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        吉林省邊疆近海區(qū)東風(fēng)急流暴雨預(yù)報(bào)技術(shù)研究

        2022-10-08 10:59:26董鶴松張瑩瑩馮景瑜
        氣象災(zāi)害防御 2022年3期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)速

        董鶴松 張瑩瑩 馮景瑜 隋 妍

        (延邊朝鮮族自治州氣象局,吉林 延吉 133000)

        1 引言

        延邊朝鮮族自治州是吉林省東部邊疆近海區(qū),處于長(zhǎng)白山脈腳下,地形地貌復(fù)雜,且東臨日本海, 海洋上的暖濕氣流時(shí)常自東向西進(jìn)入延邊地區(qū),氣象災(zāi)害頻繁。每年5—10 月常有北上或東移進(jìn)入朝鮮半島、日本海的氣旋影響吉林省東部,其北側(cè)東風(fēng)氣流常給延邊地區(qū)帶來(lái)暴雨天氣,降水起止時(shí)間、落區(qū)等問(wèn)題是預(yù)報(bào)難點(diǎn)和關(guān)鍵,困擾著當(dāng)?shù)貧庀蠊ぷ髡?。?guó)內(nèi)對(duì)于回流天氣的研究,多集中于華北、山東半島地區(qū),對(duì)吉林省乃至東北地區(qū)東部的回流天氣研究較少。 華北回流是指對(duì)流層底層自東北平原南下經(jīng)渤海影響華北平原的冷空氣, 而影響東北地區(qū)東部的回流是來(lái)自日本海的一股暖濕氣流,兩者雖有一定的相似之處,但卻是性質(zhì)完全不同的兩種氣團(tuán)。 張迎新等[1]發(fā)現(xiàn),華北回流在降水中起“冷墊”作用,而東北回流則是降水的水汽“供應(yīng)者”。 為充分認(rèn)識(shí)吉林省回流暴雨天氣特征, 探討吉林省邊疆近海區(qū)東風(fēng)急流暴雨天氣成因,本文通過(guò)分析研究暴雨環(huán)流形勢(shì)、風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)配置、系統(tǒng)演變、物理量指標(biāo)等形成客觀預(yù)報(bào)方法, 提升此類(lèi)暴雨天氣的分析和預(yù)報(bào)預(yù)警能力,為今后預(yù)報(bào)同類(lèi)天氣起到參考作用。

        2 資料和研究方法

        本文利用1990—2019 年常規(guī)觀測(cè)資料、NCEP 再分析資料及Micaps 資料。取逐日降水量資料, 當(dāng)受東風(fēng)急流影響在延邊地區(qū)8 個(gè)縣(市)國(guó)家氣象觀測(cè)站中,至少有2 站出現(xiàn)日降水量≥50mm 時(shí),定義為一次東風(fēng)急流暴雨過(guò)程。經(jīng)統(tǒng)計(jì),此類(lèi)過(guò)程共出現(xiàn)26 次。

        選取26 次暴雨的主要影響系統(tǒng),根據(jù)主要影響天氣系統(tǒng)的相互配置對(duì)暴雨進(jìn)行綜合分型,從地面影響系統(tǒng)來(lái)看, 其中受熱帶氣旋影響的占50%(13 例), 受溫帶氣旋影響的占46%(12 例),受倒槽影響的占4%(1 例)。 可見(jiàn),東風(fēng)急流影響延邊地區(qū)出現(xiàn)的暴雨影響系統(tǒng)主要分為溫帶氣旋型和熱帶氣旋型。 在溫帶氣旋型12 個(gè)個(gè)例中,1個(gè)個(gè)例受蒙古氣旋影響, 其余個(gè)例均受南方氣旋影響,因此本文選取南方氣旋型11 個(gè)個(gè)例作為溫帶氣旋型研究樣本,熱帶氣旋型13 個(gè)個(gè)例作為熱帶氣旋型研究樣本, 應(yīng)用天氣學(xué)方法將影響延邊地區(qū)的東風(fēng)回流暴雨分為溫帶氣旋型和熱帶氣旋型兩類(lèi)進(jìn)行分析研究[2]。

