2015—2019年遼寧省暴雨紅色預(yù)警信號分布及其特征

劉靜1,2 陳傳雷2 嚴(yán)俊2 王瀛2 才奎志2 任川3 韓梅4 董巍

(1.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110166； 2.遼寧省氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中心，遼寧 沈陽 110166；3.遼寧省氣象信息中心，遼寧 沈陽 110166； 4.本溪市氣象局，遼寧 本溪 110121；5.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院遼寧分院，遼寧 沈陽 110166)

引言

遼寧地區(qū)夏季大暴雨具有突發(fā)性強、歷時短、強度大及夜間頻發(fā)等特點，易引發(fā)山洪、滑坡及泥石流等次生災(zāi)害，給人民生命和財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的損失[1]。針對遼寧夏季暴雨的研究，楊青等[2]指出遼寧大暴雨發(fā)生次數(shù)多，量級變化大。遼寧省南部地區(qū)大暴雨的影響系統(tǒng)主要是臺風(fēng)北上、華北氣旋、江淮氣旋等，地形因素的影響也是重要誘因。陳傳雷等[3]認為遼寧極端長歷時暴雨可劃分為4個易發(fā)區(qū)；肖光梁等[4]研究表明遼寧省夜間降水多可能與西南急流加強有關(guān)。諸多學(xué)者[5-7]對遼寧地區(qū)暴雨預(yù)報技術(shù)和時空分布特征進行了探討。

《遼寧省氣象災(zāi)害防御條例》(2018)中規(guī)定：“各級學(xué)校在暴雨紅色預(yù)警信號生效期間停課”，因此提前發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號可為政府部門提供氣象防災(zāi)減災(zāi)重要參考。預(yù)報預(yù)警技術(shù)的發(fā)展提高了預(yù)警信號的準(zhǔn)確率[8]。黃小丹等[9]研究指出，應(yīng)調(diào)整暴雨紅色預(yù)警信號發(fā)布策略，以適應(yīng)當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)生活需要。杜小松和謝健標(biāo)[10]、伍志方等[11]分別探討了廣東省暴雨預(yù)警信號發(fā)布的技巧；黃歸蘭等[12]通過研究提出了加強氣象災(zāi)害預(yù)警信號的發(fā)布策略；彭興德等[13]探討了貴州省氣象災(zāi)害預(yù)警信號的發(fā)布辦法，考察預(yù)警信號的發(fā)布級別和時間；楊璐等[14]通過解讀雷達徑向速度圖特征，有效提升了北京地區(qū)雷暴大風(fēng)的預(yù)警提前量。目前的研究多為針對預(yù)警信號發(fā)布策略進行的探討[15-18]，而分析特定暴雨紅色預(yù)警信號的分布特征較少。遼寧夏季暴雨頻發(fā)，短時大暴雨發(fā)生災(zāi)害重，影響范圍大[19]，夏季暴雨災(zāi)害一直是遼寧省氣象防災(zāi)減災(zāi)的重點和難點。本文通過統(tǒng)計2015—2019年遼寧省暴雨紅色預(yù)警信號的時空分布，分析遼寧省汛期短時大暴雨的易發(fā)區(qū)、暴雨紅色預(yù)警信號高發(fā)時段及預(yù)警時間等，內(nèi)容符合遼寧省研究型業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，為短臨預(yù)警業(yè)務(wù)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料來源

所用數(shù)據(jù)來自遼寧省氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中心(以下簡稱預(yù)警中心)結(jié)構(gòu)化查詢語言(Structured Query Language，SQL)數(shù)據(jù)庫中存儲的預(yù)警信號資料；遼寧省氣象信息中心提供的全國綜合氣象信息共享平臺(CIMISS)數(shù)據(jù)環(huán)境中1605個自動站分鐘級降水資料，去除異常值，確保降水?dāng)?shù)據(jù)連續(xù)準(zhǔn)確。

1.2 研究方法

選取2015—2019年遼寧省發(fā)布的暴雨紅色預(yù)警信號進行統(tǒng)計。通過分析達到發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號標(biāo)準(zhǔn)的站點(以下簡稱短時大暴雨站點)和發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號后未達到暴雨紅色預(yù)警信號標(biāo)準(zhǔn)的站點(以下簡稱空報站點)的分布特征，評估暴雨紅色預(yù)警信號發(fā)布的準(zhǔn)確率和提前時間，找出暴雨紅色預(yù)警信號發(fā)布的問題和不足，給出對策和建議。

