彭建東 陳秋萍 黃元森

(1.南平市氣象局，福建 南平 353000；2.福建省氣象臺，福建 福州 350001)

1 概述

南平市地處福建省西北部，境內多為山區(qū)，地形復雜，強對流天氣頻發(fā)。夏季的短時強降水具有突發(fā)性強、降水強度強、局地性強、致災性高、可預報時效短等特征，容易造成城市積澇、山體滑坡等氣象衍生災害[1]。如2019年南平“7·8”大暴雨期間，小時雨強普遍達50～80 mm·h-1，持續(xù)時間長達3～4 h，武夷山市區(qū)及機場都出現(xiàn)嚴重的內澇，造成嚴重的經濟損失和人員傷亡。目前國內外開展了許多對短時強降水的研究[2-5]，并取得一定的成果，如對云南省短時強降水分析表明[6]，空間分布極不均勻，自東南向西北呈迅速遞減趨勢，具有明顯的日變化特征，傍晚至夜間為高發(fā)時段，但不同區(qū)域之間存在一定差異；慶陽短時強降水[7]高發(fā)區(qū)在黃土高原北部和東南，日變化呈“雙峰型”特征，發(fā)生短時強降水時700hPa比濕≤ 7 g·kg-1且T-Td≤4 ℃，CAPE≥100J·kg-1且CIN≤120J·kg-1；張凱靜等[8]對青島短時強降水環(huán)流形勢進行了分析和研究，發(fā)現(xiàn)西風槽型天氣系統(tǒng)出現(xiàn)次數(shù)最多。短時強降水歷來是氣象預報服務中的難點[9-10]，本文在前人研究的基礎上，分析了南平市2013—2018年夏季(7—9月)短時強降水的年際、月際、時際以及強度、空間分布的變化特征，利用相應的ECMWF 1°×1°再分析資料總結了夏季短時強降水天氣發(fā)生的概念模型，給出不同概念模型的物理量指標，以期為短時天氣預報提供參考依據(jù)。

2 資料及分析方法

所用資料為南平市10個國家氣象觀測站、265個區(qū)域自動站2013—2018年夏季(7—9月)的逐小時地面降水量資料和邵武探空資料及同期ECMWF 1°×1°再分析資料。對地面自動站的逐小時降水資料進行質量控制，剔除可疑數(shù)據(jù)。根據(jù)國家氣象局標準短時強降水定義為1h降水量≥20 mm的降水[11]。若某日出現(xiàn) 3個及以上站次的短時強降水，則該日記計為1個短時強降水事件。為了研究不同強度短時強降水的氣候特征，將短時強降水量級分為20～29.9 mm·h-1、30～39.9 mm·h-1、40～49.9 mm·h-1、50 mm·h-1以上共計4個級別，分別分析4個量級短時強降水的時空間分布特征。最后利用ECMWF 1°×1°再分析資料，對造成南平市短時強降水事件的天氣系統(tǒng)進行分類總結，建立影響南平市的短時強降水天氣概念模型，并比較不同概念模型的環(huán)境場物理量特征。

3 短時強降水時空分布特征

3.1 短時強降水時間分布

2013—2018年夏季(7—9月)南平市共出現(xiàn)≥20 mm·h-1短時強降水4164站次，發(fā)生頻次最多的是2014年，達1039站次，最少的是2013年，僅308站次，年平均694站次。按月份計算各月頻次(圖1a)，8月最多，7月次之，9月最少，主要集中8月中旬。按天計算發(fā)生頻次，最多的一天(2014年8月19日)出現(xiàn)156站次的短時強降水。分析每日24h逐時的短時強降水頻次(圖1b)，其日變化呈“單峰型”，午后到上半夜(13時—次日01時)時最易發(fā)生短時強降水(共計出現(xiàn)3526站次，占全天的84.7%)，峰值出現(xiàn)在17時，407站次，占全天的9.8%，主要是因為夏季午后地表快速增溫容易使大氣層結不穩(wěn)定，在有利的水汽、動力抬升條件下極易發(fā)生短時強降水；下半夜至上午(02—12時)為低發(fā)時段，極小值出現(xiàn)在05時，僅為39站次，占全天的0.9%。

(a)短時強降水的旬變化 (b)短時強降水的日變化圖1 短時強降水的旬變化及日變化

3.2 短時強降水空間分布

相較于一般性降水天氣，短時強降水的發(fā)生概率相對較小，但是容易造成嚴重的氣象災害，尤其是不同的雨強，其危害程度也不相同，所以了解不同量級的短時強降水的分布規(guī)律十分必要。

