安砂流域短時(shí)強(qiáng)降水特征及物理量指標(biāo)研究

楊 婷 唐振飛 郭昌松 李長順

(1.福建省氣象服務(wù)中心，福建 福州 350001；2.福建省氣候中心，福建 福州 350001)

短時(shí)強(qiáng)降水是指短時(shí)間內(nèi)降水強(qiáng)度較大，其降水量達(dá)到或超過某一量值的天氣現(xiàn)象。短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)間短，來勢(shì)兇猛，可在短時(shí)間內(nèi)累積形成暴洪，對(duì)流域防洪造成很大壓力。安砂水電站位于永安市安砂鎮(zhèn)九龍溪上，距離永安市區(qū)44km，是閩江支流沙溪流域的龍頭水電站。安砂流域?qū)僦衼啛釒駶櫄夂?，雨量豐沛，暴雨頻發(fā)。其流域上游包含了寧化、清流和連城，壩址位于永安，是福建省暴雨日數(shù)較多的區(qū)域，也是防汛的重點(diǎn)區(qū)域，尤其是短時(shí)強(qiáng)降水高發(fā)區(qū)。近年來，國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的分布特征、環(huán)流形勢(shì)、雷達(dá)與衛(wèi)星云圖特征和環(huán)境參數(shù)等方面做了不少分析和研究[1-10]。一些學(xué)者對(duì)流域的短時(shí)強(qiáng)降水特征也做了研究。侯凱等[11]分析了沙澧河流域短時(shí)強(qiáng)降水特征，并總結(jié)出物理概念模型。張一平等[8]利用常規(guī)觀測(cè)資料和再分析資料，對(duì)2001—2010 年淮河上游短時(shí)強(qiáng)降水過程進(jìn)行中尺度天氣分析和物理量場診斷，歸納各類短時(shí)強(qiáng)降水天氣系統(tǒng)配置模型，并提煉出表征短時(shí)強(qiáng)降水天氣的物理量閾值。全國及福建省的氣象工作者對(duì)福建省的強(qiáng)對(duì)流天氣做出了詳細(xì)分析[12-14]，但是對(duì)安砂流域短時(shí)強(qiáng)降水特征的研究尚未開展。分析安砂流域短時(shí)強(qiáng)降水特征，研究并建立預(yù)報(bào)的物理概念模型，對(duì)于深入開展氣象服務(wù)工作，增強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)服務(wù)能力具有十分重要的意義。

1 資料與方法

參照中央氣象臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)，定義1 h 降水量≥20 mm 作為短時(shí)強(qiáng)降水的標(biāo)準(zhǔn)。利用安砂流域內(nèi)的4個(gè)基準(zhǔn)氣象站(清流、寧化、連城、永安)逐小時(shí)加密雨量資料和MICAPS 常規(guī)觀測(cè)資料，對(duì)安砂流域短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征和產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)臨近探空的物理量特征進(jìn)行分析，歸納其短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征與物理量診斷指標(biāo)，為安砂流域短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)預(yù)警提供參考，以期為安砂流域防汛抗洪提供指導(dǎo)依據(jù)。

根據(jù)鄰(臨)近原則，選取與安砂流域最近的有觀測(cè)的探空資料，優(yōu)先選取龍巖站，其次為贛州站，均無觀測(cè)時(shí)選取邵武站。對(duì)發(fā)生在09時(shí)至20時(shí)之間的降雨，參照08時(shí)的探空數(shù)據(jù)，對(duì)發(fā)生在21時(shí)至08時(shí)之間的降雨，參照20時(shí)的探空數(shù)據(jù)。

本文選用與短時(shí)強(qiáng)降水密切關(guān)聯(lián)的環(huán)境條件K指數(shù)、沙氏指數(shù)(SI)、Δθse850-500、ΔT850-500和(T-Td)700作為表征環(huán)境背景的物理量，以及具有中尺度特征的物理量抬升指數(shù)和大風(fēng)指數(shù)。將各對(duì)流參數(shù)樣本，從小到大進(jìn)行排列，繪制箱形圖，分別顯示最小值、25%分位值、50%分位值、75%分位值和最大值。將25%分位值和75%分位值左右的值，作為參考閾值，即當(dāng)大于這個(gè)閾值或者小于這個(gè)閾值時(shí)，有75%左右的樣本都包括在內(nèi)，將此邊界值作為對(duì)流參數(shù)的參考閾值[15]。

