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  暴雨灾害   2017, Vol. 36 Issue (2): 125-131.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-9045.2017.02.004

论文

DOI

10.3969/j.issn.1004-9045.2017.02.004

资助项目

中国气象局沈阳大气环境研究所中央级公益性科研院所基本科研业务专项(2012IAE-CMA07)

第一作者

公颖, 主要从事暴雨基础研究、数值模式预报效果检验评估。E-mail: gongying74@sohu.com

文章历史

收稿日期:2015-06-20
定稿日期:2016-07-31
辽宁暴雨的日变化特征及其成因分析
公颖 1, 杨阳 1, 周小珊 1, 董博 2    
1. 中国气象局沈阳大气环境研究所,沈阳 110016;
2. 沈阳市气象局,沈阳 110016
摘要:利用长时序(1961—2012年)的辽宁省夏季逐小时降水观测资料、2008—2013年CMORPH(中国自动站与NOAA气候预报中心morphing技术融合的逐时降水量0.1°网格数据)夏季逐小时降水资料、2000—2012年NCEP再分析资料以及高分辨率中小尺度数值模式WRFV3.3.1,对辽宁暴雨日变化规律进行了统计,并对其形成机理进行了分析和数值试验,结果表明:(1)辽宁省内陆地区基本为午后降水(暴雨)峰值,沿海地区基本为午前降水(暴雨)峰值,内陆平原站点凌晨到午前有次峰现象发生。(2)辽宁降水日变化特征与地理环境关系密切,内陆地区午后降水峰值、沿海地区午前降水峰值的主要原因是大兴安岭—内蒙古高原山区、东北平原、海洋三大地形热力性质的不同而诱发的局地环流日变化。内陆地区午后—夜间降水峰值由山地—平原局地环流上升支诱发,沿海地区凌晨—午前降水峰值现象由海—陆局地环流上升支诱发。(3)对内陆站点做去除大地形试验的数值模拟试验表明,去除大地形对于日累积降水量无明显影响,但对内陆站点的降水日变化有影响,去掉地形后,内陆站点降水峰值发生时间基本均明显提前至正午前后且峰值雨量均明显减小;沿海站点做海洋改陆地数值模拟试验结果表明,海洋改陆地试验对于日累积降水量也无明显影响,但对沿海站点降水日变化有影响,海洋改为陆地后,沿海站点降水峰值由午前变为午后至夜间。数值试验结果进一步说明山地、海洋大地形是诱发辽宁降水日变化规律形成的主要原因。
关键词暴雨日变化    降水峰值    地理环境    
Characteristic analysis and mechanism study of the diurnal variation of heavy rain in Liaoning
GONG Ying1, YANG Yang1, ZHOU Xiaoshan1, DONG Bo2    
1. Shenyang Institute of Atmosphere Environment, CMA, Shengyang 110016;
2. Shengyang Meteorology Bureau, Shengyang 110016
Abstract: Using long time series (1961-2012)observational hourly rainfall data in Liaoning province, hourly 0.1°×0.1° resolution merged precipitation products over whole China from 2008 to 2013, NCEP reanalysis data from 2000 to 2012 and high resolution meso-scale numerical model WRFV3.3.1, the characteristcs of the diurnal variation of heavy rain in Liaoning province were summarized, and the mechanisms have been analyzed and numerically examined. The results are as follows. (1) The (heavy) rain peak inland of Liaoning province mostly happens from afternoon to midnight, while that inshore mostly happens in the morning. There is a secondary peak for inland plain stations from wee hours to morning. (2) There is a close relationship between the behavor of precipitation diurnal variation and the geographical environment in Liaoning province. The main reason of the rain peak in the afternoon inland and in the forenoon inshore is the local circulation diurnal variation caused by difference of thermodynamic character among the mountainous area, Northeast plain and the ocean. The rain peak inland from afternoon to midnight is caused by the updraft of the mountain-plain local circulation, while the inshore rain peak from wee hours to forenoon is caused by the updraft of the ocean-land local circulation. (3) The numerical test for inland stations without mountains shows that the daily accumulated rainfall was not affected, but the precipitation diurnal variation was obviously affected. After removing the mountains, the rain peak was advanced to noon and the peak value became smaller. The numerical test for inshore stations when altering ocean to land shows that the daily accumulated rainfall was also not affected, and the precipitation diurnal variation was again obviously affected. After altering ocean to land, the rain peak of inshore stations occurred at night instead of in the morning. In summary, the result of numerical test further illustrates that the large terrain of mountain and ocean is the main factors causing the precipitation diurnal variation in Liaoning province.
Key words: diurnal variation of heavy rain    heavy rain peak    geographical environment    
引言

