2011—2018年東營短時強降水時空分布特征

王玉龍，張子涵

(東營市氣象局，山東東營 257091)

短時強降水是指短時間內(nèi)降水強度大，降水量達到或超過某一量值的天氣現(xiàn)象。短時強降水具有歷時短、雨強大、局地性強的特點，其預報難度大，且極易致災，往往對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通、建筑、電力、通訊和人民生命財產(chǎn)等造成較嚴重影響。近些年，國內(nèi)很多氣象工作者已經(jīng)對短時強降水的氣候特征、形成機制、預報模型等進行了大量的研究。吳迎旭等[1]等分析得出黑龍江省短時強降水時空分布特征及高低空系統(tǒng)配合對短時強降水連續(xù)性的作用。李萍云等[2]得出陜西短時強降水頻次及極值雨強的時空分布有其獨特性。文獻[3-6]對南北方不同省市短時強降水氣候特征類型進行了相關研究分析。孫麗娜等[7]通過研究得出風廓線雷達能夠較好地反映短時強降水的強度變化以及降水起止時間。徐慧燕等[8]、邱雙等[9]也對短時強降水的成因和物理指標特征進行了分析研究。山東省內(nèi)的部分學者也對山東境內(nèi)短時強降水進行了相關研究，如徐娟等[10]、楊學斌等[11]對山東省短時強降水天氣特征進行了分析，尹承美等[12]、張永婧等[13]對濟南市區(qū)短時強降水特征和天氣分型進行了研究分析。張凱靜等[14]對青島市短時強降水的氣候特征及天氣系統(tǒng)分型進行了研究分析。由于短時強降水大多是由中小尺度系統(tǒng)造成的，其影響因素較多，受局地環(huán)境影響大，因此尋找適合本地特征的預報預警指標顯得尤為必要。由于早期東營境內(nèi)區(qū)域自動站數(shù)量有限，實際觀測到的過程也較少，且對于東營本地短時強降水也未有系統(tǒng)性的研究分析。2010年之后，全市的自動氣象站分布更加合理，基本涵蓋各縣區(qū)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道以及重要地區(qū)。本文基于近年來全市50個自動氣象站逐小時降水量資料，分析了短時強降水的時間、空間和強度變化特征，結(jié)合其發(fā)生時環(huán)境背景場資料，建立了天氣學概念模型，同時得出了關鍵環(huán)境參量閾值，以期為東營短時強降水臨近預報預警及防災減災提供參考依據(jù)，更好地為當?shù)卣蜕鐣姺铡?/p>

1 資料與分析方法

利用東營市境內(nèi)5個國家級自動站和45個區(qū)域自動站逐小時降水量資料，數(shù)據(jù)樣本時間段選擇為2011—2018年。根據(jù)《全國短時臨近預報業(yè)務規(guī)定》，短時強降水定義為1 h降水量≥20 mm的降水。本文中資料以20時為日界，某日1個站點出現(xiàn)一個時次1 h降水量≥20 mm，則該日統(tǒng)計為1個短時強降水日；1個站點出現(xiàn)一個時次1 h降水量≥20 mm即統(tǒng)計為1次短時強降水；以某時段內(nèi)所有站點出現(xiàn)短時強降水次數(shù)的總和(單位為站次)記為短時強降水頻次。短時強降水發(fā)生的范圍按照出現(xiàn)的站數(shù)分為4種類型，分別是：局地性短時強降水(出現(xiàn)短時強降水的站數(shù)/總站數(shù)<10%)、小范圍短時強降水(10%≤出現(xiàn)短時強降水的站數(shù)/總站數(shù)<30%)、區(qū)域性短時強降水(30%≤出現(xiàn)短時強降水的站數(shù)/總站數(shù)<50%)、大范圍短時強降水(出現(xiàn)短時強降水的站數(shù)/總站數(shù)≥50%)。