2 時(shí)空分布特征

統(tǒng)計(jì)分析2012—2019年安砂流域內(nèi)4個(gè)氣象站(清流、寧化、連城、永安)的短時(shí)強(qiáng)降水，發(fā)現(xiàn)小時(shí)雨量的極值發(fā)生在2014年8月19日17時(shí)的永安站，小時(shí)雨量達(dá)73.2mm，其次是2012年5月1日21時(shí)連城站，小時(shí)雨量達(dá)64.1mm，以及2019年5月17日01時(shí)連城站，小時(shí)雨量達(dá)59mm(見表1)。且連城最易發(fā)生極端強(qiáng)降水，前十位的小時(shí)雨量極值中，連城占50%(表略)。

表1 2012—2019年各站的小時(shí)雨量極值前三名

2.1 時(shí)間分布

安砂流域各站短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)次數(shù)的年際與月際變化見圖1。如圖1(a)所示，2012—2015年之間年際分布不均，最多年與最少年相差1倍多，2016—2019年之間時(shí)次數(shù)呈小幅下降的趨勢(shì)，分布較均勻。2015年短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)次發(fā)生最多，達(dá)47次，其次分別為2012年(45次)、2014年(38次)，最少年為2013年，只有22時(shí)次。

如圖1(b)所示，安砂流域從未在1月和12月發(fā)生過短時(shí)強(qiáng)降水過程，4～9月為短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生較頻繁時(shí)段，這與福建省的前汛期與臺(tái)風(fēng)季時(shí)間吻合，且最頻發(fā)的月份為5月，達(dá)75時(shí)次，其次分別為6月，達(dá)64時(shí)次，8月(42時(shí)次)，以及7月(34時(shí)次)。5～8月的時(shí)次數(shù)共計(jì)215次，占總時(shí)次數(shù)的76.8%，表明該時(shí)段為安砂流域短時(shí)強(qiáng)降水的降水集中期。

(a) (b)

各站短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)次數(shù)的日變化見圖2。安砂流域的短時(shí)強(qiáng)降水主要集中于午后～上半夜(14～23時(shí))，尤其在19時(shí)，短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)次數(shù)最多，達(dá)28次，16～19時(shí)之間總的時(shí)次數(shù)共89次，占總時(shí)次數(shù)的31.8%，表明該時(shí)段為安砂流域短時(shí)強(qiáng)降水的高發(fā)期。0～13時(shí)是偏弱的時(shí)段，尤其是在12～13時(shí)中午前后，發(fā)生次數(shù)最少。

圖2 2012—2019年各站短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)次數(shù)的日變化

2.2 空間分布

短時(shí)強(qiáng)降水的空間分布圖見圖3。如圖3所示，清流站發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)次數(shù)最多，達(dá)73次，其次依次為連城(67次)、寧化(58次)、永安(53次)，空間分布總體較均勻。

圖3 各站短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)次數(shù)的空間分布

3 物理量指標(biāo)研究

本文選用與短時(shí)強(qiáng)降水密切關(guān)聯(lián)的環(huán)境條件K指數(shù)、沙氏指數(shù)(SI)、Δθse850-500、ΔT850-500和(T-Td)700作為表征環(huán)境背景的物理量，以及具有中尺度特征的物理量抬升指數(shù)和大風(fēng)指數(shù)。各物理量指標(biāo)見圖4及表2。

(a)K指數(shù) (b)SI指數(shù) (c)抬升指數(shù) (d)假相當(dāng)位溫差 (e)ΔT850-500 (f)大風(fēng)指數(shù) (g)(T-Td)700

表2 各物理量分值

3.1 K指數(shù)

K=(T850-T500)+Td850-(T-Td)700，單位：℃，量級(jí)為10-1～101。K指數(shù)雖然是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)，但它能同時(shí)反映大氣層結(jié)穩(wěn)定度和中低層水汽條件，且由于其操作簡單，在強(qiáng)對(duì)流天氣的分析預(yù)報(bào)中，常被作為一種較好的熱力穩(wěn)定度指標(biāo)。如圖4(a)及表2所示，總樣本中的K指數(shù)25%～75%的分位值分別為36～40℃，08時(shí)的分位值分別為35～40℃，20時(shí)的分位值分別為37～42℃，20時(shí)的K指數(shù)閾值高于08時(shí)。一般K值越大，潛能越大，大氣越不穩(wěn)定，將25%分位值作為閾值。因此，總指標(biāo)為K≥36℃，08時(shí)指標(biāo)為K≥35℃，20時(shí)指標(biāo)為K≥37℃。

