2. 沈阳市气象局, 沈阳 100168
2. Shengyang Meteorology Bureau, Shengyang 100168
众所周知,了解一个地区的降水特征对于降水的预报预测、防灾减灾有着重要的作用,国内外学者在对各地的降水特征和降水日变化方面进行了诸多的研究,包括对北美大平原地区[1]、青藏高原地区[2-6]、热带地区[7]、中国大陆地区[8]、中国北部地区[9]等多地的研究,结果表明,降水特征尤其是降水日变化特征与当地的地理环境有着密切的关系。辽宁地处我国东北地区的南部,西部地区与蒙古高原相接、中部地区为平原、东部为千山—龙岗山—长白山山脉、南临渤海与黄海,复杂的地理环境决定了其降水特征的独特性。夏季是辽宁省的主汛期,经常会出现暴雨甚至大暴雨过程,这一时期的降水量一般占年降水量的60~ 70%,多年平均值为310~740 mm[10],即辽宁降水主要集中在夏季。已有学者对于中国大陆各区域的夏季降水特征进行了系统的分析[8],并指出,东北地区存在傍晚时段的降水峰值频发现象,东北地区傍晚时段的降水峰值可以解释为由地面太阳辐射加热导致的低层大气不稳定以及午后的水汽辐合诱发,此外,辽宁气象学者也开展了对辽宁夏季降水特征的统计分析[10-12],得出的主要结论为:辽宁沿海降水量的最大值基本出现在午前,内陆站点则呈双峰值的形式,峰值分别出现在午前和午后,持续时间长的降水多在午前达到峰值,持续时间短的降水多在午后达到峰值,沿海站点午前的降水峰值区基本是由持续时间在6 h以上的长时间降水造成的,内陆站点午后最大降水峰值则为持续时间6 h以内的短时降水,这与内陆下午对流能量强相适应。以上研究对于东北以及辽宁地区降水日变化情况进行了详细的归纳总结,并对其成因进行了初步探讨,但总体缺乏对于辽宁地区夏季降水时空分布特征的系统描述及其成因的详细、深入的分析,因此本文利用长时序的空间范围覆盖全中国区域的高时空分辨率逐小时降水资料和NCEP再分析资料对辽宁地区夏季降水的降水频率、降水率、降水日变化等特征进行深入分析并对其成因进行揭示,以期为辽宁地区的降水预报预测提供参考与借鉴。
1 数据资料简介本文采用两种数据进行辽宁夏季降水时空分布特征及其成因的分析,第一种为2008—2013年6—8月中国自动站逐小时降水资料与CMORPH(CPC MORPHing technique)卫星反演降水资料融合生成的逐小时融合降水产品[13-14](以下统一称为融合降水产品),该数据集空间分辨率为0.1°×0.1°,空间范围为70°— 140°E,15°—59°N,由国家气象信息中心制作。该逐时融合降水产品利用概率密度函数匹配(PDF)误差订正法,基于逐时中国地面观测降水量资料订正中国地区的CMORPH卫星反演降水产品的系统误差,因此,自动站的空间分布密度与该逐时融合降水产品的质量有较大关系,本文的重点研究范围辽宁省境内的站点密度较大,说明在本文的重点研究范围东北及其周围地区该融合降水产品有着较高的可信度。采用的第二种数据为2001—2012年6—8月的NCEP资料1°×1°的分析场,时间分辨率为6 h间隔,分别为北京时02、08、14、20时。
