临安暴雨季节特征及成因分析

张霏燕 黄哲 戴龙海

(临安区气象局,浙江 杭州 311300)

0 引 言

临安区位于浙江省西北部,境内溪多、源短、流急,受地形、气候诸因素制约,暴雨极易诱发山体滑坡等地质性灾害,造成人员伤亡和重大经济损失。我国目前已经有很多对暴雨灾害的研究成果。陶诗言等在研究中得出在切变线附近风向辐合最强烈,存在着强烈的上升气流,暴雨和强对流天气常出现在切变线附近[1];李炬等研究发现低空急流是形成降水的重要原因[2],汪邦道等介绍了诱导暴雨的主要天气系统有台风暴雨、锋面暴雨、东风波暴雨[3]。本文统计整理了临安区2001—2016年出现的暴雨过程,对其天气形势、物理量场进行了分析,形成可供预报参考的指标体系,对预报业务以及暴雨预警服务都将有一定的指导作用。

1 资料来源和方法

所使用的日降水量数据来源于2001—2016年临安国家基本站观测数据,以20时为日界,日降水量≥50 mm为一个暴雨雨日。本文中的季节划分方式如下:春季为3—5月,夏季为6—8月,秋季为9—11月,冬季为12月—次年2月。

进行影响系统分析所使用的数据为MICAPS历史数据,进行物理量分析所使用的数据为美国国家环境预测中心/国家大气环境中心(NCEP/NCAR)发布的水平分布率为2.5°×2.5°的日平均全球再分析资料。

2 临安暴雨日数统计分析

2.1 时间变化特征

为了更好地了解临安暴雨特征,根据不同量级(50～70 mm,70～100 mm,100 mm以上)对暴雨进行统计分析,从暴雨日数的年际变化来看(图1),2001—2016年的暴雨雨日共67 d,年平均暴雨雨日为4.2 d,其中2016年最多,为8 d,2003年最少为0 d,出现70 mm上的暴雨雨日26 d,年均1.6 d,出现100 mm以上的暴雨雨日8 d,年均0.5 d。从暴雨日数的月际变化来看(图2),6月暴雨雨日最多,共出现23次,占总数的34.3%,出现70 mm以上的暴雨雨日也最多,共出现8次;7月和8月均出现暴雨雨日12 d,分别占总数17.9%,最少为1月和2月,均无暴雨发生;100 mm以上的暴雨雨日出现在6—10月,其中6—8月分别为2次,9—10月各出现1次。

图1 暴雨雨日年际变化

图2 暴雨雨日月际变化

暴雨雨日最多发生在夏季,2001—2016年间有47 d的暴雨发生在夏季,占总数的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,分别为11 d、占比16.4%和8 d、占比11.9%,冬季最少仅有1 d,仅占1.5%(图3)。

图3 暴雨雨日季节变化

2.2 梅雨期暴雨

梅雨降水对临安全年的降水量贡献巨大。2001—2016年间,梅雨期间出现暴雨雨日为23 d,主要出现在6月(20 d),平均每年的梅雨期间出现1.4个暴雨雨日,占总数的34.3%,占夏季总数的48.9%,70 mm以上的暴雨出现8 d,100 mm以上的暴雨仅出现2 d。梅雨期暴雨日数年际分布不均,2011、2013和2015年梅雨期暴雨日数最多,都为4 d,而2005、2006、2009和2010年梅雨期间则无暴雨发生。

图4 梅雨期暴雨雨日年际变化

2.3 台风暴雨

台风降水是临安全年总降水量的重要组成部分。2001—2016年间,共有14个暴雨雨日是受到台风环流直接或间接影响所致,占暴雨雨日总数的21%,年均0.9 d。从月际变化来看(图5),5月在台风外围环流和高空槽相互作用下出现了1次台风暴雨,发生在2006年5月18日。7月出现了2次,均为台风直接影响造成的暴雨。8月受台风影响最多,共出现5次,且暴雨的强度均在70 mm以上,其中2次在100 mm以上,5次过程中有4次都是台风环流直接影响。9月和10月各出现3次,占秋季暴雨总数的75%,近年来由于全球变暖,秋台风活跃,此时冷空气势力远不如冬季般强劲,弱冷空气会给台风外围云系或残留云系带来不稳定能量从而使降水增强,4次此类系统配置的台风暴雨强度均在70 mm以上,其中两次分别达到了179.1 mm和190.4 mm;另一种情况则是台风减弱低压并入西风槽内,使西风槽突然加深使降雨持续时间加长,2007年9月19日的过程就是此类情况。

