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燥梁
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1 中国农学通报 2014,30(35): Chinese Agricultural Science Bulletin 山西暴雨的天气气候学分析卢淑贤 1, 秦春英 2, 刘海文 3, 乔金海 4, 李延晖 5 6, 梁凤娟 ( 1 山西省气象科研所, 太原 ; 2 山西省气象影视中心, 太原 ; 3 成都信息工程学院, 成都 ; 4 大同市气象局, 山西大同 ; 5 山西省大气探测技术保障中心, 太原 ; 6 内蒙古巴彦淖尔市气象局, 内蒙古临河 ) 摘要 : 利用年 NCEP 常规气象资料, 从暴雨时空分布特征等角度, 结合天气动力学统计学等方法, 对山西暴雨进行天气气候的分析研究结果表明 :(1) 从气候学上讲, 中条山东部是山西暴雨的极值中心, 降水极值中心强度到达 94 mm 发生暴雨频次最多的地方主要位于太行山南麓延伸至中条山东部的晋东南和晋南地区另一个出现暴雨次数比较多的地区位于五台山附近, 显示出山西特殊地形对山西暴雨的增幅作用 (2)50 多年来, 山西暴雨次数有着显著的年代际变化特征, 年, 山西暴雨处于发生次数较多阶段, 年, 山西暴雨处于次数较少阶段 ;2003 年以后, 山西又处于暴雨明显增加阶段 (3) 形成山西暴雨的暖湿气团可能是南亚季风向北伸进的结果, 暴雨发生日,320 K 等墒面上, 在山西附近形成一个高位涡中心, 其和来自低纬度的暖湿空气, 在山西附近相交绥, 导致山西暴雨的产生关键词 : 暴雨日数 ; 暴雨频次 ; 时空分布 ; 天气气候中图分类号 :P458 文献标志码 :A 论文编号 : Shanxi Storm Weather and Climate Analysis Lu Shuxian 1, Qin Chunying 2, Liu Haiwen 3, Qiao Jinhai 4, Li Yanhui 5, Liang Fengjuan 6 ( 1 Shanxi Meteorological Science Institute, Taiyuan ; 2 Shanxi Meteorological Television Center, Taiyuan ; 3 Chengdu University of Information Technologies, Chengdu ; 4 Datong Bureau of Meteorology, Datong Shanxi ; 5 Shanxi Atmospheric Sounding Technical Support Center, Taiyuan ; 6 Bayannaoer Meteorological Bureau in Inner Mongolia, Linhe Inner Mongolia ) Abstract: From the perspective of rainstorm temporal and spatial distribution characteristics, the research used NCEP conventional meteorological data , combined with weather dynamics and statistics methods, to analyze and study the weather and climate of rainstorm in Shanxi. The results showed that: (1) from climatology, the east of Zhongtiao Mountain was the extremum center of rainstorm in Shanxi, the strength of extreme precipitation center could reach 94 mm. The place of most frequent rainstorm