祁秀香，李海洋，趙小偉，林中慶，王開燕

（廣州市南沙區(qū)氣象局，廣東廣州 511462）

短時強降水與低空急流的關(guān)系及臨近預警

祁秀香，李海洋，趙小偉，林中慶，王開燕

（廣州市南沙區(qū)氣象局，廣東廣州 511462）

利用風廓線雷達資料、探空和自動站逐小時降水資料，對2009—2014年南沙區(qū)42次有低空急流相伴出現(xiàn)的短時強降水環(huán)流配置及垂直結(jié)構(gòu)中尺度特征進行分析，建立3種短時強降水模型，探討了3類短時強降水與低空急流上中小尺度系統(tǒng)的關(guān)系以及降水強度與低空急流指數(shù)的關(guān)系。結(jié)果表明：急流軸上中小尺度系統(tǒng)的時間尺度在0.5～4 h，其對強降水出現(xiàn)有極強的預示作用，其中低空急流中尺度風速脈動出現(xiàn)比強降水提前0.5～6 h，急流軸下傳出現(xiàn)比強降水提前3～6 h。急流指數(shù)增幅與雨強存在正比關(guān)系，強降水發(fā)生前1～2 h內(nèi)低空急流指數(shù)增幅大小，也是短時強降水臨近預警的一個重要指標。

天氣學；低空急流；短時強降水；風廓線雷達；臨近預警；廣州南沙區(qū)

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。由于短時強降水的發(fā)生、發(fā)展十分迅速、局地性強，一直是氣象監(jiān)測、臨近預報預警和氣象服務的難點和熱點［1-3］。在過去的幾十年中，學者們對低空急流與強降水的關(guān)系已經(jīng)進行了許多深入和系統(tǒng)的研究［4-9］，并指出無論在南方和北方，暴雨與低空急流都有密切的關(guān)系，相關(guān)率達80%左右［7-8］。分析表明，沿急流軸傳播的擾動比急流本身對暴雨更重要，沿低空急流存在著中尺度的大風速中心，它沿急流軸向下游傳播，相應位于其前方或左側(cè)的暴雨區(qū)也向下游移動［9］。近年來，隨著觀測水平不斷提高，出現(xiàn)了許多利用高分辨率資料對強降水與低空急流關(guān)系的研究。陸漢城［10］研究表明，華南大暴雨發(fā)生時常伴有低空急流的加強，而低空急流軸上的中小尺度脈動與強降水過程又有著密切的關(guān)系。劉淑媛等［11］、曹春燕等［12］利用風廓線資料，分析香港大暴雨過程強降水時段，指出強降水的發(fā)生與西南急流的迅速加強和向下擴展有關(guān)，低空急流指數(shù)對強降水的出現(xiàn)及雨強大小有一定的預示性。

南沙區(qū)地處廣州市最南端的珠江入?？?，屬亞熱帶海洋性氣候，瀕臨南海，水汽來源豐富，頻繁受西風帶天氣系統(tǒng)和熱帶天氣系統(tǒng)的影響。另外，珠江口特殊的喇叭口地形，形成復雜的海陸風環(huán)流，致使珠三角地區(qū)強對流天氣頻發(fā)，短時強降水是南沙區(qū)最主要的災害性天氣之一。本研究利用南沙區(qū)2009—2014年的加密自動站逐小時降水資料和風廓線雷達資料，研究在低空急流和其它天氣系統(tǒng)不同配置的情形下，短時強降水的預報模型以及短時強降水和低空急流某些動力特征之間的關(guān)系，為該類短時強降水的臨近預報預警提供參考。

1 資料和方法

本研究所用資料為2009—2014年廣州南沙風廓線雷達資料、探空和自動站逐小時雨量及風場資料。風廓線雷達資料探測頻率為15 min，水平風探測高度在3 000 m以下，探測的高度范圍因大氣相對濕度的變化而有所不同；水平風探測的垂直分辨率為60～100 m；逐小時雨量資料選取本著使用資料時間序列盡可能長的原則，共選25個自動站（南沙區(qū)共38個自動氣象觀測站）。

將1 h降水量≥20 mm的降水定義為短時強降水，1 d中只要有1個自動氣象站記錄到小時雨量≥20 mm，即作為1個短時強降水日統(tǒng)計；1 d中有2個或以上自動站達標時按1個短時強降水日統(tǒng)計；1 d中1個站多次出現(xiàn)短時強降水時站次累加統(tǒng)計。本研究的分析對象僅限于出現(xiàn)短時強降水的站次數(shù)≥5次的強降水日。2009—2014年南沙區(qū)共出現(xiàn)115次強降水（出現(xiàn)短時強降水站次數(shù)≥5次），其中有低空急流相伴出現(xiàn)的有42次，占短時強降水總次數(shù)的37%，本研究選取42次有低空急流相伴出現(xiàn)的強降水為分析對象。

