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
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)。
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。
3.1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)
4.1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)
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)
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 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。 [1] 劉益蘭,帥士章.貴州降水變化趨勢特征分析[J].貴州氣象,2001(1):11-12. [2] 馬曉剛,李月安,李麗光,等. K指數(shù)和低空急流在暴雨過程中的預報特征分析[J]. 安徽農業(yè)科學,2010,38(34):19 620-19 621. [3] 鄭仙照,壽紹文,沈新勇.一次暴雨天氣過程的物理量分析[J]. 氣象, 2006,32(1): 103-104. [4] 葉成志,李昀英. 湘東南地形對“碧利斯”臺風暴雨增幅作用的分析[J]. 暴雨災害,2011,30(2):128. [5] 任敏,陳焱. 安徽暴雨落區(qū)與一些物理量關系的統(tǒng)計分析[J]. 氣象,2006,32(4):43-44. [6] 朱乾根,林錦瑞,壽紹文,等.天氣學原理與方法[M].北京:氣象出版社,2001. [7] 張洪英,王英,趙敏芬,等. 低空冷式切變線引發(fā)區(qū)域性大暴雨成因分析[J]. 氣象科技,2010 (S1):29-34. [8] 楊曉霞, 蔣義芳,胡順起,等. 2009 年 “8· 17” 魯南低渦暖式切變線極強降水分析[J]. 暴雨災害, 2013, 32(3):224-234. [9] 陳賀,李原園,楊志鋒.地形因素對降水分布的研究[J].水土保持研究,2007,14(1):1-2. [10]陳雄新,曾建一,陳勇. Excel在T檢驗中的實用技巧[J]. 實用預防醫(yī)學,2006,13(1):202-205. 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 B7 結論