图5 台风暴雨雨日月际变化

3 影响系统分析

由于台风暴雨已在前文分析,接下来的影响系统分析不再包含台风暴雨,本文的频率为频数除以暴雨日数。

3.1 春 季

统计得2001—2016年春季暴雨雨日共11 d,通过影响系统的分析发现(表1),在11次过程中,有8次暴雨都伴随有低空切变和地面倒槽的存在;高空槽,低空急流,地面冷空气也是重要的影响系统;春季是冷空气较为活跃的季节,有4次过程是高空有槽东移或急流存在,中层配合切变或低空急流,而地面先为倒槽控制,之后冷空气南下影响,冷暖空气交汇导致暴雨的发生。另外东北冷涡也是非常重要的影响系统,有4次暴雨与之有关。

表1 春季暴雨过程影响系统

3.2 夏 季

夏季是降水过程最为活跃的时间段,且降水具有较强不稳定性。从影响系统分析来看(表2),高空槽、低空切变和地面倒槽或低压仍然是大多数夏季暴雨系统必不可少的配置,而副高的强弱进退也成为夏季暴雨重要的制约原因,从表2可见,副高引起的暴雨过程有9次。除此以外,东北冷涡作为重要的一类降水天气系统,仍有10次暴雨过程与之有关。由于夏季各月的主要影响系统存在较大的差别,以下分月份进行分析。

表2 夏季暴雨过程影响系统

6月冷气团依然较为活跃,但暖气团逐渐占据主导地位。高空槽东移,中低层有切变或急流配合,地面有倒槽或低压存在是6月份最常见的天气系统配置(表3),23次暴雨过程中有8次是这样的天气系统配置造成。另外东北冷涡与地面倒槽或低压的配合也是常见和典型的系统配置,此时低空急流的强度在一定程度上影响着降水量的大小,分析时段内东北冷涡和地面倒槽或低压引起的暴雨过程共4次,降水量和对应的低空急流大小分别为100.1 mm(低空急流轴强度为16～22 m/s),99.8 mm(低空急流轴强度为16～20 m/s),76.6 mm(低空急流轴强度为14～16 m/s),55.9 mm(低层风速未达到急流标准)。

表3 6月暴雨过程影响系统

7月的暴雨过程(表4),高空槽东移,中低层有切变配合是最常见的天气系统配置,12次过程中有5次是这样的系统造成。

另外,7月和8月的暴雨过程与副高有着密切关系(表4和表5),7月梅雨结束后,从7月中旬至8月下旬(约40 d)临安主要受副热带高压的控制,通常副高的减弱东退会使位于副高西北侧的临安得以释放不稳定能量触发强对流,若此时配合以高空槽、东北冷涡或低空切变,降水量达暴雨量级的可能性非常大;当副高中心控制时,也会有不稳定能量的积聚释放,从而引起的暴雨过程,2001年7月9日即为此种情况;当副高北抬,临安处于副高南侧东风气流里,在东风波的影响下也容易引发暴雨过程,2016年8月9日即为此种情况。

表4 7月暴雨过程影响系统

8月份的影响系统除了前文所述的台风和副高以外,我们还需要关注冷空气的影响,8月下旬开始冷空气逐渐活跃,有2次暴雨与之有关。

表5 8月暴雨过程影响系统

3.3 秋 季

秋季大气环流再次调整,冷空气势力逐渐增强,2001—2016年共出现8次秋季暴雨,其中6次是台风暴雨,其余2次为冷暖气流交汇,并有高空槽,低空切变或急流配合而导致暴雨的产生(表略)。

4 物理量分析

本文选取与降水关系较大的比湿、可降水量、水汽通量、垂直速度等物理量对不同量级暴雨过程进行分析,由于春秋季的暴雨雨日较少,因此本文将暴雨量级分为50～70 mm和70 mm以上。

