雅安天漏
雅安天漏
雅安天漏是指氣候類型為亞熱帶季風性濕潤氣候,降雨多,多數縣年降雨1000~1800毫米以上,有“雨城”、“天漏”之稱。濕度大,日照少。年均降雨量1800毫米左右,民間有“雅安天漏”的說法,有雨城之稱,是四川降雨量最多的區域。除高寒山地外,一般冬無嚴寒,夏無酷暑,春季回暖旱,降水集中於夏季,多夜雨,但大相嶺南北氣候有顯著差異。
雅安天漏是由雅安自身所處的特殊地理環境造就的。雅安的西側,是號稱世界屋脊的青藏高原,而東面則是平疇千里的四川盆地。雅安處於這兩種天壤之別的地貌環境之間,常受高原下沉氣流和盆地暖濕氣流的交互影響,再加上從印度洋來的南支西風挾帶大量暖濕氣流,常被迫繞高原東移進入雅安境內,這幾種氣流相互作用,致使雅安不但雨日多、雨時長,而且雨量大。
(1)雨城天漏是雅安喇叭狀的地形造就的
“雨城天漏還有一個重要原因,那便是雅安別具一格的地理形狀造就的。”雅安市氣象台台長劉正禮補充說,他從事預報工作多年,把目光投向雅安四周的山脈就不難發現,雨城好像是一個受氣的“小媳婦”,其人身自由完全被“丈夫”和“公婆”控制住了:它的西面是高大雄峻的二郎山,西北方是險峻的夾金山,南部又有大相嶺橫旦相向,只有東面一個出口。
這樣的地形組成喇叭形狀,東來的暖濕氣流只能進不能出,一到夜間,四周山上的冷氣流下沉,冷暖氣流一經交匯,雨城這一受氣的“小媳婦”就只能以淚洗面———下起淅淅瀝瀝的雨來了,這同時也是雅安為何夜雨較多的原因。
(2)雨城天漏是太平洋偏南氣流輸送的水汽
雨城天漏需要大量的暖濕水汽,從大氣環流形勢分析,為雨城輸送水汽的大氣環流有太平洋副高和偏南氣流。有它們的幫助,“雨城”的天空因此長漏不休。
(3)雨城天漏最根本的原因還是地形。
圖1 雅安及周邊地區平均年降水量和雨日分佈
自從1946年呂炯在《氣象學報》上發表《巴山夜雨》以來,“雅安天漏”的研究逐步深入發展,尤其是20世紀70年後,對“雅安天漏”的基本事實、環流形勢、形成原因及其預報技術,進行了大量觀測分析和天氣研究;90年代開始,又在“雅安天漏”的動力診斷、數值模擬和理論研究方面取得一些新成果;進入21世紀后,繼續開展了“雅安天漏”的氣候變化、數值模擬等深入研究。研究表明:由於雅安特殊的地理環境和地形條件,天氣氣候表現出鮮明的區域特徵,不僅是我國內陸降水的最大中心,也是雲量的最大中心、日照的最小中心,“雅安天漏”雖是一種典型的局地現象,但它與高原影響和大範圍環流、天氣氣候演變密切相關,對區域天氣氣候數值模式發展也有重要意義”。然而,研究“雅安天漏”既是一個理論難點,也是一個技術難題。為推動“雅安天漏”研究進一步開展,本文從其天氣、氣候與氣候變化、科學問題和發展趨勢等方面,重點總結了近40多年來關於“雅安天漏”研究的主要進展,分析了存在的薄弱環節,指出了今後研究的主要方向。
“雅安天漏"的天氣學研究
1946年,呂炯就分析了青藏高原大地形與四川盆地對氣溫、降水的特殊影響,指出位於高原一盆地過渡帶川西地區的雅安是我國降水的一個中心,素稱“雅安天漏”;並提出了其多雨、夜雨特徵形成的可能原因。此後,人們從不同側面分析了“雅安天漏”的基本特徵、環流形勢、影響系統、形成原因和預報思路,主要揭示了“雅安天漏”的天氣學特徵、高低層環流配置、邊界層作用、影響系統,並提出概念模型和預報指標等。近40多年來,“雅安天漏”天氣學研究,在觀測分析、天氣診斷、數值模擬與機理等方面取得了若干有意義的成果。
