日照市强降水时空分布特征及预报指标

日照市强降水时空分布特征及预报指标
于怀征
【摘要】利用山东省日照市2007-2016年观测资料,统计了日照市49次强降水过程年际和月际变化特征.按照强降水发生时影响系统对日照市产生强降水的天气形势进行分型,并分析不同季节强降水关键环境参量.研究表明,7-8月强降水出现次数最多,且影响范围最大;日照市强降水天气形势可分为低槽冷锋型、低涡切变型、气旋型和台风型,其中低槽冷锋型是日照市产生强降水的主要天气类型;上游及青岛(T-Td) 850、青岛(T-Td) 700+(T-Td)850、850 hPa水汽通量散度、850 hPa假相当位温、K指数和850 hPa的最大上升速度6个物理要素指标对日照产生强降水具有很好指示意义.
【期刊名称】《农业工程》
【年(卷),期】2018(008)011
【总页数】5页(P80-84)
【关键词】强降水;分布特征;天气分型;预报指标
【作者】于怀征
【作者单位】日照市气象局,山东日照276826
【正文语种】中文
【中图分类】P426.6
0 引言
山东省日照市位于鲁南丘陵地区，属典型暖温带湿润季风区大陆性气候，四季分明，冷热季和干湿季区别明显。

强降水是主要灾害性天气之一，日照市每年都因强降水造成较大的损失。

如2008年7月23日日照市出现超过历史极值降水、2012年
9月21日日照市局地强降水及2013年5月26日突破当月历史极值的降水，都
给当地造成较大经济损失。

近年来，山东省气象工作者对山东强降水过程进行了很多研究，阎丽凤等[1]对山
东强降水影响系统进行了分析，杨成芳等[2]对山东冷式切变的大暴雨进行了研究，高荣珍等[3]总结了青岛短期小量降水预报指标分析，梁家谈等[4]对泰安市近50a
暴雨时空变化特征进行了研究，高帆等[5]对2015年8月3日山东西北部暴雨过
程中尺度特征进行了分析，孙莎莎等[6]分析了2012年10号台风“达维”强度维持和变化机制，侯淑梅等[7]建立了东营市7月份暴雨集成预报系统，耿敏等[8]总结了青岛气旋类暴雨预报方法，杨晓霞等[9]对山东省春秋季暴雨天气环流特征和
形成机制进行了研究，通过研究加深了对山东省降水影响系统和形成机理的认识。

目前对山东省强降水预报指标的研究不多，尤其是分季节预报指标研究更是少之又少。

通过对日照市产生强降水的高空和地面资料的分析，找出日照市强降水影响系统，根据影响系统不同对强降水天气形势进行分型。

再通过对水汽、热力和动力条件分析，找出日照市产生强降水的物理要素在不同季节所对应阈值，找出不同季节日照市强降水预报指标，为进一步做好该区域强降水预报和预警提供参考依据。

1 资料来源
降水资料来自2007—2016年地面大监站资料，物理要素资料来自高空和数值预
报资料。

降水统计以北京时间20时为日界，在24 h内有1个或以上县区出现超
过50 mm的强降水进行统计记为1个强降水日。

据统计，2007—2016年日照市出现49 d强降水，强降水站次为73站次。

2 强降水时空分布特征
2.1强降水空间分布
定义一个站出现强降水为单站强降水，两个站出现强降水为区域强降水，三个站出现强降水为全区强降水。

2.1.1降水站次分布年变化
2007—2016年日照市出现的49次强降水天气过程中，单站强降水32次，区域
强降水10次，全区性强降水7次，可见日照市出现强降水主要为单站强降水，区域和全区强降水较少。

单站强降水出现最多的是2012年的5次，2011年未出现；区域强降水出现最多的是2011年的3次，2008年未出现；全区强降水出现在2008、2011、2012、2013和2014年。

2.1.2降水站次分布月变化
6月及以前全区共出现10次强降水，全部为单站强降水；7月出现15次强降水，其中单站强降水10次，区域强降水3次，全区强降水2次，共出现22个站次强
降水；8月出现的16次强降水中，单站强降水7次，区域强降水6次，全区强降水3次，共出现了28个站次强降水；9月以后出现强降水8次，单站强降水5次，区域强降水1次，全区强降水2次，共出现13个站次强降水。

可见强降水站次主要出现7—8月，占68.5%。

2.2强降水时间分布
2.2.1强降水日数年变化特征
日照市强降水日数年变化曲线如图1所示，从图1中可以看出，强降水日数虽然
较为平均，但也有年变化，其中2007—2011年强降水日数较为平均，每年基本
在4～5次；2012和2013年强降水日数明显增多，分别为8次和7次；2014年以后又维持4次左右。

