滇西短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征

許宏波, 謝屹然, 謝銀劍

(1.云南省保山市氣象局，云南保山 678000；2.云南省氣象臺(tái)，云南昆明 650034；3.劍川縣職業(yè)高等中學(xué)，云南劍川 671300)

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滇西短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征

許宏波1, 謝屹然2*, 謝銀劍3

(1.云南省保山市氣象局，云南保山 678000；2.云南省氣象臺(tái)，云南昆明 650034；3.劍川縣職業(yè)高等中學(xué)，云南劍川 671300)

摘要利用2010～2013年滇西12個(gè)自動(dòng)氣象站逐時(shí)降水資料和高空觀測(cè)資料，研究了滇西短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征，并分析典型短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的環(huán)境背景場(chǎng)特征。結(jié)果表明，滇西短時(shí)強(qiáng)降水的頻次的空間變化總體趨勢(shì)呈南北向分布，大值中心在龍陵站；滇西短時(shí)強(qiáng)降水頻次有顯著的年變化；短時(shí)強(qiáng)降水集中發(fā)生在5～9月；日變化呈多峰型，最強(qiáng)峰值出現(xiàn)在04：00～05：00；滇西短時(shí)強(qiáng)降水存在5種環(huán)流概念模型。

關(guān)鍵詞短時(shí)強(qiáng)降水；時(shí)空分布；環(huán)境背景場(chǎng)；滇西

短時(shí)強(qiáng)降水是指短時(shí)間內(nèi)降水強(qiáng)度較大，其降雨量達(dá)到或超過(guò)某一量值(一般定義≥20 mm/h)的天氣現(xiàn)象，是一種強(qiáng)對(duì)流的重要形式。由于短時(shí)強(qiáng)降水歷時(shí)短、降水強(qiáng)度大，其在短時(shí)間內(nèi)形成的較大降水可形成暴洪，常誘發(fā)中小河流洪水、山洪、山體滑坡和泥石流等災(zāi)害，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1-2]。由于短時(shí)強(qiáng)降水突發(fā)性強(qiáng)、成因復(fù)雜且預(yù)報(bào)難度大，因此，加強(qiáng)對(duì)其時(shí)空分布和影響天氣系統(tǒng)的研究對(duì)預(yù)報(bào)預(yù)警具有非常重要的意義。

云南地處低緯高原，地形地貌復(fù)雜，同時(shí)受印度和東亞2支季風(fēng)的共同影響，局地暴雨和短時(shí)強(qiáng)降水頻發(fā)。云南氣象工作者利用常規(guī)氣象資料和多普勒天氣雷達(dá)對(duì)短時(shí)暴雨個(gè)例進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，受特殊地形和地貌影響，云南短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展局地性很強(qiáng)，各地差異明顯[3-7]。云南西部(滇西)的保山、大理、德宏、臨滄地區(qū)地處低緯高原，位于孟加拉灣西南暖濕氣流進(jìn)入我國(guó)的前沿地帶，境內(nèi)橫斷山脈延綿，怒江、瀾滄江兩江深切，地形地貌復(fù)雜，天氣氣候差異顯著[8-9]。短時(shí)強(qiáng)降水一般是在一定的大尺度天氣背景下，由中小尺度強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴直接造成，因此，利用逐時(shí)降水資料對(duì)滇西地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水天氣的時(shí)空變化及影響天氣系統(tǒng)進(jìn)行研究，建立短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程天氣概念模型，對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的提高和氣象防災(zāi)減災(zāi)能力的提升具有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。筆者利用滇西12個(gè)自動(dòng)氣象站逐時(shí)降水資料和高空觀測(cè)資料，研究了滇西短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征。

1資料與方法

該研究中所指的滇西地區(qū)是指德宏多普勒雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)的區(qū)域(圖1)，探測(cè)范圍內(nèi)的國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象站有12個(gè)，包括德宏州的5個(gè)縣站和保山市的5個(gè)縣站以及臨滄市的永德和鎮(zhèn)康2個(gè)縣站(圖2)。所用資料主要為2010～2013年常規(guī)氣象地面和高空觀測(cè)資料。其中地面資料主要是地面降水資料。

