豐城市短時(shí)強(qiáng)降水天氣分型分析

程小娟，馬中元，陳鮑發(fā)，饒?jiān)苹?，孫 芳

(1.江西省氣象科學(xué)研究所，330046，南昌；2.豐城市氣象局，331100，江西，豐城；3.景德鎮(zhèn)市氣象局，333000，江西，景德鎮(zhèn))

0 引言

豐城市短時(shí)強(qiáng)降水(≥30 mm/h)是產(chǎn)生豐城暴雨和大暴雨的關(guān)鍵，2012—2020年5—8月，20次豐城短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中有13次出現(xiàn)暴雨和大暴雨，可見，短時(shí)強(qiáng)降水與暴雨和大暴雨關(guān)系密切。抓住本地短時(shí)強(qiáng)降水天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警，是做好本地暴雨和大暴雨過(guò)程預(yù)報(bào)服務(wù)的重點(diǎn)，具有實(shí)際應(yīng)用意義。

國(guó)內(nèi)專家學(xué)者研究成果和參考文獻(xiàn)：江西省汛期短時(shí)強(qiáng)降水天氣主要集中在5―8月，短時(shí)強(qiáng)降水主要分布在山地及河谷附近[1-2]。在高空槽前，地面氣流輻合加強(qiáng)，鋒生易發(fā)生于倒槽中；午后強(qiáng)陣風(fēng)出流下山后與平原地區(qū)偏南氣流形成強(qiáng)烈輻合抬升，垂直風(fēng)切變加強(qiáng)，對(duì)流系統(tǒng)增強(qiáng)，對(duì)流暴雨發(fā)生[3-4]。極端暴雨過(guò)程主要出現(xiàn)在500 hPa為“東高西低”型和“兩高切變”型環(huán)流背景下；東西氣壓梯度增大有利于西南急流的建立；珠三角地區(qū)重大短時(shí)強(qiáng)降水天氣流型主要有臺(tái)風(fēng)型、西南季風(fēng)型、北部灣低壓型、冷(式)切變線型和熱帶云團(tuán)型等5種[5-7]。短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)，會(huì)出現(xiàn)氣壓上升、溫度下降、濕度上升、雨量驟大和前導(dǎo)風(fēng)加大等顯著變化[8]。研究成果對(duì)豐城市短時(shí)強(qiáng)降水天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警和預(yù)報(bào)服務(wù)有指導(dǎo)意義。

本文使用豐城自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)、MICAPS天氣圖、云圖、探空資料、江西WebGIS雷達(dá)拼圖和南昌SA雷達(dá)PUP產(chǎn)品等資料，對(duì)豐城市短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程進(jìn)行分析，研究結(jié)果為豐城短時(shí)強(qiáng)降水及暴雨天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警和預(yù)報(bào)服務(wù)提供分析依據(jù)。

1 資料和統(tǒng)計(jì)

1.1 資料

天氣圖、T-lnP圖等資料來(lái)源于MICAPS平臺(tái)，豐城市短時(shí)強(qiáng)降水地面資料來(lái)源于豐城國(guó)家觀測(cè)站，雷達(dá)回波分型資料來(lái)源于江西WebGIS雷達(dá)拼圖，其它資料來(lái)源于江西省氣象局內(nèi)網(wǎng)自動(dòng)站數(shù)據(jù)查詢平臺(tái)。

1.2 統(tǒng)計(jì)

2012—2020年(5—8月)豐城市短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程共出現(xiàn)20次(表1)，有28個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例，最多一次過(guò)程出現(xiàn)4個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例(2019年7月13日08:00—11:00，連續(xù)4 h出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水)。短時(shí)強(qiáng)降水最大值為65.6 mm/h(2015年7月22日16:00)。20次豐城短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程出現(xiàn)在暴雨環(huán)境中有13次，其中大暴雨環(huán)境7次；有7次過(guò)程沒有暴雨伴隨。

表1 2012—2020年(5—8月)豐城市短時(shí)強(qiáng)降水和雷達(dá)回波分型統(tǒng)計(jì)表

從表1中看出，豐城短時(shí)強(qiáng)降水的雷達(dá)回波分型主要表現(xiàn)在回波形態(tài)和組合反射率CR強(qiáng)度上。28個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例回波系統(tǒng)形態(tài)有6種：1)絮團(tuán)狀(8個(gè)例)40～50 dBZ；2)超級(jí)單體(4個(gè)例)60～70 dBZ；3)帶狀(4個(gè)例)55 dBZ；4)短帶狀(4個(gè)例)45～55 dBZ；5)絮帶狀(4個(gè)例)50～55 dBZ；6)強(qiáng)單體(4個(gè)例)50～55 dBZ。