不同地域的降水日变化有着地域性的特征和规律,降水日变化的规律对于局地天气气候预报与预测、人民生活、防灾减灾、以及工农业生产均具有重要的现实意义。因此,针对降水日变化规律,国内外气象学者们进行了大量的研究,发现降水日变化特征随季节、地理位置、降水强度而明显不同[1-6],但是也存在着一些共性的规律,例如:陆地降水最大值在下午、海洋降水最大值在清晨[7-8]。对于山区、谷地、湖区等特殊区域有着不同的降水日变化特征:山区降水最活跃时间为午后,谷地、湖区在夜间,大湖在清晨有第二峰值[9]等。国内多地气象工作者利用当地高时空分辨率的观测资料,对本地区降水日变化进行了深入详细的分析和研究[10-12],这些研究表明,我国夏季降水日变化呈现显著的区域差异,部分区域呈现清晨、傍晚双峰并存现象[13-20]

虽然降水日变化的一些普遍规律已被大家所认识,但是我国幅员辽阔,地理环境复杂多样,故对于不同区域降水日变化的区域性差异认识还明显不足,特别是对于区域差异的成因及其形成机理认知更少。这是由于导致降水日变化产生的区域特征的成因较为复杂,且缺乏长时序、高时空分辨率的观测资料,同时缺乏高分辨率的中小尺度数值模式用于有关研究。但是在科学技术迅速发展的今天,随着区域资料共享计划的实施和高分辨率中小尺度数值模式的发展,我们能够通过高时空分辨率的观测资料和数值模拟的方法来揭示降水日变化的规律及其成因。

本文利用辽宁及其周边地区的高时空分辨率的观测资料及WRFV3.3.1模式,在分析辽宁省降水日变化规律的基础上,重点对辽宁省暴雨的日变化特征及其成因进行分析研究,希望能够揭示辽宁地区降水日变化的规律并阐明其形成机理,为辽宁地区的天气、气候预测提供有利的依据。

1 辽宁降水日变化规律及区域特征

杨森等[15]利用辽宁省25个气象观测站(图 1)1961-2008年夏季(6—8月,下同)的逐小时自记降水资料,分析了辽宁省降水日变化特征,结果发现辽宁降水日变化特征地域性较强,沿海站与内陆站存在较为明显的差异,沿海站降水量的最大值基本出现在午前04-08时(北京时,下同),内陆站点则呈双峰值的形式,峰值分别出现在午前和午后,午后14—20时为降水量最大值出现的时间。

图 1 参与统计的辽宁省25个气象观测站分布图 (阴影为地形高度;单位:m) Fig. 1 The distribution of 25 statistical stations in Liaoning province. The shade is terrain height (unit: m).

在此基础上,本文利用更长时序的(1961—2012年)辽宁省夏季逐小时降水资料,统计了辽宁25个气象观测站小时暴雨(大于等于10 mm·h-1)的发生次数、雨量随时间的分布,以便揭示强降水的时空分布特征。图 2给出了内陆代表站朝阳站(图 2a)与沿海代表站大连站(图 2b)的暴雨总次数日变化分布图。可以看出,暴雨发生频数的日变化与雨量大小的日变化较为一致,彰武、阜新、朝阳(图 2a)、建平县、锦州、桓仁、本溪、鞍山等8个内陆站点(其中锦州非内陆站点)在15—19时左右出现暴雨频数与雨量明显峰值,宽甸、开原、清原、新民、黑山、沈阳、抚顺、岫岩等8个内陆站点均在午后出现暴雨次数与雨量峰值且凌晨到午前有次峰出现;大连(图 2b)、长海、庄河、瓦房店等4个沿海站点在05—08时出现明显的暴雨峰值,丹东、熊岳、营口等3个沿海站点也为午前峰值,但峰值不大;兴城、绥中两个沿海站点午前、午后均有暴雨峰值且峰值相当,但午后大值时段更长。

