某地区近40年暴雨气候特征及主要影响系统分析.docx

1、某地区近40年暴雨气候特征及主要影响系统分析某地区近40年暴雨气候特征及主要影响系统分析本文利用19712010年某地区各测站的降水观测资料、探空资料和地面资料，运用天气学分析方法及统计学分析方法，对某地区暴雨时空分布特征进行了统计分析。结果表明，近40年，某地区暴雨分布呈现时空分布不均，出现日数少，持续时间短，南北差距大，局地性强的特点。有利于某地区暴雨形成的影响系统颇为复杂，主要的影响系统是西风槽和切变线，这不仅仅因为某独特的地理位置，还因为它的特殊气候环境。某远离海洋，深居内陆，不仅受温带天气系统和副热带天气系统的影响，还常有极地冷气团侵袭，属于中温带大陆性半干旱季风气候。既可受到北方系

2、统的影响，又可受到南方低值系统的影响。暴雨过程形成的强降水常常会诱发山洪，导致水库垮坝，江河横溢，形成局地洪水或泥石流危害,甚至房屋被冲塌，农田被淹没，对国民经济及人民生命财产安全受到严重影响和危害。因此，研究暴雨的气候特征及其主要影响系统对于减灾防灾和预防因暴雨诱发的次生灾害有重要意义。我国是一个多暴雨的国家，很多学者对我国的暴雨过程即极端降水事件等方面开展了大量的研究工作。暴雨的形成是在有利的大尺度环境下中小尺度对流系统形成和发展的结果，因此有关暴雨的研究主要从三个方面来展开：（1）利用加密观测资料、雷达反演的高时空分辨率资料及高分辨率的中尺度数值模拟资料来分析暴雨发生的中小尺度系统的环流

3、结构特征及其形成和发展的动力和热力学机理；（2）分析暴雨形成和发展的大尺度环流特征及天气学特征；（3）利用多年的降水观测资料分析暴雨及极端降水事件的气候学特征。刘小宁（1999）在我国暴雨极端事件的气候变化特征中指出，80年代后全国暴雨极端事件异常年份出现频数及强度异常年变化不明显，大暴雨主要出现在华南、长江流域和华北地区，各地区暴雨存在区域性差异；翟盘茂等（2003）通过对中国北方近50a温度和降水极端事件变化进行研究指出，暴雨日数在东北一些地方趋于增多，但在华北大部暴雨频率明显减少。我国的暴雨过程主要发生在华南地区、江淮流域及我国的东部地区。内蒙古地处我国西北地区，远离海洋，水汽条件差，因

4、而暴雨过程的发生频次少，然而该地区属干旱半干旱地区，自然环境条件差，一次较大的降水过程也很可能带来严重的危害，加强对干旱半干旱地区暴雨的形成和发展机理及其气候特征的研究很有必要。贺勤（1991）在内蒙古中西部干旱和半干旱地区暴雨的气候特征分析中指出内蒙中西部地区暴雨频率低，强度大，时间集中，年际变化大且地形影响显著。内蒙古东西横跨29个经度（图1a），东西部地区的天气气候特征也存在明显差异。受观测资料的限制，本文将主要分析某地区降水的特征及有关的影响天气系统。某位于内蒙古自治区西部，蒙古高原南端，南濒黄河，东西两侧有沃野千里的土默川平原和河套平原，阴山山脉横亘中部，形成北部丘陵高原、中部山岳和

5、南部平原三个地貌单元，地貌复杂，地形多变，整个地区呈现出北高南低、西高东低的倾斜地形。某的地理坐标为10950E11125E，4120N4240N，远离海洋，深居内陆，不仅受温带天气系统和副热带天气系统的影响，还常有极地冷气团侵袭，属于中温带大陆性半干旱季风气候。既可受到北方系统的影响，又可受到南方低值系统的影响。某地区现有七个站点，分别是青山站（市区）、萨拉齐站（土右）、金山镇站（固阳）、白云站（白云）、百灵庙站（达茂）、满都拉站（满都拉）以及希拉穆仁站（希拉穆仁），（原有石拐站于1994年撤）（图1b）。（a）（b）图1 内蒙古地理位置分布图（a）及某地区的地形分布图（b）本文将利用197

6、12010年某地区的降水观测资料、探空资料和地面资料，运用天气学分析方法及统计学分析方法，分析某地区降水过程及暴雨过程的气候特征，在此基础上针对有关的暴雨个例分析暴雨过程的主要影响系统，以期增进对某地区强降水过程的气候特征及其影响系统的认识，为该地区强降水天气过程的预报提供有益的参考。第二章 暴雨气候特点2.1 暴雨的次数和日数暴雨是我国一种多发的自然灾害，我们国家已经根据单站12或者24小时降水量的强度对降水过程进行分类降水量等级国家标准(GB/T 285922012)，主要把降水过程分为小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨，具体的等级标准见表1。暴雨主要指以单站24小时降水量50R100mm的降

