陶正達(dá) 趙曉鈺 高燕 莊永富

摘 要：該文利用普蘭店國家氣象觀測站1965-2014年暴雨等相關(guān)資料，基于趨勢分析、小波分析及M-K突變分析等方法對普蘭店地區(qū)近50a間發(fā)生的暴雨進(jìn)行特征分析。結(jié)果表明：近年來普蘭店地區(qū)暴雨發(fā)生次數(shù)明顯增多；暴雨天氣過程主要發(fā)生在7、8月，6月和9月偏少，暴雨發(fā)生次數(shù)存在8a的周期性變化。在對發(fā)生112次暴雨過程500hPa環(huán)流場的分析，發(fā)現(xiàn)3種環(huán)流類型：冷空氣東移南壓型、西太平洋副熱帶高壓偏北型以及鞍形場型。

關(guān)鍵詞：普蘭店；暴雨；小波分析；Mann-Kendall檢驗；聚類分析；環(huán)流場分型

中圖分類號 P458 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2015）17-134-04

The Characteristics of Heavy Rain in Pulandian during the Last 50 Years

Tao Zhengda et al.

（Meteorology Bureau of Pulandian City，Pulandian 116200，China）

Abstracts：Based on the data about the rainstorm from the national meteorological stations in Pulandian during 1965-2014，the characteristics of heavy rain in Pulandian is analyzed by trend analysis，wavelet analysis，Mann-Kendall test and so on.The results have shown the following：The influence of global warming increased the times of rainstorm happened in Pulandian.The rainstorm happened major in July and August and few in June and Sep. The occurrences of the heavy rain had a change cycle of eight year.By using the 112 times rainstorm's data of the circulation field on 500hPa，three types of circulation field had been found.The cold air moved to south or east，the subtropical high is on the north and the type of saddle field.

Key words：Pulandian；Heavy rain；Wavelet analysis；Mann-Kendall test；Clustering analysis；Type the circulation field

普蘭店處于遼東半島南端，位于39°24′N、121°58′E，北部低山、東北部及中部為高丘陵、南部及沿海為低丘平地，農(nóng)業(yè)種植面積達(dá)70%以上，各種極端性災(zāi)害天氣嚴(yán)重威脅著普蘭店地區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全。近年來，受全球變暖等因素的影響，普蘭店地區(qū)暴雨等災(zāi)害性天氣頻發(fā)，這與鄒立堯[1]在研究東北暴雨特征得出的：1987年之后東北地區(qū)發(fā)生暴雨的次數(shù)明顯增多、頻率明顯加大的這一結(jié)論不謀而合。2007年3月4日，受北上江淮氣旋與南下貝加爾湖較強(qiáng)冷空氣共同影響，普蘭店地區(qū)普降暴雨，造成房屋倒塌21戶50間，受災(zāi)棚室19 600棟，畜牧養(yǎng)殖業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、電業(yè)、交通等皆受災(zāi)嚴(yán)重，造成直接經(jīng)濟(jì)損失約為57 700萬元。2012年8月3日，受強(qiáng)熱帶風(fēng)暴影響，普蘭店地區(qū)出現(xiàn)暴雨到大暴雨天氣過程，導(dǎo)致沖毀農(nóng)田813hm2、道路沖毀172.46km、水淹農(nóng)田6 858.3hm2，轉(zhuǎn)移人口11 773人。因此，對普蘭店地區(qū)暴雨的研究具有重大意義。

