2018—2022年錫盟南部汛期短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布及預(yù)警分析

白海云 董春艷 劉雙源

(錫林郭勒盟氣象局,內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

0 引言

內(nèi)蒙古地區(qū)地處我國北部邊疆,從東向西干旱程度逐漸增加,汛期(6—8月)降水占年總降水量的60%～75%,汛期強(qiáng)降水具有突發(fā)性、局地性等特點(diǎn),極易形成城市內(nèi)澇和洪澇災(zāi)害,對(duì)當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)造成威脅,也給農(nóng)牧業(yè)帶來損失。

錫林郭勒盟(以下簡稱錫盟)南部地區(qū)位于陰山山脈北側(cè)和大興安嶺山脈的余脈交匯處,海拔1000～1600m,多低山丘陵,在丘陵中有一些寬緩的溝谷,有較明顯的河床,加之本地大部分為沙壤土,土質(zhì)疏松,一旦出現(xiàn)高強(qiáng)度降雨,常形成泥石流和山洪。據(jù)統(tǒng)計(jì),錫林郭勒盟南部地區(qū)有近30條山洪溝,特別是正鑲白旗和多倫縣由于特殊的地理地形,有多處的橋梁、涵洞,遇強(qiáng)降雨出現(xiàn)積水時(shí),過往車輛、行人盲目通行容易造成車輛拋錨和人員被困,甚至傷亡等情況。如2022年6月11日,因強(qiáng)降水,太仆寺旗和多倫縣發(fā)生局地洪澇,造成房屋倒塌、棚圈受損、農(nóng)作物和草場受災(zāi)、牲畜死亡等,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)903.34萬元;2022年8月2日,因強(qiáng)降水,正鑲白旗明安圖鎮(zhèn)烏寧巴圖嘎、三面井嘎查發(fā)生局地洪水,造成2人死亡。根據(jù)對(duì)近年災(zāi)情的普查,南部地區(qū)出現(xiàn)降水量20mm/h以上的短時(shí)強(qiáng)降水事件具有較強(qiáng)致災(zāi)性。因此,對(duì)南部地區(qū)強(qiáng)降水的時(shí)空分布研究尤為迫切。

1 資料與方法

利用錫盟南部地區(qū)5個(gè)國家氣象站和155個(gè)加密自動(dòng)站逐小時(shí)降水資料,剔除可疑站次,統(tǒng)計(jì)南部地區(qū)2018—2022年汛期(6—8月,下同)逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù),并將某站降水量≥20mm/h,記為一次短時(shí)強(qiáng)降水事件,參考孫修貴［1］對(duì)不同閾值雨強(qiáng)的分類和統(tǒng)計(jì)辦法,考慮降水的基本特征和實(shí)際業(yè)務(wù)的需要,分別按照降水量為20～30mm、 30～50mm和大于50mm這三種情況統(tǒng)計(jì)不同降水量級(jí)的短時(shí)強(qiáng)降水事件,分析2018—2022年以來南部地區(qū)夏季短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布、強(qiáng)降水頻次特征。

2 短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征

2.1 短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)間分布

從南部地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水逐旬分布看(圖1),6月上旬短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次較少;從6月中旬開始,隨著副熱帶高壓北抬,短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次迅速增多至50次左右;至7月中旬,頻次達(dá)峰值,為113次;7月下旬,頻次開始回落至50次左右。分析表明,夏季50%以上的短時(shí)強(qiáng)降水事件發(fā)生在7月中旬至8月上旬。

圖1 2018—2022年汛期錫林郭勒盟南部地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水頻次逐旬分布

2.2 短時(shí)強(qiáng)降水空間分布

2018—2022年汛期錫盟南部地區(qū)共468站次短時(shí)強(qiáng)降水事件,如表1所示。其中,正藍(lán)旗、多倫縣短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次較多,分別為128、125站次,其次為太仆寺旗117次,三站占南部地區(qū)夏季短時(shí)強(qiáng)降水總發(fā)生次數(shù)的80%;鑲黃旗和正鑲白旗分別為41、57站次,僅占20%。

