王芬孫旭東楊溢黃琰周仕鵬

（1.貴州省黔西南州氣象局，貴州興義 562400；2.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實驗室，貴陽 550002）

黔西南暴雨多時間尺度特征及其天氣學(xué)成因分析

王芬1，2孫旭東1楊溢1黃琰1周仕鵬1

（1.貴州省黔西南州氣象局，貴州興義 562400；2.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實驗室，貴陽 550002）

利用黔西南州8個臺站1984-2013年逐日降水資料及美國國家大氣中心和環(huán)境預(yù)報中心（NCEP/NCAR）的第二套再分析逐月資料，分析了近30年黔西南暴雨事件的多時間尺度氣候特征，探討了暴雨異常發(fā)生時的大氣環(huán)流背景。結(jié)果表明：黔西南近30年平均暴雨日數(shù)東西多中間少；暴雨日數(shù)具有下降趨勢；2-12月黔西南均會出現(xiàn)暴雨，但主要出現(xiàn)在5-9月，6月暴雨日數(shù)達(dá)到峰值，有明顯的單峰結(jié)構(gòu)特征；MK突變檢驗及滑動t檢驗結(jié)果表明近30年黔西南暴雨日數(shù)不存在突變點(diǎn)。在暴雨偏多年，黔西南地區(qū)地面氣壓上升，有冷空氣補(bǔ)充南下，500hPa等壓面略有上升，空氣柱厚度略增加，700hPa平均垂直速度為負(fù)值，低層存在上升氣流，水汽通量散度為負(fù)值，水汽輻合有利于降水產(chǎn)生。在暴雨偏少年，黔西南地區(qū)地面氣壓偏少，500hPa等壓面下降，700hPa平均垂直速度為正值，低層存在下沉氣流，水汽通量散度為正值，水汽輻散不利于降水產(chǎn)生。

暴雨；多時間尺度；天氣學(xué)成因；黔西南

1 引言

暴雨的研究一直是我國大氣科學(xué)重要研究課題之一，20世紀(jì)70年代我國成立了專門的暴雨研究協(xié)作組，針對暴雨的發(fā)生發(fā)展從天氣學(xué)和氣候?qū)W了進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，得到了一些有意義的結(jié)論。近年來，貴州的許多氣象工作者針對暴雨也進(jìn)行了一些研究工作，伍紅雨等［1］分析了貴州降水氣候異常的時空分布特征，研究結(jié)果表明：貴州降水具有顯著的年際、年代際變化特征，貴州夏季降水異常存在2、8年的顯著周期。張艷梅等［2］對貴州夏季降水的氣候特征進(jìn)行了初步分析，發(fā)現(xiàn)貴州暴雨和暴雨量在空間分布上具有全省一致的特征，在時間演變上具有周期性及突變性。楊洋、池再香、吳哲紅等［3-5］通過對幾次貴州暴雨典型個例的發(fā)生、發(fā)展進(jìn)行了詳細(xì)的診斷分析和數(shù)值模擬，為揭示貴州暴雨的形成、發(fā)展的內(nèi)在機(jī)制和外部條件提供了一定的理論依據(jù)，而在暴雨異常發(fā)生時所對應(yīng)的大氣環(huán)流背景如何，這方面研究尚是空白。

