遼寧省近70年短歷時(shí)暴雨時(shí)空變化及氣象成因分析

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114100)

遼寧省夏季暴雨是區(qū)域山洪、中小河流洪水災(zāi)害頻發(fā)的主要影響因素[1]。遼寧省由于地理位置、氣候條件的綜合影響，夏季暴雨具有歷時(shí)短、強(qiáng)度大的特點(diǎn)[2]。研究表明區(qū)域暴雨洪水與短歷時(shí)強(qiáng)降水息息相關(guān)，歷時(shí)短、強(qiáng)度大的局部暴雨是形成區(qū)域洪水的主要因素，且其氣象成因較為復(fù)雜。因此，研究區(qū)域短歷時(shí)暴雨時(shí)空變化特征及氣象成因，對(duì)于短歷時(shí)暴雨預(yù)警預(yù)報(bào)、人民生命財(cái)產(chǎn)安全防護(hù)及防洪治澇總體部署具有重要意義。當(dāng)前，對(duì)于遼寧省暴雨變化特征取得了一定的研究成果[3-10]。馮玉[11]結(jié)合遼寧省日降水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)全省暴雨時(shí)空分布特征及重現(xiàn)期的概率分布進(jìn)行了研究，結(jié)果表明遼寧省在1957—2015年間暴雨強(qiáng)度、暴雨貢獻(xiàn)率呈緩慢減小的趨勢(shì)，在1960—1980年暴雨日數(shù)有明顯下降趨勢(shì)。郭國(guó)洋等[12]結(jié)合遼寧省22個(gè)氣象臺(tái)站1960—2012年共53年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)對(duì)遼寧省每年各站暴雨量、暴雨日數(shù)、暴雨強(qiáng)度以及貢獻(xiàn)率進(jìn)行了分析，結(jié)果表明遼寧省暴雨的空間分布極不均勻，總的趨勢(shì)是由東南向西北減少,表現(xiàn)為東多西少,南多北少。張亮亮等[13]基于遼寧省23個(gè)氣象站近50年降雨數(shù)據(jù)對(duì)遼寧省大雨與暴雨時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明遼寧省大雨強(qiáng)度在20世紀(jì)60年代中后期和21世紀(jì)初主要呈現(xiàn)增大趨勢(shì),中間時(shí)段以減少趨勢(shì)為主。李嵐等[14]利用遼寧省54個(gè)氣象觀測(cè)站1980—2009年的常規(guī)地面觀測(cè)資料,采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了遼寧省暴雨的氣候特征，結(jié)果表明遼寧省年平均降水量自西北向東南方向逐漸增多,西北部地區(qū)在400～500mm之間,東南部地區(qū)則多達(dá)800～1050mm。以上研究成果均表明遼寧省暴雨時(shí)空特征發(fā)生了較為明顯的變化，但各研究成果對(duì)遼寧省暴雨時(shí)空演變規(guī)律的研究還存在不足，首先是分析的降雨站點(diǎn)數(shù)量不足，其次是對(duì)單個(gè)站點(diǎn)的研究成果較多，存在以點(diǎn)代面的局限，缺少對(duì)整個(gè)面雨量的分析研究。為此本文結(jié)合遼寧省544個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過空間插值方法對(duì)遼寧省面暴雨特征進(jìn)行分析。

1 研究數(shù)據(jù)

1.1 代表站點(diǎn)

按照水文資料完整性、可靠性、一致性的原則，選取遼寧省544個(gè)降水站點(diǎn)的暴雨實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，代表雨量站分布見圖1。

圖1 代表雨量站分布

1.2 場(chǎng)次暴雨

為使選取的暴雨數(shù)據(jù)具有代表性，本文從遼寧省544個(gè)降水站點(diǎn)的降雨量摘錄數(shù)據(jù)中，按照暴雨中心雨量高于200mm、降雨間隔時(shí)段低于6h、暴雨中心覆蓋范圍內(nèi)雨量大于30mm的雨量站點(diǎn)降雨歷時(shí)具有同步性為原則，選取162場(chǎng)典型暴雨對(duì)遼寧省短歷時(shí)暴雨時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。

