“8·16”暴雨在辽宁不同地区的雨强和持续性及其对农牧业影响的分析

常姝婷，徐玉秀，常 松

（1.兰州大学大气科学学院，甘肃 兰州 730000；2.锦州市气象局，辽宁 锦州 121299；3.北镇市气象局，辽宁 北镇121300）

暴雨是在大尺度环流提供有利天气尺度背景下，中尺度系统提供充足的水汽条件和不稳定的大气层结构，以及中小尺度系统提供有利于气流上升运动机制下的多尺度天气系统相互作用的产物，暴雨具有局地性、突发性强、降水时间短且集中等特点，容易在较短时间内造成洪涝灾害，并易引发山洪、泥石流和山体滑坡等气象次生灾害［1］，给人类的生活环境、工农业生产、交通运输和社会发展等带来诸多不利，甚至造成重大经济损失［2-3］，我国每年因气象灾害造成损失已达国民经济总产值的 4%～6%［4］。长期统计结果表明，引起我国暴雨的天气系统主要有锋、气旋、切变线、低涡、槽、台风、东风波和热带辐合带等，而其主要的影响系统是中小尺度天气系统。

国内已有很多专家和学者对暴雨的成因特征及趋势进行了大量的分析，刘小宁［5］关于暴雨趋势研究表明，我国暴雨极端事件出现频数上升、强度加大的趋势。 陆尔等［6］、高守亭等［7］关于暴雨成因分析的研究表明，东移南压的西北冷空气与副热带高压西侧北上的暖湿空气交汇容易引起强降水，在冷暖气团交汇处，冷空气迫使暖湿空气沿倾斜的等熵面爬升，与此同时，等熵面的倾斜使水平风速垂直切变和大气湿斜压性增强，促进涡度增长，驱动中尺度对流系统迅速发展，引发暴雨。孙军等［8］关于东北地区暴雨过程分析也指出，东北地区稳定而异常的天气形势导致了较强偏南暖湿气流与冷空气在辽宁中东部和吉林中东部交汇，形成了持续不断的降雨过程；且造成强降雨的主要高空系统有低涡（切变）北上和冷涡（地槽）东移两大类。此外，孙欣等［9］、陈传雷等［10］、康晓玉等［11］针对辽宁省几次暴雨过程也都做了较为详细的解析。

辽宁省暴雨多为局地性暴雨，尤其中南部是辽宁省暴雨的典型多发区，因其强度大、降水时间集中的特点使其成为辽宁地区的主要灾害性天气，主要集中在7—8月［7］。暴雨造成圈舍倒塌、养殖场（户）受损、农田受灾，对当地的农牧业生产造成巨大经济损失。笔者针对2013年8月15—17日辽宁省特大暴雨天气过程，利用加密自动站、客观分析资料及常规观测资料对该次辽宁不同地区大暴雨成因进行分析，并对比分析了降水雨强及持续时间与灾情的关系，综合考虑基于雨强和持续时间而确立的暴雨强度指数，并就暴雨对当地农牧业的影响进行了分析，从而加深对辽宁局地短时特大暴雨天气及灾情的认识，对进一步认识辽宁地区持续性暴雨的形成机理和提高局地对流天气的预报和预警水平具有重要意义。

1 资料概况

500 hPa流场和850 hPa风场来自探空资料，地面气压场来自气象台站地面实测数据，局地对流有效位能Cape值与对流抑制能量CIN值来源于Micaps中physic数据，雨强资料选取清原县、黑山县、抚顺市、新宾县、西丰县5个代表站，数据均来自于辽宁省气象中心。

200 hPa风速、200 hPa与850 hPa散度、整层大气可降水量、1 000～300 hPa比湿、850 hPa垂直速度（w）数据均来自ECWMF再分析资料中每日4次再分析资料，水平分辨率均为0.5°×0.5°。

2 辽宁省降水和灾情概况

2.1 “8·16”降水概况

图1为2013年8月15日20时—17日08时辽宁省的降水量分布情况。由图1可以看出，清原县的降水超过了250 mm，黑山县的降水量超过200 mm，西丰县、抚顺市的降水量都超过了100 mm，降水量最大的地区为清原县。全省1 576个省级自动站中，有777个站大于50 mm，其中，328个站大于100 mm、31个站大于200 mm、6个站大于300 mm。该次暴雨的强降水中心位于辽宁省西部山区的背风坡以及东部山区的迎风坡，降水范围大、持续时间长、降水强度大，雨强和持续性是影响灾情的重要因子，给该省的道路交通和部分基础设施造成了较大的负面影响，引起了全社会的关注。

