第46卷第3期 2Ol8年6月 气 象科技 Vo1.46,NO.3 METEoROLOGICAL SCIENCE AND TECHNoLoGY Jun.20l8 大别山区地形降水特征分析 倪婷 黄勇 凌新锋 黄国贵 李景安 (1南京大学大气科学学院,南京210000;2安徽省寿县国家气候观象台,寿县232200; 3安徽省气象科学研究所大气科学与卫星遥感重点实验室,合肥230031) 摘要利用2012--2014年地面自动站与中国区域CMORPH(Climate Prediction Center Morphing)多卫星降水数据相 融合的逐时降水量数据集,分析大别山区的降水时空分布特征。2012--2014年大别山区年平均降水量978.5 into,降 水大值区出现在大别山主峰的东南侧,降水主要集中在5 7月,且呈现明显的地形降水特征。从时间变化情况 看,降水量呈现单峰的特征,7月降水量最大。从空间分布情况看,大别山及其东部地区是强降水的频发区,出现暴 雨日数最多的区域位于主峰及其东侧。降水中心表现出显著的季节变化特征,冬季降水中心位于大别山区的东南 部,进入春季以后降水中心向西北方向移动,北抬至大别山主峰北侧,进入秋季(9月以后)以后降水中心逐渐向南 回落。大别山区大气环流的季节性变化及其与地形的相互作用是造成大别山区出现明显地形降水(与降水随海拔 先增加后减小)和降水季节性变化的主要原因。 关键词大别山区;降水特征;多源降水融合产品 中图分类号:P426 DOl:10.19517 1671 6345.20170280 文献标识码:A 引言 布。董美莹等l7]采用WRFV2.2模式研究了热带气 旋“泰利”(0513)降水增幅过程中的大别山地形效 应。这些研究从数值模拟试验、经验公式等方面研 究了大别山区地形对区域降水的影响。但是,受到 地面雨量站点分布不均匀、高海拔地区站点稀少、冬 季可用性差等方面的影响I8 ,难以从观测的角度 大别山位于中徽省、湖北省、河南省交界 处,是长江与淮河水系的分水岭,平均海拔500~ 800 m,主峰部分海拔1500 m左右。该区域地形复 杂,降水的空间分布和时间分布变化较大,是暴雨和 地质灾害的多发区。例如:2013年6月30日安徽 省南部山区出现的局地短时强降水口 ;2005年13 号热带气旋“泰利”造成福建、浙江、江西、安徽和湖 北5省的部分地区出现了暴雨到大暴雨,局部特大 来分析大别山区地形与降水之间的关系。 近年来,国家气象信息中心研制出融合了地面 自动站与CMORPH卫星降水产品的逐时降水量数 据集(1.0版)(简称降水量融合产品)。该产品融合 CMORPH卫星反演降水和全国地面自动气象站资 料,形成分辨率为0.1。×0.1。的逐小时降水产 品l_1 ]。许多学者利用CMORPH及其与地面观 测雨量相融合的产品分析地区降水特征,得到了良 好的效果。江志红l1 等利用CMORPH卫星降水 资料和NCEP风场资料,综合分析了长三角地区城 市化对降水分布特征的影响。周璇口 等利用 暴雨,强降水导致了严重洪涝、山体滑坡和泥石流等 灾害,造成了经济损失和人员伤亡。何立富等[2 的 分析表明“泰利”(0513)强降水与大别山地形有关。 许多学者对大别山区的降水做了大量的研究工 作__ j,郭蕊等 通过一系列敏感性试验,详细分析 ]了大别山地形对一次梅雨锋暴雨的影响。张宏群 等ll6 利用GIS技术,引用风向效应指数,建立大别 山区东段的雨季降水分布模型,模拟降水的空间分 CMORPH融合降水数据分析了中国南方地区短时 http://www.qxkj.net.cn气象科技 国家自然科学基金项目(41275030),公益性行业(气象)科研专项GYHY201306040,安徽省自然科学基金(1508085MD64),中国气象局项 目(CMAGJ2015M28)共同资助 作者简介:倪婷,女,1986年生,工程师,主要从事地面气象观测和降水资料分析,Email:276769264@qq.corn 收稿日期:2o1 7年5月8日;定稿日期:2018年1月l1日 第3期 倪婷等:大别山区地形降水特征分析 强降水的时空分布特征。王皓[1 63等利用CMORPH 融合降水数据和地面观测雨量资料估算了淮河流域 的面雨量,对比分析认为CMORPH融合降水数据 在资料稀缺的地区有较好的应用前景。这些研究均 表明,CMoRPH融合降水产品能够有效地应用于 区域降水的分析研究中。本文则利用这一产品,对 大别山区的降水特征进行分析,总结地形对降水的 影响,并探讨降水特征的主要形成原因。 1 资料 所用资料包括两部分:①2012--2014年降水量 融合产品,时空分辨率分别为1 h、0.1。×0.1。,选取 区域(30.15。~32.35。N,115.25。~l17.15。E),资料 来源于中国气象科学数据共享服务网。②2014年 5—10月15个国家级自动气象站和78个区域自动 气象站小时雨量数据。 为分析降水量融合产品和地面自动气象站观测 降水的差异,选用2014年5—1O月15个国家级自 动气象站、78个区域自动气象站及相应格点内降水 量融合产品资料进行分析。以降水量≥0.1 mm为 标准,进行有效降水样本的筛选,以区分降水融合产 品和地面自动站观测数据之间的差异。从差异的概 率分布(图1)可以看出,两者差异在(~0.5,0.5)区 间内占57 ,差异在(一1.0,1.0)区间内占70 ,总 体上差异较小。 