呼倫貝爾市汛期短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征

高紹鑫，劉 靜，常 煜，隋沆銳

(1.呼倫貝爾市氣象局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008；2.呼倫貝爾市海拉爾區(qū)氣象局，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008)

1 引言

我國汛期雷暴大風(fēng)、冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)[1, 2]，其中短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)最多[3]?！度珖虝r(shí)臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)規(guī)定》中定義短時(shí)強(qiáng)降水為1 h降雨量大于等于20 mm的降水，且降水總時(shí)間不超過6 h，其過程具有突發(fā)性強(qiáng)、降水時(shí)間集中、降水量大、局地性強(qiáng)及預(yù)報(bào)難度大等特點(diǎn)，大多數(shù)強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)警提前量通常不超過1 h[4]。這些特點(diǎn)使得短時(shí)強(qiáng)降水容易致災(zāi)，對(duì)農(nóng)業(yè)、交通、建筑等都易造成嚴(yán)重影響。

國內(nèi)一些學(xué)者對(duì)不同地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征開展了研究。朱平等[5]分析了青海高原致災(zāi)性對(duì)流天氣的時(shí)空分布特征與地形的關(guān)系。袁晨等[6]分析了四川都江堰地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)都江堰小時(shí)降水極值多出現(xiàn)在高海拔地區(qū)且夜雨特征突出。呂勁文等[7]分析2012～2016年6～9月浙江省午后短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布，并探討其環(huán)流背景和觸發(fā)因子。沈偉等[8]詳細(xì)分析了江蘇短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征。汪翔等[9]分析了近45年蚌埠市汛期短時(shí)強(qiáng)降水的氣候特征。王婧羽等[10]利用高時(shí)空分辨率的地面降水觀測資料，統(tǒng)計(jì)分析了河南2010～2015年預(yù)計(jì)短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征。韓寧等[11]對(duì)陜甘寧三省不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征、天氣學(xué)概念模型以及物理量特征進(jìn)行研究。王芬等[12]分析了黔西南短時(shí)強(qiáng)降水特征及其與暴雨的關(guān)系。劉增基等[13]通過分析福建省前汛期短時(shí)強(qiáng)降水氣候特征，發(fā)現(xiàn)地形對(duì)降水的影響十分顯著。張寧等[14]分析了蘭州市短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征，并探討短時(shí)強(qiáng)降水頻次與地形的關(guān)系。李琛[15]分析總結(jié)了北京市短歷時(shí)強(qiáng)降雨的時(shí)空分布。王國榮等[16]統(tǒng)計(jì)分析了北京地區(qū)夏季短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征。楊春等[17]分析了重慶時(shí)空地區(qū)近25年的小時(shí)降水時(shí)空分布特征。郭凌曜等[18]和姚蓉等[19]分別對(duì)湖南省短時(shí)強(qiáng)降水氣候特征和時(shí)空分布進(jìn)行分析。常煜等[20]對(duì)2012～2015年內(nèi)蒙古夏季37例典型短時(shí)強(qiáng)降水事件的天氣尺度流型和小尺度影響系統(tǒng)進(jìn)行分析。

北方強(qiáng)降水具有次數(shù)少、強(qiáng)度大、降水時(shí)間集中、年際變化大、歷時(shí)短且范圍小的氣候特征[21]。常煜[22]利用1991～2013年呼倫貝爾市汛期(6～8月份)16站逐小時(shí)降水資料，揭示了呼倫貝爾市短時(shí)強(qiáng)降水變化特征。但該研究采用的站點(diǎn)稀疏，空間分辨率低。本文在次此基礎(chǔ)上采用國家站和區(qū)域站在內(nèi)的241個(gè)氣象站點(diǎn)，補(bǔ)充分析2005～2018年呼倫貝爾市的短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征。本研究旨在為本地強(qiáng)降水預(yù)報(bào)提供氣候背景參考，也對(duì)提高城市防災(zāi)減災(zāi)能力有借鑒意義。

