2015—2019年辽宁省暴雨红色预警信号分布及其特征

刘静1,2 陈传雷2 严俊2 王瀛2 才奎志2 任川3 韩梅4 董巍

(1.中国气象局沈阳大气环境研究所，辽宁 沈阳 110166； 2.辽宁省气象灾害监测预警中心，辽宁 沈阳 110166；3.辽宁省气象信息中心，辽宁 沈阳 110166； 4.本溪市气象局，辽宁 本溪 110121；5.中国气象局气象干部培训学院辽宁分院，辽宁 沈阳 110166)

引言

辽宁地区夏季大暴雨具有突发性强、历时短、强度大及夜间频发等特点，易引发山洪、滑坡及泥石流等次生灾害，给人民生命和财产安全造成严重的损失[1]。针对辽宁夏季暴雨的研究，杨青等[2]指出辽宁大暴雨发生次数多，量级变化大。辽宁省南部地区大暴雨的影响系统主要是台风北上、华北气旋、江淮气旋等，地形因素的影响也是重要诱因。陈传雷等[3]认为辽宁极端长历时暴雨可划分为4个易发区；肖光梁等[4]研究表明辽宁省夜间降水多可能与西南急流加强有关。诸多学者[5-7]对辽宁地区暴雨预报技术和时空分布特征进行了探讨。

《辽宁省气象灾害防御条例》(2018)中规定：“各级学校在暴雨红色预警信号生效期间停课”，因此提前发布暴雨红色预警信号可为政府部门提供气象防灾减灾重要参考。预报预警技术的发展提高了预警信号的准确率[8]。黄小丹等[9]研究指出，应调整暴雨红色预警信号发布策略，以适应当地的生产生活需要。杜小松和谢健标[10]、伍志方等[11]分别探讨了广东省暴雨预警信号发布的技巧；黄归兰等[12]通过研究提出了加强气象灾害预警信号的发布策略；彭兴德等[13]探讨了贵州省气象灾害预警信号的发布办法，考察预警信号的发布级别和时间；杨璐等[14]通过解读雷达径向速度图特征，有效提升了北京地区雷暴大风的预警提前量。目前的研究多为针对预警信号发布策略进行的探讨[15-18]，而分析特定暴雨红色预警信号的分布特征较少。辽宁夏季暴雨频发，短时大暴雨发生灾害重，影响范围大[19]，夏季暴雨灾害一直是辽宁省气象防灾减灾的重点和难点。本文通过统计2015—2019年辽宁省暴雨红色预警信号的时空分布，分析辽宁省汛期短时大暴雨的易发区、暴雨红色预警信号高发时段及预警时间等，内容符合辽宁省研究型业务发展的需要，为短临预警业务提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源

所用数据来自辽宁省气象灾害监测预警中心(以下简称预警中心)结构化查询语言(Structured Query Language，SQL)数据库中存储的预警信号资料；辽宁省气象信息中心提供的全国综合气象信息共享平台(CIMISS)数据环境中1605个自动站分钟级降水资料，去除异常值，确保降水数据连续准确。

1.2 研究方法

选取2015—2019年辽宁省发布的暴雨红色预警信号进行统计。通过分析达到发布暴雨红色预警信号标准的站点(以下简称短时大暴雨站点)和发布暴雨红色预警信号后未达到暴雨红色预警信号标准的站点(以下简称空报站点)的分布特征，评估暴雨红色预警信号发布的准确率和提前时间，找出暴雨红色预警信号发布的问题和不足，给出对策和建议。

《辽宁省气象灾害防御条例》(2018)中规定暴雨红色预警信号的定义为： 3 h内降水量将超过 100 mm或已经产生100 mm的降水且可能持续[20]。本文定义短时大暴雨出现时间为降水量达到发布暴雨红色预警信号标准的时间。预警提前时间为发布暴雨红色预警信号后，短时大暴雨出现时间与预警信号发布时间的差值。降水过程中，5 min雨量大于10 mm的时间称为最大雨强出现时间，最大雨强出现时间与短时大暴雨出现时间的差值(可能是负值)的绝对值称为雨强提前时间。

2 结果分析

2.1 暴雨红色预警信号发布站数和提前时间统计

由图1可知，2015-2019年辽宁省逐年发布的暴雨红色预警信号站点数和平均提前时间，其中折线为暴雨红色预警信号正确站点的平均提前时间；红色柱状图为短时大暴雨站点数，灰色柱状图为空报站点数。由图1可以看出，辽宁省2015—2017年暴雨红色预警信号站数逐年增多，3 a间发布站数逐年增长的可能原因有3个：一是短时大暴雨年变化的客观影响；二是暴雨监测站点增多，实况数据更为精细；三是预报员业务能力的提升和预警流程的不断优化高效。

图1 2015—2019年辽宁省暴雨红色预警信号发布站数和提前时间Fig.1 The station number and advance time of red rainstorm warning signals from 2015 to 2019 in Liaoning province

