引言

暴雨是我国主要的气象灾害, 为此气象工作者几十年来付出艰辛努力, 以求探索暴雨, 研究暴雨, 进而预报暴雨。1970年代, 我国暴雨预报研究还是以大尺度天气形势分析为主^[1]。1980年代开始, 雷达、卫星云图等探测技术和计算机数值预报的飞速发展, 为暴雨预报开辟了新天地, 物理量诊断技术也应时而生, 并在全国普遍开展。安徽气象研究所对1980 —1982年三年梅雨期各种物理量进行了诊断预报试验^[2]。章淹等系统阐述总结了流场、水汽、稳定度和其它一些物理量的暴雨诊断预报方法^[3]。还有人用数值预报产品计算衍生物理量, 预报未来暴雨落区^[4]。作者从概率统计方法着手, 研究分析暴雨落区与一些物理量分布的关系。

1 夏半年暴雨频数统计 1.1 资料

安徽省1994 —2003年4 —9月80个县市08 —08时日雨量。

1.2 标准

出现5个县市以上日雨量≥50mm, 算为暴雨日, 不足5个县市范围的, 只算局部地区, 不进入统计。暴雨范围按≥50 mm的县市个数划分为四个等级:①5 ~ 9个县市为小范围, ② 10 ~ 19个县市为中等范围, ③ 20 ~ 29个县市为大范围, ④30个县市以上为特大范围。

1.3 各年各级范围暴雨频数统计

1971 —2000年30年资料统计, 安徽各地年平均暴雨日数总体呈南多北少趋势, 大别山南部和沿江江南一般4 ~ 7天, 江南西部大于东部。受地形迎风坡影响, 高值区在黄山南麓的祁门、黟县, 分别为7.3天和6.9天。黄山光明顶为全省极大值9.3天(海拔1840m)。另外大别山南麓的太湖、怀宁也较大, 分别为6.4天和6.3天。低值区在六安—合肥—定远一线的江淮分水岭, 肥东和定远分别只有2.6天和2.7天。此外淮北西部、北部也不足3天。

由于4 —9月从季节演变上可以分为春季—初夏—盛夏—初秋四个时段, 每个时段暴雨分布都有季节性特征, 因而统计中也相应划分四个时段, 分别为4月至梅雨前、梅雨至7月末、8月和9月。从1994 —2003年统计的分布时段看(见表 1), 全年暴雨集中在梅雨期—7月份, 占总数的60.9 %, 梅雨前占22.8 %, 而8月份以后的暴雨只占总数的16.2 %。超过10个县站以上的暴雨, 更是集中在梅雨期—7月末, 占这类暴雨总数的71.9 %, 而8 —9月出现的机会很少。超过20个县以上的大范围的暴雨, 78.8 %集中在梅雨期到7月份, 只有3.0 %出现在8月份, 9月份没有。

1.4 暴雨频数和汛期旱涝的关系

安徽的年降水量, 主要集中在汛期, 而汛期又以梅雨期最为集中。日本气象学家二宫光三等统计表明, 梅雨期内降水极不均匀, 主要集中在少数强降水的日子里, 大约占梅雨量的90 %。安徽省的情况相类似, 因而暴雨日数的多寡和暴雨范围的大小, 与汛期旱涝关系极为密切, 甚至起着决定性的作用。

统计表明暴雨次数≤14的均为旱年, 1994年次数最少, 仅有12次, 也是10年中最旱的年份。而暴雨次数≥19的年份, 除2000年为旱年外, 其余都有不同程度的洪涝, 其中1999年暴雨次数最多, 为27次, 该年沿江江南梅雨量为有资料以来最高记录, 芜湖破百年记录(见表 2)。

此外, 暴雨区范围与旱涝也密切相关, 旱年一般暴雨过程范围小, 2001年旱年, 范围达到20个县市以上的暴雨过程基本没有。1997年旱年也仅出现过一次。与之相反, 涝年暴雨过程范围大。1999年江南大涝, 范围在20个县市以上的暴雨过程竟发生了9次。淮河大水的2003年也出现过5次, 沿江江南洪涝的1996年出现过7次。

