0 引言
短时强降水发生与大气环流密切相关。尽管几乎所有短时强降水均由中尺度系统触发（俞小鼎，2013），但天气尺度环流不仅制约中尺度系统的发生与发展（孙继松等，2014），还对对流结构与强度具有重要影响。因此，研究大尺度环流特征对于提升短时强降水的预报预警水平具有重要意义。Maddox等（1979）基于高低空观测资料对大量强降水个例进行流型辨识，建立了天气尺度型、锋面型和中高压型三种基本环流配置。Doswell Ⅲ等（1996）进一步提出基于“构成要素”的思想，将流型辨识为主的主观分析与要素诊断为主的客观分析相结合，形成了较为系统的强对流潜势预报方法。其中，流型辨识有助于构建分类天气学概念模型，从而深化对短时强降水的认识（陈亮等，2018）；而基于“配料法”的要素诊断方法则更侧重于物理过程刻画（张青梅等，2022；张武龙等，2024），两者具有较强互补性。
受气候背景与地形条件影响，不同区域短时强降水的天气形势差异显著，因此开展分区域、分类型的大尺度环境场特征研究十分必要。已有学者从不同角度提出了多种分型方法，如许爱华等（2014）提出冷平流强迫类、暖平流强迫类、斜压锋生类、准正压类和高架对流类5种强对流天气类型；Luo等（2016）将我国中东部短时强降水划分为热带气旋型、地面锋面型、涡旋型和弱天气强迫型；张永婧等（2017）针对济南雨季短时强降水进行了天气学分型，并分析了各类型的关键环境参数；邱贵强等（2024）则对太行山中南段暖季极端降水进行分型，重点探讨了不同天气形势下的水汽输送特征。然而，这些分型结果仍存在严重依赖主观经验的问题，缺乏客观性和统一性（齐铎等，2024）。相比之下，客观分型方法通过一致的指标与统一的标准，能够定量揭示多类型环流形势（Huth，2010）。近年来，相关研究逐渐增多：周璇等（2020）利用距平相关系数聚类方法对华北地区极端强降水进行客观分型，分析了不同环流背景下的基本特征；孔祥伟等（2024）采用K均值聚类对甘肃河东地区短时强降水进行天气学分类，并构建了相应的系统配置；杨雅涵等（2024）则利用自组织映射神经网络对长江流域持续性强降水进行大尺度环流分型，探讨了环流型的稳定性与持续性。
沙颍河流域（33.07°N—34.98°N、111.70°E—115.63°E）位于河南省中部[图1（a）]，地处黄河中下游，地形复杂，西部为伏牛山区（海拔>1 000 m），西北部为嵩山山区（海拔500~1 000 m），中东部为广阔平原（海拔<200 m）。以往针对河南地区短时强降水的研究多集中于时空统计特征（武威等，2024）或个例诊断分析（张霞等，2021），系统开展基于客观分型的方法研究相对不足。因此，本文针对2005—2022年暖季沙颍河流域短时强降水过程，采用倾斜旋转T模态主成分分析开展客观分型，并通过分类合成分析揭示不同类型短时强降水的基本环流特征及环境参数差异，以期为该地区短时强降水的预报预警提供科学参考。
图1
图1
沙颍河流域地理位置（a）与流域国家站(黑色三角形)、区域站(空圆圈)及地形高度(阴影，单位：m)分布（b）
Fig.1
Geographical location of the Shaying River Basin (a) and distribution of national stations (black triangles), regional stations (hollow circles) and terrain elevation (the shaded, Unit: m) (b) in the basin
1 资料与方法
1.1 资料
（1）河南气象信息中心提供的2005—2022年暖季（5—9月）沙颍河流域35个国家气象站和886个区域自动站逐小时降水资料。该数据已通过气候界限值和时空一致性检验等质量控制。国家站平均间距为50 km，区域站平均间距为8 km[图1（b）]，能够较为精细地监测短时强降水的时空分布特征。（2）欧洲中期天气预报中心第五代再分析资料（ERA5），空间分辨率为0.25°×0.25°，时间分辨率为1 h，用于开展短时强降水的环流客观分型及环境特征合成分析。
1.2 研究方法
1.2.1 短时强降水过程筛选
短时强降水的判别标准采用中央气象台定义的1 h降水量≥20 mm（Zhang and Zhai，2011）。在此基础上，统计2005—2022年5—9月沙颍河流域发生的12 455个短时强降水事件和627次短时强降水过程。其中，事件指某时次某站至少出现1次短时强降水记录，过程指当日08：00（北京时，下同）至次日08：00，区域内至少有1个站点发生短时强降水事件。考虑达到短时强降水的站点越多，其环流背景越具典型性和代表性，本文参考杨波等（2016）、吴照宪等（2022）研究，进一步筛选典型过程：即2005—2012年至少有3个国家站，2013—2022年至少有10个站（含国家站和区域站）出现短时强降水，记为一次典型短时强降水过程。最终共筛选得到252次典型短时强降水过程。