图1 强降水日数年变化曲线Fig.1 Annual variation of heavy rainfall days
2.2.2强降水日数月变化特征
日照市强降水日数月变化曲线如图2所示，从图2中可以看出，日照市出现强降水的时间跨度较大，强降水日最早出现在3月，最晚出现在11月，12月到次年2月无强降水产生。

强降水主要集中在7—8月，共计31次，占总强降水日数的63.3%，其中7月强降水日数为15次，8月强降水日数为16次。

图2 强降水日数月变化Fig.2 Monthly variation of heavy rainfall days
3 强降水天气分型
通过分析高空资料和地面资料发现，日照市产生强降水高空系统主要有低槽、高空冷涡、切变线(冷式切变线、暖湿切变线)、低涡(西南涡、西北涡)、低空急流和台风等，地面主要是气旋、锋面、台风、低压、辐合线和辐合中心等[10]。

结合高低空资料和地面资料，对日照市2007—2016年产生的49次强降水的天气系统进行分析发现，日照市产生强降水的天气形势可分为低涡切变线型、气旋型、低槽冷锋型和台风型。

当高空有低涡切变且地面有气旋时，将天气分型归类为气旋型。

分析发现低槽冷锋型是日照市产生强降水的主要天气类型，占21次，其次是气旋型12次，低涡切变线型11次，台风型5次，日照市强降水主要天气分型如图3所示。

按季节分析发现，低槽冷锋型强降水主要出现在春末夏初和秋季，低涡切变线型强降水主要出现在夏季，而春季的强降水主要为气旋型和低槽冷锋型，台风型强降水则出现在夏季到秋初，即8月和9月。

图3 强降水主要天气分型Fig.3 Main weather types of heavy rainfall
4 物理量统计分析
一般性降水形成需要水汽条件、垂直运动条件和云滴增长条件。

而暴雨发生除要满足一般性降水条件外，还需要满足充沛水汽供应、强烈上升运动及较长持续时间[11-12]。

通过分析水汽通量散度等物理要素发现：850 hPa水汽通量散度、(T-Td)700+(T-Td)850、假相当位温、K指数、850 hPa垂直运动及青岛、徐州、射阳和阜阳的(T-Td)850对日照市产生强降水有一定指示意义，但是不同季节产生强
降水的物理量要素阈值有所不同。

4.1水汽条件
4.1.1850 hPa温度露点差
日照市产生强降水时，水汽主要来自西南或东南低空急流向日照地区的输送，因此可以把日照上空及上游地区的(T-Td)850作为暴雨的一个指标进行研究。

徐州、射阳和阜阳分布在日照市偏南地区，此3站点低层水汽对日照市强降水具有重要影响，青岛离日照较近，其上空低层水汽分布则基本代表了日照市上空低层水汽特点。

按季节分析发现：春季，如果青岛、徐州、射阳和阜阳4个站点(简称4个站点，
下同)的(T-Td)850≤3 ℃，夏季，4个站点(T-Td)850≤5 ℃，秋季，4个站点(T-Td)850≤4 ℃，日照市产生强降水可能性非常大。

4.1.2青岛(T-Td)700+(T-Td)850
湿层厚度越大，表明降水区上空水汽含量越大，从而降水量也可能越大。

由于提供降水的水汽来源主要集中在对流层中下层，因此，可把对流层中下层的空气含水量作为降水指标进行研究。

(T-Td)700+(T-Td)850的大小在一定程度上表示了对流
层中下层水汽含量，可以把(T-Td)700+(T-Td)850作为暴雨的一个指标进行研究。

在春季产生强降水的6次天气过程中，青岛探空站的(T-Td)700+(T-Td)850≤6 ℃。

在夏季产生强降水的35次天气过程中，青岛站的(T-Td)700+(T-Td)850≤10 ℃有30次，占夏季强降水总次数的85.7%；其余5次青岛站的(T-Td)700+(T-Td)850数值较大，且降水均为局地强降水。

在秋季产生强降水的8次天气过程中，青岛(T-Td)700+(T-Td)850均<10 ℃。

从以上分析来看，日照产生强降水时，不同季
节对降水区上空中低层湿度要求略微不同，但是大多数产生强降水时，湿度都较大，如果夏季和秋季青岛站(T-Td)700+(T-Td)850≤10 ℃、春季青岛的(T-Td)700+(T-Td)850≤6 ℃，则日照市就可能产生强降水。

4.1.3850 hPa水汽通量散度
某一地区仅仅依靠其上空的水汽凝结产生降水，很难达到暴雨程度，因此某一地区产生强降水，需要来自不同方向水汽在此上空积聚，水汽通量散度(qfdiv)表征的
是水汽在某一地区集中程度的一个物理量，因此，某地水汽通量散度大小，可以表征水汽在此地集中程度，可以作为强降水的一个指标来研究。

