懷化市汛期短時強(qiáng)降水特征分析

王光明,王文聞,王 強(qiáng),梁曉梅

(1.湖南省懷化市氣象局,湖南 懷化 418000;2.湖南省會同縣氣象局,湖南 會同 418300)

0 引言

短時強(qiáng)降水具有突發(fā)性強(qiáng)、來勢猛、歷時短、局地性強(qiáng)，致災(zāi)性高，可預(yù)報時效短等特征，導(dǎo)致的主要災(zāi)害是暴洪，暴洪是所有氣象相關(guān)災(zāi)害中發(fā)生頻次最高且導(dǎo)致傷亡最多的災(zāi)害[1]，常常造成城市積澇，山體滑坡等氣象衍生災(zāi)害。許多氣象人員對此進(jìn)行了研究，如，對山東省短時強(qiáng)降水分析表明，時空分布不均，極值時空分布差異較大，7—8月大范圍短時強(qiáng)降水過程明顯增加[2]，是極端強(qiáng)降水的關(guān)鍵時期[3]；成都都江堰短時強(qiáng)降水的強(qiáng)度非常集中，夜雨特征突出，且后半夜比前半夜多[4]；湖南各地州市短歷時暴雨基本以峰值在前部的單峰型為主[5]；渝東北短時強(qiáng)降水事件逐年增多，站次顯著增加，強(qiáng)降水雨量占年雨量比例逐年加大[6]；王芬[7]發(fā)現(xiàn)貴州望謨6月是短時強(qiáng)降水最頻繁發(fā)生的月份；7—8月是陜甘寧短時強(qiáng)降水的多發(fā)期，峰值出現(xiàn)在7月下旬和8月中旬，日變化呈雙峰分布[8]；連續(xù)少雨期北京地區(qū)暴雨的局地性和短歷時性明顯增加[8]；文獻(xiàn)[10-13]對短時強(qiáng)降水環(huán)流形勢進(jìn)行了分析和研究。

短時強(qiáng)降水一直是氣象預(yù)報服務(wù)中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[14]，然而，湖南省氣象工作人員對短時強(qiáng)降水的統(tǒng)計(jì)分析相對較少，在前人研究的基礎(chǔ)上，本文分析了懷化地區(qū)2012—2017年4—9月的短時強(qiáng)降水的年際、月際、時際以及強(qiáng)度、空間分布變化特征，利用相應(yīng)的NCEP再分析資料總結(jié)了短時強(qiáng)降水出現(xiàn)的概念模型，以期為短時強(qiáng)降水預(yù)報提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域

懷化市地處湖南西部(25°52′～29°01′N、108°47′～111°06′E)，地貌輪廓自西南向北傾斜，呈一狹長地帶，南北長約353 km，東西寬約229 km，東南部有雪峰山，西北部有武陵山，中間丘崗起伏，為若干盆地，全境地勢起伏，溝壑縱橫，地勢最高點(diǎn)為雪峰山脈主峰蘇寶頂，海拔標(biāo)高1 934 m，最低為沅陵的界首，海拔45 m，相對高差1 889 m[15]。

1.2 短時強(qiáng)降水資料

分析資料為懷化市2012—2017年4—9月11個國家站和403個自動站逐小時降水量；NCEP1°×1°逐6 h再分析資料，分別為每日02、08、14、20時。

1.3 短時強(qiáng)降水標(biāo)準(zhǔn)

短時強(qiáng)降水是一種強(qiáng)對流天氣[16]，按標(biāo)準(zhǔn)[17]降水量≥20 mm·h-1的降水定義為短時強(qiáng)降水，具體分為4個等級[17](20～29.9 mm·h-1，30.0～49.9 mm·h-1，50.0～79.9 mm·h-1，≥80 mm·h-1)。為此，本文在統(tǒng)計(jì)短時強(qiáng)降水樣本時，如有一個區(qū)域站出現(xiàn)降水量≥20 mm·h-1，即定義為一個短時強(qiáng)降水日。

為分析方便，統(tǒng)計(jì)中定義了短時強(qiáng)降水頻數(shù)和日數(shù)兩個名詞，頻數(shù)是指統(tǒng)計(jì)時段內(nèi)逐日短時強(qiáng)降水的站點(diǎn)次數(shù)，同一站點(diǎn)同一日出現(xiàn)多次時，重復(fù)計(jì)數(shù)次數(shù)；日數(shù)的統(tǒng)計(jì)與頻數(shù)類似，但同一站點(diǎn)同一日出現(xiàn)多次時，不重復(fù)統(tǒng)計(jì)，只計(jì)一次短時強(qiáng)降水日。