文中短时强降水概率为给定环流天气型下，某站点短时强降水发生次数占该型样本数的比例（Tang et al.，2021）。短时强降水概率越高表明在该型下越容易出现。
1.2.2 环流客观分型和合成分析
环流分型采用倾斜旋转T模态主成分分析，该方法是一种无监督机器学习方法，按时间序列对环流场进行聚类，建立各时次网格点主成分，并通过倾斜旋转得到最优解（Huth，2000；Huth et al.，2008）。该方法已在我国多地区天气学分型研究中得到验证。分别对500 hPa、700 hPa和850 hPa位势高度场进行分型测试，结果表明，700 hPa位势高度场既避免了豫西北高海拔地形的干扰，又能有效表征与短时强降水相关的中低层环流特征，因此选取700 hPa位势高度作为分型依据，分型区域为20°N—50°N、100°E—130°E。在分型基础上，对同一类型下所有短时强降水过程进行环境场合成分析。合成时次和环境物理参数时间均取短时强降水发生前的02：00、08：00、14：00和20：00四个时次中最临近的一次。
2 环流分型结果
基于700 hPa位势高度场，对沙颍河流域252次典型短时强降水过程开展倾斜旋转T模态主成分分析。结果显示，前5个主成分累计方差贡献率为70.2%，处于客观分型普遍接受的70%~90%累积方差解释率范围内（Huth，2010；Philipp et al.，2010；陈亮等，2018；杨红子等，2024）。第6个及之后的主成分方差贡献率均远小于第5个分量，说明前5个主成分能够有效代表主要环流特征。据此，将沙颍河流域短时强降水环流形势客观划分为5类，并结合主观天气学检验进一步确认，最终确定环流型包括槽前西南气流型、副高外围西南气流型、西北气流型、低涡切变型和台风低压型（图2），占比分别为35.3%、20.2%、17.8%、14.7%和11.9%。
图2
图2
槽前西南气流型（a、f）、副高外围西南气流型（b、g）、西北气流型（c、h）、低涡切变型（d、i）及台风低压型（e、j）短时强降水700 hPa位势高度场（等值线，单位：dagpm）与风场（风矢量，单位：m·s-1）的合成场（a、b、c、d、e）及降水概率（单位：%）（f、g、h、i、j）分布
（黑色线范围为沙颍河流域）
Fig.2
Composite fields of 700 hPa geopotential height field (contour lines, Unit: dagpm) and wind field (vectors, Unit: m·s-1) (a, b, c, d, e), and spatial distribution of probability (Unit: %) (f, g, h, i, j) for the short-time heavy precipitation of the pre-trough southwesterly flow pattern (a, f), the southwesterly flow pattern on the periphery of the subtropical high (b, g), the northwesterly flow pattern (c, h), the low vortex shear pattern (d, i), and the typhoon low pressure pattern (e, j)
(The area outlined by the black line represents the Shaying River Basin)
2.1 槽前西南气流型
槽前西南气流型是沙颍河流域短时强降水的主要环流类型，此时西太平洋副热带高压（简称“西太副高”）偏东偏南，主体位于海上，700 hPa低槽轴线位于青藏高原东部至河套一带，沙颍河流域处于槽前西南气流控制下。当700 hPa西南风加强并发展为低空急流时，低空暖湿平流输送增强，热力不稳定强烈发展。
槽前西南气流型短时强降水多发生于流域南部和东部局地，概率为10%~15%；降水平均强度为25~30 mm·h-1，局地超过30 mm·h-1；降水高值区主要位于流域西南部和东部，降水量可达50~80 mm（图略）。
2.2 副高外围西南气流型
副高外围西南气流型短时强降水高空槽不明显，以纬向分布的副高为主要影响系统，其典型特征为700 hPa华北高压脊与南侧副高共同作用，副高脊线平均位置在28°N附近；副高西北侧312 dagpm线呈纬向带状分布，沙颍河流域处于其外围强盛的西南暖湿气流区。该型短时强降水概率在流域南部存在明显的高值区，中心值超过20%，主要由于副高脊线附近高温、高湿和高能量条件更有利于强降水发生；降水平均强度普遍超过30 mm·h-1，高值中心达50 mm·h-1以上，表现出明显的局地性；降水高值区主要分布于流域东部，个别地区降水量超过60 mm，但分布相对分散（图略）。
2.3 西北气流型