        3 東風(fēng)急流暴雨時(shí)空特征

        從暴雨個(gè)例時(shí)間分布來(lái)看, 暴雨主要發(fā)生在5—10 月, 其中7 月和9 月出現(xiàn)的個(gè)例最多,77%的個(gè)例出現(xiàn)在6 月中旬—9 月中旬。 從空間分布來(lái)看,此類(lèi)暴雨呈非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),多出現(xiàn)在延邊地區(qū)東部, 位于延邊東部的琿春站出現(xiàn)暴雨的個(gè)例占85%, 而僅19%的個(gè)例在延邊西部敦化站出現(xiàn)了暴雨。

        溫帶氣旋型11 個(gè)個(gè)例中,8 個(gè)個(gè)例出現(xiàn)在6—7 月,占73%(圖1a)。此類(lèi)個(gè)例中,降水主要呈現(xiàn)出“東多西少”或“南多北少”的分布特點(diǎn),暴雨中心出現(xiàn)在4 個(gè)縣(市),其中73%(8 個(gè))的個(gè)例24h 最大降水量出現(xiàn)在琿春站(圖1b)。 降水中心的24h 降水量為51.8~81.3mm, 最大降水量出現(xiàn)在1992 年6 月17 日的琿春站。

        熱帶氣旋型13 個(gè)個(gè)例中,11 個(gè)個(gè)例出現(xiàn)在7—9 月, 占84.6%;2 個(gè)個(gè)例出現(xiàn)在10 月,占15.4%(圖1c)。 在熱帶氣旋型個(gè)例中,降水同樣呈現(xiàn)出“東多西少”或“南多北少”的分布特點(diǎn)。 暴雨中心出現(xiàn)在5 個(gè)縣(市), 其中46.2%的個(gè)例24h最大降水量出現(xiàn)在琿春站 (圖1d)。 降水中心的24h 降水量為51.1~174.6mm, 最大降水量出現(xiàn)在2016 年8 月30 日的圖們站。

        圖1 1990—2019 年5—9 月溫帶氣旋型個(gè)例月分布(a)、各縣(市)出現(xiàn)最大降水中心概率(b),1990—2019 年7—10 月熱帶氣旋型個(gè)例月分布(c)、各縣市出現(xiàn)最大降水中心概率(d)

        4 天氣系統(tǒng)

        4.1 副熱帶高壓

        分析溫帶氣旋型個(gè)例的西太平洋副熱帶高壓(以下簡(jiǎn)稱(chēng)副高)特征發(fā)現(xiàn),副高呈塊狀;中心強(qiáng)度為588~592dagpm;脊線在28°N 以北,最北可抬至40°N;西伸脊點(diǎn)在110°E~135°E。

        分析熱帶氣旋型個(gè)例,副高均呈塊狀;中心強(qiáng)度為588~592dagpm;脊線位置偏北,位于35°N~40°N;西伸脊點(diǎn)位于135°E 附近,副高位置明顯偏東偏北。 副高在日本列島附近形成一個(gè)南北向的高壓壩,其西側(cè)有一條較強(qiáng)的偏南風(fēng)急流帶,引導(dǎo)臺(tái)風(fēng)北上。

        可見(jiàn)暴雨發(fā)生時(shí),副高多呈塊狀,位置偏北,強(qiáng)度偏強(qiáng)。 因此,副高的強(qiáng)度、位置和形狀對(duì)于東風(fēng)急流暴雨的出現(xiàn)至關(guān)重要[3-4]。

        4.2 高低空環(huán)流形勢(shì)