图1 2013年8月15日20时—17日08时辽宁省雨情分布

2.2 雨强及降水持续时间分析

2.2.1雨强概况：在不考虑其他因素的情况下，降雨强度与灾情程度成正比关系，降雨强度大、突发性强，其破坏力就越强，灾情也越严重。根据资料分析显示，抚顺市小时最大雨强为34.5 mm（见图2），出现在16日18—19时，3 h最大雨强为60.7 mm，6 h最大雨强为 99.1 mm，12 h最大雨强为136.9 mm。黑山县小时最大雨强108.2 mm，出现在16日01—02时，3 h最大雨强为208.8 mm，6 h最大雨强为256.8 mm，12 h最大雨强为262.1 mm。清原县小时最大雨强为54.0 mm，出现在16日18—19时，3 h最大雨强为67.9 mm，6 h最大雨强为117.5 mm，12 h最大雨强为229.9 mm。西丰县小时最大雨强为26.8 mm，出现在16日11—12时。新宾县小时最大雨强为29.6 mm，出现在16日20—21时，3 h最大雨强为52.5 mm，6 h最大雨强为92.9 mm，12 h最大雨强为98.7 mm。

图2 各代表站小时最大雨强

2.2.2降水持续性概况：为了更加客观地考查降水的持续性，只有当某一降水时次之后超过2 h没有降水时，才判定一次降水过程的结束，将一次降水时间开始至结束间的小时数定义为降水的持续时间［12］。抚顺市持续性降水从16日11时开始，到17日1时基本结束，持续时间为14 h。黑山县持续性降水从15日23时开始，到16日6时基本结束，降水持续时间为7 h。清原县持续性降水过程从16日12时开始，到17日2时基本结束，降水持续时间为14 h。新宾县持续性降水从16日12时开始，到17日3时基本结束，降水持续时间大约为15 h。西丰县持续性降水从16日6时开始，到17时基本结束，降水持续时间大约为13 h。降水持续时间最长的是新宾县，其次为抚顺市、清原县、西丰县和黑山县（见图3）。

图3 各代表站降水持续时间

2.2.3雨强和降水持续性对灾情的影响：2013年8月15—17日，由于受高空切变和低空急流的共同影响，辽宁省出现的暴雨过程由于强度大、持续时间长，给辽宁各地区带来不同程度的洪涝灾害，造成了巨大的经济损失。笔者选取辽宁西部的黑山县，辽宁东部的西丰县、抚顺市、新宾县和清原县为代表站统计灾害情况。该次降水过程黑山县降水总量达264.1 mm，最大降水出现在黑山县常兴镇，降水量为272.0 mm，虽然在该次暴雨过程中，全县无一人伤亡，但造成的直接经济损失却高达6.66亿元人民币。西丰县普降大暴雨并伴雷电，该站降水量111.3 mm，致全县18个乡（镇）均遭受洪涝灾害，受灾人口21.0万人，紧急转移人口1.015 6万人，直接经济损失4.75亿元人民币。抚顺市该次暴雨灾害造成全市受灾人口19 533人，紧急转移人口2 167人，全县经济损失共计1.08亿元人民币。新宾县全县受灾人口71 040人，紧急转移人口13 046人，需要救济人口21 700人，受淹行政村54个，直接经济损失14.26亿元人民币。清原县特大暴雨历时短、强度大，该站降水量达264.7 mm，造成全县14个乡（镇）受灾，全县受灾人口达21万人，直接经济损失60.90亿元人民币。

由表1可以看出，清原县、新宾县和西丰县小时最大雨强越大，经济损失越严重，尤其清原县南口前镇受灾最严重，南口前村淹没深度达到4.12 m，海阳村淹没深度达到2.32 m，南口前镇三面环山，两侧有河流经过，超强降水使得流域内河流水位暴涨，在短时间内形成巨大洪流，清原县的雨强虽未超过黑山县雨强，但造成的经济损失远远超过黑山县。抚顺市同属辽东地区，其经济损失虽较为严重，但由于抚顺市城市建设、基础设施和排水系统相对完善，因此，经济损失较其他县（镇）小，黑山县降水强度最大，但由于黑山县强降水持续时间较短，经济损失较清原县、新宾县小。综合考虑雨强和持续时间的暴雨强度指数，统计出黑山县、清原县、抚顺市、新宾县、西丰县的灾害定性分级（见表 1）。