3.2 SI指數(shù)

SI=(Te-Tp)500，單位：℃，量級(jí)為10-1～101。SI指數(shù)也是表征大氣層結(jié)穩(wěn)定度的參數(shù)?？倶颖局械腟I指數(shù)25%～75%的分位值分別為-2.3～-0.1℃，08時(shí)的分位值分別為-2.1～-0.1℃，20時(shí)的分位值分別為-3～-0.1℃。SI>0，表示氣層穩(wěn)定，SI<0，表示氣層不穩(wěn)定，絕對(duì)值越大，氣層越不穩(wěn)定，將75%分位值作為閾值。如圖4(b)及表2，08時(shí)與20時(shí)的短時(shí)強(qiáng)降水的SI指數(shù)25% 指標(biāo)一致，因此，總指標(biāo)為SI≤-0.1℃，08時(shí)指標(biāo)為SI≤-0.1℃，20時(shí)指標(biāo)為SI≤-0.1℃。

3.3 抬升指數(shù)(LI)

LI=Te500-Tp500，單位：℃，量級(jí)為10-1～101，這是指氣塊從自由對(duì)流高度出發(fā)，是絕熱上升到500hPa處的溫度與500hPa環(huán)境溫度之差，它是表示自由對(duì)流高度以上不穩(wěn)定能量大小的指數(shù)。如圖4(c)及表2，總樣本中的抬升指數(shù)25%～75%的分位值分別為-3～-0.2℃，08時(shí)的分位值分別為-2.5～-0.2℃，20時(shí)的分位值分別為-3.4～-0.2℃。當(dāng)LI >0，表示氣層穩(wěn)定，LI<0，表示氣層不穩(wěn)定，其絕對(duì)值越大，相應(yīng)的，表示不穩(wěn)定能量面積越大，選取75%分位值作為閾值。08時(shí)與20時(shí)的短時(shí)強(qiáng)降水的LI指數(shù)25%指標(biāo)一致，因此，總指標(biāo)為LI≤-0.2℃，08時(shí)指標(biāo)為LI≤-0.2℃，20時(shí)指標(biāo)為LI≤-0.2℃。

3.4 Δθse850-500

Δθse是溫度、氣壓、水汽含量的函數(shù)，表示溫壓濕綜合的物理量，用上下層θse之差Δθse反映大氣層結(jié)潛在不穩(wěn)定。由于在強(qiáng)對(duì)流天氣出現(xiàn)之前，850hPa經(jīng)常時(shí)暖濕空氣，500hPa為干冷空氣，因此，業(yè)務(wù)中較多使用850hPa與500hPa假相當(dāng)位溫之差Δθse850-500。如圖4(d)及表2，總樣本中的Δθse850-50025%～75%的分位值分別為6.4～14.8℃，08時(shí)的分位值分別為6.5～13.8℃，20時(shí)的分位值分別為4.9～18.85℃。Δθse越大，大氣層結(jié)越不穩(wěn)定。將25%分位值作為閾值。因此，總指標(biāo)為Δθse850-500≥6.4℃，08時(shí)指標(biāo)為Δθse850-500≥6.5℃，20時(shí)指標(biāo)為Δθse850-500≥4.9℃。

3.5 ΔT850-500

ΔT850-500表示850hPa與500hPa的溫度遞減率，作為熱力不穩(wěn)定的判定指標(biāo)之一。總樣本中的ΔT850-50025%～75%的分位值分別為22～24℃，08時(shí)的分位值分別為22～24℃，20時(shí)的分位值分別為22～25℃。ΔT850-500越大，大氣層結(jié)熱力越不穩(wěn)定，將25%分位值作為閾值。如圖4(e)及表2，08時(shí)與20時(shí)的短時(shí)強(qiáng)降水的ΔT850-50025% 指標(biāo)一致，因此，總指標(biāo)為ΔT850-500≥22℃，08時(shí)指標(biāo)為ΔT850-500≥22℃，20時(shí)指標(biāo)為ΔT850-500≥22℃。

3.6 大風(fēng)指數(shù)

大風(fēng)指數(shù)(WINDEX)是為預(yù)報(bào)微下?lián)舯┝鳚搫?shì)引入的一個(gè)指數(shù)，主要估測(cè)下沉對(duì)流潛勢(shì)。如圖4(f)及表2，總樣本中的大風(fēng)指數(shù)25%～75%的分位值分別為8.9～18.2，08時(shí)的分位值分別為7.7～15，20時(shí)的分位值分別為10.7～20.1。通常大風(fēng)指數(shù)越大越有利。將25%分位值作為閾值。因此，總指標(biāo)為大風(fēng)指數(shù)≥8.9，08時(shí)指標(biāo)為大風(fēng)指數(shù)≥7.7，20時(shí)指標(biāo)為大風(fēng)指數(shù)≥10.7。

