2018—2022年錫盟南部汛期短時強降水時空分布及預警分析

白海云 董春艷 劉雙源

(錫林郭勒盟氣象局,內蒙古 錫林浩特 026000)

0 引言

內蒙古地區地處我國北部邊疆,從東向西干旱程度逐漸增加,汛期(6—8月)降水占年總降水量的60%～75%,汛期強降水具有突發性、局地性等特點,極易形成城市內澇和洪澇災害,對當地人民生命財產造成威脅,也給農牧業帶來損失。

錫林郭勒盟(以下簡稱錫盟)南部地區位于陰山山脈北側和大興安嶺山脈的余脈交匯處,海拔1000～1600m,多低山丘陵,在丘陵中有一些寬緩的溝谷,有較明顯的河床,加之本地大部分為沙壤土,土質疏松,一旦出現高強度降雨,常形成泥石流和山洪。據統計,錫林郭勒盟南部地區有近30條山洪溝,特別是正鑲白旗和多倫縣由于特殊的地理地形,有多處的橋梁、涵洞,遇強降雨出現積水時,過往車輛、行人盲目通行容易造成車輛拋錨和人員被困,甚至傷亡等情況。如2022年6月11日,因強降水,太仆寺旗和多倫縣發生局地洪澇,造成房屋倒塌、棚圈受損、農作物和草場受災、牲畜死亡等,直接經濟損失達903.34萬元;2022年8月2日,因強降水,正鑲白旗明安圖鎮烏寧巴圖嘎、三面井嘎查發生局地洪水,造成2人死亡。根據對近年災情的普查,南部地區出現降水量20mm/h以上的短時強降水事件具有較強致災性。因此,對南部地區強降水的時空分布研究尤為迫切。

1 資料與方法

利用錫盟南部地區5個國家氣象站和155個加密自動站逐小時降水資料,剔除可疑站次,統計南部地區2018—2022年汛期(6—8月,下同)逐小時降水數據,并將某站降水量≥20mm/h,記為一次短時強降水事件,參考孫修貴［1］對不同閾值雨強的分類和統計辦法,考慮降水的基本特征和實際業務的需要,分別按照降水量為20～30mm、 30～50mm和大于50mm這三種情況統計不同降水量級的短時強降水事件,分析2018—2022年以來南部地區夏季短時強降水的時空分布、強降水頻次特征。

2 短時強降水時空分布特征

2.1 短時強降水時間分布

從南部地區短時強降水逐旬分布看(圖1),6月上旬短時強降水發生頻次較少;從6月中旬開始,隨著副熱帶高壓北抬,短時強降水發生頻次迅速增多至50次左右;至7月中旬,頻次達峰值,為113次;7月下旬,頻次開始回落至50次左右。分析表明,夏季50%以上的短時強降水事件發生在7月中旬至8月上旬。

圖1 2018—2022年汛期錫林郭勒盟南部地區短時強降水頻次逐旬分布

2.2 短時強降水空間分布

2018—2022年汛期錫盟南部地區共468站次短時強降水事件,如表1所示。其中,正藍旗、多倫縣短時強降水發生頻次較多,分別為128、125站次,其次為太仆寺旗117次,三站占南部地區夏季短時強降水總發生次數的80%;鑲黃旗和正鑲白旗分別為41、57站次,僅占20%。

表1 2018—2022年汛期錫林郭勒盟南部地區短時強降水空間分布 單位：站次

由圖2可知,夏季,南部地區短時強降水分布較集中,主要分布在東南部地區,包括太仆寺旗、正藍旗和多倫縣,約占總發生頻次的80%。統計表明,6月是夏季短時強降水最不活躍的時段,僅92次,占總發生頻次的20%,而東南部地區短時強降水發生頻次約占該月總頻次的85%;7月為最活躍期,多達226次,占汛期總發生頻次的50%,而東南部地區短時強降水發生頻次約占該月總頻次的75%,其中正藍旗的烏日圖社區站和多倫縣的砧子山墓葬群站強降水累計次數最多,達10次;8月頻次開始逐漸減少,為150次,占總頻次的30%,而東南部地區短時強降水發生頻次約占該月總頻次的81%。從短時強降水空間分布來看,短時強降水高發區域主要集中在東南部地區,特別是太仆寺旗東部、正藍旗南部、多倫縣北部區域。

圖2 2018—2022年錫林郭勒盟南部地區汛期短時強降水累計發生次數空間分布(審圖號：蒙S(2019)33號)

2.3 短時強降水強度分布

按照1h降水量為20～30mm、30～50mm和大于50mm這三種情況分別統計了南部地區夏季不同強度的短時強降水發生次數(表2)。 從表2可知,夏季主要以1h降水量在20～30mm的短時強降水為主,占夏季短時強降水總頻次的74%。1h降水量20～30mm的短時強降水7月最多,高達163站次,6月最少,為69站次;1h降水量30～50mm的短時強降水占總頻次的23%, 其逐月分布與1h降水量20～30mm的短時強降水規律類似;1h降水量50mm以上的短時強降水占總頻次不足3%。