2 短時強降水時空特征

2.1 空間分布

統(tǒng)計分析近8 a東營50個自動氣象站出現(xiàn)短時強降水頻次和日數(shù)，結(jié)果見圖1。由圖1可看出，短時強降水頻次和日數(shù)均是西北部偏多，南部地區(qū)偏少。其中，利津縣陳莊出現(xiàn)頻次最多，共計48站次，年均出現(xiàn)6站次；利津城區(qū)短時強降水日數(shù)最多，為36 d，年均4.5 d。另外，短時強降水頻次和日數(shù)排在前10的自動站中，50%以上都出現(xiàn)在西北部的利津縣，而排在后10位的當中有50%以上出現(xiàn)在南部的廣饒縣。分析其原因，短時強降水多與局地地形有關。從東營地形分析可知，以黃河為界，黃河以北地區(qū)較黃河以南地區(qū)，短時強降水頻次和日數(shù)明顯偏多。

圖1 2011—2018年東營地區(qū)短時強降水年均頻次(a，單位：站次)和年均日數(shù)(b，單位：d)分布特征

2.2 時間分布

2.2.1 年變化特征 2011—2018年東營短時強降水共出現(xiàn)1 566站次，年平均196站次。如圖2所示，2018年最多為412站次，2014年最少為51站次，但短時強降水出現(xiàn)頻次和日數(shù)的年變化無明顯規(guī)律。

由表1可見，2011—2018年共有短時強降水日196 d，年平均為24.5 d，其中2017、2018年最多為29 d，2014年短時強降水日數(shù)最少為16 d，短時強降水日數(shù)年度差異較大。從短時強降水范圍的等級來看：局地性短時強降水天氣過程最多為123 d，占比63%；小范圍短時強降水次多為49 d，占比25%；而區(qū)域性和大范圍短時強降水日數(shù)分別為14 d和10 d，占比分別為7%和5%。由此可看出，短時強降水范圍越大，天氣過程出現(xiàn)的次數(shù)越少。

圖2 2011—2018年東營地區(qū)短時強降水出現(xiàn)頻次和日數(shù)年變化

表1 2011—2018年東營地區(qū)短時強降水日數(shù)年變化 單位：d

年份總?cè)諗?shù)局地性小范圍區(qū)域性大范圍2011241842020122417421201323127402014161330020152716713201624136412017291991020182915905總數(shù)196123491410年均24.515.46.11.81.3

2.2.2 月變化特征 2011—2018年，東營地區(qū)短時強降水最早出現(xiàn)在4月中旬(2017年)，最晚出現(xiàn)在10月下旬(2012年)，11月至次年3月均未出現(xiàn)短時強降水。如圖3所示，東營短時強降水出現(xiàn)頻次和日數(shù)隨月份的分布特征完全一致，均呈單峰狀。8月短時強降水頻次最多，達到683站次，占比43.6%；其次是7月，為571站次，占比36.4%，7—8月短時強降水出現(xiàn)頻次占總數(shù)的80%，4月和10月短時強降水頻次均不足10站次。

圖3 2011—2018年東營地區(qū)短時強降水出現(xiàn)頻次和日數(shù)月變化

由表2可見：2011—2018年東營地區(qū)短時強降水出現(xiàn)日數(shù)最多的月份為8月，共77 d，占總?cè)諗?shù)的39%；其次是7月，共65 d，占總?cè)諗?shù)的33%。從短時強降水范圍來看，局地性、小范圍和大范圍短時強降水出現(xiàn)日數(shù)最多的月份均為8月，區(qū)域性短時強降水出現(xiàn)日數(shù)最多的月份為7月。另外，4月和10月僅出現(xiàn)了局地性短時強降水。

分析短時強降水月變化明顯的原因：7—8月中低緯度系統(tǒng)發(fā)展旺盛，南方暖濕氣流輸送頻繁，加之西南渦、臺風等天氣系統(tǒng)的共同作用，易形成低空急流帶；此外，7—8月平均氣溫較其他月份明顯偏高，導致中低層不穩(wěn)定能量增強，使對流發(fā)展更加旺盛，降水效率大大提高。

