海南省是我国最南端的省份,受季风影响,降水夏季多、冬季少,且具有明显的年际变化特征^[1,2]。在冬季风的影响下,海南冬季降水量最少,仅占全年降水量的5.1%,也是暴雨发生最少的季节^[3]。冬季暴雨虽不及其他季节频繁,但其引发的洪涝灾害也能造成严重经济损失^[4,5]。如2013年12月14—17日,海南东部出现有气象记录以来冬季最强降雨,万宁站15 h累计雨量达447 mm,造成万宁、琼海城区大面积积水,交通阻断,受灾人数超过30.4万,直接经济损失达2亿元人民币。因此,有必要对海南冬季降水异常特别是极端降水异常进行深入研究。

大气环流异常是引发降水异常的重要因子。东亚冬季风环流系统的异常可造成我国冬季低温、冰冻等灾害天气^[6,7,8],冬季风偏强(弱)对应降水多(寡)^[9,10]。在低纬度地区,南支槽为我国南方地区降水提供水汽及扰动,对南方冬季降水有重要影响^[11,12]。目前,针对低纬地区冬季暴雨研究较少,且集中于单次过程的诊断分析。研究表明,500 hPa“北脊南槽”的形势配合以及低层冷暖气流交汇对华南地区冬季强降水十分有利^[13];地形可使中低层暖湿气流在迎风坡聚集,对暴雨具有增幅作用^[14]。回顾以往相关研究,低纬地区冬季暴雨缺乏环流形势的系统分析,为此本文利用1951—2016年海南省国家气象站降水观测资料和NCEP再分析资料,分析海南岛冬季暴雨的时空特征,并选取两次典型的冬季极端降水过程,对比探讨海南岛冬季暴雨的环流形势及异常特征,以期为海南岛冬季暴雨预报及防灾减灾提供一定参考。

所用资料包括:1951—2016年海南岛逐日降水资料,考虑台站建站时间不同,挑选了18个国家气象观测站,站点分布均匀,有较好的代表性;1951—2016年NCEP逐6 h及逐日再分析资料(分辨率为2.5°×2.5°)(http://wesley.wwb.noaa.gov/Reanalysis.html)。另外,文中涉及的中国地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2017)508的标准地图制作,底图无修改。

根据气象业务部门的标准,将发生在12月至次年2月日降水量大于或等于50 mm的降水事件定义为冬季暴雨;冬季暴雨日定义为12月至次年2月期间海南岛18个气象站中某一日有一个或以上站点出现50 mm及以上降雨量,则这一日为全区暴雨日。

从图1(a)看出,海南岛冬季暴雨发生概率较低,近66 a冬季暴雨发生日数平均在0.05~0.5 d之间,冬季最大暴雨日数在1~4 d之间,暴雨日数自西向东迅速递增,具有明显的区域性特征,东南部为高值区,平均暴雨日数和最大暴雨日数均出现在万宁地区(位于五指山山脉东南部的迎风坡)。近66 a海南岛冬季暴雨最大降水量也呈现自东向西逐渐减少的分布特征[图1(b)],150 mm以上的大暴雨位于海南岛东部的文昌、琼海、万宁和陵水,其中万宁冬季日最大降水量为187.7 mm。冬季,随着冷空气的南侵,海南岛常处于高压底部,受偏东气流影响;当风增强为急流时,偏东气流往往从海南岛东部的迎风坡辐合抬升,造成强降水天气,故而暴雨的落区和极值均位于东南部的迎风坡地区。

1951—2016年,海南岛冬季共出现77个暴雨日,全岛冬季平均暴雨日仅为1.17 d,且冬季暴雨日存在明显的年际及年代际变化特征,各年份冬季暴雨日在0~6 d之间,多暴雨时段发生在21世纪,大多数年份冬季出现了暴雨,且多个年份暴雨日远高于多年平均值,在2013年出现峰值,而20世纪50年代和70年代中期至80年代中期为少暴雨时段(图2)。另外,2000年以来,共出现8次暴雨过程,有6次均发生在初冬的12月,且2次(2008年和2013年12月)为持续性暴雨过程,其中2013年12月14—17日的暴雨为历史同期最强的降水过程,给海南岛东南部万宁地区造成严重影响。

2008年12月27—28日海南岛东南部地区累计雨量达150 mm以上[图3(a)],4个市县出现暴雨以上量级的降水,其中万宁站24 h累计雨量达164 mm。2013年12月14—15日,海南经历了一次罕见的持续性暴雨过程,暴雨持续时间、影响范围和累计雨量都破同期历史记录。此次过程,暴雨以上量级的降水主要分布在海南岛中、东部地区,14日08:00至15日08:00(北京时,下同)7市县总雨量超过750 mm,其中万宁站24 h雨量达322.6 mm[图3(b)]。这两次暴雨过程具有与气候平均相似的雨带分布特征,降水量一致呈现自西向东逐渐增加的态势,最强降水中心均出现在东南部的万宁地区。

3.2.1 500 hPa环流形势

两次暴雨过程中,500 hPa平均形势场分布相似[图4(a)、图4(b)],中纬西风槽东移至我国东部洋面,冷空气活动减弱,亚洲大陆中高纬地区为高压脊控制,青藏高原南侧南支槽在95°E附近稳定维持,南支槽底向南伸至10°N—14°N,其引导西南暖湿气流源源不断地向海南地区输送,海南岛位于副热带高压(简称“副高”)西侧和南支槽前,风向辐合明显,具有充足的动力条件。对应的气候态500 hPa环流形势场[图4(c)、图4(d)]上,中纬西风槽槽底向南伸至我国华南以北地区,我国大部分地区受西风槽前西北气流控制,低纬地区则为平直的西风气流影响,无明显的槽脊波动。