黔西南地處我國低緯高原東側(cè)，地理、氣候環(huán)境復(fù)雜，因暴雨而誘發(fā)的洪澇災(zāi)害對人民生命財產(chǎn)造成過非常嚴(yán)重的損失。黔西南暴雨主要出現(xiàn)在4-10月，夏季出現(xiàn)暴雨概率最大，點(diǎn)全年的55%，且黔西南是全省暴雨區(qū)，其中晴隆站年平均達(dá)14次暴雨，位列全省第一，近幾年望謨單點(diǎn)暴雨也造成了非常嚴(yán)重的影響，2006年6月12日，望謨特大暴雨造成了30人死亡，26人失蹤，縣城水、電、通信全部中斷。因此對黔西南暴雨的研究十分必要，但是由于暴雨的發(fā)生發(fā)展成因復(fù)雜，預(yù)報起來比較困難，所以目前仍是世界性的難題之一。近年來，我州氣象工作者針對暴雨也作了一些研究工作，李腹廣［1］、崔庭［2］、陳曉燕［3］對黔西南暴雨的典型個例發(fā)生、發(fā)展進(jìn)行了詳細(xì)的診斷分析，段榮等建立了黔西南州暴雨數(shù)值樣本場，然而對于黔西南州暴雨事件多時間尺度變化特征及其天氣學(xué)成因這方面的研究尚是空白。本文將在黔西南暴雨已有的研究基礎(chǔ)上，選用黔西南8個縣站1984-2013年的逐日降水資料，采用線性趨勢、M-K檢驗、Morlet小波對近30a黔西南暴雨日數(shù)的時空變化特征進(jìn)行詳細(xì)分析，用合成分析的方法找出暴雨異常年份，并對異常年份的大氣環(huán)流要素場進(jìn)行合成分析，以揭示暴雨異常發(fā)生發(fā)展的天氣學(xué)物理成因。

2　資料與方法

本文選取貴州黔西南區(qū)域8個縣級氣象臺站1984~2013年逐日降水資料作為研究對象。根據(jù)中國氣象局相關(guān)業(yè)務(wù)規(guī)范，將24小時降水量≥50.00 mm定為一個暴雨日。所用的方法［4-5］有：線性趨勢、相關(guān)系數(shù)、M-K突變檢驗及合成分析，相關(guān)系數(shù)及線性趨勢采用t分布的密度函數(shù)進(jìn)行檢驗，合成分析則采用兩組樣本平均值差異的方法進(jìn)行檢驗。

3　暴雨日數(shù)多時間尺度特征

3.1黔西南州近30年來暴雨日數(shù)的空間分布特征

圖1（見彩圖）給出了黔西南1984～2013年近30年時間平均的8站暴雨日數(shù)的分布圖，結(jié)果顯示，黔西南年平均暴雨日數(shù)東西多中間少，暴雨日數(shù)的范圍在3-5d之間，其中晴隆、興仁、安龍、貞豐的年暴雨日數(shù)較少，約為3d；冊亨、望謨、興義、普安的年暴雨日數(shù)較多，約為4-5d，最多的是普安（4.9d）。

3.2黔西南州近30年來暴雨日數(shù)的線性趨勢空間分布

圖2（見彩圖）給出了黔西南1984～2013年近30年時間平均的8站暴雨日數(shù)線性趨勢空間分布圖，結(jié)果顯示，黔西南大部分地區(qū)的暴雨日數(shù)為減少趨勢，只有望謨中東部呈現(xiàn)增多趨勢。暴雨日數(shù)的變化范圍的范圍在-0.7～0.1 mm·（10a）-1之間，其中普安、興義、貞豐的近30年平均暴雨日數(shù)減少較為明顯，分別為-0.7 mm·（10a）-1、-0.5 mm·（10a）-1和-0.4mm·（10a）-1；而冊亨、安龍、晴隆、興仁的年暴雨日數(shù)雖為減少的趨勢，但是減少趨勢并不明顯；東部的望謨近30年來暴雨日數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢，為0.1 mm·（10a）-1。

3.3暴雨日數(shù)的年際及年代際趨勢變化

圖3給出了黔西南區(qū)域平均暴雨日數(shù)在時間上的演變特征，結(jié)果顯示，近30年黔西南暴雨日數(shù)呈現(xiàn)波動變化，1984年起有上升的趨勢，但在1988年之后開始呈現(xiàn)下降的趨勢，且在1989年達(dá)到最低值，僅為1.75d，之后隨著時間的增長又開始出現(xiàn)波動，在1993年達(dá)到最大值，為6.25d。線性趨勢分析表明：近30年來暴雨日具有下降的趨勢，線性變率為-0.27/10a，與時間的相關(guān)系數(shù)為-0.20（0.1的信度閾值為0.30，0.05的信度閾值為0.35），未能通過0.05的t檢驗，下降趨勢不顯著。五年滑動平均表明：近30年來黔西南暴雨日數(shù)呈現(xiàn)波動變化，但是沒有規(guī)律和周期，變化較為凌亂，其中在20世紀(jì)90年代初期至90年代末期，暴雨日數(shù)存在一個高峰值，在21世紀(jì)初期之后，暴雨日數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢。

