湘潭極端短時強降水的多尺度分析與臨近預警

安明　林明麗　卿燃莉　劉二影　袁紅松　尹寶蓉

摘要 利用湘潭市2010—2019年4—9月區(qū)域自動站逐小時降水量、高空地面觀測資料、多普勒天氣雷達資料，采用統(tǒng)計學方法，分析了短時強降雨的時空分布特征，同時使用天氣學診斷方法，深入研究了極端短時強降水發(fā)生的天氣系統(tǒng)、物理量特征、雷達特征。結(jié)果表明：極端短時強降水發(fā)生的環(huán)流背景為低槽切變型、波動氣流型、副高邊緣型、熱帶氣旋型，其中低槽切變型出現(xiàn)次數(shù)最多。

關(guān)鍵詞 極端短時強降水;分布特征;天氣模型;物理量;臨近預警

中圖分類號：P457.6 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2021）11–0058–03

短時強降水是短時間內(nèi)降水強度較大，降雨量≥20 mm的天氣現(xiàn)象，具有致災性高、來勢猛、歷史短、可預報時效短等特征，可引發(fā)暴洪、城市內(nèi)澇、山體滑坡等災害，造成人員傷亡和重大經(jīng)濟損失[1]。在全球氣候變暖背景下，近幾年極端短時強降水天氣事件頻發(fā)，就湘潭市而言，2018年7月23日最大小時雨強86.3 mm，8月1日最大小時雨強更是達到97.8 mm;2020年6月9日最大小時雨強77.9 mm，6月30日最大小時雨強90.4 mm。

對于這類短時強降水天氣，在中短期預報存在漏報的情況，在短臨預警方面提前量也差強人意，事后總結(jié)發(fā)現(xiàn)在中短期預報中模式對此類降水預報性能較差，且預報員主觀分析能力不足[2]。在臨近預報預警上，預報員又局限于雷達組合反射率產(chǎn)品，對潛勢分析和發(fā)展趨勢判斷不足，導致每次強降水回波已經(jīng)影響到本區(qū)域后才發(fā)出預警信號。為了提高湘潭短時強降水的預報質(zhì)量與臨近預警服務提前量，深入分析短時強降水，尤其是極端短時強降水的形成原因并探尋臨近預警指標的意義重大。

許多學者對短時強降水的氣候特征、形成機理、預報模型等方面進行了大量的研究。王光明等[3]研究發(fā)現(xiàn)懷化市短時強降水的頻數(shù)高、日數(shù)多，空間分布表現(xiàn)為北部多、中南部少;張京英等[4]研究表明，大暴雨過程中出現(xiàn)的短時強降水是由大尺度環(huán)流背景形勢中生成的中小尺度系統(tǒng)引發(fā)的。本文統(tǒng)計分析了湘潭短時強降水的時空分布特征，深入研究極端短時強降水發(fā)生的天氣系統(tǒng)、物理量特征、雷達特征，旨在發(fā)現(xiàn)其預報預警指標，為湘潭市汛期極端短時強降水預報、預警提供科學的依據(jù)。

1 定義與資料說明

本文短時強降水是指1小時降雨量≥20 mm，極端短時強降水是1 h降雨量≥50 mm。文中使用的資料包括2010—2019年4—9月湘潭市110個區(qū)域自動站逐小時降水數(shù)據(jù)、高空地面觀測資料、長沙站多普勒天氣雷達資料。湘潭市區(qū)域自動站逐時降水數(shù)據(jù)中，剔除2010年以后建站和數(shù)據(jù)缺測率在5%以上的站點，并通過氣候極值檢查、時間連續(xù)性檢查、空間一致性檢查等方法對數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制，實際參與分析的站點為82個。本文根據(jù)湘潭市2010—2019年4—9月82個區(qū)域自動站逐小時降水資料，統(tǒng)計分析短時強降水和極端短時強降水的時空分布特征，并提取一天中≥3站1 h降雨量≥50 mm的過程作為典型極端短時強降水個例，共計18例，分析其發(fā)生的天氣尺度環(huán)流背景、主要影響系統(tǒng)、物理量場和雷達特征。

2 短時強降水的時空分布特征

湘潭市位于湖南省中部偏東（111°58′～113°05′E、27°21′ ～28°05′N），湘江下游，東西寬108 km，南北長81 km，地處長衡丘陵區(qū)北沿，衡山山脈從南部深入境內(nèi)，雪峰山脈余脈分布于西北部。地貌總趨勢為東南、西北、西南三面較高，向東北部傾斜，中、東部相對平坦。湘潭市屬于亞熱帶濕潤氣候，四季分明，雨水主要集中在夏季。由于短時強降水具有明顯的地域特點，因此結(jié)合地形、地貌，研究本地短時強降水的時空分布特征是基礎(chǔ)工作之一。本文主要分析了湘潭市4—9月82個區(qū)域自動站中3 696時次≥20 mm/h、140時次≥50 mm/h的短時強降水日際，月際和空間分布特征。