3.7 (T-Td)700

(T-Td)700是表征大氣濕度條件的參數(shù)之一，溫度露點(diǎn)差越大，表示濕度越小，溫度露點(diǎn)差越小，空氣濕度越大，當(dāng)溫度露點(diǎn)差近于0時(shí)，越接近飽和。選取75%分位值作為閾值。如圖4(g)及表2，總樣本中溫度露點(diǎn)差的25%～75%分位值分別為6～9℃，08時(shí)的分位值分別為6～9℃，20時(shí)的分位值分別為7～10℃。因此，總指標(biāo)為溫度露點(diǎn)差≤9℃，08時(shí)指標(biāo)為溫度露點(diǎn)差≤9℃，20時(shí)指標(biāo)為溫度露點(diǎn)差≤10℃。

綜上所述，通過對(duì)發(fā)生在安砂流域內(nèi)的短時(shí)強(qiáng)降水的各物理量分析，總結(jié)凝練各物理量指標(biāo)閾值?？傊笜?biāo)閾值為K≥36℃，SI≤-0.1℃，LI≤-0.2℃，Δθse850-500≥6.4℃，ΔT850-500≥22℃，大風(fēng)指數(shù)≥8.9，(T-Td)700≤9℃；白天(09時(shí)至20時(shí))發(fā)生的短時(shí)強(qiáng)降水的各物理指標(biāo)閾值為K≥35℃，SI≤-0.1℃，LI≤-0.2℃，Δθse850-500≥6.5℃，ΔT850-500≥22℃，大風(fēng)指數(shù)≥7.7，(T-Td)700≤9℃；夜間(21時(shí)至08時(shí))發(fā)生的短時(shí)強(qiáng)降水的各物理指標(biāo)閾值為K≥37℃，SI≤-0.1℃，LI≤-0.2℃，Δθse850-500≥4.9℃，ΔT850-500≥22℃，大風(fēng)指數(shù)≥10.7，(T-Td)700≤10℃。

4 檢驗(yàn)與應(yīng)用

選取2020年兩次短時(shí)強(qiáng)降水過程進(jìn)行檢驗(yàn)。3月9日15時(shí)安砂流域出現(xiàn)局部的短時(shí)強(qiáng)降水，清流站小時(shí)雨量為21.8mm。經(jīng)查，3月9日08時(shí)贛州站的探空指標(biāo)為K=33℃，SI=1.3℃，LI=1.5℃，Δθse850-500=6.7℃，ΔT850-500=22℃，大風(fēng)指數(shù)12，(T-Td)700=1℃，各指標(biāo)中的K指數(shù)、SI和LI指數(shù)均不利于流域短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生，但是其他四個(gè)指標(biāo)滿足閾值條件，表明本次過程的各指標(biāo)閾值對(duì)局部的短時(shí)強(qiáng)降水有一定的預(yù)報(bào)指示意義。5月18日凌晨03-05時(shí)，清流、連城和永安分別出現(xiàn)了短時(shí)強(qiáng)降水。分析5月17日20時(shí)贛州站的探空指標(biāo)為K=41℃，SI=-2.8℃，LI=-2.0℃，Δθse850-500=19.2℃，ΔT850-500=25℃，大風(fēng)指數(shù)21.5，(T-Td)700=2℃，所有指標(biāo)均滿足閾值條件，造成了較大范圍的短時(shí)強(qiáng)降水。經(jīng)過兩次短時(shí)強(qiáng)降水過程的檢驗(yàn)，表明本方法所選的閾值條件對(duì)局部或大范圍的短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)有一定的參考和指示意義。

5 結(jié)論

通過分析安砂流域短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征，以及研究各物理量指標(biāo)的閾值，本文得出以下結(jié)論。

①2012—2015年間年際分布不均，最多年與最少年相差1倍多，2016—2019年間時(shí)次數(shù)呈小幅下降趨勢(shì)。2015年短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)次數(shù)最多，最少年為2013年。

②4～9月為安砂流域短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生較頻繁時(shí)段，與福建省的前汛期與臺(tái)風(fēng)季時(shí)間吻合，且最頻發(fā)的月份為5月份，5～8月的時(shí)次數(shù)占總時(shí)次數(shù)的76.8%，表明該時(shí)段為安砂流域短時(shí)強(qiáng)降水的降水集中期。

③清流發(fā)生的時(shí)次數(shù)最多，達(dá)73次，其次依次為連城、寧化和永安，空間分布總體較均勻。

④各物理量的總指標(biāo)閾值為K≥36℃，SI≤-0.1℃，LI≤-0.2℃，Δθse850-500≥6.4℃，ΔT850-500≥22℃，大風(fēng)指數(shù)≥8.9，(T-Td)700≤9℃，該指標(biāo)閾值對(duì)于局部或大范圍的短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)有一定的參考和指示意義。