表1 2018—2022年汛期錫林郭勒盟南部地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水空間分布 單位：站次

由圖2可知,夏季,南部地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水分布較集中,主要分布在東南部地區(qū),包括太仆寺旗、正藍(lán)旗和多倫縣,約占總發(fā)生頻次的80%。統(tǒng)計(jì)表明,6月是夏季短時(shí)強(qiáng)降水最不活躍的時(shí)段,僅92次,占總發(fā)生頻次的20%,而東南部地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次約占該月總頻次的85%;7月為最活躍期,多達(dá)226次,占汛期總發(fā)生頻次的50%,而東南部地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次約占該月總頻次的75%,其中正藍(lán)旗的烏日圖社區(qū)站和多倫縣的砧子山墓葬群站強(qiáng)降水累計(jì)次數(shù)最多,達(dá)10次;8月頻次開始逐漸減少,為150次,占總頻次的30%,而東南部地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生頻次約占該月總頻次的81%。從短時(shí)強(qiáng)降水空間分布來看,短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)域主要集中在東南部地區(qū),特別是太仆寺旗東部、正藍(lán)旗南部、多倫縣北部區(qū)域。

圖2 2018—2022年錫林郭勒盟南部地區(qū)汛期短時(shí)強(qiáng)降水累計(jì)發(fā)生次數(shù)空間分布(審圖號(hào)：蒙S(2019)33號(hào))

2.3 短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度分布

按照1h降水量為20～30mm、30～50mm和大于50mm這三種情況分別統(tǒng)計(jì)了南部地區(qū)夏季不同強(qiáng)度的短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)(表2)。 從表2可知,夏季主要以1h降水量在20～30mm的短時(shí)強(qiáng)降水為主,占夏季短時(shí)強(qiáng)降水總頻次的74%。1h降水量20～30mm的短時(shí)強(qiáng)降水7月最多,高達(dá)163站次,6月最少,為69站次;1h降水量30～50mm的短時(shí)強(qiáng)降水占總頻次的23%, 其逐月分布與1h降水量20～30mm的短時(shí)強(qiáng)降水規(guī)律類似;1h降水量50mm以上的短時(shí)強(qiáng)降水占總頻次不足3%。

表2 2018年—2022年汛期錫林郭勒盟南部地區(qū)不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水的累計(jì)發(fā)生頻數(shù) 單位：站次

統(tǒng)計(jì)表明,6月1h降水量30～50mm的短時(shí)強(qiáng)降水事件74%發(fā)生在太仆寺旗和多倫縣,主要集中在多倫縣的蔡木山鄉(xiāng)和西干溝鄉(xiāng)、太仆寺旗的永豐鎮(zhèn)和紅旗鎮(zhèn),共計(jì)13站次;7月降水量30～50mm的短時(shí)強(qiáng)降水事件近40%發(fā)生在正藍(lán)旗的北部(那日圖蘇木、哈畢日嘎鎮(zhèn)、上都鎮(zhèn)),共計(jì)22站次,20%發(fā)生在多倫縣的西部(蔡木山鄉(xiāng)、西干溝鄉(xiāng)),20%發(fā)生在太仆寺旗的中部(永豐鎮(zhèn)、寶昌鎮(zhèn));8月降水量30～50mm的短時(shí)強(qiáng)降水事件近47%集中在多倫縣的北部和東部(蔡木山鄉(xiāng)、灤源鎮(zhèn)),共計(jì)14站次,23%發(fā)生在正藍(lán)旗的上都鎮(zhèn)及周邊。 而短時(shí)強(qiáng)降水雨強(qiáng)極值在50.0mm/h以上的多發(fā)生在正鑲白旗南部(星耀鎮(zhèn)和寶拉根陶海蘇木),其次為多倫縣的北部(蔡木山鄉(xiāng))和太仆寺旗(千斤溝鎮(zhèn))。

