浙江西北部山地暴雨特征

黃哲 ，查賁 ，沈杭鋒 ，翟國慶 ，張霏燕

（1.浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院大氣科學(xué)系，浙江杭州310027；2.杭州市臨安區(qū)氣象局，浙江臨安311300；3.杭州市氣象局，浙江杭州310051）

暴雨是浙西北最常見的一種災(zāi)害性天氣，易造成山洪暴發(fā)、城鄉(xiāng)淹沒，尤其是局地短時暴雨，因預(yù)報難度大，過程劇烈，其危害較大。如2005年9月3日，臨安昌化鎮(zhèn)出現(xiàn)了局地特大暴雨，昌化站3 h雨量達415 mm,打破了浙江省歷史紀(jì)錄[1]。地形在局地降水形成、發(fā)展中起著舉足輕重的作用。孟英杰等[2]認為，中尺度暴雨過程中地形抬升有兩方面的作用：一是地形強迫上升作用使空氣絕熱冷卻，產(chǎn)生凝結(jié)和降水，增強降水強度；二是強迫上升可以激發(fā)對流發(fā)生，觸發(fā)中尺度雨團及其中尺度系統(tǒng)。地形熱力作用和地面風(fēng)場輻合及氣流過山在迎風(fēng)坡受迫抬升均能產(chǎn)生上升運動,觸發(fā)或加強不穩(wěn)定能量釋放，產(chǎn)生強對流天氣[3]。當(dāng)接近山脈的空氣被地形所擋，無法越過時，氣流必須在水平方向偏轉(zhuǎn)并繞過山脈，從而導(dǎo)致各種局地風(fēng)系和天氣系統(tǒng)的發(fā)展[4]。近年來，區(qū)域自動氣象站網(wǎng)的建成，為更好地研究山脈對局地暴雨的影響創(chuàng)造了條件。本文基于2005—2017年高密度區(qū)域自動氣象站降水資料，對浙西北暴雨的精細化時空分布特征進行了統(tǒng)計分析，旨在找到暴雨的高發(fā)區(qū)和高發(fā)期，預(yù)測暴雨災(zāi)害重點防范區(qū)和防范時段，從而有針對性地開展防災(zāi)減災(zāi)工作，以提高防范暴雨災(zāi)害的能力，降低災(zāi)害損失。

1 資料與方法

浙西北地形復(fù)雜，多山地丘陵，三面環(huán)山，向東呈馬蹄形開口，山峰大多在海拔1 000 m以上，中部及東部為海拔200 m以下的低丘、河谷平原區(qū)（見圖1）。降水總量分布選用經(jīng)過處理的2015—2017年66個區(qū)域自動站年降水量資料（見圖2注）；暴雨時間分布選用2005—2017年建站較早的14個區(qū)域自動站降水資料（見圖1藍色實心圓）；暴雨空間分布選用2015—2017年66個區(qū)域自動站降水資料(見圖1實心圓)，降水資料的空間分辨率可達6.5 km；所用降水資料都是經(jīng)過浙江省區(qū)域自動站實時質(zhì)量控制后的數(shù)據(jù)。

文中暴雨特指短時暴雨，即降水量≥20 mm·h—1算一次暴雨過程?？臻g分布統(tǒng)計時連續(xù)暴雨的算一次過程，中間間隔降水量＜20 mm·h—1超過1 h算另一次暴雨過程,利用區(qū)域站逐小時降水資料，暴雨次數(shù)按小時雨量統(tǒng)計。

圖1 浙西北區(qū)域自動站站點分布圖Fig.1 Distribution of automatic weather stations in northwest Zhejiang

2 浙西北降水量分布特征

統(tǒng)計浙西北2005—2017年降水總量（見圖2）得到，浙西北雨量分布呈西南、東北多，中部、東部少的特征（見圖2（a）），有2個明顯的降水中心，清涼峰到大明山一帶為非臺風(fēng)雨量降水中心，臺風(fēng)影響較小(見圖2（b）)，天目山市嶺一帶為臺風(fēng)降水中心(見圖2（c）)，去除臺風(fēng)雨量后，降水中心特征不明顯，這2個中心海拔高度均在700 m以上，受地形抬升影響明顯。圖2的降水分布表明，在浙西北山區(qū)，不同的天氣系統(tǒng)造成的主要降水區(qū)也不同。