        溫帶氣旋型個(gè)例中,500hPa 歐亞大陸中高緯地區(qū)多呈“兩脊一槽”型,高壓脊分別位于貝加爾湖附近和日本海附近, 蒙古國(guó)至東北地區(qū)西部多有南北向高空槽。 冷空氣沿貝加爾湖附近的高壓東側(cè)南下,使得高空槽不斷發(fā)展加強(qiáng),并逐漸向東移動(dòng),但由于日本海附近高壓壩的存在,使得高空槽移動(dòng)緩慢,降水時(shí)間較長(zhǎng)。 700hPa 上均受切變線影響。過(guò)程開(kāi)始初,切變線一般在渤海灣至朝鮮半島附近發(fā)展加強(qiáng), 個(gè)別個(gè)例切變線位于吉林省西部,之后切變線逐漸向東北或向東移動(dòng)。強(qiáng)降水期間,切變線多從延邊地區(qū)南部或西部穿過(guò),且延邊地區(qū)多為東南風(fēng)或偏東風(fēng)風(fēng)速輻合。 850hPa 上在過(guò)程開(kāi)始初, 多在朝鮮半島附近或吉林省西部存在低渦,低渦逐漸東移北上,且部分個(gè)例存在人字形切變線。在主要降水期間,延邊地區(qū)多處于冷式切變線的東側(cè),或人字形切變線的內(nèi)部,個(gè)別個(gè)例位于暖式切變線的北側(cè)。隨著切變線移近,延邊地區(qū)風(fēng)速輻合逐漸增強(qiáng),降水強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。

        熱帶氣旋型個(gè)例中,500hPa 歐亞大陸中高緯地區(qū)為“兩脊一槽”型或“兩脊兩槽”型,其中“兩脊一槽”型占多數(shù),達(dá)61.5%。 “兩脊一槽”型中,一脊位于貝加爾湖以西, 另一脊位于庫(kù)頁(yè)島至日本列島一帶,兩高壓脊之間為寬廣的東亞槽區(qū)。之后整個(gè)東亞槽區(qū)緩慢東移南壓, 即在貝加爾湖以東為一個(gè)冷空氣堆,在槽(渦)后有冷空氣入侵,熱帶氣旋或臺(tái)風(fēng)亦處于東亞槽區(qū)內(nèi)?!皟杉箖刹邸毙椭校徊鄱辔挥诎蜖柨κ埠员?,其他槽脊位置與“兩脊一槽”型槽脊位置類(lèi)似。 700hPa 和850hPa 上,均受熱帶氣旋北部切變線影響, 切變線一般從日本?;虺r半島附近北上影響延邊地區(qū), 多為偏東風(fēng)或東南風(fēng)與東北風(fēng)的風(fēng)向切變以及偏東風(fēng)或東南風(fēng)的風(fēng)速輻合。隨著切變線移近延邊地區(qū),風(fēng)速輻合增強(qiáng),降水強(qiáng)度增強(qiáng)。

        5 預(yù)報(bào)因子

        從實(shí)際預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)出發(fā), 本文選取了基層臺(tái)站預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中常用的幾個(gè)物理量作為預(yù)報(bào)因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[5-8]。

        5.1 低空急流

        分析溫帶氣旋型個(gè)例700hPa 風(fēng)場(chǎng)可以看出,在延邊地區(qū)附近多存在偏東或東南急流,風(fēng)速大值區(qū)呈東南—西北向帶狀分布,延邊地區(qū)處于急流軸北側(cè)風(fēng)速梯度大值區(qū),700hPa 急流核最大風(fēng)速多為12~24m·s-1,最強(qiáng)可達(dá)28m·s-1。 850hPa 風(fēng)場(chǎng)上, 所有個(gè)例均存在偏東風(fēng)或東南風(fēng)急流,風(fēng)速大值區(qū)呈東北—西南向或東南—西北向帶狀分布,延邊地區(qū)處于急流軸風(fēng)速梯度大值區(qū),急流核最大風(fēng)速多為12~24m·s-1, 最大可達(dá)28m·s-1(圖2a)。

        分析熱帶氣旋型個(gè)例700hPa 風(fēng)場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn),大多數(shù)個(gè)例在延邊地區(qū)附近存在偏東風(fēng)或東南風(fēng)急流, 風(fēng)速大值區(qū)呈東南—西北向帶狀分布, 延邊東部處于急流軸風(fēng)速梯度大值區(qū),700hPa 急流核最大風(fēng)速多為18~28m·s-1,最強(qiáng)可達(dá)32m·s-1。 850hPa 風(fēng)場(chǎng)上,84.6%的個(gè)例在延邊地區(qū)附近存在偏東風(fēng)或東南風(fēng)急流,風(fēng)速大值區(qū)呈東西向或東南—西北向帶狀分布,延邊東部處于急流軸風(fēng)速梯度大值區(qū), 急流核最大風(fēng)速為12~24m·s-1(圖2b)。

