張霏燕 黃哲 戴龍海

(臨安區(qū)氣象局,浙江 杭州 311300)

0 引 言

臨安區(qū)位于浙江省西北部,境內(nèi)溪多、源短、流急,受地形、氣候諸因素制約,暴雨極易誘發(fā)山體滑坡等地質性災害,造成人員傷亡和重大經(jīng)濟損失。我國目前已經(jīng)有很多對暴雨災害的研究成果。陶詩言等在研究中得出在切變線附近風向輻合最強烈,存在著強烈的上升氣流,暴雨和強對流天氣常出現(xiàn)在切變線附近[1];李炬等研究發(fā)現(xiàn)低空急流是形成降水的重要原因[2],汪邦道等介紹了誘導暴雨的主要天氣系統(tǒng)有臺風暴雨、鋒面暴雨、東風波暴雨[3]。本文統(tǒng)計整理了臨安區(qū)2001—2016年出現(xiàn)的暴雨過程,對其天氣形勢、物理量場進行了分析,形成可供預報參考的指標體系,對預報業(yè)務以及暴雨預警服務都將有一定的指導作用。

1 資料來源和方法

所使用的日降水量數(shù)據(jù)來源于2001—2016年臨安國家基本站觀測數(shù)據(jù),以20時為日界,日降水量≥50 mm為一個暴雨雨日。本文中的季節(jié)劃分方式如下:春季為3—5月,夏季為6—8月,秋季為9—11月,冬季為12月—次年2月。

進行影響系統(tǒng)分析所使用的數(shù)據(jù)為MICAPS歷史數(shù)據(jù),進行物理量分析所使用的數(shù)據(jù)為美國國家環(huán)境預測中心/國家大氣環(huán)境中心(NCEP/NCAR)發(fā)布的水平分布率為2.5°×2.5°的日平均全球再分析資料。

2 臨安暴雨日數(shù)統(tǒng)計分析

2.1 時間變化特征

為了更好地了解臨安暴雨特征,根據(jù)不同量級(50～70 mm,70～100 mm,100 mm以上)對暴雨進行統(tǒng)計分析,從暴雨日數(shù)的年際變化來看(圖1),2001—2016年的暴雨雨日共67 d,年平均暴雨雨日為4.2 d,其中2016年最多,為8 d,2003年最少為0 d,出現(xiàn)70 mm上的暴雨雨日26 d,年均1.6 d,出現(xiàn)100 mm以上的暴雨雨日8 d,年均0.5 d。從暴雨日數(shù)的月際變化來看(圖2),6月暴雨雨日最多,共出現(xiàn)23次,占總數(shù)的34.3%,出現(xiàn)70 mm以上的暴雨雨日也最多,共出現(xiàn)8次;7月和8月均出現(xiàn)暴雨雨日12 d,分別占總數(shù)17.9%,最少為1月和2月,均無暴雨發(fā)生;100 mm以上的暴雨雨日出現(xiàn)在6—10月,其中6—8月分別為2次,9—10月各出現(xiàn)1次。

圖1 暴雨雨日年際變化

圖2 暴雨雨日月際變化

暴雨雨日最多發(fā)生在夏季,2001—2016年間有47 d的暴雨發(fā)生在夏季,占總數(shù)的70.1%,其中70 mm以上暴雨雨日19 d,100 mm以上暴雨雨日6 d,春季和秋季次之,分別為11 d、占比16.4%和8 d、占比11.9%,冬季最少僅有1 d,僅占1.5%(圖3)。

圖3 暴雨雨日季節(jié)變化

2.2 梅雨期暴雨

梅雨降水對臨安全年的降水量貢獻巨大。2001—2016年間,梅雨期間出現(xiàn)暴雨雨日為23 d,主要出現(xiàn)在6月(20 d),平均每年的梅雨期間出現(xiàn)1.4個暴雨雨日,占總數(shù)的34.3%,占夏季總數(shù)的48.9%,70 mm以上的暴雨出現(xiàn)8 d,100 mm以上的暴雨僅出現(xiàn)2 d。梅雨期暴雨日數(shù)年際分布不均,2011、2013和2015年梅雨期暴雨日數(shù)最多,都為4 d,而2005、2006、2009和2010年梅雨期間則無暴雨發(fā)生。