经分析，日照市在春季产生强降水的6次强降水天气过程中，日照地区850 hPa的qfdiv值均<-10
g(cm2·hPa·s)。

夏季产生的35次强降水过程中，qfdiv<-5 g(cm2·hPa·s)，其中
有18次850 hPa的qfdiv<-10 g(cm2·hPa·s)，占到暴雨次数的51.4%，有17
次暴雨的-10 g(cm2·hPa· s)<qfdiv<-5 g(cm2·hPa·s)，占暴雨次数的48.6%。

在秋季产生强降水的8次天气过程中，鲁东南地区的qfdiv<-6 g(cm2·hPa·s)。

因此，春季850 hPa qfdiv<-10 g(cm2·hPa·s)、秋季850 hPa qfdiv<-6 g(cm2·hPa·s)、夏季850 hPa qfdiv<-5 g(cm2·hPa·s)，日照市就有可能产生强降水。

4.2热力条件
4.2.1850 hPa的假相当位温
在假相当位温(Θse)中，不仅考虑了气压对温度的影响，也考虑了水汽的凝结和蒸
发对温度的影响。

它实际上是把温度、气压和湿度包括在一起的一个综合物理量。

通过分析发现，暴雨发生时，高能舌伸向日照市，且暴雨区主要分布在高能舌附近，如果是暖式切变降水，则暴雨区主要落在暖舌的右侧，如果是冷锋降水，暴雨区主要落在暖舌左侧[13-14]。

无论哪种降水，暴雨区Θse都要达到一定数值。

经分析，日照市出现强降水时，春季，该地区Θse在40～55 ℃，夏季在65～
95 ℃，秋季在52～75 ℃。

因此，如果在春季Θse≥40 ℃，夏季Θse≥65 ℃，秋季Θse≥50 ℃，日照市就可能出现强降水。

表1 物理量指标Tab.1 Physical quantity index季节物理量(T-Td)850∕℃(T-
Td)700+(T-Td)850∕℃850 hPa水汽通量散度∕g·cm-2·hPa-1·s-1850 hPa假相当
位温∕℃K指数∕℃850 hPa垂直速度∕hPa·s-1春季≤3≤6<-10>40>20>-15×10-3
夏季≤5≤10<-5>6530～45>-3.5×10-3秋季≤4≤10<-6>5030～45>-7×10-3 4.2.2K指数
K指数的变化可以表征环境场的热力条件，通常K指数越大，层结越不稳定，大气潜在能量越大，越容易强上升运动，越容易产生强降水。

通过分析发现：在春季产生强降水的6次天气过程中，日照市K指数>20 ℃；在夏季产生强降水的35次天气过程中，日照市地区K指数30～45 ℃；在秋季产生强降水的8次天气过程中，日照市K指数30～45 ℃。

因此，如果日照市产生强降水，春季K指数
≥20 ℃，夏季和秋季K指数≥30 ℃。

4.3上升运动条件
降水与上升运动有密切的关系，上升运动越大，持续时间越长，降水量也越大，从而更容易出现强降水。

水汽主要集中在对流层中下层，因此850 hPa的上升速度(ω)，就基本上能反应出强降水上升运动大小[15]。

通过分析49个强降水过程可以发现，春季如果日照市产生强降水，其850 hPa 的ω>-15×10-3 hPas；夏季发生强降水35次天气过程中，基本上日照市上空850 hPa的ω>-3.5×10-3 hPas；秋季发生强降水时，日照市上空850 hPa的ω>-7×10-3 hPas。

从以上分析可以发现，如果日照市产生强降水，其上空850 hPa的上升速度，春季>秋季>夏季。

如果春季ω>-15×10-3 hPas、夏季ω>-3.5×10-3 hPas、秋季ω>-7×10-3 hPas，则日照市有可能产生强降水。

综上，日照市产生强降水时，具有较强指示意义的物理要素指标有6个，且物理要素指标需达到一定阈值，各物理量指标如表1所示。

5 结论
通过分析2007—2016年日照市49个强降水天气过程，得出以下结论。

(1)强降水主要为单站降水，为32次，区域强降水10次，全区性强降水7次。

其中，单站降水主要出现在6月以前，区域和全区暴雨主要出现在7—8月。

(2)强降水日数平均4～5 d，但存在年际变化和月变化，强降水最早出现在3月，最晚出现在11月，12月到次年2月无强降水产生，其中7—8月强降水占总强降水日数63.3%。

(3)日照市强降水的天气类型分为低涡切变线型、气旋型、低槽冷锋型和台风型，
其中低槽冷锋型最多。

(4)850 hPa的水汽通量散度、(T-Td)700+(T-Td)850、假相当位温、K指数、
850 hPa垂直运动及青岛、徐州、射阳和阜阳的(T-Td)850对日照市强降水具有较好指示意义，且不同季节，物理要素阈值不同。

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