L t ● 1 0 】 lO 20 降水差异/la 图1 2014年5—1o月地面自动站观测降水和 CMORPH融合产品降水差异频次 进一步分析降水量融合产品和地面自动气象站 观测降水的差异,将地面自动气象站小时降水量≥ 25 mm、16~25 mm、8~16 1-itm、<8 mm分成4个 等级,各等级分别出现了123次、240次、997次、6822 次,并分别计算了与CM()RPH融合产品的差异。从 图2可以看出,小时降水量≥25 film、16~25 rflITI、 8416 mm、<8 ITlIn的差异中心值越来越小,并逐 渐接近于0。总体上来看,降水量融合产品能替代 地面自动气象站的降水来反映区域的降水特征。 2 降水特征 统计结果表明,2012—2O14年大别山区年平均 降水量为978.5 mm,降水中心最大的年平均降水 量达1399.8 mm,而降水最小地区仅为377.5 mm。 对于整个区域来说,年平均降水量≥1000 mm的区 域占整个研究区域的55 ,年均降水量<800 mm 的区域占整个研究区域的25 ,降水量介于800~ 1000 ITinl之问的占25 。 从降水量空间分布(图3a,彩页)来看,大别山 区的降水与地形之间有较好的对应关系。降水最大 值出现在大别山主峰的东南侧。另外,大别山主峰 及东南侧、次峰东部的年降水量均大于1200 n1.ITI, 形成一个“西西北一东东南”向分布的降水大值带, 并与山脉走向相近。在降水大值带的北侧,降水量 随着纬度的升高而递减。降水大值带的南侧有一个 降水低值中心,年平均降水量最小约700 mm。在 从降水量随海拔高度变化上看(图3b,彩页),随海 拔升高,降水量有先增大而后减小的趋势。 图4是逐月降水量最大、最小和平均的变化图。 从逐月变化情况来看,平均降水量在1—7月随着月 份的增大也逐渐增大,8月以后降水量迅速减小。 降水主要集中在5—7月,其中7月降水量最大,平 均约200 mm,高值可达362 mm;12月降水量最小, 平均约30 mm。不论是最大降水量、最小降水量还 是平均降水量,7月到8月均出现了锐减的现象。 另外,虽然4月的月平均降水量要比3月大,但最大 降水量是3月大。这表示3月大别山区极端强降水 的强度大或者极端强降水次数要比4月多。 558 气 象 科 技 第46卷 5.0 4.O 3O 3.O 曝 2 0 2O 1.0 0 0 0 20 40 60 80 —5 哪0 一 5 10 15 20 -- 降水差异/n (b) 250 2000 降水差异/u 200 l1500 150 1000 100 5OO O O 一.._··_l l_...一 9 —7 —5 —3 一l 1 3 5 7 10 —5 0 5 10 15 20 25 11 降水差异/mm 降水差异/ 图2 2014年5_.10月地面自动站观测降水和CMORPH融合产品降水分等级差异频次:(a) 动站小时降水量≥25 H1i'1"1 (b)自动站小时降水量16~25 111133,(c)自动,2 ̄//J,时降水量8~16 mm,(d)自动站小时降水量<8 In111 来统计大雨、暴雨和大暴雨目的出现天数。从大雨、 400.0 350.0 暴雨和大暴雨出现日数的空间分布(图6,彩页)来 看,均在海拔较高的区域呈现出一个高值。大别山 及其东部地区是大雨、暴雨和大暴雨的频发区,出现 300.0 鑫2 5o_o 200.0 世 15O.O lO0.0 50.0 0.O 天数最多的区域位于主峰及其东侧。从时间分布来 看(图7),入春以后(3月开始),日降水量≥25 mill 的大雨出现频率开始升高,最大值出现在7月;8月 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 0.008 0.007 月份 图4大别山区月最小、月最大及月平均降水量时间变化 0.006 i,;{r 0·005 从大别山区逐月降水量的空间分布(图5,彩 页)来看:①1—5月,降水中心出现在大别山区东南 0.O04 0.003 0.002 0.OOl O 部;6月开始,降水中心逐渐向西北方向移动,8月降 水中心位置北抬至大别山主峰北侧(31.5。N);9月 开始,降水中心又逐渐南压,12月降水中心回至大 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 1l l2 别山区东南部。②7月平均降水量最大,且降水中 心与大别山高海拔地区重合。 分别以日降水量≥25 1"I1133_、≥50 mm、≥100 n1m, 罔7 2O12 2014年大别山区小同强度日降水量 出现频率的月变化 第3期 倪婷等:大别山区地形降水特征分析 开始,大雨出现频率呈降低的趋势,但1O月出现了 一个弱的峰值。日降水量≥50 mm、≥100 mm的事 件多发生在5~7月,其中7月出现次数最多。 以1小时降水量大于8 mm为阈值来划分对流 性降水和稳定性降水,以1 h雨量≥8 mm、≥16 mm 为标准,来判断短时大雨和暴雨。从不同强度降水 出现概率的空间分布(图8,彩页)来看,稳定性降水 总体上呈西北少、东南多的特点,其中在大别山主峰 周边有条大值带,在主峰西南侧有极值中心。而强 降水的空间分布也与地形呈现较好的对应关系。