西北气流型短时强降水出现在700 hPa中高层西北气流背景下，干冷平流对该型短时强降水的热力不稳定机制起重要作用。西北气流型短时强降水概率大部地区小于10%，局部概率在15%以上。从降水平均强度上来看，西北气流型呈现西南大、北部小，其中流域西南部降水强度>45 mm·h-1，北部降水强度不足30 mm·h-1；而该型短时强降水极值在60 mm以上的落区则主要集中在流域西南部（图略）。
2.4 低涡切变型
低涡切变型短时强降水由低涡或其伸展切变线主导（不包含台风或台风减弱后的残余涡旋）。其典型形势特征是700 hPa低涡活动范围位于山西南部至河南中西部之间，沙颍河流域受低涡或涡前切变线影响。该型短时强降水高发区位于低涡的东北部及暖切变南部，对应流域北中部降水概率超过25%，且呈西南—东北带状分布，与低涡或切变线东移北上的路径密切相关。流域北部和中部偏东地区降水平均强度大（超过40 mm·h-1）、西南部强度小，北部降水强度大可能与山地抬升有关，而中部偏东地区降水量大与低涡右前方动力作用有关；该型降水极值最高，降水量普遍超过70 mm，主要位于流域北中部（图略）。
2.5 台风低压型
台风低压型短时强降水主要由北上的台风低压或其残余环流造成。此时，700 hPa副高呈块状分布，主体位于海上并具有较强经向度，台风低压中心位于湖北东部、安徽西部至河南东部一带，沙颍河流域处于其北部辐合区内。该型短时强降水在流域东部发生较多，概率可达20%~25%，可能与台风路径偏东有关。降水平均强度达25~35 mm·h-1，其中40 mm·h-1以上的高值中心多出现于流域西部及北部高海拔地区，地形迎风坡抬升作用明显；但该型降水量极值偏小，大部分在50 mm以下（图略），且高值中心分布零散，与副高外围西南气流型相似。值得注意的是，虽然低涡切变型和台风低压型总体出现频率不高，但其对应的短时强降水发生概率较高。
3 不同天气型的时间特征
图3（a）为2005—2022年暖季沙颍河流域不同环流型短时强降水发生频次占比。5月，短时强降水以槽前西南气流型为主，占比高达52.8%，其次为副高外围西南气流型，占比为24.2%。5月中旬夏季风爆发，暖湿气流逐渐活跃，同时北方低槽频繁活动并引导弱冷空气南下，冷暖气团在黄淮地区频繁交汇，从而导致西南气流型与副高外围西南气流型两类短时强降水多发。6月，各类环流型短时强降水均有出现，其中西北气流型占比最高，这与初夏东北及华北常有冷涡维持有关，河南地区常处于冷涡后部的干冷西北气流控制下（张一平等，2013）；副高外围西南气流型次之，低涡切变型和台风低压型发生频率较低。7月，受夏季风活动影响，短时强降水以槽前西南气流型和低涡切变型为主，二者占比合计达83.1%，其余环流型明显偏少。8月，短时强降水以西北气流型为主，占比达35.7%，这与7月底副热带高压北跳并长时间停滞在黄淮地区密切相关；其余4型亦有发生，占比为11.6%~20.4%。9月，短时强降水以副高外围西南气流型和槽前西南气流型为主，西北气流型（占比为0.2%）和台风低压型较少，低涡切变型未出现。
图3
图3
2005—2022年暖季沙颍河流域不同环流型短时强降水发生频次的占比月变化（a）及日变化（b）特征
Fig.3
Variation of monthly frequency percentage (a) and diurnal frequency (b) of short-time heavy precipitation under different circulation patterns in the warm season in the Shaying River Basin from 2005 to 2022
图3（b）为沙颍河流域各型短时强降水发生频次的日变化，不同环流型短时强降水的日变化特征存在明显差异。槽前西南气流型、副高外围西南气流型和低涡切变型均为“双峰”分布：主峰在午后至傍晚（16：00—20：00），与太阳辐射日变化导致的大气热力不稳定增强有关，同时受低槽/低涡前部暖湿气流及副热带高压边缘西南急流暖平流输送的共同作用；次峰在凌晨至早晨，但时间和频次存在差异：槽前西南气流型短时强降水出现在04：00—09：00，持续时间长且发生频次最高；副高外围西南气流型出现在03：00—06：00，频次较低，可能与副高夜间摆动尤其是南撤有关（陈宏等，2024）；低涡切变型次峰在05：00—07：00，持续时间短但发生频次高。槽前西南气流型和低涡切变型的次峰还与夜间边界层急流（Du and Chen，2018）及云顶辐射冷却作用（Yin et al.，2009）密切相关。西北气流型主要发生在午后，呈单峰分布，峰值出现在17：00，原因在于西北气流下晴空辐射午后最强。台风低压型无明显日变化特征，仅与台风系统的影响时段有关，是5类短时强降水中频次最少的类型。
4 不同天气型的环境参数特征对比
4.1 水汽条件