2.1 短時強降水的日際分布特征

從2010—2019年湘潭市4—9月≥20 mm/h、≥50 mm/h短時強降水日際變化（圖1）可以看出，≥20 mm/h短時強降水呈現(xiàn)明顯的雙峰型特征，在早晨和傍晚是易發(fā)的時間段，其中08：00～09：00發(fā)生頻次最大（出現(xiàn)167時次，占比13.6%），18：00～20：00為次發(fā)時間段，中午和夜間為低發(fā)時間段?！?0 mm/h短時強降水主要發(fā)生在19：00～20：00，出現(xiàn)37次，占總時次的26.6%，其次是8 h。中午和夜間是2種不同強度強降水低發(fā)時間段。

2.2 短時強降水的月際分布特征

從2010—2019年湘潭市4—9月≥20 mm/h、≥50 mm/h短時強降水月際變化可以看出，2種不同強度短時強降水主要發(fā)生在5—8月?！?0 mm/h短時強降水呈現(xiàn)明顯的單峰型特征，6月是發(fā)生次數(shù)最多的月份，其次是7月;≥50 mm/h短時強降水發(fā)生次數(shù)最多的是7月，5—8月占比相當，4月發(fā)生次數(shù)最少。

2.3 短時強降水的空間分布特征

由2010—2019年5—9月短時強降水發(fā)生年頻次的空間分布（圖2）可以看出，≥20 mm/h短時強降水發(fā)生次數(shù)大值區(qū)位于湘鄉(xiāng)南部河谷地帶、市區(qū)河谷地帶，小值區(qū)位于韶山市中南部?！?0 mm/h極端短時強降水大值區(qū)主要位于湘潭市區(qū)、湘鄉(xiāng)東部河谷地帶、湘鄉(xiāng)西部河谷疊加山脈迎風坡地區(qū)，韶山南部與湘鄉(xiāng)交界地區(qū)、湘潭縣東部發(fā)生短時強降水頻次較低。究其原因，與地形、夏季風、城市熱島效應相關(guān)性較大，頻發(fā)區(qū)多出現(xiàn)在河谷地帶、山脈迎風坡和市區(qū);低發(fā)區(qū)多出現(xiàn)在背風坡、地勢低洼區(qū)。

3 極端短時強降水的多尺度分析

3.1 極端短時強降水的環(huán)流背景與主要影響系統(tǒng)

不同地區(qū)的短時強降水的環(huán)流背景、影響系統(tǒng)不盡相同，在研究湘潭市極端短時強降水環(huán)境背景時，西太平洋副熱帶高壓（以下簡稱副高）的位置、強弱變化占有很重要的地位。副高是影響我國夏季降水的重要天氣系統(tǒng)，其強度變化、北進南退直接影響我國的旱澇和雨帶分布。根據(jù)湘潭市2010—2019年4—9月140時次≥50 mm/h短時強降水，提取一天中≥3站1 h降水量≥50 mm的18次過程作為典型極端短時強降水個例進行分析，將產(chǎn)生極端短時強降水過程大尺度環(huán)流背景分為4種：低槽切變型，占39%;波動氣流型，占28%;副高邊緣型，占22%;熱帶氣旋型，占11%。

（1）低槽切變型（圖3a）：此類型副高較為強盛，呈東北—西南帶狀，脊線位置23°N～32°N，在中高緯度地區(qū)東北附近有低渦，低渦中心延伸出經(jīng)向度大的深槽，影響我國中東部地區(qū);中低緯地區(qū)，副高穩(wěn)定少動，受副高的阻擋作用，低槽移動緩慢。湖南處于低槽槽前、副高西北側(cè)上下一致西南暖濕氣流中，受低槽和副高影響，大氣斜壓性強。在這樣的環(huán)流背景下，水汽、熱力、能量匯集在湖南，在東北—西南向的中低層切變線抬升觸發(fā)和高層輻散抽吸作用下產(chǎn)生強降水，強降水落區(qū)位于高空輻散區(qū)域下方、850 hPa切變線右側(cè)、西南急流左側(cè)或出口區(qū)頂端，區(qū)域廣。雖然中低層西南急流不是極端強降水發(fā)生的必要條件，但在強降水發(fā)生前2～6 h，71%個例中低層西南氣流呈加強趨勢。

（2）副高邊緣型（圖3b）：此類型強盛的副高呈東西帶狀控制華南地區(qū)，脊線位于20°N～25°N。500 hPa高度圖上，中高緯地區(qū)受低槽槽后偏北氣流控制，湘潭處于副高邊緣，588線不穩(wěn)定。槽后的偏北氣流與副高北側(cè)偏西氣流交匯于湖南北部一帶，地面多有輻合線出現(xiàn)，中低層切變線多呈東西緯向，強降水區(qū)域位于588線北側(cè)、高空分流輻散區(qū)域下方、850 hPa切變線附近，東西窄帶分布。