表2 2018年—2022年汛期錫林郭勒盟南部地區不同強度短時強降水的累計發生頻數 單位：站次

統計表明,6月1h降水量30～50mm的短時強降水事件74%發生在太仆寺旗和多倫縣,主要集中在多倫縣的蔡木山鄉和西干溝鄉、太仆寺旗的永豐鎮和紅旗鎮,共計13站次;7月降水量30～50mm的短時強降水事件近40%發生在正藍旗的北部(那日圖蘇木、哈畢日嘎鎮、上都鎮),共計22站次,20%發生在多倫縣的西部(蔡木山鄉、西干溝鄉),20%發生在太仆寺旗的中部(永豐鎮、寶昌鎮);8月降水量30～50mm的短時強降水事件近47%集中在多倫縣的北部和東部(蔡木山鄉、灤源鎮),共計14站次,23%發生在正藍旗的上都鎮及周邊。 而短時強降水雨強極值在50.0mm/h以上的多發生在正鑲白旗南部(星耀鎮和寶拉根陶海蘇木),其次為多倫縣的北部(蔡木山鄉)和太仆寺旗(千斤溝鎮)。

2.4 極端短時強降水分布

從極端短時強降水(1h降水量超過50mm)分布情況看(圖3),6—8月共12次,其中7月占50%,小時雨強極值達77.9mm。極端超時強降水的頻次累計最多出現在正鑲白旗境內,為5站次,其次為多倫縣蔡木山鄉的4站次。所以,夏季需密切關注正鑲白旗和多倫縣蔡木山鄉的極端短時強降水事件。

圖3 2018—2022年汛期錫林郭勒盟南部地區極端短時強降水頻次分布

3 強降水與地形特征分析

地形對大氣環流的影響主要有兩方面作用,一是動力作用,二是熱力作用。其中,動力作用又可分為動力阻擋作用和摩擦作用［2］。迎風坡具有動力和屏障作用,可以使氣流繞地形流動和迎風坡形成氣旋性輻合,對降水產生明顯的增幅作用［3-5］;地形高度抬升和邊界層摩擦有利于冷暖空氣的交匯,使不穩定能量積聚,對流增強,就容易產生強降水。

地形高度的變化對山地突發性暴雨的強度與落區有重要影響。 山脈迎風坡的地形抬升會使氣流產生強烈的垂直上升運動,配合充足的水汽條件促成暴雨的發生。

由圖4可以看出,錫盟南部地區短時強降水高發區的地形或下墊面特征有兩種類型。 一是山谷喇叭口地形(長方框區域),主要位于錫盟南部偏南地區,如太仆寺旗東部、正藍旗南部和多倫縣西部地區,山體兩側海拔落差較大,多呈明顯的山谷喇叭口地形,當氣流進入喇叭口之后,因地形收縮,使氣流輻合加強。同時,在喇叭口谷地的迎風坡上,氣流上升運動加劇,降水效率更高、雨強更大［6］。二是南風迎風坡地形(橢圓形區域),主要位于正藍旗北部,因有陰山山脈中段輝騰錫勒的阻擋,為南風迎風坡地帶。暖區降水低層多盛行偏南風,迎風坡地迫使氣流繞流和抬升,致使暖濕氣流易在中尺度地形迎風坡造成水平輻合,氣旋式渦度增加,產生風場切變,這恰好解釋了暴雨多發生在迎風坡的原因［7-8］。

(a)短時強降水頻次分布

4 短時強降水發生前1～2h地面監測預警技術分析

4.1 天氣概況

2022年6月11日午后至傍晚,錫盟南部地區出現暖區對流性強降雨,伴短時強降水、冰雹、雷暴大風,過程累計雨量≥50mm的共計17站,主要集中在太仆寺旗(12個站)和多倫縣(5個站)。

14—18時共出現26站次短時強降水,落區主要集中在太仆寺旗北部和多倫縣北部,與2018—2022年統計南部地區的短時強降水落區基本一致。因此,今后在發布臨近預報和預警信號時,可重點關注該區域的短時強降水。

從小時雨強看,1h降水量20～30mm的共計18個站,1h降水量30～50mm的共計8個站,最強降雨集中時段為15—17時;最大小時雨強出現在太旗豐勝村,達40mm/h,其次在多倫羊盤溝,為33.4mm/h; 5min最大雨強出現在太旗豐勝村,為10.8mm(15時15分),其次出現在多倫羊盤溝,為7.9mm(16時35分)。