3 辽宁“8·16”暴雨雨强和持续性分析

3.1 大气环流形势分析

2013年8月15日20时500 hPa存在副热带高压且强度很大，已经延伸到内陆，在西西伯利亚和东西伯利亚上空有低压槽，在贝加尔湖的北部形成了阻塞高压，且在阻塞高压的南部存在横槽，冷空气在横槽后堆积，大尺度环流形势为两槽一脊，我国东北地区处在槽后，盛行西北气流，因此，辽宁地区此时还未出现强降水现象。8月15日，温度场落后于高度场，有利于槽脊发展，16日辽宁省存在一定的上升运动，大尺度天气形势仍是两槽一脊形势，但贝加尔湖西北部的阻塞高压强度减弱，横槽减弱，整个系统向东运动，说明有冷空气进入我国北方，副热带高压给辽宁省带来西南气流，到16日20时阻塞高压消失，横槽减弱并且继续向东移动，辽宁省上空风向由偏西风转为西北风，从大尺度环流形来看，说明辽宁省上空的波动已经经过辽宁，向海上移动，此时温度场仍落后于高度场，温压场继续发展，东北地区上空西风槽加深，高空槽北段有暖平流切入，南部有较强冷平流，在冷暖平流的作用下，槽的南部不断加深，而槽的北部有加压作用，使得南北断裂，到17日08时在东北地区上空形成深厚的冷涡且稳定的东北冷涡，辽宁省上空盛行西风，初步推断东北冷涡建立后，辽宁省出现的天气过程可能结束。综上所述，辽宁省8月的这场暴雨可能与西西伯利亚冷空气南下遇到副热带高压带来的暖湿西南气流造成的天气过程。

表1 各代表站暴雨灾情

研究表明，700 hPa低空急流与850 hPa切变线之间会出现降水落区，暴雨一般降落在低空急流的左前方以及切变线的右后方［13］，15日20时850 hPa，在内蒙古到辽宁西部之间存在横向切变线，对于辽宁省来讲，此时切变线只影响辽宁西部，说明此时底层有较弱的气流辐合上升，海上向陆地输送西南暖湿气流以及东南暖湿气流，在16日08时、20时，17日08时对流层700 hPa都出现了低空急流，16日08时地面出现冷锋，说明地面气流辐合上升运动较强，700 hPa槽均处在地面锋线的前面，所以冷锋造成的天气现象为锋前坏天气，在冷锋线的前面有强烈降水，冷锋逐渐从华北地区移向辽宁西部然后向辽宁东部运动，且冷锋逐渐变强，直到16日20时冷锋逐渐到达辽宁的中东部，17日08时冷锋断裂，冷锋北段入海，降水带逐渐从辽宁西部移到辽东中东部。

高空急流的作用主要表现为风速切变以及水平切变。高空急流对降水的影响显著，在急流下方的强垂直切变的环境风能提供对流发展的动能，还在于急流区的强风有利于对流云顶质量辐散的增强和上升气流的维持，另外，在对流云体发展过程中，由于水汽凝结释放潜热，会使对流云体上部温度增加，使得大气层结区域稳定，因而抑制对流的发展，这时高空的强风能将云体上部增暖的空气带走，达到通风作用，从而有利于对流云的维持和发展。与低空急流一样，高空急流也存在大风核，即急流中心，在大风核左侧为气旋性涡度中心，因此，在高空急流中心的左前方和右后方为正涡度平流和辐散区，而在急流中心的右前方和左后方情形相反，所以可以推断在高空急流的入口区的垂直环流圈为暖空气上升，冷空气下沉的直接环流圈；而在高空急流的出口区为暖空气下沉，冷空气上升的间接环流圈，由于在这2个垂直环流圈内出现相当强的垂直运动，因而在高空急流中心的左前方和右后方，即在环流圈的上升支内，有利于强对流运动的出现。由图4可以看出，15日18时，对流层上层200 hPa存在高空急流中心，风速超过了45 m/s，说明此时急流强度很大，急流核主要存在于吉林省，辽宁省位于急流中心的右后方，所以辽宁省此时对流层高层200 hPa为辐散区，从图4-（a）可以看出，辽宁西北部200 hPa辐散最强，辽宁南部小部分地区有弱的辐合。16日00时，急流强度减弱，急流中心消失，辽宁省几乎全部处在辐散区，东北部和南部的辐散强度最大。16日06时，高空急流中心消失，只有辽宁南部的小部分地区处于弱辐散，此时辽宁西北部对流层高层200 hPa大部分为辐合区，12时辽宁东南部处于辐散，而且辐散强度加大，18时辽宁南部为辐散区，17日00时辽宁大部分地区对流层高层200 hPa处于辐合。总体来看，对流层高层的辐散中心逐渐由西北部向东向南移动，强度逐渐减小。

