雅安市短時強(qiáng)降水天氣模型及其物理指標(biāo)特征

邱 雙,王俊驛,吳亞平,高文良，原桂英

(四川省雅安市氣象局，四川 雅安 625000)

1 引言

本文研究的目的是尋求雅安市短歷時強(qiáng)降水天氣的預(yù)報方法，以往的研究主要對區(qū)域性的暴雨關(guān)注較多，對短歷時強(qiáng)降水的研究較少，但短歷時強(qiáng)降水天氣出現(xiàn)頻繁，雖然時間短，但是降水量較大且比較集中，雅安處在盆地與山區(qū)的交界處，具有迎風(fēng)坡、喇叭口的特殊地形[1]，降水較多，且山區(qū)地段容易出現(xiàn)滑坡、泥石流、山洪等地質(zhì)災(zāi)害。由于這種局地強(qiáng)降水分布極不均勻，屬于中小尺度范疇的降水，預(yù)報的準(zhǔn)確率較低，容易造成漏報，強(qiáng)度、落區(qū)和時段也不易把握。國內(nèi)對短時強(qiáng)降水開展了很多研究[2-9]，但是僅用于當(dāng)?shù)?，因此為了提高雅安短歷時強(qiáng)降水天氣的預(yù)報準(zhǔn)確率，整體推進(jìn)天氣預(yù)報氣象服務(wù)的總體社會效益，有必要加強(qiáng)這方面的研究。

2 資料選取

本文數(shù)據(jù)主要取自:①雅安市8個市縣區(qū)級的區(qū)域自動站，雅安市自2010年建了130個區(qū)域自動站，發(fā)展到2014年全市已有381個站點(diǎn)。觀測儀器為自動站翻斗雨量傳感器。由于2010年之前雅安市區(qū)域自動站數(shù)量較少且數(shù)據(jù)傳輸不夠穩(wěn)定，不能很好地反映雅安的降水特征，為保證自動站雨量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可用性，本文選取2010—2014年期間自動站雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。②Micaps高低空以及地面實(shí)況資料、NCEP再分析資料。

3 短歷時強(qiáng)降水天氣特征

雅安位于盆地與高原的交界地帶，再加上其特殊的青衣江河谷地形，導(dǎo)致雅安的短時強(qiáng)降水具有明顯的日變化，較高的降水頻次和降水強(qiáng)度均主要集中在夜間[1]，夜雨特征明顯。為了分析雅安短時強(qiáng)降水的強(qiáng)度系列分布，本文針對這53個個例，對其最大小時雨強(qiáng)以及平均小時雨強(qiáng)作了端須圖的分析，從圖1可以看出雅安的最大小時雨強(qiáng)主要集中在40～68 mm之間，其中最大小時雨強(qiáng)的極值達(dá)到了90 mm左右；而近5 a雅安的短時強(qiáng)降水平均小時雨強(qiáng)集中在26～32 mm之間，一半以上超過了28 mm，極值達(dá)到了38 mm左右。分析表明受不同環(huán)流形勢的影響，降雨強(qiáng)度分布區(qū)間較廣，且降雨強(qiáng)度較大。

圖1 雅安市53個短時強(qiáng)降水個例雨強(qiáng)端須圖Fig.1 The Box-whisker plots of 53 short-duration heavy precipitation Cases in Ya'an City

4 短歷時強(qiáng)降水天氣類型

短歷時強(qiáng)降水是強(qiáng)對流天氣中出現(xiàn)最頻繁的一類，分析雅安市從2010—2014年，共出現(xiàn)了227個短歷時強(qiáng)降水日，且總體趨勢是隨著時間逐漸遞增，其中發(fā)生次數(shù)最多出現(xiàn)在2013年，且出現(xiàn)月份主要在7、8月份。本文選取了這5 a典型的53個個例對其進(jìn)行環(huán)流形勢分型，結(jié)果顯示，影響雅安市短時強(qiáng)降水的環(huán)流形勢主要包括(表1)：高原切變型、高空槽型、低渦型、副高控制型、兩高切變型、臺風(fēng)外圍型。可以看出切變型是雅安市出現(xiàn)短歷時強(qiáng)降水的環(huán)流形勢中次數(shù)最多的一種類型，占所有比例中的43%，其次則是低渦型，主要是指低層的西南渦，占總的15%。由于雅安市位于青藏高原東麓，受高原大地形的繞流和摩擦左右，容易在本地激發(fā)出西南渦，產(chǎn)生短歷時強(qiáng)降水。副高控制型以及兩高切變型占11%，主要出現(xiàn)在7、8月份，副高西伸北抬，與受高原的加熱作用發(fā)展的青藏高壓之間易形成切變線，而雅安經(jīng)常處于兩高切變之間，當(dāng)青藏高壓東移與副高合并時，雅安又受整個副高控制。而臺風(fēng)外圍型，包括臺風(fēng)北上外圍偏東氣流和東風(fēng)波倒槽偏東氣流。5 a中此類型占7%，由此可知偏東氣流造成的短歷時強(qiáng)降水在所有環(huán)流形勢中較少。