3.4暴雨日數(shù)的逐月變化

逐月計算了8個觀測站暴雨日數(shù)的數(shù)值及所占總雨日的比例（圖4），統(tǒng)計結(jié)果表明，在2-12月黔西南州均會出現(xiàn)暴雨，但主要出現(xiàn)在5-9月，約占全年總暴雨日數(shù)的94.63%，說明黔西南州暴雨日數(shù)主要出現(xiàn)在主汛期。暴雨日數(shù)在各月分布有較大波動，6月暴雨日數(shù)最多，其暴雨發(fā)生的次數(shù)遠(yuǎn)高于其他月份，為1.28d，占全年的32.32%，其次為7月，為1.01d，占全年的25.58%，5月和8月接近，分別為0.53d和0.60d（占比例分別為13.47%和15.26%），9月出現(xiàn)的暴雨日數(shù)占全年的8%（0.32d），10月的暴雨日數(shù)占全年的3.47%，2月、3月、11月、12月出現(xiàn)的暴雨日數(shù)較少，都在1%以下，而1月近30年來未出現(xiàn)過暴雨?？傮w來看，暴雨次數(shù)從5月開始躍增，6月暴雨日數(shù)達(dá)到峰值，年均暴雨次數(shù)在1.28日左右，此后隨著月份逐漸減少，呈現(xiàn)出明顯的單峰結(jié)構(gòu)特征。

圖3　黔西南區(qū)域平均的年總暴雨日數(shù)的年際變化

3.5M-K突變檢驗

圖4　各月暴雨日數(shù)值及占全年暴雨日數(shù)比例

圖5是采用M～K法對1984～2013年近30年黔西南暴雨日數(shù)進(jìn)行的突變檢驗，從圖5可以看出，1984-1988年UF統(tǒng)計量多為正值，說明此時黔西南暴雨日數(shù)偏多。1989-1991年UF統(tǒng)計量多為負(fù)值，說明此時黔西南暴雨日數(shù)偏少。20世紀(jì)90年代初期至21世紀(jì)初期，UF統(tǒng)計量多為正值，說明此時段內(nèi)暴雨日數(shù)偏多，此后隨著時間的推移，UF統(tǒng)計量又呈現(xiàn)下降的趨勢。若UF和UB兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)且在臨界線之間，那么該交點(diǎn)所對應(yīng)的時刻便是突變開始時間［4］。從圖5可以看出，在臨界區(qū)值域內(nèi)，UF和UB兩條曲線存在三個交點(diǎn)，分別為2009年、2011年、2012年，但是，如果出現(xiàn)多個交點(diǎn)，則不一定是突變點(diǎn)，要借用其它方法來進(jìn)行剔除。本文用滑動t檢驗的方法來檢驗此三個點(diǎn)是否為突變點(diǎn)。經(jīng)計算可知，此三個點(diǎn)均未通過0.05的顯著性檢驗，故近30年黔西南暴雨日數(shù)不存在突變點(diǎn)。

圖5　近30年黔西南州暴雨日數(shù)的M～K檢驗

4　暴雨異常發(fā)生的天氣學(xué)成因分析

為了消除變量自身變異大小和數(shù)值大小的影響，對近30年黔西南暴雨日數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并定義大于正一倍標(biāo)準(zhǔn)差的年份為暴雨日數(shù)偏多年，小于負(fù)一倍標(biāo)準(zhǔn)差的年份為暴雨日數(shù)偏少年，共得到降水偏多年6年，降水偏少年3年（表1）。

