陳高娃
阿榮旗氣象局,內(nèi)蒙古阿榮旗 162750
阿榮旗是以農(nóng)業(yè)為主的旗縣,素有“糧豆之鄉(xiāng)的美譽(yù)”。阿榮旗地形復(fù)雜、氣候多變,氣象災(zāi)害種類繁多,其中暴雨是對(duì)農(nóng)業(yè)影響最大的氣象災(zāi)害。因此,研究阿榮旗地區(qū)的暴雨變化特征和暴雨物理量場(chǎng)的預(yù)報(bào)指標(biāo),對(duì)提高暴雨提前預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率具有非常重要的意義[1-3],能夠更好地為政府部門組織開(kāi)展氣象防災(zāi)減災(zāi)提供參考[4-6]。
使用阿榮旗1957—2016年的逐日和逐時(shí)降水量資料,1957—2004年的逐時(shí)降水量資料使用降水自記紙電子化后的降水資料,2005年以后使用自動(dòng)氣象站的逐小時(shí)降水資料分析暴雨時(shí)空特征;并用每6 h測(cè)定1次的(08:00、14:00、20:00和02:00)0.125° ×0.125°ECMWF再分析資料分析其物理量。
環(huán)流形勢(shì)使用500、700和850 hPa高度場(chǎng)和溫度場(chǎng),分析圖均為暴雨當(dāng)天08:00圖。表1列出本研究中分析的物理量因子,各物理量值選取時(shí)間為每個(gè)暴雨過(guò)程中距離小時(shí)降水量最大值的出現(xiàn)時(shí)間,最近的時(shí)間。
表1 暴雨預(yù)報(bào)的物理量
凝練暴雨預(yù)報(bào)指標(biāo)時(shí)段選取1979—2016年(其中2015年和2016年無(wú)暴雨)31次過(guò)程。
研究使用GrADS軟件分析ECMWF再分析資料,并調(diào)取數(shù)據(jù)和繪圖;用辦公軟件處理數(shù)據(jù)并編寫材料。
0.125°×0.125°ECMWF再分析資料:溫度、相對(duì)濕度、比濕、風(fēng)場(chǎng)、垂直速度、渦度和散度(直接下載數(shù)據(jù))計(jì)算出水汽通量、水汽通量散度、假相當(dāng)位溫、總 溫 度、500和850 hPa的θse差、500和850 hPa的溫度差和K指數(shù)值分析暴雨發(fā)生時(shí)的物理量。
通過(guò)應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,計(jì)算指標(biāo)物理量的有關(guān)統(tǒng)計(jì)量,主要統(tǒng)計(jì)了各物理量的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)(變異系數(shù)可以表征指標(biāo)離散程度)。
(1)平均值
式中:數(shù)據(jù)為i=1,2,3,…,N個(gè)xi數(shù)據(jù)組成。
(2)標(biāo)準(zhǔn)差
(3)變異系數(shù)。
阿榮旗暴雨最早出現(xiàn)在6月17日(1979年),最晚出現(xiàn)在9月18日(1978年)。從表2可以看出,暴雨主要集中在7—8月,以7月最多,占65.9%,8月次之,占18.2%,9月最少,占4.5%。通過(guò)統(tǒng)計(jì)1957—2016年的降雨量,7和8月的降水量占全年的56%,這主要是由于暴雨過(guò)程集中在7月。
表2 暴雨次數(shù)的月變化
對(duì)流性降水:1 h降水量≥20 mm或2 h降水量≥30 mm的過(guò)程定義為對(duì)流性降水過(guò)程。
穩(wěn)定性降水:1 h降水量<20 mm或2 h降水量<30 mm過(guò)程定義為穩(wěn)定性降水過(guò)程。
1979—2016年31次暴雨過(guò)程(因?yàn)?957—1978年無(wú)小時(shí)降水量)主要以對(duì)流性降水為主,占近64.5%。其中1 h最大降雨量45.0 mm(出現(xiàn)在1980年7月19日),過(guò)程最大降雨量的為109.3 mm,出現(xiàn)在1998年7月27日。
朱乾根等[7]在《天氣學(xué)原理和方法》中指出,形成暴雨必須滿足3個(gè)條件:充分的水氣供應(yīng)、強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)以及較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間。因此需要分析水汽因子、熱力因子、不穩(wěn)定因子以及動(dòng)力因子。
選取的主要水汽因子物理量包括比濕、相對(duì)濕度、水汽通量、水汽通量散度。
充分的水汽是暴雨產(chǎn)生的必要條件[8]。因阿榮旗離海較遠(yuǎn),產(chǎn)生暴雨需源源不斷的水汽輸送,水汽輸送是降水得以維持的重要因素。水汽通量表征水汽來(lái)源。從低層風(fēng)場(chǎng)和水汽通量疊加圖來(lái)看(忽略),暴雨發(fā)生時(shí)主要有2個(gè)水汽來(lái)源:(1)日本海和鄂霍次克海水汽由鄂霍次克海高壓前部偏東氣流輸送;(2)孟加拉灣、南海水汽和熱帶氣旋外圍水汽由副高西側(cè)西南低空急流與中高緯度低渦相連輸送。
