《Atmospheric Research》：3D U-Net correction of Northwest Pacific sea surface wind field forecasts incorporating wind–pressure relationship constraints
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极端降水事件中华北地区主导的大尺度环流类型及其与台风的相互作用研究。采用SOM方法将1979-2023年夏季500hPa位势高度场划分为四类环流型，T3型（西太平洋副热带高压西北扩展与南亚湿气流结合）最有利于极端降水，其频率和降水强度显著增加。2023年7月极端降水事件分析表明，T3-3亚型（850hPa南北位势高度梯度强）与台风Doksuri和地形共同导致极端降水，IMFD值超过历史85%分位。研究揭示了气候变化背景下极端降水环流型的演变特征和风险提升机制。
Jia Tian|Xiaopeng Cui|Yimin Liu|Wen Bao|Rouyi Jiang
中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴实验室，北京 100029，中国
摘要
近几十年来，中国北方的极端降水（EP）事件变得更加频繁和强烈。然而，目前尚不清楚哪些环流配置最有利于北方地区的极端降水，这些模式是如何演变的，以及它们受到热带气旋（TCs）的调控程度如何。本研究使用自组织映射（SOM）方法将1979-2023年温暖季节的日500 hPa位势高度场分为四种客观定义的环流类型（T1-T4）。T3类型的特征是西太平洋副热带高压（WPSH）向西北方向延伸，且在中纬度槽前有来自南方的湿气流入，这是最有利于北方极端降水的模式。此外，T3环流及其相关极端降水日的频率显著增加，表明北方地区正进入一个降水更频繁、极端降水风险更高的气候状态。进一步对850 hPa的T3类型进行分类，发现T3-3类型是一种受热带气旋强烈影响的南北偶极子模式，它在太行山-燕山山麓地区产生了最强烈和持续的降雨。2023年7月的破纪录降雨事件（“23·7”）就发生在这一子类型下。在该事件期间，异常向西北方向延伸的WPSH、持续的东南方向湿气流入、热带气旋Doksuri和Khanun以及局部地形抬升共同增强了湿气汇聚，从而加剧了降水强度。日区域平均积分水分通量散度（IMFD）超过了所有温暖季节极端降水事件的第85百分位。尽管大尺度环境非常有利，但ERA5模型仅捕捉到了“23·7”事件观测到的极端降水量的57.3%，这表明极端降水强度也严重依赖于局部地形抬升和中尺度对流系统。
引言
在气候变暖的背景下，极端降水的频率和强度都显著增加（Allen和Ingram，2002；Fischer和Knutti，2016；Li等人，2016；Fowler等人，2021；You等人，2022）。在中国北方（NC）及其周边地区，极端强烈的降雨事件在温暖季节频繁发生，这些事件是由多尺度大气系统的相互作用驱动的（Chen等人，2012；Zhang等人，2013；Lei等人，2017；Lu和Cui，2022；Cui和Yang，2022）。例如，2012年7月，北京因连续的暖锋和锋面暴雨而遭受极端强降雨。2016年7月，一个低涡系统引发了北京、天津、河北和河南的广泛强降雨。2021年7月，异常向北移动的西太平洋副热带高压（WPSH）以及来自热带气旋In-Fa的长距离湿气输送导致河南出现极端暴雨。2023年7月底至8月初，热带气旋Doksuri的残余影响为北京-天津-河北地区带来了破纪录的降雨；2025年7月底，由于持续强而稳定的WPSH，华北中部和北部再次遭受强降雨。了解主导的环流模式、湿气输送特征以及有利于强降雨的多尺度过程对于提高极端降水预测和加强区域灾害预防至关重要。因此，在气候变暖的时代，这一领域的研究具有紧迫性和实际意义。
以往关于有利于北方极端降水的大尺度环流的研究主要采用两种方法：环流类型综合分析和案例研究。在第一种方法中，使用主观和客观的环流分类来识别有利于极端降水的关键天气系统配置，如向西北方向偏移的WPSH、增强的西南低层急流、中纬度槽以及登陆或远距离移动的热带气旋（Tao，1980；Ding等人，1980；Luo等人，2016；Huang等人，2022；Xu等人，2022；Qi等人，2024）。近年来，基于自组织映射（SOM）、主成分分析（PCT）和k-means的客观环流分类方法受到了越来越多的关注。然而，大多数研究集中在强降雨日的环流分析上（Li等人，2019；Zhao等人，2019；Tang等人，2021；Zhang等人，2024；Jiang等人，2025）。这些分析有效地捕捉了与极端降水密切相关的环流配置，但它们没有量化每种环流类型下极端降水发生的概率。此外，直接基于气候背景场的环流分类相对较少（Xu等人，2022；Zhang等人，2022）。因此，基于长期气候学开发客观环流分类并提供极端降水风险的定量评估具有科学意义和操作预测价值。