7、水过程。由于我国幅员辽阔，各地降水强度差异很大，故各地气象部门对当地各类降水等级标准也有所不同。例如华南一带将暴雨定为日降水量大于或等于80mm；而在新疆、甘肃、内蒙等地，由于24小时降水量达50mm的机会很少，故将日降水量大于或等于30mm都可算为暴雨。为统一起见，本文还是沿用国家标准给出的标准（表1）。本文通过分析1971年2010年的降水资料，发现某地区暴雨及大暴雨均出现在5月9月，故按照国家气象部门规定的降水量标准分析了某地区1971年2010年59月的降雨量次数（表2），得出：某地区7个站点平均出现小雨的次数约为1430次，约占59月总降水过程的84%；平均出现中雨次数约为213次，

8、约占总降水过程的12%；平均出现大雨的次数为56次，约占总降水过程的3%；平均出现暴雨次数9次，平均每年0.225次，约占总降水过程的1%。某地区历年平均年暴雨日数为1.45日，各站之间暴雨日数差距较大，阴山山脉（大青山）以南多于山北。某地区也是全区暴雨日数较少地区之一。表1 降水量等级降水等级12小时降水总量(mm)24小时降水总量(mm)小雨0R50R10中雨5R1410R25大雨15R3025R50暴雨30R7050R100大暴雨70R140100R250特大暴雨R140R250表2 某地区7个观测站点1971年2010年59月不同等级降水过程出现的次数及其在总降水次数的百分比站点0R1

9、0/占总降水过程次数的百分比10R25/占总降水过程次数的百分比25R50/占总降水过程次数的百分比50R100/占总降水过程次数的百分比青山1290/80.8%216/13.5%77/4.8%14/0.9%萨拉齐1419/79.5%258/14.4%90/5.0%20/1.1%金山镇1417/81.1%256/14.6%65/3.7%10/0.6%白云1469/85.2%202/11.7%44/2.6%9/0.5%百灵庙1449/84.6%208/12.2%50/2.9%5/0.3%满都拉1225/89.3%119/8.7%27/1.9%1/0.1%希拉穆仁1752/86.5%230/11.

10、4%39/1.9%4/0.2%以上分析表明：某地区暴雨过程总体特点是历时短，强度大，范围小。某地区降水过程主要以小雨过程为主，其出现的频次超过总降水过程的80%以上；暴雨及大暴雨过程出现的频次较少，属于小概率事件；该地区没有出现过特大暴雨过程，这显然与该地区的水汽条件有密切的关系。2.2 暴雨的时间变化为了了解某地区暴雨的时间变化，分别对暴雨及大暴雨的年际变化、月、旬变化以及日变化进行统计分析。2.2.1 暴雨及大暴雨年际变化对19712010年发生过暴雨的年份及其发生暴雨的次数进行统计（图2），得出：暴雨出现次数最多的是2006年，为4次，其次为1981年、1992年以及1998年，为3次。

11、在研究的40年中，有24年出现过暴雨及大暴雨，有16年未出现过暴雨及大暴雨。 图2 某地区1971年2010年暴雨及大暴雨次数年际分布图（红色虚线为40年平均暴雨次数）分析表明：暴雨年际变化明显，且暴雨过程出现的次数存在78年左右的周期。2.2.2 暴雨及大暴雨月、旬变化某地区在有气象记录的64次单站暴雨及大暴雨中，出现暴雨及大暴雨的月份集中在5月至9月。在19712010年40年间，一年中最早出现暴雨是在5月5日（1992年，固阳），最晚是在9月20日（2006年，白云鄂博）。其中5月、6月最少,各3次，约占9%，9月也相对较少，为4次，约占6%，7月至8月最为集中，为54次，约占84%；7

12、月出现21次，约占33%，8月出现33次，约占52%；其余月份未出现过暴雨及大暴雨（图3）。暴雨及大暴雨的逐旬变化同样具有以上特点，其分布变化为单峰形，峰顶出现在8月中旬，出现次数最多的还有7月下旬和8月上旬（图4）。图3 某地区1971年2010年59月暴雨及大暴雨月分布图图4 某地区1971年2010年59月暴雨及大暴雨旬分布图分析表明：某地区暴雨主要集中在主汛期7月下旬至8月中旬，暴雨日集中的较为明显。2.3 暴雨强度和持续性在某地区40年日降水资料中，1日（24小时）最大降雨量出现100mm以上大暴雨以上共有1次，即1976年7月27日08时28日08时的石拐站（106.7 mm，19

