莱芜瀛汶河流域短时强降水特征分析

王琪珍,周显信,何鹏程,王承军,范永强

1.南京信息工程大学公共管理学院,江苏南京210044

2.莱芜市气象局,山东莱芜271199

莱芜瀛汶河流域短时强降水特征分析

王琪珍1,2,周显信1,何鹏程2,王承军2,范永强2

1.南京信息工程大学公共管理学院,江苏南京210044

2.莱芜市气象局,山东莱芜271199

利用瀛汶河流域8个区域自动气象站2009～2014年5～9月份的逐时降水资料，统计分析了瀛汶河流域短时强降水的时空分布规律，利用常规的地面和高空观测资料对该流域短时强降水个例进行天气学分析，总结出了该流域短时强降水的特征信息。结果表明，瀛汶河流域短时强降水的空间分布具有明显的地域性，局地性强，对暴雨的贡献较大，从西南部平原到东北部山区呈递增趋势。该流域短时强降水的年际频次变化大，集中出现在7～8月份，7月上旬至8月中旬是该流域短时强降水的高发期。该流域的短时强降水日变化明显，一日中有傍晚和清晨两个峰值，夜雨特征突出。流域内山区的短时强降水多在午后到夜间形成，且频次多，强度大；平原区多在夜间和早晨形成，频次少，强度小，山区傍晚的短时强降水峰值比平原提前1 h。由强对流系统造成的短时强降水过程，高空冷空气、低层暖湿输送等热力条件较好，持续时间短；暴雨过程中的短时强降水动力和水汽条件好，持续时间长，容易诱发北部山区山洪、泥石流等地质灾害，应给予高度关注。

短时强降水;时空分布;特征信息;瀛汶河

短时强降水是指短时间内降水强度大，降雨量达到或超过某一量值的天气现象[1]，通常定义为1 h降水量≥20 mm的降水过程[2]，短时强降水的降水量变化或非均匀程度均较大，特别是极端性的强降雨，突发性强，灾害来势凶猛，对城市和人口密集地区往往会造成严重的损失，同时对山区极易产生山洪、滑坡、泥石流等地质灾害，备受人们关注。

对于短时强降水的研究，国内外许多学者取得了丰硕的成果，主要有四个方面：一是短时强降水的物理环境机制研究；二是造成短时强降水的中小尺度天气系统研究；三是中尺度数值预报产品的释用研究；四是多普勒雷达产品的应用研究。Yu[3]等研究指出，由于太阳辐射加热的日变化，低层大气在下午和傍晚易于达到不稳定，并激发出局地湿对流活动，形成短时强降水。俞小鼎[4]对短时强降水主观临近预报的主要思路和方法进行综述，指出短时强降水事件的识别主要由雨强和降水持续时间两个要素确定，在有利于强降水的环境条件下，含有中气旋或更大尺度涡旋的β中尺度对流系统会明显增大强降水的可能。也有一些学者对短时强降水的时空特征进行了研究，樊李苗等[5]研究了我国短时强降水的时空分布规律得出，我国青藏高原东部、四川盆地东部、东南沿海，长江中下游、黄河中下游地区是短时强降水出现频率大值区。还有一些学者研究了我国短时强降水的日变化特征，宇如聪等[6]研究指出，中国中东部地区降水表现为半日循环，具有清晨和午后两个幅度相当的降水峰值，在正午和夜间分别达到降水量最小值。目前针对瀛汶河流域短时强降水特征的综合研究还很缺乏，莱芜近年来高密度的区域自动气象站建设，给该流域短时强降水的特征研究提供了详实的数据支撑。

1　研究区域与资料

瀛汶河是莱芜北山区主要的泄洪河道，境内全长59 km,流域面积743.24 km2，本文研究区域主要是瀛汶河莱芜段流经的8个乡镇组成的带状区域，由北部山区和西南部平原组成，相对高差700多米。利用流域内8个区域自动站2009～2014年5～9月份逐时降水资料，统计了1 h降水量≥20 mm的短时强降水过程以及日降水量≥50 mm的暴雨过程。规定一日有一个站一个时次出现短时强降水定义为一个短时强降水日，2个或以上站达到标准时，按一个短时强降水日统计。一天中多个时次、多站点出现短时强降水累加统计。一日中有一个站日降水量≥50 mm定义为一次暴雨过程，并定义为一个暴雨日，2个或以上站达到标准时，按一个暴雨日统计，暴雨次累加统计。8个站的基本情况是，石云山、雪野湖、茶叶是山区站，杨庄、寨里、羊里是平原站，大王庄站位于西部平原和西北部山区的过度地带，西部平原的北部边缘。口镇位于西部平原和东部山区的过渡带，西部平原的东部边缘。石云山站位于石云山顶，拔海高度757.5 m,是流域内海拔最高的气象站。

