加密自動站在極端短時強(qiáng)降水發(fā)生前的精細(xì)化特征分析

靳振華，趙金霞，卜清軍

(天津市濱海新區(qū)氣象局 天津300457)

0 引 言

極端短時強(qiáng)降水是造成城市內(nèi)澇的主因，其變化趨勢能更有效地反映極端事件的趨勢[1]。由于短時強(qiáng)降水具有突發(fā)性強(qiáng)、降雨落點分散、持續(xù)時間短等特點，對短時強(qiáng)降水天氣的監(jiān)測預(yù)報預(yù)警仍然是現(xiàn)代天氣預(yù)報工作中的難點[2-4]。

小時雨強(qiáng)直接關(guān)系到致災(zāi)的嚴(yán)重程度，且不同地區(qū)對小時雨強(qiáng)的承受能力也不同。氣象部門加強(qiáng)了短時強(qiáng)降水的預(yù)報工作，并朝精細(xì)化方向發(fā)展，在描述落區(qū)之后，增加了小時雨強(qiáng)預(yù)報的相應(yīng)內(nèi)容。羅玲等[5]利用 1990—2004年的小時降水資料研究了中國大陸區(qū)域的日變化特征。尹承美等[6]利用 2006—2008年5至9月濟(jì)南市區(qū)區(qū)域自動氣象觀測站等資料分析了濟(jì)南市區(qū)出現(xiàn)短時強(qiáng)降水(R≥15mm/h)的年際、月際、時際以及強(qiáng)度特征。楊詩芳等[7]利用杭州市近 20a的雨量資料，分析了杭州短時強(qiáng)降水的發(fā)生規(guī)律，發(fā)現(xiàn)杭州短時強(qiáng)降水年發(fā)生次數(shù)的多年平均值為 9.6次，短時強(qiáng)降水容易發(fā)生在凌晨及午后2個時段。劉偉東等[8]和王國榮等[9]利用自動站資料，對北京地區(qū)的降水時空特征進(jìn)行了分析。目前對小時雨強(qiáng)預(yù)報的研究幾乎空白，氣象業(yè)務(wù)中對外發(fā)布的決策服務(wù)產(chǎn)品要求給出最大小時雨強(qiáng)范圍，重大氣象服務(wù)保障也需要提供逐小時精細(xì)化預(yù)報，最大小時雨強(qiáng)已成為天氣會商的重要內(nèi)容之一，非常有必要加強(qiáng)這方面的研究。

天津沿岸短時強(qiáng)降水往往具有“突發(fā)性”這一顯著特點，受常規(guī)資料時空分辨率所限，難以對短時強(qiáng)降水做出及時準(zhǔn)確的短時臨近預(yù)報、預(yù)警，需要高時空分辨率的地面自動氣象站資料作為必要補(bǔ)充。天津地區(qū)地面自動氣象站分布較為稠密，目前東部濱海新區(qū)已建立 51個觀測站點，具備覆蓋全區(qū)的觀測能力，能夠提供氣溫、氣壓、相對濕度、露點溫度、風(fēng)向、風(fēng)速以及降水量等氣象要素資料，但加密自動站資料用于強(qiáng)對流天氣分析和預(yù)報方面的文獻(xiàn)并不多見。在實際業(yè)務(wù)工作中，提前1～2h發(fā)布的災(zāi)害性天氣預(yù)警就能為政府決策部門和社會公眾爭取到較為充足的響應(yīng)時間，在一定程度上能夠滿足防災(zāi)減災(zāi)的需要。因此，本文選取天津濱海新區(qū) 2006—2016年4～10月小時雨強(qiáng)大于 50mm/h的極端短時強(qiáng)降水個例作為研究對象，使用常規(guī)探測資料，根據(jù)500hPa環(huán)流形勢將選取的個例分成冷渦型、西風(fēng)槽型和西北氣流型3種類型，然后利用全區(qū)高時空分辨率的地面加密自動氣象站資料，分析不同類型極端短時強(qiáng)降水發(fā)生前 2h至發(fā)生時這一時段內(nèi)的各氣象要素的變化規(guī)律，探尋加密自動站資料分析預(yù)報短時強(qiáng)降水的思路，從而提高強(qiáng)對流天氣的預(yù)報準(zhǔn)確率。