2 辽宁夏季降水时空分布特征及其成因分析 2.1 降水频率空间分布特征由逐小时融合降水产品做2008—2013年6—8月平均的日降水时次数(各格点平均一日有多少个时次有降水发生)分布图即平均日降水频率空间分布图(图 1a中的实线),发现辽宁省东部区域为平均日降水频率的大值区。结合辽宁省地形可知,该平均日降水频率大值区地处龙岗山—千山山地处,将地形高度(图 1a中的阴影)与平均日降水频率相结合进行分析表明,辽宁省平均日降水频率分布与该处地形高度分布形势基本吻合,平均日降水频率随地形高度增加而增大,地形高度大值中心对应平均日降水频率的高值中心。众所周知,(迎风)山地对降水的形成有促进作用[15],山地的机械阻障作用、喇叭口效应、山区增温情况的差异、山区地形的摩擦作用等,均会引起上升运动,在其他条件适宜时便会诱发降水的发生。基于NCEP资料,做2001—2013年6—8月平均的中低层风场(图 1b),发现辽宁地区850 hPa至地面均为一致的偏南风气流,偏南风从黄海北部进入辽宁南部,由南到北穿越辽宁东部山区,辽宁南部千山山脉呈近西南—东北走向,与偏南风气流近乎正交,且南侧迎风坡坡度较陡,偏南风气流在千山山脉南坡受强迫抬升,引起上升运动,因此辽宁东南部地区低层为明显的上升运动区(图 1a)。
综上所述,辽宁夏季降水受地形影响很大,辽宁东部为日降水频率高值区,与该处位于千山—龙岗山山区和该处夏季低层盛行偏南风密切相关。
2.2 降水率空间分布特征由2008—2013年6—8月的融合降水产品计算得到平均小时降水量即平均小时降水率空间分布图(图 2a中的阴影),对比图 1a、2a可知,辽宁地区平均小时降水率与平均日降水频率空间分布相似,即均分布在辽东地区,辽宁东部的平均小时降水率大值中心为0.33 mm以上,位于辽东南的丹东、凤城附近。
由2001—2012年6—8月NCEP分析场得到的地面到500 hPa的平均比湿场(图 2b)可知,辽宁东南部山区处于湿舌中,图 3为由同样的资料得到的平均中低层(850 hPa以下)压力垂直速度场,由图可见,辽宁东部也为压力垂直速度的负值中心,即该处为上升速度的大值中心。降水强度的大小取决于凝结函数与上升速度,在暴雨季节,上升速度更为关键[16],因此可以说,辽宁东部是辽宁地区平均小时降水率的大值区由两大因素决定,其一,该处位于中低层比湿场的湿舌处,其二,该处夏季中低层盛行的西南风遇千山—龙岗山被迫抬升形成中低层上升速度中心区。
由2008—2013年融合降水产品,统计各格点逐日降水峰值发生时间,并计算各格点降水峰值发生次数最多的时次,得到日降水峰值最高频次时间分布,我国主要有四个区域降水峰值频发时间(凌晨00—06时)明显有异于其他地区,分别为西北盆地地区(准格尔盆地、吐鲁番盆地和塔里木盆地)、四川盆地地区、华北平原地区、辽河平原地区。
辽宁省日降水峰值最高频次时间分布具有明显的特征(图 4):辽西山区、辽宁西北部、辽东—东南部山区为午后到前半夜降水峰值频发区,而中部平原地区、南部沿海地区为凌晨(00—06时)降水峰值频发区。此外分析了10个日降水峰值分布较为典型站点的日降水峰值最高频次次数占总次数比例,发现峰值最高频率时次的次数也仅占总次数的7%—10%,较平均数4%仅多出约一倍,即辽宁地区该降水峰值时空分布特征不是非常典型。
基于对包括辽宁省14个地级市在内的18个站点(详见图 5a)2008—2013年夏季降水的研究发现,辽宁省降水日变化特征主要分为凌晨降水峰值频发和午后降水峰值频发两大类,凌晨降水峰值频发区主要分布在沿海和平原中部,如图 5b所示,锦州、葫芦岛、新民、瓦房店、营口和大连是凌晨降水峰值频发的主要代表站点,其中葫芦岛和锦州站表现的更为典型,因此将这两个站点的线条颜色加深,其他站点线条颜色变淡,以便图示更为简洁明了,午后峰值频发区主要分布在辽宁西部和东部山区及其附近地区,代表城市如图 5c所示,其中位于辽西的喀左、朝阳和建平县表现的更为典型,因此也将这三个站的线条颜色加深,原因同上,此外由图 5c可见,辽宁东部山区站点如新宾、本溪、本溪县在凌晨时段时也有一个峰值频发现象。
