贵州省印江县暴雨特征初步研究

喻义军，李小兰，陈　军，刘丹丹

(1.贵州省印江县气象局，贵州　印江　555200；2.贵州省玉屏县气象局，贵州　玉屏　554000；3.贵州省铜仁市气象局，贵州　铜仁　554300；4.贵州省松桃县气象局，贵州　松桃　554100；)



贵州省印江县暴雨特征初步研究

喻义军1，李小兰2，陈军3，刘丹丹4

(1.贵州省印江县气象局，贵州印江555200；2.贵州省玉屏县气象局，贵州玉屏554000；3.贵州省铜仁市气象局，贵州铜仁554300；4.贵州省松桃县气象局，贵州松桃554100；)

利用2010—2014年共5 a贵州省印江县17个自动站观测资料和Micaps实况资料，采用相关对比分析、汇总归类等统计方法，分析了印江县暴雨时空分布及天气环流形势特征。结果表明：近5 a来印江县暴雨次数和过程降水量均呈增长趋势，暴雨主要发生在4—7月，且7月最多，占全年累计总数的50%，大暴雨天气过程以2 d居多，最长持续3 d；印江多暴雨区主要集中在印江县中北部、东北部至梵净山西部一带；印江暴雨天气可分为3类环流型，即冷锋+高空槽+切变型、低涡切变+高空短波槽型、台风倒槽型；印江县暴雨与该区域的垂直速度、假相当位温、比湿、水汽通量散度、水汽通量、涡度、K指数、SI指数、LI指数有密切关系。

暴雨；环流特征；物理量；相关性

1　引言

汛期暴雨预报由于其形式、背景的复杂性，往往是预报的难点，特别是区域性的暴雨预报难度更大，但做好县级区域性的汛期暴雨预报和暴雨特征分析是经济建设、防汛抗旱等防灾减灾工作的迫切需求，许多学者对区域性暴雨特征做过统计分析，如刘益兰[1]等人对 1961—2000年贵州省 83 个气象站地面气象记录资料进行了分析，表明贵州省降水有着明显的地域分布特征；马晓刚等人[2]在分析中国南方持续性暴雨中指出，K指数对暴雨强度预报具有较好的指示性 、相关性和超前性；郑仙照等人[3]指出螺旋度的强度变化对暴雨的发生发展有一定的指示意义；叶成志[4]等人在研究台风“碧利斯”对湖南大暴雨影响时指出，湘东南多山体分布且向北开口的喇叭口特殊地形通过与“碧利斯”低压环流北侧增强的东北风相配合，有利于水汽输送和中尺度对流系统发生、发展，对湘东南暴雨有明显增幅作用；任敏[5]等人研究发现暴雨大多发生在正涡度区域南侧直到涡度为零的区间，并以正涡度中心到南侧1纬度的范围内频率最大，但也有少数出现在负涡度区域；朱乾根[6]对江淮切变线进行了分析研究并总结出切变线上降水的分布特征；张洪英等[7]研究发现低层冷式切变线是引发大暴雨的主要系统，暴雨主要产生在低空冷式切变线右侧、西南低涡的东北象限以及低空急流的左前方，也是高低空急流耦合区；杨晓霞等[8]研究发现有利的地形对局地短时极强降水有重要作用，低层暖式切变线和500 hPa低槽的位置不同、中高层冷空气的侵入强度、位置不同造成强降水的强度位置也不同。

以上研究主要从大范围对暴雨天气气候特征做了研究分析，但由于贵州省地形地貌条件复杂，暴雨频发，并具有明显的区域性特点，大范围研究难以全面反映本地的暴雨特征，因此本文通过对近5 a来印江县暴雨时空分布、环流特征进行分析，试图揭示本地暴雨天气气候特征，找出与暴雨密切相关的显著性物理量因子，力图为县级短、中期暴雨预报提供参考依据。

