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        雅安地區(qū)近50 年濕度變化特征分析

        2023-10-09 09:41:06胡瑤李尚錦周學(xué)云吳燕琴
        科技與創(chuàng)新 2023年18期
        關(guān)鍵詞:滎經(jīng)比濕蘆山

        胡瑤,李尚錦,周學(xué)云,吳燕琴

        (1.四川省雅安市氣象局,四川雅安 625000;2.四川省滎經(jīng)縣氣象局,四川雅安 625200)

        空氣濕度是重要的氣象要素,是表示大氣干燥程度的物理量。在一定的溫度下,在一定體積的空氣里含有的水汽越少,則空氣越干燥;水汽越多,則空氣越潮濕。在此意義下,常用絕對濕度、相對濕度、比濕、混合比、飽和差及露點(diǎn)溫度等物理量來表示。其中,比濕是指包含在同一容積中的水汽質(zhì)量與該空氣團(tuán)的總質(zhì)量的比值,與氣溫和氣壓密切相關(guān),它不因濕空氣體積的膨脹或壓縮而改變,它是一個(gè)保守量,故對比濕分布的分析對空氣濕度的研究很有意義。

        現(xiàn)有研究人員對各地的水汽壓和相對濕度進(jìn)行了詳細(xì)分析。全國各地年均水汽壓呈增大趨勢的站點(diǎn)占全部站點(diǎn)的90.3%,除春夏兩季的黃土高原至云貴高原一帶和長江下游地區(qū)、秋季的華南地區(qū)有所減小外,各季節(jié)全國水汽壓普遍呈增大趨勢[1-2];中國東部地區(qū)冬季相對濕度的低值區(qū)集中在黃淮北部、華北和東北南部,夏季相對濕度較冬季明顯增大[3];青海全省及4個(gè)生態(tài)功能區(qū)年際和逐月絕對濕度變化特征明顯,且具有較好的經(jīng)度地帶性和海拔地帶性[4];西南地區(qū)年平均相對濕度值為66.44%,其中1966—2000 年呈微弱上升態(tài)勢,2000—2013 年下降較快[5];長江中下游地區(qū)年平均相對濕度在65%~85%之間,除個(gè)別站點(diǎn)外年平均相對濕度及年高濕日天數(shù)均有減小的趨勢,大部分站點(diǎn)6—8 月的相對濕度比其他月份要高,且與其他月份相對濕度的差值有增加趨勢[6];烏魯木齊四季及年相對濕度均呈增加趨勢[7]。針對比濕的研究分析極少,包慧濛等[8]分析了南方比濕特征及其暴雨的關(guān)系,南方暴雨發(fā)生時(shí)和發(fā)生前,中層比濕增加的概率為90%左右,低層比濕增加的概率為75%左右。25.5°N以南區(qū)域各層暴雨日增值以0~1.0 g/kg 出現(xiàn)最多,25.5°N 以北區(qū)域3—6 月比濕增值超過2.0 g/kg 的概率達(dá)35%~55%。顧天紅等[9]研究發(fā)現(xiàn),對流層中低層飽和的大氣和比濕高值是西南區(qū)域暴雨發(fā)生的有利條件之一。

        以上研究表明,比濕可以用來衡量暴雨發(fā)生的水汽條件,不同地區(qū)不同季節(jié)甚至不同月份,滿足暴雨發(fā)生水汽條件的比濕值不一樣。在日常業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中,雅安市氣象臺預(yù)報(bào)員通常將15 g/kg 作為暴雨出現(xiàn)時(shí)850 hPa 的比濕閾值,故利用比濕分布特征來分析空氣濕度很有意義。雅安是成都平原與青藏高原的過渡帶,因其獨(dú)具特色的降雨特征,在氣象學(xué)上享有著名的“雅安天漏”[10]之稱,也稱為“雨城”。夏季雅安市暴雨天氣多發(fā)、頻發(fā),易致災(zāi),是四川省三大暴雨中心之一,故對雅安地區(qū)比濕分布特征的研究更具有十分重要的意義。

        本文利用多種統(tǒng)計(jì)方法[10-13]對雅安地區(qū)8 個(gè)國家站的比濕年、季分布進(jìn)行分析研究,為雅安暴雨預(yù)報(bào)提供水汽條件方面的數(shù)據(jù)支撐,同時(shí)也為當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)變化研究、旅游開發(fā)和政府相關(guān)職能部門制定應(yīng)對氣候變化的措施提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

        1 資料與方法

        1.1 資料來源

        以雅安地區(qū)為研究區(qū)域,研究8 個(gè)國家氣象觀測站1971—2020 年的逐月平均氣溫、平均氣壓和平均相對濕度,資料來源于雅安市地面資料查詢系統(tǒng)(http://10.201.130.10/)。