(1)“雅安天漏”的大尺度環流分型研究
通過研究將雅安暴雨的大尺度環流型分為A、B、C三類。即:青藏高壓(脊)後部低渦(切變)東移觸發的暴雨過程(A類),西太平洋副高邊緣西風短波槽觸發的暴雨過程(B類),西風大槽發展影響產生的暴雨過程(C類)。其中,B類為“雅安天漏”最主要的典型形勢。同時,該研究表明,雅安暴雨與高層100hPa南亞高壓活動關係密切;雅安暴雨前和過程中,對流層中下層為濕空氣匯、空氣質量輻合、暖平流和正渦旋平流中心,對流層上層為干層、空氣質量輻散、冷平流和負渦度平流中心;青藏高原大尺度地形和高原邊坡的喇叭口河谷中小尺度地形的綜合作用,在雅安產生準定常的中尺度地形渦旋,在適當的熱力和動力條件下,進一步發展成“雅安天漏”中尺度系統,多尺度複合地形對“雅安天漏”的綜合作用十分明顯。
(2)“雅安天漏”的成因與預報研究
早在20世紀70年代中後期,應用台站觀測資料,從雅安暴雨的氣候特點、天氣系統、預報思路方面,詳細總結分析了“雅安天漏”的形成因子及其預報思路;尤其指出了青藏高原大地形的重要作用,由於東西向大相嶺山脈形成了以降水差異顯著為特徵的南北天氣氣候分佈,在高原大地形影響下,與副熱帶高壓異常演變密切聯繫的低槽、低渦、冷空氣活動等是其主要影響因子,也是預報的重要指標。
到20世紀90年代中期,基於大量區域暴雨的個例資料,從氣候、大尺度環流、物理量合成、地形作用和中尺度系統等方面對雅安暴雨進行了詳細研究。結果表明,“雅安天漏”是在青藏高原東坡特定的地形作用下產生的特殊降水現象,其分佈具有顯著的中尺度特徵;“夜雨”特點突出,其在環境場條件和中尺度系統的物理量結構等方面,均異於華北、華東和華南等地暴雨。與此同時,曾慶存等通過對“雅安天漏”夜雨等基本特徵、熱力與動力等物理結構和形成機制的研究,提出了“雅安天漏”形成的可能機制,首次從理論上解釋了其基本成因。其中,提出了地形不僅對雅安降水還對雅安夜雨具有非常重要的作用,兩者具有很好的對應關係;尤其是提出了地面邊界層對“雅安天漏”起主要作用,以及可能是白天高原邊坡對其低層大氣的感熱、潛熱輸送影響的新認識;最後,從高原東部邊坡白天感熱、潛熱輸送,區域空氣冷暖對比、白天邊界層觸發水平與垂直運動、傍晚環流圈加強、水汽凝結潛熱與垂直環流正反饋作用,午夜后環流和降水達到最強等方面,揭示了“雅安天漏”的形成機制。
“雅安天漏”的氣候學研究
近40多年來,“雅安天漏”氣候與氣候變化方面的分析研究雖不及天氣研究深入而系統,但也取得了一些有價值的成果。如“雅安天漏”的降水特徵、自然季節、時空分佈、月季變化、水汽輸送、雲量變化、氣候資源及其開發等,另外還涉及觀測分析、統計診斷、降水變化、雲量分佈及其變化等方面的研究。
對雅安區域暴雨氣候特徵的分析表明,雅安地區主汛期為6月下旬至9月上旬,區域暴雨集中在7月下旬至8月中旬;區域暴雨的年際變化與西太平洋副熱帶高壓的年際變化相關,暴雨頻發期的周期振蕩與副高的中、短期變化相聯繫;暴雨預報要考慮其區域差異性。2007年,應用小波分析,討論了1951—2006年雅安降水的時間變化,結果表明,雅安年和季節降水均存在多時間尺度變化特徵,其中8~12a時間尺度周期變化最顯著,4—6a時間尺度周期變化次之。