如上述节所述,虽然辽宁省日降水峰值最高频次的时间分布具有明显的特征,但峰值最高频次时的次数也仅多出平均值约一倍,即仍有很多降水没有按照上述总结的日变化规律发生,降水日变化规律究竟在什么情况下发生呢?基于对2008—2013年夏季批量降水个例的分析发现:当天气系统较为稳定的处于发展初期和后期时,其影响区域内降水日变化规律发生,当天气系统明显发展或移动时,其影响区域的日降水峰值多数发生在该时刻附近。以下给出两个典型个例对上述降水日变化特征发生条件进行剖析。
2011年7月25日02时有较强500 hPa高空槽移来并影响辽宁省西部地区降水(见图 6a、c),建平县25日降水峰值发生在06时(10.1 mm),25日14时开始槽略有东移,25日20时形成切断低压,26日切断低压一直维持在43°—45°N, 117°E附近(见图 6b),主雨带东移至辽宁中部地区(如图 6d),建平县26日降水峰值发生在19时(2.1 mm)。从这两日的天气形势和降水过程看,25日即属于有天气系统突然移来诱发降水,峰值发生在系统移动过来后的第四个小时,而26日系统稳定维持在43°—45°N, 117°E附近,主雨带位于辽宁中部地区,建平县处于弱降水区,该站当日的降水峰值发生时间(19时)由降水日变化规律决定。
2008年6月29日500 hPa高空槽线位于115°E附近,副高强度较弱、位置偏南,脊线位于24°N附近,西脊点位于台湾岛到福建省东部沿海之间(见图 7a),天气形势稳定维持,辽宁降水范围不大,强降水区达中雨量级(见图 7c),葫芦岛地区日降水峰值发生在由降水日变化规律决定的03时;30日副高西伸加强,20时左右副高达最强,西界位于江西—广东省境内(见图 7b),同时朝鲜—日本海附近有高压脊和副高叠在一起,导致高空槽在(略有)南压、东移过程中西南急流明显增强,降水增强,30日雨带遍布辽宁,雨强较29日明显增强,强雨区达大雨量级(见图 7d),葫芦岛地区日降水峰值发生副高强烈发展、西南暖湿气流明显增强的19时。
天气类型与降水密切相关,因此以营口站为例研究了天气类型与降水日变化的关系,营口站2008—2013年6—8月发生的降水过程主要由东北冷涡、高空槽、高空槽加副热带高压、副热带高压(外围降水)、台风和江淮气旋六类天气系统诱发,其中后三类分别只有6、4、1次样本太少不具有统计意义,因此仅对前三类天气进行统计,三类天气过程分别共发生37、56、43次,其中东北冷涡和高空槽诱发的降水峰值最高频次均发生在06—08时,而高空槽加副热带高压诱发的降水峰值最高频次发生在09—11时。见表 1。以上分析说明,降水日变化规律与天气类型关系不是很大,即在各类天气系统诱发的降水过程中,由地理环境决定的降水日变化规律均存在。
如前所述,凌晨降水峰值频发区均位于周围有山地、高原的平原地区,以往研究也表明降水日变化特征与地理环境关系密切[9],辽宁处于西侧高原(内蒙古高原)、山脉(大兴安岭、七老图山、努鲁儿虎山、燕山、大马群山等)、中部平原(辽河平原)、东侧山脉(长白山、千山)、南邻海洋(渤海、黄海)的地理环境中,其决定了辽宁地区较为独特的降水日变化特征。为了进一步证明地理环境决定的局地热力、动力环流是造成辽宁降水日变化特征的主要原因,取平原-山脉、海-陆的风场剖面进行说明。
