记录1996年7月17-18日芝加哥首都地区暴雨产生洪水过程.外文翻译资料

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记录1996年7月17-18日芝加哥首都地区暴雨产生洪水过程.

第一部分：天气学和中尺度特征

STANLEY A. CHANGNON AND KENNETH E. KUNKEL

伊利诺斯州尚佩恩，伊利诺州水利勘测应用气候学办公室

（1997年12月15日收到手稿，最终完成于1998年6月1日）

摘要

1996年7月中旬一个在伊利诺斯州北部产生43毫米降水的独特暴雨，在美国中西部北部地区产生有史以来最大24小时降水量。有4400平方公里的地区降水超过20厘米，在芝加哥及其郊区的部分地区产生了灾害性极为严重的山洪。包括80个暴雨区的测量记录的496个站的降水量测量记录，使得准确定义这次暴风雨成为可能。

暴雨是两个巨大的中尺度对流系统作用的结果，一个生成于下午，一个在晚上。这些系统形成于附近的一个暖式锢囚锋的北部。有几个因素促成了这次过量降水。过多的水分产生在位于爱荷华州和伊利诺斯州西部上空暖锋的西南部；大气中水分含量的增加是通过前几天的暴雨产生的一个非常湿的表面蒸发而来，形成了大气条件性不稳定。由偏东风带离密歇根湖的冷空气团可以加强或减缓暖锋的移动。垂直于暖锋的低空急流导致暖锋北侧的上升运动。这些综合因素（不稳定，水分有效性，抬升机制）造成了强烈的暴风雨。本文是三个部分组成系列的第一个，详细介绍了此次暴风雨，包括其形态和成因及产生的降水分布状况。

1. 引言

1996年7月17-18日在伊利诺斯州的东北部的一个区域，产生了35-43厘米（14-17英寸）之间的24小时降雨量。这些数值大大超过了预计将在100年内（23厘米）发生一次的暴雨降水量，并且是任何在中西部的官方气象站有记录以来最大的。这次43厘米的暴雨降水量打破了伊利诺斯先前的1957年6月14日41.8厘米的记录。在含有大量不正常读数的雨量计的地方降水最大，这些雨量计是可以发现降水量记录和准确的时间和空间尺度分析的一个因素。降雨所产生的大规模的山洪是非常独特的，值得对风暴的尺寸、原因、水文气象特点、影响和对策的广泛研究（Angel等，1997）。这篇文章是三个部分的第一个，介绍了这次暴风雨，包括其形态和原因。它作为描述的水文气象评价[见Angel和Huff（1999）]和洪水产生的社会影响和对策[见Changnon（1999）]的两个其他论文的序言。

发生于威斯康星州，伊利诺斯州和印第安纳的36小时的暴雨始于当地标准时间（LST）08：00。三态模式isohyetal显示，最严重的降雨，超过20厘米，降落在一个横跨伊利诺斯州东北部降水在15厘米以上的区域超过13600平方公里的街区（图2）。虽然农村和城市地区双双受到影响，但暴风雨主要影响了降雨超过25厘米的芝加哥大都市区（图2）。

24小时内整个伊利诺斯州北部的降水最为严重。伊利诺斯州东北出现最早降水，开始于7月17日当地标准时间10：00，结束在7月18日当地标准时间08：00。在暴风雨区最大时降水量连续20小时突破13厘米。7月17日大冰雹（直径大于7厘米）、雷击损坏和三个龙卷风也发生在伊利诺斯州的北部。

美国国家气象服务（NWS）临近芝加哥的WSR-88D雷达在暴雨期间显示出强烈的对流活动，并且在50-60dBZ的反射率持续了20个小时。在大多数风暴时期回波顶的最大高度均大于14公里，达到7月17日当地标准时间20：00-23：00之间的最大值（大于17公里）。达到这些高度有力的表示了伊利诺斯州恶劣天气的存在（Grosh 1978）。

1. 降雨资料

一次对强对流暴雨进行有意义的分析，依赖于在风暴核心附近获得广泛的雨量数据。7月17-18日降水资料有三个来源：1）大量数据由县农业代理商和穿越核心区的科学家小组进行调查；2）由各地方政府操作的专业雨量计网络；3）各种联邦和国家机构操作的雨量计。

通过桶式调查收集伊利诺斯州北部的107站雨量数据。桶式调查是装在车辆里面的区域调查，定位在外有雨量计或收集容器（如桶）的人，以便完整的测量暴风雨。大多数这些区域测量数据收集的是经历整个暴风雨过程降水量达到或超过10厘米的地区及其邻近地区的数据。