《遼寧省氣象災(zāi)害防御條例》(2018)中規(guī)定暴雨紅色預(yù)警信號的定義為： 3 h內(nèi)降水量將超過 100 mm或已經(jīng)產(chǎn)生100 mm的降水且可能持續(xù)[20]。本文定義短時大暴雨出現(xiàn)時間為降水量達到發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號標(biāo)準(zhǔn)的時間。預(yù)警提前時間為發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號后，短時大暴雨出現(xiàn)時間與預(yù)警信號發(fā)布時間的差值。降水過程中，5 min雨量大于10 mm的時間稱為最大雨強出現(xiàn)時間，最大雨強出現(xiàn)時間與短時大暴雨出現(xiàn)時間的差值(可能是負值)的絕對值稱為雨強提前時間。

2 結(jié)果分析

2.1 暴雨紅色預(yù)警信號發(fā)布站數(shù)和提前時間統(tǒng)計

由圖1可知，2015-2019年遼寧省逐年發(fā)布的暴雨紅色預(yù)警信號站點數(shù)和平均提前時間，其中折線為暴雨紅色預(yù)警信號正確站點的平均提前時間；紅色柱狀圖為短時大暴雨站點數(shù)，灰色柱狀圖為空報站點數(shù)。由圖1可以看出，遼寧省2015—2017年暴雨紅色預(yù)警信號站數(shù)逐年增多，3 a間發(fā)布站數(shù)逐年增長的可能原因有3個：一是短時大暴雨年變化的客觀影響；二是暴雨監(jiān)測站點增多，實況數(shù)據(jù)更為精細；三是預(yù)報員業(yè)務(wù)能力的提升和預(yù)警流程的不斷優(yōu)化高效。

圖1 2015—2019年遼寧省暴雨紅色預(yù)警信號發(fā)布站數(shù)和提前時間Fig.1 The station number and advance time of red rainstorm warning signals from 2015 to 2019 in Liaoning province

2017年遼寧省發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號站數(shù)為最大值172個，其中短時大暴雨發(fā)生站數(shù)是147個，2018年、2019年發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號站數(shù)分別為119個、60個，其中短時大暴雨發(fā)生站數(shù)是101個和50個。2018年、2019年暴雨紅色預(yù)警信號發(fā)布站數(shù)減少的可能原因，一是降水量年變化的影響，2018年、2019年短時大暴雨發(fā)布站點數(shù)減少；二是由于發(fā)布策略的變化，如2015—2017年暴雨紅色預(yù)警信號發(fā)布次數(shù)逐年遞增，提前時間卻逐年遞減，2018—2019年發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號時，監(jiān)測更為精細，預(yù)報力求精準(zhǔn)，減少了空報站數(shù)。

2015年和2016年遼寧省發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號的提前時間較長，分別為106 min和65 min，主要由于高分辨率資料使用較少，短時大暴雨的可預(yù)報性較差，通常提前發(fā)布預(yù)警信號。2017—2018年遼寧省暴雨過程頻發(fā)，基于高分辨率衛(wèi)星云圖和新一代多普勒天氣雷達等監(jiān)測資料，分析更為精細，提升了預(yù)警信號的準(zhǔn)確率，但降低了提前時間。2019年，在天氣分析時，增加了新型資料的應(yīng)用，提前時間回升至48 min。

2.2 暴雨紅色預(yù)警信號空間分布

圖2顯示的是近5 a遼寧省暴雨紅色預(yù)警信號發(fā)布站點分布，其中紅色圓點表示短時大暴雨站點，藍色圓點表示空報站點，當(dāng)兩個站點疊加時，顯示為紫色，所有站點加和即為暴雨紅色預(yù)警信號發(fā)布總站點數(shù)。遼寧省地勢大致為北高南低，東西高中部平原低，南鄰中國黃海、渤海。根據(jù)遼寧省62個國家級觀測站的位置及夏季降水分布，將遼寧省劃分為西部、東南部和中部3個地區(qū)，其中西部地區(qū)涵蓋錦州、阜新、朝陽、葫蘆島和新民、康平、法庫；東南部地區(qū)包括大連、丹東和岫巖；中部地區(qū)為其他觀測站。

圖2 2015年(a)、2016年(b)、2017年(c)、2018年(d)和2019年(e)遼寧省暴雨紅色預(yù)警信號空間分布Fig.2 Spatial distribution of the red rainstorm warning signals in 2015 (a),2016 (b),2017 (c),2018 (d),and 2019 (e) in Liaoning province