主 要表现为:高海拔地区及山区东部是短时大雨出现 概率最大的区域,其中极值中心出现在主峰东侧(图 8a);短时暴雨出现概率较大的区域是大别山的次峰 和主峰的东南侧(图8b)。 ed,的来说,大别山高海拔 地区及其东侧易出现短时的强降水(短时大雨和暴 雨)。 3成因分析 以上分析结果表明,大别山区的降水存在显著 的时空分布特征。地形和大气环流的共同作用,是 造成大别山区降水时空特征的主要原因。 一方面,山地边界层的扰动作用对大别山区降 水分布有明显的影响。已有研究表明[1 73,大别山区 暴雨日比重以及平均降水量的空间分布上存在着高 值中心与低值中心相邻的现象,地形的作用是造成 这一分布特征的主要因素。大别山的中尺度地形对 局地中尺度天气系统具有“阻滞”作用,是形成中尺 度扰动的一种外强迫_1 。中尺度系统在经过大别 山地区时经常停滞发展,使得降水较大,可能形成暴 雨。利用NCEP再分析资料,对2012—2014年850 hPa风和相对湿度的逐月特征进行分析。对大别山 区内的NCEP数据做纬向平均,并制作径向剖面, 结果如图9(彩页)所示。从图9中可以看出, 风分 量在每年的7月出现一个正的极大值。6月开始 风由负转为正,7月达到极值,西风增强。7月以后 风变为负值,西风逐渐转为东风。从水汽的分布 来看,虽然7月水汽没有达到极值,但水汽仍然较为 充沛。充沛的水汽,配合西向风,使得水汽在大别山 区的南麓遇到地形抬升,从而在大别山的南侧造成 大降水。进入8月以后“风分量由正变为负,表示 风向由偏西风转为偏东风。而此时低层大气的水汽 依然充沛,这就使得东风携带充沛的水汽在大别山 的北侧遇到地形抬升,在大别山的西北侧形成大降 水中心。 另一方面,大气环流的季节变化对降水的时间 分布有着显著影响。暴雨多发生在暖季,主要与我 国位于亚洲季风区有关,夏季带来充沛的水汽和层 结不稳定有利于暴雨的形成。而大别山地形会强迫 底层西南暖湿气流绕流和抬升,形成扰动并使其所 含水汽和不稳定能量沿途释放,有利于降水的发生 发展。冬季,大别山区主要以偏北风为主,受蒙古冷 高压控制影响,气温较低,降水较少;从春季3月开 始到夏季7月,大别山区由东南风逐渐转受西南风 控制,副高位置逐渐北抬西伸,西南暖湿气流变得活 跃起来,大别山区降水也逐渐增多,雨区位置也呈现 北抬西伸的特点。尤其是在6月中下旬到7月上 旬,大别山区进入梅雨期,降水量较为集中。8月大 别山区主要受副高控制,以高温天气为主,降水也多 为局地性强的对流天气。9~11月,副热带高压势 力减弱,脊线南退,地面为冷高压控制,降水逐渐 减少。 以上分析结果表明,在大别山区,地形和大气环 流季节变化是造成区域降水出现显著时空特征的主 要原因。 4 结论 本文利用CMORPH降水量融合产品,对大别 山区降水的时空特征进行了统计分析。结果表明, 大别山区的降水存在着显著的时空分布特征,地形 和大气环流的共同作用,是造成这些特征的主要原 因。分析的主要结论如下: (1)在空间分布上,大别山区的年降水量与海拔 高度之间有着较好的对应关系,高海拔地区年降水 量大。降水大值带呈“西西北东东南”向分布,与 山脉走向相近,表现出明显的地形降水特征。此外, 高海拔地区及其东南侧也是大雨、暴雨和大暴雨频 发的区域。 (2)在时间分布上,大别山区降水主要集中在 5—7月,7月降水量最大,暴雨日数最多。1 7月 降水量逐渐增加,8月开始减小,降水中心落区随时 间从大别山区东南部向西北方向移动北抬至大别山 主峰北侧(31.5。N),然后逐渐向南回落。地形和大 气环流的共同作用,是造成季节变化的主要因素。 56 气 象 科 技 第46卷 32.2。N 32。 31.8 。 。。·。](b) 14oo.o 12oo.o .L ·· y:一0ooo4 ̄+0.7623 +865 .. 31.6 3L 4。 31.2 3l。 :1ooo.o 800·0 盘600 o 400.o 200.o 3O.8。 3O.6。 30.4 30.2。 30。 o.o— ——一广]————T一———— o I】5.6 l16。 116.4。 116.8 E 200 400 600 800 looo 1200 Il5.2。 海拔高度/Ⅲ 图3 2012 2O14年年平均降水量空间分布(a)及与海拔高度天系(I】) (图a中.色斑图为降水量.等值线为海拔高度(m)) 1月 32.2。N 3【.8。 32.2。N 3l_8。 3I.4。 31。 30.6。 30.2。 2月 32.2。N 31.8。 3I.4。 3月 ¨ 31.4。 3l 3O.6。 30.2。 ●■■目口[曰吲日日】][目 黜黜黜黜 黜 3l。 30.6。 30.2。 32.2。N 31.8。 32.2。N 31.8。 32.2。N 31.8。 31.4。 31。 31.4。 3l。 31.4。 31。 30.6。 30.6。 30.2。 30.6。 30.2。 30.2。 32.2。N 31.8 32.2 N 31.8。 32.2。N n 31.8。 31.4。 3l。 30.6。 啪 瑚 毛言 … 舳 印 蚰 31.4 31。 30.6。 30.2 31.4。 31。 30.6。 3O.2。 30.2 32.2。N 31.8。 32.2。N 31.8。 31.4。 31。 3O.6。 30.2。 32.2。N 3【.8。 