2　资料与方法

规定全县范围内24 h至少出现4站次降水量>50 mm的日期为1个暴雨日；暴雨站次为印江县17个区域自动气象站出现暴雨日的站数。选取该县内区域自动气象站2010—2014年逐日降水量资料，利用Micaps实况资料对印江县近5 a暴雨天气过程的环流形势进行统计分析，得出影响印江暴雨常见的环流分类；利用Micaps物理量场产品，统计分析暴雨天气过程中水汽、热力、动力特征因子，总结出该县产生暴雨的显著物理量指标。

3　印江县暴雨时间特征分布

3.1年际变化

对印江县近5 a 17个站次出现暴雨日数及暴雨年累积降水量进行统计(表1)，从表中可以看出，近5 a印江暴雨站次百分比无明显变化，但总体呈增加趋势，年暴雨过程累积降水量变化显著，并呈跳跃式变化，2013年出现极低值，2014年出现极大值，特别是2014年暴雨过程年总降水量超过前4 a之和。

3.2月际变化特征

图1a、1b为印江县近5 a暴雨日数及月分布图。从图中可以看出，夏季7月出现暴雨日数最多，占到全年暴雨次数的50%，6月次之，占全年暴雨次数的25%，5月较少，4月最少，8月—次年3月全县没有大范围的暴雨发生。经统计，印江暴雨天气过程最长持续3 d，发生在2014年7月13日—16日，持续2 d和1 d暴雨天气次数分别为7次和4次，由此可见，暴雨过程主要以2 d居多，持续性暴雨主要出现在6—7月，出现3 d以上的暴雨最有可能出现在7月。

表1　印江2010—2014年暴雨年累积降水量及暴雨站次比年变化

图1　印江县近5 a暴雨日数(a)、暴雨月分布(b)Fig.1　 Days of the rainstorm(a), the number of the rainstorm per month (b)

4　印江县暴雨空间分布特征

4.1暴雨空间频次分布

地形因素对降水有显著影响[9]，印江境内山体成东北—西南带状分布，海拔最低450 m，北部为沙子坡山体(海拔1 210 m)，东部紧邻梵净山(海拔2 290 m)，杨柳山脉(海拔1 464 m)横跨南部(图2a)，低层偏南暖湿气流北上碰到山体阻挡被迫抬升，加强了上升运动，同时暖湿空气抬升降温增加湿度，对降水也起到了一定的作用，可见，印江县暴雨天气出现的降水强度除了与天气背景有关外，还与地形密切相关。由图2b中看出，2010—2014年，印江县暴雨频次呈4级分布，自北向南逐渐减少，沙子坡站(108.472°E,28.169°N)暴雨次数最频繁，累积发生10次，占暴雨总次数的83%；暴雨多发区主要集中在杉树、板溪、天堂、合水、郎溪、永义、木黄一带；中坝、缠溪最少。

4.2暴雨小时降水量极值特征

选取印江近5 a 17个自动站小时降水极大值数据，并作等值线图,从图3a中可看出:印江暴雨小时降水量极大值为80.4 mm，极小值为25.1 mm，大部分乡镇小时降水量历史极大值范围为30～50 mm，小时降水强度主要分成4个区域(图3b)，且自南向北逐渐减弱，南部洋溪、杨柳最强，小时降水强度和暴雨频次在空间上分布差异较大。暴雨空间分布特征分析表明印江县暴雨小时降水强度、暴雨频次及海拔高度三者之间有着密切的关系。

图2　印江地形图(a)、暴雨频次空间分布图(b)Fig.2　Topographic map of Yinjiang county(a), frequency distribution of the rainstorm(b)

图3　小时降水量极值大小(a)、小时降水量极值空间分布(b)Fig.3　Extremely value of precipitation in one hour(a), The spatial distribution of extremely precipitation(b)

5　印江暴雨主要环流形式

为研究印江暴雨天气过程环流特征，对2010—2014年印江5 a 12次暴雨过程(4站24 h雨量超过50 mm)利用实况资料按高空、地面进行环流分析归类，得到以下3种典型类型。