鑒于區(qū)域短時強(qiáng)降水并未有統(tǒng)一的定義，參照湖南區(qū)域性暴雨(若某日湖南國家站中有10%及以上站點(diǎn)發(fā)生暴雨，則記該日為湖南區(qū)域性暴雨日)，規(guī)定若某日懷化國家站和區(qū)域站(414站)中有10%及以上站點(diǎn)發(fā)生短時強(qiáng)降水，則記該日為懷化區(qū)域性短時強(qiáng)降水日。

2 結(jié)果與分析

2.1 短時強(qiáng)降水頻(日)數(shù)與極值分布特征

2012—2017年4—9月11個國家站平均每年出現(xiàn)短時強(qiáng)降水頻數(shù)為70.7次，但年際變化大，2017年頻數(shù)最多(103次，圖1)，2013年最少(35次)，3 a低于平均值(2013、2015、2016年)，3 a高于平均值(2012、2014、2017年)。

圖1 2012—2017年4—9月短時強(qiáng)降水頻數(shù)年際變化Fig.1 The interannual variation of short-term heavy precipitation frequency from April to September

11個國家站中，各站每年均有短時強(qiáng)降水出現(xiàn)，11站年平均日數(shù)為51.8 d，2013年出現(xiàn)日數(shù)最少(26 d)，2017年最多(76 d)；對某站而言，少則1 d，多則10 d。

從2012—2017年4—9月短時強(qiáng)降水極值分布(圖2)看到，短時強(qiáng)降水≥100 mm·h-1共出現(xiàn)7站(辰溪4站，會同2站，靖州1站)，占總站數(shù)的1.7%；按中國氣象局規(guī)定[15]，≥80 mm·h-1，占比12.5%；50～79.9 mm·h-1，占比68.4%；30～49.9 mm·h-1，占比18.6%；20～29.9 mm·h-1，占比0.5%。

從國家站與區(qū)域站各月短時強(qiáng)降水極值與出現(xiàn)時間(表1)看，區(qū)域站極值出現(xiàn)在2017年7月14日15時會同縣的黃茅站，其值為129.9 mm·h-1，其它依次為6、5、8、4、9月份，其值均在90.0 mm·h-1以上；國家站上極值在35.7～84.9 mm·h-1間，最大值(84.9 mm·h-1)出現(xiàn)在2017年6月25日04時靖州站。從國家站與區(qū)域站短時強(qiáng)降水極值對比可知，除6月外，其余各月國家站的極值大約為區(qū)域站極值的一半。

圖2 2012—2017年4—9月短時強(qiáng)降水極值(mm)分布，圖中數(shù)字為國家站極值，陰影區(qū)為自動站極值，紅點(diǎn)為短時強(qiáng)降水≥100 mm·h-1站點(diǎn)Fig.2 The short-term strong precipitation extreme value (mm) distribution from April to September, the number represents national station, the shaded area represent the automatic station

表1 2012—2017年4—9月國家站與區(qū)域站短時強(qiáng)降水極值與出現(xiàn)時間Tab.1 The extreme value and occur time of short-term heavy precipitation between national stations and regional stations from April to September during the 2012—2017

2.2 短時強(qiáng)降水頻(日)數(shù)空間分布特征

統(tǒng)計(jì)2012—2017年4—9月懷化市11個站短時強(qiáng)降水頻數(shù)(圖3)，結(jié)果表明，國家站每個站平均每年出現(xiàn)短時強(qiáng)降水6.2次，其中麻陽、辰溪最多高達(dá)8.8次和8.7次，洪江市最少(4.0次)；區(qū)域站短時強(qiáng)降水每站每年平均出現(xiàn)6.3次，區(qū)域分布不均勻，北部多，中南部少，其中中部的芷江、新晃出現(xiàn)最少。區(qū)域站上，沅陵縣大合坪、辰溪縣大水田頻數(shù)最多(11.3次)。

圖3 2012—2017年4—9月短時強(qiáng)降水頻數(shù)分布，圖中數(shù)字為國家站頻數(shù)陰影區(qū)為自動站頻數(shù)Fig.3 The distribution of short-term heavy precipitation frequency from April to September. The number is the frequency of the national station, and the shaded area is the frequency of the automatic station

從短時強(qiáng)降水日數(shù)的平均分布圖看(圖略)，國家站平均每年每站出現(xiàn)短時強(qiáng)降水日數(shù)為4.7 d，辰溪、麻陽最多(6.7 d)，洪江最少(3.0 d)；在區(qū)域站上，每站每年平均出現(xiàn)短時強(qiáng)降水日數(shù)4.7 d，短時強(qiáng)降水日數(shù)分布也是北部多，中南部少，其中沅陵縣的大合坪附近以及辰溪、麻陽和懷化三地交界區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)短時強(qiáng)降水日數(shù)最多(7.3 d)，西部的芷江、新晃出現(xiàn)最少(3.7 d)。