2017年辽宁省发布暴雨红色预警信号站数为最大值172个，其中短时大暴雨发生站数是147个，2018年、2019年发布暴雨红色预警信号站数分别为119个、60个，其中短时大暴雨发生站数是101个和50个。2018年、2019年暴雨红色预警信号发布站数减少的可能原因，一是降水量年变化的影响，2018年、2019年短时大暴雨发布站点数减少；二是由于发布策略的变化，如2015—2017年暴雨红色预警信号发布次数逐年递增，提前时间却逐年递减，2018—2019年发布暴雨红色预警信号时，监测更为精细，预报力求精准，减少了空报站数。

2015年和2016年辽宁省发布暴雨红色预警信号的提前时间较长，分别为106 min和65 min，主要由于高分辨率资料使用较少，短时大暴雨的可预报性较差，通常提前发布预警信号。2017—2018年辽宁省暴雨过程频发，基于高分辨率卫星云图和新一代多普勒天气雷达等监测资料，分析更为精细，提升了预警信号的准确率，但降低了提前时间。2019年，在天气分析时，增加了新型资料的应用，提前时间回升至48 min。

2.2 暴雨红色预警信号空间分布

图2显示的是近5 a辽宁省暴雨红色预警信号发布站点分布，其中红色圆点表示短时大暴雨站点，蓝色圆点表示空报站点，当两个站点叠加时，显示为紫色，所有站点加和即为暴雨红色预警信号发布总站点数。辽宁省地势大致为北高南低，东西高中部平原低，南邻中国黄海、渤海。根据辽宁省62个国家级观测站的位置及夏季降水分布，将辽宁省划分为西部、东南部和中部3个地区，其中西部地区涵盖锦州、阜新、朝阳、葫芦岛和新民、康平、法库；东南部地区包括大连、丹东和岫岩；中部地区为其他观测站。

图2 2015年(a)、2016年(b)、2017年(c)、2018年(d)和2019年(e)辽宁省暴雨红色预警信号空间分布Fig.2 Spatial distribution of the red rainstorm warning signals in 2015 (a),2016 (b),2017 (c),2018 (d),and 2019 (e) in Liaoning province

从图2可以看出，2015—2019年辽宁省暴雨红色预警信号空间分布特征为沿海地区较多，内陆较少。2015年短时大暴雨在辽宁省东南部地区的岫岩分布较多，空报站点集中在中部地区的盘锦；2016年辽宁西部地区除葫芦岛外，其他地区无暴雨红色预警信号分布，中部地区的沈阳市区、抚顺市区、铁岭市区短时大暴雨站数增多，东南部地区依然是短时大暴雨的高发地区，空报站点主要为鞍山市区和瓦房店市；2017年暴雨红色预警信号发布和短时大暴雨发生站点数均为5 a内最多，空间分布上有3个主要区域，东南部地区、西部的朝阳地区及中部的沈阳市区和铁岭地区，其中短时大暴雨在东南部地区的发生站数占全部站数的39.5%，仅岫岩县的短时大暴雨站数占全部站数的14.2%；2018年东南部地区短时大暴雨站数占全省的57.4%；2019年暴雨红色预警信号的分布较为分散，中部地区短时大暴雨站数同比增高，东南部地区仍为短时大暴雨的高发区。

总体来说，辽宁省短时大暴雨易发地区为东南部，其次为西部地区。除了受海陆不均匀加热影响，地形作用也是重要的诱因[4]。辽宁地区在7—8月短时大暴雨较多，强降水发生在夏季风向北突进的时候，副热带高压脊线第二次北跳以后，受北上台风和南来气旋等天气系统的影响，短时大暴雨的范围和程度都最大[22]，因此辽宁地区在这两个月份易发布暴雨红色预警信号。

2.3 暴雨红色预警信号发布时间特征分析

本文统计了2015—2019年暴雨红色预警信号的发布个数，每个预警信号可能包括多个站点(图3)，分析暴雨红色预警信号的时间分布特征。

如图3a所示，2015年辽宁省前半夜发布暴雨红色预警信号最多，为9个，占2015年所有时次暴雨红色预警信号发布个数的47%。2016年暴雨红色预警信号发布时次出现了3次高峰，分别是傍晚、前半夜和凌晨，占比全部时次分别为19%、19%和26%；2017年午夜发布暴雨红色预警信号18个，占比全部时次22%，凌晨发布25个，占比全部时次27%；2018年暴雨红色预警信号小时分布和其他年份呈现出明显差异，早晨、上午红色预警信号占比分别为19%和26%，凌晨和午夜加和占比为16%；2019年前半夜、凌晨发布的红色预警信号占比分别为19%和24%。前半夜、午夜、凌晨小时加和占全部时间段的37.5%。2015—2019年，暴雨红色预警信号在前半夜、午夜、凌晨的发布个数加和，占比全部时间段的比例分别为57.9%、54.8%、62.2%、20.4%和47.6%。在本文研究的5 a内，除2018年外，其他年份暴雨红色预警信号多数在前半夜和凌晨发布。

