阿榮旗暴雨特征及物理量場(chǎng)預(yù)報(bào)指標(biāo)研究

陳高娃

阿榮旗氣象局，內(nèi)蒙古阿榮旗 162750

阿榮旗是以農(nóng)業(yè)為主的旗縣，素有“糧豆之鄉(xiāng)的美譽(yù)”。阿榮旗地形復(fù)雜、氣候多變，氣象災(zāi)害種類繁多，其中暴雨是對(duì)農(nóng)業(yè)影響最大的氣象災(zāi)害。因此，研究阿榮旗地區(qū)的暴雨變化特征和暴雨物理量場(chǎng)的預(yù)報(bào)指標(biāo)，對(duì)提高暴雨提前預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率具有非常重要的意義[1-3]，能夠更好地為政府部門組織開(kāi)展氣象防災(zāi)減災(zāi)提供參考[4-6]。

1 資料與方法

1.1 資料

使用阿榮旗1957—2016年的逐日和逐時(shí)降水量資料，1957—2004年的逐時(shí)降水量資料使用降水自記紙電子化后的降水資料，2005年以后使用自動(dòng)氣象站的逐小時(shí)降水資料分析暴雨時(shí)空特征；并用每6 h測(cè)定1次的（08:00、14:00、20:00和02:00）0.125° ×0.125°ECMWF再分析資料分析其物理量。

環(huán)流形勢(shì)使用500、700和850 hPa高度場(chǎng)和溫度場(chǎng)，分析圖均為暴雨當(dāng)天08:00圖。表1列出本研究中分析的物理量因子，各物理量值選取時(shí)間為每個(gè)暴雨過(guò)程中距離小時(shí)降水量最大值的出現(xiàn)時(shí)間，最近的時(shí)間。

表1 暴雨預(yù)報(bào)的物理量

凝練暴雨預(yù)報(bào)指標(biāo)時(shí)段選取1979—2016年（其中2015年和2016年無(wú)暴雨）31次過(guò)程。

1.2 方法

研究使用GrADS軟件分析ECMWF再分析資料，并調(diào)取數(shù)據(jù)和繪圖；用辦公軟件處理數(shù)據(jù)并編寫材料。

0.125°×0.125°ECMWF再分析資料：溫度、相對(duì)濕度、比濕、風(fēng)場(chǎng)、垂直速度、渦度和散度（直接下載數(shù)據(jù)）計(jì)算出水汽通量、水汽通量散度、假相當(dāng)位溫、總 溫 度、500和850 hPa的θse差、500和850 hPa的溫度差和K指數(shù)值分析暴雨發(fā)生時(shí)的物理量。

通過(guò)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，計(jì)算指標(biāo)物理量的有關(guān)統(tǒng)計(jì)量，主要統(tǒng)計(jì)了各物理量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)（變異系數(shù)可以表征指標(biāo)離散程度）。

（1）平均值

式中：數(shù)據(jù)為i=1,2,3,…，N個(gè)xi數(shù)據(jù)組成。

（2）標(biāo)準(zhǔn)差

（3）變異系數(shù)。

2 暴雨的時(shí)空特征

2.1 暴雨日數(shù)的時(shí)間變化特征

阿榮旗暴雨最早出現(xiàn)在6月17日（1979年），最晚出現(xiàn)在9月18日（1978年）。從表2可以看出，暴雨主要集中在7—8月，以7月最多，占65.9%，8月次之，占18.2%，9月最少，占4.5%。通過(guò)統(tǒng)計(jì)1957—2016年的降雨量，7和8月的降水量占全年的56%，這主要是由于暴雨過(guò)程集中在7月。

表2 暴雨次數(shù)的月變化

2.2 降水強(qiáng)度

對(duì)流性降水：1 h降水量≥20 mm或2 h降水量≥30 mm的過(guò)程定義為對(duì)流性降水過(guò)程。

穩(wěn)定性降水：1 h降水量＜20 mm或2 h降水量＜30 mm過(guò)程定義為穩(wěn)定性降水過(guò)程。

1979—2016年31次暴雨過(guò)程（因?yàn)?957—1978年無(wú)小時(shí)降水量）主要以對(duì)流性降水為主，占近64.5%。其中1 h最大降雨量45.0 mm（出現(xiàn)在1980年7月19日），過(guò)程最大降雨量的為109.3 mm，出現(xiàn)在1998年7月27日。

3 物理量場(chǎng)的總體特征

朱乾根等[7]在《天氣學(xué)原理和方法》中指出，形成暴雨必須滿足3個(gè)條件：充分的水氣供應(yīng)、強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)以及較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間。因此需要分析水汽因子、熱力因子、不穩(wěn)定因子以及動(dòng)力因子。

3.1 水汽因子

選取的主要水汽因子物理量包括比濕、相對(duì)濕度、水汽通量、水汽通量散度。

充分的水汽是暴雨產(chǎn)生的必要條件[8]。因阿榮旗離海較遠(yuǎn)，產(chǎn)生暴雨需源源不斷的水汽輸送，水汽輸送是降水得以維持的重要因素。水汽通量表征水汽來(lái)源。從低層風(fēng)場(chǎng)和水汽通量疊加圖來(lái)看（忽略），暴雨發(fā)生時(shí)主要有2個(gè)水汽來(lái)源：（1）日本海和鄂霍次克海水汽由鄂霍次克海高壓前部偏東氣流輸送；（2）孟加拉灣、南海水汽和熱帶氣旋外圍水汽由副高西側(cè)西南低空急流與中高緯度低渦相連輸送。