水汽因子的總體特征表明(表3),暴雨發(fā)生時(shí)925、850和700 hPa平均比濕分別為13.2、11.6和7.4 g/kg;表征大氣飽和程度的相對(duì)濕度,暴雨發(fā)生時(shí)925 hPa與850 hPa差異較小,在94.0%左右,700 hPa相對(duì)濕度為88.6%。因此,應(yīng)注意不同位勢(shì)高度層的比濕和相對(duì)濕度指標(biāo)差異。925、850 hPa的比濕與925、850、700 hPa的相對(duì)濕度變異系數(shù)較小,這表明暴雨發(fā)生時(shí)指標(biāo)物理量相對(duì)集中,對(duì)暴雨有很好的指示意義。雖然表征水汽集中程度的水汽通量散度低層有較好的水汽輻合,但強(qiáng)輻合中心高度不一致,導(dǎo)致700、850和925 hPa的變異系數(shù)較大。
表3 水汽因子的平均值和離散程度
熱力因子:選取假相當(dāng)位溫和總溫度。
假相當(dāng)位溫是一個(gè)表征溫度、氣壓、濕度的綜合物理量。在同一氣壓條件下,假相當(dāng)位溫越大,空氣越暖濕,越小空氣越干冷。
總溫度:值越大,表示大氣中的總能量越大。
從表4可以看出,假相當(dāng)位溫平均值334.5 K,總溫度平均值為46.6℃,假相當(dāng)位溫和總溫度變異系數(shù)較小,這表明暴雨發(fā)生時(shí),指標(biāo)物理量相對(duì)比較集中,對(duì)暴雨有相對(duì)較好的指示意義。
表4 熱力因子平均值和離散程度
阿榮旗暴雨過(guò)程大多數(shù)以對(duì)流性降水為主。朱乾根等[7]在《天氣學(xué)原理和方法》中指出,不穩(wěn)定層結(jié)是形成對(duì)流性天氣的3個(gè)基本條件之一。
在《天氣預(yù)報(bào)技術(shù)與方法》中總結(jié)出θse850-θse500大氣中層結(jié)潛在不穩(wěn)定,暴雨落區(qū)差值一般在0~15 K之間。850與500 hPa的溫度差表明下暖上冷,層結(jié)不穩(wěn)定。
由表5可以看出,此處選取的不穩(wěn)定因子850與500 hPa的溫度差和K指數(shù)異系數(shù)較小,離散程度小,對(duì)暴雨有相對(duì)較好的指示意義;500與850 hPa的溫度差和K指數(shù)平均值分別為23.8℃和36.3℃。然而,850與500 hPa的假相當(dāng)位溫差變異系數(shù)較大,對(duì)暴雨的指示意相對(duì)有限。
表5 熱力因子的平均值和離散程度
強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)是暴雨產(chǎn)生的必要強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)是暴雨產(chǎn)生的必要條件。暴雨時(shí)存在強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng),只是每個(gè)過(guò)程大值中心出現(xiàn)位置不同,變異系數(shù)較大。渦度和散度低層輻合、高層輻散利于上升運(yùn)動(dòng)的加強(qiáng),也是因?yàn)槊總€(gè)過(guò)程大值中心出現(xiàn)位置不同,變異系數(shù)較大。
雖然從動(dòng)力因子離散程度看,變異系數(shù)均較大,暴雨的指示意義相對(duì)有限,但從高低層垂直速度值來(lái)看,均有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng);從渦度和散度高低層值看,都有低層較強(qiáng)輻合和高層較強(qiáng)的輻散,抽吸作用有利于加強(qiáng)垂直運(yùn)動(dòng)。
(1)水汽因子:925和850 hPa比濕平均值分別為13.2 g/kg(范圍為10.2~15.1 g/kg)和11.6 g/kg(范圍為7.9~14.3 g/kg);925、850、700 hPa相對(duì)濕度平均值94.5%(范圍為80%~100%)、94.0%(范圍為70.4% ~100%)和88.6%(范圍為60%~100%);以上值離散程度小,對(duì)暴雨有相對(duì)較好的指示意義。
(2)熱力因子:假相當(dāng)位溫平均值334.4 K(范 圍 為320.2 K~342.5 K),總溫度平均值為46.6℃(范圍為32.5℃~50.3℃),均變異系數(shù)小,對(duì)暴雨有相對(duì)較好的指示意義。
(3)不穩(wěn)定因子:500和850 hPa的溫度差和K指數(shù)異系數(shù)較小,平均值分別為23.8℃(范圍為16.3℃~28.1℃)和36.3℃(范圍為33.0℃~40.2℃)。
(4)動(dòng)力因子:渦度和散度高低層值看,都有低層較強(qiáng)輻合和高層較強(qiáng)的輻散,但是渦度和散度低層強(qiáng)輻合區(qū)和高層強(qiáng)輻散區(qū)的位置不同,925~200 hPa的渦度和散度值變異系數(shù)均較大;從垂直速度高低層垂直速度值看,均有較強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng),但每次過(guò)程強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)區(qū)不同,導(dǎo)致變異系數(shù)均較大。