图 2 朝阳(a)、大连(b)1961—2012年夏季暴雨总次数、暴雨总雨量时间分布图 Fig. 2 The temporal distribution of the total heavy rain times and total heavy rainfall in summer from 1961 to 2012 in (a) Chaoyang and (b) Dalian station.

综上,内陆地区基本为午后降水(暴雨)峰值,其中一部分内陆站点凌晨有(暴雨)次峰出现,沿海地区基本为午前降水(暴雨)峰值,部分沿海站点在午前、午后分别有一个暴雨峰值,也有部分沿海站点峰值不够明显。

2 辽宁降水日变化规律形成机理 2.1 降水日变化与局地环流日变化的关系

He等[21]利用国家气候中心Morphing技术得到的2003—2009年5—8月高分辨率降水产品,对中国北方(关注区域为燕山、太行山脉、黄土高原、内蒙古高原及华北平原地区)暖季降水日变化进行了研究,结果表明:降水峰值在中午到午后开始于山脉顶部,并沿着山坡向下向东南方向以13 m·s-1的速度传播,大约在半夜到凌晨时分,峰值到达华北平原中部地区,造成平原地区较大范围的夜间降水极值现象;此外,日降水峰值(谷值)与山地—平原局地环流的上升(下沉)支对应。

辽宁省与华北平原毗邻,也处于西侧山脉(大兴安岭、七老图山、努鲁儿虎山、燕山、大马群山等)、东侧平原(东北平原)的大地形中,夜间降水峰值现象亦与华北平原相似,降水日变化的成因也应与华北平原有相似之处。

同样利用国家气候中心Morphing技术得到2008—2013年0.1°×0.1°夏季逐小时降水资料,做了降水标准差(即该格点该小时平均降水率与该格点日平均降水率之差再除以该格点小时降水标准离差)日变化分布图,以此来表现降水峰谷的时空分布(见图 3)。

图 3 东北区域降水标准差STDt分布图:(a) 12时;(b) 18时;(c) 20时;(d) 22时;(e) 00时;(f) 04时;(g) 06时;(h) 10时 Fig. 3 The distribution of rain standard deviation in Northeast China at (a) 12: 00, (b) 18: 00, (c) 20: 00, (d) 22: 00, (e) 00: 00, (f) 04: 00, (g) 06: 00 and (h) 10: 00 BT.

某格点某一时次降水标准差(STDt)公式为:

$ ST{{D}_{t}}=\frac{({{{\bar{r}}}_{t}}-\bar{R})}{\sqrt{\frac{\sum\limits_{t=1}^{24}{{}}({{{\bar{r}}}_{t}}-\bar{R})\times ({{{\bar{r}}}_{t}}-\bar{R})}{24}}} $

其中STDt代表t时次的降水标准差,${{{\bar{r}}}_{t}} $表示某格点某一时次平均降水率,$ {\bar{R}}$表示某格点日平均降水率,24代表一日的24个时次。

图 3可知,12时在内蒙古中东部出现一条较为明显的带状峰值区(见图 3a),随后峰值区范围扩大、数值略有增加且缓慢东移,14—19时辽宁省除南部沿海地区外,均处于正的峰值区范围内(见图 3b),20时开始峰值区明显北收,范围减小、强度减弱(见图 3c),21—23时辽宁省无明显峰值区(见图 3d)。

00时辽宁省南部沿海地区开始产生明显峰值区(见图 3e),随后峰值区范围扩大、向东北方向扩散、数值略有增加(见图 3fg),08时开始峰值区范围减小、南收、峰值区维持在辽宁东南部沿海(见图 3h)。