表1 2010—2014年典型短歷時強(qiáng)降水環(huán)流形勢Tab.1 The Typical generation Circulation types of short-duration heavy precipitation from 2010 to 2014

為了研究雅安市出現(xiàn)短時強(qiáng)降水時主要環(huán)流形勢的特征，我們對典型個例，逐一分析高低空天氣系統(tǒng)的配置，最后將環(huán)流形勢的主要特征歸納為3大類型：高原切變型(此處將低渦、高空槽與切變型歸為一類)、兩高切變型，以及副高控制型，并初步建立起天氣模型。

4.1 高原切變型

切變型是雅安出現(xiàn)短歷時強(qiáng)降水的環(huán)流形勢中次數(shù)最多的一種類型，通常高空有冷平流，低空有暖平流，屬于強(qiáng)對流天氣中的斜壓鋒生類，是雅安最容易出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣的有利形勢。圖2(a)為高原切變型的環(huán)流形勢，主要為東高西低的環(huán)流形勢。在青藏高原的東部有切變線或者低渦存在，新疆和青海交界有溫度槽，其前側(cè)有明顯的負(fù)變溫；低層700 hPa盆地內(nèi)的偏南風(fēng)逐漸增強(qiáng)，且從西南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為南風(fēng)(或南風(fēng)風(fēng)量加大)，風(fēng)速(西昌—宜賓—溫江)達(dá)到4～10 m/s，盆地東部的偏南風(fēng)(有時可達(dá)急流標(biāo)準(zhǔn))較盆地西部風(fēng)大，有明顯的風(fēng)速的氣旋式切變。盆地內(nèi)一致的偏南風(fēng)與從內(nèi)蒙—甘肅的偏北風(fēng)，在甘肅南部(合作、蘭州、平?jīng)?、武?形成切變線。切變線后側(cè)的偏北風(fēng)較強(qiáng)，達(dá)到4～12 m/s左右，并攜帶北方的冷空氣南下，在未來12～24小時內(nèi)影響雅安。850 hPa盆地東部偏南風(fēng)的南風(fēng)分量減弱，東風(fēng)分量逐漸增強(qiáng)，并在盆地東部形成倒槽，溫江站也從前期的東南風(fēng)逐漸轉(zhuǎn)為倒槽前部偏東風(fēng)或東北風(fēng)；地面圖上，冷鋒位于河套中部到甘肅南部，四川仍受熱低壓的控制。水汽條件方面，從盆地南部到甘肅南部有明顯的濕舌，溫江站濕度條件較好，這種類型的水汽源地主要來自南海，受副高西南側(cè)偏東氣流引導(dǎo)，偏東暖濕氣流進(jìn)入雅安的喇叭口地形后，遇兩側(cè)高山阻擋突然收縮，水平輻合抬升作用明顯增大，有利于增強(qiáng)在雅安的積云對流。

4.2 兩高切變型

圖2b這種類型主要出現(xiàn)在盛夏季節(jié)，一般在7—8月份，副熱帶高壓逐漸西伸北抬至盆地的東部，而青藏高壓也逐漸向東移動，青藏高壓脊線位置偏北，呈西北東南向，約35°N左右，在川西高原的西北部存在切變線，在內(nèi)蒙—甘肅—青海的西北部，約100°E附近有明顯的溫度槽存在，其前側(cè)有大片的負(fù)變溫區(qū)，-2～-6 ℃之間；700 hPa切變線更傾向于橫切變，呈東北—西南向，影響陜西南部到西南部，切變線后部為東北風(fēng)(6～8 m/s)，伴隨有大片的負(fù)變溫區(qū)為-3～-8 ℃，東北風(fēng)攜帶冷空氣南下影響我省，而盆地內(nèi)主要受一致的西南風(fēng)的影響，達(dá)到顯著氣流的標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)速在6～12 m/s之間；水汽來源主要有兩條，一條來自孟灣，另一條經(jīng)副高588外圍的偏南氣流的引導(dǎo)影響盆地；由于切變線呈東北西南向，且700 hPa風(fēng)場偏西風(fēng)分量較大，因此濕舌也是明顯的由盆地的西南向東北方向延伸。850 hPa在陜西的中南部伴隨有低渦或者切變線，其后部也有明顯的冷空氣，在盆地東北部到中部也有明顯的倒槽，成都為東北偏東風(fēng)控制，有利于河套的冷空氣回流影響雅安，暖脊從盆地東北部向盆地西南部延伸。地面圖上，冷鋒從河套中部到甘肅南部，四川仍受熱低壓的控制。