沿42.06°N(由西向东穿越内蒙古高原南部、七老图山脉、努鲁儿虎山、辽河平原及龙岗山、长白山等主要地形区,见图 8中的横虚线线所示)做2001—2012各年6—8月平均扰动风场(某一时次平均风与日平均风之差)的高度—经度剖面图,由于各年情况类似,因此以2003年为代表进行说明,由NCEP资料时间分辨率所限,取02、08、14、20时进行分析,由图 9所示,02—08时中部辽河平原地区(122°—124°E)中低层(700 hPa以下)为明显的上升运动区,其两侧的山区为明显的下沉运动区,而14—20时相反,中部平原区为下沉运动区,两侧山区为上升运动区,上升运动有利于对流及降水的触发和加强,这应该是中部平原地区凌晨降水峰值频发、两侧山区附近午后降水峰值频发的主要原因。
沿119.5°E(由南向北穿越了渤海、努鲁儿虎山主要地形区,见图 8中的竖线所示)用上述方法做平均扰动风场的高度—纬度剖面图,仍以2003年为代表进行说明(见图 10),同样由于NCEP资料时间分辨率所限,取02、08、14、20时进行分析,由图 10所示,02—08时海洋地区(39°N附近)中低层(700 hPa以下)也为明显的上升运动区,而内陆地区为下沉运动区,14—20时也相反,海洋地区为下沉运动区,内陆地区为上升运动区,这应该是辽宁沿海地区凌晨降水峰值频发的原因之一。
此外,将2001—2012年6—8月的NCEP分析场资料中02、08、14、20时各高度层的u, v分量分别作平均,得到各时次的平均流场,发现中低层(850 hPa、925 hPa、950 hPa、975 hPa)沿海地区风场一致表现出明显的日变化特征,即沿海地区偏南风气流深夜到凌晨出现明显增强的现象(见图 11a),清晨开始减弱(见图 11b)到正午前后减弱至最小(见图 11c),夜间又开始增强(见图 11d)。为进一步分析沿海地区深夜到凌晨加强的中低层西南风气流对于沿海暖湿输送的作用,用上述NCEP资料做了各高度层、各时次的平均温度场(见图 11中阴影)发现,深夜到凌晨华东、华北乃至东北沿海地区中低层温度场表现出沿偏南风向的明显暖脊(见图 11a阴影与等值线),该暖脊有利于当地不稳定和降水的发生发展。
综上,辽宁地区西部山地高原、中部平原、东部山地丘陵、南临海洋的独特地理环境决定的局地热力、动力环流及夜间到凌晨加强的由海到陆的西南风暖湿气流是其降水日变化特征的主导因素。
3 结论与讨论通过对辽宁夏季降水特征及其成因的分析,得到以下结论:
(1) 辽宁省平均日降水频率的大值区位于辽东地区,这与该处位于千山—龙岗山山区和夏季低层盛行偏南风密切相关。偏南风从黄海北部进入辽宁东南部,由南到北穿越辽宁东部山区,辽宁南部千山山脉呈近西南-东北走向,与偏南风气流近乎正交,且南侧迎风坡坡度较陡,偏南风气流在千山山脉南坡受强迫抬升,引起上升运动,在其他条件适宜时便会诱发降水的发生。
(2) 辽宁地区平均小时降水率大值区也分布在辽东,辽东南为大值区的中心,主要原因为:其一,该处位于中低层比湿场的湿舌处,其二,该处夏季中低层盛行的西南风遇千山-龙岗山被迫抬升形成的中低层上升速度中心。
(3) 辽宁省降水日变化特征明显:辽西山区、辽宁西北部、辽东—东南部山区为午后到前半夜降水峰值频发区,而中部平原地区、南部沿海地区为凌晨降水峰值频发区。
(4) 当天气系统较为稳定的处于发展初期和后期时,则其影响区域内降水日变化规律发生,当天气系统明显发展或移动,则其影响区域的日降水峰值多数发生在该时刻附近。
(5) 降水日变化规律与天气类型关系不是很大,即在各类天气系统诱发的降水过程中,由地理环境决定的降水日变化规律均存在。
(6) 辽宁地区西部山地高原、中部平原、东部山地丘陵、南临海洋的独特地理环境决定的局地热力、动力环流及夜间到凌晨加强的由海到陆的西南风暖湿气流是其降水日变化特征的产生的主要原因。
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