水汽是短时强降水形成的首要物质条件。考虑到水汽主要集中在低层，且绝对湿度指标更能反映短时强降水发生条件，因此选取850 hPa比湿和整层大气可降水量（Total Precipitable Water，TPW）表征水汽环境，各环流型短时强降水低层比湿和TPW分布一致。850 hPa比湿[图4（a）]，副高外围西南气流型和台风低压型短时强降水的箱体均较窄，75%的个例比湿超过12.3 g·kg-1，说明水汽条件整体充沛，且副高外围西南气流型水汽更为充足，比湿最大可达16.0 g·kg-1，形成明显湿舌（孙继松等，2014）；槽前西南气流型和低涡切变型短时强降水比湿的中值分别为12.5、12.4 g·kg-1，50%的个例集中在11~13 g·kg-1之间，表明低层水汽条件较好；西北气流型短时强降水比湿分布跨度最大，从低值到高值均有分布，中值为11.8 g·kg-1，且25%的个例低于10.7 g·kg-1，说明该型即使在水汽偏少时亦有可能发生短时强降水。沙颍河流域各环流型短时强降水的TPW中位值均在50.0 mm以上[图4（b）]，与我国中东部短时强降水的统计结果（田付友等，2017）相近，说明短时强降水大多发生在高湿环境下，其中，副高外围西南气流型短时强降水TPW最高，中值达56.7 mm，台风低压型次之（中值为55.2 mm），槽前西南气流型与低涡切变型（中值均为53.5 mm）相当，西北气流型最小（中值为50.0 mm），整体上，各环流型短时强降水TPW与低层比湿呈较好的正相关性。
图4
图4
沙颍河流域不同类型短时强降水850 hPa比湿(a)、整层大气可降水量(b)、850 hPa与500 hPa温差(c)、对流有效位能(d)、850 hPa散度(e)、925 hPa散度(f)、0~6 km 垂直风切变(g)和0~3 km 垂直风切变(h)箱线图
Fig.4
Boxplots of 850 hPa specific humidity (a), TPW (b), temperature difference between 850 hPa and 500 hPa (c), CAPE (d), 850 hPa divergence (e), 925 hPa divergence (f), 0-6 km SHR (g) and 0-3 km SHR (h) under different circulation patterns of short-duration heavy precipitation in the Shaying River Basin
4.2 热力不稳定性
图4（c）和图4（d）分别为各型短时强降水850 hPa与500 hPa温差（T850-500）和对流有效位能（Convective Available Potential Energy，CAPE）。总体上，各型短时强降水T850-500中位数最大为24.9 ℃、最小为23.3 ℃，明显高于暖季湿中性层结的20~21 ℃（高晓梅等，2018），表明沙颍河流域短时强降水发生需要一定的热力不稳定。具体而言，西北气流型短时强降水T850-500最大，中位数达24.9 ℃，最大值为28.5 ℃，表明中高层存在较强冷空气；其次为槽前西南气流型（中值为24.0 ℃）；低涡切变型、副高外围西南气流型和台风低压型的T850-500相对较小，中值低于24.0 ℃，其中台风低压型50%个例低于23.3 ℃，与低层暖湿气流输送有关。通常以T850-500≥25 ℃作为强对流天气的热力不稳定阈值（俞小鼎等，2020），显然该指标对沙颍河流域短时强降水并不适用。5类短时强降水CAPE整体偏低，中值和平均值均在1 000 J·kg-1以下，第75%分位值除副高外围西南气流型外也未超过1 200 J·kg-1，这说明短时强降水多发生在温和CAPE背景下，有利于降水效率提高；若CAPE过大，气块快速穿越暖云层，反而不利于有效降水的形成（孙继松等，2014）。对比而言，副高外围西南气流型短时强降水CAPE箱体位置略偏高，中值为923 J·kg-1，最大值为2 332 J·kg-1，整体高于其他类型，热力条件突出；西北气流型CAPE跨度较大，75%个例低于1 134 J·kg-1；槽前西南气流型、低涡切变型和台风低压型CAPE较小，中值分别为642、636、466 J·kg-1，依次递减。
4.3 动力抬升条件
天气尺度的系统性抬升与中小尺度触发（如边界层辐合线、地形抬升）均能明显增强对流。由于中尺度触发机制复杂且资料分辨率有限，本文主要统计850 hPa与925 hPa散度特征。850 hPa[图4（e）]，各型短时强降水中约50%个例低层以辐合为主，其中低涡切变型和台风低压型的比例可达75%以上。与其他三型相比，这两类过程中同一百分位数下的散度更小，说明其更依赖于显著的低层辐合抬升。925 hPa[图4（f）]，75%以上的短时强降水个例近地层存在强烈辐合，动力抬升作用更为明显，对应的925 hPa垂直速度（图略）也进一步验证了近地面辐合抬升对短时强降水触发的重要性。整体来看，低涡切变型和台风低压型以动力条件为主；西北气流型动力作用相对较弱。
4.4 垂直风切变条件
