貴州省印江縣暴雨特征初步研究

喻義軍，李小蘭，陳　軍，劉丹丹

(1.貴州省印江縣氣象局，貴州　印江　555200；2.貴州省玉屏縣氣象局，貴州　玉屏　554000；3.貴州省銅仁市氣象局，貴州　銅仁　554300；4.貴州省松桃縣氣象局，貴州　松桃　554100；)

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貴州省印江縣暴雨特征初步研究

喻義軍1，李小蘭2，陳軍3，劉丹丹4

(1.貴州省印江縣氣象局，貴州印江555200；2.貴州省玉屏縣氣象局，貴州玉屏554000；3.貴州省銅仁市氣象局，貴州銅仁554300；4.貴州省松桃縣氣象局，貴州松桃554100；)

利用2010—2014年共5 a貴州省印江縣17個自動站觀測資料和Micaps實況資料，采用相關對比分析、匯總歸類等統(tǒng)計方法，分析了印江縣暴雨時空分布及天氣環(huán)流形勢特征。結果表明：近5 a來印江縣暴雨次數(shù)和過程降水量均呈增長趨勢，暴雨主要發(fā)生在4—7月，且7月最多，占全年累計總數(shù)的50%，大暴雨天氣過程以2 d居多，最長持續(xù)3 d；印江多暴雨區(qū)主要集中在印江縣中北部、東北部至梵凈山西部一帶；印江暴雨天氣可分為3類環(huán)流型，即冷鋒+高空槽+切變型、低渦切變+高空短波槽型、臺風倒槽型；印江縣暴雨與該區(qū)域的垂直速度、假相當位溫、比濕、水汽通量散度、水汽通量、渦度、K指數(shù)、SI指數(shù)、LI指數(shù)有密切關系。

暴雨；環(huán)流特征；物理量；相關性

1　引言

汛期暴雨預報由于其形式、背景的復雜性，往往是預報的難點，特別是區(qū)域性的暴雨預報難度更大，但做好縣級區(qū)域性的汛期暴雨預報和暴雨特征分析是經(jīng)濟建設、防汛抗旱等防災減災工作的迫切需求，許多學者對區(qū)域性暴雨特征做過統(tǒng)計分析，如劉益蘭[1]等人對 1961—2000年貴州省 83 個氣象站地面氣象記錄資料進行了分析，表明貴州省降水有著明顯的地域分布特征；馬曉剛等人[2]在分析中國南方持續(xù)性暴雨中指出，K指數(shù)對暴雨強度預報具有較好的指示性 、相關性和超前性；鄭仙照等人[3]指出螺旋度的強度變化對暴雨的發(fā)生發(fā)展有一定的指示意義；葉成志[4]等人在研究臺風“碧利斯”對湖南大暴雨影響時指出，湘東南多山體分布且向北開口的喇叭口特殊地形通過與“碧利斯”低壓環(huán)流北側增強的東北風相配合，有利于水汽輸送和中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展，對湘東南暴雨有明顯增幅作用；任敏[5]等人研究發(fā)現(xiàn)暴雨大多發(fā)生在正渦度區(qū)域南側直到渦度為零的區(qū)間，并以正渦度中心到南側1緯度的范圍內頻率最大，但也有少數(shù)出現(xiàn)在負渦度區(qū)域；朱乾根[6]對江淮切變線進行了分析研究并總結出切變線上降水的分布特征；張洪英等[7]研究發(fā)現(xiàn)低層冷式切變線是引發(fā)大暴雨的主要系統(tǒng)，暴雨主要產(chǎn)生在低空冷式切變線右側、西南低渦的東北象限以及低空急流的左前方，也是高低空急流耦合區(qū)；楊曉霞等[8]研究發(fā)現(xiàn)有利的地形對局地短時極強降水有重要作用，低層暖式切變線和500 hPa低槽的位置不同、中高層冷空氣的侵入強度、位置不同造成強降水的強度位置也不同。

以上研究主要從大范圍對暴雨天氣氣候特征做了研究分析，但由于貴州省地形地貌條件復雜，暴雨頻發(fā)，并具有明顯的區(qū)域性特點，大范圍研究難以全面反映本地的暴雨特征，因此本文通過對近5 a來印江縣暴雨時空分布、環(huán)流特征進行分析，試圖揭示本地暴雨天氣氣候特征，找出與暴雨密切相關的顯著性物理量因子，力圖為縣級短、中期暴雨預報提供參考依據(jù)。

