遼寧省暴雨時(shí)空特征及暴雨氣象成因分析

李晨濤

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

遼寧省屬于典型的季風(fēng)氣候，處于干旱半干旱過(guò)渡地帶，與內(nèi)蒙和西北相連，且受東部山區(qū)夾峙地帶影響，部分區(qū)域氣候?yàn)榇箨懠撅L(fēng)變化[1]。遼寧地區(qū)氣候呈現(xiàn)典型的季節(jié)變化，夏季日照時(shí)間充足，降水十分集中，氣候較為干燥，全省不同區(qū)域氣候因地理位置的不同具有顯著的差異性。降水主要集中在夏季，秋冬季降水量較少[2]。遼寧省年降水量在空間上從東南向西北逐步遞減，多年平均降水量在300～1300mm之間變幅，降水量高值區(qū)域主要位于丹東區(qū)域，而遼寧西部地區(qū)年降水量低于500mm，屬于典型的干旱半干旱地區(qū)。遼寧地區(qū)年蒸發(fā)量和降雨分布具有明顯的差異性，年蒸發(fā)量在800mm以上的區(qū)域主要位于遼寧西部，且從西向東逐步遞減變化，遼寧中部蒸發(fā)量總體在800～1000mm之間[4-5]。近些年來(lái)，遼寧省局地暴雨頻發(fā)，相關(guān)研究成果表明[6-12]遼寧地區(qū)短時(shí)雨強(qiáng)和暴雨洪水具有緊密的聯(lián)系，區(qū)域暴雨洪水主要由短時(shí)強(qiáng)降水形成，且受不同天氣系統(tǒng)影響程度較高。因此需要對(duì)遼寧省暴雨特征及其暴雨成因進(jìn)行系統(tǒng)分析，從而為區(qū)域洪水預(yù)警以及水旱災(zāi)害防御措施規(guī)劃提供重要的參考價(jià)值。

1 場(chǎng)次暴雨選取

1.1 場(chǎng)次暴雨

為提高遼寧省暴雨特征分析的代表性，本文按照暴雨序列長(zhǎng)度高于30年，且具有區(qū)域暴雨代表特征的544個(gè)雨量站點(diǎn)，各雨量站點(diǎn)數(shù)據(jù)系列均按照代表型、可靠性、一致性進(jìn)行分析，所以暴雨資料均來(lái)自遼寧省水文年鑒數(shù)據(jù)庫(kù)，在站點(diǎn)選取的基礎(chǔ)上，本文按照區(qū)域暴雨中心點(diǎn)雨量高于200mm，且連續(xù)降雨時(shí)段不低于6h，此外考慮暴雨覆蓋程度以及暴雨中心與其他雨量站點(diǎn)降水歷時(shí)同步特征等因素，共選取180場(chǎng)次暴雨進(jìn)行遼寧省暴雨特征以及成因分析。

1.2 時(shí)段最大雨量

統(tǒng)計(jì)各雨量站歷年10、30、60min，1、3、6、12、24h，及3d時(shí)段最大雨量，共收集10、30、60min，1、3、6、12、24h，1、3d時(shí)段，總計(jì)28366站年的雨量資料。

1.3 資料處理

對(duì)系列不全的雨量站進(jìn)行資料插補(bǔ)，采用的插補(bǔ)方法有：

(1)直接借用鄰站資料。該站與鄰站距離較近，且同一流域。數(shù)值相差不大時(shí)，直接借用鄰站資料，共123站年。

(2)采用同流域鄰站平均值。當(dāng)該站與鄰站已有資料相差不大時(shí)，采用相鄰各站平均值插補(bǔ)。

(3)采用分鐘與小時(shí)或小時(shí)與日系數(shù)插補(bǔ)。有60min而無(wú)1h雨量資料或反之的雨量站，采用該站二者之間多年平均系數(shù)插補(bǔ)。同樣對(duì)于有180、360、720、1440min而無(wú)3、6、12、24h和1d雨量資料的雨量站也采用多年平均系數(shù)插補(bǔ)，共有3913站年。

(4)采用相鄰時(shí)段平均系數(shù)。以上方法都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的雨量站，采用相鄰時(shí)段平均系數(shù)插補(bǔ)。

(5)采用等雨量線插補(bǔ)。當(dāng)雨量很大時(shí)，采用等雨量線插補(bǔ)缺測(cè)值。

1.4 確定采用站

本文選取的544處站點(diǎn)分布如圖1所示，選用10、30、60min，1、3、6、12、24h，及3d共9個(gè)時(shí)段參與暴雨統(tǒng)計(jì)計(jì)算。各時(shí)段采用站情況見表1。

圖1 確定選用的544個(gè)雨量站點(diǎn)分布

表1 采用站情況統(tǒng)計(jì)

2 暴雨成因及特性分析

2.1 年內(nèi)分布特征

結(jié)合544個(gè)雨量站點(diǎn)選取的場(chǎng)次暴雨數(shù)據(jù)，對(duì)兩個(gè)暴雨量級(jí)下的5—9月份不同月份下暴雨發(fā)生頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果見表2。