        綜上所述, 偏東風(fēng)和東南風(fēng)急流將水汽源源不斷地向延邊地區(qū)輸送, 為暴雨的產(chǎn)生提供了充沛的水汽和能量條件, 急流的方向和強(qiáng)度是判斷能否出現(xiàn)東風(fēng)急流暴雨的重要指標(biāo)[9]。

        5.2 比濕

        溫帶氣旋型個(gè)例中,850hPa 比濕均在6g·kg-1以上,最大達(dá)到13g·kg-1;700hPa 比濕均在4g·kg-1以上,最大達(dá)到10g·kg-1(圖2a)。

        圖2 溫帶氣旋型(a)、熱帶氣旋型(b)東風(fēng)急流暴雨預(yù)報(bào)因子(風(fēng)速,單位:m·s-1;比濕,單位:g·kg-1;垂直速度,單位:10-1Pa·s-1;水汽通量,單位:g·cm-1·hPa-1·s-1;水汽通量散度,單位:10-8g·cm-2·hPa-1·s-1;假相當(dāng)位溫,單位:℃)

        熱帶氣旋型個(gè)例中,850hPa 比濕均在6g·kg-1以 上, 最 大 可 達(dá)14g·kg-1;700hPa 比 濕 基 本 在6.5g·kg-1以上,最大可達(dá)11g·kg-1(圖2b)。

        5.3 水汽通量及水汽通量散度

        分析溫帶氣旋型個(gè)例850hPa 水汽通量分布可以看出,水汽通量大值軸呈現(xiàn)東南—西北向分布,且多位于日本海附近, 中心強(qiáng)度為10g·(cm·hPa·s)-1以上, 最大可達(dá)25g·(cm·hPa·s)-1。 延邊地區(qū)850hPa 水汽通量在3g·(cm·hPa·s)-1以上, 最大達(dá)15g·(cm·hPa·s)-1。 從850hPa 水汽通量散度分布來(lái)看, 延邊地區(qū)位于水汽通量輻合區(qū)內(nèi), 強(qiáng)度在-1.5×10-8g·(cm2·hPa·s)-1以上, 最強(qiáng)可達(dá)-8×10-8g·(cm2·hPa·s)-1(圖2a)。

        分析熱帶氣旋型個(gè)例850hPa 水汽通量分布可以發(fā)現(xiàn), 熱帶氣旋與日本海附近的副熱帶高壓之間所形成的偏東風(fēng)和東南風(fēng)低空急流將日本海水汽源源不斷地向延邊地區(qū)輸送。 水汽通量大值軸呈現(xiàn)東西向或東南—西北向分布, 中心位于日本海附近,強(qiáng)度在10g·(cm·hPa·s)-1以上,最大可達(dá)33g·(cm·hPa·s)-1。 延邊地區(qū)850hPa 最大水汽通量在6g·(cm·hPa·s)-1以上, 最大達(dá)22g·(cm·hPa·s)-1。 從850hPa 水汽通量散度的分布來(lái)看,延邊地區(qū)位于水汽通量輻合區(qū)內(nèi),強(qiáng)度在-1.0×10-8g·(cm2·hPa·s)-1以上,最強(qiáng)可達(dá)-17×10-8g·(cm2·hPa·s)-1(圖2b)。

        綜上所述,850hPa 水汽通量輻合中心位于延邊東部,與暴雨落區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可用于預(yù)報(bào)強(qiáng)降水中心位置。

        5.4 垂直速度

        溫帶氣旋型個(gè)例中, 暴雨期間垂直速度上升區(qū)呈帶狀分布, 延邊地區(qū)700hPa 垂直速度≤-0.4Pa·s-1, 最強(qiáng)為-1.2Pa·s-1;850hPa 多為正負(fù)速度對(duì),延邊地區(qū)在垂直速度上升區(qū)內(nèi),垂直速度≤-0.1Pa·s-1,最強(qiáng)為-1.0Pa·s-1(圖2a)。