图 4给出NCEP分析资料2000—2012年夏季平均900 hPa垂直运动场,以此代表中低层平均垂直环流形势。从中可见,02时海洋、辽宁省南部沿海及东北平原地区为中低层气流上升区域,两侧的山区为气流的下沉区,14时恰好与02时相反,即山区、平原两侧为气流上升区,海洋、辽宁省东南部沿海及东北平原中部为气流下沉区,20时与14时情况类似,但气流上升区域向山区收缩、海洋与平原中部的下沉区打通并略向两侧扩张。

图 4 2000—2012年夏季平均900hPa垂直速度场(单位:Pa·s-1):(a) 02时;(b) 14时;(c) 20时 (淡黄色区域为陆地,蓝色区域为海洋,实线为垂直速度正值区,虚线为垂直速度复值区) Fig. 4 The average 900 hPa vertical velocity in summer of 2000-2012 (unit: Pa·s-1) at (a) 02:00, (b) 14:00 and (c) 20:00 BT. The fant yellow area is land, the blue area is the ocen, the sold line represents the pasitive value, the dotred line represent the negative valae.

在该组图中,中低层平均垂直环流上升支的时空分布与辽宁省的降水峰值时空分布相对应,即该图所反映的环流日变化与辽宁省沿海地区午前降水峰值、内陆地区午后降水峰值的降水日变化现象一致,说明辽宁省降水日变化的特征与这种环流日变化密切相关。此外,由图 4可知,东北平原与海洋及沿海地区的垂直环流相似,这给了开原、清原、新民、黑山、沈阳、抚顺、等内陆平原站点凌晨到午前次峰现象发生原因的一个合理解释。

结合图 34可知,正午时分在山脉、高原的热力作用下,山地—平原局地环流的上升支诱发了内蒙古地区带状峰值区,而后该峰值区范围的扩大、东移由两个因素导致,一方面是带状峰值区降水系统在对流层中层平均气流引导下的东传,另一方面是午后东北平原地区的热力作用对于平原地区降水的触发,即山地—平原局地环流上升支的东传。00时开始辽宁省南部海域海—陆局地环流上升支诱发的降水峰值区随海—陆局地环流的增强和西南风气流的引导而范围扩大和东北向扩散。

上述分析表明,辽宁省内陆地区午后—夜间降水峰值、沿海地区凌晨—午前降水峰值的降水日变化特征,是由大兴安岭—内蒙古高原山区、东北平原、海洋三大地形热力性质的不同而诱发的局地环流日变化决定的,内陆地区午后—夜间降水峰值由山地—平原局地环流上升支诱发,沿海地区凌晨—午前降水峰值现象由海—陆局地环流上升支诱发。

2.2 数值模拟试验

为了对上述分析结果进行进一步论证,设计数值模拟方案对降水日变化特征较为明显,能够分别代表内陆、沿海两种日变化特征的站点进行地形敏感性试验,即对于内陆代表站点,进行大兴安岭—内蒙古高原山区地形的剔除试验,看大地形变化,对其降水日变化的影响,同理对沿海站点,将渤海—黄海北部海洋变为陆地,看其对沿海代表站点降水日变化的影响,由此来验证上述研究结论。

2.2.1 模式简介

采用WRF模式版本3.3.1,同化系统为WRFVAR版本3.3.1,全球模式背景场为T639前12 h预报场。观测资料主要来自中国气象局9210下发的资料,包括地面观测:地面(SYNOP)、机场报(METAR)、自动站(AMS)、船舶报(SHIP);高空观测:测风(PILOT)、探空(TEMP)、飞机(AIREP)、SATOB(卫星探测风、云、表温、湿度和辐射资料)、SATEM(卫星探测高空气压、温度和湿度资料),同时还实现了沈阳和营口多普勒雷达观测资料的实时同化。