由不同类型短时强降水过程中的深层（0~6 km）垂直风切变（Vertical Wind Shear，SHR）（简称为“SHR6”）[图4（g）]与低层（0~3 km）垂直风切变[图4（h）]可看出，低涡切变型短时强降水的深层垂直风切变最大，中值达11.2 m·s-1，75%的个例超过9.3 m·s-1，斜压锋生作用最强；槽前西南气流型与西北气流型深层垂直风切变次之，中值分别为8.3、8.8 m·s-1，前者与槽前/槽后高低层风叠置相关，后者受中高层西北风和近地层偏南风共同作用；副高外围西南气流型和台风低压型短时强降水的深层垂直风切变相对较小，其中台风低压型切变最弱，类似于准正压型对流特征（许爱华等，2014）。低层垂直风切变与深层分布相似，低涡切变型最大、台风低压型最小，风切变值均低于12.0 m·s-1。
总之，沙颍河流域短时强降水以弱至中等的垂直风切变为主，这是因为强切变虽有利于中高层干冷空气卷入对流系统，但过强的蒸发冷却会降低降水效率，并产生下沉气流抑制低层暖湿空气的输送，反而不利于暴雨维持。
5 各天气型的物理量联合分布
各型短时强降水的CAPE-TPW联合分布[图5（a）、（b）、（c）、（d）、（e）]显示，槽前西南气流型和台风低压型均只有一个高概率密度区，前者高概率密度区CAPE为400~1 000 J·kg-1，TPW为52~56 mm，中心位置CAPE约为750 J·kg-1、TPW为54 mm；后者高概率密度区CAPE为200~600 J·kg-1，TPW为54~58 mm，中心位置CAPE约为400 J·kg-1、TPW为56 mm，表明该型在低CAPE、高TPW条件下降水效率最高。副高外围西南气流型和西北气流型均表现为两个高密度区，前者两个中心的CAPE和TPW分别为550 J·kg-1、55 mm和1 200 J·kg-1、58 mm；后者两个中心的CAPE和TPW分别为500 J·kg-1、52 mm和1 500 J·kg-1、50 mm。这说明在低CAPE条件下可实现较高降水效率，但在特定条件下较高CAPE亦能产生高效降水。低涡切变型呈现两个中心区，对应CAPE均为500 J·kg-1，TPW分别为44~48 mm和52~56 mm，其中后者更为显著。
图5
图5
沙颍河流域不同类型短时强降水对流有效位能与整层大气可降水量（a、b、c、d、e）及对流有效位能与0~6 km垂直风切变（f、g、h、i、j）的散点（灰色点）、概率密度（等值线）分布
Fig.5
Scatter plots (gray dots) and probability density distributions (contour lines) of CAPE versus TWP (a, b, c, d, e), and CAPE versus SHR6 （f, g, h, i, j） for different circulation patterns of short-duration heavy precipitation in the Shaying River Basin
各类短时强降水CAPE-SHR6联合分布[图5（f）、（g）、（h）、（i）、（j）]显示，槽前西南气流型高概率密度区集中在CAPE 400~800 J·kg-1、SHR6 6~12 m·s-1范围，与该型CAPE-TPW分布特征基本一致。副高外围西南气流型有两个高密度中心区，其一在CAPE为400~800 J·kg-1、SHR6为8~10 m·s-1范围，另一中心CAPE较高，为1 000~1 400 J·kg-1、但SHR6略小，为6~8 m·s-1，表明该型可能存在两种有利于短时强降水的物理机制：后者对应暖云主导的热带型降水，弱切变与较高CAPE有利于提高降水效率并产生较大降水量；前者则为冷云主导的大陆型强对流，虽降水效率相对较低，但较强切变有助于中尺度涡旋或中气旋生成，增强垂直螺旋度并维持长生命史对流系统 （俞小鼎等，2020）。西北气流型与低涡切变型的高概率密度区基本一致，二者中心CAPE均在500 J·kg-1附近，但低涡切变型SHR6（10.0 m·s-1）略高于西北气流型（8.5 m·s-1）。台风低压型高概率密度区对应的CAPE和SHR6均最低，分别为400 J·kg-1和4.0 m·s-1，表明该型短时强降水更倾向于发生在较低CAPE和较弱SHR6的环境条件中。
综上可知，槽前西南气流型和西北气流型短时强降水均在弱CAPE和弱至中等SHR6条件下产生高效率降水，前者更依赖高TPW环境，而后者则多出现在TPW偏低的情形。副高外围西南气流型短时强降水存在两种不同的环境配置，一种是略偏高CAPE、弱SHR6，一种是弱CAPE、略偏强SHR6，表明副高外围西南气流型可能具有两种物理机制，前者多由暖云主导，弱SHR6和偏高CAPE都有利于提高降水效率，从而产生较高雨强；后者为冷云主导大陆强对流型降水，虽然一定程度降低了降水效率，但强SHR6有利于中尺度涡旋或中气旋形成，导致大的垂直螺旋度，进而产生长生命史的对流系统（俞小鼎等，2020）。低涡切变型短时强降水过程受TPW条件控制，高TPW配合弱切变有利于高效暖云降水，而低TPW更可能产生混合型强对流，伴随冰雹或雷暴大风（曹艳察等，2018；黄玥等，2024）。台风低压型则表现为高TPW、弱CAPE、弱SHR6的环境配置，暖云降水可能占主导。
6 结论和讨论