occurrence was in the south of Taihang Mountain, extending to the southeastern Shanxi Area and southern Shanxi area at the east of Zhongtiao Mountain. Another rainstorm frequently occurred place was near the Mount Wutai in Shanxi, showing the enhanced effect of the special terrain of Shanxi on rainstorm. (2) For more than 50 years, rainstorm frequency in Shanxi had decadal variations, from 1957 to 1982, there was more frequency of rainstorms in Shanxi, while from 1983 to 2002, there were fewer rainstorms; after 2003, frequency of rainstorms in Shanxi had been in the increasing stage; (3) the warm air mass for formation of rainstorm in Shanxi was 基金项目 : 山西省科技发展计划项目山西省动力统计暴雨预报集合系统第一作者简介 : 卢淑贤, 女,1960 年出生, 山西太原人, 工程师, 大专, 主要从事天气气候分析与农业气象研究通信地址 : 西省太原市新建路 65 号山西省气象科学研究所, qkslsx@126.com 收稿日期 : , 修回日期 :

2 probably the extending of south Asian monsoon to northward, on rainstorm day and 320K isentropic surface, forming a high potential vorticity center in the vicinity of Shanxi, and interacting with the warm moist air from low latitude and resulting in rainstorm in Shanxi. 卢淑贤等 : 山西暴雨的天气气候学分析 211 Key words: heavy rain days; rainstorm frequency; temporal and spatial distribution; the weather and climate 0 引言暴雨是中国夏季多见的一种灾害性天气, 每次暴 [1] 雨都给人民的生命财产带来了损失山西地处中国华北西部的黄土高原东翼地理坐标为北纬 34 34' 40 43' 东经 ' ' 山西地形较为复杂, 境内有山地丘陵高原盆地台地等多种地貌类型山区丘陵占总面积的 2/3 以上, 大部分在海拔 1000~ 2000 m 之间暴雨是山西的主要灾害性天气之一, 每年暴雨及其引发的洪涝和泥石流等灾害都会造成很大的经济损失, 有时还会有人员伤亡例如 1963 年 8 月上旬华北持续 10 天左右的大暴雨, 以及 1996 年 8 月 3 5 日的 ( 简称 96.8 ) 暴雨, 都造成了严重的洪涝灾害和数百亿的经济损失近年来, 气象科技工作者对山西暴雨做了过多的 [2-6] 研究, 得到诸多有益结论, 张红雨等对近 48 年山西暴雨日数气候特征及其变化趋势分析, 指出近 48 年来全省暴雨日数呈现出下降趋势, 尤其是 7 月份下降趋势最为明显,20 世纪 70 年代末暴雨发生次数出现了较为明显的转折, 全省大部分地区暴雨发生次数有所减少, 特别是在晋东南南部一带和吕梁山北部地区减幅最大苗爱梅等从低空急流与山西大暴雨的统计关系及流型配置方面指出, 夏季山西的大暴雨过程西南风急流影响的频率大, 但造成 200 mm 以上的特大暴雨比重小, 