1 資料與方法

所用資料的時間段為2006—2016年4～10月。天氣形勢分析使用中國氣象局下發(fā)的 MICAPS資料中每日2次(08：00、20：00)的高空探測資料。降水資料來源于濱海新區(qū)地面加密自動站，由于區(qū)域自動站每年都有更新，分析過程中，結(jié)合 CIMISS中數(shù)據(jù)的完整性，基于遷站、變站和資料殘缺的客觀事實，經(jīng)過系統(tǒng)分析和篩選后，選取濱海新區(qū) 51個地面加密自動站逐小時資料(圖 1)，從中選出小時雨量大于50mm/h的 17個極端短時強(qiáng)降水個例作為研究對象，分析極端短時強(qiáng)降水發(fā)生前 2h的氣溫、相對濕度、露點溫度、3h變壓、1h變溫、風(fēng)6個要素的演變特征。

圖1 濱海新區(qū)51個地面加密自動氣象站點分布Fig.1 Distribution of 51 ground encrypted automatic meteorological stations in Binhai New Area

2 大尺度環(huán)流背景

對于不同天氣過程，產(chǎn)生短時強(qiáng)降水的天氣類型也不同。如表 1所示，對所選取的 17個極端短時強(qiáng)降水個例發(fā)生前至發(fā)生時的日高空 500hPa環(huán)流形勢演變過程進(jìn)行天氣學(xué)分析，根據(jù)影響系統(tǒng)分為3種類型，即：冷渦型、西風(fēng)槽型和西北氣流型，每種天氣類型所占的百分比依次為 41%、53%、6%，其中冷渦型 7個，中心偏北6個，中心偏南 1個；西風(fēng)槽型出現(xiàn)概率最大，為 9個，其中槽移動過程中加強(qiáng)為冷渦有 2個；西北氣流型概率最低，為 1個，這種環(huán)流背景下發(fā)生的強(qiáng)降水易出現(xiàn)漏報情況，值得深入研究。

表1 濱海新區(qū)小時雨強(qiáng)大于50 mm/h的個例Tab.1 Cases of hourly rain stronger than 50 mm/h in Binhai New Area

3 自動站氣象要素變化特征分析

將大尺度分型后的極端短時強(qiáng)降水個例逐一進(jìn)行自動站氣象要素場(氣溫、相對濕度、露點溫度、3h變壓、1h變溫、風(fēng))變化特征分析。結(jié)果表明：在極端強(qiáng)降水發(fā)生2h前，要素場變化存在一定規(guī)律。其中，1h變溫、3h變壓和風(fēng)的指示意義最強(qiáng)，其次是氣溫，露點溫度和相對濕度指示意義相對較弱。因此，在捕捉到要素場變化規(guī)律時，可以提前 2h做出預(yù)警，為應(yīng)對災(zāi)害性天氣爭取時間。

3.1 冷渦型

冷渦型個例大部分氣象要素在強(qiáng)降水發(fā)生 2h前常有較為明顯的變化，具有一定的指示意義。其中，氣溫、1h變溫、3h變壓的變化最為明顯，相對濕度、露點溫度有時變化規(guī)律不太明確。

