引言

近几十年来，在全球变暖的气候背景下，极端降水事件频发，极端降水的强度增强，极端降水量显著增加(Zhai et al，2005；邹用昌等，2008)，往往会导致重大的人员伤亡和财产损失，造成较大的社会影响(谌芸等，2012；伍志方等，2018；陈红专等，2019)，因此针对极端降水事件的研究也越来越多(Alexander et al，2006；Choi et al，2009；杨金虎等，2010；田付友等，2018)。

研究表明，我国极端降水的时空分布和变化趋势具有较强的地域差异(Fu et al，2013)，其控制和影响系统多有不同，再加上复杂的地质和地貌特征，使得极端降水气候特征显得极为复杂，也增加了我国区域极端降水研究的难度。气象学者们从引起极端降水的中小尺度系统的结构和演变(张家国等，2013；曾勇和杨莲梅，2018；赵娴婷等，2020)、多尺度相互作用(苗爱梅等，2014；沈新勇等，2018)、大气环流和特征物理量场的异常(黄荣辉等，2003；杨金虎等，2010；孙军等，2012)、多源资料的应用(王洪等，2015；傅佩玲等，2018；李伶杰等，2018)、地形的影响(Gao et al，2009；徐珺等，2018)等多个角度对极端降水进行了大量研究，其中基于天气学诊断分析方法对极端降水进行分型的研究也不少。极端降水过程一般均具有典型的天气形势，通过对极端降水过程影响系统的分型，有助于理解导致极端降水的天气尺度和中尺度机制，进而提高此类事件的预报准确率。陶诗言(1980)总结了中国持续大暴雨的多种环流型，指出大的形势稳定、水汽的输送和辐合及对流不稳定能量的释放和再生是中国持续大暴雨发生的三个基本条件。Maddox et al(1979)调查了发生在美国的151次暴洪事件及其时空特征，根据地面和高空形势将这些暴洪分成四种天气类型：天气尺度强迫型、锋面型、中高压型和西部型，该分型至今仍被美国天气预报部门广泛应用。Kahana et al(2002)将发生在以色列内盖夫沙漠的52次洪水过程按天气学类型分为四类，分别是红海低压槽类、地中海气旋类、热带暖流向亚热带急流延伸类以及Sharav气旋类，并总结了一组动力和热力学物理量来预测主要山洪的发生和位置。肖递祥等(2017)依据500 hPa环流形势，将四川盆地极端暴雨分为东高西低型和两高切变型两种形势，同时总结了不同环流类型和不同暴雨中心的极端暴雨概念模型。陈静静等(2016)统计了2006—2014年湖南117例强降雨天气过程，依据湖南省暴雨预报经验和方法，将其分为低涡冷槽型、地面暖倒槽锋生型、副热带高压(以下简称副高)边缘型、台风型、梅雨锋切变型和华南准静止锋型六种类型，并以同期500 hPa高度场和850 hPa径向风为参数，采用K均值聚类法，经过迭代得到六类暴雨日的客观天气型。这些研究对业务预报有较好的指导作用。

在全球变暖背景下，湖南极端强降水事件的发生频次呈现增加的趋势(张剑明等，2012)，湖南也是极端降水致灾较为严重的省份之一。由于极端降水影响系统的复杂性以及地域差异，系统性地总结本区域极端降水天气系统类型不仅可为准确预测该类事件提供科学依据，也对强天气预报预警业务十分必要。为此，本文在分析1981—2018年湖南极端降水气候特征的基础上，总结了湖南省区域性极端降水过程的天气类型，然后通过分类合成方法研究各类区域性极端降水过程的主要天气系统和热动力过程特征，希望研究结果可用于进一步发展和改进湖南的极端降水预报技术。

1 资料和方法 1.1 资料

本文所用降水资料为湖南97个国家站1981—2018年共38年的逐日降水资料，时间段为08—08时(北京时，下同)。天气系统分型所用资料为常规高空探测、地面观测资料以及欧洲中期天气预报中心间隔6 h一次的全球分析资料ERA-Interim(Dee et al，2011)，分辨率为0.5°×0.5°。台风路径资料采用中国气象局上海台风研究所的台风最优路径资料(Ying et al，2014)。