2.3 短時強(qiáng)降水時間分布特征

從11個國家站月際變化(圖4)看，短時強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在5—7月，占4—9月的72.9%，其次在8—9月，占比為20.0%，4月最少(7.1%)。如果按月分布，6月最多，11站年平均出現(xiàn)10.5次，占總次數(shù)的28.3%，其它依次為7月(8.8次)、5月(7.8次)、8月(4次)、9月(3.5次)，4月最少(2.6次)。

圖4 2012—2017年4—9月短時強(qiáng)降水總頻數(shù)月際分布Fig.4 The monthly distribution of short-term heavy precipitation frequency from April to September

從短時強(qiáng)降水逐時分布曲線(圖5)可知，短時強(qiáng)降水形態(tài)呈單峰型，04—10時最容易發(fā)生，峰值出現(xiàn)在08時，11時—次日03時產(chǎn)生頻數(shù)相對較少，谷值在23時。

圖5 2012—2017年4—9月短時強(qiáng)降水頻數(shù)小時分布Fig.5 The hourly distribution of short-term heavy precipitation frequency from April to September

3 短時強(qiáng)降水天氣系統(tǒng)解析

通過逐時降水實(shí)況反查，懷化市共產(chǎn)生區(qū)域性短時強(qiáng)降水35次，基本出現(xiàn)在5—7月；8—9月產(chǎn)生的短時強(qiáng)降水，基本上屬于夏季午后陸地表面受日射而強(qiáng)烈加熱，在近地層形成絕對不穩(wěn)定層結(jié)，對流發(fā)展而形成，由于這種熱力抬升作用發(fā)展起來的對流，在天氣圖上無明顯系統(tǒng)，預(yù)報難度最大，發(fā)生頻次也較少。

因5—7月短時強(qiáng)降水頻次高、致災(zāi)性遠(yuǎn)大于8—9月，故通過35次區(qū)域性短時強(qiáng)降水實(shí)況資料與NCEP1°×1°再分析資料對比分析，從短臨預(yù)報角度出發(fā)，得到以下兩種概念模型。

3.1 低渦型

35次區(qū)域性短時強(qiáng)降水天氣過程，有25次在700 hPa或850 hPa有低渦活動，其中低渦移動的過程有20次，穩(wěn)定少動的有5次。

對于低渦型，500 hPa環(huán)流經(jīng)向度加深，整個湖南處在槽前西南氣流中，槽前正渦度平流為直接產(chǎn)生暴雨的中小尺度系統(tǒng)提供有利條件，在此種天氣類型中低渦位置和移動路徑是短時強(qiáng)降水預(yù)報的關(guān)鍵點(diǎn)(圖6)。如果低渦沿切變線東移，則懷化大部分地區(qū)將出現(xiàn)短時強(qiáng)降水天氣；低渦位置偏北、偏東移動，則主要影響懷化北中部地區(qū)。850 hPa(27～29°N，108～111°E)為低渦關(guān)鍵區(qū)，在低渦進(jìn)入關(guān)鍵區(qū)時，往往懷化地區(qū)將產(chǎn)生短時強(qiáng)降水天氣，懷化處在高空急流南側(cè)分流區(qū)中，高空強(qiáng)烈輻散，有利于上升運(yùn)動發(fā)展，短時強(qiáng)降水區(qū)集中在：①低渦附近及其東南側(cè)0.5～2個緯距范圍內(nèi)，低渦東段切變附近及其南側(cè)2個緯距，西段切變線233 km內(nèi)；②850 hPa低空急流左側(cè)出口區(qū)；③對于850 hPa低渦穩(wěn)定在湘西北地區(qū)的天氣過程，落區(qū)具有相似特征，強(qiáng)降水主要集中在懷化北部以及中部偏北地區(qū)。

對此類天氣，200 hPa急流建立，高空槽加深東移，懷化處在高空槽前西南氣流中，中低層急流建立，850 hPa低渦進(jìn)入關(guān)鍵區(qū)，強(qiáng)降雨在低渦附近及其東南側(cè)產(chǎn)生，在急流出口區(qū)疊加區(qū)域尤甚，隨著200 hPa急流消失，500 hPa低槽東出，低渦隨之東出或消散，懷化短時強(qiáng)降水隨之結(jié)束。

圖6 懷化低渦型短時強(qiáng)降水天氣形勢圖Fig.6 The weather situation map of low vortex type short-term heavy precipitation in Huaihua

3.2 切變線型

切變線型的區(qū)域性短時強(qiáng)降水天氣過程共計(jì)10次，高空200 hPa懷化地區(qū)也是處在急流南側(cè)分流區(qū)的強(qiáng)輻散中，500 hPa南支槽發(fā)展東移，湖南處在槽前西南氣流中，中低層分析不出明顯的渦旋系統(tǒng)，影響湖南地區(qū)以切變線或強(qiáng)風(fēng)速輻合為主，懷化處在850 hPa切變線南側(cè)，700、850 hPa急流的左前側(cè)，懷化的短時強(qiáng)降水也就發(fā)生在850 hPa切變線附近及其南側(cè)1.5個緯距范圍內(nèi)，尤其是850 hPa低空急流出口區(qū)左側(cè)輻合區(qū)的疊加區(qū)，此種類型的天氣過程主要關(guān)注切變線的移動和發(fā)展，以及低空急流的建立與破壞(圖7)。