1.3 時(shí)段最大雨量

本文中暴雨歷時(shí)分析采用6個(gè)統(tǒng)計(jì)時(shí)段，分別為最大10min、最大30min、最大60min、最大3h、最大6h、最大24h的雨量。若雨量站點(diǎn)降雨量摘錄有以上時(shí)段數(shù)據(jù)則直接采用，若無(wú)以上時(shí)段，則按滑動(dòng)方法進(jìn)行最短值的計(jì)算。

2 暴雨成因分析

對(duì)遼寧省近70年典型暴雨的情況進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表1。遼寧省夏季暴雨天氣系統(tǒng)受西南和東南季風(fēng)環(huán)流以及兩個(gè)環(huán)流的匯合帶影響。

表1 遼寧省近70年典型暴雨

西南季風(fēng)環(huán)流與印度熱帶輻合帶相互作用，形成來自印度洋的西南季風(fēng)。當(dāng)印度季風(fēng)偏北時(shí)，熱帶低壓擾動(dòng)比較活躍。在南海高壓的西北側(cè)與青藏高原東北方向的低渦之間形成西南低壓急流，低渦北上與西風(fēng)槽結(jié)合，誘發(fā)了南來的氣旋暴雨。

東南季風(fēng)環(huán)流與西太平洋熱帶輻合帶相互作用。當(dāng)熱帶輻合帶向北推進(jìn)時(shí)，往往伴隨有臺(tái)風(fēng)等熱帶渦旋群活動(dòng)，促使西太平洋副熱帶高壓西伸北進(jìn)。在副高的西南側(cè)出現(xiàn)強(qiáng)盛的東南季風(fēng)氣旋，在低層表現(xiàn)為東南低空急流，向北方輸送大量豐沛的暖濕空氣，當(dāng)北上臺(tái)風(fēng)及其東南低空急流與西風(fēng)槽在遼寧省相遇時(shí)，形成臺(tái)風(fēng)雨。

季風(fēng)匯合帶，由西南季風(fēng)與東南季風(fēng)氣流在青藏高原東麓到我國(guó)大陸東部匯合而成。在季風(fēng)匯合帶的低空急流伴隨其左側(cè)的低值系統(tǒng)北上，與西南槽結(jié)合形成氣旋暴雨。

總之，遼寧省暴雨環(huán)流形勢(shì)的特點(diǎn)由西風(fēng)槽東移，副高北上，再由臺(tái)風(fēng)登陸偏北綜合導(dǎo)致。在上述環(huán)流形勢(shì)背景下，遼寧省暴雨天氣系統(tǒng)影響因素較為復(fù)雜，一般為強(qiáng)度較大的西風(fēng)槽和北上臺(tái)風(fēng)，以及與這兩個(gè)天氣系統(tǒng)相關(guān)的華北、江淮氣旋和地面冷鋒。此外副高北抬導(dǎo)致的東北冷渦、切變也常常是局部暴雨形成的主要天氣系統(tǒng)。

遼寧省西南方印度洋的孟加拉灣以及東南方太平洋的黃海是兩個(gè)主要的水汽來源，有時(shí)受兩股氣流耦合作用，造成不同區(qū)域出現(xiàn)短歷時(shí)暴雨。

3 暴雨時(shí)間特征分析

3.1 暴雨年內(nèi)分布特征

結(jié)合氣象部門暴雨分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)選取的遼寧省162場(chǎng)典型暴雨進(jìn)行不同月份各量級(jí)暴雨頻次分布的統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果見表2。

表2 不同月份遼寧省各量級(jí)暴雨頻次的分布

由表2可知，在162場(chǎng)暴雨中，發(fā)生大暴雨60場(chǎng)、特大暴雨102場(chǎng)。暴雨發(fā)生時(shí)間集中在7月、8月，有143場(chǎng)，占總暴雨場(chǎng)次的90%。

3.2 歷時(shí)、雨量分布特征

對(duì)各水文分區(qū)(見圖2)162場(chǎng)暴雨降雨歷時(shí)T進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果見表3。由表3可看出，在選取的162場(chǎng)典型暴雨中，降雨時(shí)段低于24h的只有3場(chǎng)，遼寧省暴雨時(shí)段高于24h的頻次較高。對(duì)各暴雨時(shí)段占總雨量的比例進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。由表4可看出，3日雨量占據(jù)的比例最高，為95.21%，1h的比例最低，為18.31%。