選取降水量中心區(qū)的清涼峰站和市嶺站，作2005—2017年各站點逐月雨量分布圖如圖3所示，清涼峰站降水量極值出現(xiàn)在6月份，即梅汛期西風(fēng)帶系統(tǒng)影響時，而市嶺降水量極值出現(xiàn)在8月份，這個統(tǒng)計結(jié)果很好地說明了不同區(qū)域具有不同的季節(jié)降水，這與浙西北特殊的山地地形有關(guān)。此外，還與不同的氣象條件和中尺度擾動系統(tǒng)有關(guān)。圖3的2個代表站說明了西風(fēng)帶中的暴雨主要發(fā)生在大明山附近及其以西的江西省，而臺風(fēng)引起的降水則發(fā)生 在天目山區(qū)。

圖2 2005-2017年累計降水量分布圖Fig.2 Distribution of cumulative precipitation from the automatic weather stations during 2005 to 2017

圖3 2005-2017年逐月總降水量分布圖Fig.3 Monthly distribution of precipitation during 2005 to 2017

3 暴雨分布特征

3.1 暴雨時間分布特征

從2005—2017年14個區(qū)域自動站暴雨頻數(shù)的時序分布圖中（見圖4）可以看出，暴雨集中在每天的13：00—20：00，這一時段暴雨占總數(shù)的56%，其中最易出現(xiàn)暴雨的時間為15：00，達85次，占總數(shù)的9.7%；暴雨出現(xiàn)頻次較少的時段為22：00—05：00，僅為總數(shù)的12.4%，其中04：00和05：00出現(xiàn)的次數(shù)最少，僅13次。說明山地降水多發(fā)生在午后到傍晚時段，這與每日的逐時熱力、層結(jié)變化特征相一致。午后,隨著氣溫的升高，層結(jié)逐漸趨于不穩(wěn)定狀態(tài)，易引發(fā)對流[5]。

為了解暴雨中心與其他站的降水時間分布，選取降水中心清涼峰站和市嶺站以及降水中心附近的軍建站和石門站做單站暴雨頻數(shù)日變化圖（見圖5），進一步分析發(fā)現(xiàn)，降水中心的清涼峰站和市嶺站暴雨主要發(fā)生在午后，與圖4結(jié)果類似，呈雙峰分布，變化劇烈且分布更加集中，在其余時次，降水中心和一般降水區(qū)別不大，暴雨頻數(shù)都在5次或以下。

圖4 2005-2017年14個區(qū)域自動站暴雨出現(xiàn)頻數(shù)的時序分布圖Fig.4 Hourly distribution of rainstorm frequency from 2005 to 2017

圖5 單站暴雨頻數(shù)日變化圖Fig.5 Daily change of rainstorm frequency of single station

進一步分析暴雨的月際變化規(guī)律（見表1）發(fā)現(xiàn)，13年中，冬季（12月—2月）只出現(xiàn)過2次暴雨，即冬季幾乎無暴雨，暴雨主要集中在6—9月，占總數(shù)的76%，其中，7月份最多，占總數(shù)的29.2%，8月次之，占28.4%。6月份的雖然是一年中月降水量最多的月份，但暴雨明顯較7、8月份少，這可能與7、8月份強對流天氣較多有關(guān)。

表1 2005-2017年暴雨（降雨量≥20 mm）次數(shù)月分布Table 1 Monthly distribution of rainstorm frequency from 2005 to 2017

