安順市大暴雨的時空分布特征與物理量分析

曾 妮，方 鵬，李啟芬，鄧 安，胡秋紅

(1.貴州省安順市氣象局，貴州 安順 561000；2.貴州省普定縣氣象局，貴州 普定 562100)

0 引言

安順位于貴州的中西部，是典型的喀斯特地貌集中地區(qū)，其地形北高南低，多山地、丘陵、河谷，地形的復(fù)雜性給暴雨落區(qū)的預(yù)報增加了難度，而暴雨是安順主要的災(zāi)害性天氣之一，強(qiáng)的暴雨天氣往往容易造成城市內(nèi)澇、山體滑坡、農(nóng)作物受災(zāi)等，給人們的生命財產(chǎn)、公共設(shè)施等帶來嚴(yán)重?fù)p害，相比之下大暴雨的強(qiáng)度更大，局地性更強(qiáng)，帶來的災(zāi)害和預(yù)報難度也更大，因此有大量的氣象工作者對暴雨和大暴雨天氣的環(huán)境特征、影響系統(tǒng)、時空分布特征等進(jìn)行分析和研究[1-7]；王騰[8]等對昌都市1980—2015年的暴雨氣候特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，夏季暴雨逐時分布不均，多發(fā)生在晚間；陳丹[9]等對四川盆地夏季暴雨變化特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，西太平洋暖池偏強(qiáng)(弱)，ENSO冷(暖)事件時，四川盆地西部暴雨偏多(少)；姚正蘭[10]等對遵義市的暴雨氣候特征分析發(fā)現(xiàn)，遵義市暴雨發(fā)生有一定的階段性和區(qū)域性；盧璐[11]等對貴州夏季大暴雨天氣的時空分布特征分析發(fā)現(xiàn)，大暴雨的地域分布受地形的影響顯著, 總體分布不均。

目前對安順市暴雨各方面的研究較多[12-15]，而對大暴雨的研究主要集中在個例分析上，還缺乏對大暴雨的氣候特征、時空分布等的研究，本文對安順市大暴雨的時空分布特征及物理量進(jìn)行診斷分析，以期為安順市中短期大暴雨的預(yù)報提供一定的參考依據(jù)。

1 資料與方法

選取2009—2019年安順市6個國家站和77個區(qū)域站(為保證數(shù)據(jù)的一致性，去掉2009年以后新增的區(qū)域站)的逐日(20—20時，北京時間)和逐小時降水資料、Micaps資料。參照楊青等[1，10，16]的研究結(jié)果，定義83個測站中有1個及以上站點24 h(20—20時，北京時間)降水量≥100 mm記為1個大暴雨日，在大暴雨日中有3個及以上站點出現(xiàn)大暴雨且相鄰，定義為區(qū)域性大暴雨，否則為局地性大暴雨。

2 大暴雨時間分布特征

2009—2019年安順市大暴雨總?cè)諗?shù)為111 d，影響范圍為595站次，年平均大暴雨日數(shù)為10.1 d，年平均影響范圍為54.1站次，大暴雨最多年份為2019年18 d共172站次(圖1a)，最少的年份為2009年6 d共16站次，年大暴雨日數(shù)大多在8～12 d之間，2019年的大暴雨日數(shù)和影響站次遠(yuǎn)超其余年份，是次多年份2012年12 d(44站次)的1.5(3.9)倍，表明在近11a 中2019年屬于大暴雨偏多年，與2010年相比2011年大暴雨的日數(shù)減少，但影響站次不變，表明2011年的大暴雨影響范圍更廣或站點上出現(xiàn)大暴雨的頻次增加，相反與2015年相比2016年的大暴雨影響范圍小或大暴雨出現(xiàn)在站點上的頻次減少；年平均大暴雨強(qiáng)度和年降水極值的變化趨勢基本一致(圖1b)，總體呈波動上升趨勢，3個峰值分別出現(xiàn)在2011、2014和2019年，其中2019年的年平均大暴雨強(qiáng)度和年降水極值分別達(dá)57 mm/h和369 mm為近11 a最大。