2　資料與方法

規(guī)定全縣范圍內24 h至少出現(xiàn)4站次降水量>50 mm的日期為1個暴雨日；暴雨站次為印江縣17個區(qū)域自動氣象站出現(xiàn)暴雨日的站數(shù)。選取該縣內區(qū)域自動氣象站2010—2014年逐日降水量資料，利用Micaps實況資料對印江縣近5 a暴雨天氣過程的環(huán)流形勢進行統(tǒng)計分析，得出影響印江暴雨常見的環(huán)流分類；利用Micaps物理量場產(chǎn)品，統(tǒng)計分析暴雨天氣過程中水汽、熱力、動力特征因子，總結出該縣產(chǎn)生暴雨的顯著物理量指標。

3　印江縣暴雨時間特征分布

3.1年際變化

對印江縣近5 a 17個站次出現(xiàn)暴雨日數(shù)及暴雨年累積降水量進行統(tǒng)計(表1)，從表中可以看出，近5 a印江暴雨站次百分比無明顯變化，但總體呈增加趨勢，年暴雨過程累積降水量變化顯著，并呈跳躍式變化，2013年出現(xiàn)極低值，2014年出現(xiàn)極大值，特別是2014年暴雨過程年總降水量超過前4 a之和。

3.2月際變化特征

圖1a、1b為印江縣近5 a暴雨日數(shù)及月分布圖。從圖中可以看出，夏季7月出現(xiàn)暴雨日數(shù)最多，占到全年暴雨次數(shù)的50%，6月次之，占全年暴雨次數(shù)的25%，5月較少，4月最少，8月—次年3月全縣沒有大范圍的暴雨發(fā)生。經(jīng)統(tǒng)計，印江暴雨天氣過程最長持續(xù)3 d，發(fā)生在2014年7月13日—16日，持續(xù)2 d和1 d暴雨天氣次數(shù)分別為7次和4次，由此可見，暴雨過程主要以2 d居多，持續(xù)性暴雨主要出現(xiàn)在6—7月，出現(xiàn)3 d以上的暴雨最有可能出現(xiàn)在7月。

表1　印江2010—2014年暴雨年累積降水量及暴雨站次比年變化

圖1　印江縣近5 a暴雨日數(shù)(a)、暴雨月分布(b)Fig.1　 Days of the rainstorm(a), the number of the rainstorm per month (b)

4　印江縣暴雨空間分布特征

4.1暴雨空間頻次分布

地形因素對降水有顯著影響[9]，印江境內山體成東北—西南帶狀分布，海拔最低450 m，北部為沙子坡山體(海拔1 210 m)，東部緊鄰梵凈山(海拔2 290 m)，楊柳山脈(海拔1 464 m)橫跨南部(圖2a)，低層偏南暖濕氣流北上碰到山體阻擋被迫抬升，加強了上升運動，同時暖濕空氣抬升降溫增加濕度，對降水也起到了一定的作用，可見，印江縣暴雨天氣出現(xiàn)的降水強度除了與天氣背景有關外，還與地形密切相關。由圖2b中看出，2010—2014年，印江縣暴雨頻次呈4級分布，自北向南逐漸減少，沙子坡站(108.472°E,28.169°N)暴雨次數(shù)最頻繁，累積發(fā)生10次，占暴雨總次數(shù)的83%；暴雨多發(fā)區(qū)主要集中在杉樹、板溪、天堂、合水、郎溪、永義、木黃一帶；中壩、纏溪最少。

4.2暴雨小時降水量極值特征

選取印江近5 a 17個自動站小時降水極大值數(shù)據(jù)，并作等值線圖,從圖3a中可看出:印江暴雨小時降水量極大值為80.4 mm，極小值為25.1 mm，大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)小時降水量歷史極大值范圍為30～50 mm，小時降水強度主要分成4個區(qū)域(圖3b)，且自南向北逐漸減弱，南部洋溪、楊柳最強，小時降水強度和暴雨頻次在空間上分布差異較大。暴雨空間分布特征分析表明印江縣暴雨小時降水強度、暴雨頻次及海拔高度三者之間有著密切的關系。

圖2　印江地形圖(a)、暴雨頻次空間分布圖(b)Fig.2　Topographic map of Yinjiang county(a), frequency distribution of the rainstorm(b)

圖3　小時降水量極值大小(a)、小時降水量極值空間分布(b)Fig.3　Extremely value of precipitation in one hour(a), The spatial distribution of extremely precipitation(b)

5　印江暴雨主要環(huán)流形式

為研究印江暴雨天氣過程環(huán)流特征，對2010—2014年印江5 a 12次暴雨過程(4站24 h雨量超過50 mm)利用實況資料按高空、地面進行環(huán)流分析歸類，得到以下3種典型類型。

