萊蕪瀛汶河流域短時強降水特征分析

王琪珍,周顯信,何鵬程,王承軍,范永強

1.南京信息工程大學公共管理學院,江蘇南京210044

2.萊蕪市氣象局,山東萊蕪271199

萊蕪瀛汶河流域短時強降水特征分析

王琪珍1,2,周顯信1,何鵬程2,王承軍2,范永強2

1.南京信息工程大學公共管理學院,江蘇南京210044

2.萊蕪市氣象局,山東萊蕪271199

利用瀛汶河流域8個區域自動氣象站2009～2014年5～9月份的逐時降水資料，統計分析了瀛汶河流域短時強降水的時空分布規律，利用常規的地面和高空觀測資料對該流域短時強降水個例進行天氣學分析，總結出了該流域短時強降水的特征信息。結果表明，瀛汶河流域短時強降水的空間分布具有明顯的地域性，局地性強，對暴雨的貢獻較大，從西南部平原到東北部山區呈遞增趨勢。該流域短時強降水的年際頻次變化大，集中出現在7～8月份，7月上旬至8月中旬是該流域短時強降水的高發期。該流域的短時強降水日變化明顯，一日中有傍晚和清晨兩個峰值，夜雨特征突出。流域內山區的短時強降水多在午后到夜間形成，且頻次多，強度大；平原區多在夜間和早晨形成，頻次少，強度小，山區傍晚的短時強降水峰值比平原提前1 h。由強對流系統造成的短時強降水過程，高空冷空氣、低層暖濕輸送等熱力條件較好，持續時間短；暴雨過程中的短時強降水動力和水汽條件好，持續時間長，容易誘發北部山區山洪、泥石流等地質災害，應給予高度關注。

短時強降水;時空分布;特征信息;瀛汶河

短時強降水是指短時間內降水強度大，降雨量達到或超過某一量值的天氣現象[1]，通常定義為1 h降水量≥20 mm的降水過程[2]，短時強降水的降水量變化或非均勻程度均較大，特別是極端性的強降雨，突發性強，災害來勢兇猛，對城市和人口密集地區往往會造成嚴重的損失，同時對山區極易產生山洪、滑坡、泥石流等地質災害，備受人們關注。

對于短時強降水的研究，國內外許多學者取得了豐碩的成果，主要有四個方面：一是短時強降水的物理環境機制研究；二是造成短時強降水的中小尺度天氣系統研究；三是中尺度數值預報產品的釋用研究；四是多普勒雷達產品的應用研究。Yu[3]等研究指出，由于太陽輻射加熱的日變化，低層大氣在下午和傍晚易于達到不穩定，并激發出局地濕對流活動，形成短時強降水。俞小鼎[4]對短時強降水主觀臨近預報的主要思路和方法進行綜述，指出短時強降水事件的識別主要由雨強和降水持續時間兩個要素確定，在有利于強降水的環境條件下，含有中氣旋或更大尺度渦旋的β中尺度對流系統會明顯增大強降水的可能。也有一些學者對短時強降水的時空特征進行了研究，樊李苗等[5]研究了我國短時強降水的時空分布規律得出，我國青藏高原東部、四川盆地東部、東南沿海，長江中下游、黃河中下游地區是短時強降水出現頻率大值區。還有一些學者研究了我國短時強降水的日變化特征，宇如聰等[6]研究指出，中國中東部地區降水表現為半日循環，具有清晨和午后兩個幅度相當的降水峰值，在正午和夜間分別達到降水量最小值。目前針對瀛汶河流域短時強降水特征的綜合研究還很缺乏，萊蕪近年來高密度的區域自動氣象站建設，給該流域短時強降水的特征研究提供了詳實的數據支撐。