本文利用逐时降水资料和ERA5再分析资料，基于2005—2022年暖季沙颍河流域252次短时强降水个例，利用倾斜旋转T模态主成分分析方法，对典型环流类型的降水空间特征及其物理量差异进行了系统研究，并进一步识别了不同物理量的高概率密度区，得到以下主要结论。
（1）沙颍河流域暖季短时强降水的环流形势可分为槽前西南气流型、副高外围西南气流型、西北气流型、低涡切变型和台风低压型5类，其中槽前西南气流型出现频率最高，副高外围西南气流型次之，台风低压型最少。
（2）从降水量分布来看，槽前西南气流型的降水分布较均匀，副高外围西南气流型高值区局地性强，西北气流型西南部大、北部小，低涡切变型北中部大、西南小，台风低压型大值区主要分布在流域西部及北部高海拔地区。降水极值分布与平均强度类似，低涡切变型极值最大，台风低压型极值最小。降水概率分布上，低涡切变型表现为山区高于平原，北部高于南部；其余四型反之。
（3）短时强降水5月以槽前西南气流型为主，6月西北气流型最多，7月槽前西南气流型和低涡切变型占主导，8月西北气流型最明显，9月则以副高外围西南气流型和槽前西南气流型为主。日变化上，槽前西南气流型、副高外围西南气流型和低涡切变型短时强降水均呈双峰波动，峰值频次和持续时间存在明显差异；西北气流型呈午后单峰型分布；台风低压型日变化特征不明显。
（4）副高外围西南气流型和台风低压型短时强降水水汽条件充沛，其中前者水汽最为充足；副高外围西南气流型和西北气流型热力不稳定性突出，前者CAPE最高，后者T850-500最大；低涡切变型和台风低压型低层辐合和抬升作用强烈，动力条件明显；各型均以弱垂直风切变为主，其中低涡切变型垂直风切变最大，台风低压型垂直风切变最小。
（5）联合物理量高概率密度显示，槽前西南气流型和西北气流型短时强降水均倾向于弱CAPE、弱到中等SHR6配置，但TPW前者高、后者低；副高外围西南气流型存在略高CAPE、弱SHR6和弱CAPE、略强SHR6两种配置，前者降水效率高，与暖云降水机制有关；后者对流发展旺盛，主要与冷云降水机制有关。低涡切变型在一定CAPE和SHR6条件下，TPW大小决定该型降水的两类配置。台风低压型短时强降水TPW高、CAPE弱、SHR6弱，同样与暖云降水机制密切相关。
本文研究结果可为区域短时强降水的潜势预报提供参考。然而，短时强降水的形成机制十分复杂，不仅受天气尺度环流形势影响，还与中尺度对流系统及下垫面地形特征密切相关。未来工作将结合卫星、雷达等多源观测资料和数值模拟，对中尺度过程和云微物理特征开展更深入研究。
参考文献
中国两级阶梯地势区域冰雹天气的环境物理量统计特征
[J].
通过时空匹配2002-2010年逐年3月1日至9月30日中国海拔3 km以下地区671个国家站逐时冰雹观测资料和NCEP（National Centers for Environmental Prediction）FNL（Final Analysis）资料，以海拔1 km作为分界线划分为两个阶梯区域（简称两级阶梯，并把两个区域分别简称为一级阶梯和二级阶梯），对表征中国两级阶梯冰雹天气的水汽、热力和动力环境条件进行了统计分析。考虑气温0℃层高度对形成冰雹天气的影响，首先用0℃层高度对样本进行过滤，然后对两级阶梯冰雹天气的环境物理量特征进行统计和对比分析。结果表明，两级阶梯冰雹环境的水汽、热力和不稳定能量差异显著，一级阶梯冰雹往往出现在具有更不稳定的层结结构、更多不稳定能量、更多水汽含量以及更强的垂直风切变环境中。一级阶梯冰雹的整层可降水量集中在15~41 mm，二级阶梯则集中在6~30 mm，无冰雹出现在整层可降水量超过56 mm的环境中。两级阶梯超过50%的冰雹均出现在最有利抬升指数为负值的不稳定环境中，最优对流有效位能分布则表明，超过75%的冰雹均出现在具有一定不稳定能量的环境中；但当最有利抬升指数大于2.8℃时，两级阶梯均不会出现冰雹天气；两级阶梯超过50%的冰雹均出现在强的垂直温度递减率环境中。多物理量的高概率密度区更显著地揭示了两级阶梯冰雹天气所需的物理量分布差异。这些结果为两级阶梯冰雹天气的主客观潜势预报提供了客观的统计基础和依据。
大气环流形势客观分型及其与中国降水的联系
[J].大气环流异常是造成天气和气候变化的直接原因。以往对大气环流形势和中国降水关系的研究绝大部分是在对大气环流形势进行主观分型和进一步诊断的基础上来研究两者的联系。相对于对大气环流形势的主观分析,客观分型方法采用的指标更一致、标准更统一,能够得到较多的大气环流类型,目前得到了较为广泛的应用。利用欧洲中期数值天气预报中心提供的1979—2016年的再分析资料(ERA-Interim),通过选择逐日12UTC的海平面气压、可降水量和700 hPa风速3个变量, 应用倾斜旋转T模态主成分分析方法对中国区域内的大气环流进行了客观分型,并进一步分析了不同大气环流类型与中国区域降水之间的联系。结果表明,不同大气环流类型对中国区域降水趋势和降水量的影响不仅在空间上存在差异,而且在季节上也不尽相同。总体表现为大气环流类型对降水量大的区域和降水量多的月份影响较大,而对降水量小的区域和降水少的月份的影响较小。此外,与环流类型发生频次对中国降水的影响相比,大气环流类型发生频次不变的背景下降水强度变化对中国降水趋势的影响更加显著。