1.2 方法

单站日极端降水阈值的确定采用百分位法，具体方法是：将某个站某年的有效日降水量(≥0.1 mm)按从小到大的顺序排列，取第99个百分位的值作为该站该年的日极端降水阈值。第99百分位阈值的确定采用Bonsal et al(2001)的方法: 如果某个气象要素有n个值，将这n个值按升序排列x₁，x₂，…，x_m，…，x_n，则某个值小于或等于x_m的概率P为：

$ P = \frac{{m - 0.31}}{{n + 0.38}} $

式中: m为x_n的序号，如果某个站某年有100个有效降水值，那么第99个百分位上的值为排序后的x₉₉(P=98.32%)和x₁₀₀(P=99.31%)的线性插值。根据上述方法计算得到各站1981—2018年的逐年阈值，38年平均的阈值定义为该站的日极端降水阈值。最后统计1981—2018年各站的日降水量，如果某站某日日降水量大于等于该站历年平均的日极端降水阈值，则计该日为一个极端降水日。

区域性极端降水过程的定义采用戴泽军等(2015)的标准，即若某日湖南97个国家站中有10%及以上站点(≥10站)出现极端降水，即至少有10个站同时达到极端降水日标准，则计该日为一次区域性极端降水过程，持续两天或以上只计算一次。

区域性极端降水过程的天气系统分型采用综合分析的方法，从天气类型的角度进行分型，然后对同类型的过程进行合成分析。由于过程较多，如果采用传统的简单算术平均的合成方法，会导致资料平滑(Frank，1977)，难以发现影响系统的主要特征，为此，本文采用以强降水中心为坐标原点和研究中心的动态合成方法，其方法是：同类型的每个个例选取其最强降水中心为中心(坐标原点)的经纬度范围固定的区域，对该区域内的物理量进行合成。这种合成分析与简单的算术平均在物理意义上有显著不同，它减少了样本物理量平均时的相互抵消作用，强降水区与其环境系统的相对位置也基本保持原状，而且强降水中心也总是处于研究区域的中心。合成的时间点是极端降水发生前最临近的08时或20时的再分析场，即如果极端降水发生在白天，则采用当天08时的再分析资料，如果发生在晚上，则采用当天20时的。

2 极端降水的气候特征 2.1 日极端降水阈值的气候特征

从图 1可看出，湖南省平均的日极端降水阈值，1991年最小(57.7 mm)，2017年最大(85.4 mm)，平均值为71.6 mm，序列在1993年有一个明显的突变，1993年以前阈值大多小于70 mm(平均值为65.7 mm)，而1993年以后阈值大多大于70 mm(平均值为74.7 mm)。阈值的年际变化大，尤其是世纪之交的1996—2006年以及2017—2018年，其中2017年和2018年的阈值相差20 mm。

从日极端降水阈值的空间分布看(图 2)，湘中及以北地区阈值大都在70 mm以上，其中湘东北和湘西北阈值大于80 mm，最大值为湘东北的临湘(95.8 mm)，而湘南大多在70 mm以下，最小值为湘西南的城步(54.3 mm)。

2.2 极端降水日的气候特征

38年间湖南省97个国家站共出现4 954站次极端降水日，平均每年为130站次，平均每站为51次, 其中有5个站少于40次，湖北省的南县最少(36次)，8个站出现60次以上的极端降水日，湖南省的桂东最多(66次)。从极端降水日的平均降水强度的空间分布看(图 3a)，降水强度的空间分布与日极端降水阈值的空间分布(图 2)类似，即湘中及以北地区大于湘南地区，尤其是湘东北和湘西北地区，最大值是湘东北的临湘(139.4 mm)，最小值同样是湘西南的城步(71.8 mm)，极大、极小值相差较大。极端降水日次数的分布与强度的分布刚好相反，即湘南偏多，而湘北和湘中的衡邵盆地偏少(图 3b)，这可能与各站日极端降水阈值的年际变化特点有关，湘北各站的阈值年际变化大，造成大于平均阈值标准的极端降水日数少，而湘南则刚好相反。