溫度場在此類強(qiáng)降水過程中的變化有較為清楚的特征表現(xiàn)。在強(qiáng)降水發(fā)生 2h前，溫度場開始出現(xiàn)變化，常出現(xiàn)等溫線由疏變密的演變過程，最終形成明顯的等溫線密集帶，同時有冷舌生成并自西北向東南移動，表明有強(qiáng)冷空氣從西北方向侵入濱海新區(qū)。2016年 7月 24日短時強(qiáng)降水過程的最大雨強(qiáng)為95.0mm/h，出現(xiàn)在 14：00～15：00，地點在濱海水廠，地面溫度場如圖2所示，13：00濱海新區(qū)西南方向已經(jīng)有冷中心生成，向濱海水廠方向伸展并移動，至14：00時等溫線明顯變密形成密集帶，溫度梯度加大。由此可以看出，氣溫對于冷渦型強(qiáng)降水來說是一個需要關(guān)注的要素，變化特征明顯。

圖2 2016年7月24日13：00～15：00溫度場變化Fig.2 Variation of temperature field from 13：00 to 15：00 on 24 July，2016

冷渦型天氣往往伴隨強(qiáng)冷空氣的侵入，這一特點在變溫場上表現(xiàn)得更為清楚。在強(qiáng)降水發(fā)生2h前等變溫線開始出現(xiàn)顯著的變化。與等溫線變化相似，等變溫線也常有密集帶生成并伴有負(fù)變溫中心，且向下游方向移動。2016年6月10日短時強(qiáng)降水過程最大雨強(qiáng)為 55.9mm/h，出現(xiàn)在 19：00～20：00，地點在海河防潮閘，變溫場如圖 3所示，19：00濱海新區(qū)西北部開始出現(xiàn)變溫線密集帶，變溫梯度明顯加大，不斷向東南方向推進(jìn)，負(fù)變溫中心強(qiáng)度大于-10℃/h，20：00負(fù)變溫中心位于東部沿海，負(fù)變溫經(jīng)過之地均出現(xiàn)了短時強(qiáng)降水。由此可見，變溫在冷渦型強(qiáng)降水中變化十分劇烈，是指示性較強(qiáng)的一個氣象要素。

圖3 2016年6月10日19：00～20：00變溫場變化Fig.3 Variation of temperature field from 19：00 to 20：00 on 10 June，2016

強(qiáng)降水出現(xiàn)前劇烈降溫時間與冷渦的強(qiáng)度、移動速度有關(guān)，最大降溫幅度達(dá)-8.0℃/h(表 2)，表明冷空氣強(qiáng)度非常大。

表2 強(qiáng)降水發(fā)生前變溫幅度統(tǒng)計Tab.2 Statistics of temperature variation before occurrence of heavy precipitation

露點溫度和相對濕度均為表征空氣濕度的物理量，二者僅在部分強(qiáng)降水過程發(fā)生前有密集帶生成和移動，而且相對濕度變化尤其微弱。2008年8月12日短時強(qiáng)降水過程的最大雨強(qiáng)為 66.2mm/h，出現(xiàn)在08：00～09：00，地點在漢沽站，露點溫度 1h下降最大幅度1.7℃/h，相對濕度 1h上升最大幅度為4%。2014年 8月 17日短時強(qiáng)降水過程最大雨強(qiáng)為54.7mm/h，出現(xiàn)在 01：00～02：00，地點在大港站，露點溫度 1h下降最大幅度 4℃/h，相對濕度 1h上升最大幅度為7%(圖4)。

圖4 2008年 8月 12日和 2014年 8月 17日強(qiáng)降水發(fā)生前2 h露點溫度和相對濕度Fig.4 Dew point temperature and relative humidity 2 hours before heavy precipitation on 12 August，2008 and on 17 August，2014

海平面變壓在天氣學(xué)中是一個重要的物理量，實際天氣預(yù)報工作中一般關(guān)注3h變壓的變化。在冷渦強(qiáng)降水個例中，其變化較為明顯，同樣表現(xiàn)為上游有密集帶生成并向下游方向移動。2014年8月17日短時強(qiáng)降水最大3h變壓達(dá)3.7hPa，說明冷渦后部的冷空氣很強(qiáng)(表3)。

