河北省中南部逐時(shí)降水氣候特征分析

河北省中南部逐時(shí)降水氣候特征分析

逐時(shí)降水研究隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人們對氣候提出了更高的要求。為了適應(yīng)社會需求進(jìn)一步做好服務(wù)工作,中國氣象局提出開展精細(xì)預(yù)報(bào)的新思路,這要求我們更深入地了解本地氣象要素在時(shí)間和空間上的變化規(guī)律。降水是最為基本的氣象要素之一,降水量的大小對國民經(jīng)濟(jì)、人民生活等各個(gè)方面都有重要影響,逐時(shí)降水直接對防汛抗洪、城市規(guī)劃及災(zāi)害控制等具有非常重要的意義。人們對24h降水的氣候特征已經(jīng)做了大量的分析與研究工作,如陸日宇分析了華北地區(qū)夏季各月降水的年代際變化特征,韓艷鳳等分析了東北地區(qū)不同區(qū)域夏季降水的長期變化特征等。而在時(shí)間分辨率更高的逐時(shí)降水方面,目前仍停留在個(gè)例分析應(yīng)用階段,對河北省逐時(shí)降水氣候特征方面的相關(guān)分析研究工作,還沒有開展。隨著全國雷達(dá)布網(wǎng)工作全面鋪開,各地都不同程度地開展了雷達(dá)定量估測降水工作。雷達(dá)提供的是每6min的高時(shí)間密度資料,加強(qiáng)對逐時(shí)降水資料進(jìn)行分析成為客觀需求。本文利用1999~2005年4~10月河北省中南部6個(gè)地區(qū)(共95個(gè)氣象站)的自記雨量資料,統(tǒng)計(jì)分析了逐時(shí)降水的氣候概率,這不僅可以為短時(shí)預(yù)報(bào)和雷達(dá)估測降水提供逐時(shí)降水的最大閾值,還為修訂河北省新一代天氣雷達(dá)的雨量產(chǎn)品色標(biāo)提供客觀、定量依據(jù)。1案例:清咸豐度本文資料來自河北省中南部95個(gè)氣象站的自記雨量計(jì),受自記雨量計(jì)記錄長度的影響,并考慮到分析比較的方便,資料取自1999~2005年的4~10月。資料年份長度雖不算長,但每站共計(jì)35952個(gè)時(shí)次,最短的降水樣本為858個(gè)(饒陽),最長的3486個(gè)(威縣),而且本文并不分析時(shí)間變化,如年際、月際變化,所以從樣本數(shù)量上可以保證分析工作具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。文中的降水是指有量降水(0.1mm以上),微量降水(0.0mm)不包括在內(nèi)。2時(shí)間降水的氣候分析2.1降水地理分布利用1999~2005年河北省中南部的逐時(shí)降水資料,分別統(tǒng)計(jì)了95個(gè)站逐時(shí)降水的最大值(文中簡稱最大逐時(shí)降水),結(jié)果如圖1。由圖1可以清楚地看到9個(gè)最大逐時(shí)降水大于等于100mm的中心:4個(gè)位于河北省南部的邢臺(內(nèi)丘:105.6mm;任縣:111.8mm)和邯鄲(曲周:133.1mm;成安:107.7mm);1個(gè)位于石家莊的西北部山區(qū)(平山:135.9mm);另外4個(gè)位于中東部地區(qū)(衡水的景縣:109.3mm、饒陽101.5mm;保定的安新:100.0mm;滄州的海興:106.9mm。)河北省中南部最大逐時(shí)降水地理分布情況:西部和東部明顯大于中部地區(qū),南部略大于北部地區(qū);尤以西部山區(qū)最大。另外,從降水強(qiáng)度來看,西部降水中心的強(qiáng)度大于東部。主要原因是:①西部位于太行山東麓,東風(fēng)造成的回流對降水有一定的增幅作用;②東部地區(qū)東臨渤海,水汽條件優(yōu)于中部地區(qū)。2.2降水強(qiáng)度分析圖2為最大逐時(shí)降水的日變化曲線。1天中有3個(gè)出現(xiàn)逐時(shí)降水極強(qiáng)的時(shí)段,分別為01:00~04:00(北京時(shí),下同)、07:00~08:00和16:00~22:00。逐時(shí)降水出現(xiàn)100mm以上的峰值有6個(gè),分別為:01:00(106.9mm),03:00(135.9mm),07:00(109.3mm),08:00(133.1mm),17:00(101.5mm),20:00(107.7mm)。即逐時(shí)降水一般在凌晨和傍晚強(qiáng)度最大,前半夜次之,上午最弱(比如:10:00最小為44.6mm)。傍晚前后降雨強(qiáng)度大,主要是由熱對流造成的。凌晨降雨強(qiáng)度達(dá)到最大,與雷雨順“造成重大災(zāi)害性的特大暴雨在夜間到清晨最容易發(fā)生”的結(jié)論是一致的。這可以從以下兩個(gè)方面來解釋:①行星邊界層溫度層結(jié)和湍流的日變化導(dǎo)致低空急流在凌晨加強(qiáng),源源不斷的輸送暖濕空氣,和其前沿的干冷空氣相遇,形成能級高、能量大的能量鋒;同時(shí),低空急流左前側(cè)超地轉(zhuǎn)風(fēng)引起的輻合,是對流猛烈發(fā)展的直接觸發(fā)機(jī)制。②對流云團(tuán)夜間的云頂紅外輻射冷卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低空云底和云下的紅外輻射冷卻,使溫度垂直遞減率加大,大氣變得更加不穩(wěn)定,云圖上也經(jīng)?？梢钥吹皆茍F(tuán)在午夜以后再次加強(qiáng)的現(xiàn)象。