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(dòng)站逐小時(shí)降水量、高空地面觀測(cè)資料、多普勒天氣雷達(dá)資料，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析了短時(shí)強(qiáng)降雨的時(shí)空分布特征，同時(shí)使用天氣學(xué)診斷方法，深入研究了極端短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的天氣系統(tǒng)、物理量特征、雷達(dá)特征。結(jié)果表明：極端短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的環(huán)流背景為低槽切變型、波動(dòng)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(shí)強(qiáng)降水;分布特征;天氣模型;物理量;臨近預(yù)警

中圖分類號(hào)：P457.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2021）11–0058–03

短時(shí)強(qiáng)降水是短時(shí)間內(nèi)降水強(qiáng)度較大，降雨量≥20 mm的天氣現(xiàn)象，具有致災(zāi)性高、來(lái)勢(shì)猛、歷史短、可預(yù)報(bào)時(shí)效短等特征，可引發(fā)暴洪、城市內(nèi)澇、山體滑坡等災(zāi)害，造成人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失[1]。在全球氣候變暖背景下，近幾年極端短時(shí)強(qiáng)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(shí)雨強(qiáng)86.3 mm，8月1日最大小時(shí)雨強(qiáng)更是達(dá)到97.8 mm;2020年6月9日最大小時(shí)雨強(qiáng)77.9 mm，6月30日最大小時(shí)雨強(qiáng)90.4 mm。

對(duì)于這類短時(shí)強(qiáng)降水天氣，在中短期預(yù)報(bào)存在漏報(bào)的情況，在短臨預(yù)警方面提前量也差強(qiáng)人意，事后總結(jié)發(fā)現(xiàn)在中短期預(yù)報(bào)中模式對(duì)此類降水預(yù)報(bào)性能較差，且預(yù)報(bào)員主觀分析能力不足[2]。在臨近預(yù)報(bào)預(yù)警上，預(yù)報(bào)員又局限于雷達(dá)組合反射率產(chǎn)品，對(duì)潛勢(shì)分析和發(fā)展趨勢(shì)判斷不足，導(dǎo)致每次強(qiáng)降水回波已經(jīng)影響到本區(qū)域后才發(fā)出預(yù)警信號(hào)。為了提高湘潭短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)質(zhì)量與臨近預(yù)警服務(wù)提前量，深入分析短時(shí)強(qiáng)降水，尤其是極端短時(shí)強(qiáng)降水的形成原因并探尋臨近預(yù)警指標(biāo)的意義重大。

許多學(xué)者對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的氣候特征、形成機(jī)理、預(yù)報(bào)模型等方面進(jìn)行了大量的研究。王光明等[3]研究發(fā)現(xiàn)懷化市短時(shí)強(qiáng)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(guò)程中出現(xiàn)的短時(shí)強(qiáng)降水是由大尺度環(huán)流背景形勢(shì)中生成的中小尺度系統(tǒng)引發(fā)的。本文統(tǒng)計(jì)分析了湘潭短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征，深入研究極端短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的天氣系統(tǒng)、物理量特征、雷達(dá)特征，旨在發(fā)現(xiàn)其預(yù)報(bào)預(yù)警指標(biāo)，為湘潭市汛期極端短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)、預(yù)警提供科學(xué)的依據(jù)。

1 定義與資料說(shuō)明

本文短時(shí)強(qiáng)降水是指1小時(shí)降雨量≥20 mm，極端短時(shí)強(qiáng)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(gè)區(qū)域自動(dòng)站逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)、高空地面觀測(cè)資料、長(zhǎng)沙站多普勒天氣雷達(dá)資料。湘潭市區(qū)域自動(dòng)站逐時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)中，剔除2010年以后建站和數(shù)據(jù)缺測(cè)率在5%以上的站點(diǎn)，并通過(guò)氣候極值檢查、時(shí)間連續(xù)性檢查、空間一致性檢查等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，實(shí)際參與分析的站點(diǎn)為82個(gè)。本文根據(jù)湘潭市2010—2019年4—9月82個(gè)區(qū)域自動(dòng)站逐小時(shí)降水資料，統(tǒng)計(jì)分析短時(shí)強(qiáng)降水和極端短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征，并提取一天中≥3站1 h降雨量≥50 mm的過(guò)程作為典型極端短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例，共計(jì)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(chǎng)和雷達(dá)特征。

2 短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)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(zhǎng)81 km，地處長(zhǎng)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(shì)為東南、西北、西南三面較高，向東北部?jī)A斜，中、東部相對(duì)平坦。湘潭市屬于亞熱帶濕潤(rùn)氣候，四季分明，雨水主要集中在夏季。由于短時(shí)強(qiáng)降水具有明顯的地域特點(diǎn)，因此結(jié)合地形、地貌，研究本地短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)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(gè)區(qū)域自動(dòng)站中3 696時(shí)次≥20 mm/h、140時(shí)次≥50 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水日際，月際和空間分布特征。

2.1 短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水日際變化（圖1）可以看出，≥20 mm/h短時(shí)強(qiáng)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(shí)間段，其中08：00～09：00發(fā)生頻次最大（出現(xiàn)167時(shí)次，占比13.6%），18：00～20：00為次發(fā)時(shí)間段，中午和夜間為低發(fā)時(shí)間段?！?0 mm/h短時(shí)強(qiáng)降水主要發(fā)生在19：00～20：00，出現(xiàn)37次，占總時(shí)次的26.6%，其次是8 h。中午和夜間是2種不同強(qiáng)度強(qiáng)降水低發(fā)時(shí)間段。