圖2 四川雅安、青藏高原和西太平洋暖池的年平均潛熱分佈
2011年,張琪等利用中國西南地區1960--2005年85個測站雲量資料,分析西南地區雲量的時空分佈與變化趨勢等特徵。結果表明,西南地區冬、春和秋季總雲量、低雲量均呈“東多西少”分佈,其中,冬季雅安位於東部總雲量多雲區和低雲量多雲中心,春、秋季總雲量和低雲量雅安均為一多雲中心;夏季相反,西南地區總雲量、低雲量呈“東少西多”分佈,其中,雅安屬於西部多雲區;西南地區總雲量、低雲量均呈減少趨勢,並具有準8a周期變化。年平均和夏季總雲量在西南大部分地區呈逐年減少趨勢,雅安夏季總雲量呈微弱減少趨勢,而西南地區低雲量年和季節變化趨勢較為一致,主要在四川盆地呈減少趨勢,其它地區呈增加趨勢,其中,雅安低雲量主要呈減少趨勢。這進一步揭示了“雅安天漏”雲量分佈及其變化。
“雅安天漏"的主要科學問題與未來研究重點
(1)主要科學問題
以上研究表明,“雅安天漏”不僅是一種獨特的區域氣候現象,而且在大範圍天氣氣候變化中也具有重要的科學意義。半個多世紀以來,人們應用觀測資料,開展了大量觀測分析、動力診斷和數值模擬及其預報技術研究,取得了不少有價值的成果。從20世紀40年代早期的開創性工作,到20世紀90年代較為系統研究如,再到之後進一步分析研究,為繼續研究“雅安天漏”打下了堅實基礎。但“雅安天漏”仍然存在一些未解的科學問題,還需要對其進一步加強精細化觀測分析、理論性定量研究和實際業務應用,尤其是進入21世紀后,如何推動“雅安天漏”氣象學深入發展值得認真思考。其主要科學問題有:①“雅安天漏”的三維精細化熱力、動力學結構;②青藏高原東側多尺度複合地形對“雅安天漏”的具體作用;③“雅安天漏”的熱源結構、邊界層特徵及其天氣氣候意義;④“雅安天漏”的數值模擬研究與其形成機理;⑤“雅安天漏”與大範圍天氣氣候變化的內在聯繫;⑥“雅安天漏”區域氣候特徵及其氣候變化響應。
因此,在前期工作的基礎上,進一步圍繞上述科學問題,加強青藏高原東側複雜地形與大氣環流相互作用下,多尺度地形、熱源變化、水分循環、大氣邊界層、雲與輻射、高原周邊及下游天氣氣候、氣候變化及區域響應與“雅安天漏”的關係及其影響的天氣學、動力學與氣候學的深入細緻分析研究,無疑可進一步提升對“雅安天漏”的認識水平。
(2)未來研究重點
回顧“雅安天漏”研究的前期進展,主要存在著新資料應用不夠、動力學研究不深、精細化分析缺乏、能量與邊界層分析少、雲與輻射研究薄弱等不足。因此,基於對前期研究薄弱環節的認識,準確把握未來研究的科學問題,結合國際上大氣科學技術,尤其是高原山地氣象學的發展趨勢,其未來研究重點應集中圍繞綜合觀測、科學試驗、資料分析、理論研究和數值模擬與預報技術等方面展開。
①“雅安天漏”的綜合觀測。針對青藏高原東側地形與大氣環流多尺度相互作用的複雜性,在雅安周邊及其下游地區現有觀測站網評估的基礎上,開展“雅安天漏”觀測布局研究,在“迎風坡”和“喇叭口”等高原一盆地過渡帶關鍵區域,增設AWS、PBL、風廓線、GPS水汽與探空等觀測設備和站點,結合衛星、雷達等觀測,建設與多尺度複合地形匹配的中小尺度觀測網,形成對“雅安天漏”的綜合觀測。