對暴雨的研究一直是氣象工作者研究的重點方向，而在21世紀(jì)之前對東北地區(qū)的暴雨研究卻相對較少，結(jié)論主要源自陶詩言[2]的《中國之暴雨》。近年來，隨著氣象事業(yè)的發(fā)展，地面觀測設(shè)備的更新，氣象資料的準(zhǔn)確度、精確度以及完整性等得到了很大的提升，很多學(xué)者[3-7]利用其中較完整、準(zhǔn)確的降水資料，使用EOF、REOF、聚類分析等方法對東北地區(qū)降水的時空分布特征進(jìn)行了分析，取得了很好的效果。受中小城市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)據(jù)資料的不全、年限不足具有局限性等原因的影響，小范圍的暴雨時空分布特征及降水落區(qū)很難進(jìn)行分析研究。2000年以來，對局地性暴雨天氣的預(yù)報方法研究得到各地學(xué)者普遍高度重視。例如，楊艷娟[8]、公穎[9]等分別對暴雨的非均勻性、階段性等特征進(jìn)行了分析研究；孫傳雷等[10]對在遼寧登陸的熱帶氣旋進(jìn)行了統(tǒng)計分析；王東海等[11]對東北地區(qū)暴雨的研究中發(fā)現(xiàn)：氣旋、冷渦、臺風(fēng)等環(huán)流系統(tǒng)對東北地區(qū)暴雨發(fā)生發(fā)展的影響很大；孫力等[12]發(fā)現(xiàn)：東北地區(qū)暴雨發(fā)生次數(shù)多少的變化特征具有周期性；李燕等[13]對大連暴雨個例特征分析得出大連地區(qū)發(fā)生暴雨時各層次、物理量以及雷達(dá)回波圖的特征。

本文利用M-K檢驗、小波分析以及其它統(tǒng)計方法[14]對普蘭店地區(qū)歷年暴雨發(fā)生次數(shù)、暴雨初日及暴雨終日等暴雨數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征進(jìn)行了分析，并使用聚類分析等統(tǒng)計學(xué)方法對暴雨發(fā)生時所受的500hPa環(huán)流場進(jìn)行分型研究，得出影響普蘭店地區(qū)暴雨環(huán)流場的特征及不同類型環(huán)流場引發(fā)暴雨的機(jī)制、暴雨發(fā)生的時間、主要共性等特征，旨得出普蘭店地區(qū)暴雨的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，為暴雨的預(yù)測預(yù)報提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

本文利用普蘭店觀測站1965-2014年逐日降水資料、NOAA國家環(huán)境預(yù)報中心提供的1965-2014年500hPa日平均位勢高度場的NCEP2.5°×2.5°再分析資料進(jìn)行研究。暴雨日數(shù)定義為日降水量≥50mm的日數(shù)。使用線性趨勢線[15]、小波分析法、Mann-Kendall檢驗方法[14]、聚類分析[6]等統(tǒng)計學(xué)方法。

2 暴雨發(fā)生時間分布特征

2.1 暴雨次數(shù)逐月變化特征 1965-2014年間普蘭店地區(qū)發(fā)生的暴雨天氣112次。從圖1可以看出，普蘭店出現(xiàn)暴雨天氣主要集中在7、8月份，其中7月占39.8%，為最多，8月占35.9%，略少于7月；初夏6月暴雨次數(shù)開始增多，盛夏7月份達(dá)到頂峰，夏末8月下旬開始逐漸減少，初秋9月暴雨接近尾聲。這與我國東部降水分型中的東北雨季的開始、結(jié)束時間相吻合。

[45

40

35

30

25

20

15

10

5

0][百分率（%）][月份][1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12]

圖1 1965-2014年累年逐月暴雨次數(shù)百分率分布

2.2 歷年暴雨次數(shù)變化特征 由圖2可以看出：近50a間普蘭店暴雨次數(shù)整體呈增加趨勢，近50a降水次數(shù)波動周期約為20a，波峰值約為3、波谷值約為1；1965-2004年波動振幅較小，2005-2014年波動振幅較大。說明近年來由于很多全球性變化的原因影響，普蘭店地區(qū)暴雨次數(shù)增多，極端性災(zāi)害天氣出現(xiàn)頻繁。

[7

6

5

4

3

2

1

0][次數(shù)][年份][1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 ]

圖2 1965-2014年逐年暴雨次數(shù)