从图 4a可看出，极端降水日站次的年际变化大，1991年最少(64次)，2002年最多(242次)，其年际变化趋势与阈值的年际变化趋势(图 1)类似，即序列在1993年有一个明显的突变，1993年以前极端降水日出现次数少(平均为99次·a^-1)，年际变化小，而1993年后出现次数多(平均为146次·a^-1)，年际变化大。极端降水日平均降水强度的年际变化虽然也较大，但没有类似频次和阈值的突变特征(图 4b)。结合图 1和图 4说明，20世纪90年代以来，随着全球气候变暖等多种因素的影响，极端的洪涝灾害极易发生，表现为降水强度大(日极端降水阈值大)、频次高(极端降水日站次多)、大旱与大涝相间(日极端降水阈值和极端降水日频次的年际变化大)。

从极端降水日的月际变化看(表 1)，极端降水日在一年12个月均可出现，但各月出现的频次差别较大，具有明显的月际变化特征。极端降水日主要出现在3—10月，尤其是5—8月出现次数多，其中6月最多，其次是7月，占比分别为28.02%和23.11%，1月和12月最少。

2.3 区域性极端降水过程的气候特征

38年间，湖南一共出现了91次区域性极端降水过程，平均每年2.4次，有10年(1988、1990、1996、1998、1999、2000、2002、2004、2014、2017年)出现4次或以上区域性过程，其中1999年和2002年各出现5次，仅2年(1989年、1991年)没有出现区域性极端降水过程。91次过程中，有15次为持续性过程，最长持续天数为4 d，为1996年7月14—17日。有3次过程同一天达到极端降水日标准的站点数超过30个站，约占湖南总站数的1/3，其中2010年6月19日和2017年6月30日均有33个站点达到极端降水日标准。从区域性极端降水过程的月发生频次(表 2)可看出，区域性极端降水过程仅出现在4—11月，尤其是5—8月，其中6月最多，其次是7月，占比分别为31.87%和23.08%，12月至次年3月未发生过区域性极端降水过程。

3 区域性极端降水过程天气类型

采用天气学诊断分析方法将91次过程归纳为西南涡-暖切变线型、冷槽切变线型、台风型、副高边缘型和一致南风型等五类，从表 3可见，西南涡-暖切变线型和冷槽切变线型最多，分别占总次数的47.2%和28.6%，二者之和约占总次数的3/4，是湖南两种主要的区域性极端降水类型，从平均降水强度、平均影响站次和日降水极值看，前三类明显强于后两类。下面采用以暴雨中心为坐标原点的动态合成方法，利用ERA-Interim资料对每一类极端降水过程的高空、地面系统和降水区进行合成，主要从中低层和地面影响系统的角度讨论每一类区域性极端降水过程的主要天气系统和热动力过程特征。

3.1 西南涡-暖切变线型

西南涡-暖切变线型极端降水的主要影响系统是低层(850 hPa)的西南涡、暖式切变线以及地面暖低压倒槽。其天气系统特征如下：

500 hPa在中高纬度为高空槽系统(图 5a)，槽的经向度没有冷槽切变线型大，但槽前仍有较强正涡度平流，如果在东北或华北地区存在冷涡系统，则表现为从冷涡往西南方向伸展的深厚高空槽系统。本型的副高相对较弱，位置偏东，湖南处在副高与高空槽之间的西南暖湿气流中。850 hPa受西南涡及人字形切变线，尤其是暖式切变线影响(图 5b)，西南涡是本型最常见的天气系统，仅4例无西南涡影响。其余个例中，有12例西南涡未移出西南地区就消亡(或者在极端降水时段未移出西南地区)，其余27例按其移动路径可分为三类：东南移型8例(图 6a)，西南涡经贵州东南部或湘西地区往东南行，强降雨一般位于湘西和湘中以南地区；先东南移再东(北)移型11例(图 6b)，西南涡东南行到贵州东部或湖南西部后转向东或东北方向，经湖南中部地区，强降雨一般位于湘中一线；东(东北)移型8例(图 6c)，西南涡经湘中以北地区往东(东北)方向移动，强降雨一般位于湘中以北。