②“雅安天漏”的科學試驗。在建立“雅安天漏”綜合觀測站網基礎上,通過移動氣象觀測平台,針對地面和大氣熱源、水汽循環與輸送、邊界層大氣演變、雲量與輻射等方面,形成高時空解析度的立體觀測站網,開展“雅安天漏”專項科學野外試驗,獲取“雅安天漏”的三維變化與過程演變的整體特徵,建立“雅安天漏”的多源信息數據集。
③“雅安天漏”的資料分析。在常規觀測資料的基礎上,加大綜合觀測、科學試驗、衛星遙感、雷達探測等新資料的應用,精細分析“雅安天漏”高低層動力、熱力結構的三維立體分佈特徵,感熱、潛熱基本結構及其變化,雲分佈特徵和水汽輸送與區域循環,“雅安天漏”典型降水過程的發生、發展與結束的物理過程,“雅安天漏”與周邊系統的多尺度相互聯繫等問題,進一步揭示“雅安天漏”的整體物理圖像和時空變化特徵。
④“雅安天漏”的理論研究。根據觀測分析結果,應用數值模擬、理論分析等方法,深入探討高原東側地形、熱源結構,高原東側邊坡與主體和下游平原邊界層狀況及其相互關係、水汽變化、雲分佈特徵等對“雅安天漏”的影響及其相互作用,認識其形成、發展和減弱的基本規律和變化特徵,明確其主要物理過程和關鍵影響因素,了解其區域成因和環境條件,揭示其形成與演變機理,對其成因做出更加全面的科學解釋。
⑤“雅安天漏”的預報技術。通過觀測分析與理論研究,在已有數值模式的基礎上,不斷發展“雅安天漏”預測預報新技術,重點改進數值模式中的複雜陡峭地形、特殊邊界層過程、雲與輻射過程、模式解析度等,逐步發展成為具有區域特色的、準確率高的適合“雅安天漏”業務預報的數值天氣模式,增強“雅安天漏”等青藏高原及其周邊地區的天氣預報能力,並由此進一步提升我國的災害性天氣預報業務與技術水平。
需要說明的是,研究僅僅綜述了近40多年來“雅安天漏”研究的主要進展,沒有包括四川暴雨尤其是川西暴雨等與“雅安天漏”相聯繫的大量研究工作。
圖3 雅安及周邊地區平均年降水和雨日分佈
已有的研究表明,近50多年來全國平均降水量存在明顯的區域特徵,除東北北部及西北大部分地區外,全國大部降水是減少的,四川就是其中之一。而且,四川省川西高原和平原盆地的降水變化存在明顯差異,其中盆地東、中、西部的降水變化也具有不同的變化特徵。另外,雨日的氣候變化表現出與降水量變化既有密切關係,又有一定差異。分析中國雨日的氣候變化特徵,發現整個中國年雨日明顯減少,尤其是西南地區,並且,春、夏、秋、冬四季雨日都呈下降趨勢。位於西南地區的四川盆地各量級雨日在盆地不同位置又表現出不同的變化趨勢,盆地西部是減少的,特別是暴雨日數減少明顯。分析指出,“雅安天漏”的降水變化主要決定於中小強度降水和夜間降水的變化特徵。近50多年來,雅安總降水日數和中小強度降水量為減少的趨勢,主要發生在20世紀50年代到70年代和近期20多年,表現出降水日數和降水量急劇減少的區域特徵。但是對於“雅安天漏”降水特徵的季節變化、月變化及汛期變化缺乏相關的研究。