5.1Ⅰ型—冷锋+高空槽+切变

500 hPa南支槽、高原槽东移(有时无高空槽)进入贵州西北部(图4a)，对应750 hPa、850 hPa有槽、低涡切变、低空西南急流建立发展，同时地面冷锋从贵州西北部进入并向东部偏南移动，造成印江暴雨天气过程。此类型是4—6月主要的暴雨环流形式，其特征是500 hPa中低纬地区有低槽生成并向东移动，贝加尔湖大槽南压东移，高原槽、南支槽东移至铜仁中部，槽前有>20 m/s西南气流；700 hPa有切变位于贵州北部，同时四川盆地有低涡存在未来并向东移：850 hPa切变线位于贵州中部，西南风急流核位于铜仁南部；地面有冷锋从四川方向，经贵州西北东南移为主，前期热低压减弱西退(图4a)。此类型出现4次，占总数的33%。

5.2Ⅱ型—低涡切变+高空短波槽

500 hPa河套地区南部横槽南压，高原有弱波动槽东移到贵州，副热带高压西伸北抬进入广西北部并维持，贵州南部、东部位于副高西北侧，副高西伸脊点位于110°E附近；700 hPa四川东部、重庆、长江流域切变生成并南压至贵州北部，贵州东南部有西南急流；850 hPa云南、贵州、长江流域横切变，四川盆地低涡东移，西南风急流核位于铜仁南部并逐渐向北抬；地面热低压控制，低压中心位于贵州省西南部，贵州省中部有辐合线。此类天气过程降水具有持续时间短、降水强度大的特点，但如果副高位置维持，加上弱冷空气南下，往往产生持续性的强降水(图4b)。此类型出现7次，站占总数的58%。

5.3Ⅲ型—台风倒槽型

台风或其减弱的热低压在广东、广西登陆并向西北方向移动，印江位于台风倒槽的西侧，倒槽后有偏东南急流，槽前有东北大风，偏东南急流持续的水汽输送和偏北急流的强烈辐合抬升，引发了印江暴雨天气；同时由于印江山地的阻挡强迫抬升，暴雨的强度增强(图4c)。此类型出现1次，占总数的8%。

图4　暴雨环流形势Ⅰ型(a)、Ⅱ型(b)、Ⅲ型(c)Fig.4　Categories of the atmospheric circulationⅠtype(a), Ⅱtype(b), Ⅲtype(c)

6　印江暴雨物理量指标统计

在研究暴雨天气环流形式的基础上，以Micaps实况物理量场格点资料，选取离印江县最近的4个格点物理量值，利用双线性插值法计算出本站相对应的物理量值，取暴雨过程前12 h 13个物理量指标因子，其中4个因子分不同层次。

设第i个物理量因子的相关系数为ri，n为样本总量，α为置信度水平，Ti为物理量因子统计量，Tai统计临界值[10]，根据相关系数显著性分析公式：

(1)

利用Excel统计公式求得第个物理量因子的统计临界值：

Tai=T.INV(α,n-2)

(2)

式(1)、(2)中n取12，α取0.8，分别求它们与12次暴雨过程降水量的单相关系数，并对相关系数进行显著性水平检验(表2)。

T>|Ta|,表明在设定的置信水平上存在正相关；T<-|Ta|，表明在设定的置信水平上存在负相关；如果-|Ta|

表2　物理量因子与暴雨的相关系数

由表中可以看出，垂直速度、假相当位温、比湿、水汽通量、水汽通量散度、K指数、SI指数、LI指数、涡度与暴雨均达到显著的相关性，因此可以把他们作为预报暴雨的物理量因子。

另外，统计物理量因子在暴雨过程前、过程中、过程后的平均值和极值变化特征，由表3可以看出各物理量因子在暴雨前后均有明显变化，其主要特征是：

①垂直速度：暴雨区域一般有较强的上升运动，700 hPa垂直速度均值<-20 m·s-1，极小值能达到-116.49 m·s-1。

②假相当位温: 在850 hPa场有平均值>348 K的高能值锋区，一般>336 K。

③水汽通量：低层充足的水汽输送有利于暴雨的发生和暴雨强度的加强，印江暴雨850 hPa水汽通量平均值为6.68×10-3g·cm-2·hPa-1·s-1，极小值为4.9×10-3g·cm-2·hPa-1·s-1。