地面形势是由西南地区往东北方向伸展的暖低压倒槽(图 5c)，暖倒槽及其南侧高温高湿的环境为中小尺度扰动的产生提供了有利的热动力环境条件。强降雨区位于西南涡东南侧、暖式切变线南侧，雨带分布与暖式切变线的走向相同，有时强降雨带上会有东西两个强中心，一个位于西南涡东南侧附近，另一个位于暖切变线南侧，低空急流出口区附近。如果在暖式切变线东北侧还有一条冷式切变线，则强降雨中心会偏向暖式切变线东侧与冷式切变线汇合处附近，因为该区域冷暖气流交汇最明显。降水强度为暴雨，极易出现大暴雨甚至更大量级的降雨(图 5d)。因此预报员在面对西南涡暴雨时，除了要关注西南涡的生消和移动路径外，还要关注西南涡与人字形切变线、低空急流等系统的配置关系。

3.2 冷槽切变线型

冷槽切变型极端降水的主要影响系统是中层(500 hPa)的高空槽和低层(850 hPa)的冷式切变线，其天气系统特征如下：

500 hPa在中高纬度为深厚的高空槽系统(图 7a)，槽前正涡度平流较强，大尺度的动力强迫有利于大范围地区维持较长时间的上升运动。副高大多已经登陆我国大陆或位于我国东南沿海一带，强大而稳定维持的副高导致中低纬系统移动缓慢或受阻，有利于强降水的维持。低层受冷式切变线的影响，切变线南侧通常均伴有急流(图 7b)。本型有17例在冷式切变线东北侧伴有低涡系统，其中13例为西南涡，西南涡的位置偏北，一般位于湖北境内或擦过湘西北地区，另有4例为江汉平原和洞庭湖区新生涡。低涡的移动路径一般为东北方向(图 8)，与西南涡-暖切变线型过程的西南涡路径相比要明显偏北(图 6)。低涡本身对湖南极端降水的影响较弱或没有影响，主要是低涡在东移过程中其西南侧的冷式切变线影响湖南，造成极端降水的发生。

本型的地面形势可分为三类，第一类是地面辐合线型(图 7c)，其特点是地面为东高西低形势，降水区以南低纬地区有较强的偏南气流，北侧南风风速较小或为弱的偏北气流，强降水区有较强的风速(和风向)辐合。第二类是地面冷锋型(图 7d)，其特点是我国东部地区地面为鞍形场结构特征，中高纬受东北冷涡控制，冷涡东移带动后侧冷空气南下至暴雨区北侧，与副高西侧暖湿气流汇合，冷暖气流交汇有利于冷锋锋生。第三类是地面暖低压倒槽型(图 7e)，暖低压倒槽为极端降水提供高温高湿的不稳定层结，也为极端降水的发生提供触发条件。

此型的强降水区位于高空槽和冷式切变线东南侧，雨区分布与影响系统类似，呈东北—西南向带状分布，带状结构特征在5种类型中最明显，大雨区可连绵上千千米，强度上，该型极易出现大暴雨量级的降雨(图 7f)。

冷槽切变线型极端降水的天气系统较为明显，中低层和地面的动力强迫作用清晰，日常业务分析中应注意地面影响系统的不同而导致的降水类型的差异。另外武陵山东侧湘鄂交界区域是梅雨锋上中尺度气旋波新生或加强的重要源地之一, 其形成原因与长江中游复杂地形下有利的动力和热力因素有关(张家国等，2013)，因此应关注有利于该区域新生涡发展和加强的环境条件。