综上分析可见,发展强盛的南支槽在两次暴雨发展过程中起着至关重要的作用,在冷空气势力较弱的背景下,加强的南支槽前的西南暖湿气流为海南岛大范围暴雨提供有利背景。同时注意到,两次暴雨过程也存在差异,在2013年12月14—15日的暴雨过程中副高明显强于2008年12月27—28日的暴雨过程,强盛的副高一方面阻挡了南支槽东移的速度,导致南支槽在华南地区影响时间较长;另一方面,副高西侧的偏南气流加强了南海暖湿气流向海南地区的输送,有利于出现持续性大暴雨过程。

3.2.2 低空急流

在两次暴雨过程中都出现了低空急流,且急流均位于海南岛东部海域,急流核的风速超过17 m·s^-1[图5(a)、图5(b)]。中纬地区槽后冷高压和海上副热带高压的对峙,使得南北向和东北—西南向的气压梯度加大,诱发海南岛东部急流,进而将能量和水汽向海南岛输送。对应的气候态925 hPa风场[图5(c)、图5(d)]上,海南岛及整个南海均受一致的东北气流影响,无明显的辐合辐散。对比发现,两次暴雨过程的急流位置存在较大差异,暴雨强度相对较弱的2008年过程急流轴位置偏南、急流核偏东,而2013年暴雨过程的急流出口区对应海南岛东部区域。

3.2.3 海平面气压场

从海平面气压场[图6(a)、图6(b)]来看,两次暴雨过程中海南岛均位于入海冷高压底后部,等压线近似东西向分布,海南岛处于回暖阶段。对应的气候态海平面气压场[图6(c)、图6(d)]上,冷高压中心位于我国西北大陆,海南岛位于冷高压底部,等压线近似东北—西南向分布,且南北气压梯度大。与气候态对比发现,两次暴雨过程期间海平面气压场均低于气候态平均,且高压舌相对不明显,说明暴雨期间暖空气占主导,这与500 hPa南支槽前的西南暖湿气流相对应。

3.3.1 500 hPa高度场及风场异常特征

大气环流异常是造成极端天气事件的最主要原因。图7是两次暴雨过程所在候平均500 hPa位势高度距平场。可以看出,两次暴雨过程中我国西南地区(南支槽所在位置)均表现为负距平,表明南支槽较常年同期偏强,且槽前的西南气流也偏强。然而,2008年暴雨过程中高纬地区西风槽所在位置为正距平,而2013年暴雨过程中负距平区位于30°N以北,说明强冷空气难以到达海南地区,这与海南地区受强盛的西南暖湿气流影响一致。另外,2013年暴雨过程中,我国西南地区的负距平更强,范围更大,向东一直延伸至华南地区,对应南支槽前扰动也更强。

3.3.2 850 hPa风场和水汽通量散度场异常特征

从两次暴雨过程对流层中低层850 hPa平均风场距平[图8(a)、图8(b)]来看,两次暴雨过程在海南岛均表现为异常西南风,且海南岛东侧异常西南风风速达10 m·s^-1以上。其中,2008年暴雨过程,在中南半岛存在异常气旋性环流,海南岛东侧为异常西南风和偏东风辐合区;2013年暴雨过程,在西太平洋上空出现异常反气旋性环流,副高较常年偏强,其西侧的异常偏南气流与来自孟加拉湾的异常西南风在海南岛汇合加强,同时华南地区中部存在切变线,海南岛位于切变线南侧,有利于暴雨的产生。

南支槽前的西南气流是海南岛冬季暴雨的水汽输送来源。从850 hPa平均水汽通量散度距平场[图8(c)、图8(d)]看出,两次暴雨过程期间海南岛东部上空均有较强的水汽通量负异常,中心最大值均超过-5×10^-7 g·hPa^-1·cm^-2·s^-1,说明南支槽前扰动带为暴雨过程提供了充沛的水汽,特别是在2013年大暴雨过程中整个南海西北部均为负距平区,具有强烈的水汽辐合。

综上可见,在冷空气势力较弱的背景下加强的南支槽使得暖湿气流在槽前辐合抬升,导致向南海输送的水汽异常偏强,为海南岛冬季暴雨的产生提供有利条件。

(1)海南岛冬季暴雨具有明显的年际及年代际变化特征,2000年以来冬季暴雨出现频繁,暴雨多发生在初冬(12月)。

(2)海南岛冬季暴雨日数与极值具有一致的空间分布特征,均自西向东迅速递增,暴雨中心位于东南部的万宁地区。

(3)两次典型的冬季持续性暴雨过程中,海南岛均位于加强的南支槽前、入海冷高压底后部,低层有偏东急流建立并维持,冷空气势力弱,加强的暖湿空气在南支槽前辐合抬升产生暴雨。另外,当有较强的副热带高压配合时,暴雨发展更强。

(4)南支槽较常年偏强偏南,中低层异常偏强的西南风、槽前水汽通量散度负异常为海南冬季暴雨的产生提供了有利的动力和水汽条件。