1　研究區域與資料

瀛汶河是萊蕪北山區主要的泄洪河道，境內全長59 km,流域面積743.24 km2，本文研究區域主要是瀛汶河萊蕪段流經的8個鄉鎮組成的帶狀區域，由北部山區和西南部平原組成，相對高差700多米。利用流域內8個區域自動站2009～2014年5～9月份逐時降水資料，統計了1 h降水量≥20 mm的短時強降水過程以及日降水量≥50 mm的暴雨過程。規定一日有一個站一個時次出現短時強降水定義為一個短時強降水日，2個或以上站達到標準時，按一個短時強降水日統計。一天中多個時次、多站點出現短時強降水累加統計。一日中有一個站日降水量≥50 mm定義為一次暴雨過程，并定義為一個暴雨日，2個或以上站達到標準時，按一個暴雨日統計，暴雨次累加統計。8個站的基本情況是，石云山、雪野湖、茶葉是山區站，楊莊、寨里、羊里是平原站，大王莊站位于西部平原和西北部山區的過度地帶，西部平原的北部邊緣。口鎮位于西部平原和東部山區的過渡帶，西部平原的東部邊緣。石云山站位于石云山頂，拔海高度757.5 m,是流域內海拔最高的氣象站。

2　結果分析

2.1短時強降水空間分布

6年來，瀛汶河流域共出現240次短時強降水過程，年平均5.0次/站。從空間分布上看，具有明顯的地域性，總體上山區多，平原少，地形的影響較為突出，山脈的迎風坡、喇叭口地形附近以及由山區向平原的過渡帶是短時強降水的高發區，從西南部平原到東北部山區呈遞增的趨勢，雪野湖站最多35次，其次是大王莊站34次，西南部平原的楊莊站最少24次（見圖1）。

圖1　瀛汶河流域短時強降水空間分布特征Fig.1 Distribution characteristics of short-time heavy rainfall over Yingwen River Basin

圖2　瀛汶河流域暴雨空間分布特征Fig.2 Distribution characteristics of rainstorm over Yingwen River Basin

6年來瀛汶河流域共出現66個短時強降水日，單站點的短時強降水日最多為30日，占總數的45.5%，同時出現6～8站的流域性短時強水共出現8日，占12.3%，相鄰兩站同時刻出現的頻率不足10%。從持續時間看，90%以上的短時強降水過程持續1 h，持續2 h以上的不足10%，這說明該流域的短時強降水多以零散分布，持續時間短，局地性強。

短時強降水常伴有暴雨洪澇災害，統計時段內該流域共出現121次暴雨過程，其空間分布與短時強降水的分布基本一致，雪野湖和大王莊流域是暴雨的高發區，西南部平原暴雨次數較少（見圖2）。其中83次暴雨過程中伴有短時強降水，占總暴雨次數的69.0%，說明該流域的暴雨過程中短時強降水的比率較高，對北部山區暴雨的貢獻較大。

2.2短時強降水時間分布

2.2.1短時強降水年際變化6年來，瀛汶河流域共出現66個短時強降水日，共177站次，240個時次出現短時強降水，2013年短時強降水日數和出現時次都最多，2012年次之，2014年最少，短時降水日數最多年是最少年的2倍，而短時強降水出現次數最多年是最少年的4.8倍，表明該流域短時強水日數和次數年際變化較大。

2.2.2月際變化有研究表明，華北地區短時強降水主要出現在6月下旬至8月下旬，7～8月份發生短時強降水的概率是在90%左右[7]。統計時段內瀛汶河流域的短時強降水最早出現在2011年5月8日，受地面氣旋影響，流域內7站出現短時強降水，最晚出現在2012年9月19日大王站。集中出現在7、8月份，從6月到7月短時強降水日和出現次數激增，其中7月份最多，統計時段共出現32個短時強降水日，幾乎占總數的一半，主要的短時強降水時段為7月上旬至8月中旬，大約50 d（圖3），與該流域暴雨的多發時段一致，這種變化與季風和副熱帶高壓的季節性北移有關。我國地處世界著名的季風氣候區，春末夏初，季風活動開始加強，副高北移，其西側攜帶著大量來自海洋的暖濕空氣源源不斷的流入大陸，使低層大氣增暖增濕，當與高空來自北方的冷空氣匯合時，造成低層暖濕高層干冷的不穩定層結，只要有有利的抬升觸發條件，就會觸發不穩定能量的釋放，產生短時強降水。此時段高強度的降雨常誘發北部山區山洪、泥石流等地質災害，地質災害預警應給予高度關注。