4.1 水汽条件物理量

4.1.1 比 湿

对各季节不同量级暴雨的850 hPa比湿进行四分位数分析,并将结果制作为箱线图(表6和图6),由图6可见,夏季水汽条件整体较好,且暴雨强度越强,比湿越大,夏季暖湿气流强盛,水汽充足,持续的水汽供应容易产生暴雨,且水汽条件越强盛暴雨的强度也会增强,在日常预报中,可参考表6的四分位数分析值,若比湿的数值出现在11.9～13.9之间,需要关注暴雨的出现,若比湿的数值出现在13.1～14.4之间,则需关注强暴雨的出现;秋季水汽条件次之,但秋季暴雨强度与比湿大小的关系不大,秋季的暴雨主要是由于台风造成,台风携带着充沛的水汽,但台风所造成的暴雨强度大小可能与台风的位置以及是否有系统配置关系更大。春季水汽条件较差,且暴雨强度强时,比湿反而小,目前春季暴雨样本数较少,这个现象产生的原因需要后续更多地研究。

表6 不同量级暴雨过程850 hPa比湿四分位数分析表 g/kg

(1为50～70 mm,2为70 mm以上)图6 850 hPa比湿季节变化箱线图(单位:g/kg)

4.1.2 可降水量

通过分析我们发现可降水量与比湿的结论较为一致(图7),秋季暴雨时段可降水量最大,且不同暴雨强度的可降水量值并没有明显差别;夏季暴雨时段可降水量较秋季略偏低,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,且暴雨强度强时,可降水量要更小。不同量级暴雨过程时段可降水量四分位数分析见表7。

图7 可降水量季节变化箱线图(单位: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中位数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

除了本地较高的可降水量,要产生暴雨,还必须要有足够的水汽从源地不断向该地区供应,而水汽通量就是表征水汽输送的一个物理量,对水汽通量分析后发现(图略),水汽通量的条件越好,产生的暴雨强度越强,从季节分布看秋季暴雨过程的水汽通量条件最好,这与秋季暴雨主要是台风造成有关,夏季次之,春季最小。日常预报中若水汽通量的数值出现在第一到第三四分位之间时,则需要关注暴雨和强暴雨的出现。

4.2 垂直速度

垂直运动是降水形成的3大条件之一,而强烈而持久的上升运动更是形成暴雨的条件之一。从以下统计结论来看,出现暴雨过程时各层都存在明显的上升运动,且暴雨强度越强,上升运动越强;秋季暴雨时段的垂直速度最大(台风影响),春夏季垂直速度的区别不大。具体数值则可以通过表(表略)进行查询参考,当数值落在两个四分位之间时,需关注暴雨和强暴雨的可能性。

5 总 语

1)从月际分布来看,6月暴雨雨日为全年最多,7月和8月次之,最少为1月和2月,无暴雨发生。梅雨和台风对临安的年降水量有巨大贡献,梅雨期间出现的暴雨雨日占暴雨总数的34.3%,而台风暴雨占到暴雨总数的21%。

2)台风暴雨主要分布在夏秋季,夏季的台风暴雨主要是由于台风环流直接影响所致,而秋季的台风暴雨主要是台风环流和冷空气相互作用导致,且此种系统配置产生的暴雨强度更强。

3)春季低空切变和地面倒槽是引发暴雨最重要的影响系统。夏季各月的主要影响系统存在较大的差别,6月份最常见的天气系统配置是高空槽东移,中低层有切变或急流配合,地面有倒槽或低压存在,另外6月时东北冷涡与地面倒槽或低压的配合也是典型的系统配置,此时低空急流的强度在一定程度上影响着降水量的大小。7月的暴雨过程主要受到副高和台风的影响。8月份台风引起的暴雨天气过程频数明显增多。秋季的暴雨主要是秋台风导致。

4)对物理量分析后发现,比湿和可降水量条件夏秋季整体较好,且夏季暴雨强度越强,比湿和可降水量越大;水汽通量条件秋季最好,夏季次之,春季最差,垂直运动条件秋季最强,春夏季次之且差别较小;暴雨强度越强,水汽通量和垂直运动条件越好。日常预报中可通过四分位数表格的查询,对暴雨和强暴雨的预报提供参考指标。