5.1Ⅰ型—冷鋒+高空槽+切變

500 hPa南支槽、高原槽東移(有時無高空槽)進入貴州西北部(圖4a)，對應750 hPa、850 hPa有槽、低渦切變、低空西南急流建立發(fā)展，同時地面冷鋒從貴州西北部進入并向東部偏南移動，造成印江暴雨天氣過程。此類型是4—6月主要的暴雨環(huán)流形式，其特征是500 hPa中低緯地區(qū)有低槽生成并向東移動，貝加爾湖大槽南壓東移，高原槽、南支槽東移至銅仁中部，槽前有>20 m/s西南氣流；700 hPa有切變位于貴州北部，同時四川盆地有低渦存在未來并向東移：850 hPa切變線位于貴州中部，西南風急流核位于銅仁南部；地面有冷鋒從四川方向，經(jīng)貴州西北東南移為主，前期熱低壓減弱西退(圖4a)。此類型出現(xiàn)4次，占總數(shù)的33%。

5.2Ⅱ型—低渦切變+高空短波槽

500 hPa河套地區(qū)南部橫槽南壓，高原有弱波動槽東移到貴州，副熱帶高壓西伸北抬進入廣西北部并維持，貴州南部、東部位于副高西北側，副高西伸脊點位于110°E附近；700 hPa四川東部、重慶、長江流域切變生成并南壓至貴州北部，貴州東南部有西南急流；850 hPa云南、貴州、長江流域橫切變，四川盆地低渦東移，西南風急流核位于銅仁南部并逐漸向北抬；地面熱低壓控制，低壓中心位于貴州省西南部，貴州省中部有輻合線。此類天氣過程降水具有持續(xù)時間短、降水強度大的特點，但如果副高位置維持，加上弱冷空氣南下，往往產(chǎn)生持續(xù)性的強降水(圖4b)。此類型出現(xiàn)7次，站占總數(shù)的58%。

5.3Ⅲ型—臺風倒槽型

臺風或其減弱的熱低壓在廣東、廣西登陸并向西北方向移動，印江位于臺風倒槽的西側，倒槽后有偏東南急流，槽前有東北大風，偏東南急流持續(xù)的水汽輸送和偏北急流的強烈輻合抬升，引發(fā)了印江暴雨天氣；同時由于印江山地的阻擋強迫抬升，暴雨的強度增強(圖4c)。此類型出現(xiàn)1次，占總數(shù)的8%。

圖4　暴雨環(huán)流形勢Ⅰ型(a)、Ⅱ型(b)、Ⅲ型(c)Fig.4　Categories of the atmospheric circulationⅠtype(a), Ⅱtype(b), Ⅲtype(c)

6　印江暴雨物理量指標統(tǒng)計

在研究暴雨天氣環(huán)流形式的基礎上，以Micaps實況物理量場格點資料，選取離印江縣最近的4個格點物理量值，利用雙線性插值法計算出本站相對應的物理量值，取暴雨過程前12 h 13個物理量指標因子，其中4個因子分不同層次。

設第i個物理量因子的相關系數(shù)為ri，n為樣本總量，α為置信度水平，Ti為物理量因子統(tǒng)計量，Tai統(tǒng)計臨界值[10]，根據(jù)相關系數(shù)顯著性分析公式：

(1)

利用Excel統(tǒng)計公式求得第個物理量因子的統(tǒng)計臨界值：

Tai=T.INV(α,n-2)

(2)

式(1)、(2)中n取12，α取0.8，分別求它們與12次暴雨過程降水量的單相關系數(shù)，并對相關系數(shù)進行顯著性水平檢驗(表2)。

T>|Ta|,表明在設定的置信水平上存在正相關；T<-|Ta|，表明在設定的置信水平上存在負相關；如果-|Ta|

表2　物理量因子與暴雨的相關系數(shù)

由表中可以看出，垂直速度、假相當位溫、比濕、水汽通量、水汽通量散度、K指數(shù)、SI指數(shù)、LI指數(shù)、渦度與暴雨均達到顯著的相關性，因此可以把他們作為預報暴雨的物理量因子。

另外，統(tǒng)計物理量因子在暴雨過程前、過程中、過程后的平均值和極值變化特征，由表3可以看出各物理量因子在暴雨前后均有明顯變化，其主要特征是：

①垂直速度：暴雨區(qū)域一般有較強的上升運動，700 hPa垂直速度均值<-20 m·s-1，極小值能達到-116.49 m·s-1。

②假相當位溫: 在850 hPa場有平均值>348 K的高能值鋒區(qū)，一般>336 K。

③水汽通量：低層充足的水汽輸送有利于暴雨的發(fā)生和暴雨強度的加強，印江暴雨850 hPa水汽通量平均值為6.68×10-3g·cm-2·hPa-1·s-1，極小值為4.9×10-3g·cm-2·hPa-1·s-1。