另外,上述對四川盆地降水特徵的氣候研究對象均局限於日降水量、月降水量及年降水量,這樣就平滑了小時雨量的變化特徵。在四川,特別是像雅安這種位於高原與盆地過渡的陡峭地形區內,容易造成財產及人員傷亡的恰恰是強度大、時間集中的強小時雨強。隨著小時降水資料的日趨豐富,眾多學者開始重視對降水日循環特徵的研究。江淮流域降水日變化具有雙峰值結構,並與不同持續時間的降水過程有密切聯繫。利用1991—2004年台站觀測逐時降水資料分析了我國西南部降水日變化的基本特徵,結果表明:西南部降水“夜雨”特徵明顯,但存在午後次峰值,且區域差異顯著;降水頻次和降水強度亦存在明顯日變化。但是具有“天漏”之稱的雅安,其降水日變化又有什麼特徵呢?通過分析“雅安天漏”異常旱澇年的降水特徵發現,雅安旱年降水日變化呈單峰單谷結構,峰值在凌晨1:00,谷值在下午14:00;澇年日變化則為雙峰結構,第一峰值在23:00,次峰值在凌晨3:00,谷值在下午16:00。
對於“雅安天漏”這種獨特的天氣氣候和區域變化特徵,在已有工作的基礎上,開展深入的分析研究是非常必要的。因此,研究利用較長時間的逐小時降水資料,進一步詳細分析青藏高原東側四川省雅安降水的年代際變化、年際變化、季節變化、汛期變化、月際變化及其日變化特徵,以加深對“雅安天漏”現象的科學認識。
研究使用了四川省雅安1951—2008年的逐日降水觀測資料,以及基於降水自記紙記錄,經過數字信息化處理得到的1961—2000年的逐小時降水量數據,時間均為北京時。考慮到數據資料的連續性和完整性,其中年際、年代際、四季、汛期及逐月的降水量和雨日統計使用1951—2008年的逐日降水觀測資料;在降水日變化分析時,僅選取了1969—2000年的逐小時降水資料。並且,選取每年5—9月為汛期,10月至次年4月為非汛期。雨日定義為日降水量大於0.0mm的日數,小時降水量大於或等於0.1mm的時次確定為降水時次。
主要應用了相關分析、趨勢分析、滑動t檢驗等統計診斷方法。其中,趨勢分析為氣候趨勢係數分析(以下簡稱趨勢係數),是計算氣象要素的時間序列與自然數數列之間的相關係數。由於趨勢係數是無量綱、在±1之間變化、標準化的一元線性回歸係數,因此,它消去了氣象要素的均方差和單位對線性回歸係數大小的影響,可用於比較不同的趨勢變化。並且,通過t檢驗判斷這種氣候趨勢是有意義的,還是一種隨機振動。這裡考慮90%、95%、99%三種信度水平。
圖4 “雅安天漏”不同強度降水雨日年變化
表 1 “雅安天漏”降水量的年代際變化
表 2 “雅安天漏”雨日的年代際變化
表3 “雅安天漏”雨強的年代際變化
從春、夏、秋、冬四季雅安降水量和雨日變化看到,“雅安天漏”降水量的季節差異明顯,夏季降水最多(996.9mm),其次是秋季(363.9mm)和春季(282.1mm),冬季最少(72mm)。趨勢係數表明,除冬季外,春、夏、秋三季的降水量均減少,其中,秋季減少最顯著,趨勢係數通過了95%的信度水平,減少速率20.8mm/10a。夏、秋兩季降水量的減少佔年降水量減少的85%,並且這兩個季節的降水量與年降水量相關性遠超春季和冬季,說明雅安年降水量的長期變化主要受夏季和秋季降水的影響。
“雅安天漏”雨日分佈的季節變化比降水量小。秋季雨日最多(58.8d),其次是夏季(58.3d)和春季(55d),冬季雨日最少(41.8d)。與降水量變化相似,除冬季外,春、夏、秋三季的雨日均減少,而且雨日的減少比降水量更顯著。其中,秋季雨日減少最顯著,通過了99%的信度水平,減少強度也最大,平均減少1.7d/10a。其次是春季,通過了95%的信度水平,平均1.3d/10a。秋、春兩季雨日的減少佔年雨日減少的86%,說明“雅安天漏”年雨日的減少主要受秋、春兩季雨日減少的影響。