圖2 遼寧省水文分區(qū)

表3 各統(tǒng)計(jì)歷時(shí)發(fā)生的暴雨頻次

表4 場(chǎng)次暴雨時(shí)段雨量分配

3.3 暴雨極值

對(duì)不同統(tǒng)計(jì)時(shí)段暴雨分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見表5。由表5可看出，不同時(shí)段暴雨極值主要集中在遼寧省的東部，尤其是丹東地區(qū)，該區(qū)域?qū)儆谶|寧省暴雨易發(fā)區(qū)。對(duì)24h暴雨量高于200m的站點(diǎn)分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見表6。由表6可看出，544個(gè)降水站點(diǎn)中有284個(gè)降水站點(diǎn)24h暴雨量高于200mm，其中水文分區(qū)Ⅲ區(qū)站點(diǎn)占全省總數(shù)的50%，屬于暴雨中心雨量最多的區(qū)域；水文分區(qū)Ⅱ區(qū)雨量站點(diǎn)最少，只占全省總數(shù)的2%。

表5 時(shí)段雨量極值統(tǒng)計(jì)

表6 24h雨量大于200mm的雨量站分布

4 暴雨空間特征分析

結(jié)合遼寧省544個(gè)降水站點(diǎn)的暴雨資料集，采用地理空間插值方法統(tǒng)計(jì)分析了遼寧省最大10min、最大30min、最大60min、最大1h、最大3h、最大6h、最大24h的暴雨時(shí)空變化特征，見圖3，并按市統(tǒng)計(jì)了不同地區(qū)暴雨發(fā)生的頻次，結(jié)果見表7。

圖3 不同降雨時(shí)段下遼寧省暴雨空間變化特征

遼寧省近70年短歷時(shí)暴雨空間變化特征具有一定的規(guī)律性，暴雨中心區(qū)域主要位于東部山區(qū)、中部平原及沿海西部區(qū)域，從東南向西北逐步減少，東南部屬于暴雨大值分布區(qū)域。丹東地區(qū)最大24h暴雨量最大，可達(dá)300mm以上。北部的撫順、沈陽(yáng)以及西部大部分區(qū)域短歷時(shí)暴雨值較低，最大24h暴雨量低于200mm。由圖3、表6可以看出，隨著時(shí)段的增加，暴雨中心點(diǎn)空間變化較為固定，在選用站中，24h雨量超過200mm的雨量站有284個(gè)，暴雨中心雨量值高于200mm的站點(diǎn)大部分在水文分區(qū)III區(qū)，占總站數(shù)的比例達(dá)到50%，水文分區(qū)Ⅱ區(qū)站點(diǎn)數(shù)只占全省總數(shù)的2%，站點(diǎn)最少。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析，遼寧省發(fā)生短歷時(shí)超標(biāo)準(zhǔn)暴雨次數(shù)平均為每年0～5次，主要呈現(xiàn)2個(gè)變化周期，分別為3～6年以及14～16年。超標(biāo)準(zhǔn)短歷時(shí)暴雨空間分布總體呈從東南向西北逐步減少趨勢(shì)，丹東屬于全省的暴雨中心，遼北一帶暴雨次數(shù)較少，東南部地區(qū)在8月發(fā)生暴雨的頻次較高。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合遼寧省544個(gè)雨量站點(diǎn)近70年的暴雨資料，從時(shí)間和空間尺度對(duì)全省暴雨時(shí)空變化特征進(jìn)行深入分析，并對(duì)其暴雨影響的天氣系統(tǒng)進(jìn)行剖析，研究成果對(duì)于遼寧省洪澇災(zāi)害防御規(guī)劃具有重要意義。遼寧省暴雨中心主要位于東部山區(qū)、中部平原及西部沿海區(qū)域，建議加強(qiáng)以上地區(qū)防洪能力建設(shè)，保障防洪安全，此外遼西地區(qū)短歷時(shí)強(qiáng)降水主要集中在7月，而東南部主要集中在8月，因此建議加強(qiáng)防御遼西7月及東南部8月短時(shí)強(qiáng)降水可能引發(fā)的山洪災(zāi)害。