從圖3可以看出，降水次數(shù)存在4a和8a的周期性變化趨勢，8a的周期通過紅波檢驗。由此可以得出，普蘭店地區(qū)暴雨出現(xiàn)呈8a的顯著性周期變化，即若2014年降水次數(shù)為0次，偏少，預(yù)計8a后的2022年左右的全年降水次數(shù)依然偏少，這對本地區(qū)關(guān)于暴雨這種極端性災(zāi)害天氣的預(yù)報具有一定參考價值。

圖3 暴雨次數(shù)周期變化

2.3 暴雨初終日特征分析 由圖4可見：普蘭店暴雨終日出現(xiàn)時間一般在8月中旬，50a間整體波動振幅不大，20世紀(jì)末期后振幅大于前期；暴雨初日出現(xiàn)時間在20世紀(jì)90年代前主要出現(xiàn)在6月初至7月初，20世紀(jì)90年代后暴雨初日出現(xiàn)時間明顯提前，初終日間隔明顯增大。

[初始日期（月/日）][11/28

10/9

8/20

7/1

5/12

3/23

2/1]

圖4 1965-2014年普蘭店暴雨初、終日年際變化

3 發(fā)生暴雨時500hPa環(huán)流場的特征分類

利用NOAA國家環(huán)境預(yù)報中心提供的1965-2014年普蘭店112次暴雨發(fā)生時的20～50°N、100～135°E的500hPa日平均位勢高度場的NCEP2.5°×2.5°再分析資料，使用聚類分析等數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行研究，得出普蘭店地區(qū)發(fā)生暴雨時500hPa環(huán)流場特征大體分為以下3種類型：冷空氣東移南壓型、鞍形場型及西太平洋副熱帶高壓偏北型。其中冷空氣東移南壓型又可分為典型東亞大槽東移型（又分為具有閉合低壓環(huán)流中心類及未閉合的氣旋性環(huán)流類）、冷氣團(tuán)分裂出的低壓環(huán)流型和左低右高型。鞍形場型又分為典型鞍形場型及變形鞍形場型（又可分為高壓切入型及低壓切入型）。西太平洋副熱帶高壓偏北型又分為上低下高型（又可分為平直型及波動型）及左高右低型。由表1可以看出，冷空氣東移南壓型發(fā)生次數(shù)最多，占112次暴雨過程中的49%，其次為鞍形場型占比率為28%，西太平洋副熱帶高壓偏北型占比率為23%。在研究中發(fā)現(xiàn)，發(fā)生暴雨時500hPa等高線值約為5 800的次數(shù)最多。

表1 引發(fā)普蘭店暴雨過程的不同環(huán)流類型發(fā)生次數(shù)及所占比率

[類型＼&次數(shù)（次）＼&占有率（%）＼&所研究暴雨區(qū)域的主要平均等高線值＼&冷空氣東移南壓型＼&55＼&50%＼&5800＼&東亞槽

大槽型＼&低壓未閉合＼&17＼&53＼&5820＼&具有閉合低壓中心＼&15＼&47＼&5640＼&合計＼&32＼&58＼&從冷氣團(tuán)中分裂而出的低壓環(huán)流＼&11＼&20＼&5800＼&左低右高型＼&12＼&22＼&5840＼&鞍形場型＼&31＼&28＼&5800＼&典型鞍形＼&17＼&55＼&5820＼&變形

鞍形＼&高壓切入型＼&9＼&64＼&5760＼&低壓切入型＼&5＼&36＼&5840＼&合計＼&14＼&45＼&西太平洋副熱帶高壓偏北型＼&26＼&23＼&5800＼&上低下

高型＼&低壓較平直＼&7＼&41＼&5730＼&低壓氣旋性曲率相對較大＼&10＼&59＼&5850＼&合計＼&17＼&65＼&左高右低型＼&9＼&35＼&5780＼&]

3.1 空氣東移南壓型 暴雨發(fā)生機(jī)制：北方冷空氣東移南下與副熱帶高壓的暖濕氣流相遇形成局地強(qiáng)對流天氣從而產(chǎn)生強(qiáng)降水，即導(dǎo)致普蘭店地區(qū)暴雨過程（圖5）。暴雨發(fā)生時間：主要集中在春（3～6月）、秋（8～10月）兩季。分析：冬季前后北方冷空氣強(qiáng)度較強(qiáng)，活動頻繁，且有足夠的南方暖濕氣流輸送，因此有利于對流性天氣的發(fā)生發(fā)展從而產(chǎn)生強(qiáng)降水天氣過程。