表2 2011—2018年東營地區(qū)短時強降水天氣過程月變化 單位：d

2.2.3 日變化特征 與其他強對流天氣一樣，短時強降水的日變化特征明顯。圖4 為東營地區(qū)短時強降水頻次日變化圖。

圖4 2011—2018年東營地區(qū)短時強降水頻次和最大雨強日變化特征

由圖4可看出，04—12時是短時強降水的低發(fā)時段，共出現(xiàn)417站次，占比26.6%；12時過后，短時強降水出現(xiàn)頻次突增并持續(xù)增加，直至18時達到峰值；21時后驟減?？梢钥闯鑫绾?15時)至前半夜(21時)為短時強降水的高發(fā)時段，共出現(xiàn)645站次，占比41.2%。此外，通過統(tǒng)計不同時段內(nèi)≥50 mm的短時強降水頻次發(fā)現(xiàn)，其日變化趨勢與短時強降水頻次日變化趨勢基本一致。短時強降水的高發(fā)時段與低發(fā)時段相比，不僅出現(xiàn)頻次明顯偏多，而且出現(xiàn)≥50 mm的頻次也明顯偏多。主要原因是下午受太陽輻射影響，地面增溫明顯，下墊面溫度較高，熱力條件較好，容易形成下暖上冷的不穩(wěn)定層結(jié)，大氣對流活躍，有利于不穩(wěn)定能量的觸發(fā)和釋放。

3 東營地區(qū)短時強降水天氣形勢分析

短時強降水發(fā)生于有利的大尺度環(huán)流背景下，因此分析研究2011—2018年東營地區(qū)短時強降水天氣所有個例的天氣形勢和影響系統(tǒng)，以500 hPa為主，700 hPa、850 hPa和地面天氣形勢為輔，通過歸類比較，可將東營地區(qū)短時強降水發(fā)生時的天氣系統(tǒng)分為5種類型：西風槽型、副高邊緣型、切變線型、高空冷渦型和臺風型。從表3中可以看出：切變線型產(chǎn)生的短時強降水次數(shù)最多，占比為36.2%；其次是副高邊緣型和西風槽型，分別占比25.5%和24.5%；高空冷渦型占比10.2%；臺風型出現(xiàn)次數(shù)最少，占比3.6%。

表3 東營地區(qū)短時強降水天氣系統(tǒng)分型

選取不同類型短時強降水的典型過程進行天氣分析，利用典型個例的高空和地面MICAPS實況資料，通過合成平均，總結(jié)歸納出不同類型短時強降水的天氣形勢。圖5為造成東營短時強降水的5種天氣系統(tǒng)的概念模型。西風槽型(圖5a)環(huán)流特征表現(xiàn)為500 hPa高度場上槽脊活動較為明顯，中緯度環(huán)流有西風槽，槽后有冷平流，西風槽東移加強，低層有系統(tǒng)配合，向北輸送水汽。副高邊緣型(圖5b)環(huán)流特征表現(xiàn)為500 hPa副熱帶高壓與大陸高壓連通呈帶狀分布，副高脊線西伸，588 dagpm線以北環(huán)流平緩，主要為偏西氣流，西風槽東移并攜帶冷空氣入侵，此時低層配合氣旋性、切變線輻合、低空急流等。切變線型(圖5c)環(huán)流特征表現(xiàn)為在高空天氣圖上，從高層到低層，均可能存在切變線，有冷式切變線和暖式切變線兩種類型。高空冷渦型(圖5d)環(huán)流特征表現(xiàn)為500 hPa天氣圖上110°E～120°E、35°N～45°N范圍內(nèi)存在閉合冷中心，500 hPa低槽東移影響山東，槽底位于河北至魯西北一帶，同時配合低層暖脊和濕區(qū)，有利于東營附近出現(xiàn)短時強降水。臺風型(圖5e)過程較少，其主要分為沿近海北上和深入內(nèi)陸兩種類型，主要表現(xiàn)為受臺風外圍云系影響，以及登陸后減弱的低壓環(huán)流、臺風倒槽、東風波等影響，有時臺風倒槽還會和西風槽結(jié)合形成中低緯相互作用的形勢。

4 東營地區(qū)短時強降水環(huán)境參量

選取的環(huán)境參數(shù)包括：表示大氣水汽條件的低層(850 hPa)比濕，表示大氣溫壓濕綜合影響的850 hPa假相當位溫，表示大氣動力抬升條件的最大上升速度，表示降水效率的暖云層厚度。