而东南风低空急流影响的频率虽小, 但造成 200 mm 以上的特大暴雨的比重很大赵桂香等对 2001 年 7 月日发生在山西中部的一次区域性暴雨的中尺度特征进行了诊断分析, 结果表明 : 湿 Q 矢量锋生函数分布表现出明显的中尺度特征, 强锋生中心位于中 β 尺度暴雨云团的东南侧, 这是触发该暴雨云团迅速发展, 产生暴雨的重要启动机制低层暴雨中心的湿 Q 矢量锋生函数与降水量有滞后 6 h 的正相关关系湿 Q 矢量锋生函数分布表现出明显的中尺度特征, 强锋生中心位于中 β 尺度暴雨云团的东南侧, 这是触发该暴雨云团迅速发展, 产生暴雨的重要启动机制低层暴雨中心的湿 Q 矢量锋生函数与降水量有滞后 6 h 的正相关关系本研究利用年 NCEP 常规气象资料, 从暴雨时空分布特征等角度, 结合天气动力学统计学 [7-25] 等方法, 对山西暴雨进行天气气候的分析研究, 以期提高暴雨预报准确率, 为各级政府部门抗洪抢险提供科学的决策依据, 因而具有十分重要的科学意义和应用价值 1 方法与资料 1.1 方法利用山西省夏季 (6 9 月 ) 逐日降水资料, 对山西省暴雨进行统计分析, 分析山西暴雨发生的月季变化特征以及长期趋势变化规律, 并从天气学角度对山西省的暴雨进行了研究 1.2 资料概况 (1) 年 NCEP /NCAR/( 美国国家环境预报中心和美国大气科学研究中心 ) 提供的再分析资料集 ( 包括温度纬向风经向风垂直风速比湿和高度场等 ), 水平分辨率为 (2) 年山西省气象局气象中心资料室提供的山西地区 43 个测站逐日降水资料 ( 见图 1) 图 1 用于分析的年逐日降水资料的山西 43 个站点分布 2 山西夏季暴雨发生次数时空变化特征 2.1 山西夏季暴雨发生次数的空间分布特征 [26] 为了研究山西区域性暴雨, 参照陶诗言暴雨日

3 212 中国农学通报的选取标准, 规定山西范围内有 4 个站, 且日降水量 50 mm 为 1 个暴雨日对年山西 6 9 月日降水资料进行统计, 共有 130 例暴雨日将日降水 50 mm 的站点降水量求和, 然后除以该站点日降水 50 mm 出现的总次数, 达到 53 年来山西暴雨合成的降水量空间分布图由图 2 可见, 山西暴雨最大值中心主要位于中条山东部, 中心强度到达 94 mm, 次大值中心则位于吕梁山西部整个暴雨的降水量的空间分布特征是, 对于山西南部地区, 降水量为准纬向分布 ; 大致以吕梁上为界, 临汾到吕梁市以及从太原到朔州为准经向型分布 ; 大同市附近也存在 1 个准经向型的暴雨极小值中心图 3 是年平均的山西暴雨降水频次的空间分布由图 3 可见, 山西暴雨发生的频次分布和暴雨降水量的空间分布略有不同在山西南部, 其发生的频次的空间分布和暴雨量的空间分布大致一致, 也为准纬向型分布特征而暴雨发生的频次在吕梁山附近也表现为准纬向型的分布大同朔州市则表现为准经向型的分布特征 2 个暴雨出现次数的大值中心分别位于中条山以东的晋城南部地区以及五台山附近而朔州市和太原市则为暴雨出现次数较小的地区图 2 山西暴雨合成的降水量空间分布 2.2 山西夏季暴雨发生次数的季节演变及其年代际变化将年 6 9 月暴雨发生次数随时间的演变曲线绘成图 4 由图 4 可见, 从 6 月 1 日开始,53 年来, 山西暴雨发生日主要集中于 7 8 月,8 月 20 日暴雨发生次数达到 [27] 最大值, 随后暴雨发生次数逐渐减小刘海文等从气候学上确定了华北汛期的开始和结束日期, 结论表明, 华北汛期大致始于 6 月 30 日, 止于 8 月 18 日, 持续期大约为 50 天因此, 山西暴雨在华北汛期内都有发生, 而华北暴雨主要集中于华北雨季, 即所谓的 7 下 8 上的期间, 但是, 山西暴雨并不主要集中于华北雨季图年平均的山西暴雨频次空间分布内, 而发生在整个华北汛期期间, 这也从另一方面证明了华北汛期定义的合理性除了暴雨主要发生在华北汛期以外,6 月份山西也有零星的暴雨发生, 但是次数相对较少,9 月份以后, 虽然华北盛夏已经结束, 但是, 暴雨发生的次数和 6 月份相比, 相对较多这个特征表明, 副热带高压向北推进的过程中, 给山西带来的暴雨次数要远远少于其东退过程中给山西带来的暴雨的次数 20 世纪 70 年代末到 80 年代初, 中国夏季降水出现了 1 次明显的年代际转型, 转型后长江中下游地区降水增加, 北方降水减少, 呈显著的南涝北旱变化趋势这里南涝北旱中的北旱就是指华北汛期降水