從表2中可看出，遼寧省24h暴雨超過(guò)200mm的場(chǎng)次暴雨主要集中在7—8月，其中8月份頻次較高，而100～200mm暴雨則主要集中在7月份，表明遼寧地區(qū)在8月份較容易出現(xiàn)量級(jí)較高的暴雨量。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，7—8月份發(fā)生量級(jí)超過(guò)200mm的暴雨場(chǎng)次總數(shù)占總場(chǎng)次暴雨次數(shù)的比例達(dá)到62%。

表2 各月份不同量級(jí)暴雨分布 單位：次

2.2 暴雨歷時(shí)特征分析

按照遼寧省水文分區(qū)如圖2所示，對(duì)不同歷時(shí)下的暴雨場(chǎng)次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果見表3。

圖2 遼寧省水文分區(qū)

表3 不同歷時(shí)暴雨場(chǎng)次統(tǒng)計(jì) 單位：次

從統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可看出遼寧地區(qū)暴雨歷時(shí)低于24h的場(chǎng)次數(shù)為3場(chǎng)，其他場(chǎng)次暴雨連續(xù)歷時(shí)均高于24h，遼寧地區(qū)暴雨連續(xù)時(shí)間超過(guò)24h的概率較高。從暴雨歷時(shí)的空間分布可看出，暴雨歷時(shí)超過(guò)24h的場(chǎng)次數(shù)從東向中部，再向西部逐步減少，東部區(qū)域暴雨歷時(shí)超過(guò)24h的場(chǎng)次數(shù)達(dá)到89次，占總場(chǎng)次數(shù)的比例達(dá)到49.4%，水文分區(qū)II區(qū)主要為阜新地區(qū)，其暴雨歷時(shí)超過(guò)24h的場(chǎng)次數(shù)最低，僅為2次，占總暴雨場(chǎng)次數(shù)的比例較低。

2.3 暴雨極值

對(duì)不同統(tǒng)計(jì)時(shí)段下暴雨中心高值區(qū)域發(fā)生的站點(diǎn)進(jìn)行時(shí)段雨量極值的統(tǒng)計(jì)和分析。分析結(jié)果見表4。

表4 時(shí)段雨量極值統(tǒng)計(jì)

從時(shí)段雨量極值統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可看出，經(jīng)統(tǒng)計(jì)遼寧最大10min暴雨量值為65.0mm，為位于遼東地區(qū)的寬甸站，從各時(shí)段雨量分布總體可看出，暴雨極值主要位于遼寧的東部和南部，也屬于遼寧地區(qū)的暴雨中心，從各時(shí)段暴雨極值發(fā)生時(shí)段可看出，主要集中在7月20號(hào)至8月20號(hào)之間，這一時(shí)段也為遼寧省暴雨極值高發(fā)時(shí)段。

2.4 暴雨中心分布

在選取的暴雨站點(diǎn)中，對(duì)其暴雨中心分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表5。

表5 暴雨中心分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從暴雨中心統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果看出，和其時(shí)段暴雨極值分布較為相似，暴雨極值分布區(qū)域一般也為遼寧省的暴雨中心，一般而言，暴雨中心主要統(tǒng)計(jì)其24h雨量值高于200mm的站點(diǎn)，在選取的544個(gè)雨量站點(diǎn)中24h雨量值超過(guò)200mm的站點(diǎn)數(shù)量為283個(gè)，占總雨量站點(diǎn)數(shù)的比例為52%，從暴雨中心分布可看出，III區(qū)的雨量占比數(shù)最高達(dá)到50.2%，屬于遼寧省的暴雨中心，這一區(qū)域主要為本溪和丹東地區(qū)，II區(qū)雨量站點(diǎn)占比數(shù)最低，僅為1.4%，這一區(qū)域?yàn)檫|寧西部的阜新地區(qū)，尤其是阜新柳河上游。從暴雨中心空間分布可看出，其和暴雨量值分布也具有較為明顯的相似性，總體呈現(xiàn)從東南向中部再向西北部逐步遞減變化的空間分布。

3 最大3d暴雨均值、Cv空間分布規(guī)律

對(duì)遼寧地區(qū)歷史暴雨調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)歷史暴雨中心最大3d暴雨量及Cv值空間分布變化規(guī)律進(jìn)行了分析，分析結(jié)果見表6。