（3）波動氣流型（圖3c）：此類型副高多呈東西帶狀，脊線位于20°N以南，副高勢力較弱，無阻擋作用，東北低渦帶動低槽快速入海，我國中南部地區(qū)位于低槽底部，584線上多短波槽東移影響本地。波動氣流型降水區(qū)域預報難度較大，高空風場偶爾受偏北風控制，且強度偏弱，一旦有降水回波生成，移動緩慢。波動氣流背景下發(fā)生的強降水易出現(xiàn)漏報情況，在高層輻散抽吸、中低層位相重疊較好切變線抬升的作用下，產(chǎn)生極端短時強降水的概率較大。強降水區(qū)域位于中低層切變線右側(cè)、高空分流輻散區(qū)域下方，呈東西向窄帶。

（4）熱帶氣旋型（圖3d）：此類型副高北跳控制中東部地區(qū)，副高脊線位于32°N～35°N。500 hPa高度圖上，洋面上多熱帶氣旋生成，當熱帶氣旋從廣西南部登陸時，湘潭處在東南風、東北風輻合中。據(jù)統(tǒng)計，2010—2019年由熱帶氣旋產(chǎn)生的極端短時強降水有2例，其路徑為先西移至南海海域附近，在廣西中南部登陸后北上影響，其登陸位置大致為113°E、20°N。強降水主要由熱帶氣旋北部外圍云系產(chǎn)生，多為分散性暴雨。

3.2 極端短時強降水的物理量特征

根據(jù)高空地面觀測資料，選取850 hPa比濕、K指數(shù)、CAPE值、850～500 hPa假相當位溫差、0～3 km、0～6 km垂直風切變、暖云層厚度7個物理量，發(fā)現(xiàn)不同類型極端短時強降水發(fā)生時的水汽條件、動力條件、熱力條件等物理量場參數(shù)特征。

（1）低層水汽充沛，850 hPa比濕均在13.7 g/kg以上，其中熱帶氣旋型短時強降水水汽條件更加優(yōu)越，達16.9 g/kg。

（2）有一定的熱力不穩(wěn)定能量，K指數(shù)在37℃以上，對流有效位能在1 000 ～1 700 J/kg，尤其是副高邊緣型和熱帶氣旋型短時強降水過程中，不穩(wěn)定能量比其他2種類型大。

（3）在動力條件上，副高邊緣型和熱帶氣旋型表現(xiàn)更加顯著，低槽切變型和波動氣流型短時強降水大多在中等強度的垂直風切變下產(chǎn)生。

（4）在≥8.1℃的不穩(wěn)定層結(jié)條件下更容易產(chǎn)生極端短時強降水，其中波動氣流型和熱帶氣旋型850 hPa與500 hPa假相當位溫差值更大，大氣層結(jié)條件更不穩(wěn)定。

（5）暖云層厚度大，4種不同類型的短時強降水過程中，暖云層厚度在3 900以上，副高邊緣型云層最厚，厚的暖云層有利于產(chǎn)生高效的降水。

充沛的水汽、較好的熱力不穩(wěn)定條件、中等到強的不穩(wěn)定能量、厚的暖云層等是極端短時強降水產(chǎn)生的基礎(chǔ)條件，低層中等強度或以上的垂直風切變和高層輻散抽吸作用，使對流系統(tǒng)更加組織化發(fā)展是降水能持續(xù)維持的重要因素。

4 結(jié)論

通過分析湘潭市2010—2019年汛期短時強降水的時空分布特征、大尺度環(huán)流形勢、主要影響系統(tǒng)、物理量和雷達特征，得出以下結(jié)論。

（1）≥20 mm/h短時強降水日分布特征表現(xiàn)為雙峰型，早晨和傍晚為易發(fā)時間段;≥50 mm/h短時強降水多出現(xiàn)在18：00～19：00，中午和夜晚是不同強度短時強降水低發(fā)時段;短時強降水主要發(fā)生在5—8月，其中6月為≥20 mm/h短時強降水最頻發(fā)月份，7月是≥50 mm/h的極端短時強降水最頻發(fā)月份。短時強降水發(fā)生區(qū)域與地形、夏季風、城市熱島效應息息相關(guān)，河谷地帶、山脈迎風坡、城區(qū)為頻發(fā)地區(qū)，地勢低洼和山脈背風坡為低發(fā)地區(qū)。

（2）根據(jù)副高的位置、強弱變化將產(chǎn)生極端短時強降水過程大尺度環(huán)流背景大致分為低槽切變型、波動氣流型、副高邊緣型、熱帶氣旋型。不論哪種類型的短時強降水，其垂直結(jié)構(gòu)上環(huán)流均表現(xiàn)為高空輻散和低層輻合。

（3）產(chǎn)生極端短時強降水的基礎(chǔ)條件是充沛的水汽、較好的熱力不穩(wěn)定條件、中等到強的不穩(wěn)定能量、厚的暖云層等，在中低層中等強度或以上的垂直風切變和高層輻散抽吸作用下，對流系統(tǒng)更加組織化發(fā)展，有利于降水持續(xù)。

參考文獻

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[4] 張京英，陳金敏，劉英杰，等.大暴雨過程中短時強降水機制分析[J].氣象科學， 2010，30（3）：407-413.

責任編輯：黃艷飛