13、94年撤站）。在多雨的7月至8月，每次暴雨及大暴雨平均也只发生在1.6个站（出现暴雨站数/出现次数）。在有气象记录的64次暴雨中，仅1站监测到的有47次，2站监测到的有13次，3站监测到的有2次，4站监测到的有2次（图5）。在统计的40年日降水资料中，范围最大的两次暴雨出现在1976年8月18日和1985年8月24日，有4个站同时发生（两次均出现在市区、萨拉齐、金山镇以及希拉穆仁四站），其次为1976年7月28日（出现在市区、萨拉齐以及白云三站）和1998年7月5日（出现在市区、萨拉齐以及金山镇三站），均有3个站同时出现暴雨；连续两日降水量最大值出现在1997年8月13日至14日某市区，48小

14、时累积降水量为117.4mm。图5 某地区1971年2010年出现暴雨站数统计图分析表明：每次大暴雨平均只有1个站观测到，由此可见，某地区暴雨的一个显著特点是范围小，局地性强。2.4 暴雨的地理分布暴雨日降雨开始到结束之间的持续整时数（用自记或实测记录，以间断不超过3小时为连续）为暴雨持续时数。统计结果表明：某地区暴雨持续时数在743小时之间。其中持续时数在20小时以上的地区，在阴山山地东段。在以上区域两侧的地区，持续时数在20小时以下。在统计的64次暴雨中，大青山南部地区（市区、土右两站）出现34次，约占53%；平均海拔在1500m左右的站点（白云、达茂、希拉穆仁）出现暴雨及大暴雨18次，约

15、占28%。综上所述，某地区暴雨日数、强度（相对强度除外）和持续时间，总的趋势呈现为从东南向西北递减的特征，与平均年降雨量的分布规律（图6）相一致。并可以看到，在阴山山脉南麓有暴雨中心，除环流因素外，也显现了地形的重要作用。 （a） 19711980年 （b） 19811990年（c） 19912000年 （d） 20012010年图6 1971年2010年某地区每10年平均的年降水量（mm）分布 第三章 某地区暴雨过程的主要影响系统分析暴雨的形成是多种尺度大气相互作用的结果。大尺度环境场为暴雨的形成和发展提供有利的条件。以下主要采用天气学分析的方法，对发生在某地区的9次暴雨过程进行综合分析，分

16、析该地区暴雨过程的主要影响系统。3.1 西风槽北半球中高纬度的平均经向环流（Ferrel）环流很弱，平均纬向环流在对流层盛行西风称为西风带。西风带中常常产生波动，形成槽和脊，槽为低压，脊为高压。西风带中的槽线，称为西风槽，多为东北西南走向，西风槽的槽前（东面）盛行暖湿的西南气流，多阴雨天气，西风槽的槽后（西面）盛行干冷的西北气流，天气晴好。某暴雨多数是由于副热带系统与西风带系统相互作用所造成的。因此，西风槽和切变线的活动对某地区暴雨的形成起着十分重要的作用。对某地区暴雨资料的分类统计表明，由西风槽造成的暴雨，发生率占暴雨总数的41左右（表3）。表3 1971年2010年某西风槽暴雨统计表暴雨时

17、间暴雨站数700hPa系统850hPa系统地面系统24h最大降水量(mm)1973.08.1408.151偏南气流西南气流（槽前）暖锋（倒槽）51.51975.08.1008.111西南气流（槽前）偏北风（槽后）冷锋62.11975.08.2508.262西南气流（槽前）偏南（槽前）冷锋61.51988.07.1707.181低涡切变线冷锋（倒槽）65.01998.07.0507.063低涡东南气流冷锋（倒槽）77.01998.07.1207.131西南气流偏南气流冷锋（倒槽）62.11999.08.0508.061西南气流（槽前）低涡冷锋（倒槽）57.92001.07.2407.251西南气

18、流（槽前）偏南气流冷锋61.92010.08.0708.081西南气流（槽前）东南气流冷锋（倒槽）58.6西风槽在暴雨过程中的作用，主要是自巴尔喀什湖及新疆东移的西风槽（图7）。在形成暴雨的过程中，西风槽是将不同纬度间的冷暖空气相互输送的通道。西南气流随着西风槽的逼近不断加强，从而将较低纬度的水汽和能量输送到暴雨区。而槽后冷平流随着低槽东移入侵又使暖湿空气动力抬升，促使有效位能释放，成为造成暴雨的一个重要触发机制。因此，经向发展较强的西风槽在中、低纬相互作用中起到纽带作用。在条件适宜时，西风槽还促使低空或地面系统强烈发展，使降水加强而产生暴雨。图7 西风槽类暴雨过程的概念模型，图中蓝色线为等高