2 天氣系統(tǒng)分型

2.1 天氣系統(tǒng)中分析

圖1是豐城短時(shí)強(qiáng)降水典型的6種天氣系統(tǒng)配置中分析圖，可以看到短時(shí)強(qiáng)降水都與暴雨伴隨。2018年7月6日08:00(圖1(a))，是一次典型的副高邊緣型暴雨過(guò)程，也是后汛期暴雨的典型形勢(shì)之一。低槽移入贛東北，副高東退，在高空低槽與低層西南暖濕氣流交匯處產(chǎn)生強(qiáng)降水?？梢钥吹?，豐城市上空200 hPa有分流區(qū)，500 hPa為西北氣流，低層皖東南有一低渦，850 hPa切變線從低渦中心向西南方向伸出并經(jīng)過(guò)豐城市，東南方向有低空西南急流，與500 hPa西北氣流相伴，南昌附近有明顯干區(qū)，干冷的西北氣流疊加在暖濕西南氣流之上，加上切變線上的輻合抬升作用，豐城市出現(xiàn)強(qiáng)降水。

2012年9月2日20:00(圖1(b))，強(qiáng)降水出現(xiàn)在9月初，此時(shí)北方冷空氣開始活躍，有時(shí)會(huì)明顯南侵，與副熱帶高壓北部暖濕氣流交匯，出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣?？梢钥吹?，豐城市處于高空槽前，地面冷鋒由西北伸向西南，鋒面正位于豐城市附近，850 hPa切變線由湖南中部自西向東伸向贛北南部，豐城市正位于切變線上。500 hPa在湖南東部至南昌有干線侵入，200 hPa分流區(qū)從贛東北向東南伸過(guò)豐城，低槽東移，地面冷鋒南下，切變線東移南壓，在地面冷鋒、切變線附近，高空干區(qū)與低層濕區(qū)疊加處出現(xiàn)強(qiáng)降水。

(a)2018-07-06 T08:00；(b)2012-09-02 T20:00；(c)2018-05-06 T08:00；(d)2014-06-21 T08:00；(e)2017-08-11 T20:00；(f)2015-05-28 T08:00

2018年5月6日08:00(圖1(c))，是一次典型的西風(fēng)帶低槽東移造成的強(qiáng)降水過(guò)程。低槽東移，地面冷鋒南下，冷鋒隨高度增加向西北方向傾斜，導(dǎo)致自西向東出現(xiàn)500 hPa低槽、700 hPa切變線、850 hPa切變線、地面冷鋒，切變線以南有明顯的低空西南急流，豐城市位于冷鋒附近，850 hPa急流與500 hPa急流之間，500 hPa有明顯干舌疊加在低層濕區(qū)之上。副熱帶高壓位于東南沿海，其北部的西南氣流將東南沿海水汽源源不斷輸送至贛北上空。從近幾年江西的強(qiáng)對(duì)流出現(xiàn)頻率與強(qiáng)度看，5月份最強(qiáng)，可能是冷暖氣流均比較活躍導(dǎo)致。受低槽東移影響，地面冷空氣南下與低層暖濕氣流劇烈交匯，豐城出現(xiàn)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣。

2014年6月21日08:00(圖1(d))，是一次典型的梅雨期暴雨過(guò)程，也是短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)最多的形勢(shì)。梅雨期由于梅雨鋒的穩(wěn)定維持，雨帶在切變線上穩(wěn)定維持，容易產(chǎn)生強(qiáng)降水和暴雨天氣。在湖南西南部、河套以東至湖北東南部分別有一低槽，稱之為南支槽、北支槽。副熱帶高壓位于東南沿海，低空西南急流從廣東北部伸向贛北南部，隨著低槽東移，帶動(dòng)槽后西北氣流南下，與低層西南暖濕氣流交匯。豐城正位于高空200 hPa分流區(qū)下，850 hPa切變線附近，低空急流的前端輻合區(qū)之中，低層劇烈輻合，高層輻散，導(dǎo)致強(qiáng)降水與暴雨的發(fā)生、發(fā)展。

2017年8月11日20:00(圖1(e))，強(qiáng)對(duì)流天氣出現(xiàn)在盛夏，此時(shí)受副熱帶高壓控制，熱力條件、水汽條件均極好，在沒有明顯切變線等輻合條件時(shí)，在輻合線附近都易產(chǎn)生熱雷雨，而高空有短波槽活動(dòng)，中低層切變線位于贛北，高層分流區(qū)也位于贛北，表明贛北有明顯的輻合上升等動(dòng)力條件，此時(shí)豐城附近出現(xiàn)了明顯的地面輻合線，在地面輻合線之西南方向有低空西南急流，豐城位于急流軸前端，受低層輻合抬升影響，在副熱帶高壓邊緣出現(xiàn)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣。