圖1 2009—2019年安順市大暴雨日數(shù)和站次(a)、年平均大暴雨強(qiáng)度和年降水極值(b)的年變化Fig.1 The annual change of days,stations,annual mean rainfall intensity and annual precipitation extremum of heavy rainstorm in Anshun from 2009 to 2019(a-b)

安順市大暴雨日數(shù)和站次的月變化呈單峰型(圖2a)，大暴雨最早出現(xiàn)于4月(2011年和2019年)，最晚結(jié)束于12月(2010年)，5—9月是大暴雨出現(xiàn)的集中期，占大暴雨總?cè)諗?shù)(總站次)的95%(98%)，其中6月是大暴雨出現(xiàn)頻次最高和影響范圍最廣的月份，近11 a來6月共出現(xiàn)40個大暴雨日，影響范圍達(dá)261站次；各月大暴雨站次的年變化較大(圖2b)，5月、7月和9月均有3 a發(fā)生大暴雨的站次超過10站次，8月有4 a超過10站次，而6月有8 a超過10站次，影響范圍最廣的是2019年的6月87站次，其次是2019年的9月59站次，從2016年以后6月出現(xiàn)大暴雨的站次多于其他月份，且呈逐年增加的趨勢。

從大暴雨的小時變化曲線(圖2c)看出，大暴雨的各時次總降水量和各時次降水時數(shù)的變化趨勢基本一致，20時之前各時次總降水量和各時次降水時數(shù)均較小，20—01時迅速增大，01—06時為大值區(qū)，06時開始逐漸減小，說明在01—06時之間發(fā)生降水的概率最大，總降水量在01時達(dá)到最大1 435.8 mm，降水時數(shù)在06時達(dá)到最大90 h，說明在01時雨強(qiáng)大或影響范圍廣，06時是降水的高發(fā)時次；降水強(qiáng)度呈雙峰型，最大值出現(xiàn)在21時為25.8 mm/h，其次是01時為20.5 mm/h，以上分析表明大暴雨的主要發(fā)生時段和最強(qiáng)影響時段出現(xiàn)在夜間到早晨，其中22—06時最強(qiáng)，21時和01時是大暴雨天氣過程中最易產(chǎn)生強(qiáng)降水的兩個時次。

圖2 2009—2019年安順市大暴雨日數(shù)和站次的月變化(a)、各月大暴雨站次的年變化(b)、大暴雨小時變化曲線(c)Fig.2 The monthly change curve of heavy rainstorm days and stations in Anshun from 2009 to 2019(a)The annual change curve of heavy rainstorm stations in each month in Anshun from 2009 to 2019(b)The variation curve of hourly rainfall during the period of heavy rainfall in Anshun from 2009 to 2019(c)

對2009—2019年安順市的大暴雨天氣進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，近11 a安順市區(qū)域性大暴雨有46 d，局地性大暴雨有65 d，局地性大暴雨是區(qū)域性大暴雨的1.4倍，由表1看出，區(qū)域性大暴雨比局地性大暴雨出現(xiàn)時間晚，結(jié)束時間早，6月是區(qū)域性大暴雨和局地性大暴雨出現(xiàn)最多的月份，并且兩種大暴雨出現(xiàn)頻率相當(dāng)，5—7月局地性大暴雨出現(xiàn)的頻率最高，占總局地性大暴雨日數(shù)的72.3%；從表2看出，除2013年、2014年和2019年外，其余年份的局地性大暴雨日數(shù)多于區(qū)域性大暴雨日數(shù),但從2013年開始區(qū)域性大暴雨與局地性大暴雨的日數(shù)差逐漸減小，表明近幾年大暴雨的影響范圍有所擴(kuò)大；對大暴雨天氣的持續(xù)性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，安順主要出現(xiàn)單日大暴雨，近11 a持續(xù)2 d的大暴雨只出現(xiàn)過15次，其中有7次出現(xiàn)在6月，僅有一次持續(xù)3 d(2019年7月17—19日)，沒有持續(xù)4 d及以上的大暴雨天氣(圖略)。