水汽因子的總體特征表明（表3），暴雨發(fā)生時(shí)925、850和700 hPa平均比濕分別為13.2、11.6和7.4 g/kg；表征大氣飽和程度的相對(duì)濕度，暴雨發(fā)生時(shí)925 hPa與850 hPa差異較小，在94.0%左右，700 hPa相對(duì)濕度為88.6%。因此，應(yīng)注意不同位勢(shì)高度層的比濕和相對(duì)濕度指標(biāo)差異。925、850 hPa的比濕與925、850、700 hPa的相對(duì)濕度變異系數(shù)較小，這表明暴雨發(fā)生時(shí)指標(biāo)物理量相對(duì)集中，對(duì)暴雨有很好的指示意義。雖然表征水汽集中程度的水汽通量散度低層有較好的水汽輻合，但強(qiáng)輻合中心高度不一致，導(dǎo)致700、850和925 hPa的變異系數(shù)較大。

表3 水汽因子的平均值和離散程度

3.2 熱力因子

熱力因子：選取假相當(dāng)位溫和總溫度。

假相當(dāng)位溫是一個(gè)表征溫度、氣壓、濕度的綜合物理量。在同一氣壓條件下，假相當(dāng)位溫越大，空氣越暖濕，越小空氣越干冷。

總溫度：值越大，表示大氣中的總能量越大。

從表4可以看出，假相當(dāng)位溫平均值334.5 K，總溫度平均值為46.6℃，假相當(dāng)位溫和總溫度變異系數(shù)較小，這表明暴雨發(fā)生時(shí)，指標(biāo)物理量相對(duì)比較集中，對(duì)暴雨有相對(duì)較好的指示意義。

表4 熱力因子平均值和離散程度

3.3 不穩(wěn)定因子

阿榮旗暴雨過(guò)程大多數(shù)以對(duì)流性降水為主。朱乾根等[7]在《天氣學(xué)原理和方法》中指出，不穩(wěn)定層結(jié)是形成對(duì)流性天氣的3個(gè)基本條件之一。

在《天氣預(yù)報(bào)技術(shù)與方法》中總結(jié)出θse850-θse500大氣中層結(jié)潛在不穩(wěn)定，暴雨落區(qū)差值一般在0～15 K之間。850與500 hPa的溫度差表明下暖上冷，層結(jié)不穩(wěn)定。

由表5可以看出，此處選取的不穩(wěn)定因子850與500 hPa的溫度差和K指數(shù)異系數(shù)較小，離散程度小，對(duì)暴雨有相對(duì)較好的指示意義；500與850 hPa的溫度差和K指數(shù)平均值分別為23.8℃和36.3℃。然而，850與500 hPa的假相當(dāng)位溫差變異系數(shù)較大，對(duì)暴雨的指示意相對(duì)有限。

表5 熱力因子的平均值和離散程度

3.4 動(dòng)力因子

強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)是暴雨產(chǎn)生的必要強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)是暴雨產(chǎn)生的必要條件。暴雨時(shí)存在強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，只是每個(gè)過(guò)程大值中心出現(xiàn)位置不同，變異系數(shù)較大。渦度和散度低層輻合、高層輻散利于上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng)，也是因?yàn)槊總€(gè)過(guò)程大值中心出現(xiàn)位置不同，變異系數(shù)較大。

雖然從動(dòng)力因子離散程度看，變異系數(shù)均較大，暴雨的指示意義相對(duì)有限，但從高低層垂直速度值來(lái)看，均有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)；從渦度和散度高低層值看，都有低層較強(qiáng)輻合和高層較強(qiáng)的輻散，抽吸作用有利于加強(qiáng)垂直運(yùn)動(dòng)。

3.5 物理量場(chǎng)預(yù)報(bào)指標(biāo)

（1）水汽因子：925和850 hPa比濕平均值分別為13.2 g/kg（范圍為10.2～15.1 g/kg）和11.6 g/kg（范圍為7.9～14.3 g/kg）；925、850、700 hPa相對(duì)濕度平均值94.5%（范圍為80%～100%）、94.0%（范圍為70.4% ～100%）和88.6%（范圍為60%～100%）；以上值離散程度小，對(duì)暴雨有相對(duì)較好的指示意義。

（2）熱力因子：假相當(dāng)位溫平均值334.4 K（范 圍 為320.2 K～342.5 K），總溫度平均值為46.6℃（范圍為32.5℃～50.3℃），均變異系數(shù)小，對(duì)暴雨有相對(duì)較好的指示意義。

（3）不穩(wěn)定因子：500和850 hPa的溫度差和K指數(shù)異系數(shù)較小，平均值分別為23.8℃（范圍為16.3℃～28.1℃）和36.3℃（范圍為33.0℃～40.2℃）。

（4）動(dòng)力因子：渦度和散度高低層值看，都有低層較強(qiáng)輻合和高層較強(qiáng)的輻散，但是渦度和散度低層強(qiáng)輻合區(qū)和高層強(qiáng)輻散區(qū)的位置不同，925～200 hPa的渦度和散度值變異系數(shù)均較大；從垂直速度高低層垂直速度值看，均有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)，但每次過(guò)程強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)不同，導(dǎo)致變異系數(shù)均較大。