圖6為4—9月暴雨頻數(shù)的時序分布特征，可以看出4月份與5月份暴雨出現(xiàn)最多的時次均為19：00，5月份夜里發(fā)生暴雨的次數(shù)明顯大于白天，這是因為近地面邊界層大氣由于白天地面持續(xù)的熱通量輸送使日落后溫度達到極值，太陽下山后，由于地表與大氣熱力差異大，容易形成不穩(wěn)定層結(jié)，引發(fā)對流。6月份有2個大值區(qū)，最大值出現(xiàn)在早晨前后（6：00—9：00），其次出現(xiàn)在午后；6月份處于梅雨期，有研究指出，清晨前后梅雨低槽兩側(cè)的西南氣流和偏北氣流同時加強，促使雨區(qū)低層輻合增強，鋒生現(xiàn)象也增強，容易出現(xiàn)中尺度系統(tǒng)性質(zhì)的降水活動[6]。7月份也有2個大值區(qū)，最大值出現(xiàn)在午后，其次是早晨前后，因7月上旬通常還處于梅雨期末端，降水性質(zhì)和6月份相同，6月份和7月份最小值都出現(xiàn)在0：00前后。8月份和9月份暴雨分布相似，后半夜到早晨出現(xiàn)次數(shù)最少，中午以后出現(xiàn)次數(shù)逐漸增多，在17：00達到峰值后逐漸減少。總的來看，春雨期（4—5月）暴雨主要出現(xiàn)在日落后，梅雨期最大出現(xiàn)在早晨前后，其次是午后，盛夏時主要出現(xiàn)在午后。

3.2 暴雨空間分布特征

從暴雨頻數(shù)的空間分布圖（見圖7）上可看出，最大值位于清涼峰到大明山一帶，暴雨出現(xiàn)次數(shù)較少的是在中部地區(qū)和最東部的青山湖等地勢較低的區(qū)域，這都與圖2的降水量分布一致，不同的是降水量較少的城區(qū)附近也有一個暴雨大值中心，這可能與城市熱島效應(yīng)有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計，大部分自動站的月平均氣溫均較臨安基本站低，且氣溫差距在夏季明顯拉大，夏季城區(qū)更高的氣溫導(dǎo)致觸發(fā)的對流更強烈。

圖6 暴雨頻數(shù)逐月時序分布圖Fig.6 Hourly distribution of rainstorm frequency from April to September

圖7 2015-2017年短時暴雨頻數(shù)空間分布圖Fig.7 Spatial distribution of rainstorm frequency from 2015 to 2017

進一步分析暴雨頻數(shù)逐月的空間分布規(guī)律（見圖8）發(fā)現(xiàn)，3月份，暴雨只在浙西北-北部少量出現(xiàn)，這可能由3月份西南暖濕氣流開始活躍,而北方的強冷空氣還沒有完全減退，冷暖氣流在長江中下游地區(qū)交匯引起；4月份，在西南部清涼峰到大明山一帶成片出現(xiàn)；5月份，由西南向整個西部發(fā)展；6月份，最盛，除東北部市嶺一帶外，其他地區(qū)都有暴雨出現(xiàn)，且西部、南部要明顯大于東部、北部。7月后出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，西南暴雨迅速減少，天目山市嶺一帶暴雨明顯增多，此時正是浙江梅雨結(jié)束、臺風(fēng)暴雨及熱對流產(chǎn)生的暴雨增多的盛夏期；8月份，暴雨在全區(qū)域都有發(fā)展，且分布較均勻，東部城區(qū)附近達全盛期。9月份，暴雨在大部分地區(qū)迅速減少，只在東南部還存在相對的多值中心。10月后各地區(qū)很少出現(xiàn)暴雨，僅在天目山區(qū)、大明山一帶、昌北等高海拔地區(qū)出現(xiàn)?？偟膩砜矗阄鞅北┯甏嬖诒容^明顯的季節(jié)性變化，這種季節(jié)性在天目山市嶺一帶尤為突出，6月份市嶺一帶是唯一無暴雨的區(qū)域，在7月份變?yōu)楸┯曜疃嗟牡貐^(qū)。結(jié)合前文，市嶺一帶受臺風(fēng)影響最嚴(yán)重，筆者將通過分析浙西北的特殊地形對不同天氣系統(tǒng)的影響，找出暴雨出現(xiàn)季節(jié)性變化的原因。

圖8 2015-2017年5-10月份暴雨頻數(shù)逐月空間分布圖Fig.8 Spatial distribution of rainstorm frequency during May to October from 2015 to 2017

