第三章暴雨预报

第三章暴雨预报学习要点本章介绍了我国暴雨的时空分布特征和暴雨的发生发展规律，重点介绍了暴雨预报方法和预报思路。暴雨是我国常见的灾害性天气，由于各地降水和地形特点不同，所以各地暴雨洪涝的标准也有所不同。由暴雨造成的洪涝灾害以及滑坡、泥石流等次生灾害严重影响了我国的国计民生，特别是对于一些地势低洼、地形闭塞的地区，雨水不能迅速宣泄造成农田积水和土壤水分过度饱和，会造成更多的地质灾害，因此暴雨受到各级党政机关、各行各业和人民群众的高度重视和密切关注。气象部门和有关科研机构都将暴雨预报作为预报业务和大气科学中最重要的研究课题之一。3.1暴雨的时空分布特征3.1.1定义和标准我国暴雨具有强度大和持续时间长的特点。气象部门规定：24h降水量达50～99.9mm为暴雨，100～199.9mm为大暴雨，200mm及其以上为特大暴雨。在实际业务中，又可按照发生和影响范围的大小将暴雨划分为：局地暴雨，区域性暴雨，大范围暴雨，特大范围暴雨。局地暴雨历时仅几个小时或几十个小时左右，一般会影响几十至几千平方公里，造成的危害较轻。但当降雨强度极大时，也可造成严重的人员伤亡和财产损失，如1977年7月陕西安塞、延安暴雨、1988年7月浙江绍兴、宁波、台州一带暴雨、2004年7月北京的“7.10”暴雨等。区域性暴雨一般可持续3～7d，影响范围可达10～20万平方公里或更大，灾情为一般，但有时因降雨强度极强，可能造成区域性的严重暴雨洪涝灾害，如1963年8月海河流域暴雨、1975年8月河南暴雨、1996年8月华北特大暴雨等。特大范围暴雨历时最长，一般都是多个地区内连续多次暴雨组合，降雨可断断续续地持续1～3个月左右，雨带长时期维持。如1954、1998年长江全流域性地暴雨及1991年江淮及太湖地区的暴雨。雨季是暴雨发生的主要时期。中国东部地区在东亚夏季风的影响下，有季节性大雨带维持并向北推进；西部地区也具有显著的干季和雨季。在雨季期内，形成了独特的区域性暴雨。总的来说，中国主要有以下几类区域性暴雨：华南前汛期暴雨、江淮梅雨期暴雨、北方盛夏期暴雨、华南后汛期暴雨、华西秋雨季暴雨、西北暴雨等。华南前汛期暴雨：我国大陆的广东、广西、福建、海南、湖南和江西南部通称华南，每年受夏季风的影响最早（4月前后），结束最晚（10月前后），汛期最长（约4～9个月），由于影响降雨的大气环流形势和天气系统不同，华南地区有前汛期（4～6月）和后汛期（7～9月）之分。前汛期受西风带环流影响，产生降雨和暴雨的天气系统主要有锋面、切变线、低涡和南支槽等。江淮梅雨期暴雨：每年初夏时期（6月中旬至7月中旬），在长江中下游、淮河流域至日本南部这一近似东西向的带状地区，都会维持一条稳定持久的雨带，形成降雨非常集中的特殊连阴雨天气，其降雨范围广，持续时间长，暴雨过程频繁，是洪涝灾害最集中的时期。因此时正是江南特产梅子成熟之际，故称“江淮梅雨”或“黄梅雨”；又因梅雨期气温较高，空气湿度大，衣物、食品等容易霉烂，故又有“霉雨”之说。梅雨一般在6月中旬前后开始，称为“入梅”；7月上中旬结束，称为“出梅”。但是，每年入梅和出梅时间的早晚、梅雨期长短以及梅雨量大小的差别很大。一般梅雨期可持续25d左右，最长的可达60d以上，而最短的只有几天。若连续降雨日不足6d，则称为“空梅”。北方盛夏期暴雨：江淮梅雨结束后，7月中下旬我国的主要降雨带北跳至华北和东北一带，造成这些地区7月下旬到8月上旬频繁发生暴雨。很多影响大、致灾严重的特大暴雨都发生在这一时期，如：1963年8月海河特大暴雨、1975年8月河南特大暴雨、1995年7月松辽区域致洪暴雨、1996年8月华北特大暴雨等。这个时期发生的暴雨具有强度大、时间集中的特点，24h最大暴雨量一般可达300～400mm，在山地迎风坡甚至可达1000mm以上。华南后汛期暴雨：这一阶段的暴雨主要由热带气旋造成，而受影响的主要区域为中国东南沿海一带。热带气旋暴雨是造成我国沿海地区洪涝灾害和风暴潮灾害的重要因素。