表6 暴雨中心與Cv高值區(qū)對(duì)照表

從分析結(jié)果可看出，年最大暴雨均值等值線在空間分布上具有從東往西、從南向北遞減的規(guī)律，等值線量級(jí)變化范圍在65～200mm之間。其中：東南部110～200mm；東北部70～110mm；中部平原區(qū)70～120mm；西南沿海100～150mm；西北地區(qū)65～100mm。全省有2個(gè)高值區(qū)，一個(gè)位于鴨綠江流域蒲石河入河口附近，量級(jí)為200mm；另一個(gè)在東南沿海小凌河支流六股河附近，量級(jí)為150mm。全省等值線最小區(qū)出現(xiàn)在西北端，范圍在60～65mm。等值線梯度變化較大地區(qū)在上述2個(gè)高值區(qū)，中部平原等值線梯度變化比較緩。年最大3d降雨量的Cv等值線量級(jí)在0.40～0.75之間，梯度變化相對(duì)均勻。時(shí)段雨量的Cv值受特大暴雨影響較大，如果觀測(cè)到的特大暴雨量明顯高于其它雨量觀測(cè)值，則該時(shí)段雨量Cv值較大。

4 場(chǎng)次暴雨氣象成因分析

對(duì)遼寧省1949年以來(lái)典型場(chǎng)次暴雨的主要?dú)庀蟪梢蜻M(jìn)行分析，結(jié)果見表7。

表7 遼寧省1949年以來(lái)典型暴雨及其氣象成因

從遼寧省1949年以來(lái)14場(chǎng)典型暴雨情況可看出，西風(fēng)槽與北部的低壓冷鍋相遇是遼東南部典型暴雨主要?dú)庀蟪梢?，西南季風(fēng)受其環(huán)流和印度熱帶季風(fēng)綜合影響形成西南季風(fēng)，熱帶低壓受印度季風(fēng)北抬影響對(duì)氣流擾動(dòng)較為明顯，北部青藏高原通過(guò)南海高壓西移綜合影響使得低壓急流向東北方向快速推進(jìn)，西風(fēng)槽與北部的低壓冷鍋相遇，從而形成影響遼寧東部和南部的區(qū)域型暴雨。此外西太平洋熱帶與東南季風(fēng)進(jìn)行相遇后，使得副熱帶熱帶高壓逐步向北抬升，也通常有臺(tái)風(fēng)影響使得熱帶旋渦活動(dòng)明顯，為西太平洋熱帶高壓的向北抬升創(chuàng)造了有利條件。這種氣象條件下東南氣旋主要出現(xiàn)在副熱帶高壓的西南側(cè)且較為強(qiáng)盛。東南低壓主要出現(xiàn)在低壓空氣層，大量的暖濕空氣逐步向遼寧地區(qū)進(jìn)行輸送，當(dāng)西風(fēng)槽與北上的臺(tái)風(fēng)以及東南低壓在遼寧地區(qū)進(jìn)行相遇后，極易形成臺(tái)風(fēng)暴雨。這一類型暴雨主要出現(xiàn)在遼寧的東部以及沿海區(qū)域。從青藏高原過(guò)來(lái)的西南和東南季風(fēng)環(huán)流在我國(guó)東南進(jìn)行季風(fēng)匯合后，低空急流在西南和東南季風(fēng)環(huán)流匯合后逐步向北側(cè)低值進(jìn)行移動(dòng)，氣旋暴雨在西南和東南季風(fēng)匯合北上后形成本溪明山區(qū)任家堡子、岫巖縣李家堡子、丹東毛甸子的典型暴雨。

綜上遼寧地區(qū)暴雨成因較為復(fù)雜，主要受西南槽東移及副高北抬形成的季風(fēng)環(huán)流，再就是臺(tái)風(fēng)北上帶來(lái)的氣旋暴雨。遼寧地區(qū)暴雨成因天氣系統(tǒng)受到北上臺(tái)風(fēng)和西風(fēng)槽季風(fēng)環(huán)流影響程度較大，此外蒙古、江淮、華北氣旋以及地面冷鍋也是區(qū)域短歷時(shí)暴雨的一些成因。此外遼寧地區(qū)局部暴雨天氣系統(tǒng)還包括一些副高北抬下東北冷鍋以及切變線等天氣影響。遼寧地區(qū)暴雨水汽輸送主要來(lái)源于東南黃海以及西南的孟加拉灣，受到不同氣旋環(huán)流作用影響其形成的暴雨類型也有所不同。

5 主要結(jié)論

(1)西風(fēng)槽與北部的低壓冷鍋相遇，極易形成遼寧東南部區(qū)域性的氣旋暴雨，而當(dāng)西風(fēng)槽與北上的臺(tái)風(fēng)以及東南低壓在遼寧地區(qū)進(jìn)行相遇后，極易形成臺(tái)風(fēng)暴雨，江淮、華北氣旋以及地面冷鍋也區(qū)域短歷時(shí)暴雨的主要成因。

(2)遼寧省24h暴雨超過(guò)200mm的場(chǎng)次暴雨主要集中在7月和8月，尤其是7月20日至8月20日期間，其中8月份頻次明顯高于7月份。

(3)年最大暴雨均值等值線在空間分布上具有從東往西、從南向北遞減的規(guī)律，等值線量級(jí)變化范圍在65～200mm之間。全省有2個(gè)高值區(qū)，一個(gè)位于鴨綠江流域蒲石河入河口附近，量級(jí)為200mm；另一個(gè)在東南沿海小凌河支流六股河附近，量級(jí)為150mm。