4 浙西北山地特殊地形對不同天氣系統(tǒng)的影響

4.1 地形對梅雨期西風(fēng)帶系統(tǒng)降水的增幅作用

通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，2005年為空梅年份，2006—2017年的12 a中，梅雨量最大站點出現(xiàn)在清涼峰到大明山一帶的有6次，占總數(shù)的一半，這6次清涼峰站或大明山站梅雨量約為區(qū)域平均值的1.6倍（見表2）。

梅雨期多為西風(fēng)帶系統(tǒng)，地形對暴雨的影響主要是迎風(fēng)坡的輻合作用引起的暴雨增幅[7]。清涼峰位于西南部的迎風(fēng)坡，系統(tǒng)來臨時，西南暖濕氣流沿坡爬升，導(dǎo)致對流旺盛、雨量加大，形成迎風(fēng)坡降雨中心，同時，地形阻擋作用也使降水系統(tǒng)移動減緩，雨時延長[8]。

表2 2006-2017年梅雨期的降水量特征Table 2 The precipitation characteristics of meiyu period from 2006 to 2017

4.2 地形對臺風(fēng)降水的增幅作用

在臺風(fēng)系統(tǒng)中，地形與臺風(fēng)環(huán)流相互作用主要表現(xiàn)在兩個方面：一是迎風(fēng)坡效應(yīng)[9]，臺風(fēng)環(huán)流在流經(jīng)中尺度地形時，在迎風(fēng)坡上水平輻合得到加強，對降水產(chǎn)生明顯的增幅作用；二是地形與臺風(fēng)環(huán)流相互作用激發(fā)出多個中小尺度渦旋系統(tǒng)，引起臺風(fēng)暴雨的突然增幅[10]，有研究進一步指出，地形強迫容易在底層臺風(fēng)眼的西北側(cè)激發(fā)中尺度對流云團，形成中尺度雨團[11]。

統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，2005—2017年共有15個臺風(fēng)對浙西北地區(qū)造成較大影響，其中過程雨量最大出現(xiàn)在天目山市嶺一帶的有10次，這10次市嶺站過程雨量都在區(qū)域平均值的2.5倍以上。從路徑上分析（見表3），當(dāng)臺風(fēng)中心位于天目山東南部時，天目山一帶位于臺風(fēng)眼西北側(cè)的東北氣流，降水增幅最明顯；當(dāng)臺風(fēng)中心位于天目山西南部時，降水增幅減小；當(dāng)臺風(fēng)中心位于天目山以北時，浙西北降水明顯減弱。

5 結(jié) 論

5.1 浙西北雨量分布整體呈西南、東北多，中部、東部少的特征，有2個暴雨中心，一個是位于清涼峰到大明山一帶的梅汛期暴雨中心，另一個為天目山市嶺一帶的臺風(fēng)暴雨中心。

表3 2005-2017年臺風(fēng)降水量特征Table 3 The precipitation characteristics of typhoon period from 2005 to 2017

5.2 暴雨存在明顯的月、日變化特征，主要集中在6—9月，其中7—8月最多，春雨期（4—5月）暴雨主要出現(xiàn)在日落前后，梅雨期最大出現(xiàn)在早晨前后，其次是午后，盛夏時主要出現(xiàn)在午后；暴雨最易出現(xiàn)在15：00，暴雨中心時間分布較一般降水區(qū)更集中，變化也更劇烈。

5.3 暴雨空間分布存在明顯的季節(jié)特征，6月前暴雨集中在西部和南部，7月后出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，西南暴雨迅速減少，東北部天目山市嶺一帶暴雨明顯增多，8—9月，東部城區(qū)一帶暴雨最多，這可能和城市熱島效應(yīng)有關(guān)。5.4 地形對不同降水系統(tǒng)都有明顯的增幅作用，西風(fēng)帶系統(tǒng)最易在清涼峰一帶產(chǎn)生暴雨，臺風(fēng)對天目山市嶺一帶影響最大，市嶺地形為東北-西南河谷型，受狹管效應(yīng)和地形抬升的影響，當(dāng)臺風(fēng)位于天目山東南部時，天目山一帶吹東北風(fēng)對降水增幅最明顯，市嶺站過程雨量超過區(qū)域平均值的2.5倍。