統(tǒng)計2013—2018年短時強降水資料，南平市每年平均出現(xiàn)短時強降水2.5次/站。其中20～29.9mm·h-1的短時強降水發(fā)生頻次最多，占總頻次的67.9%，其次為30～39.9 mm·h-1，占20.7%，40～49.9 mm·h-1，占7.4%，≥50 mm·h-1最少，僅發(fā)生165站次，占4.0%。圖2a為≥20 mm·h-1的短時強降水頻數(shù)分布，從地理位置看，夏季短時強降水在南平市各地均有出現(xiàn)，易發(fā)地段主要集中在東南部及西北部，包括位于東南部的延平、建甌及位于西北部的浦城、武夷山、光澤。按縣市統(tǒng)計強降水發(fā)生頻數(shù)，排前三的分別為延平、建甌、浦城，分別占總頻次的18.4%、16.5%、14.7%，3個縣市發(fā)生的短時強降水之和約占總頻數(shù)的一半。一般而言，降水強度越大，其危害程度也越大，強降水大的地方也最容易成為地質災害易發(fā)點。圖2b給出了南平市出現(xiàn)≥70 mm·h-1短時強降水的站點分布情況，其中70～80 mm·h-1站點14個，80～90 mm·h-1站點3個，90～100 mm·h-1站點3個，>100 mm·h-1站點1個，最大小時雨強為111.5mm·h-1，出現(xiàn)在順昌洋口鎮(zhèn)將軍村。

4 影響天氣系統(tǒng)分型

雖然短時強降水大多都是由中小尺度的天氣系統(tǒng)造成，但大尺度天氣系統(tǒng)對中小尺度系統(tǒng)有制約或加深其發(fā)展的作用，所以分析天氣尺度的天氣系統(tǒng)對短時強降水的作用很重要[12]。強對流天氣的觸發(fā)機制主要與低層的天氣系統(tǒng)有關[13]，因此本文以850hPa影響系統(tǒng)為主，配合500hPa及地面影響系統(tǒng)。

(a)≥20 mm·h-1的短時強降水頻數(shù)分布 (b)≥70 mm·h-1的短時強降水站點分布

2013—2018年夏季南平市共出現(xiàn)短時強降水事件249個，通過對短時強降水天氣資料分析發(fā)現(xiàn)，其500hPa高空環(huán)流形勢主要為西風槽、南支槽、副高、熱帶低值系統(tǒng)等，850hPa表現(xiàn)為冷切、暖切、偏南急流等形式。綜合分析中低層環(huán)流形勢，形成南平短時強降水的環(huán)流形勢主要有4種類型。Ⅰ型：副高型(圖3a)，高空500hPa位于副高西北部或北部邊緣，通常這個地方儲存了大量不穩(wěn)定能量，容易產生午后不穩(wěn)定降水；副高明顯東退的時候，也容易造成不穩(wěn)定能量的釋放；高空受副高控制，但近地層925hPa在南平境內有風和水汽的輻合，也容易產生午后到上半夜的局地短時強降水，副高型在整個夏季均有出現(xiàn)。Ⅱ型：冷槽型(圖3b)，500hPa天氣圖上中低緯度為西風槽或南支槽影響，低層850hPa天氣圖上有冷切過境，地面圖上伴隨有冷空氣南下，這種情況通常容易在雷達反射率圖上呈現(xiàn)出一條南北向的長颮線自西北向東南掃過南平市，當?shù)蛯訚穸缺容^大時，颮線上強回波區(qū)非常容易產生短時強降水，出現(xiàn)時間主要集中在7月初和8月中旬之后。Ⅲ型：暖切型(圖3c)，高空500hPa天氣圖上為偏西氣流或南支槽前偏南氣流影響，低層850hPa天氣圖上在福建北部至江南南部一帶有東西向的暖切維持，南平受暖切或暖切南側強盛的西南氣流影響，容易產生暖區(qū)局地暴雨天氣，時段主要集中在7月上旬及8月中旬之后。Ⅳ型：熱帶低值系統(tǒng)型(圖3d)，主要有臺風登陸前外圍環(huán)流影響、臺風登陸后中心經過南平附近、北上臺風尾流影響或東風波影響等，其中以臺風登陸前外圍環(huán)流影響產生的短時強降水最多，出現(xiàn)時段主要集中在8月，主要是因為每年登陸或影響福建的臺風在8月出現(xiàn)次數(shù)最多。

(a)副高型 (b)冷槽型

(c)暖切型 (d)熱帶低值系統(tǒng)型圖3 南平市短時強降水天氣分型

表1給出了4種類型天氣形勢的占比，可以看出，副高型天氣系統(tǒng)出現(xiàn)次數(shù)最多，占短時強降水事件的40.6%，主要是由于夏季在沒有西風帶系統(tǒng)侵入或熱帶低值系統(tǒng)影響的情況下，南平上空基本都為副高控制；最少的是熱帶低值系統(tǒng)型，占14.4%。