圖2 3類環(huán)流模型(a)高原切變型、(b)兩高切變型、(c)副高控制型Fig.2 Three kinds of circulation models(a) Plateau shear line type, (b) shearing field type between two high, (c) sub-high controlling type

4.3 副高控制型

圖2c這種類型屬于有利于出現(xiàn)強(qiáng)對流天氣形勢中的準(zhǔn)正壓類，但在雅安出現(xiàn)的次數(shù)較少；這種形勢下，南壓高壓中心通常位于盆地的上空，500 hPa上副高588西伸北抬到高原的東部，盆地內(nèi)受反氣旋控制；低層700 hPa從攀西地區(qū)—甘肅南部為一致的偏南風(fēng)，寧夏—甘肅南部有豎切變線，受副高的阻擋，穩(wěn)定少動，其切變線南側(cè)溫江站點(diǎn)逐漸由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為南風(fēng)控制，但風(fēng)速不大，在2～8 m/s左右；850 hPa盆地內(nèi)多為偏東風(fēng)，或東南偏東風(fēng)，在盆地西北部有暖中心，從西部沿山到盆地西南部有時有暖脊；從濕度條件看，濕區(qū)主要在西部沿山一帶，有時在盆地西南部有干線存在；地面上沒有冷空氣的影響，雅安受熱低壓的控制，在盆地西部有地面輻合線；這種高空副高控制，且沒有明顯冷空氣影響的環(huán)流形勢下，此類短時強(qiáng)降水主要是在一定的能量和水汽條件下，受低層偏東風(fēng)的擾動、干線、地面輻合線以及地形的抬升作用引起的。

5 物理量特征

利用NCEP再分析資料分析強(qiáng)降水發(fā)生時各物理量的閾值。由圖可知，超過80%樣本概率的物理量主要包括大氣整層可降水量pwt、A指數(shù)、850 hPa和700 hPa比濕、850 hPa和700 hPa相對濕度、850 hPa露點(diǎn)溫度，表明這些反映大氣水汽條件的物理量參數(shù)對強(qiáng)降水的發(fā)生具有明顯的指示意義，說明水汽是決定能否出現(xiàn)短時強(qiáng)降水天氣的基礎(chǔ)條件。而熱力不穩(wěn)定參數(shù)中，用于反映對流層中低層濕熱條件的K指數(shù)、θse500 hPa、θse850 hPa、θse700 hPa以及θse850與θse500 hPa之差均在70%以上，表明與水汽相關(guān)的濕熱指標(biāo)，也可以很好地用于指示短時強(qiáng)降水。但反映大氣垂直溫度遞減率的T500-T850≥23 ℃的占65%，表明短時強(qiáng)降水天氣對該指標(biāo)要求不需要很大，大氣層結(jié)不需要太強(qiáng)的不穩(wěn)定。動力條件方面低層850 hPa散度小于0的占70%，表明低層的輻合觸發(fā)對于短時強(qiáng)降水的觸發(fā)有一定的指示意義。而強(qiáng)降水常發(fā)生于垂直風(fēng)切變較弱的環(huán)境下，與大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對流天氣差異較大，但低層通常伴有低空急流或者顯著氣流，雅安位于盆地與高原的交界地帶，受地形的摩擦作用，低空風(fēng)達(dá)到急流的標(biāo)準(zhǔn)較少，通過統(tǒng)計分析可知，短時強(qiáng)降水發(fā)生時0～3 km風(fēng)場通常伴有3～6 m/s的垂直風(fēng)切變。

另外有冷空氣參與時，甘肅南部站點(diǎn)的負(fù)變溫對雅安短時強(qiáng)降水也有一定的指示意義(圖略)，700 hPa甘肅南部的合作、蘭州、平?jīng)?、武都在過去24 h內(nèi)至少有1站已經(jīng)出現(xiàn)負(fù)變溫，降水發(fā)生前12 h，武都有-1～-6 ℃的負(fù)變溫，溫江站點(diǎn)2～-1 ℃占樣本的82%，表明溫江通常沒有明顯的負(fù)變溫，冷空氣主要集中在甘肅南部。而850 hPa武都和漢中也通常有-1～-14 ℃的負(fù)變溫，溫江有-1～-8 ℃，占樣本的45%，表明850 hPa溫江站點(diǎn)已經(jīng)有弱冷平流的侵入，冷暖空氣的交匯，有利于對流天氣的觸發(fā)。