3.3 台风型

湖南虽然地处内陆，但登陆台风仍对湖南有较大的影响，例如21世纪初影响较大的200604号台风碧利斯和200709号台风圣帕，均造成了湖南严重的洪涝灾害(叶成志等，2009)。38年间，造成湖南区域性极端降水过程的台风个例有14例(包括2个台风减弱后的低压环流与西风带系统相互作用的个例)。台风移动路径可分为西北行路径和北上路径，从浙江和福建登陆的台风移动路径均为西北行路径，广东登陆的台风中2例为西北行路径，3例为北上路径(图 9)。台风登陆后由于受多种因素的影响，其降水分布通常呈不对称结构特征(陈联寿等，2004；孙力等，2015)，统计结果显示，这14例按其降水的分布特征，可分为西南象限型(10例)、西北象限型(2例)和东北象限型(2例)。从浙江和福建登陆的9例均为西南象限型。

在台风降水分布的三种类型中，西北象限型和东北象限型样本较少(均只有2例)，而西南象限型有10例，因此本型的合成分析仅针对西南象限型。其天气系统特征如下：

西南象限型台风主要出现在盛夏季节，正是一年中副高最强大的时段，因此中层500 hPa副高偏强，位置偏北，脊线多呈东西走向(图 10a)，台风低压环流位于副高西南侧的偏东气流中，有利于台风的西北行。低层台风中心位于强降水区的东北方向，台风低压环流受两支强水汽输送通道影响，即与西南季风相联系的偏南风水汽通道和与台风低压环流相联系的偏北风水汽通道(图 10b，10c)，强降水受台风低压环流及其西南侧的切变线影响，主要出现在台风低压环流的西南象限。从强降水发生的区域看，台风型区域性极端降水主要出现在湖南东部和南部，尤其是湘东南地区。与其他类型的雨区呈带状结构明显不同，台风型的降水区带状结构不明显，多呈块状分布，降水强度在5种类型中也最强，极易出现大暴雨以上量级的降水(图 10d)，影响区域多为湖南东部和南部地区，尤其在湘东南地区，这除了与台风系统具有较好的热动力条件有关外，还与该地区有利的地形有关，湘东南地区南部为南岭山脉，东部为罗霄山脉，西部有雪峰山脉，地形对湘东南台风暴雨有明显的增幅作用(姚蓉等，2007；Gao et al，2009)，因此在实际业务预报中预报员除了要关注登陆台风的移动方向和风雨分布外，也要关注湘东南的复杂地形对强降水的增幅作用。

3.4 副高边缘型

副高边缘型极端降水过程仅出现5次，其主要影响系统是500 hPa稳定维持的副高、低层的切变线和急流。其天气系统特征如下：

500 hPa副高已控制湖南的东南部地区，副高脊线位于23°N附近，副高较为稳定，虽然在过程期间略有东退，但仍控制我国东南部省份，5例中，有3例副高西北侧为短波槽控制，2例由于在北方分别有东北冷涡和华北冷涡存在而在副高西北侧存在深厚高空槽，因此合成图上高空槽较为明显(图 11a)，稳定维持的副高一方面可以阻挡西风带系统的南下，有利于降水维持，另一方面有利于其西侧从低层到地面暖湿急流的建立，为降水区输送充足的水汽和不稳定能量。低层850 hPa暴雨区北侧受切变线影响，其中4例低空急流建立(图 11b)，过程期间切变线随副高的缓慢减弱而南移。地面图上，暴雨区南侧均有较强的偏南风，暴雨区有明显的风速辐合(图 11c)。雨区呈东北—西南向分布在副高北界附近，以暴雨为主，局地大暴雨(图 11d)。本型与冷槽切变线型的影响系统有些类似，主要区别是强降水落区与副高的位置关系以及发生的季节不同。副高边缘型的强降水大都出现在盛夏季节，雨带位于副高北界不稳定层结区，雨带的分布和移动与副高密切相关，因此该型的预报除了要关注上游高空槽以及低层切变线的位置关系，更要关注副高的移动和强度变化。