        1.2 數(shù)據(jù)處理

        由于所用資料氣象站中有4 個(gè)站(滎經(jīng)、蘆山、天全、漢源)在不同時(shí)期進(jìn)行過遷站,且遷站前后海拔高度相差較大,氣壓和氣溫有明顯差異,在進(jìn)行氣候分析時(shí),氣壓和氣溫均需進(jìn)行遷站數(shù)據(jù)訂正。4 個(gè)國家氣象觀測站的具體遷站情況如表1 所示。根據(jù)《氣象學(xué)》[14]所述:對流層氣溫的垂直遞減率平均值為每100 m 約0.65 ℃,將各站遷站后的氣溫資料訂正到遷站前進(jìn)行分析研究。

        表1 國家氣象觀測站遷站情況

        1.3 主要研究方法

        1.3.1 氣壓高度差訂正

        根據(jù)《氣象學(xué)》[14]所述,氣壓隨高度的增加是按指數(shù)規(guī)律降低的,利用簡化的拉普拉斯壓高公式,將各站遷站后的氣壓資料訂正到遷站前進(jìn)行分析研究。

        式中:Z2為較高層次海拔高度的數(shù)值,單位m;Z1為較低層次海拔高度的數(shù)值,單位m;α=1/273;tm=(t1+t2)/2;P1為較低層次氣壓的數(shù)值,單位hPa;P2為較高層次的氣壓的數(shù)值,單位hPa。

        1.3.2 計(jì)算水汽壓和比濕

        根據(jù)氣壓、氣溫、相對濕度,計(jì)算水汽壓,公式為:

        式中:f為相對濕度的數(shù)值,單位%;e為水汽壓的數(shù)值,單位hPa;E為飽和水汽壓的數(shù)值,單位hPa。

        再根據(jù)水汽壓、氣壓計(jì)算比濕,公式為:

        式中:q為比濕的數(shù)值,單位g/kg;P為氣壓的數(shù)值,單位hPa。

        1.3.3 算術(shù)平均法

        將雅安地區(qū)月平均比濕利用算術(shù)平均法進(jìn)行四季平均,參照《四川省氣候業(yè)務(wù)技術(shù)手冊》[15],定義3—5月為春季、6—8 月為夏季、9—11 月為秋季、12 月—次年2 月為冬季。

        1.3.4 一元線性回歸法

        一元線性回歸法是采用線性傾向估計(jì)與相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)法,公式如下:

        式中:a為常數(shù);b為比濕線性傾向率,為回歸系數(shù)。

        a和b用最小二乘法估計(jì)計(jì)算得到,公式為:

        趨勢系數(shù)是表示比濕數(shù)列相關(guān)性程度的系數(shù),利用相關(guān)系數(shù)的檢驗(yàn)方法來檢驗(yàn)趨勢系數(shù)的顯著性,顯著性檢驗(yàn)水平均設(shè)置為10%(檢驗(yàn)是否通過90%的信度)。

        2 結(jié)果與分析

        由于雅安地區(qū)地形復(fù)雜,海拔高度差異大,平均比濕所表現(xiàn)出的時(shí)空特性也有很大的差異。把雅安地區(qū)分成南部、北部和中部3 個(gè)地區(qū)來進(jìn)行分析。位于北部的是寶興,其次雅安南部是漢源、石棉,其余縣區(qū)(雨城、名山、天全、蘆山、滎經(jīng))位于雅安中部。

        2.1 近50 年雅安地區(qū)比濕總體變化基本特征

        1971—2020 年雅安地區(qū)各臺站年平均比濕和四季比濕數(shù)據(jù)如表2 所示。

        表2 1971—2020 年雅安地區(qū)各臺站年平均比濕和四季比濕 單位:g/kg

        由表2 可得,近50 年雅安地區(qū)中部蘆山、名山、天全、雨城、滎經(jīng)平均比濕較高,蘆山最高,達(dá)10.8 g/kg;北部寶興平均比濕最低,為9.6 g/kg;南部漢源比濕較高,為10.5 g/kg;石棉次低,為10.0 g/kg。雅安地區(qū)比濕季節(jié)變化特征明顯,夏季比濕最大,秋季、春季次之,約為夏季的2/3;冬季最小,約為夏季的1/3。