對暴雨日數(shù)極端年份所的天氣形勢做距平合成分析，并使用兩組樣本平均值差異的方法對其進(jìn)行顯著性檢驗［5］，圖6至圖9中的填色區(qū)顏色淺或深分別表示通過0.1、0.05的顯著性檢驗。

4.1暴雨異常年地面氣壓場合成分析

從地面氣壓場的合成圖上可以看到，在暴雨偏多年（圖6a），地面氣壓的平均場比30年平均偏多30-35 hPa，說明暴雨偏多年貴州地面氣壓上升，有冷空氣補(bǔ)充南下，致使原來的暖空氣變冷凝結(jié)成雨釋放出大量的潛熱，有利于降水的產(chǎn)生。在暴雨偏少年（圖6b），整個貴州的地面氣壓都是偏少的，尤其貴州西部（包括黔西南地區(qū)）偏少更多，約為10-20 hPa，說明暴雨偏少年黔西南地區(qū)地面氣壓下降，無冷空氣補(bǔ)充南下，不利于降水的產(chǎn)生。無論是暴雨偏多年還是偏少年，黔西南地區(qū)地面氣壓的變化都不明顯，均未通過0.1的顯著性檢驗。

表1　近30年黔西南暴雨日數(shù)偏多（少）年份及對應(yīng)的暴雨日數(shù)

4.2暴雨異常年500hPa位勢高度合成分析

對500 hPa位勢高度進(jìn)行合成分析，結(jié)果顯示：在暴雨日數(shù)偏多年（圖7a），從50°N到貴州為高度正距平，這樣的高度距平分布有利于中高緯冷空氣和中低緯暖濕氣流在這一過渡地帶形成降水的正異常區(qū)，黔西南地區(qū)上空500 hPa位勢高度略有上升，空氣柱厚度略增加但是變化不顯著，整個貴州均沒有通過0.1的顯著性檢驗。在暴雨日數(shù)偏少年（圖7b），黔西南地區(qū)上空500 hPa位勢高度下降約4 gmp，空氣柱厚度減少。用兩組樣本平均值差異的方法進(jìn)行了顯著性檢驗，發(fā)現(xiàn)無論是暴雨日數(shù)偏多年還是偏少年，500 hPa位勢高度變化都不顯著。

圖6　暴雨異常年地面氣壓場及距平合成（單位：hPa）

4.3暴雨異常年垂直速度合成分析

大氣的垂直運(yùn)動是天氣分析和預(yù)報中必須經(jīng)?？紤]的一個重要物理量。對暴雨日數(shù)常年垂直速度場進(jìn)行合成分析，結(jié)果表明，在暴雨日數(shù)偏多年（圖8a），黔西南地區(qū)700hPa平均垂直速度比30年平均偏小0.004 Pa/s，表明低層存在上升氣流，動力條件有利于降水的產(chǎn)生。在偏少年（圖8b），黔西南地區(qū)700hPa平均垂直速度偏大0.006 Pa/s左右，表明在暴雨日數(shù)偏少年，低層存在下沉氣流，動力條件并不利于降水的產(chǎn)生。另外，暴雨異常年份的垂直速度的數(shù)值變化都較小，變化并不顯著，均沒有通過0.1的顯著性檢驗。

圖7　暴雨異常年500 hPa位勢高度及距平合成（單位：gpm）

4.4暴雨異常年低層水汽通量散度合成分析

形成暴雨的必要條件之一是要有充沛的水汽。從圖9a可以看出，在暴雨偏多年，黔西南地區(qū)為水汽輻合區(qū)，但是強(qiáng)度弱。在暴雨偏少年（圖9b），黔西南地區(qū)為水汽輻散區(qū)，但是變化不顯著，且無論是偏多年還是偏少年，其水汽通量散度的變化均未通過0.1的顯著性檢驗。