甘肃河东夏季区域性短时强降水环流形势分类特征
[J].甘肃河东地区短时强降水易致灾， 预报预警难度大。利用2010 -2021年夏季加密观测站逐小时降水资料和NCEP/NCAR再分析资料， 筛选出甘肃河东50次区域性短时强降水天气过程， 基于这些天气过程的500 hPa位势高度距平场， 使用K均值客观聚类分析和主观天气学检验相结合的方法进行天气尺度环流形势分类， 并通过合成分析和中尺度对流天气环境场条件分析方法构建不同类型的天气尺度系统配置概念模型。结果表明： （1）甘肃河东区域性短时强降水的天气尺度环流形势可分为高原槽东移型、 副高边缘西南气流型、 两高切变型和西北气流型四类。（2）副高边缘西南气流型引发的区域性短时强降水次数最多， 两高切变型和高原槽东移型发生频率相当， 西北气流型发生次数最少。（3）四种类型的环流形势在天气系统配置、 抬升条件、 水汽条件和不稳定条件等方面存在显著差异。高原槽东移型、 副高边缘西南气流型、 两高切变型三种类型发生时西太平洋副热带高压（以下简称西太副高）所处的位置逐渐向西向北推进， 水汽条件和不稳定条件逐渐趋好， 当高空槽引导冷空气东移南下， 斜压锋生形成大范围短时强降水。高原槽东移型抬升条件最好， 短时强降水落区偏南； 两高切变型冷空气偏北且主要由对流层低层侵入， 短时强降水落区偏北； 副高边缘西南气流型冷暖气团交汇最剧烈， 斜压锋生最强， 短时强降水范围及强度也更大。西北气流型的动力条件和水汽条件是四类中最差的， 但强烈的中高层干冷平流叠加低层暖湿气流或温度暖脊形成了四类中最好的不稳定条件， 短时强降水落区较分散。
基于主客观环流分型的强降水数值预报MODE检验方法及其在2019年暖季东北地区的应用
[J].
1992—2021年三峡库区夏季小时强降水时空分布特征
[J].三峡库区地处长江流域腹地，是典型的气象灾害频发区和生态环境脆弱区，夏季小时强降水（Hourly Heavy Rainfall，HHR）因突发性强、预测难度大等极易致灾。利用中国气象局国家气象信息中心提供的逐小时降水量观测资料，分析1992—2021年三峡库区夏季HHR和强降水事件（Heavy Rainfall Event，HRE）的精细化时空分布特征。结果表明，三峡库区夏季HHR局地性强、强度大，其降水量对夏季总降水量贡献大，且主要源于降水频次的贡献，库区东南部是高值中心。近30 a来，三峡库区夏季HHR降水量呈不显著增加趋势；HHR的降水量和频次日变化均呈双峰型，峰值分别出现在清晨和下午，且日峰值时间位相与地形相关。三峡库区夏季HRE以短历时（1~6 h）为主，其降水量多为20~60 mm，而长历时（>12 h）发生少，其降水量多为60~100 mm。短历时HRE多开始于下午，其最大小时降水量也多发生于下午，而中历时（7~12 h）和长历时HRE多开始于夜间，二者的最大小时降水量均多发生于清晨。
内蒙古中西部臭氧污染环流分型及典型个例分析
[J].为明确内蒙古中西部地区臭氧（O<sub>3</sub>）污染的天气形势分型及气象要素阈值，采用斜交旋转主成分分析法（obliquely rotated Principal Components in T-mode，PCT）对2015—2021年该地区6个盟市的O<sub>3</sub>污染过程进行了地面及高空环流形势分析，并结合典型O<sub>3</sub>污染个例，探讨了天气形势、气象要素与O<sub>3</sub>污染间的关系。结果表明，内蒙古中西部地区O<sub>3</sub>污染过程在500 hPa环流场中可分为3种类型：脊前西北气流型、平直西风型、高压脊型；在海平面气压场中可分为4种类型：均压场型、低压控制型、高压南部型、低压前部型。环流配置可分为5种类型：高压脊—均压场型、脊前西北气流—低压控制型、平直西风—高压南部型、脊前西北气流—低压南部型、脊前西北气流—均压场型。阿拉善、乌海地区O<sub>3</sub>超标主要为平直西风—高压南部型，而其他城市多为脊前西北气流—低压控制型。这两种大气环流配置是发生O<sub>3</sub>污染的主要气象条件。典型区域性O<sub>3</sub>污染通常发生在特定大气环流形势下，边界层存在逆温层时，逆温强度越强，垂直扩散条件越差，不利于近地面污染物的扩散。气象要素如地面最高气温、日照时数和平均相对湿度对O<sub>3</sub>污染均有影响。在干燥地区如阿拉善、乌海和巴彦淖尔，O<sub>3</sub>质量浓度超标时，最高气温通常不低于30 ℃，日照时数不少于10 h；而相对湿润地区如鄂尔多斯、包头和呼和浩特，O<sub>3</sub>质量浓度超标时，最高气温通常不低于27 ℃，日照时数不少于8 h。此外，当风向为西南、南、东南，风速为2.0~5.0 m·s<sup>-1</sup>时，易发生O<sub>3</sub>污染。
Flash flood forecasting: An ingredients-based methodology
[J].