2.2.3日變化特征周淑貞等[8]研究指出，華北地區的平原區在下午和夜間出現短時強降水的氣候概率較大，但有多個峰值時段，山區多在午后出現短時強降水。由（圖4）看出，瀛汶河流域短時強降水具有明顯的日變化，一日中有兩個高發時段，一個是前半夜的19～23時，另一個是后半夜的4～6時，具有明顯的夜雨特征，后半夜的降水更為密集；一日中有2個峰值，一個是傍晚19～20時，另一個是清晨05～06時，且前半夜出現的短時強降水持續時間一般不超過2 h，而后半夜出現的多在2～3 h之間，最長的一次持續7 h。

圖3　瀛汶河流域短時強降水日數月分布特征Fig.3 The monthly distribution characteristics of the number of days of short-time heavy rainfall overYingwen River Basin

圖4　瀛汶河流域短時強降水日分布特征Fig.4 Daily distribution characteristics of short-time heavy rainfall overYingwen River Basin

由（圖5）和（圖6）看出，山區的短時強降水多在午后到傍晚出現，呈明顯的雙峰型，日變化更明顯，傍晚19～20時出現第一峰值，清晨05～06時出現第二峰值。而平原區的短時強降水多在夜間和清晨出現，傍晚20～21時出現一個峰值，清晨05～06時的峰值比傍晚的峰值更突出，白天日變化不明顯，夜雨特征更為明顯，傍晚的峰值山區比平原提前1 h。這種變化與太陽輻射和地形有關，夏季北部山區多處在偏南氣流的迎風坡，海拔逐漸增高，迎風坡暖濕氣流的強迫抬升[9]，使地形的動力和熱力作用同在，局地的對流性降水明顯增多。這說明該流域的對流過程主要是在東西向山脈的迎風坡生成與發展，逐步向平原推進。

圖5　瀛汶河流域山區短時強降水日分布特征Fig.5 Daily distribution characteristics of short-time heavy rainfall in mountain of Yingwen River Basin

圖6　瀛汶河流域平原短時強降水日分布特征Fig.6 Daily distribution characteristics of short-time heavy rainfall in plain of Yingwen River Basin

2.3短時強降水的強度變化

分析該流域各站短時強降水的小時雨量看出，山區各站1 h雨量極值都在50 mm以上，最大1 h雨量極值為59.3 mm，平原區各站1 h雨量極值都在50 mm以下，最大1 h雨量極值為45.1 mm，這說明瀛汶河流域北部山區短時強降水不僅頻次多，而且降雨強度大，平原區短時強降水頻次少強度小。進一步分析看出，雖然7月份各站的短時強降水出現次數較多，但8月份的降雨強度更大，各站1 h雨量極值多出現在8月份，山東8月份多受副熱帶高壓影響，其西側的西南暖濕氣流攜帶的水汽更為充沛，在有利的大尺度系統影響下，山區受地形的熱力和動力作用影響更為顯著，1 h最大雨強比平原大。雪野湖是山東省大型水庫之一，水面約14 km2，因水陸兩區不同的熱力效應，在有利的大尺度背景和層結條件下，對流性降水的發生幾率明顯增加，并且具有顯著的持續性[10]；如2012年7月8日受副高邊緣西南暖濕氣流和低層切變線影響，流域內出現大暴雨過程，各站降雨量都在120 mm以上，雪野湖和大王莊站降雨量分別達218.3 mm和221.9 mm，兩站連續7 h出現短時強降水，給流域內造成嚴重災害。

