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摘 要：该文利用普兰店国家气象观测站1965-2014年暴雨等相关资料，基于趋势分析、小波分析及M-K突变分析等方法对普兰店地区近50a间发生的暴雨进行特征分析。结果表明：近年来普兰店地区暴雨发生次数明显增多；暴雨天气过程主要发生在7、8月，6月和9月偏少，暴雨发生次数存在8a的周期性变化。在对发生112次暴雨过程500hPa环流场的分析，发现3种环流类型：冷空气东移南压型、西太平洋副热带高压偏北型以及鞍形场型。
关键词：普兰店；暴雨；小波分析；Mann-Kendall检验；聚类分析；环流场分型
中图分类号 P458 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2015）17-134-04
The Characteristics of Heavy Rain in Pulandian during the Last 50 Years
Tao Zhengda et al.
（Meteorology Bureau of Pulandian City，Pulandian 116200，China）
Abstracts：Based on the data about the rainstorm from the national meteorological stations in Pulandian during 1965-2014，the characteristics of heavy rain in Pulandian is analyzed by trend analysis，wavelet analysis，Mann-Kendall test and so on.The results have shown the following：The influence of global warming increased the times of rainstorm happened in Pulandian.The rainstorm happened major in July and August and few in June and Sep. The occurrences of the heavy rain had a change cycle of eight year.By using the 112 times rainstorm"s data of the circulation field on 500hPa，three types of circulation field had been found.The cold air moved to south or east，the subtropical high is on the north and the type of saddle field.
Key words：Pulandian；Heavy rain；Wavelet analysis；Mann-Kendall test；Clustering analysis；Type the circulation field
普兰店处于辽东半岛南端，位于39°24′N、121°58′E，北部低山、东北部及中部为高丘陵、南部及沿海为低丘平地，农业种植面积达70%以上，各种极端性灾害天气严重威胁着普兰店地区人民的生命财产安全。近年来，受全球变暖等因素的影响，普兰店地区暴雨等灾害性天气频发，这与邹立尧[1]在研究东北暴雨特征得出的：1987年之后东北地区发生暴雨的次数明显增多、频率明显加大的这一结论不谋而合。2007年3月4日，受北上江淮气旋与南下贝加尔湖较强冷空气共同影响，普兰店地区普降暴雨，造成房屋倒塌21户50间，受灾棚室19 600栋，畜牧养殖业、水产养殖业、电业、交通等皆受灾严重，造成直接经济损失约为57 700万元。2012年8月3日，受强热带风暴影响，普兰店地区出现暴雨到大暴雨天气过程，导致冲毁农田813hm2、道路冲毁172.46km、水淹农田6 858.3hm2，转移人口11 773人。因此，对普兰店地区暴雨的研究具有重大意义。