從圖2可以看出，2015—2019年遼寧省暴雨紅色預(yù)警信號空間分布特征為沿海地區(qū)較多，內(nèi)陸較少。2015年短時大暴雨在遼寧省東南部地區(qū)的岫巖分布較多，空報站點集中在中部地區(qū)的盤錦；2016年遼寧西部地區(qū)除葫蘆島外，其他地區(qū)無暴雨紅色預(yù)警信號分布，中部地區(qū)的沈陽市區(qū)、撫順市區(qū)、鐵嶺市區(qū)短時大暴雨站數(shù)增多，東南部地區(qū)依然是短時大暴雨的高發(fā)地區(qū)，空報站點主要為鞍山市區(qū)和瓦房店市；2017年暴雨紅色預(yù)警信號發(fā)布和短時大暴雨發(fā)生站點數(shù)均為5 a內(nèi)最多，空間分布上有3個主要區(qū)域，東南部地區(qū)、西部的朝陽地區(qū)及中部的沈陽市區(qū)和鐵嶺地區(qū)，其中短時大暴雨在東南部地區(qū)的發(fā)生站數(shù)占全部站數(shù)的39.5%，僅岫巖縣的短時大暴雨站數(shù)占全部站數(shù)的14.2%；2018年東南部地區(qū)短時大暴雨站數(shù)占全省的57.4%；2019年暴雨紅色預(yù)警信號的分布較為分散，中部地區(qū)短時大暴雨站數(shù)同比增高，東南部地區(qū)仍為短時大暴雨的高發(fā)區(qū)。

總體來說，遼寧省短時大暴雨易發(fā)地區(qū)為東南部，其次為西部地區(qū)。除了受海陸不均勻加熱影響，地形作用也是重要的誘因[4]。遼寧地區(qū)在7—8月短時大暴雨較多，強降水發(fā)生在夏季風(fēng)向北突進的時候，副熱帶高壓脊線第二次北跳以后，受北上臺風(fēng)和南來氣旋等天氣系統(tǒng)的影響，短時大暴雨的范圍和程度都最大[22]，因此遼寧地區(qū)在這兩個月份易發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號。

2.3 暴雨紅色預(yù)警信號發(fā)布時間特征分析

本文統(tǒng)計了2015—2019年暴雨紅色預(yù)警信號的發(fā)布個數(shù)，每個預(yù)警信號可能包括多個站點(圖3)，分析暴雨紅色預(yù)警信號的時間分布特征。

如圖3a所示，2015年遼寧省前半夜發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號最多，為9個，占2015年所有時次暴雨紅色預(yù)警信號發(fā)布個數(shù)的47%。2016年暴雨紅色預(yù)警信號發(fā)布時次出現(xiàn)了3次高峰，分別是傍晚、前半夜和凌晨，占比全部時次分別為19%、19%和26%；2017年午夜發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號18個，占比全部時次22%，凌晨發(fā)布25個，占比全部時次27%；2018年暴雨紅色預(yù)警信號小時分布和其他年份呈現(xiàn)出明顯差異，早晨、上午紅色預(yù)警信號占比分別為19%和26%，凌晨和午夜加和占比為16%；2019年前半夜、凌晨發(fā)布的紅色預(yù)警信號占比分別為19%和24%。前半夜、午夜、凌晨小時加和占全部時間段的37.5%。2015—2019年，暴雨紅色預(yù)警信號在前半夜、午夜、凌晨的發(fā)布個數(shù)加和，占比全部時間段的比例分別為57.9%、54.8%、62.2%、20.4%和47.6%。在本文研究的5 a內(nèi)，除2018年外，其他年份暴雨紅色預(yù)警信號多數(shù)在前半夜和凌晨發(fā)布。

2.4 暴雨紅色預(yù)警信號預(yù)警提前時間和雨強提前時間對比分析

圖4是暴雨紅色預(yù)警信號預(yù)警提前時間和雨強提前時間的對比。遼寧省降水主要集中在盛夏的7—8月[22]。6月暴雨數(shù)量較少，為了研究的合理性，將2019年6月、7月發(fā)布的暴雨紅色預(yù)警信號合并在一起(簡稱6—7月)(圖4a)和8月(圖4b)進行分析。

圖3 遼寧省2015年(a)、2016年(b)、2017年(c)、2018年(d)和2019年(e)暴雨紅色預(yù)警信號發(fā)布個數(shù)時間變化Fig.3 Temporal distribution of the number of red rainstorm warning signals in 2015 (a),2016 (b),2017 (c),2018 (d),and 2019 (e) in Liaoning province

圖4 2019年6—7月(a)和 8月(b)遼寧省暴雨紅色預(yù)警信號預(yù)警發(fā)布提前時間和雨強提前時間對比Fig.4 Comparison between the warning and rainfall-intensity advance time of red rainstorm warning signals in June and July (a),and August (b) of 2019 in Liaoning province

2019年6月，遼寧省發(fā)布3個站點暴雨紅色預(yù)警信號，預(yù)警提前時間為11 min，雨強提前時間為34 min；7月，預(yù)警提前時間為66 min，雨強提前時間為62 min，7月預(yù)警提前時間表現(xiàn)出高值，其原因可能是有2次在降水過程開始前已提前發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號，延長了預(yù)警提前時間；8月，預(yù)警提前時間為25 min，雨強提前時間為55 min。在降水開始前發(fā)布預(yù)警信號可以提升預(yù)警提前時間，預(yù)判最大雨強出現(xiàn)時間并發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號能夠兼顧預(yù)警信號的準(zhǔn)確率和提前時間。