2.4形成短時強降水的影響系統

樊李苗認為，中小尺度系統是產生短時強降降水的直接系統，可以提供觸發強對流所必需的抬升力，滿足短時強水所需要的強烈的上升運動。統計分析表明，造成該流域短時強降水的天氣系統主要有冷渦、低槽、氣旋、西北氣流、副高邊緣西南氣流與西風槽共同影響等，其中副高邊緣西南氣流與西風槽共同影響是造成該流域短時強降水的主要影響系統，流域內8次6～8站的區域性短時強降水過程都由副高邊緣西南氣流與西風槽共同影響造成的。5、6月份出現的短時強降水多是由局地的強對流天氣造成的，7、8月份的短時強水多是系統性的天氣系統引發的，其中由副熱帶高壓和西風槽共同影響的占多數。由強對流天氣系統誘發的短時強降水過程持續時間短，多為1 h，常伴有雷雨大風，冰雹等強對流災害，局地性強，多為1～3站，在天氣圖上影響系統不明顯，700～500 hPa上常有西北氣流，850 hPa有弱切變，地面有弱冷空氣。系統性的天氣系統引發的短時強降水過程常伴有暴雨洪澇等災害，影響系統明顯，500 hPa處于高空槽前，700 hPa和850 hPa上有明顯的切變線，地面有倒槽或弱冷空氣，常伴有低空急流。這些研究表明，在有利的大尺度背景下，暴雨過程中的中尺度系統如低空急流、切變線、暖平流等為短時強降水的產生提供了充足的動力和水汽條件，有利于形成持續性的短時強降水過程。

3　瀛汶河流域一次局地短時強降水的過程分析

3.1天氣實況和災情

2014年8月11日下午，流域的西北部出現強對流天氣，寨里、羊里兩站出現小到中雨過程，大王莊站1 h降水量達47.0 mm，并伴有雷雨大風和短時冰雹災害，造成1000 hm2農作物受災嚴重。

3.2影響系統分析

短時強降水是一種重要的強對流天氣形式，其形成有3個基本條件：充足的水汽、不穩定的大氣層結和觸發機制[11]。夏季的午后山區地表受太陽輻射強烈加熱，山脊升溫快，造成近地面層不穩定的大氣層結，形成對流云，這種由于熱力抬升作用所產生的強對流天氣，范圍小，歷時短，預報難度大。

3.2.1環流形勢分析11日8時500 hPa山東中北部受冷渦后部西北氣流控制，南部為平直偏西氣流，魯中地區有弱的風向輻合（圖7），700 hPa風場跟500 hPa類似，但風向輻合更明顯，同時章丘站北風風速更小，僅有2 m/s,而上游北京等地風速均在8 m/s以上（圖8），可見該層在山東還存在較強的風速輻合，為對流運動發生提供了動力條件。

圖7　8月11日8時500 hPa環流形勢Fig.7 Circulation situation of 500 hPa at 8 a.m. on 11August

圖8　8月11日8時700 hPa環流形勢Fig.8 Circulation situation of 700 hPa at 8 a.m. on 11August

3.3觸發機制分析

從地面形勢分析看，11 h在魯、冀交界處有弱冷鋒存在，為強對流發生提供了觸發條件，從單站氣溫變化情況（見圖9）看出，午后14 h冷空氣開始入侵我市，14～15 h大王站降溫達9.7℃，冷暖空氣的交匯造成強烈的對流發展，流域的西北部有明顯的強對流云團生成并快速發展，14 h40 min大王莊站監測到1.9 mm降雨，15 h羊里站監測到0.6 mm的降雨，15 h15 min雷達回波監測到強度達55 dbz的強回波（見圖10），15 h30 min寨里站監測到降雨，大王莊站降雨量達23.7 mm，部分村莊出現冰雹，15～16 h大王莊站1 h降雨量達30.8 mm，強回波所經之處出現短時強降水和雷雨大風、冰雹等強對流天氣。這是一次典型的局地強對流天氣引發的短時強降水過程，在天氣圖上沒有明顯的影響系統，但高空冷空氣、低層的暖濕輸送等熱力條件較突出。

圖9　8月11日瀛汶河流域三站氣溫變化情況Fig.9 The variation of air temperature of 3 stations on 11 August over Yingwen River Basin

圖10　8月11日15 h萊蕪雷達回波情況Fig.10 The radar echo situation at 3 p.m.on 11 August in Laiwu City