由于在不同的天氣類型下，產(chǎn)生短時強(qiáng)降水的條件各不相同，下面具體對3種不同的天氣模型的水汽參數(shù)、熱力動力不穩(wěn)定參數(shù)的平均值進(jìn)行對比分析，歸納總結(jié)出不同形勢各物理量參數(shù)的特征。

5.1 水汽參數(shù)

短時強(qiáng)降水屬于強(qiáng)對流天氣的一種，但對于水汽條件的要求比其他強(qiáng)對流天氣高得多，因此代表水汽的參數(shù)，對短時強(qiáng)降水的發(fā)生具有很好的指示意義。此處所選水汽參數(shù)為：整層大氣可降水量、700 hPa的比濕和水汽通量散度、850 hPa相對濕度。由于短時強(qiáng)降水的形成機(jī)制與高降水效率有關(guān)，因此不僅要求自身水汽條件較好，也需要有效的降水效率。通常暖云的降水效率要高于冷云，降水系統(tǒng)中的暖云層越厚，越有利于高降水效率的產(chǎn)生。因此本文還挑選了抬升凝結(jié)高度以及暖云層厚度，進(jìn)行比較分析。通過對比發(fā)現(xiàn)，高原切變型以及兩高切變型產(chǎn)生短時強(qiáng)降水時，比濕、相對濕度、水汽通量散度以及整層可降水量等水汽條件均較副高控制型更好。高原切變型700 hPa的水汽通量散度在-0.2～1.8 g·s-1·cm-2·hPa-1之間、兩高切變型在-0.2～-3 g·s-1·cm-2·hPa-1之間，而副高控制型只在2～7.5 g·s-1·cm-2·hPa-1之間，由于受副高588的控制，中層盛行下沉氣流，相比前兩種高低空配置較差，動力條件相對較差，沒有明顯的系統(tǒng)性抬升，以分散性的對流為主，因此水汽輻合沒有前兩種類型明顯。從700 hPa的比濕來看，高原切變的平均值達(dá)到12 g/kg，兩高切變達(dá)到13 g/kg，而副高控制型在11 g/kg。低層850 hPa相對濕度50%的樣本在90%以上，兩高切變接近98%，而副高控制型只在76%左右。整層可降水量高原切變型在48～58 mm之間，兩高切變達(dá)到了55～58 mm，而副高控制型只在48～49 mm之間。降水效率方面，抬升凝結(jié)高度，除副高控制型在9 400～9 500 gpm，其余均在9 600 gpm以下，水汽抬升凝結(jié)高度較低，有利于水汽的凝結(jié)。而副高控制型由于其0 ℃層發(fā)展較高，所以暖云層厚度較前兩種暖云層厚度大，其暖云層厚度在4 720～4 900 gpm，而高原切變型和兩高切變型暖云層厚度要略較小一些。由此可知，暖云層厚度在4 550 gpm以上，雅安市有利于出現(xiàn)短時強(qiáng)降水。

圖3 涵蓋60%以上概率短時強(qiáng)降水物理量指標(biāo)Fig.3 The physical indicators of short-duration heavy precipitation exceeding 60% probability

圖4 水汽參數(shù)的端須圖Fig.4 The Box-whisker plots of the Water vapor parameters

5.2 熱力及動力不穩(wěn)定參數(shù)