2 資料選取和定義

本研究中短時(shí)強(qiáng)降水定義為1 h降雨量大于等于20 mm的降水。呼倫貝爾市4月和10月份為季節(jié)轉(zhuǎn)換月份，5～9月份進(jìn)入主汛期降水相態(tài)為雨，因此本文選取2005～2018年間5～9月份呼倫貝爾市241個(gè)區(qū)域自動(dòng)站和國家站的小時(shí)降水資料，剔除異常值后，提取小時(shí)降水量大于等于20 mm的降水過程記為一次短時(shí)強(qiáng)降水。位于我國北方的呼倫貝爾市地處東經(jīng)115°31′～126°04′，北緯47°05′～53°20′。大興安嶺以東北—西南走向縱貫呼倫貝爾市中部，西部為呼倫貝爾大草原，東部為大興安嶺東麓，東北平原—松嫩平原邊緣。如圖1所示，地形總體特點(diǎn)為西高東低。

圖1 研究區(qū)地形分布

3 空間分布

統(tǒng)計(jì)2005～2018年呼倫貝爾市所有站點(diǎn)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的次數(shù)，總計(jì)有193個(gè)站出現(xiàn)共1062次。短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次的空間分布如圖2所示，其中162個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的次數(shù)少于9次，27個(gè)站點(diǎn)發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水頻次10～20次，4個(gè)站點(diǎn)發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水頻次大于20次。

圖2顯示，阿榮旗、扎蘭屯市的成吉思汗站、大河灣站和鄂溫克族自治旗的輝蘇木站出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的次數(shù)最多，超過20次。由此可知，呼倫貝爾市14年間短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)主要分為兩個(gè)地區(qū)：第一個(gè)主要集中在東南部地區(qū)，為農(nóng)區(qū)平原地帶，即扎蘭屯市東部和阿榮旗南部。該地區(qū)是東南水汽輸送的必經(jīng)之路，也是東北冷渦的經(jīng)由地，因此該地水汽充足且常有動(dòng)力抬升作用配合，容易產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水等對(duì)流天氣。同時(shí)該地區(qū)位于大興安嶺東麓海拔高度自東向西逐漸增加，偏東風(fēng)和偏南風(fēng)經(jīng)過此地向西爬升時(shí)被迫做抬升運(yùn)動(dòng)，即地形作用是該地短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生的有利條件。第二個(gè)高發(fā)地區(qū)是鄂溫克族自治旗西南部，由于西部地區(qū)監(jiān)測站點(diǎn)較少，目前只有輝蘇木的短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)最多。該站位于呼倫貝爾草原南部，常有東南暖濕氣流途徑此地向西輸送，使得該地在動(dòng)力條件滿足時(shí)有充足的水汽條件。

3.1 不同時(shí)段短時(shí)強(qiáng)降水頻次空間分布

統(tǒng)計(jì)分析不同發(fā)生時(shí)段短時(shí)強(qiáng)降水的空間分布情況，如圖3所示。由圖3可知，短時(shí)強(qiáng)降水各時(shí)段發(fā)生都是集中在東部地區(qū)，且單站出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的次數(shù)大多數(shù)是1～5次。02：00～08：00總計(jì)有84個(gè)站發(fā)生158次短時(shí)強(qiáng)降水，其中只有大河灣站出現(xiàn)次數(shù)最多為7次，其余站點(diǎn)出現(xiàn)次數(shù)都在1～5次之間。08：00～14：00總計(jì)有108個(gè)站點(diǎn)發(fā)生共227次短時(shí)強(qiáng)降水，其中上庫力六隊(duì)、西瓦爾圖和西瓦爾圖鎮(zhèn)東向陽分別出現(xiàn)6次，輝蘇木出現(xiàn)22次，其余站點(diǎn)出現(xiàn)次數(shù)均在5次以內(nèi)。14：00～20：00總計(jì)157個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)468次短時(shí)強(qiáng)降水，有145個(gè)站出現(xiàn)1～5次，10個(gè)站出現(xiàn)6～10次，成吉思汗站出現(xiàn)14次，輝蘇木出現(xiàn)25次。20：00～02：00總計(jì)有112個(gè)站共出現(xiàn)209次，其中阿榮旗、輝蘇木和大河灣三站分別出現(xiàn)6次、7次和8次，其余站點(diǎn)出現(xiàn)次數(shù)均為1～5次。由此可知，出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水最多是時(shí)段是14：00～20：00，該時(shí)段內(nèi)對(duì)流發(fā)展最為旺盛，是強(qiáng)對(duì)流天氣的高發(fā)時(shí)段。次高峰是08～14時(shí)，該時(shí)段內(nèi)氣溫逐漸升高，大氣能量不斷積累，當(dāng)受到一定擾動(dòng)時(shí)可觸發(fā)對(duì)流。