圖6為東營地區(qū)不同范圍短時強降水環(huán)境參量箱線圖。從850 hPa比濕箱線圖中可知，短時強降水范圍越大，其中位數(shù)和平均值越大，上下邊界范圍區(qū)間則越小。不同范圍短時強降水的上限差異不大，但下限差異明顯，大范圍和區(qū)域性過程的下限明顯大于小范圍和局地性過程。同時850 hPa比濕上四分位值、下四分位值和下限均隨降水范圍的增大而增大，就箱體寬度來看，大范圍和區(qū)域性過程的分布較為集中，而小范圍和局地性過程分布較為分散，箱體寬度隨降水范圍增大而變窄。850 hPa假相當位溫的變化特征與850 hPa比濕基本一致。在最大上升速度箱線圖中，局地性和小范圍過程的上限大于區(qū)域性和大范圍過程，下限基本持平，區(qū)域性過程箱體寬度最為分散，局地性過程最為集中。從暖云層厚度箱線圖可以看出，四種過程上限和上四分位值較為接近，下限差異較大，局地性和小范圍過程小于區(qū)域性和大范圍過程，同時前兩者下四分位值較小，箱體較寬。

利用MICAPS提供的歐洲中心細網(wǎng)格初始場資料，對東營近8 a短時強降水個例進行統(tǒng)計，在去除異常值的基礎上，得出東營不同范圍和不同類型短時強降水的關鍵環(huán)境參量的閾值范圍(表4、表5)，可在實際預報業(yè)務中參考應用。

細實線為500 hPa等高線(單位為dagpm)；粗實線為500 hPa槽線；雙實線為切變線；箭頭為低空急流。圖5 東營不同類型短時強降水的天氣學概念模型(a 西風槽型，b 副高邊緣型，c 切變線型，d 高空冷渦型，e 臺風型)

線段兩端為統(tǒng)計內(nèi)限；箱形的上部框線為上四分位值；下部框線為下四分位值；箱內(nèi)橫線為中位數(shù)。圖6 東營地區(qū)不同范圍短時強降水環(huán)境參量箱線圖

表4 東營不同范圍短時強降水環(huán)境參量閾值

范圍850 hPa比濕/(g/kg)850 hPaθse/K最大上升速度/(m/s)暖云層厚度/m局地性3～1731～880～82 080～4 910小范圍6～1645～850～92 210～4 820區(qū)域性11～1764～860～63 740～4 670大范圍13～1672～830～63 790～4 450

表5 東營不同類型短時強降水環(huán)境參量閾值

5 結(jié)論

(1)東營地區(qū)短時強降水出現(xiàn)頻次和日數(shù)呈現(xiàn)西北部多南部少的分布規(guī)律，這與局地地形有關。黃河以北地區(qū)較黃河以南地區(qū)短時強降水出現(xiàn)頻次和日數(shù)偏多。

(2)東營地區(qū)短時強降水每年均有出現(xiàn)，短時強降水出現(xiàn)頻次和日數(shù)年變化無明顯規(guī)律；短時強降水范圍等級越高，天氣過程出現(xiàn)的次數(shù)越少；短時強降水出現(xiàn)頻次和日數(shù)的月分布特征均呈單峰狀，最早出現(xiàn)在4月中旬，最晚出現(xiàn)在10月下旬，主要集中發(fā)生在7、8月，此時大氣環(huán)流系統(tǒng)對暖濕氣流的輸送和垂直方向上強烈的上升運動是短時強降水頻發(fā)的原因；東營地區(qū)短時強降水日變化特征明顯，15—21時是短時強降水高發(fā)期，峰值出現(xiàn)在傍晚，其原因是午后大氣層結(jié)更有利于不穩(wěn)定能量的觸發(fā)和釋放。

(3)東營地區(qū)短時強降水的天氣形勢主要有5種類型：西風槽型、副高邊緣型、切變線型、高空冷渦型、臺風型，其中切變線型是最易發(fā)生短時強降水的天氣形勢。通過統(tǒng)計分析，得出不同范圍和不同類型短時強降水的關鍵環(huán)境參量閾值范圍，以期為實際預報工作提供重要參考。