2 大尺度環(huán)流背景場配置特征

根據(jù)500 hPa在15°N—30°N，100°E—125° E范圍內(nèi)的環(huán)流特征，將南沙區(qū)42次有低空急流相伴出現(xiàn)的短時強降水天氣大尺度影響系統(tǒng)分為3類，即低槽東移型、臺風型、西風或西北氣流型。其中低槽東移型最多，共出現(xiàn)26例，主要出現(xiàn)在3—6月，占62%；臺風型次之，共出現(xiàn)12例，集中出現(xiàn)在7—9月，占29%；西風或西北氣流型共出現(xiàn)4例，其中5—6月3例，11月1例。

1）低槽東移型。500 hPa在15°N—30°N，100°E—125°E范圍內(nèi)有低壓槽系統(tǒng)東移經(jīng)過珠三角地區(qū)，850 hPa以下珠江口有急流和濕舌，低層配合有切變線，同時地面存在鋒面或珠江口有中尺度輻合線。短時強降水發(fā)生在槽前西南氣流上、濕舌上、低層切變線暖區(qū)一側(cè)、地面輻合線或鋒面附近。

2）臺風型。在15°N—30°N，100°E—120°E范圍內(nèi)有熱帶氣旋活動，或者出現(xiàn)中層氣旋、南海低壓等都會在南沙區(qū)造成短時強降水。當熱帶氣旋或低壓中心位于113°E以東時，南沙區(qū)處于熱帶氣旋或低壓系統(tǒng)西側(cè)的偏北氣流中，強降水主要由臺前颮線造成，本研究討論不包括該類強降水。熱帶氣旋（低壓）中心位于113°E以西，南沙區(qū)處于熱帶氣旋東側(cè)的偏南氣流中，中低層（500 hPa以下）珠江口存在涌線或水平風速切變區(qū)（涌線是指同方向上的風速輻合，即氣流從強風區(qū)進入弱風區(qū)，強風區(qū)前沿進入弱風區(qū)時，強風區(qū)前沿風速的不連續(xù)線稱作涌線。）；850 hPa以下珠江口有東南風急流和濕舌；地面珠江口存在中尺度輻合。短時強降水發(fā)生在中低層涌線、濕舌上、地面中尺度輻合區(qū)或輻合線附近。

3）西風或西北氣流型。500 hPa上，西風槽位于統(tǒng)計區(qū)之外，珠三角上空為平直西風或西北風，且存在24 h負變溫區(qū)；700 hPa以下有切變線（或槽式切變）影響；850 hPa以下有急流和濕舌；地面存在鋒面或珠江口有中尺度輻合。短時強降水發(fā)生在500 hPa 24 h負變溫區(qū)或負變溫區(qū)南側(cè)、700 hPa以下切變線附近、濕舌上、地面中尺度輻合區(qū)或輻合線附近。

3 短時強降水與低空急流的關(guān)系

3.1 短時強降水與低空急流中尺度系統(tǒng)的關(guān)系

對暴雨的研究表明，華南大暴雨發(fā)生時常伴有對流層下部低空急流的加強，而低空急流軸上的中小尺度的脈動及向地面擴展與強降水過程有密切關(guān)系［10-13］。本研究利用南沙風廓線水平風資料，對上述42例短時強降水過程中的低空急流中尺度特征進行分析。根據(jù)中尺度垂直結(jié)構(gòu)特征將其分為3種類型：低空急流（中尺度）脈動型短時強降水，占78%；急流軸下傳型短時強降水，占17%；切變或鋒面型短時強降水，占5%（表1）。

表1 三類短時強降水與低空急流中尺度系統(tǒng)的關(guān)系

1）低空急流脈動型。

低空急流（中尺度）風速脈動是南沙區(qū)短時強降水最重要的中尺度垂直結(jié)構(gòu)特征，有 78%的強降水發(fā)生前低空急流上有一個或多個中尺度急流中心生成，這些急流中心出現(xiàn)比強降水提前0.5～6 h，急流中心高度大多在500～2 000 m，時間尺度在0.5～4 h。以2013年8月16日為例，該次強降水的大尺度環(huán)流背景屬臺風型，臺風“尤特”于8月14日下午在廣東茂名登陸后繼續(xù)向西北方向移動，16日08：00其中心位于廣西境內(nèi)，南沙區(qū)處于臺風東南側(cè)的東南風急流中（圖1a）。分析南沙風廓線水平風觀測資料（圖1b）發(fā)現(xiàn)，16日01：00—07：00低空急流逐漸增強，3 000 m以下出現(xiàn)兩個急流中心，中心風速達20 m/s以上。在強降水出現(xiàn)前4 h，急流中心風速略有減弱，但急流中心由2 000 m高度處向下擴展至1 500 m以下，16日08：00—09：00南沙區(qū)出現(xiàn)了強降水，其中萬頃沙綠澤農(nóng)場站錄得最大小時降水量為50.5 mm。