2　结果分析

2.1短时强降水空间分布

6年来，瀛汶河流域共出现240次短时强降水过程，年平均5.0次/站。从空间分布上看，具有明显的地域性，总体上山区多，平原少，地形的影响较为突出，山脉的迎风坡、喇叭口地形附近以及由山区向平原的过渡带是短时强降水的高发区，从西南部平原到东北部山区呈递增的趋势，雪野湖站最多35次，其次是大王庄站34次，西南部平原的杨庄站最少24次（见图1）。

图1　瀛汶河流域短时强降水空间分布特征Fig.1 Distribution characteristics of short-time heavy rainfall over Yingwen River Basin

图2　瀛汶河流域暴雨空间分布特征Fig.2 Distribution characteristics of rainstorm over Yingwen River Basin

6年来瀛汶河流域共出现66个短时强降水日，单站点的短时强降水日最多为30日，占总数的45.5%，同时出现6～8站的流域性短时强水共出现8日，占12.3%，相邻两站同时刻出现的频率不足10%。从持续时间看，90%以上的短时强降水过程持续1 h，持续2 h以上的不足10%，这说明该流域的短时强降水多以零散分布，持续时间短，局地性强。

短时强降水常伴有暴雨洪涝灾害，统计时段内该流域共出现121次暴雨过程，其空间分布与短时强降水的分布基本一致，雪野湖和大王庄流域是暴雨的高发区，西南部平原暴雨次数较少（见图2）。其中83次暴雨过程中伴有短时强降水，占总暴雨次数的69.0%，说明该流域的暴雨过程中短时强降水的比率较高，对北部山区暴雨的贡献较大。

2.2短时强降水时间分布

2.2.1短时强降水年际变化6年来，瀛汶河流域共出现66个短时强降水日，共177站次，240个时次出现短时强降水，2013年短时强降水日数和出现时次都最多，2012年次之，2014年最少，短时降水日数最多年是最少年的2倍，而短时强降水出现次数最多年是最少年的4.8倍，表明该流域短时强水日数和次数年际变化较大。

2.2.2月际变化有研究表明，华北地区短时强降水主要出现在6月下旬至8月下旬，7～8月份发生短时强降水的概率是在90%左右[7]。统计时段内瀛汶河流域的短时强降水最早出现在2011年5月8日，受地面气旋影响，流域内7站出现短时强降水，最晚出现在2012年9月19日大王站。集中出现在7、8月份，从6月到7月短时强降水日和出现次数激增，其中7月份最多，统计时段共出现32个短时强降水日，几乎占总数的一半，主要的短时强降水时段为7月上旬至8月中旬，大约50 d（图3），与该流域暴雨的多发时段一致，这种变化与季风和副热带高压的季节性北移有关。我国地处世界著名的季风气候区，春末夏初，季风活动开始加强，副高北移，其西侧携带着大量来自海洋的暖湿空气源源不断的流入大陆，使低层大气增暖增湿，当与高空来自北方的冷空气汇合时，造成低层暖湿高层干冷的不稳定层结，只要有有利的抬升触发条件，就会触发不稳定能量的释放，产生短时强降水。此时段高强度的降雨常诱发北部山区山洪、泥石流等地质灾害，地质灾害预警应给予高度关注。

2.2.3日变化特征周淑贞等[8]研究指出，华北地区的平原区在下午和夜间出现短时强降水的气候概率较大，但有多个峰值时段，山区多在午后出现短时强降水。由（图4）看出，瀛汶河流域短时强降水具有明显的日变化，一日中有两个高发时段，一个是前半夜的19～23时，另一个是后半夜的4～6时，具有明显的夜雨特征，后半夜的降水更为密集；一日中有2个峰值，一个是傍晚19～20时，另一个是清晨05～06时，且前半夜出现的短时强降水持续时间一般不超过2 h，而后半夜出现的多在2～3 h之间，最长的一次持续7 h。

图3　瀛汶河流域短时强降水日数月分布特征Fig.3 The monthly distribution characteristics of the number of days of short-time heavy rainfall overYingwen River Basin

图4　瀛汶河流域短时强降水日分布特征Fig.4 Daily distribution characteristics of short-time heavy rainfall overYingwen River Basin

由（图5）和（图6）看出，山区的短时强降水多在午后到傍晚出现，呈明显的双峰型，日变化更明显，傍晚19～20时出现第一峰值，清晨05～06时出现第二峰值。而平原区的短时强降水多在夜间和清晨出现，傍晚20～21时出现一个峰值，清晨05～06时的峰值比傍晚的峰值更突出，白天日变化不明显，夜雨特征更为明显，傍晚的峰值山区比平原提前1 h。这种变化与太阳辐射和地形有关，夏季北部山区多处在偏南气流的迎风坡，海拔逐渐增高，迎风坡暖湿气流的强迫抬升[9]，使地形的动力和热力作用同在，局地的对流性降水明显增多。这说明该流域的对流过程主要是在东西向山脉的迎风坡生成与发展，逐步向平原推进。