短時強(qiáng)降水的出現(xiàn)不僅需要充足的水汽條件，還需要大氣層結(jié)不穩(wěn)定、抬升運(yùn)動(動力穩(wěn)定度)。大氣層結(jié)穩(wěn)定度與溫度、濕度的垂直分布廓線有關(guān)。而動力穩(wěn)定度與流場的水平分布與垂直分布有關(guān)。但層結(jié)穩(wěn)定度與動力穩(wěn)定度并不是完全獨(dú)立的，他們之間可以相互轉(zhuǎn)換。在不同類型的天氣形勢下代表大氣穩(wěn)定度參數(shù)的物理量也有不同的特征，下圖為熱力穩(wěn)定度參數(shù)以及動力參數(shù)對比圖，通過對比分析發(fā)現(xiàn)，與水汽相關(guān)性較高的不穩(wěn)定參數(shù)如K指數(shù)、假相當(dāng)位溫、A指數(shù)等，3種類型與前面分析的水汽條件差別基本一致，高原切變型以及兩高切變型較好，且相差不大，而副高控制型要比前兩種略微差一些；但從CAPE值、500～850 hPa的垂直溫度遞減率、以及850 hPa與500 hPa假相當(dāng)位溫差來看，由于副高的控制，下沉氣流的絕熱增溫作用，低層850 hPa的溫度和假相當(dāng)位溫要比前兩種類型要大，而3種類型500 hPa溫度相差不大，且副高控制型500 hPa水汽條件差，所以500 hPa假相當(dāng)位溫副高控制型更低，對應(yīng)500 hPa與850 hPa差值大，同理，包含有500 hPa水汽條件的A指數(shù)也較前兩種類型小。但從CAPE值看，在副高控制下，天氣晴好，潛在的對流不穩(wěn)定能量較前兩種要大一些。通常強(qiáng)對流天氣的發(fā)生發(fā)展需要大量能量的累積，大氣低層的逆溫層，對對流有一定的抑制作用，一旦抑制被突破，對流運(yùn)動將得到充分的發(fā)展。雷雨順(1986)認(rèn)為，干暖蓋往往是行星邊界層現(xiàn)象，因此本文用850 hPa飽和能差溫度(表)來表示其干暖蓋的強(qiáng)度，值越大，干暖蓋特征越明。

圖飽和能差溫度 Saturated energy difference temperature

可以看到3種類型中，副高控制型以及兩高切變型的干暖蓋特征更明顯，發(fā)生前達(dá)到了16 ℃以上，表明低層溫度較高，且濕度較小，對流抑制強(qiáng)，有利于對流不穩(wěn)定能量的累積。從對流開始觸發(fā)到對流發(fā)展最強(qiáng)，可以看到飽和能差溫度有很明顯的突降，表明對流抑制被突破，干暖蓋特征消失，對應(yīng)CAPE值也是明顯的下降，大氣不穩(wěn)定能量得到釋放。

而動力條件方面，主要分析了低層的輻合條件，從邊界層850 hPa的散度場以及700 hPa的渦度平流來看，前兩種類型低層有系統(tǒng)性的輻合，而副高控制型，沒有明顯的大范圍的輻合形勢，還是以熱對流天氣為主。而0～3 km的垂直風(fēng)切變，前兩種類型平均約為4～5 s-1，而副高控制下，低層風(fēng)場相對要較弱些，且上下層風(fēng)向也不會相差太大，以風(fēng)速切變?yōu)橹?，約 2～3 s-1。

表2 3種類型穩(wěn)定度參數(shù)物理量的平均值Tab.2 The average value of stability parameters to three types

6 結(jié)論

①影響雅安市短時強(qiáng)降水的環(huán)流形勢主要包括：高原切變型、高空槽型、低渦型、副高控制型、兩高切變型、臺風(fēng)外圍型7類。切變型占所有比例的43%，對典型個例分析其高低空天氣系統(tǒng)的配置后，將環(huán)流形勢的主要特征歸納為3大類型：高原切變型、兩高切變型以及副高控制型。并分析其高低空主要配置，建立3種類型的概念模型。

②利用NCEP再分析資料計算強(qiáng)降水發(fā)生時物理量的閾值，統(tǒng)計分析超過短時強(qiáng)降水樣本60%以上的各個物理量閾值，其中反映水汽參數(shù)的物理量對短時強(qiáng)降水的發(fā)生具有更明顯的指示意義，均達(dá)到80%以上的樣本。與水汽相關(guān)的濕熱指標(biāo)，也可以很好地用于指示短時強(qiáng)降水，另外大氣層結(jié)不需要太強(qiáng)的不穩(wěn)定以及較強(qiáng)的垂直風(fēng)切變。低層的輻合觸發(fā)對短時強(qiáng)降水的觸發(fā)起到主要的作用。

③針對3種不同概念模型，分別對其水汽參數(shù)、熱力動力不穩(wěn)定參數(shù)的平均值進(jìn)行對比分析，可知水汽條件方面，高空切變型和兩高切變型普遍比副高控制型較好，降雨效率方面，暖云層厚度較大，在4 600～4 800 gmp之間，但副高控制型由于副高的控制，暖云層厚度較前兩者要大些。熱力方面，與水汽相關(guān)的物理量參數(shù)前兩種類型也比第3種較大，而與水汽條件相關(guān)性較差的則差不多。動力方面，前兩種動力參數(shù)指示意義較好，以系統(tǒng)性輻合抬升為主，而第3種主要是受低層偏東風(fēng)的擾動、輻合線和地形的作用引起的。