2 暴雨区500hPa高度统计

(1) 4月—梅雨前:此段时期为东南亚雨季到华南前汛期, 主雨带就在这一地区, 而西太平洋副热带高压脊线在20°N以南。安徽这一时段的暴雨过程, 往往出现在副高增强, 西南暖湿气流北上活跃时期, 暴雨区一般呈东移南压过路性特征, 停留时间短, 因而暴雨范围小, ≥20个县市大范围的暴雨次数, 占这一阶段暴雨次数的13 %, 而对应暴雨区的500hPa高度, 集中在5760 ~ 5820gpm间, 占71 %。高度场≤5750gpm的地区, 发生暴雨的可能性很小, 只占13 %, 可以不考虑预报暴雨。这一时段5880gpm线可以到华南沿海, 5840gpm线经过华南, 正是华南雨季, 因而可以推测主雨带位置应该在5840gpm线附近。

(2) 梅雨期—7月末:此段时期为长江中下游梅雨季和淮北雨季, 主雨带就在长江中下游地区和淮河流域。西太平洋副热带高压脊线在20 ~ 25° N间, 只要副高稳定, 安徽的阴雨就持续不断, 而且雨量大, 暴雨范围广, 全年中≥20个县市的暴雨过程78.8 %出现在这一时段。而对应暴雨区的500hPa高度, 集中在5820 ~ 5850gpm的窄小区间, 占这一时段暴雨次数的81.7 %, 占4至9月总次数的50 %。

这一时段5880gpm线已到安徽以南的浙江、江西, 5840gpm线在安徽南北摆动, 主雨带就在5840gpm线北缘, 因而实际预报中可以把5840gpm线的进退当作主雨带的进退来预报。

(3) 8 —9月间:8月份正是副高控制, 江淮盛夏的季节, 此时段为黄淮、华北雨季, 安徽北部处于黄淮雨带南缘, 全省暴雨发生的频数骤减, 范围在20个县市以上的暴雨10年中仅出现一次, 占全部范围20个县市以上的暴雨次数的3 %。而对应暴雨区的500hPa高度, 在5840gpm线附近或南侧, 集中在5830 ~ 5860gpm之间, 占8月份暴雨总次数的75 %, 此时5840gpm线在黄淮一带, 为主雨带的位置。全年比较, 只有8月份5880gpm线附近才会出现成片暴雨, 其它月份都没有。分析其原因, 8月份正是副高由强转弱的拐点, 有可能这些暴雨个例中副高虽然表面上强大, 但实际上内部正在减弱, 引发积雨云团发展产生暴雨。

到了9月份, 冷空气势力逐渐增强, 副高前期强后期弱, 季风性西南气流明显不如6 —7月份, 因而暴雨移动性特征明显, 频数比8月份大幅度下降, 只占全年暴雨次数的4 %, 而且绝大多数为小范围暴雨, 10年中仅有一次暴雨范围达到10 ~ 19个县市, 而范围20个县市以上的暴雨过程一次都未出现过。全部暴雨区发生在5830 ~ 5860gpm的窄小区间, 随5840gpm线移动。

综上所述, 4 —9月发生的暴雨, 以5840gpm线附近为频数峰值, 向两侧递减, 5810 ~ 5860gpm间占78.7 %, 其中5820 ~ 5840gpm间最为集中, 占全部个例的56.3 %。因此, 从预报角度看, 500hPa高度≤5750g pm和≥5870gpm的区域, 很少有暴雨发生。

之所以暴雨区在5840gpm线附近频数最高, 可能和副热带急流锋区有关。研究表明, 北半球中高纬度有一支极锋急流, 低纬度有一支副热带急流。副热带急流位于对流层中上部, 500hPa上5840gpm线上空附近接近急流位置, 大致在副高脊线以北10 ~ 13个纬距。

3 暴雨区若干物理量的分布特征

对于暴雨形成的条件分析, 许多论述都把不稳定层结、强烈的上升运动和源源不断的水汽供应作为三个基本条件。物理量诊断中还常常使用多因子围区法, 以希望预报暴雨落区。但各种物理量的对应分析表明, 暴雨区往往不在物理量中心, 而有一定偏差, 这就增加了预报难度。这里取2003年6月22日—7月12日HLAFS500hPa某些实况物理量与暴雨落区作一对比, 雨量为08时—08时, 物理量取在雨量时段中间的20时。共有16天暴雨, 其中4天暴雨区分南、北两块, 因此暴雨区域总共就有20块。

3.1 500hPa垂直速度ω

从20块暴雨区ω分析, 19/20出现在上升运动ω < 0区域, 但差异很大, 从0 ~ -670 (单位:10^-3 hPa · s^-1)不等。分布的位置有4种:上升运动中心占30 % (6/ 20), 上升运动中心南侧1 ~ 1.5纬度的占25 % (5/20)。南、北上升下沉过渡区(ω =0)的占20 % (4/20), 其中北正南负或南正北负的各占一半。上升运动中心北侧1 ~ 1.5纬度的占5 % (1/20), 另有20 % (4/20)离上升运动中心偏远超过1.5纬度以上。