2.4 極端短時(shí)強(qiáng)降水分布

從極端短時(shí)強(qiáng)降水(1h降水量超過50mm)分布情況看(圖3),6—8月共12次,其中7月占50%,小時(shí)雨強(qiáng)極值達(dá)77.9mm。極端超時(shí)強(qiáng)降水的頻次累計(jì)最多出現(xiàn)在正鑲白旗境內(nèi),為5站次,其次為多倫縣蔡木山鄉(xiāng)的4站次。所以,夏季需密切關(guān)注正鑲白旗和多倫縣蔡木山鄉(xiāng)的極端短時(shí)強(qiáng)降水事件。

圖3 2018—2022年汛期錫林郭勒盟南部地區(qū)極端短時(shí)強(qiáng)降水頻次分布

3 強(qiáng)降水與地形特征分析

地形對(duì)大氣環(huán)流的影響主要有兩方面作用,一是動(dòng)力作用,二是熱力作用。其中,動(dòng)力作用又可分為動(dòng)力阻擋作用和摩擦作用［2］。迎風(fēng)坡具有動(dòng)力和屏障作用,可以使氣流繞地形流動(dòng)和迎風(fēng)坡形成氣旋性輻合,對(duì)降水產(chǎn)生明顯的增幅作用［3-5］;地形高度抬升和邊界層摩擦有利于冷暖空氣的交匯,使不穩(wěn)定能量積聚,對(duì)流增強(qiáng),就容易產(chǎn)生強(qiáng)降水。

地形高度的變化對(duì)山地突發(fā)性暴雨的強(qiáng)度與落區(qū)有重要影響。 山脈迎風(fēng)坡的地形抬升會(huì)使氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈的垂直上升運(yùn)動(dòng),配合充足的水汽條件促成暴雨的發(fā)生。

由圖4可以看出,錫盟南部地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)的地形或下墊面特征有兩種類型。 一是山谷喇叭口地形(長方框區(qū)域),主要位于錫盟南部偏南地區(qū),如太仆寺旗東部、正藍(lán)旗南部和多倫縣西部地區(qū),山體兩側(cè)海拔落差較大,多呈明顯的山谷喇叭口地形,當(dāng)氣流進(jìn)入喇叭口之后,因地形收縮,使氣流輻合加強(qiáng)。同時(shí),在喇叭口谷地的迎風(fēng)坡上,氣流上升運(yùn)動(dòng)加劇,降水效率更高、雨強(qiáng)更大［6］。二是南風(fēng)迎風(fēng)坡地形(橢圓形區(qū)域),主要位于正藍(lán)旗北部,因有陰山山脈中段輝騰錫勒的阻擋,為南風(fēng)迎風(fēng)坡地帶。暖區(qū)降水低層多盛行偏南風(fēng),迎風(fēng)坡地迫使氣流繞流和抬升,致使暖濕氣流易在中尺度地形迎風(fēng)坡造成水平輻合,氣旋式渦度增加,產(chǎn)生風(fēng)場切變,這恰好解釋了暴雨多發(fā)生在迎風(fēng)坡的原因［7-8］。

(a)短時(shí)強(qiáng)降水頻次分布

4 短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前1～2h地面監(jiān)測預(yù)警技術(shù)分析

4.1 天氣概況

2022年6月11日午后至傍晚,錫盟南部地區(qū)出現(xiàn)暖區(qū)對(duì)流性強(qiáng)降雨,伴短時(shí)強(qiáng)降水、冰雹、雷暴大風(fēng),過程累計(jì)雨量≥50mm的共計(jì)17站,主要集中在太仆寺旗(12個(gè)站)和多倫縣(5個(gè)站)。