31.4。 3l。 30.6。 30.2。 3I_4。 3l 30.6 30.2。 115.4 115.8‘116.2。116.6。11 7。E 115.4 115.8。116.2。116.6。117。E l15.4。115.8。116.2。116.6。t17 E 图5 2012 2O14年1—12月平均降水量空间分布 (色斑图为降水量.等值线为海拔高度(m)) 562 气 象 科 技 第46卷 [11]沈艳,潘呖,宇婧婧,等.中国区域小时降水量融合产品的质量 参考文献 [1]周后福,郭品文,翟菁,等.LAPS分析场资料在暴雨中尺度分 析中的作用EJ].高原气象,2OlO,29(2):461-470. 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Characteristics of Orographic Precipitation in Dabie Mountain Ni Ting t Huang Yong '。Ling Xinfeng Huang Guogui Li Jingan (1 Department of Atmospheric Science,Nanjing University,Nanjing 210000;2 Shouxian National Climatically Observatory,Shouxian Meteorologica1 Service,Shouxian 232200;3 Anhui Meteorology Institute Anhui Key I ab of Atmospheric Science and Satellite Remote Sensing,Hefei 2 300 3 1) Abstract:The hourly precipitation data sets with a spatial resolution of 0.1。×0.1。.which is the integrated CMORPH(Climate Prediction Center Morphing)rainfall products,are used to analyze the temporal and spatial distribution of precipitation in the Dabie Mountain region from 2012 to 2014.The average of annual precipitation was 978.5 mm over the Dabie Mountain region,and the heavy rain center was located at the southeast of the Dabie Mountain peak.The main rainfall season was from May to July,with obvious topographic character.There is a single peak in the time series of monthly rainfall,and the monthly average precipitation is the most in July in 12 months.As to the spatia1 distribution.Dabie Mountain and the area to the East had the more rainfal1.The heavy rain and storm rainfalI occurred more frequently in these regions,and in the central peak area and the eastern part,there were most heavy rain days, increasing with altitude.The location of the precipitation center moved with seasons.In winter.the precipitation center was located at the southeastern part of the peak,and in spring it moved northwestward and was located at the north of the main peak.Ftom September,the center came back to the south of the main peak.It is concluded that the evolvement of atmospheric circulation and the interaction with terrain were the main causes for the orographic precipitation(precipitation increasing with the elevation)and seasona1 varjat on. Keywords:Dabie Mountain;precipitation characteristic;CMORPH