图5　瀛汶河流域山区短时强降水日分布特征Fig.5 Daily distribution characteristics of short-time heavy rainfall in mountain of Yingwen River Basin

图6　瀛汶河流域平原短时强降水日分布特征Fig.6 Daily distribution characteristics of short-time heavy rainfall in plain of Yingwen River Basin

2.3短时强降水的强度变化

分析该流域各站短时强降水的小时雨量看出，山区各站1 h雨量极值都在50 mm以上，最大1 h雨量极值为59.3 mm，平原区各站1 h雨量极值都在50 mm以下，最大1 h雨量极值为45.1 mm，这说明瀛汶河流域北部山区短时强降水不仅频次多，而且降雨强度大，平原区短时强降水频次少强度小。进一步分析看出，虽然7月份各站的短时强降水出现次数较多，但8月份的降雨强度更大，各站1 h雨量极值多出现在8月份，山东8月份多受副热带高压影响，其西侧的西南暖湿气流携带的水汽更为充沛，在有利的大尺度系统影响下，山区受地形的热力和动力作用影响更为显著，1 h最大雨强比平原大。雪野湖是山东省大型水库之一，水面约14 km2，因水陆两区不同的热力效应，在有利的大尺度背景和层结条件下，对流性降水的发生几率明显增加，并且具有显著的持续性[10]；如2012年7月8日受副高边缘西南暖湿气流和低层切变线影响，流域内出现大暴雨过程，各站降雨量都在120 mm以上，雪野湖和大王庄站降雨量分别达218.3 mm和221.9 mm，两站连续7 h出现短时强降水，给流域内造成严重灾害。

2.4形成短时强降水的影响系统

樊李苗认为，中小尺度系统是产生短时强降降水的直接系统，可以提供触发强对流所必需的抬升力，满足短时强水所需要的强烈的上升运动。统计分析表明，造成该流域短时强降水的天气系统主要有冷涡、低槽、气旋、西北气流、副高边缘西南气流与西风槽共同影响等，其中副高边缘西南气流与西风槽共同影响是造成该流域短时强降水的主要影响系统，流域内8次6～8站的区域性短时强降水过程都由副高边缘西南气流与西风槽共同影响造成的。5、6月份出现的短时强降水多是由局地的强对流天气造成的，7、8月份的短时强水多是系统性的天气系统引发的，其中由副热带高压和西风槽共同影响的占多数。由强对流天气系统诱发的短时强降水过程持续时间短，多为1 h，常伴有雷雨大风，冰雹等强对流灾害，局地性强，多为1～3站，在天气图上影响系统不明显，700～500 hPa上常有西北气流，850 hPa有弱切变，地面有弱冷空气。系统性的天气系统引发的短时强降水过程常伴有暴雨洪涝等灾害，影响系统明显，500 hPa处于高空槽前，700 hPa和850 hPa上有明显的切变线，地面有倒槽或弱冷空气，常伴有低空急流。这些研究表明，在有利的大尺度背景下，暴雨过程中的中尺度系统如低空急流、切变线、暖平流等为短时强降水的产生提供了充足的动力和水汽条件，有利于形成持续性的短时强降水过程。

3　瀛汶河流域一次局地短时强降水的过程分析

3.1天气实况和灾情

2014年8月11日下午，流域的西北部出现强对流天气，寨里、羊里两站出现小到中雨过程，大王庄站1 h降水量达47.0 mm，并伴有雷雨大风和短时冰雹灾害，造成1000 hm2农作物受灾严重。

3.2影响系统分析

短时强降水是一种重要的强对流天气形式，其形成有3个基本条件：充足的水汽、不稳定的大气层结和触发机制[11]。夏季的午后山区地表受太阳辐射强烈加热，山脊升温快，造成近地面层不稳定的大气层结，形成对流云，这种由于热力抬升作用所产生的强对流天气，范围小，历时短，预报难度大。

3.2.1环流形势分析11日8时500 hPa山东中北部受冷涡后部西北气流控制，南部为平直偏西气流，鲁中地区有弱的风向辐合（图7），700 hPa风场跟500 hPa类似，但风向辐合更明显，同时章丘站北风风速更小，仅有2 m/s,而上游北京等地风速均在8 m/s以上（图8），可见该层在山东还存在较强的风速辐合，为对流运动发生提供了动力条件。

图7　8月11日8时500 hPa环流形势Fig.7 Circulation situation of 500 hPa at 8 a.m. on 11August

图8　8月11日8时700 hPa环流形势Fig.8 Circulation situation of 700 hPa at 8 a.m. on 11August