        熱帶氣旋型個(gè)例中, 暴雨期間垂直速度上升區(qū)呈帶狀分布, 延邊地區(qū)700hPa 垂直速度≤-0.4Pa·s-1,最強(qiáng)為-2Pa·s-1;850hPa 多為正負(fù)速度對(duì), 延邊地區(qū)在垂直速度上升區(qū)內(nèi), 垂直速度≤-0.3Pa·s-1,最強(qiáng)為-2Pa·s-1(圖2b)。

        5.5 假相當(dāng)位溫

        分析溫帶氣旋型個(gè)例850hPa 假相當(dāng)位溫水平分布, 從中可見(jiàn)假相當(dāng)位溫大值中心起初位于日本?;虿澈掣浇⒅饾u向北推進(jìn),且梯度增強(qiáng), 延邊地區(qū)最大值為36~68℃, 平均值為47℃(圖2a)。

        分析熱帶氣旋型個(gè)例850hPa 假相當(dāng)位溫水平分布, 從中可見(jiàn)假相當(dāng)位溫大值中心起初位于日本海上,隨著熱帶氣旋或臺(tái)風(fēng)北上,大值區(qū)逐漸從海上跨上大陸,并伸入延邊東部。此后假相當(dāng)位溫量值增大、梯度增強(qiáng),延邊東部最大量值為31~74℃,平均值為57℃(圖2b)。

        通過(guò)分析發(fā)現(xiàn), 暴雨中心一般位于能量舌上或能量鋒區(qū)附近且靠近大值區(qū)一側(cè)。

        6 概念模型的建立

        根據(jù)不同環(huán)流形勢(shì)配置,對(duì)溫帶氣旋型11 個(gè)個(gè)例,熱帶氣旋型13 個(gè)個(gè)例的常規(guī)預(yù)報(bào)因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 在此基礎(chǔ)上建立溫帶氣旋型東風(fēng)急流暴雨概念模型(圖3)和熱帶氣旋型東風(fēng)急流暴雨概念模型(圖4)。

        圖3 溫帶氣旋型東風(fēng)急流暴雨概念模型(藍(lán)色箭頭:干冷氣流;紅色箭頭:暖濕氣流;棕色實(shí)線:500hPa 槽線;紅色雙實(shí)線:850hPa 切變線;綠色實(shí)線:850hPa 濕區(qū);綠色陰影:暴雨區(qū))

        圖4 熱帶氣旋型東風(fēng)急流暴雨概念模型(紅色實(shí)線:熱帶氣旋路徑;棕色實(shí)線:500hPa 槽線;棕色箭頭:700hPa 急流;紅色箭頭:850hPa 急流;綠色實(shí)線:850hPa 濕區(qū);綠色陰影:暴雨區(qū))

        6.1 溫帶氣旋型東風(fēng)急流暴雨概念模型

        500hPa 歐亞大陸中高緯地區(qū)呈“兩脊一槽”型,冷空氣沿貝加爾湖附近高壓脊南下, 使得東北一帶高空槽不斷發(fā)展加強(qiáng), 日本海附近高壓壩使高空槽東移緩慢。副高呈塊狀,中心強(qiáng)度為588~592dagpm,脊線位于28°N~40°N,西伸脊點(diǎn)在110°E~135°E。

        700hPa 切變線從延邊地區(qū)南部或西部穿過(guò)后減弱入海, 延邊地區(qū)多處于東南風(fēng)或偏東風(fēng)風(fēng)速輻合區(qū)內(nèi)。 850hPa 低渦東移北上,在主要降水期間位于冷式切變線東側(cè)。

        延邊地區(qū)處于低空急流軸風(fēng)速梯度大值區(qū),700hPa 和850hPa 急流核最大風(fēng)速多為12~24m·s-1,最大可達(dá)28m·s-1。

        850hPa 比 濕 大 于6g·kg-1,700hPa 比 濕 大 于4g·kg-1。 有來(lái)自日本海中心強(qiáng)度在10g·(cm·hPa·s)-1以上的850hPa 水汽通量輸送, 延邊地區(qū)850hPa水汽通量值在3g·(cm·hPa·s)-1以上, 且位于850hPa 水汽輻合區(qū)內(nèi), 水汽通量散度小于-1.5×10-8g·(cm2·hPa·s)-1。