4　結論

(1)瀛汶河流域短時強降水的分布具有明顯的地域性，地形對短時強降水的分布影響較為突出，山脈的迎風坡、喇叭口地形附近以及由山區向平原的過渡帶是短時強降雨的高發區，從西南部平原到東北部山區呈遞增趨勢，有兩個高發中心，分別位于雪野湖和大王莊。北部山區短時強降水頻次多雨強大，西南部平原頻次少雨強小。

(2)瀛汶河流域短時強降水年際變化大，自5月份開始出現，集中出現在7、8月份，7月份達到峰值，7月上旬至8月中旬是該流域短時強降水的高發期，日變化呈明顯的雙峰型，一日中有傍晚和清晨兩個峰值，后半夜的降水更為密集，夜雨特征突出。北部山區的短時強降水多在午后到夜間形成，日變化明顯，西南部平原區多在夜間和早晨形成，夜雨特征更突出，白天幾乎不產生短時強降水。流域的對流過程主要是在東西向山脈的迎風坡生成與發展，逐步向平原推進，山區傍晚的短時強降水峰值比平原提前1 h，短時臨近預警應特別關注。

(3)瀛汶河流域短時強降水的局地性強，多以零散分布，單站點的短時強降水占多數，流域內的暴雨過程多伴有短時強降水，對暴雨的貢獻較大。由強對流系統造成的短時強降水，持續時間多為1 h，常常伴有雷雨大風、局地冰雹等災害，高空冷空氣、低層暖濕輸送等熱力條件較突出；在副熱帶高壓、西風槽等有利的大尺度背景下，暴雨過程中的短時強降水動力和水汽條件好，多伴有低空急流，切變線等中尺度系統，形成持續性的短時強降水，造成北部山區的暴雨洪澇、山洪、泥石流等災害,地質災害預警應高度關注。

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Analysis on Short-time Heavy Rainfall Characteristics in Yingwen River Basin of Laiwu City

WANG Qi-zhen1,2,ZHOU Xian-xin1,HE Peng-cheng2,WANG Cheng-jun2, FAN Yong-qiang2
1.Institute of Public Administration,Nanjing University of Information Science&Technology,Nanjing 210044,China
2.Laiwu Meteorological Bureau,Laiwu 271199,China

Temporal and spatial distribution characteristics are analyzed statistically by using timely precipitation data from 8 automatic weather stations in the Yingwen River region between May and September from 2009 to 2014 and characteristic information of short-time heavy rainfall in this basin is summarized according to the synoptic analysis of several short-time heavy rainfall examples by using surface and high altitude observation data.The results showed that the spatial distribution of short-time heavy rainfall in the basin had a remarked regional characteristic,which greatly contributed to the heavy rainfall, and an increasing trend existed from the plain area in the southwest to the mountainous region in the northeast.The short-time heavy rainfall in the basin displayed a large annual variation in frequency,concentrating in July and August,and the peak period came up from early July to mid August and there was a clear daily variation.Two rainfall peaks in a day appeared in the evening and in the morning,and the characteristic that rainfall occurred at night was obvious.Short-time heavy rainfall in the mountainous region often took shape in the afternoon and at night,which was frequent and intense. However,short-time heavy rainfall in the plain area often came out at night and morning,which was less frequent and intense. The peak of short-time heavy rainfall in the mountainous region was 1 hour earlier than that in the plain area.Short-time heavy rainfall caused by strong convective system in a short time in spite of some good thermodynamic conditions such as high altitude cold air and low-level warm wet transmission.Due to beneficial power and water vapor conditions in the process of heavy rainfall,short-time heavy rainfall during the process lasted a long time,which inclined to induce flash floods,landslides and other geological disasters,so it should be paid more attention.

Short-time heavy rainfall;temporal and spatial distribution;characteristic information;Yingwen River

P426.6

A

1000-2324(2015)02-0312-05

2014-05-11

2014-10-24

萊蕪強對流天氣特征研究(lwxh2014-02)

王琪珍(1968-),女,高級工程師,主要從事生態與農業氣象研究.E-mail:lwwqz-99@163.com