圖1 2013年8月16日08：00天氣系統(tǒng)配置（a）和16日00：00—17：00南沙風廓線儀觀測的水平風場時刻-高度剖面圖（陰影≥12 m/s的風速）（b）

2）急流軸下傳型。

急流軸向下傳播是南沙區(qū)強降水另一個較為顯著的結(jié)構(gòu)特征，有17%的短時強降水發(fā)生前3～6 h急流軸自3 000 m高度附近向地面?zhèn)鞑?，向下傳播過程中急流軸強度不斷增強，同時有一個或多個中小尺度急流中心生成。急流中心強度往往在強降水發(fā)生前1 h左右達到最大，急流中心高度向下伸展至500 m以下，其時間尺度在0.5～4 h。以2014年3月30日為例，該次強降水的大尺度環(huán)流背景屬低槽東移型（圖2a），30日08：00南沙區(qū)處于南支槽前西南風急流中，700 hPa以上有干冷空氣入侵，珠江口大氣處于低層暖濕、中高層干冷的對流不穩(wěn)定狀態(tài)。分析南沙風廓線水平風觀測資料發(fā)現(xiàn)（圖2b），30日08：00急流軸自2 000 m高度向地面?zhèn)鞑ィ?4：00，風速為16 m/s的急流軸由08：00的1 500 m高度處向下傳播至600 m高度，15：00有13個自動站錄得強降水，其中東涌鎮(zhèn)大穩(wěn)村站錄得最大時雨量55.1 mm。之后急流軸繼續(xù)下傳，同時急流強度不斷增強，至17：00急流中心風速超過26 m/s，高度下傳至300 m以下，17：00—18：00有25個自動站再次出現(xiàn)強降水，其中龍穴島造船基地錄得最大時雨量66.8 mm。

圖2 2014年3月30日08：00天氣系統(tǒng)配置（a）及30日03：00—18：00南沙風廓線儀觀測的水平風場時刻-高度剖面圖（陰影≥12 m/s的風速）（b）

3）切變或鋒面型。

在上述42例短時強降水過程中，僅有2例（5%）屬切變或鋒面型短時強降水。低層水平風向切變或冷鋒是該類強降水最主要的動力觸發(fā)機制，強降水與低層切變或鋒面過境同時發(fā)生。由于單部風廓線雷達探測范圍有限，很難觀測到低層切變或鋒面的演變，因此，要做到對此類短時強降水的提前預警，必須依賴于多部風廓線雷達組網(wǎng)或多普勒天氣雷達監(jiān)測等其它監(jiān)測系統(tǒng)。以2009年11月12日為例，該次強降水的大尺度環(huán)流背景為西北氣流型，12日08：00（圖3a），500 hPa西風槽位于25°N以北，廣東上空為西北偏西氣流，地面有弱冷空氣自北向南影響廣東，南沙區(qū)位于低層冷式切變及地面弱冷鋒南側(cè)。分析南沙風廓線水平風觀測資料發(fā)現(xiàn)，地面弱冷鋒過境前12 h，低層存在東南風急流，急流中心風速在16 m/s以上。隨著冷鋒南移靠近，12日06：00急流逐漸減弱，至12：00地面至500 m高度風向由東南轉(zhuǎn)為東北（圖3b），表明冷鋒到達南沙區(qū)并逐漸移過，11：00—12：00南沙區(qū)有11個自動站錄得強降水，其中南沙探測基地站最大小時雨量為36.5 mm。

圖3 2009年11月12日08：00天氣系統(tǒng)配置（a）和12日00：00—14：00南沙風廓線儀觀測的水平風場時刻-高度剖面圖（陰影≥12 m/s的風速）（b）

上述分析可知，有低空急流相伴出現(xiàn)的短時強降水與急流軸上中小尺度系統(tǒng)關(guān)系密切，急流軸上中小尺度系統(tǒng)的時間尺度在0.5～4 h，并對強降水的出現(xiàn)有極強的預示作用，其中低空急流中尺度風速脈動出現(xiàn)比強降水提前0.5～6 h，急流軸下傳出現(xiàn)比強降水提前3～6 h。