模式采用三层单向嵌套网格区域,水平分辨率分别为27 km(d01)、9 km (d02)、3 km (d03),第一层覆盖东亚区域,第二层覆盖整个东北地区,第三层覆盖辽宁地区,第一层区域中心位于42° N,116° E,垂直37层,模式层顶50 hPa。模式使用WSM 6分类微物理方案,Kain-Fritsch积云对流参数化方案。行星边界层方案和地面过程参数化分别使用YSU和Noah方案。使用快速辐射传播模式(RRTM)长波辐射方案,和MM5短波辐射方案。

2.2.2 内陆站点地形敏感性试验

针对山地大地形对其下游地区降水日变化的作用,本文做了2个试验加以说明。(1)控制试验(CTL):采用WRFV3.3.1模式的地形资料进行数值模拟。(2)无地形试验(NT):假设东北三省及内蒙古东部地区(38°—55°N,110°—135°E)地形不存在的试验,NT试验与CTL试验相比,只是从地形数据集读取地形后,把东北三省及内蒙古东部地区地形高度改为0,其他同控制试验。

从近两年的夏季降水个例中,选取2个辽宁省内陆地区降水强度较大、降水日变化特征明显且数值预报效果较好的理想个例进行以上试验。个例实况时间分别为2012年8月8日08时—9日08时、2012年8月18日08时—19日08时。模拟结果表明,地形改变后,内陆站点(彰武、阜新、朝阳、建平县、桓仁、本溪、鞍山等)降水日变化特征也发生较大变化,降水峰值发生时间均明显提前至正午前后,峰值雨量均明显减小。以图 5图 6为例,对代表个例模拟试验结果进行具体说明。数值模拟及试验的起报时间选择2012年8月8日08时,图 5给出了24 h累积降水实况与控制实验、无地形试验的降水量图,代表站点的降水日变化实况与控制实验、无地形试验对比见图 6。由图 5可知,控制试验、无地形试验对于雨带、强雨区的位置、范围、强度预报与实况基本吻合,无地形试验相比控制实验对辽宁北部强雨区预报范围明显偏小,对黑龙江省中部降水预报明显偏强。由图 6可知,代表站点阜新实况8日降水峰值发生在16时,其他时次降水量明显低于峰值,控制试验峰值也在16时(但强度低于实况),日降水变化形势也与实况接近,而无地形试验降水峰值发生时间提前至13时,峰值为5.7 mm,明显小于控制试验(12.7 mm)和实况(24.7 mm)。无地形试验中降水峰值提前的现象,应该是由于地形去除后,该区域降水峰值的发生主要受地表热力作用的影响。

图 5 2012年8月8日08时—9日08时24 h累积降水实况(a)与控制试验(b)、无地形试验(c)对比 (单位:mm,等值线所圈区域为降水大于25 mm区域,图中白色圆点标识阜新) Fig. 5 The 24 h accumulated rainfall of (a) observation, (b) control test and(c) no-terrain test from 08:00 BT 8 August to 08:00 BT 9 August 2012 (The area surrounded in contour line is the area where rainfall is larger then 25 mm, and the white dot identifies Fuxin).

图 6 阜新2012年8月8日08时—9日07时逐小时降水实况与控制实验、无地形试验结果对比 Fig. 6 The hourly rainfall in Fuxin of observation, control test and no-terrain test from 08:00 on 8 to 07:00 on 9 in August 2012.
2.2.3 沿海站点地形敏感性试验

针对海洋对沿海站点降水日变化的作用,本文也做了2个试验加以说明。(1)控制试验(CTL):即如前文述所,采用WRFV3.3.1模式的地表性质资料进行数值模拟。(2)海洋改陆地试验(NO):假设渤海及黄海北部海域(35°—42°N,117°—128°E)为陆地,NO试验与CTL试验相比,只是从地形数据集读取地表性质后,把渤海及黄海北部海域地表性质改为1(陆地),同时将该区域的第二类土地使用类型(旱区农田和牧场)设为0.9, 其他同控制试验。