2015年5月28日08:00(圖1(f))，強(qiáng)對(duì)流天氣容易出現(xiàn)在高層干冷與低層暖濕氣流疊加的地帶，圖上看到500 hPa從贛東北至豐城有一明顯的露點(diǎn)鋒，低層850 hPa豐城及西南大部均為暖脊控制，豐城位于露點(diǎn)鋒南側(cè)，低層暖脊之上，此時(shí)500 hPa有短波槽東移正位于豐城上空附近，高空200 hPa有分流區(qū)，地面有輻合線，低層輻合、高層輻散，在高層干冷氣流與低層暖濕氣流交匯處出現(xiàn)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣。

由此可見，豐城市強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在5—9月，5月份暖濕氣流與冷空氣均活躍，冷暖氣團(tuán)在豐城市附近交匯；6月份，梅雨季節(jié)，梅雨鋒活躍，在切變線附近出現(xiàn)強(qiáng)降水、暴雨。7—8月受副熱帶高壓控制，在地面輻合線明顯且有一定動(dòng)力條件下，在地面輻合線附近出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流；9月初，北方冷空氣開始活躍南侵，冷空氣與副高邊緣的暖濕氣流豐城交匯，導(dǎo)致強(qiáng)降水發(fā)生。從豐城多個(gè)強(qiáng)降水過(guò)程看來(lái)，大部伴有明顯的低層輻合，200 hPa有分流區(qū)，同時(shí)有“上干下濕”“上冷下暖”的溫濕場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)，北方冷空氣與南方暖濕氣流交匯，低層輻合與高層輻散相配合導(dǎo)致強(qiáng)降水的發(fā)生。

2.2 T-lnP圖分析

從20次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程的T-lnP圖中選取6次典型代表過(guò)程?？梢钥吹酱蟛糠謴?qiáng)降水過(guò)程濕層深厚，選取的6次強(qiáng)降水過(guò)程中有4次水汽飽和區(qū)伸展至400 hPa或以上。中層出現(xiàn)明顯干區(qū)的有2018年7月6日、2015年5月28日。多數(shù)伴有一定強(qiáng)度的CAPE值，即有中等強(qiáng)度的不穩(wěn)定能量，以中層干區(qū)明顯的2018年7月6日最強(qiáng)。從風(fēng)場(chǎng)的垂直結(jié)構(gòu)看，多數(shù)底層有弱的偏東風(fēng)，如圖2(a)、圖2(d)、圖2(e)，偏東風(fēng)與925 hPa、850 hPa的西南風(fēng)構(gòu)成暖平流結(jié)構(gòu)，即低層暖平流給強(qiáng)降水提供了水汽、輸送了不穩(wěn)定能量。圖2(b)是唯一的低層為冷平流結(jié)構(gòu)，說(shuō)明此時(shí)冷空氣已南下侵入至南昌以南。圖2(c)隨著高度的上升，低層的西南氣流迅速增強(qiáng)，925 hPa的西南急流就達(dá)16 m/s，表明超低空急流及邊界層明顯風(fēng)垂直切變對(duì)于強(qiáng)降水的發(fā)生有利。多數(shù)過(guò)程600 hpa或500 hPa以下為偏南氣流，以上為偏北氣流，如圖2(a)～圖2(f)，表明中層明顯的暖平流有利于強(qiáng)降水的發(fā)生、發(fā)展。而圖2(c)為整層的西南氣流，且高層急流強(qiáng)盛，250 hPa的急流強(qiáng)度達(dá)36～38 m/s，高空急流帶來(lái)的輻散抽吸作用有利于強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生、發(fā)展。

(a)2018-07-06 T08:00；(b)2012-09-02 T20:00；(c)2018-05-06 T08:00 (d)2014-06-21 T08:00；(e)2017-08-11 T20:00；(f)2015-05-28 T08:00

由此可見，強(qiáng)降水過(guò)程多伴有深厚的濕層，但中層也會(huì)有“干蓋”結(jié)構(gòu)，上干下濕導(dǎo)致強(qiáng)對(duì)流的發(fā)展，觸發(fā)強(qiáng)降水的發(fā)生。有一定的不穩(wěn)定能量，但多半為中等強(qiáng)度。底層弱的偏東風(fēng)與低層西南風(fēng)形成低層或邊界層暖平流，輸送水汽與不穩(wěn)定能量，中層暖平流有利于上升運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，低空急流或超低空急流帶來(lái)的輻合、高空急流的抽吸作用對(duì)于上升運(yùn)動(dòng)有加強(qiáng)、維持作用，有利于強(qiáng)降水的維持與發(fā)展。