收集統(tǒng)計(jì)2010～2013年滇西短時(shí)強(qiáng)降水(≥20 mm/h)過(guò)程。短時(shí)強(qiáng)降水資料統(tǒng)計(jì)主要來(lái)源于國(guó)家級(jí)自動(dòng)氣象站逐小時(shí)觀測(cè)資料。以 20:00為日界，在一天之內(nèi)德宏多普勒雷達(dá)覆蓋區(qū)內(nèi)的國(guó)家級(jí)自動(dòng)觀測(cè)站只要有一個(gè)站降水量≥20 mm/h，就定義為一次短時(shí)強(qiáng)降水。在分析短時(shí)強(qiáng)降水的過(guò)程中，引入國(guó)家級(jí)測(cè)站周邊的區(qū)域自動(dòng)站的降水資料進(jìn)行綜合分析，并在其他常規(guī)氣象資料分析統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的主要影響天氣系統(tǒng)和環(huán)流背景做分型統(tǒng)計(jì)，總結(jié)適合該區(qū)域的短時(shí)強(qiáng)降水天氣概念模型。

注：紅色方框?yàn)檠芯繀^(qū)域的站點(diǎn)。Note: Red box was the station in research region.圖1　云南和滇西的地形Fig.1　Topography of Yunnan and west Yunnan Province

圖2　德宏雷達(dá)和其探測(cè)范圍內(nèi)的國(guó)家級(jí)自動(dòng)站分布情況Fig.2　Distribution of Dehong radar and the national automatic stations within detection zone

2滇西短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征

2.1時(shí)間分布特征

2.1.1年變化。從圖3可以看出，滇西短時(shí)強(qiáng)降水的頻次每年均有顯著差異。2010年滇西短時(shí)強(qiáng)降水共發(fā)生60次，但在2011和2012年分別僅有37和38次，2013年又恢復(fù)至64次。這種變化主要與2009～2012云南處于連續(xù)4 a干旱的氣候背景有關(guān)[10]。在干旱氣候背景條件下，孟加拉灣附近的印緬槽不活躍或偏弱，不利于水汽向云南輸送。同時(shí)，云南局地的對(duì)流相對(duì)常年偏弱。因此，2011～2012年滇西短時(shí)強(qiáng)降水明顯減少；2010年雖然云南大部分處于干旱，但滇西和滇西北降水偏多[10]，滇西短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)基本保持正常。說(shuō)明滇西短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)的變化與該地區(qū)的

圖3　2010～2013年滇西短時(shí)強(qiáng)降水年變化Fig.3　Annual change of short-time heavy rainfall in west Yunnan Province in 2010-2013

圖4　2010～2013年滇西短時(shí)強(qiáng)降水月變化Fig.4　Monthly change of short-time heavy rainfall in west Yunnan Province in 2010-2013

旱、澇氣候背景密切相關(guān)。

2.1.2月變化。從圖4可以看出，2010～2013年滇西短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次的月變化分布4 a基本均一致，總體呈單峰型分布，4～8月強(qiáng)降水頻次逐步升高，8月達(dá)最強(qiáng)，9月開(kāi)始降低，10月迅速降低，整體呈現(xiàn)緩慢升高、迅速降低的特點(diǎn)。11月～次年3月滇西地區(qū)無(wú)短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程發(fā)生。這與南亞夏季風(fēng)活動(dòng)的特點(diǎn)密切相關(guān)，南亞夏季風(fēng)5月中旬前后建立，7月底達(dá)到鼎盛，9月迅速南撤[11]。

2.1.3日變化。陳炯等[12]研究表明我國(guó)總體平均的短時(shí)強(qiáng)降水的頻率和最大強(qiáng)度的日變化有3個(gè)峰值，主峰在午后(16：00～17：00)，次峰在午夜后(01：00～02：00)和早晨(07：00～08：00)；中午前后(10：00～13：00)最不活躍。不同區(qū)域的短時(shí)強(qiáng)降水和中尺度對(duì)流系統(tǒng)日變化具有不同的活躍時(shí)段和傳播特征，具有單峰型、雙峰型、多峰型和持續(xù)活躍型等日變化類(lèi)型，這不僅與較大尺度的天氣系統(tǒng)環(huán)流相關(guān)，且與地勢(shì)、海陸等地理分布密切相關(guān)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)(圖5)，在2010～2013年滇西區(qū)域國(guó)家氣象觀測(cè)站共發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水199次，每年短時(shí)強(qiáng)降水的日變化均有差異，平均來(lái)看，滇西短時(shí)強(qiáng)降水的日變化呈多峰型；短時(shí)強(qiáng)降水在01：00～02：00有一峰值，發(fā)生頻次最多集中在04：00～05：00，然后在07：00～08：00和09：00～10：00分別有小峰值，10：00～13：00是短時(shí)強(qiáng)降水最不活躍的時(shí)段，在14：00～15：00是短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的另一個(gè)峰值。滇西短時(shí)強(qiáng)降水日變化的峰值出現(xiàn)在04：00～05：00，這與我國(guó)其他地區(qū)有明顯差異[12]，主要原因與滇西地區(qū)特殊的地形有關(guān)，滇西地處橫斷山區(qū)，山脈大部分呈南北走向，是我國(guó)最長(zhǎng)、最寬、最典型的南北向山系。在山脈東西側(cè)降水日變化也存在明顯差異[13]。受夜發(fā)性特征影響，我國(guó)短時(shí)強(qiáng)降水和中尺度對(duì)流系統(tǒng)的日變化特征基本一致，但午夜后時(shí)段二者存在較大差異[12]。