4 卢淑贤等 : 山西暴雨的天气气候学分析 213 [28-29] 量在 1978 年以后发生的年代际减少因此, 以 1978 年为界, 将年为华北夏季降水偏多阶段, 年为华北汛期降水偏少阶段, 分别绘制了这 2 个不同阶段山西暴雨发生次数随时间的演变曲线 ( 图 5 图 6) 由图 5 图 6 可见, 在降水偏多阶段, 山西暴雨发生的次数要明显地多于降水偏少阶段 ; 但是在降水偏少阶段, 山西区域性暴雨出现的日期要早于降水偏多阶段偏多阶段暴雨出现次数最多的日期是 8 月 20 日, 而偏少阶段, 暴雨出现次数最多的日期则改为 7 月 30 日 2.3 山西夏季暴雨发生次数的长期变化特征为了考察山西暴雨发生次数的长期变化特征, 统计了年逐年的山西夏季暴雨发生的次数 ( 见图 7, 山西暴雨发生次数的长期变化以及趋势变化特征 ) 在趋势变化分析中, 笔者进行了线性倾向估计 [30] 计算图 7 中的方程是对应时间序列的回归方程,t 代表时间,y 代表变量,r 值是变量与对应时间的相关系数由图 7 可见,53 年来, 山西暴雨呈现出显著的下降趋势, 线性倾向值为 , 达到了 0.05 的显著性水平检验进一步对山西暴雨发生次数进行 M-K 趋势分析 ( 图 8), 由图 8 可见,53 年来, 山西暴雨发生的次数发生了显著的年代际跃变, 在 1983 年以前, 山西暴雨发生的次数处于偏多阶段, 而年, 山西暴雨发生次数为偏少阶段,2002 年以后, 山西暴雨发生图年 6 9 月暴雨次数随时间的演变图年 6 9 月暴雨次数随时间的演变

5 214 中国农学通报图年 6 9 月暴雨次数随时间的演变水平直线是变量的平均值, 方程是对应时间序列的回归方程,t 代表时间,y 代表变量,r 值是变量与对应时间的相关系数图 7 山西夏季暴雨发生次数的时间序列 ( 虚线 ) 及其线性趋势 ( 斜线 ) 实线 : 顺序统计检验曲线 ; 点实线 : 逆序统计检验曲线 ; 水平线 :Mann-Kendall 检验 0.05 显著性水平检验图 8 山西夏季暴雨发生次数的时间序列的 Mann-Kendall 检验结果

6 卢淑贤等 : 山西暴雨的天气气候学分析 215 次数则又表现为较多阶段 3 影响山西夏季暴雨的天气学分析 3.1 影响山西夏季暴雨的大气环流特征 [26] 暴雨的发生是出现在一定的大尺度环流形势下图 9 给出了 130 例山西暴雨发生日的平均 500 hpa 位势高度图由图 9 可见,500 hpa 位势高度场上, 整个欧亚大陆中高纬地区呈两槽两脊分布其中,2 个槽分别位于乌拉尔山以东和贝加尔湖以东地区,2 个弱脊分别位于贝加尔湖以西地区和中国东北至鄂霍次克海的上空从山西至江淮流域是 1 个明显的高空槽, 西太平洋副热带高压呈纬向带状分布,584 线延伸到 80 E 附近, 副高脊线大致位于 28 N 附近, 与山西上空的西风带槽形成明显的东高西低形势而低纬度地区, 孟加拉湾上空为一明显的低压槽, 在此环流形势下, 导致了山西暴雨的发生图 10 为山西暴雨发生日 850 hpa 风场合成图由图 10 可见, 从索马里过印度洋至中国的东部地区为一大范围的低空大风区低空急流被认为是中纬度暴雨和强风暴提供水汽和动量的最重要机制 ; 它是一种动 [31] 量热量和水汽的高度集中带来自中南半岛和副热带高压南部的偏东气流, 在中国东部地区汇聚北行, 并与来自高纬的偏北风在山西北部地区形成一辐合线, 且风速在山西地区也存在明显的辐合, 这为山西暴雨的发生提供了较好的大尺度降水条件 3.2 影响山西夏季暴雨的水汽条件 [26] 水汽的输送和辐合是暴雨产生的必要条件之一, 图 11 为山西暴雨发生日从地表到 300 hpa 垂直积分的水汽输送图由图 1 可见, 在南半球近赤道地区澳大图 9 山西暴雨发生日的平均 500 hpa 位势高度图图 10 山西暴雨发生日的平均 850 hpa 位势高度图