3.2 降水強度與低空急流指數(shù)的關(guān)系

分析上述42例短時強降水過程低空急流指數(shù)的演變情況，考察它們與短時強降水及降雨強度之間的關(guān)系。低空急流指數(shù)（I）定義為2 km以下邊界層急流中心的最大風速v（m/s）和12 m/s風速在該小時中的最低位置D（km）的比值［12］，低空急流指數(shù)的變化可以定量表示急流向下擴展程度和風速脈動的強度。分析強降水過程逐時雨量及低空急流指數(shù)演變情況發(fā)現(xiàn)，所有短時強降水發(fā)生前1～2 h，急流指數(shù)I均出現(xiàn)迅速增大現(xiàn)象，并且I值增幅與降水強度大小密切相關(guān)。雨強為40～80 mm/h的強降水過程（17例，占40%），在強降水發(fā)生前1～2 h低空急流指數(shù)I值增幅在400%以上；雨強為20～40 mm/h的強降水過程（25例，占60%），急流指數(shù)增幅在100%～300%，可見急流指數(shù)增大的程度與降水強度存在正相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論

利用風廓線雷達資料、探空和自動站逐小時降水資料，對2009—2014年南沙區(qū)42例有低空急流相伴出現(xiàn)的短時強降水的環(huán)流配置及垂直結(jié)構(gòu)中尺度特征進行分析，結(jié)論如下：

1）短時強降水的環(huán)流配置可分為低槽東移型、臺風型、西風或西北氣流型。其中低槽東移型和臺風型兩類最多，分別占62%和29%。

2）根據(jù)短時強降水的中尺度結(jié)構(gòu)特征，將南沙區(qū)有低空急流相伴出現(xiàn)的短時強降水歸納為3類不同的模型，即低空急流脈動型、急流軸下傳型和切變或鋒面型短時強降水。第1、2類短時強降水（占95%）與急流軸上中小尺度系統(tǒng)關(guān)系密切，急流軸上中小尺度系統(tǒng)的時間尺度在0.5～4 h，并對強降水的出現(xiàn)有極強的預示作用。其中急流中尺度風速脈動出現(xiàn)比強降水提前0.5～6 h，急流軸下傳出現(xiàn)比強降水提前3～6 h。

3）低空急流指數(shù)增幅與降水強度存在正相關(guān)關(guān)系：強降水發(fā)生前1～2 h內(nèi)急流指數(shù)增幅≥400%，出現(xiàn)雨強為40～80 mm/h的可能性較大；增幅100%～300%，出現(xiàn)雨強為20～40 mm/ h的可能性較大。

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Relationships Between Short-range Intensive Rain and Low-level Jet Streams and Nowcasting

QI Xiu-xiɑng，LI Hɑi-yɑng，ZHAO Xiɑo-wei，LIN Zhong-qing，WANG Kɑi-yɑn
（Meteorological Bureau of Nansha District，Guangzhou，Guangzhou 511462）

With the data from a wind profiler，radiosondes and automatic weather stations（hourly precipitation），we studied the circulation allocation and mesoscale characteristics of the vertical structure of 42 processes of short-range intensive rain accompanied with low-level jet streams in the Nansha District，Guangzhou from 2009 to 2014.Three models of short-range intensive rain were set up and the relationships between them and meso-and short-scale systems in low-level jet streams（LLJS）and between rain intensity and LLJS indexes were discussed.The result is shown as follows.The time scale is from 0.5 to 4 h for the meso-and short-scale systems，well indicative of the occurrence of intensive rain.Of the indicators，mesoscale wind speed fluctuation of the LLJS appears 0.5 to 6 h ahead of the intensive rain while the downward transport of LLJS axis occurs 3 to 6 h prior to it.The amplitude of LLJS growth is proportional to rain rates. The amplitude of the LLJS index increase 1 to 2 h before the intensive rain，which is also an important indicator in the nowcasting of short-range intensive rain.

synoptics；low-level jet stream；short-range intensive rain；wind profiler；nowcasting；Nansha District，Guangzhou

P44

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.05.005

2016-05-12

中國氣象局關(guān)鍵技術(shù)項目（CMAGJ2014M39）；廣東氣象局創(chuàng)新團隊（201102）和行業(yè)專項（GYHY201406009）共同資助

祁秀香（1975年生），女，工程師，碩士，主要從事天氣預報工作。E-mail：qiqi781030@hotmail.com

祁秀香，李海洋，趙小偉，等.短時強降水與低空急流的關(guān)系及臨近預警［J］.廣東氣象，2016，38（5）：20-24.