圖5　2010～2013年滇西短時(shí)強(qiáng)降水日變化Fig.5　Daily change of short-time heavy rainfall in west Yunnan Province in 2010-2013

2.2空間分布特征從圖6可以看出，每年短時(shí)強(qiáng)降水頻次的空間分布趨勢(shì)大體一致，大值中心在龍陵站，總體趨勢(shì)呈南北向分布；4 a平均短時(shí)強(qiáng)降水頻次的空間分布尤為突出這種特征。這種分布主要與滇西地形相關(guān)。滇西地處橫斷山區(qū)，山脈大部分呈南北走向山系，形成嶺谷組合地形。這種大地形對(duì)水汽輸送有顯著的截留和阻隔作用[14]。

從短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次空間分布的月變化(圖7)來(lái)看，5月份滇西西北的騰沖、盈江和東南的永德以及施甸4個(gè)測(cè)站沒(méi)有發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程，其余測(cè)站均在0.5次/a以下，最高隴川0.48次/a，高值區(qū)位于西南至東北一線，發(fā)生頻次逐漸降低。6月份短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程逐漸增多，短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻率的高值區(qū)呈南北向分布，東部和西北為2個(gè)低值中心，其中最高龍陵1.67次/a。7月份短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程明顯增多，高值區(qū)總體還是呈南北向分布，位于隆陽(yáng)—龍陵—鎮(zhèn)康一線，往東南和西北逐漸減少；強(qiáng)中心隆陽(yáng)區(qū)為2.2次/a。8月份是一年中滇西短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻率最高的月份，高值區(qū)呈西南向分布，高值區(qū)位于瑞麗—龍陵一線東南，高值中心鎮(zhèn)康為2.44次/a;東部的隆陽(yáng)—永德一線為相對(duì)低值區(qū)，值大部分在0.5次/a左右。9月份短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻率開(kāi)始回落，高值區(qū)的分布和其他月份差異明顯，呈東西向分布，位于盈江—龍陵—永德一線，高值中心龍陵為2.39次/a。10月份短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻率明顯減少，高值區(qū)和低值區(qū)均呈南北向交替分布，高值區(qū)位于梁河—龍陵—鎮(zhèn)康一線，最高鎮(zhèn)康0.49次/a。

短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次空間分布的月變化與南亞夏季風(fēng)的建立、加強(qiáng)和推進(jìn)有關(guān)。陳艷等[15]分析認(rèn)為5月份云南上空為一致的西南風(fēng)水汽輸送，主要由來(lái)自印度半島北部的副熱帶西風(fēng)水汽輸送和熱帶印度洋至孟加拉灣的西南風(fēng)水汽輸送匯合而成，而來(lái)自南海地區(qū)西太平洋副高西側(cè)轉(zhuǎn)向的偏南水汽輸送是構(gòu)成云南東部地區(qū)水汽輸送的重要分支。5月下旬云南夏季風(fēng)暴發(fā)期間，熱帶印度洋至孟加拉灣地區(qū)的水汽輸送顯著增強(qiáng)，云南上空增濕明顯，這為季風(fēng)暴發(fā)提供了必要的水汽條件，而東亞中緯地區(qū)冷空氣的入侵則可能是觸發(fā)季風(fēng)降水的重要機(jī)制。

圖7　2010～2013年滇西短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次空間分布的月變化(單位：次/a)Fig.7　Monthly change of spatial distribution of short-time heavy rainfall frequency in west Yunnan Province from 2010 to 2013

3滇西短時(shí)強(qiáng)降水的影響系統(tǒng)分析

統(tǒng)計(jì)分析2010～2013年118次(2010年36次、2011年25次、2012年21次和2013年36次)典型的短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的環(huán)流背景發(fā)現(xiàn)，可將滇西地區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水分為西行臺(tái)風(fēng)低壓型(占38.1%)、兩高輻合型(占23.7%)、南支槽型(20.4%)、西北氣流型(占12.7%)和孟加拉灣低壓型(占5.1%)5種類(lèi)型(圖8b)。同時(shí)從圖8a可以看出，影響滇西短時(shí)強(qiáng)降水的系統(tǒng)次數(shù)每年均有明顯的變化。