秋季降水量和雨日顯著減少這一結論與文獻 得出的結論一致,該文還提出在秋季,青藏高原背風坡地區不同量級降水均呈減少趨勢,並且這種現象與80年代中東太平洋增溫有一定聯繫。另外,川渝地區夏季降水量與赤道印度洋海溫區域呈顯著相關,具體表現為印度洋關鍵區海溫與川西高原和盆地東部夏季降水量呈同位相變化,與盆地西部降水量呈反位相變化有關。對於位於盆地西南部的“雅安天漏”是不是存在與上述遙相關相同的特徵,或者存在其他的成因,還需要進行後續相關研究。
圖5 “雅安天漏”汛期降水量距平百分率變化
1951—2008年汛期雨日統計表明,“雅安天漏”平均每年的汛期雨日達到98.5d,占年總雨日的46%,遠沒有汛期降水量占年總降水量的比重大。汛期雨日最多的年份有118d,最少只有77d。1951—2008年“雅安天漏”汛期雨日的距平變化顯示,近58a雅安汛期雨日明顯減少,其變化趨勢通過了99%的信度水平,比汛期降水量減少更顯著。減少速率達到了2.2d/10a,占年總雨日減少量的62.9%。從9a滑動平均趨勢看,20世紀80年代中期以前,趨勢線均位於零線以上,雨日偏多;進入90年代初期以後,雨日顯著減少。
通過對“雅安天漏”降水變化特徵進行多時間尺度的細緻分析,得到了如下主要結論:
1)與整個四川省的降水變化一致,近58a“雅安天漏”的年降水總量和年雨日是減少的,並且後者比前者減少得更加顯著。另外,雨日在20世紀90年代初期發生了由多到少、急劇減少的突變,突變點在1991年。進一步分析得知,降水量在90年代的顯著減少是受雨日、雨強變化的共同影響。
2)“雅安天漏”降水量的季節變化比雨日的季節變化更明顯。除冬季外,春、夏、秋三季降水量和雨日均減少,其中,秋季減少最顯著。年降水量的減少主要受夏、秋兩季降水量減少的影響,年雨日的減少主要是受秋、春兩季雨日減少的影響。
3)“雅安天漏”汛期降水量占年降水量的77.9%,並以48.4mm/10a的速率減少。汛期降水量的減少佔年降水量減少的92.7%;汛期雨日的減少比汛期降水量顯著,減少速率達到2.2d/10a,並占年雨日減少的62.9%。
4)平均而言,“雅安天漏”8月降水量最多,10月雨日最多。從逐月的長期變化趨勢來看,7月雨量減少最明顯,5月雨日減少最明顯。值得注意的是,21世紀初期以來,“雅安天漏”強降水月份減少,雨日集中時段也有所縮短。
5)“雅安天漏”降水的日變化非常突出,呈單峰單谷結構。一般降水量和降水頻次在午夜0:00達到峰值,在下午15:00~16:00出現谷值。兩者從谷值到峰值的增加速率是從峰值到谷值衰減速率的2倍,表明雅安降水易在夜間形成強降水,並具有較強的持續性。另外發現雅安夜雨存在降雨量和發生頻次均減小的變化趨勢,其降雨量和發生頻次最大值出現時間提前、向前半夜移動的變化特徵。
不過,研究只是基於本地觀測事實做出的一些現象分析,關於“雅安天漏”的區域降水特徵與全球變暖的關係,以及這些變化特徵的影響機制還需要在下一步工作中進行深入分析。