圖4 梅雨期暴雨雨日年際變化

2.3 臺風暴雨

臺風降水是臨安全年總降水量的重要組成部分。2001—2016年間,共有14個暴雨雨日是受到臺風環(huán)流直接或間接影響所致,占暴雨雨日總數(shù)的21%,年均0.9 d。從月際變化來看(圖5),5月在臺風外圍環(huán)流和高空槽相互作用下出現(xiàn)了1次臺風暴雨,發(fā)生在2006年5月18日。7月出現(xiàn)了2次,均為臺風直接影響造成的暴雨。8月受臺風影響最多,共出現(xiàn)5次,且暴雨的強度均在70 mm以上,其中2次在100 mm以上,5次過程中有4次都是臺風環(huán)流直接影響。9月和10月各出現(xiàn)3次,占秋季暴雨總數(shù)的75%,近年來由于全球變暖,秋臺風活躍,此時冷空氣勢力遠不如冬季般強勁,弱冷空氣會給臺風外圍云系或殘留云系帶來不穩(wěn)定能量從而使降水增強,4次此類系統(tǒng)配置的臺風暴雨強度均在70 mm以上,其中兩次分別達到了179.1 mm和190.4 mm;另一種情況則是臺風減弱低壓并入西風槽內(nèi),使西風槽突然加深使降雨持續(xù)時間加長,2007年9月19日的過程就是此類情況。

圖5 臺風暴雨雨日月際變化

3 影響系統(tǒng)分析

由于臺風暴雨已在前文分析,接下來的影響系統(tǒng)分析不再包含臺風暴雨,本文的頻率為頻數(shù)除以暴雨日數(shù)。

3.1 春 季

統(tǒng)計得2001—2016年春季暴雨雨日共11 d,通過影響系統(tǒng)的分析發(fā)現(xiàn)(表1),在11次過程中,有8次暴雨都伴隨有低空切變和地面倒槽的存在;高空槽,低空急流,地面冷空氣也是重要的影響系統(tǒng);春季是冷空氣較為活躍的季節(jié),有4次過程是高空有槽東移或急流存在,中層配合切變或低空急流,而地面先為倒槽控制,之后冷空氣南下影響,冷暖空氣交匯導致暴雨的發(fā)生。另外東北冷渦也是非常重要的影響系統(tǒng),有4次暴雨與之有關。

表1 春季暴雨過程影響系統(tǒng)

3.2 夏 季

夏季是降水過程最為活躍的時間段,且降水具有較強不穩(wěn)定性。從影響系統(tǒng)分析來看(表2),高空槽、低空切變和地面倒槽或低壓仍然是大多數(shù)夏季暴雨系統(tǒng)必不可少的配置,而副高的強弱進退也成為夏季暴雨重要的制約原因,從表2可見,副高引起的暴雨過程有9次。除此以外,東北冷渦作為重要的一類降水天氣系統(tǒng),仍有10次暴雨過程與之有關。由于夏季各月的主要影響系統(tǒng)存在較大的差別,以下分月份進行分析。

表2 夏季暴雨過程影響系統(tǒng)

6月冷氣團依然較為活躍,但暖氣團逐漸占據(jù)主導地位。高空槽東移,中低層有切變或急流配合,地面有倒槽或低壓存在是6月份最常見的天氣系統(tǒng)配置(表3),23次暴雨過程中有8次是這樣的天氣系統(tǒng)配置造成。另外東北冷渦與地面倒槽或低壓的配合也是常見和典型的系統(tǒng)配置,此時低空急流的強度在一定程度上影響著降水量的大小,分析時段內(nèi)東北冷渦和地面倒槽或低壓引起的暴雨過程共4次,降水量和對應的低空急流大小分別為100.1 mm(低空急流軸強度為16～22 m/s),99.8 mm(低空急流軸強度為16～20 m/s),76.6 mm(低空急流軸強度為14～16 m/s),55.9 mm(低層風速未達到急流標準)。