3.1西行臺(tái)風(fēng)低壓型西行臺(tái)風(fēng)是指西行臺(tái)風(fēng)并非直接會(huì)對(duì)云南造成影響，而是在福建、廣東登陸后，偏西移動(dòng)，逐漸演變?yōu)榈蛪狠椇蠋? 低壓輻合帶及其外圍偏東氣流影響云南，造成強(qiáng)降水天氣過(guò)程(圖9a)。

500 hPa亞洲中高緯以經(jīng)向環(huán)流為主，為兩槽一脊型，新疆到青海北部為高壓脊，東部低槽槽底位于湖南北部，云南東北部為槽后的偏北氣流控制，高層有冷平流入侵。北部灣有臺(tái)風(fēng)活躍，云南大部為臺(tái)風(fēng)北側(cè)的東南暖濕氣流控制，為短時(shí)強(qiáng)降水提供有利的水汽條件。低層云南西北部到云南南部為西北—東南向切變線，為短時(shí)強(qiáng)降水提供了動(dòng)力抬升條件。此類(lèi)型的短時(shí)強(qiáng)降水范圍廣且影響時(shí)間長(zhǎng)。強(qiáng)降水落區(qū)位于冷暖氣流交匯區(qū)及700 hPa切變附近。

圖8　2010～2013年滇西短時(shí)強(qiáng)降水主要影響系統(tǒng)年變化(a)和各系統(tǒng)所占比例(b)Fig.8　System annual change (a) and system percentage (b) of short-time heavy rainfall frequency in west Yunnan Province from 2010 to 2013

3.2兩高輻合型兩高輻合是指夏季在500 hPa云南境內(nèi)出現(xiàn)2個(gè)反氣旋環(huán)流之間的輻合區(qū)(簡(jiǎn)稱(chēng)兩高輻合區(qū))，是產(chǎn)生云南強(qiáng)降水天氣的又一常見(jiàn)天氣系統(tǒng)(圖9b)。兩高輻合區(qū)主要有2種形式，一種是西太平洋副熱帶高壓與青藏高壓之間的兩高輻合區(qū)；另一種是滇緬高壓與西太平洋副熱帶高壓之間的兩高輻合區(qū)。由于輻合區(qū)兩側(cè)的高壓多為東西分布，它們之間的輻合區(qū)也大多呈準(zhǔn)南北向，一般將兩高輻合區(qū)主要位置位于101.5°E以東的定為偏東兩高輻合，101.5°E以西的定為偏西兩高輻合。對(duì)于滇西地區(qū)來(lái)說(shuō)，偏西兩高輻合才是造成短時(shí)強(qiáng)降水的天氣系統(tǒng)。

注：a.西行臺(tái)風(fēng)低壓型;b.兩高輻合型;c.南支槽型;d.西北氣流型;e.孟加拉灣低壓型。Note: a.Westward typhoon low pressure; b.Convergence between two hights; c.South trough; d.Northwest airflow; e.Bengal low pressure. 圖9　短時(shí)強(qiáng)降水不同影響系統(tǒng)的中尺度概念模型Fig.9　The mesoscale conceptual models of short-time heavy rainfall in different impact systems

3.3南支槽型500 hPa歐亞中高緯以緯向環(huán)流為主，青藏高原東部為弱高壓脊，有弱冷平流南下影響云南；南支槽東移至90°E附近，受東部穩(wěn)定少動(dòng)的西太平洋副熱帶高壓阻擋，形成西北—東南向的低槽，槽前西南氣流和副熱帶高壓外圍的西南氣流共同作用為云南輸送暖濕氣流，為短時(shí)強(qiáng)降水提供有利的水汽條件和能量條件(圖9c)。低層700 hPa云南西部地區(qū)西北—東南向切變線提供了有利的動(dòng)力抬升條件。云南東部有低空急流存在，短時(shí)強(qiáng)降水就發(fā)生在切變線附近、大風(fēng)速帶的左側(cè)。南支槽對(duì)云南降水的影響從滇西開(kāi)始，自西向東逐步影響云南其他區(qū)域。