14—18時(shí)共出現(xiàn)26站次短時(shí)強(qiáng)降水,落區(qū)主要集中在太仆寺旗北部和多倫縣北部,與2018—2022年統(tǒng)計(jì)南部地區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)基本一致。因此,今后在發(fā)布臨近預(yù)報(bào)和預(yù)警信號(hào)時(shí),可重點(diǎn)關(guān)注該區(qū)域的短時(shí)強(qiáng)降水。

從小時(shí)雨強(qiáng)看,1h降水量20～30mm的共計(jì)18個(gè)站,1h降水量30～50mm的共計(jì)8個(gè)站,最強(qiáng)降雨集中時(shí)段為15—17時(shí);最大小時(shí)雨強(qiáng)出現(xiàn)在太旗豐勝村,達(dá)40mm/h,其次在多倫羊盤溝,為33.4mm/h; 5min最大雨強(qiáng)出現(xiàn)在太旗豐勝村,為10.8mm(15時(shí)15分),其次出現(xiàn)在多倫羊盤溝,為7.9mm(16時(shí)35分)。

4.2 地面要素場變化特征

將此次短時(shí)強(qiáng)降水過程3個(gè)時(shí)次(16—17時(shí))的小時(shí)雨強(qiáng)與自動(dòng)站前1h的氣象要素場(氣壓、氣溫、相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度)變化進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明,在強(qiáng)降水發(fā)生前,小時(shí)雨強(qiáng)僅與1h變溫之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為-0.236,相關(guān)性通過 0.05 的顯著性檢驗(yàn),相關(guān)性較高,而與1h變壓、變濕等要素?zé)o明顯相關(guān)關(guān)系。這說明地面溫度場的變化對(duì)強(qiáng)降水落區(qū)是很好的指示意義。在有降水背景條件下,可通過地面溫度要素,提前1～2h發(fā)布臨近預(yù)報(bào)或預(yù)警信號(hào),為應(yīng)對(duì)災(zāi)害性天氣爭取寶貴時(shí)間。同時(shí),地面風(fēng)向、風(fēng)速的變化也是觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的直接動(dòng)力條件和水汽輻合的有利條件。

下面就此次短時(shí)強(qiáng)降雨過程的溫度場和風(fēng)場變化與強(qiáng)降水落區(qū)的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析。

4.2.1 溫度場變化特征

從此次強(qiáng)降水過程溫度場演變看,強(qiáng)降水發(fā)生前1～2h溫度場的變化規(guī)律表現(xiàn)為等溫線由疏變密演變,最終形成明顯的等溫線密集帶。同時(shí)有冷舌生成,并由西北向東南移動(dòng),表明南部地區(qū)有強(qiáng)冷空氣從西北向東南方向侵入。

如圖5所示, 2022年 6月11日15—16時(shí),太仆寺旗豐勝村出現(xiàn)最大小時(shí)雨強(qiáng)為40.0mm/h(圖5a),在強(qiáng)降水發(fā)生前1～2h,15時(shí)在太仆寺旗北部已經(jīng)有負(fù)變溫中心生成,中心強(qiáng)度大于-10℃/h(圖5c),且向下游方向移動(dòng),豐勝村出現(xiàn)負(fù)變溫,溫度由14時(shí)的20.4℃降至15時(shí)的15.6℃,降幅達(dá)-4.8℃/h。說明強(qiáng)冷暖空氣交匯處,即負(fù)變溫中心的前沿變溫梯度大值區(qū),出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。隨著系統(tǒng)的南下,16—17時(shí),多倫縣羊盤溝村出現(xiàn)最大小時(shí)雨強(qiáng)為33.4mm/h(圖5b),在強(qiáng)降水發(fā)生前1～2h該站也出現(xiàn)負(fù)變溫,溫度由15時(shí)的17.2℃降至16時(shí)的15.4℃,降幅為-1.8℃/h,但其相鄰站小河村溫度降幅達(dá)-6.2℃/h(圖5d),加之此處特殊的峽谷和迎風(fēng)坡地形,使變溫梯度大值區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降雨。

(a)16—17時(shí)強(qiáng)降水落區(qū)