4.2 地面要素場變化特征

將此次短時強降水過程3個時次(16—17時)的小時雨強與自動站前1h的氣象要素場(氣壓、氣溫、相對濕度、露點溫度)變化進行相關性分析。結果表明,在強降水發生前,小時雨強僅與1h變溫之間存在顯著負相關關系,相關系數為-0.236,相關性通過 0.05 的顯著性檢驗,相關性較高,而與1h變壓、變濕等要素無明顯相關關系。這說明地面溫度場的變化對強降水落區是很好的指示意義。在有降水背景條件下,可通過地面溫度要素,提前1～2h發布臨近預報或預警信號,為應對災害性天氣爭取寶貴時間。同時,地面風向、風速的變化也是觸發強對流發生的直接動力條件和水汽輻合的有利條件。

下面就此次短時強降雨過程的溫度場和風場變化與強降水落區的關系進行相關性分析。

4.2.1 溫度場變化特征

從此次強降水過程溫度場演變看,強降水發生前1～2h溫度場的變化規律表現為等溫線由疏變密演變,最終形成明顯的等溫線密集帶。同時有冷舌生成,并由西北向東南移動,表明南部地區有強冷空氣從西北向東南方向侵入。

如圖5所示, 2022年 6月11日15—16時,太仆寺旗豐勝村出現最大小時雨強為40.0mm/h(圖5a),在強降水發生前1～2h,15時在太仆寺旗北部已經有負變溫中心生成,中心強度大于-10℃/h(圖5c),且向下游方向移動,豐勝村出現負變溫,溫度由14時的20.4℃降至15時的15.6℃,降幅達-4.8℃/h。說明強冷暖空氣交匯處,即負變溫中心的前沿變溫梯度大值區,出現短時強降水。隨著系統的南下,16—17時,多倫縣羊盤溝村出現最大小時雨強為33.4mm/h(圖5b),在強降水發生前1～2h該站也出現負變溫,溫度由15時的17.2℃降至16時的15.4℃,降幅為-1.8℃/h,但其相鄰站小河村溫度降幅達-6.2℃/h(圖5d),加之此處特殊的峽谷和迎風坡地形,使變溫梯度大值區出現強降雨。

(a)16—17時強降水落區

從變溫場變化及移動方向看,變溫梯度大值區經過之處均出現短時強降水。由此可見,負變溫變化是指示性較強降水的一個重要氣象要素。

4.2.2 風場變化特征

從地面自動站風場分布看(圖略),南部地區一直處于氣旋前部西南氣流中。強降水發生前,在西南部地區有明顯的地面輻合線,為強降水的發生提供動力條件。至15時,即強降水發生前1h,太仆寺旗南部地面風速加大,達12mm/s,說明水汽輸送條件轉好。從風速輻合看,在太仆寺旗北部有明顯的偏南方向的風速輻合;從風向輻合看,與北部的西北風形成明顯的風向輻合,輻合帶附近開始出現較大量級降水。隨著系統的南壓,此輻合帶一直維持至18時,所經之處均出現≥10mm的強降雨區,之后降水強度逐漸減弱并移出。因此,做臨近預報、預警服務時,應關注地面風向、風速輻合區域及冷暖空氣交匯的區域及移動方向,以此判斷強降雨發生區。

5 結論

利用2018—2022年錫盟南部地區自動氣象站逐小時降水觀測資料,分析短時強降水的時空分布特征,以及落區與地形的關系,并通過實例來分析短時強降水發生前1～2h地面要素變化特征,得到以下主要結論：

①夏季50%以上的短時強降水事件發生在7月中旬至8月上旬,7月中旬頻次達峰值。

②從短時強降水空間分布來看,短時強降水高發區域主要集中在東南部地區,特別是太仆寺旗東部、正藍旗南部、多倫縣北部區域,占總發生次數的80%。

③從短時強降水強度分布來看,夏季主要以20～30mm的短時強降水為主,占總頻次的74%,其中近一半發生在7月,高發區集中在東南部地區的正藍旗北部、多倫縣的西部、太仆寺旗的中部。

④從極端短時強降水分布情況看,雨強極值在50.0mm/h以上的,主要集中在7月,占總頻次的50%,高發區集中在正鑲白旗南部和多倫縣蔡木山鄉。

⑤短時強降水高發區從地形分析來看,南部偏南落區為山谷喇叭口地形,南部偏北落區為南風迎風坡地形。

⑥在強降水發生前1～2h ,變溫與小時雨強之間存在顯著負相關關系,與其他氣象要素無明顯相關關系,負變溫中心前沿梯度大值區出現了短時強降水。因此,負變溫變化是指示較強降水的重要氣象要素。

⑦地面風向、風速的變化是觸發強對流發生的直接動力條件和水汽輻合的有利條件。關注地面風向、風速輻合區域及冷暖空氣交匯的區域及移動方向,即可判斷強降水發生區。