3.3触发机制分析

从地面形势分析看，11 h在鲁、冀交界处有弱冷锋存在，为强对流发生提供了触发条件，从单站气温变化情况（见图9）看出，午后14 h冷空气开始入侵我市，14～15 h大王站降温达9.7℃，冷暖空气的交汇造成强烈的对流发展，流域的西北部有明显的强对流云团生成并快速发展，14 h40 min大王庄站监测到1.9 mm降雨，15 h羊里站监测到0.6 mm的降雨，15 h15 min雷达回波监测到强度达55 dbz的强回波（见图10），15 h30 min寨里站监测到降雨，大王庄站降雨量达23.7 mm，部分村庄出现冰雹，15～16 h大王庄站1 h降雨量达30.8 mm，强回波所经之处出现短时强降水和雷雨大风、冰雹等强对流天气。这是一次典型的局地强对流天气引发的短时强降水过程，在天气图上没有明显的影响系统，但高空冷空气、低层的暖湿输送等热力条件较突出。

图9　8月11日瀛汶河流域三站气温变化情况Fig.9 The variation of air temperature of 3 stations on 11 August over Yingwen River Basin

图10　8月11日15 h莱芜雷达回波情况Fig.10 The radar echo situation at 3 p.m.on 11 August in Laiwu City

4　结论

(1)瀛汶河流域短时强降水的分布具有明显的地域性，地形对短时强降水的分布影响较为突出，山脉的迎风坡、喇叭口地形附近以及由山区向平原的过渡带是短时强降雨的高发区，从西南部平原到东北部山区呈递增趋势，有两个高发中心，分别位于雪野湖和大王庄。北部山区短时强降水频次多雨强大，西南部平原频次少雨强小。

(2)瀛汶河流域短时强降水年际变化大，自5月份开始出现，集中出现在7、8月份，7月份达到峰值，7月上旬至8月中旬是该流域短时强降水的高发期，日变化呈明显的双峰型，一日中有傍晚和清晨两个峰值，后半夜的降水更为密集，夜雨特征突出。北部山区的短时强降水多在午后到夜间形成，日变化明显，西南部平原区多在夜间和早晨形成，夜雨特征更突出，白天几乎不产生短时强降水。流域的对流过程主要是在东西向山脉的迎风坡生成与发展，逐步向平原推进，山区傍晚的短时强降水峰值比平原提前1 h，短时临近预警应特别关注。

(3)瀛汶河流域短时强降水的局地性强，多以零散分布，单站点的短时强降水占多数，流域内的暴雨过程多伴有短时强降水，对暴雨的贡献较大。由强对流系统造成的短时强降水，持续时间多为1 h，常常伴有雷雨大风、局地冰雹等灾害，高空冷空气、低层暖湿输送等热力条件较突出；在副热带高压、西风槽等有利的大尺度背景下，暴雨过程中的短时强降水动力和水汽条件好，多伴有低空急流，切变线等中尺度系统，形成持续性的短时强降水，造成北部山区的暴雨洪涝、山洪、泥石流等灾害,地质灾害预警应高度关注。

[1]杨诗芳,郝世峰,冯晓伟,等.杭州短时强降水特征分析及预报[J].科技通报,2010,26(4):494-500

[2]葛权哲,全美兰,刘帅,等.抚顺地区短时强降水特征分析[J].江西农业大学学报,2014,36(增):97-101

[3]Yu R C,Xu Y P,Zhou T J,et al.Relation between rainfall duration and diurnal variation in the warm season precipitation eastern China[J].Geophys Res Lett,2007:34

[4]俞小鼎.短时强降水临近预报的思路与方法[J].暴雨灾害,2013,32(3):202-209

[5]樊李苗,俞小鼎.短时强降水发生的环境条件和个例分析[D].南京:南京信息工程大学,2012:13-14

[6]宇如聪,李建,陈昊明,等.中国大陆降水日变化研究进展[J].气象学报,2014,72(5):948-968

[7]华北暴雨编写组.华北暴雨[M].北京:气象出版社,1992:6-8

[8]周淑贞,张如一,张超.气象学与气候学[M].北京:高等教育出版社,2003:50

[9]曹钢锋,张善君,朱官忠,等.山东天气分析与预报[M].北京:气象出版社,1988:179

[10]田辰,周伟灿,苗峻峰.中国地区下垫面特征对强对流影响研究进展[J].气象科技,2012,40(2):207-210

[11]尹承美,梁永礼,冉桂平,等.济南市短时强降水特征分析[J].气象科学,2010,30(2):262-267

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

莱芜强对流天气特征研究(lwxh2014-02)

王琪珍(1968-),女,高级工程师,主要从事生态与农业气象研究.E-mail:lwwqz-99@163.com