如圖4所示，2019年遼寧省共有50個站點成功發(fā)布了暴雨紅色預(yù)警信號，其中6月3個、7月16個，8月31個。有35個站點(占比70%)的暴雨紅色預(yù)警信號是在最大雨強出現(xiàn)后發(fā)布的，這屬于降水過程中預(yù)警，是對降水實況的整體把握、暴雨預(yù)報的綜合研判后發(fā)布的。這樣做的優(yōu)點在于增加了暴雨紅色預(yù)警信號的準(zhǔn)確率。

在選擇的50個站點中，有17個站點(34%)是在最大雨強出現(xiàn)后30 min內(nèi)達到短時大暴雨標(biāo)準(zhǔn)；23個站點(46%)在最大雨強出現(xiàn)后60 min內(nèi)達到；27個站點(54%)在最大雨強出現(xiàn)后90 min內(nèi)達到。因此，最大雨強的出現(xiàn)時間是發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號的重要指征。

利用Kolmogorov-Smirnov方法[21]對雨強提前時間進行高斯分布檢驗，將雨強提前時間進行自然對數(shù)處理后，表明，6—7月和8月的雨強提前時間均符合高斯分布，通過了0.05顯著性水平檢驗。

如圖5所示，采用高斯分布進行雨強提前時間的特征分析。6—7月的雨強提前時間數(shù)學(xué)期望值是99 min，8月的雨強提前時間數(shù)學(xué)期望值為78 min，6—7月比8月延后21 min，這可能是因為8月的降水強度比較大，最大雨強出現(xiàn)后更為快速的達到短時大暴雨標(biāo)準(zhǔn)。在大尺度天氣系統(tǒng)、中小尺度衛(wèi)星云圖及雷達指標(biāo)均表明將出現(xiàn)短時大暴雨的前提下，和6—7月相比，8月最大雨強出現(xiàn)后應(yīng)盡快發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號。

圖5 遼寧省2019年6—7月和8月雨強提前時間正態(tài)分布Fig.5 Normal distribution of the rainfall-intensity advance time in June and July and August of 2019 in Liaoning province

3 結(jié)論與討論

(1)2015—2017年暴雨紅色預(yù)警信號發(fā)布站數(shù)逐年增多，最大值為2017年的147個；2015—2016年發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號的提前時間較長，2017—2018年減少，2019年上升至48 min。

(2)遼寧省暴雨紅色預(yù)警信號多分布于遼寧省東南部地區(qū)、其次為西部地區(qū)，西部地區(qū)在6—7月發(fā)布較多，東南部地區(qū)在8月較多。

(3)遼寧省暴雨紅色預(yù)警信號發(fā)布時間多在前半夜、午夜和凌晨，且降水效率高。

(4)遼寧省50%以上的暴雨紅色預(yù)警信號雨強提前時間小于90 min，最大雨強的出現(xiàn)時間是暴雨紅色預(yù)警信號發(fā)布的重要指標(biāo)。提前判斷最大雨強出現(xiàn)時間并發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號，可以兼顧紅色預(yù)警的準(zhǔn)確率和提前時間。

(5)暴雨紅色預(yù)警信號的發(fā)布不僅是天氣預(yù)報業(yè)務(wù)工作中最重要的部分，而且直接關(guān)系到人民的生命財產(chǎn)安全。分析表明，提前判斷最大雨強的出現(xiàn)時間，有助于準(zhǔn)確發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號。事實上，如何準(zhǔn)確的判斷最大雨強出現(xiàn)時間是預(yù)報預(yù)警工作的難點。紅色預(yù)警通常以降水量達到100 mm為標(biāo)準(zhǔn)進行發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)是否適合遼寧省所有地區(qū)也需要更多探討。在實際業(yè)務(wù)工作中，一方面綜合利用多種高時空分辨率資料，提前判斷最大雨強的出現(xiàn)，兼顧預(yù)警信號的準(zhǔn)確率和提前時間，這是提高預(yù)警準(zhǔn)確率的重要手段；另一方面應(yīng)綜合把握發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號的有利時機，遼寧省暴雨紅色預(yù)警信號多發(fā)布在前半夜、午夜和凌晨，降水過后易造成路面積水、交通堵塞，給早晨上班、上學(xué)的人們帶來不便，因此對于夜間發(fā)布的暴雨紅色預(yù)警信號應(yīng)給予特別關(guān)注；此外，應(yīng)充分考慮短時大暴雨易發(fā)區(qū)和地形的影響。遼寧東南部、西部地區(qū)，當(dāng)預(yù)報指征明確時，應(yīng)盡早發(fā)布暴雨紅色預(yù)警信號。