根据1951—2000年的统计资料，每年影响中国的热带气旋平均为15.5个，且影响我国的热带气旋主要在西北太平洋（包括中国南海地区）上生成。华西秋雨季暴雨：每年9—10月，影响我国东部地区的夏季风向南撤退，大陆地区陆续进入秋季，降雨明显减少。但在中国西南部地区，包括陕西、甘肃南部、云南、贵州、四川西部、汉江上游和长江三峡地区在内的华西地区，出现了第二个降雨集中期，称为“华西秋雨期”。此间也会出现暴雨，暴雨中心位于四川东北部大巴山一带，降雨范围大，持续时间长，而降雨强度一般。西北暴雨：西北地区多数地方年降雨量少，日降雨量达到50mm的机率也很小，特别是新疆，80%的测站从未出现过日雨量50mm以上降水。因而，按日雨量计算，西北很难达到通常定义的暴雨或特大暴雨的标准，暴雨极少。但实际上，由于西北地区容易出现相对较强的短历时强降水，因而经常发生暴雨危害，会引起地面径流沿坡沟地形迅速下泻，汇集成局地洪水和泥石流。因而，西北各省区都根据各自的经验重新划定对当地有影响的强降水日雨量作为暴雨标准。西北地区大到暴雨（日降水量≥25mm）降水频数自东南和西北两方面向中间减少，新疆东部最少，并且有向山脉附近集中的趋势，但山区暴雨并不向山顶集中。隐藏3.1.2暴雨的空间分布特征图3.1是全国年暴雨日数分布图。由图可见，暴雨日数分布从东南向西北减少，淮河流域及其以南大部地区普遍在3d以上，其中华南大部及江西等地达5～10d；黄河中下游、海河流域、辽河流域等地一般有1～3d；我国西部地区偶有暴雨发生。全国年暴雨日数极大值分布的特点是南部多、北部少，东部多、西部少（图3.2）。长江中下游以南大部地区年暴雨日数极大值一般有10～15d，广东南部及海南东部超过15d；东北、华北、黄淮地区、江汉地区及西南东部等地有3～9d。全国最大日降水量的分布呈东多西少，南多北少的态势（图3.3）。河北遵化、石家庄、河南驻马店、湖南桑植一线以东大部地区及四川盆地最大日降水量有200～300mm；东北大部、西北东部及山西、云南、贵州等地为100～200mm。由于局地影响，沿海和内陆都曾出现过日降水量大于1000mm的极值。隐藏3.1.3暴雨的时间分布特征近46年中，中国年暴雨日数变化呈微弱增多趋势（图3.4）。我国主要流域年暴雨日数变化趋势不同（图略），珠江流域、长江流域有增多趋势；海河流域、黄河流域、辽河流域呈减少趋势；松花江流域、淮河流域变化趋势不明显。雨季是中国暴雨发生的主要时期，雨季的持续在某一区域内形成了雨带，因此可认为雨带的时间变化与暴雨的时间变化是一致的。图3.5是雨带的推进形势示意图，细实线表示逐候标准化雨量大值区的大致位置。在中国东部地区有三个季节性大雨带，或称为东亚夏季风雨带，分别位于长江以南地区、长江中下游和华北至东北一带，其维持期依次为20～34候（4月6日—6月19日），35～39候（6月20日—7月14日）和40～44候（7月15日—8月8日），对应着华南前汛期雨季、江淮梅雨期和北方雨季。从细实线分布的疏密程度还可看出这三个雨带在自南向北的移动过程中具有明显的跳跃性。相反，西部的雨区是自北向南推进，而且并没有形成阶段性的大雨带。西部雨带在约44候以后减弱，并向自河套至青藏高原东南部一带缩小，最后在高原东部，四川东部和甘肃、陕西南部一带减弱直至消失。东西部雨带的推进形势似以黄河和长江上游一带为圆心作逆时针旋转。隐藏3.2暴雨形成机制产生降水需要一定的条件，以下仅根据降水形成的宏观过程来讨论暴雨形成的一些基本条件。3.2.1暴雨的形成条件⑴充分的水汽供应暴雨是在大气饱和比湿达到相当大的数值以上才形成的。据统计，上海、汉口、广州、昆明等地大雨和暴雨绝大多数出现在比湿≥8g/kg的日期。详情进入⑴充分的水汽供应暴雨是在大气饱和比湿达到相当大的数值以上才形成的。据统计，上海、汉口、广州、昆明等地大雨和暴雨绝大多数出现在比湿≥8g/kg的日期。但如果只靠该地区大气柱中所含的水汽凝结产生降水，其降水量是很小的，所以除了相当高的饱和比湿外还需要有充分的水汽供应。