5　結(jié)論

（1）黔西南近30年年平均暴雨日數(shù)東西多中間少，暴雨日數(shù)的范圍在3-5d之間；黔西南大部分地區(qū)的暴雨日數(shù)為減少趨勢，只有東部地區(qū)呈現(xiàn)增多趨勢；近30年黔西南暴雨日數(shù)呈現(xiàn)波動性質(zhì)，1984年起有上升的趨勢，但在1988年之后開始呈現(xiàn)下降的趨勢，在1989年達(dá)到最低值，之后隨著時間的增長又開始出現(xiàn)波動；線性趨勢分析表明：近30年來暴雨日數(shù)具有下降的趨勢；五年滑動平均表明近30年來黔西南暴雨日數(shù)呈現(xiàn)波動變化，但是沒有規(guī)律和周期，變化較為凌亂；在2-12月黔西南均會出現(xiàn)暴雨，但主要出現(xiàn)在5-9月，暴雨次數(shù)從5月開始躍增，6月暴雨日數(shù)達(dá)到峰值，呈現(xiàn)出明顯的單峰結(jié)構(gòu)特征；MK突變檢驗及滑動t檢驗結(jié)果表明近30年黔西南暴雨日數(shù)不存在突變點(diǎn)。

圖8　暴雨異常年700hPa垂直速度距平合成（單位：Pa/s）

圖9　暴雨異常年850hPa水汽通量散度距平合成（單位：g/cm2·hPa·s）

（2）合成分析結(jié)果顯示：在暴雨偏多年，黔西南地區(qū)地面氣壓上升，有冷空氣補(bǔ)充南下，有利于降水的產(chǎn)生；500hPa等壓面略有上升，有利于中高緯冷空氣和中低緯暖濕氣流在這一過渡地帶，形成降水的正異常區(qū)；700hPa平均垂直速度為負(fù)值，表明低層存在上升氣流，動力條件有利于降水的產(chǎn)生；850hPa水汽輻合，有利于降水產(chǎn)生。而在暴雨偏少年，黔西南地區(qū)地面氣壓下降；500hPa等壓面下降，空氣柱厚度明顯減少；700hPa平均垂直速度為正值，低層存在下沉氣流，動力條件并不利于降水的產(chǎn)生；850hPa水汽輻散不利于降水的產(chǎn)生。

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Climate characteristics of Rainstorm in multi-time scale and Analysis of the weather causes over southwestern GuizhouWANG

Fen1-2SUN Xudong1YNAG Yi1HUANG Yan1ZHOU Shipeng1

1.Meteorological Office of Southwestern Guizhou，Xingyi 562400，China；
2.The Mountainous Climate and Resource Key Laboratories of Guizhou Province，Guiyang 550002，China；

Based on the daily precipitation data from 8 stations in southwestern Guizhou and the second re-analysis data from NCEP/NCAR during 1984-2013，the climate characteristics of rainstorm in multitime scale were analyzed and the atmospheric circulation backgrounds of the abnormal rainstorm were discussed.The results are as follows：Nearly 30 years there were less rainstorm days in the middle southwestern Guizhou than in the east and west；the number of heavy rain days has a downward trend；There were rainstorms during Feb.-Dec.and mainly concentrated during May to Sep with the maximum in June，so the change of rainstorm with the time is to be obvious unimodal structure；M-K mutation test and t test show that there is no mutational point in rainstorm days nearly 30 years.In heavy rain year，with the ground pressure raising，cold air moving to south，500hPa isobaric rising slightly，air column thickness slightly increased，700hPa vertical velocity being negative，updraft existing in low-level and the vapor flux divergence being negative，water vapor convergence is advantageous to the precipitation.By contrast，in drought year，with the ground pressure reducing，500hPa isobaric falling slightly，vertical velocity at 700hPa being positive，sinking airflow existing in lower-level and the water vapor flux divergence being positive，water vapor divergence is not benefit for precipitation.

Rainstorm；multi-time scale；the weather causes analysis；Southwestern of Guizhou

P426

A

1673-8411（2015）02-0015-05

2015-03-12

黔西南州科技局社會發(fā)展攻關(guān)項目（2014-32），黔西南州氣象局項目（2014-08）共同資助

王芬（1978-），女，江蘇睢寧人，碩士研究生，工程師，主要從事氣候變化研究。