④比湿：850 hPa比湿场平均值为13.83 g·kg-1,极小值为10.42 g·kg-1，梵净山西部、沿河南部、印江东部、北部为密集的高湿区。

⑤水汽通量散度：由表3可知，低层水汽通量散度对印江暴雨具有重要指示作用，850 hPa水汽通量散度在该区域内为负值区，平均值一般为-9.04×10-3g·cm-2·hPa-1·s-1，750 hPa一般为正值区，但极小值也可低至-3.86 g·cm-2·hPa-1·s-1，低层辐合，高层弱的辐合或较强的辐散，均可为暴雨提供充足的动力条件。

⑥涡度：850 hPa、700 hPa印江处于正的涡度区域，其中850 hPa涡度均值为11.08 m·s-1，但700 hPa涡度能底至-1.04 m·s-1，暴雨一般与正涡度中心对应。

⑦K指数：在暴雨个例中，一般大部分时段K>32.4 ℃，极小值为28.01 ℃。

⑧SI指数：较强的K指数和较低的SI指数说明大气越不稳定，有利于对流的发生，暴雨个例中通常SI<0.44 ℃，最大可以达到2.72 ℃。

⑨LI指数：抬升指数与暴雨也呈较大的反相关性，指数绝对值越小，层结越不稳定，通过暴雨个例统计，一般LI<1.34，极大值为9.84。

表3　暴雨过程前后物理量因子均值变化及极值分布

7　结论

①近5 a，印江暴雨站次和频次均有增加趋势，暴雨天气主要发生在6—7月，且以7月居多。

②暴雨天气过程最长持续为3 d，发生在2014年7月14—16日，大部分暴雨持续时间为2 d。

③暴雨多发区域为中部、北部、东北部一带，中坝、缠溪、洋溪、刀坝为少发区域，沙子坡最易发生暴雨，同时暴雨频次和小时降雨强度呈一定的反相关性。

④通过暴雨天气高低空环流形式特征分析，建立了3类典型的环流型，即冷锋+高空槽+切变型，低涡切变+高空短波槽型，台风倒槽型。

⑤Micaps物理量场分析发现垂直速度、假相当位温、比湿、水汽通量散度、水汽通量、K指数、SI指数、LI指数、涡度等物理量与暴雨有密切的关系。

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[4] 叶成志，李昀英. 湘东南地形对“碧利斯”台风暴雨增幅作用的分析[J]. 暴雨灾害，2011，30(2)：128.

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Preliminary Research on the Characteristics of the Rainstorm for Yinjiang County, Guizhou Province

YU Yijun1,LI Xiaolan2,CHEN Jun3,LIU Dandan4

(1.Yinjiang Meteorological Bureau of Guizhou Province, Yinjiang 555200, China; 2.Yuping Meteorological Bureau of Guizhou Province, Yuping 554000, China; 3.Tongren Meteorological Bureau of Guizhou Province, Tongren 554300,China; 4.Songtao Meteorological Bureau of Guizhou Province, Songtao 554100,China)

Based on the 17 Automatic stations observation data and Micaps data from 2010 to 2014, the spatial-temporal distribution and atmospheric circulation features of the rainstorm were researched by using the correlation analysis, statistical method and so on in Yinjiang County. The results show that: The times of rainstorm and Annual precipitation in nearly five years showed a growth trend，the rainstorm mainly occurred in April-July, but in July is the most, which accounts for 50% of the total number of rainstorm. The rainstorm usually ended in two days, and the longest maybe last to three days; Rainstorm region mainly concentrated in the middle of north, North-East and the western region of Fanjing Mountain; Atmospheric circulation of the rainstorm can be classified into three categories, which is cold front+ upper trough + Shearing, Low vortex Shearing + shortwave trough of high level and typhoon inverted trough; The rainstorm was closely related to the vertical speed, pseudo-equivalent temperature, specific humidity, water vapor flux divergence, moisture flux, vorticity, K index, SI index, and LI index in the rainstorm region.

rainstorm; characteristics of atmospheric circulation; physical; correlation

1003-6598(2016)03-0049-06

2015-06-13

喻义军(1987-)，男，助工，主要从事综合气象观测保障工作，E-mail:2565199892@qq.com。

P426.61+4

B