表3 6月暴雨過程影響系統(tǒng)

7月的暴雨過程(表4),高空槽東移,中低層有切變配合是最常見的天氣系統(tǒng)配置,12次過程中有5次是這樣的系統(tǒng)造成。

另外,7月和8月的暴雨過程與副高有著密切關系(表4和表5),7月梅雨結束后,從7月中旬至8月下旬(約40 d)臨安主要受副熱帶高壓的控制,通常副高的減弱東退會使位于副高西北側的臨安得以釋放不穩(wěn)定能量觸發(fā)強對流,若此時配合以高空槽、東北冷渦或低空切變,降水量達暴雨量級的可能性非常大;當副高中心控制時,也會有不穩(wěn)定能量的積聚釋放,從而引起的暴雨過程,2001年7月9日即為此種情況;當副高北抬,臨安處于副高南側東風氣流里,在東風波的影響下也容易引發(fā)暴雨過程,2016年8月9日即為此種情況。

表4 7月暴雨過程影響系統(tǒng)

8月份的影響系統(tǒng)除了前文所述的臺風和副高以外,我們還需要關注冷空氣的影響,8月下旬開始冷空氣逐漸活躍,有2次暴雨與之有關。

表5 8月暴雨過程影響系統(tǒng)

3.3 秋 季

秋季大氣環(huán)流再次調(diào)整,冷空氣勢力逐漸增強,2001—2016年共出現(xiàn)8次秋季暴雨,其中6次是臺風暴雨,其余2次為冷暖氣流交匯,并有高空槽,低空切變或急流配合而導致暴雨的產(chǎn)生(表略)。

4 物理量分析

本文選取與降水關系較大的比濕、可降水量、水汽通量、垂直速度等物理量對不同量級暴雨過程進行分析,由于春秋季的暴雨雨日較少,因此本文將暴雨量級分為50～70 mm和70 mm以上。

4.1 水汽條件物理量

4.1.1 比 濕

對各季節(jié)不同量級暴雨的850 hPa比濕進行四分位數(shù)分析,并將結果制作為箱線圖(表6和圖6),由圖6可見,夏季水汽條件整體較好,且暴雨強度越強,比濕越大,夏季暖濕氣流強盛,水汽充足,持續(xù)的水汽供應容易產(chǎn)生暴雨,且水汽條件越強盛暴雨的強度也會增強,在日常預報中,可參考表6的四分位數(shù)分析值,若比濕的數(shù)值出現(xiàn)在11.9～13.9之間,需要關注暴雨的出現(xiàn),若比濕的數(shù)值出現(xiàn)在13.1～14.4之間,則需關注強暴雨的出現(xiàn);秋季水汽條件次之,但秋季暴雨強度與比濕大小的關系不大,秋季的暴雨主要是由于臺風造成,臺風攜帶著充沛的水汽,但臺風所造成的暴雨強度大小可能與臺風的位置以及是否有系統(tǒng)配置關系更大。春季水汽條件較差,且暴雨強度強時,比濕反而小,目前春季暴雨樣本數(shù)較少,這個現(xiàn)象產(chǎn)生的原因需要后續(xù)更多地研究。

表6 不同量級暴雨過程850 hPa比濕四分位數(shù)分析表 g/kg

(1為50～70 mm,2為70 mm以上)圖6 850 hPa比濕季節(jié)變化箱線圖(單位:g/kg)