2.2 短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水月際變化可以看出，2種不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水主要發(fā)生在5—8月。≥20 mm/h短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)最多的是7月，5—8月占比相當(dāng)，4月發(fā)生次數(shù)最少。

2.3 短時(shí)強(qiáng)降水的空間分布特征

由2010—2019年5—9月短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生年頻次的空間分布（圖2）可以看出，≥20 mm/h短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)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(fēng)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(shí)強(qiáng)降水頻次較低。究其原因，與地形、夏季風(fēng)、城市熱島效應(yīng)相關(guān)性較大，頻發(fā)區(qū)多出現(xiàn)在河谷地帶、山脈迎風(fēng)坡和市區(qū);低發(fā)區(qū)多出現(xiàn)在背風(fēng)坡、地勢(shì)低洼區(qū)。

3 極端短時(shí)強(qiáng)降水的多尺度分析

3.1 極端短時(shí)強(qiáng)降水的環(huán)流背景與主要影響系統(tǒng)

不同地區(qū)的短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水環(huán)境背景時(shí)，西太平洋副熱帶高壓（以下簡(jiǎn)稱副高）的位置、強(qiáng)弱變化占有很重要的地位。副高是影響我國(guó)夏季降水的重要天氣系統(tǒng)，其強(qiáng)度變化、北進(jìn)南退直接影響我國(guó)的旱澇和雨帶分布。根據(jù)湘潭市2010—2019年4—9月140時(shí)次≥50 mm/h短時(shí)強(qiáng)降水，提取一天中≥3站1 h降水量≥50 mm的18次過(guò)程作為典型極端短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例進(jìn)行分析，將產(chǎn)生極端短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程大尺度環(huán)流背景分為4種：低槽切變型，占39%;波動(dòng)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(qiáng)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(guó)中東部地區(qū);中低緯地區(qū)，副高穩(wěn)定少動(dòng)，受副高的阻擋作用，低槽移動(dòng)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(qiáng)。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(qiáng)降水，強(qiáng)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(qiáng)降水發(fā)生的必要條件，但在強(qiáng)降水發(fā)生前2～6 h，71%個(gè)例中低層西南氣流呈加強(qiáng)趨勢(shì)。

（2）副高邊緣型（圖3b）：此類型強(qiáng)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(qiáng)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(dòng)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(shì)力較弱，無(wú)阻擋作用，東北低渦帶動(dòng)低槽快速入海，我國(guó)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(dòng)氣流型降水區(qū)域預(yù)報(bào)難度較大，高空風(fēng)場(chǎng)偶爾受偏北風(fēng)控制，且強(qiáng)度偏弱，一旦有降水回波生成，移動(dòng)緩慢。波動(dòng)氣流背景下發(fā)生的強(qiáng)降水易出現(xiàn)漏報(bào)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(shí)強(qiáng)降水的概率較大。強(qiáng)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(dāng)熱帶氣旋從廣西南部登陸時(shí)，湘潭處在東南風(fēng)、東北風(fēng)輻合中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010—2019年由熱帶氣旋產(chǎn)生的極端短時(shí)強(qiáng)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(qiáng)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(shí)強(qiáng)降水的物理量特征

根據(jù)高空地面觀測(cè)資料，選取850 hPa比濕、K指數(shù)、CAPE值、850～500 hPa假相當(dāng)位溫差、0～3 km、0～6 km垂直風(fēng)切變、暖云層厚度7個(gè)物理量，發(fā)現(xiàn)不同類型極端短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)的水汽條件、動(dòng)力條件、熱力條件等物理量場(chǎng)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(shí)強(qiáng)降水水汽條件更加優(yōu)越，達(dá)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(duì)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(shí)強(qiáng)降水過(guò)程中，不穩(wěn)定能量比其他2種類型大。

（3）在動(dòng)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(dòng)氣流型短時(shí)強(qiáng)降水大多在中等強(qiáng)度的垂直風(fēng)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(shí)強(qiáng)降水，其中波動(dòng)氣流型和熱帶氣旋型850 hPa與500 hPa假相當(dāng)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(shí)強(qiáng)降水過(guò)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(qiáng)的不穩(wěn)定能量、厚的暖云層等是極端短時(shí)強(qiáng)降水產(chǎn)生的基礎(chǔ)條件，低層中等強(qiáng)度或以上的垂直風(fēng)切變和高層輻散抽吸作用，使對(duì)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(guò)分析湘潭市2010—2019年汛期短時(shí)強(qiáng)降水的時(shí)空分布特征、大尺度環(huán)流形勢(shì)、主要影響系統(tǒng)、物理量和雷達(dá)特征，得出以下結(jié)論。

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

（2）根據(jù)副高的位置、強(qiáng)弱變化將產(chǎn)生極端短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程大尺度環(huán)流背景大致分為低槽切變型、波動(dòng)氣流型、副高邊緣型、熱帶氣旋型。不論哪種類型的短時(shí)強(qiáng)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(shí)強(qiáng)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(qiáng)的不穩(wěn)定能量、厚的暖云層等，在中低層中等強(qiáng)度或以上的垂直風(fēng)切變和高層輻散抽吸作用下，對(duì)流系統(tǒng)更加組織化發(fā)展，有利于降水持續(xù)。

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責(zé)任編輯：黃艷飛