Heavy rainfall associated with double low-level jets over Southern China. part I: Ensemble-based analysis
[J].Heavy rainfall occurred at both the inland frontal zone and coastal warm sector in southern China during 10–11 May 2014, which is a typical pattern in the early-summer rainy season. To clarify the key factors controlling the rainfall, we conduct an ensemble-based analysis using the operational global ensemble forecasts from ECMWF. The forecasts of frontal (warm sector) rainfall have a relatively small (large) spread and a small (large) bias of ensemble-mean amount, suggesting an obvious difference in the predictability. It is shown that double low-level jets (LLJs) in the southwesterly moist flow play a significant role in the heavy rainfall over southern China. The inland frontal rainband is closely related to the synoptic-system-related low-level jet (SLLJ) with maximum wind speed at 850–700 hPa, especially for its meridional wind component. The more intense cold front is accompanied by the stronger southwesterly SLLJ on the adjacent south side, favoring more precipitation near the front. The warm-sector heavy rainfall, a few hundred kilometers away from the front, is associated with the boundary layer jet (BLJ) at 925 hPa. The southerly BLJ occurs over the northern region of the South China Sea and reaches its maximum wind speed in the early morning. The variations of the BLJ are mainly induced by the surface low and related upper-level short-wave trough upstream. The large pressure gradient to the southeast of the surface low can accelerate the BLJ by increasing the geostrophic winds. The diurnal cycle of the low-level winds, seen in the climatology, also contributes in part to the development of the BLJ at night.
A circulation classification scheme applicable in GCM studies
[J].
Synoptic-climatological applicability of circulation classifications from the COST733 collection: First results
[J].
Classifications of atmospheric circulation patterns: Recent advances and applications
[J].We review recent advances in classifications of circulation patterns as a specific research area within synoptic climatology. The review starts with a general description of goals of classification and the historical development in the field. We put circulation classifications into a broader context within climatology and systematize the varied methodologies and approaches. We characterize three basic groups of classifications: subjective (also called manual), mixed (hybrid), and objective (computer-assisted, automated). The roles of cluster analysis and principal component analysis in the classification process are clarified. Several recent methodological developments in circulation classifications are identified and briefly described: the introduction of nonlinear methods, objectivization of subjective catalogs, efforts to optimize classifications, the need for intercomparisons of classifications, and the progress toward an optimum, if possible unified, classification method. Among the recent tendencies in the applications of circulation classifications, we mention a more extensive use in climate studies, both of past, present, and future climates, innovative applications in the ensemble forecasting, increasing variety of synoptic-climatological investigations, and steps above from the troposphere. After introducing the international activity within the field of circulation classifications, the COST733 Action, we briefly describe outputs of the inventory of classifications in Europe, which was carried out within the Action. Approaches to the evaluation of classifications and their mutual comparisons are also reviewed. A considerable part of the review is devoted to three examples of applications of circulation classifications: in historical climatology, in analyses of recent climate variations, and in analyses of outputs from global climate models.
Synoptic situations of extreme hourly precipitation over China
[J].In this study, synoptic situations associated with extreme hourly precipitation over China are investigated using rain gauge data, weather maps, and composite radar reflectivity data. Seasonal variations of hourly precipitation (&gt;0.1 mm h−1) suggest complicated regional features in the occurrence frequency and intensity of rainfall. The 99.9th percentile is thus used as the threshold to define the extreme hourly rainfall for each station. The extreme rainfall is the most intense over the south coastal areas and the North China Plain. About 77% of the extreme rainfall records occur in summer with a peak in July (30.4%) during 1981–2013.
Synoptic and meso-α scale aspects of flash flood Events
[J].Meteorological conditions associated with more than 150 intense convective precipitation events have been examined. These heavy rainfalls caused flash floods and affected most geographic regions of the conterminous United States. Heavy rains associated with weather systems of tropical origin were not considered. Analyses of surface and standard level upper-air data were undertaken to identify and define important synoptic and mesoscale mechanisms that act to intensify and focus precipitation events over specific regions. These analyses indicated that three basic meteorological patterns were associated with flash flooding in the central and eastern United States. Heavy convective precipitation episodes that occurred in the West were considered as a separate category event. Climatological characteristics, composite analyses, and upper-air data are presented for these four classifications of events.
Cost733cat-A database of weather and circulation type classifications
[J].
Drivers of summer extreme precipitation events over East China
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Diurnal variations of precipitation during the warm season over China
[J].