        700hPa 垂直速度小于-0.4Pa·s-1;850hPa 垂直速度小于-0.1Pa·s-1。

        延邊地區(qū)位于能量舌上或能量鋒區(qū)附近且靠近大值區(qū)一側(cè),假相當(dāng)位溫為36~68℃。

        6.2 熱帶氣旋型東風(fēng)急流暴雨概念模型

        500hPa 歐亞大陸中高緯地區(qū)為 “兩脊一槽”或“兩脊兩槽”型。 副高呈塊狀;中心強(qiáng)度為588~592dagpm;脊線位置偏北,位于35°N~40°N;西伸脊點(diǎn)位于135°E 附近, 在日本列島附近形成一個(gè)南北向高壓壩。

        700hPa 和850hPa 上均受熱帶氣旋或臺(tái)風(fēng)北部切變線影響, 多為偏東風(fēng)或東南風(fēng)與東北風(fēng)風(fēng)向切變以及偏東風(fēng)或東南風(fēng)風(fēng)速輻合。

        延邊東部處于急流軸風(fēng)速梯度大值區(qū),700hPa 急流核最大風(fēng)速為18~28m·s-1;850hPa 急流核最大風(fēng)速為12~24m·s-1。

        850hPa 比 濕 大 于6g·kg-1,700hPa 比 濕 大 于6.5g·kg-1;有中心位于日本海強(qiáng)度在10g·(cm·hPa·s)-1以上的850hPa 水汽通量輸送。延邊地區(qū)850hPa 水汽通量值大于6g·(cm·hPa·s)-1,且位于850hPa 水汽輻合區(qū)內(nèi);水汽通量散度小于-1.0×10-8g·(cm2·hPa·s)-1。

        700hPa 垂直速度小于-0.4Pa·s-1;850hPa 垂直速度小于-0.3Pa·s-1。假相當(dāng)位溫從日本海伸入延邊地區(qū)東部,量值大、梯度強(qiáng),最大量值為31~74℃。

        7 結(jié)語(yǔ)

        利用1990—2019 年常規(guī)觀測(cè)資料、NCEP 再分析資料及Micaps 資料,統(tǒng)計(jì)了吉林省邊疆近海區(qū)東風(fēng)急流暴雨發(fā)生時(shí)空分布特征, 劃分了天氣類(lèi)型, 在此基礎(chǔ)上對(duì)常規(guī)預(yù)報(bào)因子進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,建立概念模型,給出了定量化的物理量判別指標(biāo)。

        (1)東風(fēng)急流暴雨主要發(fā)生在5—10 月,其中77%個(gè)例出現(xiàn)在6 月中旬—9 月中旬。暴雨呈非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),多出現(xiàn)在延邊地區(qū)東部,琿春站最多,占個(gè)例總數(shù)的85%。

        (2) 東風(fēng)急流暴雨環(huán)流形勢(shì)配置劃分為溫帶氣旋型和熱帶氣旋型。中高緯地區(qū)均呈經(jīng)向環(huán)流,暴雨發(fā)生時(shí),副高多呈塊狀,位置偏北,強(qiáng)度偏強(qiáng),中心強(qiáng)度一般為588~592dagpm。 偏東風(fēng)和東南風(fēng)急流的建立為暴雨發(fā)生提供了充沛的水汽和能量條件。 850hPa 水汽通量輻合中心位于延邊東部,與暴雨落區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

        (3) 選取了基層臺(tái)站預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中常用的低空急流、比濕、水汽通量、水汽通量散度、垂直速度、假相當(dāng)位溫作為預(yù)報(bào)因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析, 給出了定量化的物理量判別指標(biāo), 建立了溫帶氣旋型和熱帶氣旋型東風(fēng)急流暴雨概念模型。

        (4) 本文填補(bǔ)了與東風(fēng)急流相伴的吉林省邊疆近海區(qū)暴雨的研究空白, 為提高此類(lèi)天氣過(guò)程的診斷分析和預(yù)報(bào)預(yù)警能力提供了科學(xué)依據(jù)。 下一步開(kāi)展地形因素對(duì)此類(lèi)暴雨落區(qū)影響的研究工作。

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