上述统计表明, 暴雨确实发生在上升运动区域, 但并不一定在上升运动很强烈的区域, 一半以上出现在上升运动中心附近或其南侧1.5纬度的范围以内, 上升运动中心北侧出现的可能性较小。

3.2 500hPa涡度

75 % (15/20)出现在正涡度区域, 且10/20在涡度中心到其南侧1纬度的范围内, 另有10 %在涡度中心以南超过1纬度范围; 15 % (3/20)在北“ +”南“ -”的涡度近似为零的过渡带上。另有25 % (5/ 20)出现在负涡度区域, 且在“ -”中心北侧0 ~ 2纬度的范围内。

可以认为, 暴雨大多发生在正涡度区域南侧直到涡度为零的区间, 并以正涡度中心到南侧1纬度的范围内频率最大, 但也有少数出现在负涡度区域。

3.3 500hPa西风急流u分量

统计显示, 20个暴雨区全部落在西风区, 且暴雨区上空西风u ≥10m · s^-1的占90 % (18/20), 其中u ≥12m · s^-1的占85 % (17/20), 一般在12 ~ 19m · s^-1间, 仅有2次u风速在5 ~ 8m · s^-1。

从暴雨区相对西风急流位置分析, 大多在急流轴下方到北侧0.5纬度范围内, 占60 % (12/20), 急流轴北侧0.5 ~ 1纬度的只占15 % (3/20), 急流轴北侧1纬度以上或急流轴以南的仅有25 % (5/20)。因而预报暴雨落区应注意西风急流轴到北侧1纬度范围, 且u ≥10m · s^-1的区域。

3.4 850hPa西风急流u分量

850hPa低层风, 对暴雨的形成和落区密切相关, 20个暴雨区域全部出现在u西风区, 95 % (19/20)位于西风锋区u轴北侧和切变线u =0线的南侧之间, u西风自南向北减小, 且多数在u轴北侧1.5纬度或u零线以南1纬度范围内, 仅有1例暴雨区(1/20)出现在u轴南侧1纬度区域。

从u风速大小看, 60 % (12/20) u ≥ 8m · s^-1, 但也有20 % (4/20) u ≤ 5 m · s^-1。

之所以暴雨区出现在u轴北侧, 可能原因在于u轴北侧为气流辐合上升运动, 有利于暴雨生成, 验证了低空急流左前方容易产生暴雨的结论。

3.5 θ_{se850 -500}

一些研究认为, 中低层稳定度对暴雨生成至关重要, 并以θ_{se850 -500}来表示, 当该量>0为不稳定, < 0为稳定。然而2003年淮河洪涝暴雨中, θ_{se850 -500} >0的区域仅为50 % (10/20)。而θ_{se850 -500} < 0区域也为50 % (10/20), 表明这一量表示稳定度并不理想, 或者暴雨形成时稳定度并不很重要。

但是, 暴雨大多发生在dθ_{se850 -500}/dy < 0的区域, 占15/20 (75 %), 即暴雨区域的稳定度自南向北增加; 而dθ_{se850 -500}/dy >0的只占4/20 (20 %), 另有1/20 (5 %)为dθ_{se850 -500}/dy近似为零。

3.6 850hPa垂直速度ω

低层上升运动与暴雨落区相关, 20个暴雨区域中65 % (13/20)出现在ω < 0区域, 即上升运动区, 其中12例在上升运动中心或稍北一侧区域, 仅有1例在上升运动中心南侧。另有25 % (5/20)在下沉运动区, 10 % (2/20)在ω近似为零的区域, 即上升、下沉过渡区。因而预报暴雨落区要重点考虑上升运动中心到北侧的区域。

4 结语

通过以上分析, 得到以下结论:

(1) 暴雨集中在梅雨期到7月份, 暴雨日数多寡和暴雨范围大小, 基本上主导汛期降水多少和旱涝趋势。

(2) 暴雨落区集中出现在5820 ~ 5840gpm的区域内, < 5750g pm和> 5870gpm的区域很少有暴雨发生。因此梅雨期暴雨落区或主雨带位置的预报大致可以用5840gpm线的位置和移动趋势作参考。

(3) 西风急流北侧以及500hPa上升运动中心南侧到850hPa上升运动中心北侧有利于暴雨发生发展。