4.1.2 可降水量

通過分析我們發(fā)現(xiàn)可降水量與比濕的結論較為一致(圖7),秋季暴雨時段可降水量最大,且不同暴雨強度的可降水量值并沒有明顯差別;夏季暴雨時段可降水量較秋季略偏低,且70 mm以上暴雨的可降水量比50～70 mm暴雨的可降水量要略高一些;春季的可降水量最小,且暴雨強度強時,可降水量要更小。不同量級暴雨過程時段可降水量四分位數(shù)分析見表7。

圖7 可降水量季節(jié)變化箱線圖(單位:kg)

可降水量春季50～70mm70mm以上夏季50～70mm70mm以上秋季50～70mm70mm以上平均值41.934.355.859.357.858.9最小值24.627.939.048.942.854.4第一四分位38.827.951.453.242.854.4中位數(shù)39.729.756.257.454.258.3第三四分位44.045.360.262.165.260.6最大值56.945.366.979.169.162.5

4.1.3 水汽通量

除了本地較高的可降水量,要產(chǎn)生暴雨,還必須要有足夠的水汽從源地不斷向該地區(qū)供應,而水汽通量就是表征水汽輸送的一個物理量,對水汽通量分析后發(fā)現(xiàn)(圖略),水汽通量的條件越好,產(chǎn)生的暴雨強度越強,從季節(jié)分布看秋季暴雨過程的水汽通量條件最好,這與秋季暴雨主要是臺風造成有關,夏季次之,春季最小。日常預報中若水汽通量的數(shù)值出現(xiàn)在第一到第三四分位之間時,則需要關注暴雨和強暴雨的出現(xiàn)。

4.2 垂直速度

垂直運動是降水形成的3大條件之一,而強烈而持久的上升運動更是形成暴雨的條件之一。從以下統(tǒng)計結論來看,出現(xiàn)暴雨過程時各層都存在明顯的上升運動,且暴雨強度越強,上升運動越強;秋季暴雨時段的垂直速度最大(臺風影響),春夏季垂直速度的區(qū)別不大。具體數(shù)值則可以通過表(表略)進行查詢參考,當數(shù)值落在兩個四分位之間時,需關注暴雨和強暴雨的可能性。

5 總 語

1)從月際分布來看,6月暴雨雨日為全年最多,7月和8月次之,最少為1月和2月,無暴雨發(fā)生。梅雨和臺風對臨安的年降水量有巨大貢獻,梅雨期間出現(xiàn)的暴雨雨日占暴雨總數(shù)的34.3%,而臺風暴雨占到暴雨總數(shù)的21%。

2)臺風暴雨主要分布在夏秋季,夏季的臺風暴雨主要是由于臺風環(huán)流直接影響所致,而秋季的臺風暴雨主要是臺風環(huán)流和冷空氣相互作用導致,且此種系統(tǒng)配置產(chǎn)生的暴雨強度更強。

3)春季低空切變和地面倒槽是引發(fā)暴雨最重要的影響系統(tǒng)。夏季各月的主要影響系統(tǒng)存在較大的差別,6月份最常見的天氣系統(tǒng)配置是高空槽東移,中低層有切變或急流配合,地面有倒槽或低壓存在,另外6月時東北冷渦與地面倒槽或低壓的配合也是典型的系統(tǒng)配置,此時低空急流的強度在一定程度上影響著降水量的大小。7月的暴雨過程主要受到副高和臺風的影響。8月份臺風引起的暴雨天氣過程頻數(shù)明顯增多。秋季的暴雨主要是秋臺風導致。

4)對物理量分析后發(fā)現(xiàn),比濕和可降水量條件夏秋季整體較好,且夏季暴雨強度越強,比濕和可降水量越大;水汽通量條件秋季最好,夏季次之,春季最差,垂直運動條件秋季最強,春夏季次之且差別較小;暴雨強度越強,水汽通量和垂直運動條件越好。日常預報中可通過四分位數(shù)表格的查詢,對暴雨和強暴雨的預報提供參考指標。