2010年8月9日—11日,降水个例的实况和模式预报情况符合辽宁省南部沿海地区降水强度较大、降水日变化特征明显且数值模拟效果较好的理想个例要求,模拟结果表明,海洋改陆地后,主要沿海站点(大连、长海、庄河、瓦房店、营口、丹东等)降水日变化特征也发生较大变化,降水峰值发生时间均变为午后到夜间。图 7给出强降水时段9日08时—10日08时的降水实况与2010年8月8日08时起报的控制实验和海洋改陆地试验对比,由图可知,控制实验预报出辽宁省南部沿海及东南部地区的强雨带,但位置偏西,海洋改陆地试验强雨带位置、范围预报与控制试验近似,即总体来说控制试验与海洋改陆地试验的降水预报效果均较好,海洋改陆地之后对累积降水预报无太大影响。代表站点(大连)的降水日变化实况与控制试验、海洋改陆地试验对比(图 8)可知,控制试验强降水时段为较实况推迟1~2 h,雨量较实况略偏小,峰值发生时间与实况接近,即总体来说控制试验降水日变化与实况接近,而海洋改陆地试验中,降水日变化较控制试验发生了较大变化,10日除00—03时有弱降水外,其他时段均无降水发生,而在9日22时预报出明显的降水峰值(14 mm),即海洋改陆地后,由午前降水峰值转变为午后到夜间降水峰值。

图 7 2010年8月9日08时—10日08时24 h累积降水实况(a)与控制试验(b)、海洋改陆地试验(c)对比 (单位:mm,等值线所圈区域为降水大于25 mm区域,图中白色圆点标识大连) Fig. 7 The 24 h accumulated rainfall of (a) observation, (b) control test and (c) altering ocean to land test from 08:00 BT 9 August to 08:00 BT 10 August 2010 (The area surrounded in contour line is the area where rainfall is larger than 25 mm, and the white dot identifies Dalian).

图 8 大连2010年8月9日17时—10日23时逐小时降水实况与控制实验、海洋改陆地试验结果对比 Fig. 8 The hourly rainfall in Dalian of observation, control test and sea changed to land test from 17:00 on 09 to 23:00 on 10 in August 2010.
3 结论与讨论

(1) 辽宁省内陆地区基本为午后降水(暴雨)峰值,沿海地区基本为午前降水(暴雨)峰值,内陆平原站点凌晨到午前有次峰现象发生。

(2) 辽宁降水日变化特征与地理环境关系密切,内陆地区午后降水峰值、沿海地区午前降水峰值的主要原因是大兴安岭-内蒙古高原山区、东北平原、海洋三大地形热力性质的不同而诱发的局地环流日变化。内陆地区午后—夜间降水峰值由山地—平原局地环流上升支诱发,沿海地区凌晨—午前降水峰值现象由海—陆局地环流上升支诱发。

(3) 对内陆站点做无地形试验的数值模拟试验表明,无地形试验对于日累积降水量无明显影响,但对内陆站点的降水日变化有影响,去掉地形后,内陆站点降水峰值发生时间基本均明显提前至正午前后且峰值雨量均明显减小;沿海站点做海洋改陆地数值模拟试验结果表明,海洋改陆地试验对于日累积降水量也无明显影响,但对沿海站点降水日变化有影响,海洋改为陆地后,沿海站点降水峰值由午前变为午后到夜间。综上,数值试验结果进一步说明山地、海洋大地形是诱发辽宁降水日变化规律形成的根本成因。

(4) 本文采用数值模拟试验的方式来分析降水日变化规律的成因,而数值模式对于降水日变化的模拟能力尚不足,因此,在降水日变化较为典型的降水个例中,选择过程降水模拟效果较好、且对降水日变化现象模拟较好的个例就比较少,因此本文仅选取了3个典型个例进行了数值模拟试验。降水的日变化是属于气候统计的范畴,个例之间存在差别,本文采用的个例较少,可能存在代表性不够的问题,需要在今后的工作中继续深入分析研究。另外降水日变化规律并不发生在每次降水过程中,降水日变化按照规律发生的条件是哪些?是今后需要研究、解决的问题。

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