3.5 一致南风型

38年间，一致南风型极端降水过程仅出现3次，其主要影响系统是从地面到高空上下一致的西南气流。其天气系统特征如下：

强降水区从地面至高空均受上下一致的偏南气流控制，500 hPa处在高空槽前强西南气流中(图 12a)，高空槽移动缓慢，副高稳定少动。低层850 hPa虽然也有切变线，但切变线离强降水区较远，强降水区受较强西南气流控制，暴雨区北侧有较强的西南气流风速辐合, 强降水的产生与西南气流的脉动有关(图 12b)，地面形势虽各不相同，但共同的特点是地面均为偏南风控制，高温高湿的不稳定环境条件有利于强对流的发生，强降水区有较强的风速辐合(图 12c)。强降水位于地面辐合线附近，强度一般为大到暴雨，局地可达到大暴雨(图 12d)。

一致南风型的个例较少，但预报难度较大，虽然中层处在高空槽前，有一定的大尺度强迫，但低层没有明显的切变线影响或切变线远离暴雨区，低层动力条件不足，触发条件多为西南气(急)流的脉动导致的风速辐合或是边界层辐合线。对这种弱强迫背景下的暖区极端降水过程，数值天气预报模式的可预报性明显不足，因此应当在临近预报中加强高时空分辨率区域自动站资料的应用，通过加密区域自动站资料判断地面辐合线的位置，结合卫星和多普勒雷达资料提高短时临近预报准确率，及时发布预警信号。

4 结论与讨论

本文在分析了1981—2018年湖南极端降水气候特征的基础上，对湖南省区域性极端降水过程进行天气系统分型，然后采用分类合成方法研究了各类区域性极端降水过程的主要天气系统和热动力过程特征，得到以下结论：

(1) 38年间，湖南省日极端降水阈值均值是71.6 mm，年均出现130站次极端降水日，二者年际变化大，在1993年有一个明显的突变，即1993年前日极端降水阈值均值低(65.7 mm)、极端降水日站次少(平均99次·a^-1)，1993年后阈值均值高(74.7 mm)、极端降水日多(平均146次·a^-1)。日极端降水阈值和极端降水日的空间分布不均，湘中及以北地区阈值高，极端降水强度大，出现频次低，湘南地区阈值低，极端降水强度小，出现频次高。

(2) 38年间，湖南共发生91次区域性极端降水过程，主要发生在5—8月，尤其是6月和7月，根据主要影响系统分为五种天气型：西南涡-暖式切变线型、冷槽切变线型、台风型、副高边缘型和一致南风型，其中前两种是湖南最主要的极端降水天气型。

(3) 极端降水是各影响系统相互作用的结果，其中高空槽、西南涡、切变线和低空急流是湖南极端降水最主要的影响系统。当西南涡未出西南地区或位置偏南，湖南极端降水由西南涡和暖式切变线产生，如果西南涡位置偏北，或者武陵山东侧有新生涡发展和加强，则湖南极端降水由西南涡(新生涡)后侧冷式切变线产生。地形对极端降水的增幅作用明显，尤其是对于湘东南台风极端降水过程。不同的季节，副高对极端降水的落区和强度有不同的影响。弱强迫背景下的暖区极端降水预报难度大，应加强高时空分辨率的区域自动站资料、卫星和多普勒雷达资料的应用。

天气系统分型研究有助于预报员快速识别极端降水的形势及配置关系，判断极端降水发生的可能性，对于极端降水的预报是必不可少的。但分型是基于天气尺度系统的，而极端降水的直接制造者往往是中小尺度系统，因此在业务预报中，预报员应该在大尺度天气分型的基础上，分析中小尺度系统的环境条件、结构特征及其生消演变过程，同时参考数值预报(尤其是集合预报少数成员的极端预报)以及综合观测资料，对极端降水的可能落区、强度和起止时间做出精确预报，同时在临近阶段及时发布预警信号。