2.4 暴雨红色预警信号预警提前时间和雨强提前时间对比分析

图4是暴雨红色预警信号预警提前时间和雨强提前时间的对比。辽宁省降水主要集中在盛夏的7—8月[22]。6月暴雨数量较少，为了研究的合理性，将2019年6月、7月发布的暴雨红色预警信号合并在一起(简称6—7月)(图4a)和8月(图4b)进行分析。

图3 辽宁省2015年(a)、2016年(b)、2017年(c)、2018年(d)和2019年(e)暴雨红色预警信号发布个数时间变化Fig.3 Temporal distribution of the number of red rainstorm warning signals in 2015 (a),2016 (b),2017 (c),2018 (d),and 2019 (e) in Liaoning province

图4 2019年6—7月(a)和 8月(b)辽宁省暴雨红色预警信号预警发布提前时间和雨强提前时间对比Fig.4 Comparison between the warning and rainfall-intensity advance time of red rainstorm warning signals in June and July (a),and August (b) of 2019 in Liaoning province

2019年6月，辽宁省发布3个站点暴雨红色预警信号，预警提前时间为11 min，雨强提前时间为34 min；7月，预警提前时间为66 min，雨强提前时间为62 min，7月预警提前时间表现出高值，其原因可能是有2次在降水过程开始前已提前发布暴雨红色预警信号，延长了预警提前时间；8月，预警提前时间为25 min，雨强提前时间为55 min。在降水开始前发布预警信号可以提升预警提前时间，预判最大雨强出现时间并发布暴雨红色预警信号能够兼顾预警信号的准确率和提前时间。

如图4所示，2019年辽宁省共有50个站点成功发布了暴雨红色预警信号，其中6月3个、7月16个，8月31个。有35个站点(占比70%)的暴雨红色预警信号是在最大雨强出现后发布的，这属于降水过程中预警，是对降水实况的整体把握、暴雨预报的综合研判后发布的。这样做的优点在于增加了暴雨红色预警信号的准确率。

在选择的50个站点中，有17个站点(34%)是在最大雨强出现后30 min内达到短时大暴雨标准；23个站点(46%)在最大雨强出现后60 min内达到；27个站点(54%)在最大雨强出现后90 min内达到。因此，最大雨强的出现时间是发布暴雨红色预警信号的重要指征。

利用Kolmogorov-Smirnov方法[21]对雨强提前时间进行高斯分布检验，将雨强提前时间进行自然对数处理后，表明，6—7月和8月的雨强提前时间均符合高斯分布，通过了0.05显著性水平检验。

如图5所示，采用高斯分布进行雨强提前时间的特征分析。6—7月的雨强提前时间数学期望值是99 min，8月的雨强提前时间数学期望值为78 min，6—7月比8月延后21 min，这可能是因为8月的降水强度比较大，最大雨强出现后更为快速的达到短时大暴雨标准。在大尺度天气系统、中小尺度卫星云图及雷达指标均表明将出现短时大暴雨的前提下，和6—7月相比，8月最大雨强出现后应尽快发布暴雨红色预警信号。

图5 辽宁省2019年6—7月和8月雨强提前时间正态分布Fig.5 Normal distribution of the rainfall-intensity advance time in June and July and August of 2019 in Liaoning province

3 结论与讨论

(1)2015—2017年暴雨红色预警信号发布站数逐年增多，最大值为2017年的147个；2015—2016年发布暴雨红色预警信号的提前时间较长，2017—2018年减少，2019年上升至48 min。

(2)辽宁省暴雨红色预警信号多分布于辽宁省东南部地区、其次为西部地区，西部地区在6—7月发布较多，东南部地区在8月较多。

(3)辽宁省暴雨红色预警信号发布时间多在前半夜、午夜和凌晨，且降水效率高。

(4)辽宁省50%以上的暴雨红色预警信号雨强提前时间小于90 min，最大雨强的出现时间是暴雨红色预警信号发布的重要指标。提前判断最大雨强出现时间并发布暴雨红色预警信号，可以兼顾红色预警的准确率和提前时间。

(5)暴雨红色预警信号的发布不仅是天气预报业务工作中最重要的部分，而且直接关系到人民的生命财产安全。分析表明，提前判断最大雨强的出现时间，有助于准确发布暴雨红色预警信号。事实上，如何准确的判断最大雨强出现时间是预报预警工作的难点。红色预警通常以降水量达到100 mm为标准进行发布，该标准是否适合辽宁省所有地区也需要更多探讨。在实际业务工作中，一方面综合利用多种高时空分辨率资料，提前判断最大雨强的出现，兼顾预警信号的准确率和提前时间，这是提高预警准确率的重要手段；另一方面应综合把握发布暴雨红色预警信号的有利时机，辽宁省暴雨红色预警信号多发布在前半夜、午夜和凌晨，降水过后易造成路面积水、交通堵塞，给早晨上班、上学的人们带来不便，因此对于夜间发布的暴雨红色预警信号应给予特别关注；此外，应充分考虑短时大暴雨易发区和地形的影响。辽宁东南部、西部地区，当预报指征明确时，应尽早发布暴雨红色预警信号。