因此必须研究水汽供应及水汽辐合的环流形势。通常在分析水汽条件时要综合考虑水汽含量、水汽通量、水汽通量散度、可降水量等几个物理量。⑵强烈的上升运动根据估算可知，假设地面饱和比湿为14g/kg，如果50mm降水量在一天之内均匀下降，那么降水时的最大上升速度约为10.8×10-3m/s；若50mm降水量在5h降完，则降水时的最大上升速度约为54×10－3m/s；若50mm降水量在lh内降完，则降水时的最大上升速度为260×10－3m/s。上面三种上升速度，反映了三种不同尺度系统的降水。第一种属于大尺度系统；第二种属于中尺度系统；第三种属于小尺度系统。实际上一般暴雨，尤其是特大暴雨都不是在一天之内均匀下降的，而是集中在1h到几小时内降落的，所以降水时的垂直运动是很大的，是由中小天气系统所造成的。如此大的垂直运动，只有在不稳定能量释放时，才能形成。所以在考虑暴雨时，必须分析不稳定能量的储存和释放的问题。为此，必须研究形成暴雨的中、小尺度系统。⑶较长的持续时间降水持续时间的长短，影响着降水量的大小。降水持续时间长是形成暴雨(特别是连续暴雨)的重要条件。中小尺度天气系统的生命期较短。一次中、小系统的活动，只能造成一地短时的暴雨。必须要有多次中(小)尺度系统的连续影响，才能形成时间较长、雨量较大的暴雨。然而中、小尺度系统的发生、发展又是以一定的大尺度系统为背景的，也就是说，暴雨总是发生在大范围上升运动区内。因此，要讨论暴雨的持续时间，就必须讨论行星尺度系统和天气尺度系统的稳定性和重复出现的问题。副热带高压脊、长波槽、切变线、静止锋和大型冷涡等大尺度天气系统的长期稳定是造成连续性暴雨的必要前提。短波槽、低涡、气旋等天气尺度系统移速较快，但它们在某些稳定的长波形势控制下可以在同一地区接连出现，造成一次又一次的暴雨过程。在特定的天气形势下，当天气尺度系统移动缓慢或停滞时，更容易形成时间集中的特大暴雨。暴雨的形成和强度还与层结稳定度、云的微物理过程和地形密切相关。隐藏3.2.2水汽的分布为了使暴雨得以发生，发展和维持，必须有丰富的水汽供应，计算表明仅仅依靠降水区气柱内所含的水份是不够的，即使气柱中所含的水汽全部降下也只能达到50～70mm的降水量。从水汽的供应观点，它必须从周围很大范围收集水汽。详情进入对于持久性的暴雨，要求有源源不断的水汽输送，以补充暴雨发生不断耗损的水汽量，这种水汽输送，需要特别有效的机制能在较短时间内在更大范围内为暴雨区收集所必需的水汽量。计算表明，持续性暴雨要求的水汽辐合区是相当大的，应达到暴雨区本身面积的10倍以上，即供应水汽的地区比水汽集中区（水汽汇）要大一个量级（丁一汇2005）。根据许多暴雨和强风暴系统个例的研究，水汽的辐合主要由低层水汽通量辐合造成，尤其是800hPa以下的边界层中占有很大的比重，可以达到二分之一以上。低层水汽辐合经常可形成一条明显的湿舌，这在中低层天气图分析中常常看到。它有5个重要的特征：⑴湿舌实际上是对流层下部的一条狭窄的暖湿空气带，也是一条高静力能量舌。它不但可以对暴雨区供应充足的水汽，而且在建立对流不稳定层结中也起着重要作用。因而湿舌的存在可以看作是强风暴和暴雨发展的一个必要条件。⑵湿舌的形成一般是用水汽的平流过程来解释。在暴雨前期，随着低空西南或偏南气流加强，出现明显向北的水汽输送，水汽含量增加，结果使暖湿空气带或湿舌不断向北伸展。如果其上有逆温层，湿空气可在其下向北扩展，尤其低空急流的建立对湿舌的形成和向北发展起着非常重要的作用。随着湿舌的建立，湿层的厚度也在增加，并且在更高的层次上形成湿舌。这种情况不能用平流作用说明，而与大尺度上升运动和对流垂直输送有关。⑶在大范围湿舌中湿度的分布是不均匀的，而具有明显的中尺度结构，反映了中尺度对流扰动的作用。⑷湿舌的宽度与暴雨区的垂直运动场和降水带有一定关系。由数值试验中得到，湿舌越宽造成的垂直运动场和降水带越宽，降水总量越大。这是由于湿舌越宽，所能释放的位势不稳