2.3最大逐時(shí)降水圖3為4~10月逐月的最大逐時(shí)降水。最大逐時(shí)降水在季節(jié)上有非常明顯的差別:4~5月小于等于60mm,6~10月均大于等于100mm,特別是7月最大為135.9mm。統(tǒng)計(jì)還發(fā)現(xiàn)4~6月最大逐時(shí)降水全部出現(xiàn)在傍晚到前半夜,而7~10月全部出現(xiàn)在凌晨。這主要是因?yàn)?~6月河北省中南部受北來冷渦或西來槽系統(tǒng)影響,在傍晚前后發(fā)展為強(qiáng)對流,產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水;而7~10月副熱帶高壓成為主要影響系統(tǒng),西南或東南氣流帶來充沛的水汽起主導(dǎo)作用。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析逐時(shí)和逐站的最大逐時(shí)降水按月分布情況(表1),無論是逐時(shí)還是逐站的最大逐時(shí)降水大多出現(xiàn)在7月,其次為8月,再次為6月。圖1中9個(gè)大于等于100mm的強(qiáng)中心,5個(gè)出現(xiàn)在7月,占55.6%;其它6、8、9、10月各出現(xiàn)1次。綜合上述分析看出,7月是河北省中南部降水最強(qiáng)烈、逐時(shí)降水最大的月份,這與華北雨季最強(qiáng)時(shí)段的對應(yīng)關(guān)系是一致的。2.4最大降水的日變化統(tǒng)計(jì)1999~2005年所有站、所有時(shí)次的降水過程,166411個(gè)降水樣本中有10個(gè)大于等于100mm(表2)。其中最大值為135.9mm,2000年7月6日02:00~03:00出現(xiàn)在平山。與前面的分析一致,100mm以上降水有60%出現(xiàn)在7月。這一統(tǒng)計(jì)結(jié)果對短時(shí)預(yù)報(bào)具有很好的指示作用,即在預(yù)報(bào)逐時(shí)降水量時(shí),99.994%的逐時(shí)降水量在100mm以下,偶然也有超過100mm的,但目前極值不超過135.9mm。3u3000mm間隔根據(jù)1999~2005年4~10月逐時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),將雨量間隔設(shè)置成50mm以下為2.5mm間隔,50mm~100mm為5mm間隔,100mm以上為10mm間隔,共分成35檔,雨量最大數(shù)值設(shè)定在150mm。參加統(tǒng)計(jì)的記錄為166411個(gè),得到表3結(jié)果,逐時(shí)降水絕大部分集中在小值區(qū)間:10mm以下降水量級占97.049%,且5mm以下占92.794%。4降水空間分布目前,SA雷達(dá)應(yīng)用的雨量產(chǎn)品(1h累積降水產(chǎn)品OHP,3h累積降水產(chǎn)品THP)色標(biāo)數(shù)值設(shè)計(jì)的跨度大:0~254mm;并且每個(gè)色標(biāo)所代表的雨量數(shù)值跨度也非常大,0~2.5mm為一個(gè)色標(biāo),2.5~152.4mm降水?dāng)?shù)值區(qū)跨度為12.7mm,152.4mm以上數(shù)值區(qū)跨度為50.8mm。這在很大程度上平滑了小值區(qū)的強(qiáng)降水點(diǎn),給預(yù)報(bào)強(qiáng)降水區(qū)域帶來了較大的誤差,因此有必要根據(jù)本地的降水資料,制定一套比較合理的雨量色標(biāo)數(shù)值。根據(jù)表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,河北省中南部逐時(shí)降水最大值未超過140mm,并且雨量大都集中在30mm以下(99.633%),故我們將雨量產(chǎn)品色標(biāo)數(shù)值設(shè)為不均勻跨度:小數(shù)值區(qū)跨度小,大數(shù)值區(qū)跨度比較大,以加密小值區(qū)間的顯示間隔,突出小值降水的層次,調(diào)整結(jié)果如表4。圖4為2004年7月11日14:001h降水量,經(jīng)過色標(biāo)調(diào)整以后,降水量級的層次更加清晰,降水極值點(diǎn)也相對突出。石家莊站點(diǎn)1h雨量為4.2mm,從修改過色標(biāo)的圖4b來看,該點(diǎn)位于4.0~5.0區(qū)域,而色標(biāo)未修改的圖4a,該點(diǎn)位于2.5~12.7區(qū)域。顯然,經(jīng)過色標(biāo)數(shù)值的重新定義,降水產(chǎn)品的色彩更能反映真實(shí)值,對降水強(qiáng)度中心發(fā)生、發(fā)展、移動(dòng)的預(yù)報(bào)更有指導(dǎo)意義。5雨污水色標(biāo)設(shè)計(jì)(1)河北中南部最大逐時(shí)降水具有比較明顯的氣候特征:西部山區(qū)和東部沿海明顯大于中部地區(qū),南部略大于北部地區(qū);逐時(shí)降水強(qiáng)度一般在早晨或傍晚最大,上午最弱;6~10月降水強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4~5月。(2)河北省中南部逐時(shí)降水主要集中在小值區(qū)間,5mm以下占92.794%。根據(jù)逐時(shí)降水量級的分布調(diào)整雨量產(chǎn)品色標(biāo)設(shè)置:小值區(qū)間間隔小,大