表1 2009—2019年安順市區(qū)域性和局地性大暴雨日數(shù)的月際分布Tab.1 The monthly distribution of the number of days of regional and local heavy rainstorm in Anshun from 2009 to 2019

表2 2009—2019年安順市區(qū)域性和局地性大暴雨日數(shù)的年際分布Tab.2 The interannual distribution of the number of regional and local heavy rainstorm days in Anshun from 2009 to 2019

3 大暴雨空間分布特征

安順市大暴雨總?cè)諗?shù)有兩個高頻區(qū)(≥15 d)和兩個低頻區(qū)(≤2 d)，高頻區(qū)位于關(guān)嶺縣西部和紫云縣南部的迎風(fēng)坡附近，低頻區(qū)位于鎮(zhèn)寧縣南部的河谷低洼地帶和西秀區(qū)中西部的高海拔區(qū)域，且大暴雨總?cè)諗?shù)≥8 d的區(qū)域也基本上位于迎風(fēng)坡附近，大暴雨總?cè)諗?shù)≤4 d的區(qū)域主要位于河谷低洼地帶、背風(fēng)坡和海拔相對較高的區(qū)域(圖3a、圖3d)，表明大暴雨的落區(qū)與地形密切相關(guān)，在迎風(fēng)坡為上升運(yùn)動，強(qiáng)迫暖濕氣流抬升，對暴雨的增幅有較大影響；大暴雨總量的空間分布(圖3b)與大暴雨總?cè)諗?shù)的空間分布基本一致；大暴雨強(qiáng)度的空間分布(圖3c)與日數(shù)分布略有差別，總體呈南強(qiáng)北弱，大于150 mm·d-1的強(qiáng)中心分別位于關(guān)嶺縣北部和南部、紫云縣中部，以及西秀區(qū)、鎮(zhèn)寧縣和紫云縣的交界處，小于110 mm·d-1的弱中心位于西秀區(qū)中部和紫云縣東南部；近11 a安順市大暴雨的總站次和總?cè)諗?shù)的空間分布基本一致，呈南多北少的空間分布，南部3個縣區(qū)的大暴雨站次均多于100站次，其中關(guān)嶺縣最多達(dá)133站次，而北部3個縣區(qū)的大暴雨站次均少于85站次，其中西秀區(qū)最少為66站次(圖略)。

圖3 2009—2019年安順市大暴雨總?cè)諗?shù)(a)、總降水量(b)、強(qiáng)度(c)的空間分布；安順市地形(d)Fig.3 The spatial distribution of days,rainfall and rainfall intensity of heavy rainstorm in Anshun from 2009 to 2019,Terrain of Anshun (d)

4 大暴雨的物理量特征分析

由于安順市的大暴雨主要出現(xiàn)在5—9月，因此對2009—2019年5—9月出現(xiàn)的105次大暴雨過程的物理量進(jìn)行統(tǒng)計分析，除去數(shù)據(jù)缺失的個例，對剩余的97個大暴雨天氣期間08時和20時的各物理量進(jìn)行統(tǒng)計分析。結(jié)果顯示：08時對流有效位能CAPE≥400 J·kg-1的次數(shù)為35次(36%)，其中≥1 000 J·kg-1的次數(shù)為14次(14%)，20時CAPE≥400 J·kg-1的次數(shù)為79次(81%)，其中≥1 000 J·kg-1的次數(shù)為44次(45%)，楊忠明等[17]的研究指出安順市70%以上的暴雨CAPE值在400 J·kg-1以上，加之08時的氣溫往往是一天中的較低時次，不利于能量的積累，因此08時的對流有效位能對安順市大暴雨天氣沒有很好的指示作用。

