPa风速风向城陵矶站700hPa风速风向850hPa风速风向消落期2m·s-1偏西4m·s-1偏东4m·s-1偏西2m·s-1偏东汛期4m·s-1西南2m·s-1偏南4m·s-1西南2m·s-1偏南蓄水期<2m·s-1偏东4m·s-1偏东<2m·s-1偏南4m·s-1偏东

与消落期和汛期相比，蓄水期风速明显减小(表3)。850 hPa上游地区多低涡形成并且稳定少动，有利于降水长时间维持在长江上游地区，从而形成华西秋雨。东南沿海上多有台风生成，台风北侧偏东气流输送至鄂西山地和川西山地(图2c)，也容易在地形作用下产生强降水。地面气压场上，东北地区形成冷高压中心，冷空气势力再度增强，宜昌和城陵矶站平均海平面气压场均达到1 009.1 hPa(图略)。从动力条件看，这个时期发生洪水遭遇，上游地区低涡切变稳定少动成为一个关键因素。

2.4物理量场特征

为综合体现洪水遭遇过程中各种物理量的组合特征，采用合成分析方法，选取表征水汽的可降水量PW、表征不稳定条件的K指数以及表征动力抬升条件的700 hPa涡度，通过定义的公式，计算综合遭遇指数，通过对比该指数，可以更好地分析不同关键期洪水遭遇期间，各种物理量场平均场的不同表现特征。

图3给出消落期、汛期和蓄水期平均可降水量、平均K指数及700 hPa平均涡度的物理量场分析，表4是统计出的不同关键期长江上游和洞庭湖流域发生洪水遭遇时面上的物理量阈值(30次洪水遭遇过程中物理量的均值)。从长江上游和洞庭湖面上可降水量PW阈值来看，汛期发生洪水遭遇阈值最大，蓄水期次之，消落期最小，这是由于汛期水汽输送最为强烈，大气整层水汽最为充沛；从面上K指数阈值来看，同样是汛期发生洪水遭遇阈值最大，蓄水期次之，消落期最小，汛期随着西南暖湿气流发展旺盛，南风气流不仅输送南海南方水汽到长江流域，同时也输送暖湿不稳定能量，因此汛期K指数阈值最大；从700 hPa涡度阈值来看，长江上游汛期、消落期面上涡度阈值最大，而洞庭湖流域消落期最大，这是由于消落期随着西南暖湿气流逐渐发展旺盛，受暖平流强迫作用，洞庭湖流域、长江流域700 hPa多有低涡或者暖切变线生成，因此700 hPa涡度阈值出现最大值；汛期综合指数阈值最大，消落期次之，蓄水期最小。

综合指数能够更加全面地反映出各个关键期的区别，从综合指数的对比可以看出：消落期中，要重点关注洞庭湖流域的物理量变化特征以及强降水的发生；汛期中，长江上游和洞庭湖流域的物理量演变对洪水遭遇有重要指示意义；蓄水期中，尽管洞庭湖的综合指数要大于长江上游，然而长江上游的面上K指数大于洞庭湖流域，因此进入蓄水期后，要特别关注长江上游地区的不稳定条件变化，由于处在副高边缘，不稳定能量强，容易产生较强的短时强降水天气，对洪水遭遇会产生一定影响。

图3　消落期(左)、汛期(中)和蓄水期(右)平均可降水量(上,单位：mm)、

表4中的综合指数阈值是30次洪水遭遇过程中的统计结果，该综合指数对洪水遭遇具有一定的指示意义。消落期6次洪水遭遇过程中，有5次综合指数大于阈值，占83%；汛期20次洪水遭遇过程中，有15次综合指数大于阈值，占70%；蓄水期4次洪水遭遇过程中，有3次综合指数大于阈值，占75%。可见综合指数阈值在洪水遭遇分析和预报中具有一定的参考意义。

表4　不同关键期长江上游和洞庭湖流域面上物理量阈值

3小结

从大尺度环流背景、天气系统特征以及物理量场3个方面，对1981—2012年间不同关键期长江上游与洞庭湖洪水遭遇过程的气候特征进行了归纳总结。消落期副热带高压不强，水汽整体输送偏弱，中低纬度天气系统以冷切变线为主，重点考虑冷空气影响作用；汛期副高西进明显，水汽输送强烈，对流性不稳定最强，重点考虑暖湿气流增强与北部弱冷空气南下的相互作用；蓄水期副高西伸仍较明显，在副高的阻挡作用下，上游地区低涡切变系统稳定少动，容易形成华西秋雨。

本文在前人研究基础上，对于不同关键期长江上游与洞庭湖洪水遭遇的天气学规律进行了详细分析，提出面上物理量和面上综合指数概念，并在此基础上统计出不同关键期洪水遭遇的物理量阈值，对于不同关键期洪水调度有一定参考作用。由于长江上游与洞庭湖洪水遭遇具有一定的复杂性，以及三峡水库调度作用的影响，长江上游与洞庭湖洪水遭遇问题还需要进一步深入研究。

参考文献

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Climatic Features Comparison of Flood Encounter Processes During Different Critical Stages for Upper Reaches of the Yangtze River and Dongting Lake

ZHANG Pingping1, DONG Liangpeng1, CHEN Xuan1, ZHANG Ning2,CHE Qin1, WEI Huihong1, YUE Yanyu1

( 1.WuhanCentralMeteorologicalObservatory,Wuhan430074,China; 2.ScienceandTechnologyDepartmentofHubeiProvincialMeteorologicalBureau,Wuhan430074,China)

Abstract:Flood from the upper reaches of the Yangtze River and Dongting Lake encountering is the main reason of the whole basin flood and serious flood, which produced huge pressure for flood control and disaster reduction. The climate characteristics were summarized about flood encounter processes during three periods including falling stage, flood season and impounding period from the large scale circulation background, synoptic system and physical quantity field characteristics by analyzing 30 flood encounter processes from 1981 to 2012. In addition，new conceptions about regional physical quantity and composite index were presented. This research was helpful to deeply understand encounter regularity of flood in the upper reaches of the Yangtze River and Dongting Lake, which provided a good technical support for optimizing the regulation scheme of the Three Gorges Project.

Key words:the upper reaches of the Yangtze River; Dongting Lake; flood encounter; critical period

收稿日期：2015-08-21；改回日期：2016-03-04

基金项目：“宜昌与洞庭湖大洪水遭遇天气学规律研究(2414020007)”和“异常强降水概念模型及诊断方法研究(GYHY201306011)”共同资助

作者简介：张萍萍(1980-)，高级工程师，山东诸城人，主要从事短期天气预报分析研究. E-mail:zpp7117@126.com

文章编号：1006-7639(2016)-03-07-0465

DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-03-0465

中图分类号：P462.4

文献标识码：A

张萍萍，董良鹏，陈璇，等.不同关键期长江上游与洞庭湖洪水遭遇过程气候特征对比[J].干旱气象，2016，34(3)：465-471, [ZHANG Pingping, DONG Liangpeng, CHEN Xuan, et al. Climatic Features Comparison of Flood Encounter Processes During Different Critical Stages for Upper Reaches of the Yangtze River and Dongting Lake[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(3):465-471], DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-03-0465