图4 辽宁地区200 hPa风速场与散度场

3.2 水汽条件分析

图5为整层大气的含水量。含水量是指从地面底层到高层，一般指1 000 hPa到300 hPa单位面积气柱内的可降水量（mm），可以用来表示当地水汽资源的情况。当然可降水量并不能直接显示当地降水量的大小，因为还需要考虑抬升运动条件，不稳定能量。在该次“8·16”特大暴雨之初，辽宁大部分地区可降水量丰富，可降水量的高值中心在辽宁的中西部，从15日18时到16日，可降水量最高值中心逐渐向东移动，16日12时大气可降水量的高值中心出现在辽宁省的西南部，并且高值中心逐渐移到辽宁省的南部，17日00时辽宁南部大气可降水量的高值中心逐渐减弱，范围逐渐变小。

比湿超过12 g/kg是出现大暴雨的必要条件，15日18时，比湿最大值在辽宁的西北部，之后逐渐向辽宁的中东部移动，以及东南部移动，在整个暴雨过程中比湿几乎都大于12 g/kg，十分有利于局地暴雨的形成。

笔者选取了黑山县、抚顺市、清原县和西丰县为例，4个地方水汽条件都非常好，在辽宁东部抚顺市、清原县、西丰县对流层低层的比湿已经达到了20 g/kg，湿层均达到了550 hPa，黑山县对流层低层的水汽高值中心出现在16日00时，为黑山县出现的小时最大雨强提供了良好的水汽条件，抚顺市、清原县和西丰县的水汽高值中心与黑山县相比出现的晚些，因此，最大雨强出现的时间也较晚，最大水汽中心逐渐向东向北移动，抚顺市、清原县和西丰县比湿高值中心要比黑山县较高一点。

根据对辽宁省上空大气可降水量，850 hPa比湿以及比湿的垂直剖面图分析可以得出，该次降水过程发生之初，水汽高值中心在辽宁省的中西部，之后水汽高值中心逐渐移向东部以及东南部。

3.3 垂直运动条件

图5 辽宁地区上空大气可降水量

由图6可以看出，850 hPa对流层低层在仅辽宁西北部有明显的辐合，说明此时辽宁西北地区水汽交汇明显，并存在上升气流，16日00时辽宁的北部大部分地区存在明显的辐合区，且西部部分地区辐合强度增强，到16日06时辽宁东北部的辐合强度为最强，之后逐渐减小，到16日12时，辽宁北部大部分地区处于强辐散区，17日00时，整个辽宁低层辐散强度增强，上升运动减弱。

垂直对流运动的强度可以根据局地对流不稳定能量Cape值大小来分析，黑山县和清原县是8月16日暴雨降水量最多的地区，超过250 mm，达到特大暴雨级别。除了局地不稳定热力层结的影响，地形也是暴雨形成的触发条件，黑山县位于医巫闾山的东侧，医巫闾山走向为西南—东北，15日20时、23时，16日02时、05时，辽宁省盛行偏东南风，地面风场都为从海上吹来的偏南风，带来暖湿水汽，从地面流场可以看出，15日23时、16日02时黑山县的风向为东南风2 m/s，低层湿空气沿山迎风坡抬升，到16日05时黑山县风向转为西南风，这时风向与山的走向相平行，所以水汽辐合强度减小。当暴雨雨强最大时，东南风的风速最大，最大达到 11 m/s，加剧了当地水汽的辐合上升，强降水发生前，因为地形的原因，风向发生切变，到达黑山县时，形成东南风。偏东风能在局地形成较强的辐合，暖湿空气局地集中和形成热力不稳定，容易引起强降水，在黑山县由于地形产生的辐合运动导致对流单体的形成，并沿着山脉东侧生成、发展和移动，与短时持续对流性强降水有密切的联系，高湿层从对流层低层一直延伸到对流层中高层。抚顺市的强降水及强对流单体的形成也受到东高西低地形的影响，对西南气流有明显的抬升作用，大伙房水库至清原县浑河一带地势呈现东北—西南走向，对西南气流有明显的狭管作用，加剧了西南气流对当地天气的影响，地形的动力作用表现在地形使系统性的风向发生改变，从而在某些地形产生地形辐合或者辐散，因而影响垂直运动和降水。清原县有莫红日山，海拔为1 030 m，阻挡了来自海上的偏南气流。综上所述，地形对特大暴雨中心形成有十分重要的意义，降水一般都在山地的迎风坡，多山地区形成暴雨的可能性要比其他地区要高。通过分析大气环流形势、水汽条件、垂直运动条件可知，大中尺度环流场为辽宁“8·16”暴雨提供了十分有利的背景条件，高空急流和低空切变提供良好的动力抬升条件，地形和局地水汽量是不同地区雨强和雨量存在差别的重要因子。