分別對大暴雨期間20時的各物理量求平均值，由表3看出：大暴雨期間CAPE平均值在960 J·kg-1以上，除5月和8月以外，其余月份的CAPE平均值在1 000 J·kg-1，其中6月的CAPE平均值最大為1 371.3 J·kg-1；K指數(shù)的平均值除5月為37.8 ℃以外，其余月份均在40 ℃以上；SI指數(shù)的平均值在各月均小于0，其中在6月最低為-2.0 ℃；850 hPa假相當(dāng)位溫(θse850)的平均值除5月為74.2 ℃外，其余月份均大于80 ℃，其中6月和7月在85 ℃以上；850 hPa和700 hPa比濕(q850和q700)的平均值分別大于12.8 g·kg-1和10.5 g·kg-1，且也是5月最低，6月和7月最高；5月的CAPE、K指數(shù)、SI指數(shù)、θse850、q850和q700均比其它月份小，但T85(850 hPa和500 hPa溫度差)和T75(700 hPa和500 hPa溫度差)大于其它月份。由以上分析得出：5月產(chǎn)生大暴雨時大氣上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)更明顯，因此在5月預(yù)報大暴雨天氣時要更注重分析T85和T75；6—7月產(chǎn)生大暴雨時對能量和中低層的水汽含量的要求高于其它月份。

表3 2009—2019年 5—9月安順市大暴雨天氣期間20時的各物理量平均值Tab.3 The mean value of each physical quantity at 20pm during the period of heavy rainstorm in Anshun from May to September, 2009 to 2019

5 結(jié)論

①2009—2019年安順市大暴雨日數(shù)為111 d，影響范圍為595站次，年平均大暴雨日數(shù)為10.1 d，年平均影響范圍為54.1站次；大暴雨最早出現(xiàn)于4月，最晚結(jié)束于12月，5—9月是大暴雨出現(xiàn)的集中期，其中6月是大暴雨出現(xiàn)頻次最高和影響范圍最廣的月份；大暴雨的主要發(fā)生時段和最強(qiáng)影響時段出現(xiàn)在夜間到早晨，其中22—06時最強(qiáng)，21時和01時是大暴雨天氣過程中最易產(chǎn)生強(qiáng)降水的2個時次。

②近11a安順市區(qū)域性大暴雨有46 d，局地性大暴雨有65 d，區(qū)域性大暴雨比局地性大暴雨出現(xiàn)時間晚，結(jié)束時間早，6月是區(qū)域性大暴雨和局地性大暴雨出現(xiàn)最多的月份，5—7月局地性大暴雨出現(xiàn)的頻率最高；安順主要出現(xiàn)單日大暴雨，近11 a持續(xù)2 d的大暴雨只出現(xiàn)過15次，僅有一次持續(xù)3 d，沒有持續(xù)4 d及以上的大暴雨天氣。

③安順市大暴雨總?cè)諗?shù)有兩個高頻區(qū)(≥15 d)和兩個低頻區(qū)(≤2 d)，高頻區(qū)位于關(guān)嶺縣西部和紫云縣南部的迎風(fēng)坡附近，低頻區(qū)位于鎮(zhèn)寧縣南部的河谷低洼地帶和西秀區(qū)中西部的高海拔區(qū)域，大暴雨總量的空間分布與大暴雨總?cè)諗?shù)的空間分布基本一致；大暴雨強(qiáng)度的空間分布呈南強(qiáng)北弱，總站次的空間分布呈南多北少。

④5月產(chǎn)生大暴雨時大氣上冷下暖的不穩(wěn)定層結(jié)更明顯，因此在5月預(yù)報大暴雨天氣時要更注重分析T85和T75；6—7月產(chǎn)生大暴雨時對能量和中低層的水汽含量的要求高于其它月份。