        2.2 雅安地區(qū)各臺站四季比濕變化差異分析

        根據(jù)1971—2020 年雅安地區(qū)所轄8 個(gè)臺站四季比濕逐年變化曲線,進(jìn)行比濕變化分析,結(jié)果如圖1—圖4 所示。

        圖1 雅安地區(qū)所轄8 個(gè)臺站1971—2020 年逐年春季平均比濕變化曲線

        從圖1—圖4 中可以看出,雅安地區(qū)8 個(gè)臺站四季比濕均呈上升趨勢,且變化曲線呈不規(guī)則波動變化,線性相關(guān)為弱正相關(guān)。其中,從圖1 中可以看出,雅安地區(qū)春季平均比濕最大值為10.4 g/kg,不滿足雅安暴雨形成的水汽條件;春季比濕波動上升幅度不大。8個(gè)臺站比濕最高值均出現(xiàn)在2018 年,南部漢源最低值出現(xiàn)在1982 年;石棉最低值出現(xiàn)了2 次,分別在1996年和2011 年;北部寶興最低值出現(xiàn)在1982 年;中部天全、名山、雨城最低值出現(xiàn)在1976 年;蘆山、滎經(jīng)最低值出現(xiàn)在1996 年。

        從圖2 中可以看出,雅安地區(qū)夏季平均比濕大多在15.0 g/kg 以上,空氣中水汽含量很高,大部分滿足了形成暴雨的水汽條件。夏季比濕波動上升幅度較大,1971—2003 年波動變化比較小,2004—2020 年波動起伏較大。比濕最大值幾乎集中在2016、2018、2020 年,這3 年雅安暴雨出現(xiàn)的頻次和強(qiáng)度也較大,災(zāi)害也較多;比濕最小值出現(xiàn)比較分散,寶興、漢源、滎經(jīng)最小值出現(xiàn)在1974 年,天全最小值出現(xiàn)在2015 年,蘆山最小值出現(xiàn)在2003 年,名山和雨城最小值出現(xiàn)在2008 年,石棉最小值出現(xiàn)在2011 年,滎經(jīng)最小值出現(xiàn)在1974 年。

        圖2 雅安地區(qū)所轄8 個(gè)臺站1971—2020 年逐年夏季平均比濕變化曲線

        從圖3 中可以看出,雅安地區(qū)秋季平均比濕最大值為11.9 g/kg,比春季稍高一些,但不滿足雅安暴雨形成的水汽條件。秋季比濕波動上升幅度較大,波動起伏也較大。比濕最大值與最小值出現(xiàn)年份也比較分散,最大值主要集中在近10 年(1998—2020 年),最小值主要集中在1971 年、1972 年和1981 年。

        圖3 雅安地區(qū)所轄8 個(gè)臺站1971—2020 年逐年秋季平均比濕變化曲線

        從圖4 中可以看出,雅安地區(qū)冬季平均比濕最大值為6.3 g/kg,是一年中最小的,不滿足雅安暴雨形成的水汽條件。冬季比濕波動上升幅度較小,波動變化平穩(wěn)。比濕最小值除石棉出現(xiàn)在2012 年外,其余7 個(gè)臺站比濕最小值均出現(xiàn)在1977 年;比濕最大值除蘆山出現(xiàn)在1987 年,漢源出現(xiàn)在2007 年外,其余6 個(gè)臺站均出現(xiàn)在2020 年。

        圖4 雅安地區(qū)所轄8 個(gè)臺站1971—2020 年逐年冬季平均比濕變化曲線

        3 結(jié)論

        近50 年雅安地區(qū)濕度呈增加趨勢,春季和冬季比濕增加輻度不大,夏季和秋季增加明顯,比濕變化波動明顯,春季和冬季波動變化稍小,且比濕值小,水汽含量偏少。夏季和秋季波動變化明顯,且比濕值較大,水汽含量偏多。特別是夏季比濕大多在15.0 g/kg以上,空氣中水汽含量很高,大部分滿足了形成暴雨的水汽條件;秋季比濕較大,水汽含量適中,如遇合適的熱力不穩(wěn)定條件和動力條件,也有可能形成暴雨。雅安地區(qū)南北濕度分布存在較大空間差異性,中部和南部較高,北部較低。

        大氣的水氣含量、垂直分布、飽和程度等都是影響降水強(qiáng)度和效率的重要因素,且不同地區(qū)不同季節(jié)甚至不同月份,滿足暴雨發(fā)生水汽條件的比濕值也不一樣。本研究對暴雨預(yù)報(bào)提供了水汽條件的思路和著眼點(diǎn),但對于暴雨形成的具體比濕和其他氣象要素的大小關(guān)系值未進(jìn)行分析,還需要結(jié)合熱力不穩(wěn)定條件和動力條件進(jìn)一步細(xì)化分析。

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