济宁地区春季暴雨一般出现在3月下旬-5月下旬.而这一时段,正是冬小麦抽穗、开花、灌浆和成熟的关键期.暴雨出现在抽穗开花期,会直接影响小麦的授粉且易造成小麦倒伏;出现在灌浆成熟期,小麦不但会倒伏,还会掉穗落粒,造成严重减产.春季暴雨发生频次虽然较低,但由于其偶发性,容易造成预报人员及决策人员的思想松懈大意,预报准确率较低.春季暴雨还经常成为由旱转涝的转折点,给人一个措手不及.
气象工作者对济宁地区春季暴雨形成机理从不同角度做了很多研究,研究成果在天气预报服务中起到了积极的作用,但目前预报的准确率和时效性还不能很好满足服务的需求,需要进一步对形成机理和预报方法加强研究.另外,准确的预报春季暴雨直接关系到该地区的春季农作物需水情况或在旱涝转换中起到积极作用,为了探讨防灾减灾的对策,使气象更好地为农业服务.
1 相关研究回顾
从我国暴雨的研究进展,春季暴雨的气特征研究回顾,和春季暴雨的诊断分析几个角度综述了当前我国暴雨的研究成果,对济宁地区春季暴雨的研究有一定的理论参考价值.
1.1 我国暴雨的研究与进展 陶诗言[1]等对我国暴雨的分布特征进行过详细的分析,指出我国的季风暴雨主要集中在华南、长江流域和华北三个地区.通过分析得出暴雨的发生发展与低空流场和气流的垂直运动有关,并有气旋的发生发展,大尺度环境条件对对流系统的发生发展有明显的制约作用,而且还对对流系统的内部因子有明显的影响作用,因而中小尺度是在一定的大尺度环境条件下演变发生的.丁一汇[2]的研究表明,我国暴雨是在三种大尺度环境条件下产生的1)夏季风的爆发和撤退,标志着我国大范围降水的开始和结束,夏季风脉动直接影响着我国雨季中的降水强度;2)大陆高压和西太平洋副热带高压的位置变化影响着我国降水区域的位置变化;3)北半球中高纬大气环流的异常直接影响了我国暴雨的年际变化率. 曹钢锋]等总结了造成山东暴雨的天气尺度系统主要有四类,它们是低槽冷锋(包括高空冷涡与横槽)、气旋、台风(包括东风扰动)和切变线(包括静止锋).低槽冷锋和气旋是造成山东暴雨的主要系统,小范围暴雨主要是低槽冷锋造成的,区域暴雨和大范围暴雨则以气旋为主;而小范围大暴雨主要是由气旋和低槽冷锋造成的,区域大暴雨主要是由气旋造成的,大范围大暴雨主要是由气旋和台风造成的.
1.2 春季暴雨气候特征研究现状时空分布特征及背景我国作为农业大国,持续的干旱和暴雨洪涝对农作物的生长造成严重影响,进而影响到的国民经济的发展,暴雨洪涝在春季的发生对春播作物的影响较大,连阴雨使作物的光照时间减少,影响其光合作用时间,持续降水使作物造成其虚根徒长,容易倒伏,同时也对病虫害的抵抗力下降[4].暴雨发生的季节特点比较明显,全国大部地区暴雨的发生时间都在6-9月,春季暴雨相对较少,但由于其偶发性,容易造成预报人员及决策人员的思想松懈大意,预报准确率较低,很多学者在其时空分布及旱涝转换中做了大量的研究.禹春桂等[5-7]对春季暴雨进行了统计分析得出当年有春季暴雨与年份雨量存在正相关关系;7月份雨量存在反相关关系,并且总结得到春季暴雨的发生频次及雨量对灾害的产生成正相关型.杨学斌[8]得出山东暴雨的Hurst指数为0.5645,说明山东春季暴雨日数呈增加趋势,并且这种暴雨日数增多的变化趋势在未来与过去变化一致,但春季暴雨日数对山东年暴雨日数贡献较小.