圖5 引發(fā)普蘭店暴雨過程的冷空氣東移南壓型中

4種不同類型環(huán)流場

3.2 西太平洋副熱帶高壓偏北型 暴雨發(fā)生機(jī)制：與冷空氣東移類原理相似，當(dāng)暖濕氣流強(qiáng)度較強(qiáng)時，即副熱帶暖濕空氣強(qiáng)度較強(qiáng)，在北上過程中與北方的冷空氣相遇，從而引發(fā)強(qiáng)降水天氣過程（圖6）。暴雨發(fā)生時間：東北雨季（7月）。分析：進(jìn)入東北雨季時，西太平洋副熱帶高壓為全年最強(qiáng)時，其位置也達(dá)到最北端，高壓后部的西南氣流帶來很大的水汽輸送，當(dāng)遇到北方較冷空氣時產(chǎn)生較強(qiáng)的降水。

圖6 引發(fā)普蘭店暴雨過程的西太平洋副熱帶高壓偏北型中

3種不同類型環(huán)流場

3.3 鞍形場型 暴雨發(fā)生機(jī)制：鞍形場中間部分的氣流較穩(wěn)定，其邊緣部分受低空切變線和地面倒槽的共同影響，即低空切變貢獻(xiàn)上升氣流、地面倒槽的東南氣流貢獻(xiàn)水汽條件從而觸發(fā)了暴雨的發(fā)生發(fā)展。暴雨發(fā)生時間：隨機(jī)性大但多發(fā)于春末夏初、秋末等氣溫波動較大，時而伴有冰雹。分析：鞍形場屬于較復(fù)雜的環(huán)流形式，其中間氣流相對較穩(wěn)定而四周環(huán)流形勢復(fù)雜變，地面倒槽的東南氣流從海洋上帶來充足的水汽，在鞍形場復(fù)雜的環(huán)流背景下，當(dāng)?shù)涂涨凶冚^大，產(chǎn)生強(qiáng)的上升氣流時即引發(fā)強(qiáng)降水天氣過程。據(jù)統(tǒng)計[16]，50年間發(fā)生的30次冰雹天氣過程中有16次發(fā)生于鞍形場的環(huán)流背景下，占有53.3%的比率，其中伴有暴雨天氣過程的有9次，占有1/3的概率，這是由于鞍形場環(huán)流下易引發(fā)低渦[17]，而低渦又容易誘發(fā)冰雹的產(chǎn)生[18]。

圖7 引發(fā)普蘭店暴雨過程的鞍形場型中3種不同類型環(huán)流場

4 結(jié)論

（1）對普蘭店暴雨次數(shù)的研究過程中發(fā)現(xiàn)，全球性的氣候變化可以引發(fā)局地強(qiáng)對流天氣的頻發(fā)，且具有一定的周期性（4a、8a），其中通過顯著性檢驗的為8a的周期，這與南方濤動等海洋氣候環(huán)境的變化具有相關(guān)性。普蘭店暴雨天氣主要出現(xiàn)在7、8月，6月和9月偏少，可以看出東北雨季來臨時即副高位置偏北時，暴雨發(fā)生概率增大。

（2）對暴雨初終日的研究發(fā)現(xiàn)，近年來暴雨初日明顯提前，終日也有小幅度的提前趨勢，且初日、終日出現(xiàn)的早晚，存在一定性的交替出現(xiàn)的周期性規(guī)律。

（3）對出現(xiàn)112次暴雨過程500hPa的環(huán)流場進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)普蘭店地區(qū)觸發(fā)暴雨發(fā)生的環(huán)流特點主要可分為3類，即：冷空氣東移南壓型、西太平洋副熱帶高壓偏北型和鞍形場型。

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