表3 強(qiáng)降水發(fā)生前2 h變壓幅度統(tǒng)計Tab.3 Statistics of pressure variation 2 hours before occurrence of heavy precipitation

風(fēng)(風(fēng)向、風(fēng)速)是氣象上經(jīng)常研究的要素，風(fēng)場的變化與強(qiáng)降水產(chǎn)生的動力條件和水汽條件均有密切的關(guān)系。冷渦強(qiáng)降水個例中，風(fēng)場并不表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，多數(shù)個例中能夠分析出風(fēng)切變(2016年7月 24日，圖 5a)，強(qiáng)降水發(fā)生 1h前濱海水廠南部有明顯的地面輻合線，切變線對強(qiáng)降水的發(fā)生有一定的指示意義。在少數(shù)個例中幾乎表現(xiàn)不出變化(2016年7月20日，圖5b)，強(qiáng)降水發(fā)生1h前李官莊均為一致的東南風(fēng)，沒有風(fēng)向切變，也沒有風(fēng)速的加大，在風(fēng)場上沒有明顯變化。

圖5 強(qiáng)降水發(fā)生1 h前風(fēng)場變化Fig.5 Variation of wind field 1 hour before heavy rainfall

3.2 西風(fēng)槽型

在西風(fēng)槽強(qiáng)降水個例中，除露點溫度和相對濕度變化不易捕捉外，其余要素均表現(xiàn)出較為顯著的變化特征。當(dāng)有副高配合時，由于系統(tǒng)較強(qiáng)，要素變化規(guī)律均較為明確；而當(dāng)無配合副高時，要素變化幅度相對較弱。

西風(fēng)槽型強(qiáng)降水個例中氣溫變化規(guī)律與冷渦型變化類似，即強(qiáng)降水發(fā)生前有等溫線密集帶的生成和移動(2014年7月16日，最大雨強(qiáng)53.8mm/h，出現(xiàn)在 14：00～15：00，地點在漢沽站，圖 6)，其中有副高配合時溫度場變化幅度更大。

圖6 2014年7月16日13：00-15：00溫度場變化Fig.6 Variation of temperature field from 13：00 to 15：00 on16 July，2014

西風(fēng)槽型強(qiáng)降水變溫場變化與溫度場的變化相似，表現(xiàn)為強(qiáng)降水發(fā)生前出現(xiàn)等變溫線密集帶，甚至大值中心(2014年 7月 16日，圖 7)，最大變溫幅度達(dá)-6.2℃/h(表 4)，因此是一個很好的指示性要素。少數(shù)個例強(qiáng)降水之前有明顯的增溫現(xiàn)象，應(yīng)該是暖區(qū)降水過程中的鋒前增溫所致。

圖7 2014年7月16日13：00-15：00變溫場變化Fig.7 Variation of temperature field from 13：00 to 15：00 on 16 July，2014

表4 強(qiáng)降水發(fā)生前變溫幅度統(tǒng)計Tab.4 Statistics of temperature variation before occurrence of heavy precipitation

表5 強(qiáng)降水發(fā)生前露點溫度和相對濕度統(tǒng)計Tab.5 Statistics of dew point temperature and relative humidity before occurrence of heavy precipitation

露點溫度和相對濕度這 2個要素場在西風(fēng)槽型強(qiáng)降水前 3h變化規(guī)律較弱，不容易識別(表 5)，因此相對于其他物理量來說指示意義不強(qiáng)。

3h變壓是另一個具有很好指示性意義的物理量，在西風(fēng)槽型強(qiáng)降水中總是能分析出明顯的等變壓線密集帶和大值中心(圖 8)，故應(yīng)予以高度關(guān)注。與冷渦型強(qiáng)降水不同的是基本是負(fù)變壓，說明高空槽型強(qiáng)降水中暖區(qū)強(qiáng)降水偏多。