從變溫場變化及移動(dòng)方向看,變溫梯度大值區(qū)經(jīng)過之處均出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。由此可見,負(fù)變溫變化是指示性較強(qiáng)降水的一個(gè)重要?dú)庀笠亍?/p>

4.2.2 風(fēng)場變化特征

從地面自動(dòng)站風(fēng)場分布看(圖略),南部地區(qū)一直處于氣旋前部西南氣流中。強(qiáng)降水發(fā)生前,在西南部地區(qū)有明顯的地面輻合線,為強(qiáng)降水的發(fā)生提供動(dòng)力條件。至15時(shí),即強(qiáng)降水發(fā)生前1h,太仆寺旗南部地面風(fēng)速加大,達(dá)12mm/s,說明水汽輸送條件轉(zhuǎn)好。從風(fēng)速輻合看,在太仆寺旗北部有明顯的偏南方向的風(fēng)速輻合;從風(fēng)向輻合看,與北部的西北風(fēng)形成明顯的風(fēng)向輻合,輻合帶附近開始出現(xiàn)較大量級(jí)降水。隨著系統(tǒng)的南壓,此輻合帶一直維持至18時(shí),所經(jīng)之處均出現(xiàn)≥10mm的強(qiáng)降雨區(qū),之后降水強(qiáng)度逐漸減弱并移出。因此,做臨近預(yù)報(bào)、預(yù)警服務(wù)時(shí),應(yīng)關(guān)注地面風(fēng)向、風(fēng)速輻合區(qū)域及冷暖空氣交匯的區(qū)域及移動(dòng)方向,以此判斷強(qiáng)降雨發(fā)生區(qū)。

5 結(jié)論

利用2018—2022年錫盟南部地區(qū)自動(dòng)氣象站逐小時(shí)降水觀測資料,分析短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征,以及落區(qū)與地形的關(guān)系,并通過實(shí)例來分析短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前1～2h地面要素變化特征,得到以下主要結(jié)論：

①夏季50%以上的短時(shí)強(qiáng)降水事件發(fā)生在7月中旬至8月上旬,7月中旬頻次達(dá)峰值。

②從短時(shí)強(qiáng)降水空間分布來看,短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)域主要集中在東南部地區(qū),特別是太仆寺旗東部、正藍(lán)旗南部、多倫縣北部區(qū)域,占總發(fā)生次數(shù)的80%。

③從短時(shí)強(qiáng)降水強(qiáng)度分布來看,夏季主要以20～30mm的短時(shí)強(qiáng)降水為主,占總頻次的74%,其中近一半發(fā)生在7月,高發(fā)區(qū)集中在東南部地區(qū)的正藍(lán)旗北部、多倫縣的西部、太仆寺旗的中部。

④從極端短時(shí)強(qiáng)降水分布情況看,雨強(qiáng)極值在50.0mm/h以上的,主要集中在7月,占總頻次的50%,高發(fā)區(qū)集中在正鑲白旗南部和多倫縣蔡木山鄉(xiāng)。

⑤短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)從地形分析來看,南部偏南落區(qū)為山谷喇叭口地形,南部偏北落區(qū)為南風(fēng)迎風(fēng)坡地形。

⑥在強(qiáng)降水發(fā)生前1～2h ,變溫與小時(shí)雨強(qiáng)之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與其他氣象要素?zé)o明顯相關(guān)關(guān)系,負(fù)變溫中心前沿梯度大值區(qū)出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水。因此,負(fù)變溫變化是指示較強(qiáng)降水的重要?dú)庀笠亍?/p>

⑦地面風(fēng)向、風(fēng)速的變化是觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的直接動(dòng)力條件和水汽輻合的有利條件。關(guān)注地面風(fēng)向、風(fēng)速輻合區(qū)域及冷暖空氣交匯的區(qū)域及移動(dòng)方向,即可判斷強(qiáng)降水發(fā)生區(qū)。