19、线，白色箭头为冷空气方向，红色圆点代表某地区的位置受西风槽影响的某地区暴雨，容易出现在某地区东部有副高或较强高压脊控制的形势下的中纬度西风带锋区在43N53N一带。此时，较高纬度的冷空气从亚洲大陆西部分裂南下，并沿中纬度向东扩散，极易在冷空气南侧的咸海到巴尔喀什湖一带形成短波槽，在中纬西风带的引导下，西风槽迅速移至河套一带，并在东部高值系统的阻挡下减速停滞，影响某地区并产生暴雨。当这种大范围环流形势处于稳定阶段时，由于连续生成的短波槽所携带的冷空气一次次侵入并与东部持续存在的暖湿西南气流不断交汇，有时可导致暴雨的重复发生。一旦有低涡等其它影响系统配合时，降水量会比较大。1998年7月4日7月5

20、日的降水过程主要影响系统为西风槽，从500hPa的天气形势图（图8）上可以看到：500hPa不断有西风槽向东南方推进，贝加尔湖西北侧有冷中心伴着西风槽不断向东南方向移动，将冷空气移入河套上空的西风槽，而随西风槽东移入侵河套地区的冷平流是暖湿空气动力抬升的主要机制，有利于有效位能释放和暴雨的产生。（a）（b）图8 1988年7月4日00时（a）和5日00时（b）500hPa的天气形势，图中红线为等温线（间隔4），黑线为等高线（间隔，40gpm），D和G分别为低压和高压中心，N和L分别为暖和冷中心，红色圆点代表某地区的位置3.2 切变线切变线是在风场上明显表现出气旋性切变的不连续线，主要出现在85

21、0hPa或700hPa上，是冷暖两支气流间的强烈辐合上升运动地带，也是夏季造成某地区出现暴雨的主要影响系统之一。切变线可以分为冷性切变线和暖性切变线。对某地区暴雨资料的分类统计表明，由切变线直接造成的暴雨，占暴雨总数的30左右（表4）。表4 1971年2010年某切变线暴雨统计表暴雨时间暴雨站数700hPa急流走向850hPa急流走向切变类型24h最大降水量(mm)1978.08.3008.312西南西南转东南暖切72.01981.08.0508.062西南东北转东南暖切80.61992.08.0708.081西南偏南冷切90.62002.06.2106.222偏东转西南南暖切67.82002

22、.08.0308.041西南东南暖切57.72003.09.2609.271东南转西南东南暖切55.92006.08.0608.071西南东南暖切67.02006.08.0708.081西南偏南冷切67.72008.07.3108.011西南偏南冷切50.73.2.1 冷式切变型暴雨冷式切变主要是指偏北风与西南风（或偏西风）之间的切变。其中以偏北风占支配地位，自北向南移动。在夏季，冷式切变有可能产生暴雨。影响某地区的冷性切变线是由西来槽东移演变而成的，这时副高稳定少动，切变线方向多呈东北西南向。冷性切变线降水常常带有阵性，降水区与切变线平行，暴雨出现在700hPa切变线到地面锋线或850hPa

23、切变线之间（图9）。图9 冷切变型暴雨的基本形势，图中蓝线为等高线，棕线为切变线，D和G分别为低压和高压中心3.2.2 暖式切变型暴雨暖式切变主要是指西南风与东南风或偏南风与偏东风之间的切变。其中以西南风或偏南风占支配地位，自南向北移动。夏半年，暖式切变附近往往有暴雨产生。暖性切变线的形成有两类，一类由冷性切变演变而来，这类暖性切变在形成前期已有近东西向的冷性切变存在，并有低涡或小波在其缓慢移动过程中在其西段产生，使其西段北抬，从而由冷性切变演变为暖性切变。这类切变线的特点是两侧冷暖空气分明，降水则常以由于暖空气爬升造成的稳定性降水为主，且在700hPa和850hPa切变线南侧有较强的低空急流

24、配合。另一类则是由于位于副高后部暖区中的切变线或西南气流上不稳定扰动的北上而形成的切变线。在这类切变线附近，低空有明显的暖锋结构，但温度梯度不明显，切变线南侧有强而稳定的低空急流，同时副高常常明显增强西伸、北抬，暴雨区多发生在切变线北侧（图10）。图10 暖切变型暴雨基本形势，图中蓝线为等高线，棕线为切变线，D和G分别为低压和高压中心1981年8月5日的暴雨过程在对流层低层为暖切边系统。在850hPa天气图（图11）上可以看到：某地区存在明显的暖式切变，暴雨落区出现在700hPa切变线和850hPa切变线之间。图11 1981年8月5日00时850hPa天气形势，图中单红线为等温线（间隔4），