3.4西北氣流型500 hPa天氣圖上青藏高原東部到滇緬之間出現(xiàn)西北或偏北氣流，有明顯的冷(干)平流受偏北氣流引導(dǎo)南下，伴有大范圍的24 h負(fù)變溫。700 hPa通常為偏西氣流或西南氣流，具有強(qiáng)的垂直風(fēng)切變和強(qiáng)的垂直溫度梯度，表現(xiàn)出強(qiáng)位勢(shì)不穩(wěn)定(圖9d)。地面一般有冷鋒南下，鋒前在強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生前2～3 h常有中尺度輻合線，強(qiáng)對(duì)流易發(fā)生在輻合線附近，從而引發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水。2004年7月5日德宏西部出現(xiàn)的突發(fā)性大暴雨過(guò)程也屬于此類(lèi)型[2]。

3.5孟加拉灣低壓型孟加拉灣低壓是造成云南春秋兩季強(qiáng)降水的重要系統(tǒng)之一(圖9e)。孟加拉灣低壓形成以后，其外圍西南氣流就會(huì)對(duì)滇西地區(qū)造成影響，影響和范圍及大小還與孟加拉灣低壓的移動(dòng)路徑有關(guān)[16]。孟加拉灣低壓影響云南時(shí)，云的降水效率具有較強(qiáng)的區(qū)域分布特點(diǎn)，滇西及滇西南的降水效率最高，滇東北的降水效率最低[17]。

4結(jié)論

該研究利用2010～2013年滇西12個(gè)自動(dòng)氣象站逐時(shí)降水資料和高空觀測(cè)資料，通過(guò)分析2010～2013年滇西短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的時(shí)空變化和環(huán)流背景，得到以下主要結(jié)論：

(1)滇西短時(shí)強(qiáng)降水的頻次每年均有差異，特別是旱年和澇年差異顯著，滇西短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)的變化與該地區(qū)的旱、澇氣候背景密切相關(guān)。滇西短時(shí)強(qiáng)降水頻次的月變化與南亞夏季風(fēng)的建立密切相關(guān)。月變化總體呈單峰型分布，4～8月強(qiáng)降水頻次逐步升高，8月達(dá)最強(qiáng)，9月開(kāi)始降低，10月迅速降低。滇西短時(shí)強(qiáng)降水的日變化呈多峰型，最強(qiáng)峰值出現(xiàn)在04：00～05：00，這與我國(guó)其他地區(qū)有明顯差異，主要原因與滇西地區(qū)特殊的地形有關(guān)。

(2)滇西短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次的空間變化總體趨勢(shì)呈南北向分布，大值中心在龍陵站。短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次空間分布的月變化與南亞夏季風(fēng)的建立、加強(qiáng)和推進(jìn)有關(guān)。

(3)影響滇西短時(shí)強(qiáng)降水的大尺度環(huán)流背景可分為5種類(lèi)型，按影響次數(shù)多少依次分別是西行臺(tái)風(fēng)低壓型、兩高輻合型、南支槽型、西北氣流型和孟加拉灣低壓型。滇西短時(shí)強(qiáng)降水的影響系統(tǒng)和次數(shù)每年均有明顯的變化。

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基金項(xiàng)目2014 中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)員專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(CMAYBY2014-065)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41305002)。

作者簡(jiǎn)介許宏波(1977- )，男，云南騰沖人，工程師，從事天氣預(yù)報(bào)及管理工作。*通訊作者,高級(jí)工程師，碩士,從事大氣電學(xué)和災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)警工作。

收稿日期2016-05-09

中圖分類(lèi)號(hào)S 161.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)16-190-06

Spatial and Temporal Distribution Characteristics of Short-time Heavy Rainfall in West Yunnan Province

XU Hong-bo1, XIE Yi-ran2*, Xie Yin-jian3

(1.Baoshan Meteorological Bureau, Baoshan, Yunnan 678000; 2.Meteorological Observatory of Yunnan Province, Kunming, Yunnan 650034; 3.Jianchuan Vocational Senior High School, Jianchuan, Yunnan 671300)

AbstractHourly precipitation data at 12 stations and radiosonde data in west Yunnan province from 2010 to 2013 were used to statistically compute the spatial and temporal distributions of short time heavy rainfall (hereafter STHR).Then, the environmental background characteristics of typical STRH were analyzed.The results showed that the general trend of spatial variation of STRH frequency in west Yunnan province exhibited south-north distribution, the maximum was in Longling station.The frequency of STRH in west Yunnan Province showed significant yearly variations.The STRH mainly occurred from May to September.The diurnal variation of STRH showed a maximum around 4:00-05:00.There were five kinds of circulation conceptual models during STHR.

Key wordsShort-time heavy rainfall; Spatial and temporal distribution; Environmental background field; West Yunnan Province