7 216 中国农学通报图 11 从地表到 300 hpa 垂直积分的水汽输送图 ( 单位 :kg/ms) 合成分布 ( 阴影区为水汽通量大于 150 kg/ms 的区域 ) 图 12 整层积分的水汽通量散度图 ( 单位 :kg/(m 2 s)) 利亚北部存在一个范围很大的水汽输送带, 该水汽输送带沿赤道西行, 在索马里附近越过赤道, 过阿拉伯海孟加拉湾以及中国的南海地区到达中国的东部沿海地区, 然后北上到达山西的南部地区 ; 同时, 在副热 [32] 带高压南部也存在一支东风水汽输送带朱乾根等指出, 水汽通量的数值和方向只能表明水汽的来源, 在做降水成因分析时常常需要进一步考虑从各个方向输送来的水汽能否在某地集中起来, 因此笔者要对整层积分的水汽通量散度进行分析 ( 图 12) 由图 12 可见, 整个山西地区上空存在一个水汽通量散度负值的负值中心这说明, 来自孟加拉湾, 中国南海, 西太平洋副热带高压南部海区的水气输送在其上空聚集, 形成水汽辐合, 为山西暴雨的发生提供了十分有利的水汽图 13 山西暴雨水汽收支垂直积分通过各边界的水汽通量 ( 单位 :kg/s) 条件为了定量分析山西暴雨的水汽供应情况, 以山西

8 卢淑贤等 : 山西暴雨的天气气候学分析 217 区域范围为界, 计算了山西暴雨对应的 4 个边界水汽的收支情况 ( 图 13) 由图 13 可见, 山西主要由东边界输入水汽, 南边界输入的水汽约不足以弥补北边界的输出, 而西边界的水汽输出仅仅为东边界的 1/3, 使得整个山西为净辐合, 水汽盈余, 山西暴雨得以发生 3.3 山西暴雨发生日大气运动特征分析暴雨和强对流天气与环境条件 ( 包括热力和动力的 ) 有密切关系, 大尺度环境条件不但制约了暴雨和强对流天气的性质和演变过程, 而且还影响对流系统内 [26] 部的结构运动和组织程度图 14 为山西暴雨发生时区域平均的涡度散度以及垂直速度的处置廓线分布图由图 14 可见, 从地面到 300 hpa 高度, 垂直速度都为负值, 这表明暴雨发生日, 山西上空大气具有比较图 14 山西暴雨所对应的涡度 ( 单位 :10-5 s -1 ) 散度 ( 单位 :10-6 s -1 ) 垂直速度( 单位 :10-1 Pa/s) 深厚的上升运动, 对流运动比较强盛而涡度的垂直分布特征为 450 hpa 以下为正涡度, 其上为负涡度层而散度分布则表现为低层辐合, 高层辐散的特征, 无辐散层大约在 400 hpa, 最大辐合出现在 925 hpa 以下 3.4 影响山西暴雨的暖湿气团分析华北地处东亚夏季风的北边缘活动区 [33] 由于夏季风是暖湿气流, 可用 850 hpa 340 Kθse 等值线表示 [34] 夏季风的北界由图 15 可以看出, 在 N, E 范围内, 有一东北西南向的 θse 舌, 在舌的西南部, 等 θse 的密集程度大, 表明 θse 的经向梯度大, 而等 θse 的密集带正是冷暖空气所交界的位置 [35],, 因此, 该阶段对流层低层锋区偏强, 冷暖空气相互作用较强山西地区 (34 40 N, E) 位于该舌西北部边缘, 大致在 340~360 K 等 θse 线范围内, 山西南部的等 θse 线比其北部密集, 因此山西南部的冷暖空气相互作用的强度较北部强, 降水强度较北部大 3.5 影响山西暴雨的冷空气分析一般从高纬南下的冷空气都具有高位涡的特征 [36] [37] [38] Hoskins 等赵其庚丁一汇曾利用这一特征研究了等熵面上的冷空气过程, 他们采用 0.5PVU 线代表冷空气的势力范围从图 16 中可以看出,0.5 PVU 线进入中国后向北延伸而 0.4 PVU 线向南延伸, 故采用 0.5 PVU 线代表 320 K 等熵面上的冷空气比较合理图 16 中所显示的地区都处于对流层中, 中高纬度地区的 IPV 线相对比较密集, 这就是从中国长江中下游地区向日本南部延伸的 IPV 密集带和中国西北的 IPV 密集带, 这 2 条密集带代表着冷暖空气的对峙和交绥在 N, E 区域内出现了 1 个明显的图 15 山西暴雨日 850 hpa θse 合成图 ( 单位 :K)