对暴雨的研究一直是气象工作者研究的重点方向，而在21世纪之前对东北地区的暴雨研究却相对较少，结论主要源自陶诗言[2]的《中国之暴雨》。近年来，随着气象事业的发展，地面观测设备的更新，气象资料的准确度、精确度以及完整性等得到了很大的提升，很多学者[3-7]利用其中较完整、准确的降水资料，使用EOF、REOF、聚类分析等方法对东北地区降水的时空分布特征进行了分析，取得了很好的效果。受中小城市各乡镇数据资料的不全、年限不足具有局限性等原因的影响，小范围的暴雨时空分布特征及降水落区很难进行分析研究。2000年以来，对局地性暴雨天气的预报方法研究得到各地学者普遍高度重视。例如，杨艳娟[8]、公颖[9]等分别对暴雨的非均匀性、阶段性等特征进行了分析研究；孙传雷等[10]对在辽宁登陆的热带气旋进行了统计分析；王东海等[11]对东北地区暴雨的研究中发现：气旋、冷涡、台风等环流系统对东北地区暴雨发生发展的影响很大；孙力等[12]发现：东北地区暴雨发生次数多少的变化特征具有周期性；李燕等[13]对大连暴雨个例特征分析得出大连地区发生暴雨时各层次、物理量以及雷达回波图的特征。
本文利用M-K检验、小波分析以及其它统计方法[14]对普兰店地区历年暴雨发生次数、暴雨初日及暴雨终日等暴雨数据统计特征进行了分析，并使用聚类分析等统计学方法对暴雨发生时所受的500hPa环流场进行分型研究，得出影响普兰店地区暴雨环流场的特征及不同类型环流场引发暴雨的机制、暴雨发生的时间、主要共性等特征，旨得出普兰店地区暴雨的发生、发展规律，为暴雨的预测预报提供科学依据。
1 资料与方法
本文利用普兰店观测站1965-2014年逐日降水资料、NOAA国家环境预报中心提供的1965-2014年500hPa日平均位势高度场的NCEP2.5°×2.5°再分析资料进行研究。暴雨日数定义为日降水量≥50mm的日数。使用线性趋势线[15]、小波分析法、Mann-Kendall检验方法[14]、聚类分析[6]等统计学方法。
2 暴雨发生时间分布特征
2.1 暴雨次数逐月变化特征 1965-2014年间普兰店地区发生的暴雨天气112次。从图1可以看出，普兰店出现暴雨天气主要集中在7、8月份，其中7月占39.8%，为最多，8月占35.9%，略少于7月；初夏6月暴雨次数开始增多，盛夏7月份达到顶峰，夏末8月下旬开始逐渐减少，初秋9月暴雨接近尾声。这与我国东部降水分型中的东北雨季的开始、结束时间相吻合。
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35
30
25
20
15
10
5
0][百分率（%）][月份][1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12]
图1 1965-2014年累年逐月暴雨次数百分率分布
2.2 历年暴雨次数变化特征 由图2可以看出：近50a间普兰店暴雨次数整体呈增加趋势，近50a降水次数波动周期约为20a，波峰值约为3、波谷值约为1；1965-2004年波动振幅较小，2005-2014年波动振幅较大。说明近年来由于很多全球性变化的原因影响，普兰店地区暴雨次数增多，极端性灾害天气出现频繁。
6
5
4
3
2
1
0][次数][年份][1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 ]
图2 1965-2014年逐年暴雨次数
从图3可以看出，降水次数存在4a和8a的周期性变化趋势，8a的周期通过红波检验。由此可以得出，普兰店地区暴雨出现呈8a的显著性周期变化，即若2014年降水次数为0次，偏少，预计8a后的2022年左右的全年降水次数依然偏少，这对本地区关于暴雨这种极端性灾害天气的预报具有一定参考价值。
图3 暴雨次数周期变化
2.3 暴雨初终日特征分析 由图4可见：普兰店暴雨终日出现时间一般在8月中旬，50a间整体波动振幅不大，20世纪末期后振幅大于前期；暴雨初日出现时间在20世纪90年代前主要出现在6月初至7月初，20世纪90年代后暴雨初日出现时间明显提前，初终日间隔明显增大。
10/9
8/20
7/1
5/12
3/23
2/1]
图4 1965-2014年普兰店暴雨初、终日年际变化
3 发生暴雨时500hPa环流场的特征分类