2.3 南昌探空物理量分析

表2為2012—2020年(5―8月)豐城市短時(shí)強(qiáng)降水南昌探空(58606)物理量統(tǒng)計(jì)，850 hPa溫度平均19.6 ℃，最大21.7 ℃，出現(xiàn)在2020年7月27日08:00；最小16 ℃，出現(xiàn)在2017年5月22日08:00。700 hPa溫度平均11 ℃，最高13 ℃，出現(xiàn)在2014年8月4日08:00；最低9 ℃，出現(xiàn)在2017年5月22日08:00。

表2 2012—2020年(5―8月)豐城市短時(shí)強(qiáng)降水南昌探空(58606)物理量統(tǒng)計(jì)表

700～500 hPa風(fēng)垂直切變平均10 m/s，最高22 m/s，出現(xiàn)在2018年5月6日08:00；最低3 m/s，出現(xiàn)在2019年7月3日20:00。850 hPa濕度平均89%，最大100%，出現(xiàn)在2017年5月22日08:00；最小60%，出現(xiàn)在2020年5月7日08:00。500 hPa濕度平均69%，最大92%，出現(xiàn)在2012年9月2日08:00；最小11%，出現(xiàn)在2018年7月6日08:00。

CAPE平均614 J/kg，最大2 122.4 J/kg，出現(xiàn)在2014年8月4日08:00。K指數(shù)平均38 ℃，最大43.3 ℃，出現(xiàn)在2020年7月27日08:00；最小25 ℃，出現(xiàn)在2019年7月13日08:00。沙氏指數(shù)SI平均-1.11 ℃，負(fù)值最大-4.12 ℃，出現(xiàn)在2012年9月2日20:00；正值最大2.5 ℃，出現(xiàn)在2020年5月7日08:00。風(fēng)暴強(qiáng)度指數(shù)SSI平均264，最大292.1，出現(xiàn)在2020年7月4日08:00；最小220.5，出現(xiàn)在2020年5月28日08:00。0 ℃層高度平均5 220 m，最高5 672 m，出現(xiàn)在2020年7月27日08:00；最小4 714 m，出現(xiàn)在2018年5月6日08:00。-20 ℃層高度平均8 734 m，最高9 202 m，出現(xiàn)在2018年7月6日08:00；最小8 103 m，出現(xiàn)在2018年5月6日08:00。

由此可見，豐城市強(qiáng)降水過(guò)程中850 hPa氣溫平均19.6 ℃，700 hPa氣溫平均11 ℃，500～1 000 hPa風(fēng)垂直切變平均為10 m/s，700 hPa相對(duì)濕度平均為89%，500 hPa相對(duì)濕度平均為89%，CAPE平均614 J/kg、K指數(shù)平均38 ℃、SI平均-1.11 ℃，風(fēng)暴強(qiáng)度指數(shù)SSI平均264、0 ℃層高度平均5 220 m、-20 ℃層高度平均8 734 m。通過(guò)這些參數(shù)的特征，可以對(duì)強(qiáng)降水的出現(xiàn)進(jìn)行總體判斷。

3 結(jié)論與討論

使用豐城自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)、MICAPS天氣圖、云圖、探空資料、江西WebGIS雷達(dá)拼圖等資料，對(duì)豐城市20次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程進(jìn)行分析，得到以下結(jié)果。

1)豐城市20次短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程有28個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水回波系統(tǒng)個(gè)例，最多一次過(guò)程出現(xiàn)4個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例，短時(shí)強(qiáng)降水最大值為65.6 mm/h。豐城市28個(gè)短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例的雷達(dá)回波形態(tài)有6種：1)絮團(tuán)狀(8個(gè)例)；2)超級(jí)單體(4個(gè)例)；3)帶狀(4個(gè)例)；4)短帶狀(4個(gè)例)；5)絮帶狀(4個(gè)例)；6)強(qiáng)單體(4個(gè)例)。

2)豐城市強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在5―9月，大部份個(gè)例伴有明顯的低層輻合，200 hPa有分流區(qū)，同時(shí)有“上干下濕”“上冷下暖”的溫濕場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)，北方冷空氣與南方暖濕氣流交匯，低層輻合與高層輻散相配合導(dǎo)致強(qiáng)降水的發(fā)生。

3)豐城市強(qiáng)降水過(guò)程多伴有深厚的濕層，不穩(wěn)定能量多半為中等強(qiáng)度。低空急流帶來(lái)的輻合、高空急流的抽吸作用對(duì)于上升運(yùn)動(dòng)有加強(qiáng)、維持作用，有利于強(qiáng)降水的維持與發(fā)展。

4)豐城市強(qiáng)降水過(guò)程中南昌探空數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)參數(shù)的平均值，通過(guò)這些參數(shù)的特征，可以對(duì)強(qiáng)降水的出現(xiàn)進(jìn)行總體判斷。