在风暴的中心有五个间距密集的雨量计网络。一个网络有25个雨量计覆盖超过2000平方公里面积的记录，第二个网络是在暴风区域（1500平方公里）有四个记录雨量计的全州网络的一部分。三个地区的县也操作密集的雨量计网络:两个网络分别从42个合作的雨量计观察员和36个合作的观察者收集的日降水数据；第三个县有一个14个记录雨量计的网络。另外，芝加哥的市区及郊区的都市水资源回收区有15个记录雨量计分散在整个芝加哥市区。

通过各种州和联邦机构操作的雨量计是雨量数据的第三个来源。美国国家气象局有203个非记录雨量计，记录包括伊利诺斯州、印第安纳州和威斯康星州三州地区风暴每天的降雨量。在伊利诺斯，来自51个国家气象局站点的暴风区附近的每日雨量计值，加上14个分布在伊利诺斯暴风区的雨量计值。美国陆军工程队在伊利诺斯东北部有六个记录雨量计。此外，该地区的三个城市各有一个自记水位计，阿贡国家实验室保留着一个自记水位计。因此，伊利诺斯的暴雨区的数据来自316个雨量计，其中有80个记录雨量计（图1）。如此广泛记录的降水数据，允许对此次暴风雨进行详细的时间分析。此外，这些降水数据可用于大多数由国家气象局运营的WSR88D雷达风暴，站点在芝加哥西南部。

图1.伊利诺斯州收集暴雨降水量的地点

1. 暴雨总雨量

图2显示了伊利诺斯州，印第安纳州和威斯康星州的总暴雨模式。降水超过20厘米（8英寸）的地区穿过芝加哥大都市区的南部向自由港东南部延伸（概述图1）。在20小时或更短时间，降雨量达到20厘米及以上的地区有4400平方公里。降雨量达到15厘米及以上的地区从威斯康辛南部经过伊利诺斯州北部，向东向印第安纳州北部进行延伸，覆盖了9460平方公里。通过跟以往暴雨对比，这次暴雨降雨模式更均匀，并且有更多的真正一致的一系列气象要素造成了这次暴雨(Silberberg 1996; Huff et al. 1958)。

图2. 1996年7月17-18日的暴雨总雨量

图3是一张基于美国国家气象局WSR-88D雷达测量的总体暴风雨降水量的地图。这种模式与基于557个雨量计测量的图2，显示出大致类似的特征。这两种地图显示，风暴暴雨区在相同的位置进入伊利诺斯州北部，向东南延伸，再从芝加哥向东多方位进入印第安纳州。该雷达的总风暴模式与雨量计图案吻合，但许多仪表雷达基于每小时的点量比较，显示出较大的差异(Westcott 1997）。大家公认的总暴雨量与适用于实时应用雷达定义的风暴总降水量响应了山洪暴发。

图3.1996年7月17-18日WSR-88D天气雷达系统测量的总体暴风雨降水量

1. 时空分布

五个雨量计和暴风中心附近的时间分布曲线说明了7月17-18日的暴雨时空分布（图4）。迪卡尔布表是在高降雨区的西端（图2）和最东端的雨量计（表25），靠近芝加哥的南部边缘（园林）和暴风雨的东端。所有这些时间分布表明，降雨主要发生在两个时段，每个时段都有强降雨。

图4五个雨量计记录1996年7月17日至18日暴雨的时空分布，表示时间为当地标准时间1小时

第一个强降雨时期开始于最近的7月17日的早上。不同雨量的降水来自于下午一系列的阵雨和雷雨，最大降水率结束于7月17日当地标准时间18：00。然而，一些雨量计继续测量7月17日当地标准时间00:00-20：00之间的21小时产生降水高达1厘米的对流风暴。第二个强降水时期开始于7月18日当地标准时间00：00-01：00之间。从那个时间开始，暴雨产生，雨量计开始工作，一直到7月18日当地标准时间05：00-07：00结束。随后的阵雨降水一直持续到7月18日当地标准时间10：00。

这些时间分布显示，无论是午后风暴系统和随后的夜间风暴系统，都是由一系列的对流阵雨构成的。美国莱蒙特附近的15个测量仪显示，午后风暴略高于13.2厘米，然后夜间风暴14厘米，两者是几乎相等的数额。在其他四个记录仪上显示，夜间降雨期是两个降雨期中比较大的一个。在中西部等强对流暴雨的调查表明，在一天24小时中最重的降雨通常发生在夜间时段（Huff et al. 1958; Huff ，Changnon 1964）。