圖8 2011年7月30日02：00～04：00變壓場變化Fig.8 Variation of pressure field from 02：00 to 04：00 on 30 July，2011

這一型個例中通常在強(qiáng)降水出現(xiàn)前有一支偏南或偏東氣流長時間維持(2016年 8月 1日，圖 9a)，多數(shù)個例有較為明顯的風(fēng)向風(fēng)速輻合或切變(2010年8月21日，圖9b)。

圖9 強(qiáng)降水前1小時風(fēng)場Fig.9 Variation of wind field 1 hour before heavy rainfall

3.3 西北氣流型

西北氣流型強(qiáng)降水多數(shù)是由局地生成的系統(tǒng)造成的，大尺度資料分析不出明顯的影響系統(tǒng)，僅風(fēng)場具有較好指示性意義(圖 10)，其余要素變化規(guī)律不明顯。

圖10 2016年8月19日強(qiáng)降水前1 h風(fēng)場Fig.10 Variation of wind field 1 hour before heavy rainfall on 19 August，2016

4 結(jié) 論

①產(chǎn)生極端短時強(qiáng)降水的天氣類型包括：冷渦型、西風(fēng)槽型和西北氣流型，冷渦型強(qiáng)降水氣象要素變化最為劇烈，其他2種類型稍弱。

②總體來說，1h變溫、3h變壓、風(fēng)場(尤其是1h變溫)在3類個例中均有比較明顯的變化規(guī)律，是需要重點關(guān)注的要素；氣溫變化幅度稍弱，在西北氣流型少數(shù)個例中甚至捕捉不到明顯變化特征，但這2個要素仍是指示性較好的物理量，需要關(guān)注；露點溫度和相對濕度是表現(xiàn)最弱的2個要素，相對濕度表現(xiàn)更弱，除了在少數(shù)較強(qiáng)系統(tǒng)影響的個例中變化明顯外，大多數(shù)時候變化規(guī)律不易尋找，因此是指示性不強(qiáng)的物理量。

③在強(qiáng)降水發(fā)生 2h前氣象要素場的變化規(guī)律一般表現(xiàn)為等值線密集帶在上游生成并快速向下游移動，常伴有大值中心的出現(xiàn)。風(fēng)場與其他要素場的變化規(guī)律表現(xiàn)形式有所不同，主要表現(xiàn)為風(fēng)向風(fēng)速的輻合或切變，天氣越劇烈，風(fēng)場變化也越明顯；偏東、偏南氣流對于水汽輸送的作用也需要引起注意。在風(fēng)場變化不明顯的少數(shù)強(qiáng)降水過程中，天氣發(fā)生前也一般都有偏東、偏南氣流的長時間維持。

④對所選的17個極端強(qiáng)降水個例的統(tǒng)計計算結(jié)果來看，對于1h變溫來說，強(qiáng)降水發(fā)生2h前，負(fù)變溫最大降溫幅度達(dá)-8.0℃/h，暖區(qū)強(qiáng)降水個例有短暫的增溫現(xiàn)象。3h最大正變壓達(dá) 3.7hPa，暖區(qū)降水最大負(fù)變壓達(dá)-4.3hPa。上述結(jié)果可以作為預(yù)報的參考指標(biāo)。

對自動站氣象要素場變化規(guī)律的分析可以在很大程度上彌補(bǔ)大尺度分析的不足，為臨近預(yù)報、預(yù)警提供幫助。在捕捉到氣象要素場變化規(guī)律時，可以提前 1h做出強(qiáng)對流天氣臨近預(yù)報、預(yù)警，對于應(yīng)急聯(lián)動、防災(zāi)減災(zāi)具有十分積極的意義。但是對于突發(fā)性強(qiáng)、影響范圍小、生命史短的強(qiáng)對流天氣，自動站氣象要素場變化的指示效果不甚理想，因此對此類強(qiáng)對流天氣的臨近預(yù)報、預(yù)警仍然存在較大困難?！?/p>