對此類型，懷化處在200 hPa急流南側(cè)分流區(qū)的強(qiáng)輻散中，500 hPa南支槽加深發(fā)展，懷化在槽前旺盛的西南急流中，850 hPa切變線自北向南移動影響懷化，配合低層急流，在850 hPa切變線南側(cè)，700、850 hPa急流的左前側(cè)出現(xiàn)強(qiáng)降雨天氣，隨著高空槽東出，850 hPa切變線南壓出湖南地區(qū)，懷化轉(zhuǎn)受偏北氣流控制，懷化短時強(qiáng)降水天氣過程也趨于結(jié)束。

圖7 懷化切變線型短時強(qiáng)降水天氣形勢圖Fig.7 The weather sitzlation rnap of the type of shear line in Huaihua

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

①短時強(qiáng)降水頻數(shù)的年際變化大、頻數(shù)高日數(shù)多且空間分布不均,11個國家站平均每年出現(xiàn)短時強(qiáng)降水頻數(shù)為70.7次，最多103次，最少35次；國家站上，短時強(qiáng)降水頻數(shù)(日數(shù))為：每站每年平均出現(xiàn)6.2次(4.7 d)，北部的辰溪、麻陽頻數(shù)和日數(shù)最高(約8.8次、6.7 d)，中部的洪江最少(4.0次、3.0 d)；在區(qū)域站上，短時強(qiáng)降水頻數(shù)(日數(shù))為：每站每年平均出現(xiàn)6.3次(4.7 d)，短時強(qiáng)降水頻數(shù)和日數(shù)分布為北部多，中南部少，其中沅陵縣的大合坪、辰溪縣的大水田最多(11.3次、7.3 d)，西部的芷江、新晃最少(4.1次、3.7 d)。

②從月際變化看，短時強(qiáng)降水主要發(fā)生在5—7月，占整個汛期(4—9月)的72.9%，其次在8—9月，占比為20.0%，4月最少(7.1%)。其中6月最多，11站年平均出現(xiàn)10.5次，占總次數(shù)的28.3%，4月最少(2.6次)。從日際變化看，短時強(qiáng)降水的日變化呈單峰型，04—10時短時強(qiáng)降水最容易發(fā)生，峰值出現(xiàn)在08時，谷值在23時。

③短時強(qiáng)降水等級空間分布差異大：大部分站點(diǎn)的短時強(qiáng)降水極值在50～79.9 mm·h-1，占總站數(shù)的68.4%，≥80 mm·h-1的短時強(qiáng)降水占比為12.5%，20～49.9 mm·h-1占19.1%；國家站每月短時強(qiáng)降水極值的2倍約等于區(qū)域站極值，區(qū)域站最大值為129.9 mm·h-1；在雪峰山西側(cè)(會同、洪江、溆浦)以及辰溪境內(nèi)最易發(fā)生≥80 mm·h-1的短時強(qiáng)降水，新晃境內(nèi)高等級的短時強(qiáng)降水不易發(fā)生。

④低渦型短時強(qiáng)降水預(yù)報的關(guān)鍵是低渦位置和移動路徑，當(dāng)850 hPa低渦進(jìn)入關(guān)鍵區(qū)時，短時強(qiáng)降水易發(fā)生在低渦附件及其東南側(cè)(0.5～2個緯距)、低渦東段切變及其南側(cè)2個緯距以及西段切變線約230 km內(nèi)。

⑤切變型短時強(qiáng)降水的預(yù)報主要關(guān)注切變線的移動、發(fā)展和低空急流配置關(guān)系。當(dāng)850 hPa切變線自北向南移動影響懷化并配合有低層急流時，短時強(qiáng)降水也就發(fā)生在切變線附近及其南側(cè)(1.5個緯距內(nèi))，尤其是與低空急流出口區(qū)左側(cè)疊加的區(qū)域。

4.2 討論

天氣系統(tǒng)分型中僅考慮了850 hPa以上的層次，但地面和925 hPa的動力條件也不容忽視；8—9月產(chǎn)生的短時強(qiáng)降水，雖屬夏季午后熱力抬升作用引起，對局地能造成較大災(zāi)害，應(yīng)加強(qiáng)這種系統(tǒng)的探索研究。

致謝：該文寫作過程中得到湖南省氣候中心廖玉芳正研2級高工的悉心指導(dǎo)，謹(jǐn)致謝意。