9 218 中国农学通报图 16 山西暴雨 320 K 等墒面上位涡合成图位涡槽, 其附近的位涡扰动较明显, 该区域的位涡值高于同纬度的其他地区, 反映出北方的中高层有冷空气南下, 山西位于该位涡槽的中心位置, 其值达到 0.7 PVU 4 结论与讨论使用 NCEP/NCAR 再分析资料和山西省台站降水资料, 分析了山西省暴雨的气候特征和长期变化趋势, 得到了如下结果 : (1) 从气候学上讲, 中条山东部是山西暴雨的极值中心, 发生暴雨频次最多的地方主要位于太行山南麓延伸至中条山东部的晋东南和晋南地区另一个出现暴雨次数比较多的地区位于五台山附近, 山西特殊地形对山西暴雨有明显的增幅作用 (2)50 多年来, 山西暴雨次数有着显著的年代际变化特征, 年, 山西暴雨处于发生次数较多阶段, 年, 山西暴雨处于次数较少阶段 ; 2003 年以后, 山西又处于暴雨明显增加阶段这是本项目的一个主要的新发现山西暴雨主要发生在盛夏 7 8 月, 而 9 月份发生的暴雨次数要多于 6 月份而且发生在 6 月份的暴雨受东南沿海的热带气旋的影响比较显著 (3) 形成山西暴雨的主要环流特征是 : 在 500 hpa 高度上, 呈东高西低的环流形势, 即东为西太平洋副热带高压, 西为西风槽 ;500 hpa 副热带高压位置明显偏北, 脊线大致位于 28 N 附近造成山西暴雨的水汽通道主要来自孟加拉湾南海以及副热带高压南部山西暴雨的水汽来源主要是来自于东边界水汽输入参考文献 [1] 鲍名, 黄荣辉. 近 40 年我国暴雨的年代际变化特征 [J]. 大气科学, 2006,30(6): [2] 边清河, 丁治英, 吴明月, 等. 华北地区台风暴雨的统计特征分析 [J]. 气象,2005,31(3): [3] 崔粉娥. 一次山西低涡暴雨暴雨的数值模拟及诊断分析 [D]. 南京信息工程大学,2007. [4] 张红雨, 周顺武, 李新生, 等. 近 48 年山西暴雨日数气候特征及其变化趋势 [J]. 气象与环境科学,2010,33(2): [5] 苗爱梅, 武捷, 赵海英, 等. 低空急流与山西大暴雨的统计关系及流型配置. 高原气象,2010,29(4): [6] 赵桂香, 程麟生, 等. 山西中部一次罕见暴雨的中尺度特征分析 [J]. 气象科技,2007,35(4): [7] 陈静, 薛纪善, 颜宏. 物理过程参数化方案对中尺度暴雨数值模拟影响的研究 [J]. 气象学报,2003,61(2): [8] 丁一汇, 蔡则怡, 李吉顺.1975 年 8 月上旬河南特大暴雨的研究. 大气科学,1978,2(4): [9] 丁一汇. 天气动力学中的诊断分析方法 [M]. 北京 : 科学出版社, 1989:293. [10] 丁一汇, 李吉顺, 孙淑清, 等. 影响华北夏季暴雨的几类天气尺度系统分析 [A]. 中国科学院大气物理研究所集刊 ( 第 9 号 ), 暴雨及强对流天气的研究 [M]. 北京 : 科学出版社,1980:1-13. [11] 丁士晟. 北方暴雨分析及其预报研究进展 [J]. 气象科技,1983,1:7-18. [12] 冯伍虎, 程麟生, 程明虎特大暴雨和中尺度系统发展结构的非静力数值模拟 [J]. 气象学报,2001,59(3): [13] 何晓群. 多元统计分析 [M]. 北京 : 中国人民大学出版社,2000:380. [14] 黄嘉佑. 气象统计分析与预报方法 [M]. 北京 : 气象出版社,2004: 298. [15] 皇甫雪官. 国家气象中心集合数值预报检验评价 [J]. 应用气象学报,2002,13(1):29-36.

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气象第卷第期对流不稳定度

气象第卷第期对流不稳定度张芳华张涛周庆亮杨克明国家气象中心北京中国气象科学研究院灾害天气重点实验室利用上海自动观测站资料的逐小时分析资料水汽云图和多普勒雷达探测等资料对年月日上海飑线天气过程进行天气动力学诊断分析结果表明上海处在上干冷下暖湿的不稳定大气层结中对流层上层干冷空气的侵入和边界层暖湿气流强烈辐合是飑线天气的触发机制飑线以断续线型与后续线型相结合的型式形成在对流单体的右侧不断新生单体