圖2 2005～2018年研究區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水空間分布

3.2 不同量級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水頻次空間分布

統(tǒng)計(jì)分析不同量級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水的空間分布情況，如圖4所示。圖4中顯示，各量級(jí)的短時(shí)強(qiáng)降水大多集中在東部地區(qū)發(fā)生，單站各量級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的次數(shù)都是以1～5次居多。20～30 mm的短時(shí)強(qiáng)降水總計(jì)187個(gè)站出現(xiàn)共805次，138個(gè)站出現(xiàn)1～5次，37個(gè)站出現(xiàn)6～11次，8個(gè)站出現(xiàn)11～15次，出現(xiàn)15次以上的站共3個(gè)，分別是大河灣、阿榮旗和輝蘇木。同時(shí)，從圖4中也可看出20～30 mm量級(jí)的短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)次數(shù)越高的站點(diǎn)，其分布位置越偏東。30～40 mm量級(jí)的短時(shí)強(qiáng)降水總計(jì)有101個(gè)站出現(xiàn)，共計(jì)191次，其中98個(gè)站出現(xiàn)次數(shù)為1～5次，阿爾拉和成吉思汗兩個(gè)站均出現(xiàn)6次，輝蘇木出現(xiàn)17次。40～50 mm量級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水總計(jì)34個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)共38次，各站點(diǎn)出現(xiàn)次數(shù)為1次或2次。50 mm以上量級(jí)短時(shí)強(qiáng)降水總計(jì)27個(gè)站出現(xiàn)共28次，坤密爾提出現(xiàn)兩次，其余站點(diǎn)均出現(xiàn)一次。由此可見，短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的站點(diǎn)數(shù)和次數(shù)隨降水量級(jí)的增加而減少，出現(xiàn)極端強(qiáng)降水的站點(diǎn)多集中在東部地區(qū)。此外，就特定量級(jí)降水而言，東部地區(qū)出現(xiàn)的次數(shù)大多高于其它地區(qū)，即東部地區(qū)是全市短時(shí)強(qiáng)降水的高發(fā)地區(qū)。

圖3 2005～2018年各時(shí)段研究區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次

圖4 2005～2018年各量級(jí)研究區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水空間分布

4 多時(shí)間尺度特征

4.1 年際變化

統(tǒng)計(jì)2005～2018年呼倫貝爾市的短時(shí)強(qiáng)降水年際變化如圖5所示。2013年發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)最多，總計(jì)為217次；超過100次的有2014年(100次)、2016年(152次)、2017年(136次)；而2005、2006、2007年發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水的次數(shù)均小于10次。由此可見，2012年之前短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)逐年上升，但總體較少，2012年以后除2015年(41次)小于100次以外，其余年份均保持在100次以上。

圖5中顯示，呼倫貝爾市發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)的小時(shí)降水量大多集中在20～30 mm，占發(fā)生總頻次的76%，其中2013年和2018年出現(xiàn)次數(shù)最多，2016年和2017年次之。小時(shí)降水量30～40 mm共出現(xiàn)191次，占總數(shù)的18%，2013年出現(xiàn)次數(shù)最多，其次是2016年、2017年和2018年。小時(shí)降水量達(dá)到40～50 mm的短時(shí)強(qiáng)降水頻次為38次，占總數(shù)4%，2013年最高，其次是2018年和2014年。小時(shí)降水量超過50 mm的短時(shí)強(qiáng)降水共出現(xiàn)28次，僅占總數(shù)的2%，2013年出現(xiàn)頻次最多，其次是2018年。