图6 辽宁地区850 hPa散度场

图7 辽宁地区850 hPa垂直速度分布图

图7为对流层低层850 hPa的垂直速度，15日18时辽宁地区对流层低层气流基本处于上升状态，在16日00时黑山—铁岭一带，即辽宁省中部部分地区存在上升运动，其他地区的上升速度没有黑山—铁岭一带运动强，16日06时黑山周围地区上升运动减弱，对流层低层上升运动的强度中心移动到了辽宁东部，辽宁东部的上升运动强度有明显的增强，直到17时00时，辽宁大部分地区对流层为下沉运动，只有小部分地区有强度较弱的气流上升，说明此时天气过程趋于结束。

3.4 8.16暴雨对辽宁地区农牧业影响的分析

8月15日23时—16日06时，黑山县出现自1949年后有气象记录以来罕见的突发特大暴雨，农牧渔业受灾情况严重，其中，农田内涝1.79万hm2，减产5.5万t，直接经济损失1.1亿元人民币；蔬菜大棚受淹0.4万hm2，直接经济损失1亿元人民币；养殖小区受淹5个，直接经济损失189万元人民币；合计直接经济损失2.12亿元人民币。16日09—16时，在前期降水较为频繁、土壤水分近饱和的前提下，西丰县普降大暴雨并伴雷电，农作物受灾、成灾、绝收面积分别为29 273.3、28 473.3、9 000 hm2，减产粮食13.0万t，农牧渔业损失2.745亿元人民币；倒塌农房50户125间，严重损坏农房150户375间，一般损坏农房70户175间，损失0.06亿元人民币；损毁林地140.333 3 hm2、林木5.2万株、苗圃6.0 hm2，林业损失0.172 86亿元人民币；水毁耕地2 080 hm2，损失0.561 6亿元人民币。8月15日20时—17日08时，抚顺市出现暴雨到大暴雨、局部特大暴雨天气，该过程历时短、强度大、持续时间长。抚顺市农作物受灾面积1 803.47 hm2、成灾面积970 hm2、绝收面积828.53 hm2，直接经济损失2 366万元人民币。16日11时—17日11时，新宾县遭特大暴雨的侵害，降雨时段短、强度较大，持续时间长，导致南杂木、上夹河镇多处公路断裂，部分农田受损。新宾县农作物受灾总面积5 244.3 hm2，成灾面积4 387 hm2，绝收面积 1 341.5 hm2，毁坏耕地面积890.3 hm2。在该次暴雨中，新宾县死亡大牲畜135头、羊50只。

4 结论

①雨强和降水持续时间与各地灾情的灾害定性等级表现为，黑山县为特别重，清原县等级为重，抚顺市、新宾县、西丰县为中等。

②“8·16”暴雨是典型的锋面降水，500 hPa 大气环流呈现两槽一脊形式，温度场落后于高度场，槽后冷空气进入我国东北部，与副热带高压北侧的暖湿气流交汇于辽宁地区，同时由于高、低空急流的影响，辽宁省部分地区上升运动强烈，高空槽前的正涡度加剧暖湿气团抬升的剧烈程度，导致暴雨。地面图上表现为副冷锋向东南移动，有利于在冷涡的西—西南—南—东南方向移动，降水强度高值中心也逐渐向东南方向移动。

③不同地区雨强不同，该次暴雨主要降水中心集中在黑山县和辽宁东北部地区 （尤其是抚顺市）的原因：一是这些地区水汽条件和垂直运动条件较其他地区好；二是地形起了非常重要的作用。

④该次暴雨对辽宁省的农牧业生产造成重大经济损失，辽宁省农业受灾情况严重。暴雨对黑山县农牧渔业生产造成的直接经济损失达到2.12亿元人民币；西丰县的农牧渔业损失2.745亿元人民币；抚顺市农作物受灾面积为1 803.47 hm2、成灾面积970 hm2、绝收面积828.53 hm2，对农业生产造成的直接经济损失为2 366万元人民币；新宾县农作物受灾总面积5 244.3 hm2、成灾面积4 387 hm2、绝收面积 1 341.5 hm2、毁坏耕地面积890.3 hm2，死亡大牲畜135头、羊50只。