1.3 春季暴雨诊断分析研究进展
1.3.1 常规及非常规手段方面的应用 毕宝贵[9]指出我国暴雨的分析研究与预报已进入第四个阶段,即以暴雨灾害研究作为国家973重大项目实施为标志,随着新一代天气雷达网的业务建设,大气监测和遥感技术的广泛应用,暴雨数值预报资料同化和超级集合预报技术发挥重要作用.但是对暴雨的基础分析仍旧是暴雨预报的基础,利用各种探测资料,各种分析方法,对暴雨发生时大环流背景、影响系统进行研究,揭示暴雨天气的形成机制和演变过程,才能对暴雨天气过程有更准确的认识,提高暴雨预报水平.因此,对暴雨天气过程的诊断分析仍旧是最基本的工作[10-15].徐旭然[16]对烟台春季暴雨的气候特征中指出,烟台春季暴雨受副热带高压的形状,半岛南部的暖湿气团的位置,低空急流,高能区的位置这几个因素影响.杨晓霞等[17]对一次山东春季暴雨分析中认为,高温高湿度和对流不稳定是暴雨产生的条件,大尺度和尺度的垂直上升运动共同影响为对流的发展提供了动力.李慧芳等[18]对2007年3月3日登封市大到暴雨天气过程进行分析,结果表明:这次降水过程的两个主要降水时段都出现在次级环流的垂直运动上升区内;暴雨过程中登封上空中低层维持一高能区水汽辐合中心区对应降水集中时段.孙兴池等[19]利用常规对鲁西北出现创纪录的大暴雨和没有降水的两次过程进行对比分析发现:大暴雨区分别位于地面冷锋后和暖切变线南侧.空间剖面显示垂直运动相对于对流层中低层天气系统的位置,有助于根据天气系统的配置特征寻找暴雨落区的预报信息,二者水汽通量散度及涡度、散度垂直剖面也有明显差异,可为暴雨落区预报提供参考. 气象工作者研究发现,低槽冷锋、气旋,以及切变线是春季暴雨的主要影响系统[20-27],降水落区主要跟气旋的移动方向,及切变线的位置有关.水汽条件是暴雨产生中部可缺少的条件.侯建忠等[28]对陕西一次罕见春季暴雨水汽输送进行了分析,结果表明低纬度热带低压西侧的偏南急流和700hpa孟加拉湾的西南暖湿急流为此次暴雨提供了水汽,热带低压西侧的偏南急流的位置决定了强降水的落区.龚佃利等[29]对山东一次春季暴雨过程的水汽收支进行了较为精准的数值模拟,计算了暴雨发生过程中山东省范围水汽输送、水汽收支和空中各相态水物质的量值大小及其转化关系.赵宇等[30]利用湿位涡理论分析得出倾斜涡度发展和湿位涡扰动是暴雨及气旋形成的重要原因,也指出了水汽条件是暴雨产生必要条件.刘强军等[31]对山西东南部太行山区春季两次暴雨天气对比分析发现:地面辐合线是暴雨发生的触发机制,850hPa以下水汽饱和度迅速增加对雨量陡增有较好的指示作用.另外迟竹萍等[32]用螺旋度对一次山东春季暴雨的不稳定层结进行了分析,结果表明强对流和暴雨发生在不稳定大气中,正螺旋度大值中心出现的高度与对流发展强弱有关;500 hPa螺旋度正值区长轴与造成强对流的暖区弱切变和雷达带状回波走向一致;螺旋度的强度变化对强对流系统的移动、发展及暴雨的发生有一定的指示意义.张春喜等分别对MαCS[33-36](中尺度对流系统)引起的春季暴雨进行了诊断分析,并采用数值模拟很数值敏感性实验客观的分析了暴雨产生的机理,并指出初始对流的发生位置受最大对流有效位能(MCAPE)指示很大,降雨量大小受回波强度影响.
1.3.2 久旱转雨相关研究 济宁地区偶尔出现冬春连旱或者春季持续干旱的异常天气,一场暴雨往往成为抗旱转防汛的转折点,给人以措手不及,所以准确的预报春季暴雨直接关系到该地区的春季农作物需水情况或在旱涝转换中起到积极作用.气象学者对春季久旱转暴雨的天气形势进行诊断分析[37-40],得出中纬度环流形势向"东高西低"转变,是久旱转雨的必要条件,低槽的发展副热带高压加强北抬,以及降水前日平均水汽压明显明显偏高等特征为久旱转暴雨提供了有利的参考.谷秀杰,庞华基等[41]将干旱期间与暴雨时段大尺度环流场进行对比分析得出,干旱期间西风急流和南亚高压主体由较偏南的位置快速加强北移转为暴雨时段,暴雨区恰好位于二者交汇的高空强辐散区;干旱期间AO指数(北极涛动)及NAO指数均为正值,当二者先后由正值转为负值时,有可能预示着后面将有强降水发生.侯建忠等[42]总结分析得出在我国北方,春季出现一段持续性、大范围的明显增温时,预示着将有一次明显的降水天气过程.
1.4 小结 上述文献在春季暴雨的时空分布,低频震荡,以及对春季产生暴雨的主要影响系统,水汽条件,动力条件,物理特征量等方面进行了诊断研究,使我们对春季暴雨的发生发展有了更全面的认识,对本论文的研究很有参考价值,但是暴雨暴雨的时空分布性较强,各地提炼的预报经验指标难以共用,上述学者的研究成果对济宁地区的借鉴意义不大.目前对济宁地区春季暴雨的研究较少,本论文系统性的对济宁地区春季暴雨进行研究,提炼济宁地区春季暴雨预报的着眼点,弥补了济宁地区春季暴雨系统性研究的空白,有很强的理论和实际应用价值.
2 济宁地区春季暴雨研究主要内容和思路
2.1 济宁地区春季暴雨时空分布特征研究 利用济宁全市11个大监站日降雨量历史资料(1975-2013年),用统计分析法研究全市暴雨时空分布特征,以及春季大到暴雨在全年降水中所占的比重.
2.2 济宁地区春季暴雨的主要影响系统及天气分型 利用常规高空、地面等综合探测资料,NCEP再分析资料等研究分析每个春季暴雨天气形势,找出其主要影响系统的异同点,并将天气形势进行分型.从天气形势,影响系统以及时空分布上提炼济宁地区春季暴雨预报的着眼点.
2.3 对济宁地区春季暴雨进行诊断 用诊断分析法对济宁地区近14 a(2000-2013年)来有代表性的春季暴雨个例进行诊断分析,总结各种物理量预报指标及特征量.如水汽压、K指数、KY指数、SI指数、CAPE值、θse、水汽通量、垂直速度等,得出暴雨的物理量场特征与指标.并选取2000-2013年来济宁地区有代表性的典型个例,综合应用卫星云图等探测资料等,对暴雨天气发生前后进行诊断分析.
3 结论
通过对济宁地区春季暴雨的特征及典型个例诊断对比分析,得出济宁地区春季暴雨时空分布特征和天气形势特征,提炼出济宁地区春季暴雨预报物理量指标.通过以上工作以便在预报业务中对济宁地区春季暴雨预报方法进行新的设计和改进,进一步提高此类灾害的预报准确率.
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