圖5 研究區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水年際變化

4.2 年內(nèi)變化

2005～2018年呼倫貝爾市短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)逐月呈單峰式分布，峰值出現(xiàn)在7月份，占總數(shù)的40%，8月份次之，占總數(shù)30%，其次為6月份，占總數(shù)20%，分布特征與呼倫貝爾市主汛期時(shí)間吻合。6～8月份東北冷渦活動(dòng)頻繁，東移南下的冷空氣與暖氣團(tuán)交匯觸發(fā)不穩(wěn)定能量釋放，冷渦對(duì)應(yīng)的地面氣旋前后易產(chǎn)生對(duì)流性天氣，產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水。隨著副熱帶高壓北抬，華北東北進(jìn)入雨季，也為呼倫貝爾市短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生提供了環(huán)境條件。

此外，從圖6中也可看出，各量級(jí)小時(shí)降水量年變化與短時(shí)強(qiáng)降水事件年變化一致，即7月份頻次最高，8月份次之，其次為6月份，5月份和9月份最少。同時(shí)，各月份短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，出現(xiàn)頻次最高的小時(shí)降水量均為20～30 mm，30～40 mm次之，其次為40～50 mm，小時(shí)強(qiáng)降水量達(dá)到50 mm以上的短時(shí)強(qiáng)降水事件出現(xiàn)的最少。

月份 圖6 研究區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水年內(nèi)變化

4.3 日變化

呼倫貝爾市短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)的日變化呈雙峰型分布(圖7)，其中14：00～19：00即午后到傍晚是第一個(gè)峰值，也是呼倫貝爾市短時(shí)強(qiáng)降水最易發(fā)生的時(shí)段。最高出現(xiàn)頻次是17時(shí)共92次，占總數(shù)的8.6%。午后地面積累大量太陽短波輻射，近地面溫度快速升高。07時(shí)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水35次，占總數(shù)的3.3%，夜間地面發(fā)射長波輻射，凈輻射能減少，近地面氣溫逐漸降溫。日出后太陽短波輻射不斷加熱大氣和地面，大氣層自上而下逐步升溫，當(dāng)高層溫度高于底層形成逆溫，若有擾動(dòng)出現(xiàn)會(huì)觸發(fā)逆溫層聚集的能量，產(chǎn)生局地對(duì)流，如果伴隨較高的水汽條件則容易產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水。8：00～10：00是一天中出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水最少的時(shí)段。各小時(shí)降水量量級(jí)的日變化和短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的日變化規(guī)律一致，各量級(jí)出現(xiàn)都是在14：00～19：00出現(xiàn)的頻次最多，8:00～10:00最少。

圖7 研究區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水日變化

5 結(jié)論

本文利用呼倫貝爾市全部氣象觀測站的逐小時(shí)降水量數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)并分析了呼倫貝爾市2005～2018年短時(shí)強(qiáng)降水過程的時(shí)空分布特征。結(jié)果表明：

(1)呼倫貝爾市短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)主要在東部，大興安嶺南麓。高發(fā)時(shí)段為14：00～20：00，其次為08：00～14：00。短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)的站點(diǎn)數(shù)和次數(shù)隨量級(jí)的增加而減少，出現(xiàn)50 mm以上降水的站點(diǎn)多集中在東部地區(qū)。此外，就特定量級(jí)降水而言，東部地區(qū)出現(xiàn)的次數(shù)大多高于其他地區(qū)，即東部地區(qū)是全市短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)地區(qū)。

(2)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次有逐年遞增趨勢，2013年出現(xiàn)次數(shù)最多。其中7月份出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)最多，8月份次之，5月份和9月份最少。一天中午后到傍晚15：00～17：00為短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)時(shí)段。小時(shí)降水量的各降水量級(jí)的時(shí)間變化表現(xiàn)為與短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次的時(shí)間變化一致。