在第二种方法中，案例研究使用高分辨率观测数据和再分析数据关注单个极端降水事件。这些研究揭示了北方地区不同事件之间的环流演变、形成机制和降水结构的显著差异（Sun等人，2005；Xia和Zhang，2019；Zhang等人，2021；Yin等人，2022）。然而，案例研究无法揭示这些环流模式在年际尺度上的演变情况，也无法系统地理解热带气旋和复杂地形与它们的相互作用。
2023年7月29日至8月2日，一场异常极端的降雨事件（以下简称“23·7”事件）袭击了北方地区，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。该事件主要由热带气旋Doksuri的残余涡旋向北移动驱动，其特征是前所未有的降雨累积、持续时间较长和广泛的覆盖范围（图1）。河北省梁家庄站的降雨量达到1003.4毫米。河北和北京的16个国家级气象站记录的日降雨量超过了历史极值，其中北京下云岭站的日降雨量达到395.2毫米。多项研究分析了“23·7”事件的降雨特征和形成机制（Fu等人，2023；Gao等人，2024；Yan等人，2025）。然而，“23·7”事件相关的环流异常的极端程度尚未得到定量评估。因此，在客观环流框架内评估其极端程度对于阐明大尺度环流异常如何导致极端降水以及改进未来极端降水的概率预测至关重要。
为了解决这些问题，我们基于北方地区45年的温暖季节环流场进行了客观环流分类。该框架识别了有利于北方极端降水的主导环流类型，量化了每种类型下极端降水日的发生概率和降雨特征，并评估了与“23·7”事件相关的环流异常的极端程度。本文的结构如下：第2节介绍数据、定义和客观环流分类方法的评估；第3节分析了日500 hPa位势高度场衍生的环流模式及其相关的极端降水特征和年际趋势；第4节研究了有利于极端降水的主导环流，并重新分类了850 hPa位势高度场以分析其子类型；第5节探讨了“23·7”事件期间的极端大尺度环流异常；第6节进行了结论性和讨论。
数据
- (1)
观测降水数据来自1979-2023年温暖季节（5月至9月）全国气象站的每小时降水数据集，由中国气象局国家气象信息中心提供（
http://data.cma/cn/）。该数据集已经过中国气象局实施的标准质量控制程序，包括极端值检查、内部一致性检查和时间一致性检查（Yu等人，2007）。
环流模式、相关极端降水事件及其趋势
利用1979-2023年温暖季节的日500 hPa位势高度场数据（共6885天），我们识别出四种大尺度环流类型（T1-T4；图4），它们分别占所有环流日的14.0%、25.4%、28.8%和32.2%（表2）。北方地区共记录了350个极端降水日，仅占所有环流日的5.1%，平均每个温暖季节约有8个极端降水日。如表2所示，T3类型是最有利于极端降水的环流模式
T3环流下极端降水日的常见大尺度环境条件
为了进一步明确T3环流下极端降水相关的热力学、动力学和湿气条件，我们比较了极端降水日与干燥日之间的环境差异。在极端降水日，WPSH的西脊位于东经125°附近，比干燥日（位于东经135°附近）偏西约10°。北方地区位于中纬度槽的前方，850 hPa处盛行南风（图8a）；而在干燥日，北方地区受到槽后东北风的控制，并伴有
“23·7”事件期间的大尺度环流极端程度
“23·7”事件发生在T3和T3-3环流下，表现出极其有利的热力学、动力学和湿气条件（图8，图9）。图14展示了距离站点最近的网格处的IMFD值概率密度分布。这些分布包括三类：1979-2023年所有温暖季节的极端降水事件，以及T3和T3-3环流下的极端降水事件。在所有类别中，IMFD概率密度通常在0结论与讨论
基于多源观测和ERA5再分析，本研究探讨了1979-2023年温暖季节中国北方极端降水（定义为第99.5百分位）的大尺度环流模式及其相关统计特征。此外，还定量评估了2023年7月极端降水事件（“23·7”）的环流极端程度。使用客观评估的自组织映射（SOM）方法，分析了日500 hPa位势高度场
CRediT作者贡献声明
Jia Tian：写作——审稿与编辑，撰写——初稿，软件，方法论，正式分析，数据管理。Xiaopeng Cui：写作——审稿与编辑，监督，方法论，资金获取，正式分析，概念化，项目管理。Yimin Liu：验证，调查。Wen Bao：验证，调查。Rouyi Jiang：方法论，正式分析，写作——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42288101）、中国科学院战略性先导科技专项（项目编号：XDB0760200）、国家自然科学基金（项目编号：42075009以及中央公益性科学研究所基本科研业务费（项目编号：2025YSKY-49）的财政支持。