④比濕：850 hPa比濕場平均值為13.83 g·kg-1,極小值為10.42 g·kg-1，梵凈山西部、沿河南部、印江東部、北部為密集的高濕區(qū)。

⑤水汽通量散度：由表3可知，低層水汽通量散度對印江暴雨具有重要指示作用，850 hPa水汽通量散度在該區(qū)域內為負值區(qū)，平均值一般為-9.04×10-3g·cm-2·hPa-1·s-1，750 hPa一般為正值區(qū)，但極小值也可低至-3.86 g·cm-2·hPa-1·s-1，低層輻合，高層弱的輻合或較強的輻散，均可為暴雨提供充足的動力條件。

⑥渦度：850 hPa、700 hPa印江處于正的渦度區(qū)域，其中850 hPa渦度均值為11.08 m·s-1，但700 hPa渦度能底至-1.04 m·s-1，暴雨一般與正渦度中心對應。

⑦K指數(shù)：在暴雨個例中，一般大部分時段K>32.4 ℃，極小值為28.01 ℃。

⑧SI指數(shù)：較強的K指數(shù)和較低的SI指數(shù)說明大氣越不穩(wěn)定，有利于對流的發(fā)生，暴雨個例中通常SI<0.44 ℃，最大可以達到2.72 ℃。

⑨LI指數(shù)：抬升指數(shù)與暴雨也呈較大的反相關性，指數(shù)絕對值越小，層結越不穩(wěn)定，通過暴雨個例統(tǒng)計，一般LI<1.34，極大值為9.84。

表3　暴雨過程前后物理量因子均值變化及極值分布

7　結論

①近5 a，印江暴雨站次和頻次均有增加趨勢，暴雨天氣主要發(fā)生在6—7月，且以7月居多。

②暴雨天氣過程最長持續(xù)為3 d，發(fā)生在2014年7月14—16日，大部分暴雨持續(xù)時間為2 d。

③暴雨多發(fā)區(qū)域為中部、北部、東北部一帶，中壩、纏溪、洋溪、刀壩為少發(fā)區(qū)域，沙子坡最易發(fā)生暴雨，同時暴雨頻次和小時降雨強度呈一定的反相關性。

④通過暴雨天氣高低空環(huán)流形式特征分析，建立了3類典型的環(huán)流型，即冷鋒+高空槽+切變型，低渦切變+高空短波槽型，臺風倒槽型。

⑤Micaps物理量場分析發(fā)現(xiàn)垂直速度、假相當位溫、比濕、水汽通量散度、水汽通量、K指數(shù)、SI指數(shù)、LI指數(shù)、渦度等物理量與暴雨有密切的關系。

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Preliminary Research on the Characteristics of the Rainstorm for Yinjiang County, Guizhou Province

YU Yijun1,LI Xiaolan2,CHEN Jun3,LIU Dandan4

(1.Yinjiang Meteorological Bureau of Guizhou Province, Yinjiang 555200, China; 2.Yuping Meteorological Bureau of Guizhou Province, Yuping 554000, China; 3.Tongren Meteorological Bureau of Guizhou Province, Tongren 554300,China; 4.Songtao Meteorological Bureau of Guizhou Province, Songtao 554100,China)

Based on the 17 Automatic stations observation data and Micaps data from 2010 to 2014, the spatial-temporal distribution and atmospheric circulation features of the rainstorm were researched by using the correlation analysis, statistical method and so on in Yinjiang County. The results show that: The times of rainstorm and Annual precipitation in nearly five years showed a growth trend，the rainstorm mainly occurred in April-July, but in July is the most, which accounts for 50% of the total number of rainstorm. The rainstorm usually ended in two days, and the longest maybe last to three days; Rainstorm region mainly concentrated in the middle of north, North-East and the western region of Fanjing Mountain; Atmospheric circulation of the rainstorm can be classified into three categories, which is cold front+ upper trough + Shearing, Low vortex Shearing + shortwave trough of high level and typhoon inverted trough; The rainstorm was closely related to the vertical speed, pseudo-equivalent temperature, specific humidity, water vapor flux divergence, moisture flux, vorticity, K index, SI index, and LI index in the rainstorm region.

rainstorm; characteristics of atmospheric circulation; physical; correlation

1003-6598(2016)03-0049-06

2015-06-13

喻義軍(1987-)，男，助工，主要從事綜合氣象觀測保障工作，E-mail:2565199892@qq.com。

P426.61+4

B