1. 风暴形态和大致环境

使用从位于罗密欧维尔，伊利诺斯州的WSR-88D雷达获得的天气观测数据和雷达数据，对7月17-18日的暴雨形态进行了分析。在伊利诺斯州北部的暴雨期间及前期的气象条件，十分有利于中尺度对流系统（MCSs）的生成和维持。有趣的是，产于伊利诺斯州7月17日至18日的暴雨中同样的天气系统，7月16日在爱荷华州和内布拉斯加州也产生了强降水，该天气系统导致了超过25厘米的降雨。然后，这个天气系统向东移动从中西部到加拿大，7月19日至20日（米尔顿和布尔克1997年）在魁北克全省产生超过31厘米的降雨。有十人在加拿大风暴和由此导致的佛罗里达州水灾中丧生，相比伊利诺斯风暴中的6人死亡，两人在爱荷华州的风暴中丧生。

1996年7月17日世界时12：00的天气形势，在第一个主要降水时期开始之前，具有一个从内布拉斯加北部低延伸至南伊利诺斯的暖锋（图5A）。密苏里州南部的露点温度大约在22℃，空气温度约为26℃。在伊利诺斯州北部锋的北部，有21℃的空气温度和18℃的露点温度存在。在850 hPa（图5b）具有很强的低空急流从德克萨斯延伸至爱荷华，在一些地方风速超过15米每秒。露点温度在爱荷华州850百帕超过15℃。在500百帕上（图5c），弱短波槽目前在明尼苏达州南部。在200百帕（图5d），有来自威斯康星州向东部沿海地区延伸出强大的上层急流。在急流在爱荷华州和明尼苏达州的加速溢流右后侧（入口区）分流和动态强迫导致对流层中部的上升。可降水量在爱荷华超过4厘米（图5e），这超过正常情况的150%。因此，大气中的水汽对于这次风暴系统是充足的。K指数（图5F）在爱荷华州东部接近40℃，这说明了强降雨的可能。

1996年7月17日当地标准时间12：00

a.Surface b.850毫巴

c.500毫巴 d.200毫巴

e.降水 f.抬升/K指数

图5. 1996年7月17日周三世界时12：00天气过程的分析，包括（a）表面压力，（B）850百帕高度（固体） 和温度（虚线），（C）500百帕高度（固体）和温度（虚线），（D）200百帕高度（固体）和isotach（虚线），

（E）降水量（顶部）和正常（底部的百分比），和（f）抬升（顶部）和K指数（底部）。

截止到1996年7月18日世界时00：00，地面暖锋（图6a）已经经过250公里左右移动到北部和东部，即从明尼苏达南部到印第安纳中部。锋南部的空气气温约为32℃，而露点温度在24℃左右。在锋的北部，气温低得多，在21-24℃的范围内，而露点温度是大约21℃。850 hPa，低空急流转向东（图6b）；风速在15米每秒左右，目前从堪萨斯东部到伊利诺斯北部。在500帕，风速较低（图6c），一般小于20米每秒。因此，高空气流条件有利于夜间中尺度对流系统的缓慢活动。在200hPa高度层（图6D），高空急流已经移动到了东部，表明上层强迫不是引起夜间对流的重要因素。降水量的值（图6e）现在在爱荷华东部超过5厘米，或者是正常水平的200%。因此，大气中过量的的水蒸汽可用于对流系统。7月16日位于爱荷华上空的中尺度对流系统的发展已饱和，包括大多数州及伊利诺斯西北部。这使得相当大的蒸发发生在7月17日的上午和下午期间，很可能促成了大气中的水汽含量过高。这些水分用来增加暖锋的相当位温梯度。该暖锋向西北方向缓慢的前进达到一个伊利诺斯州北部的南边，之后暴雨就发生在了这里。K指数（图6F）的值在40℃左右，这表明了强降雨持续的潜力。

1996年7月18日当地标准时间00:00

a.地面 b.850毫巴

c.500毫巴 d.200毫巴

e.降水 f.抬升/K指数

图6. 1996年周四，世界时00：00天气过程的分析，包括（一）表面压力7月18日，（B）850百帕高度（固体）和温度（虚线），（C）500百帕高度（固体）和温度（虚线），（D）200百帕高度（固体）和等风速（虚线），（E）降水量（顶部）和正常的百分比（底部），和（f）抬升（上部）和K指数（下部）。

在7月17日白天，在伊利诺斯州北部表面的偏东气流发展，运输湿冷空气从密歇根湖穿过伊利诺斯州北部，这对暖锋面的加强和缓慢运动产生进一步的贡献。导致表面暖锋附近的大气条件与位于表面上方仅1公里的自由对流层的强烈不稳定。

7月17日当地标准时间从11：00-13：00，对流单体发展

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