利用NOAA国家环境预报中心提供的1965-2014年普兰店112次暴雨发生时的20～50°N、100～135°E的500hPa日平均位势高度场的NCEP2.5°×2.5°再分析资料，使用聚类分析等数据分析方法进行研究，得出普兰店地区发生暴雨时500hPa环流场特征大体分为以下3种类型：冷空气东移南压型、鞍形场型及西太平洋副热带高压偏北型。其中冷空气东移南压型又可分为典型东亚大槽东移型（又分为具有闭合低压环流中心类及未闭合的气旋性环流类）、冷气团分裂出的低压环流型和左低右高型。鞍形场型又分为典型鞍形场型及变形鞍形场型（又可分为高压切入型及低压切入型）。西太平洋副热带高压偏北型又分为上低下高型（又可分为平直型及波动型）及左高右低型。由表1可以看出，冷空气东移南压型发生次数最多，占112次暴雨过程中的49%，其次为鞍形场型占比率为28%，西太平洋副热带高压偏北型占比率为23%。在研究中发现，发生暴雨时500hPa等高线值约为5 800的次数最多。
表1 引发普兰店暴雨过程的不同环流类型发生次数及所占比率
[类型＼&次数（次）＼&占有率（%）＼&所研究暴雨区域的主要平均等高线值＼&冷空气东移南压型＼&55＼&50%＼&5800＼&东亚槽
大槽型＼&低压未闭合＼&17＼&53＼&5820＼&具有闭合低压中心＼&15＼&47＼&5640＼&合计＼&32＼&58＼&从冷气团中分裂而出的低压环流＼&11＼&20＼&5800＼&左低右高型＼&12＼&22＼&5840＼&鞍形场型＼&31＼&28＼&5800＼&典型鞍形＼&17＼&55＼&5820＼&变形
鞍形＼&高压切入型＼&9＼&64＼&5760＼&低压切入型＼&5＼&36＼&5840＼&合计＼&14＼&45＼&西太平洋副热带高压偏北型＼&26＼&23＼&5800＼&上低下
高型＼&低压较平直＼&7＼&41＼&5730＼&低压气旋性曲率相对较大＼&10＼&59＼&5850＼&合计＼&17＼&65＼&左高右低型＼&9＼&35＼&5780＼&]
3.1 空气东移南压型 暴雨发生机制：北方冷空气东移南下与副热带高压的暖湿气流相遇形成局地强对流天气从而产生强降水，即导致普兰店地区暴雨过程（图5）。暴雨发生时间：主要集中在春（3～6月）、秋（8～10月）两季。分析：冬季前后北方冷空气强度较强，活动频繁，且有足够的南方暖湿气流输送，因此有利于对流性天气的发生发展从而产生强降水天气过程。
图5 引发普兰店暴雨过程的冷空气东移南压型中
4种不同类型环流场
3.2 西太平洋副热带高压偏北型 暴雨发生机制：与冷空气东移类原理相似，当暖湿气流强度较强时，即副热带暖湿空气强度较强，在北上过程中与北方的冷空气相遇，从而引发强降水天气过程（图6）。暴雨发生时间：东北雨季（7月）。分析：进入东北雨季时，西太平洋副热带高压为全年最强时，其位置也达到最北端，高压后部的西南气流带来很大的水汽输送，当遇到北方较冷空气时产生较强的降水。
图6 引发普兰店暴雨过程的西太平洋副热带高压偏北型中
3种不同类型环流场
3.3 鞍形场型 暴雨发生机制：鞍形场中间部分的气流较稳定，其边缘部分受低空切变线和地面倒槽的共同影响，即低空切变贡献上升气流、地面倒槽的东南气流贡献水汽条件从而触发了暴雨的发生发展。暴雨发生时间：随机性大但多发于春末夏初、秋末等气温波动较大，时而伴有冰雹。分析：鞍形场属于较复杂的环流形式，其中间气流相对较稳定而四周环流形势复杂变，地面倒槽的东南气流从海洋上带来充足的水汽，在鞍形场复杂的环流背景下，当低空切变较大，产生强的上升气流时即引发强降水天气过程。据统计[16]，50年间发生的30次冰雹天气过程中有16次发生于鞍形场的环流背景下，占有53.3%的比率，其中伴有暴雨天气过程的有9次，占有1/3的概率，这是由于鞍形场环流下易引发低涡[17]，而低涡又容易诱发冰雹的产生[18]。
图7 引发普兰店暴雨过程的鞍形场型中3种不同类型环流场
4 结论
（1）对普兰店暴雨次数的研究过程中发现，全球性的气候变化可以引发局地强对流天气的频发，且具有一定的周期性（4a、8a），其中通过显著性检验的为8a的周期，这与南方涛动等海洋气候环境的变化具有相关性。普兰店暴雨天气主要出现在7、8月，6月和9月偏少，可以看出东北雨季来临时即副高位置偏北时，暴雨发生概率增大。
（2）对暴雨初终日的研究发现，近年来暴雨初日明显提前，终日也有小幅度的提前趋势，且初日、终日出现的早晚，存在一定性的交替出现的周期性规律。
（3）对出现112次暴雨过程500hPa的环流场进行分析，发现普兰店地区触发暴雨发生的环流特点主要可分为3类，即：冷空气东移南压型、西太平洋副热带高压偏北型和鞍形场型。
参考文献
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