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暴雨发生的基本条件
来源:广东省水利厅    撰写时间:2018-06-22 15:12
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       暴雨一般发生在中小尺度天气系统中,其时间尺度从几十分钟到十几小时,空间尺度从几千米到几百千米,而形成暴雨的中小尺度系统又是处于天气尺度系统内,两者通常有着密切的关系。因而上两类天气系统的集合系统称为降水系统。

  降水系统中降水的形成和强度主要与6个条件有密切的关系:(1)水汽分布和供应;(2)上升运动;(3)层结稳定度和中尺度不稳定性;(4)风的垂直切变;(5)云的微物理过程;(6)地形。

  暴雨与地形有密切关系。夏季,我国各地大到暴雨日频数分布和雨量分布都受到不同尺度的地形影响,我国的大尺度地形总体上呈东低西高其间有东西向山脉(燕山、南岭等),因而在夏季盛行东南季风和西南季风时,潮湿空气受地形抬升,暴雨日数最多的地区大多位于山脉的东侧或南侧的迎风坡,如太行山、伏牛山、大别山、武夷山和燕山与南岭山地等。对于区域或局地尺度的暴雨,其雨量分布也与地形有密切关系,例如北京地处华北平原的北部,它的北部是燕山山脉,西部是大行山脉的北端,两大山系在北京西北部相交,东南部是平原,由于地形的影响,夏季暴雨出现次数最多的是在西部和北坡山坡上,这里是低层偏南风或偏东风的迎风面,气流有明显的抬升作用和地形引起的切变辐合线。

  由于地形和不同尺度天气系统或云系之间的相互作用,可以形成自然的播撒过程,从而使降水增强,形成暴雨。由于地形的作用,在山前形成大范围层状云,其中有许多小雨滴,如果积雨云由海上或其他地区移入到这片层状云区,可以形成积雨云与层状云共存的混合云系,两种云系不同大小的雨滴将发生明显的相互作用而产生播撒过程。积雨云中前部流入的强上升气流将携带其中的大雨滴向上,通过0层后转化为冰晶或雪晶,也有一部分成为过冷水滴,由于冰面的饱和水汽压小于水滴表面的饱和水汽压,积雨云中的水汽将凝华到冰晶上,使冰晶增长,由于积云雨上部的水汽减少,过冷水滴将蒸发以补充水汽,结果发生由过冷水滴向冰晶的迅速转化(这种不稳定也被称为胶性不稳定)。通过这种方式增长的大冰晶一部分随上升气流被带到云砧区,在那里下落,通过零度层后变成大水滴,以后又落入到低空的层状云层内,捕获在此层悬浮的大量小水滴而增长,最后下落到地面成为强降水。积雨云上面的另一部分冰晶则随后面的下沉气流直接落入层状云中,通过碰并过程迅速增长到大雨滴,也使地面降水增加,这种混合云不但在沿海地区山区迎风面可以观测到,在梅雨期,台风季也经常可以观测到,它使降水增幅形成暴雨。

  风垂直切变对局地强风暴有比较重要的影响,由于强风暴也是引起暴雨,尤其是突发性暴雨,因而风垂直切变也是影响暴雨的重要因素之一。

  对流性暴雨是一种热对流现象。大气中有两种类型的对流:垂直对流和倾斜对流。它们形成的暴雨系统形态有明显差别,前者多形成暴雨雨团、强风暴单体、中尺度对流复合体(MCC)、中尺度对流系统(MCS)等,后者主要形成与锋区有关的对流雨带。垂直对流和倾斜对流在物理条件上不完全相同,前者主要依靠大气的层结稳定度,后者除层结稳定度条件外,还必须考虑动力不稳定条件。

  降水是发生在空气的上升运动区,地面或低层的空气只有通过抬升才能达到饱和,从而产生凝结,降落下来成为降水。对于天气尺度而言(如锋区、温带气旋、高空槽前部、副热带高压边缘等)上升速度只有100cm/s。由这种上升速度引起的降水量约为100~101mm/24 h。因此只靠大尺度系统中的上升运动不能引起暴雨,事实上也很少观测到上千千米的暴雨区,在水平尺度为100~300 km的中尺度系统中(如中尺度辐合线、飑线、中尺度低压等)上升速度比大尺度系统中的上升速度大一个量级,达到101cm/s。由这种上升运动引起的降水量大约101mm/h,达到了暴雨的强度。对于积云尺度的小尺度系统,由于其上升速度可达102cm/s,其所造成的降水强度约102mm/h,达到了大暴雨的量级。因而在不同尺度的天气系统中,同暴雨直接有关系的是中、小尺度上升运动,因而中小尺度系统是直接造成暴雨的天气系统。但大尺度的上升运动为中小尺度上升运动的形成和增强提供了必要的环流背景和环境条件,因而大尺度上升运动的存在是暴雨发生发展的先决条件。

  为了使暴雨得以发生、发展和维持,必须有丰富的水汽供应,计算表明仅仅依靠降水区气柱内所含的水分是不够的,即使气柱中所含的水汽全部降下也只能达到50~70 mm的降水量。但是暴雨的降水量,尤其是大暴雨或特大暴雨的降水率十分强,每小时可达100 mm,因而必须有外界水汽向暴雨区迅速地集中和不断地供应。对于持久性的暴雨,要求水汽有源源不断的输送,以补充暴雨发生不断耗损的水汽量,这种水汽输送,需要特别有效的机制能在较短时间内在更大范围内为暴雨区收集所必需的水汽量。