25、双红线为切变线，黑线为等高线（间隔，40gpm），D和G分别为低压和高压中心，N和L分别为暖和冷中心，红色圆点代表某地区的位置3.3 低涡低涡一般指出现于大气中低层的水平和垂直范围都较小的低压涡旋。对中国天气变化影响较大的低涡有两类: 一类是气流经青藏高原特殊地形作用后产生的动力低涡, 如产生于四川西南部的西南涡和青海湖附近的西北涡；另一类是从高空西风带的深槽中切断出来的冷性涡旋，如北方冷涡。某地区夏季产生暴雨的重要天气系统之一就是低涡，由于低涡过程引起的暴雨约占某暴雨的26左右（表5）。低涡的雨带与其移动路径之间有关，最大雨量中心多位于低涡移动路径前1个至2个纬距内。低涡暴雨的落区与低空急流

26、的活动和演变有密切的关系，在低空急流轴左前侧有水汽通量的辐合区，对应温度露点差较小的湿中心，易产生暴雨。当出现西南(偏南)急流与强偏东气流汇合时，在汇合区内，水汽通量辐合区增强扩大，温度露点差小的湿中心区域也扩大，则易形成暴雨。表5 1971年2010年某地区低涡暴雨统计表暴雨时间暴雨站数系统类型700hPa系统850hPa系统地面系统24h最大降水量(mm)1981.08.1408.152蒙古冷涡西南急流东南急流冷锋（倒槽）61.11985.08.2408.252北槽南涡西南急流切变线冷锋（倒槽）80.31988.08.0908.101北槽南涡东南急流切变线冷锋（倒槽）57.41997.08

27、.1308.141北槽南涡西南低涡偏南气流冷锋（倒槽）60.81999.08.0508.061蒙古冷涡偏南气流河套低涡冷锋（倒槽）67.82006.08.1108.121蒙古冷涡偏南气流切变线冷锋 （蒙古气旋）62.62006.09.2009.211蒙古冷涡偏南气流切变线冷锋 （蒙古气旋）63.3图12为1985年8月24日00时700hPa的天气形势图，从图中可以看到：700hPa低涡位于某地区，在其前部存在明显的低空西南急流，低空急流轴左前侧的水汽通量辐合区与温度露点差较小的湿中心相对应，产生此次暴雨过程。图12 1985年8月24日00时700hPa天气形势，图中红线为等温线（间隔4），

28、黑线为等高线（间隔，40gpm），棕线为切变线，棕色尖头为急流，D和G分别为低压和高压中心，N和L分别为暖和冷中心，红色圆点代表某地区的位置3.4 低空急流低空急流指对流层低层（700hPa或850hPa）风速12m/s的强风速带。低空急流的作用有下列几点：提供暴雨区所需水汽，建立并维持暴雨区低空对流不稳定层结；建立暴雨区低空天气尺度上升气流，触发对流不稳定能量释放；暴雨区的移动和强度变化与低空急流的变化密切相关，暴雨落区一般出现在700hPa低空急流前部03个纬距之间。由于某地处高原，拔海高度大多在1000m以上，在业务预报实践中把700hPa等压面图上至少相邻两个测站风速12m/s的区域称

29、为低空急流区。按照内蒙古天气预报手册规定：暴雨过程发生当天及前一天，暴雨区与急流轴之间距离不超过5个纬距的配置，认为两者之间存在关系。对1971年2010年69月某地区暴雨过程的统计分析表明，该地区90以上的暴雨过程在850hPa或700hPa上有西南风或偏南风低空急流（表6）。表6 1971年2010年某暴雨与低空急流统计表暴雨时间暴雨站数700hPa急流850hPa急流24h最大降水量(mm)1973.08.1408.151偏南西南51.51975.08.2508.262西南偏南61.51978.08.3008.312西南西南转东南72.01981.08.0508.061西南东北转东南80.61992.08.0708.081西南偏南90.61998.07.1207.131西南偏南62.12001.07.2407.251西南偏南61.92002.06.2106.222偏东转西南偏南67.82002.08.0308.041西南东南57.72003.09.2609.271东南转西南东南55.92006.08.0608.071西南东南67.02006.08.0708.081西南偏南67.72008.07.3108.011西南偏南50.72010.08.0708.081西南东南58.6图13为2008