表1 2013—2018年夏季短時強降水天氣形勢分型統(tǒng)計

5 短時強降水天氣的環(huán)境參數(shù)特征

短時強降水天氣的發(fā)生需要具備較好的水汽條件、不穩(wěn)定層結和抬升條件[14]。因此，對短時強降水發(fā)生前邵武探空站最近時次(08時或20時)的探空資料的物理量進行相關分析，考慮到物理量CAPE和CIN對地面增溫敏感，本文增加分析了14時構建探空，并比較不同天氣型的物理量差異。

5.1 水汽條件

溫度露點差(T-Td)是用來衡量大氣飽和程度的一個重要參量，其值越大，表示濕度越小，反之，濕度越大。按照福建省天氣預報技術手冊[15]，當T-Td≤4～5℃時表示濕區(qū)，T-Td≤2℃時表示飽和。經分析發(fā)現(xiàn)，南平市短時強降水大多數(shù)事件中850hPa濕度較好，接近飽和；700hPa的濕度較850hPa小，其中18.5%的事件700hPa T-Td>5℃，說明700hPa有干空氣侵入，850hPa和700hPa平均溫度露點差分別為 2.0℃、3.3℃，49%的事件中500hPa T-Td>5℃,說明接近一半的短時強降水事件發(fā)生在上干、下濕的層結結構中。另外，從溫度露點差的天氣分型變化(圖4a和圖4b)可以看出，冷槽型和暖切型在850hPa和700hPa溫度露點差值較小，平均值接近飽和值，水氣條件最佳。從比濕(圖4c和圖4d)看，短時強降水事件的850hPa比濕q≥12g·kg-1，平均為15.1g·kg-1；700hPa的q≥4.5g·kg-1,平均為9.7g·kg-1,各分型天氣系統(tǒng)的比濕值較集中，尤其是冷切型集中度最好，但其比濕的最大值和最小值差異較大。綜上來看，南平市短時強降水事件發(fā)生在850hPa溫度露點差T-Td≤5℃且q≥12g·kg-1的環(huán)境條件下。

(說明：圖中橫坐標1代表副高型、2代表冷槽型、3代表暖切型、4代表熱帶低值系統(tǒng)型， 圖中紅線為中位數(shù)，+代表異常值，下同)圖4 4種天氣型的850hPa溫度露點差和比濕、700hPa溫度露點差和比濕

5.2 不穩(wěn)定條件

K指數(shù)和SI指數(shù)都能較好地反映大氣的穩(wěn)定度，是日常強對流天氣預報中常關注的兩個重要指標。K指數(shù)越大，表示熱力條件越好。SI>0，則表示大氣層結較穩(wěn)定；SI<0，則表示大氣層結不穩(wěn)定，負值越大，越不穩(wěn)定。經統(tǒng)計，南平市7～9月發(fā)生短時強降水事件的K指數(shù)為30～47℃，平均為38℃，一半集中在36～40℃,1/4的K指數(shù)超過40℃ (發(fā)生強對流的可能性非常大)。SI指數(shù)平均值為-1.29℃，75%的SI指數(shù)低于0℃，有很好的參考性。從K指數(shù)和SI指數(shù)的天氣分型來看，副高型的K指數(shù)最大且SI指數(shù)負值最大，對熱力條件和不穩(wěn)定度要求最高，而熱帶低值系統(tǒng)型K指數(shù)最小且SI指數(shù)負值最小，對熱力條件和不穩(wěn)定度要求最小。同等的K指數(shù)和SI指數(shù)條件下，熱帶低值系統(tǒng)型天氣最易產生短時強降水，而副高型最不易產生短時強降水。

圖5 4種天氣型的K、SI、△T85及△θse85

圖6 4種天氣型的CAPE和CIN

另外，在福建省強對流實際預報業(yè)務中，還常用到850hPa和500hPa的溫差△T85表示中低層大氣溫度的垂直遞減率，來反映大氣靜力穩(wěn)定度，以及假相當位溫差△θse85反映大氣的對流穩(wěn)定度。幾乎所有短時強降水事件的△T85≥20 ℃，均值為23.5℃，其中副高型△T85最大，靜力穩(wěn)定度最差。75%的△θse85≥5K，平均值為11.5K，其中副高型的△θse85最大，對流最不穩(wěn)定，熱帶低值系統(tǒng)型最小，對流最穩(wěn)定。綜上可見，K、SI、△T85和△θse85對南平市短時強降水的潛勢預報有較好的指示性，可以將K≥36℃、SI≤0℃、△T85≥20℃和△θse85≥5K作為當?shù)囟虝r強降水天氣預報的參考指標。

5.3 能量條件

對流有效位能(CAPE)和對流抑制有效位能(CIN)是用來判斷強對流天氣潛勢的重要參數(shù)。CAPE值因受抬升高度影響較大，只可作為強天氣潛勢的識別指標之一，不能作為判斷唯一依據(jù)。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，75%的CAPE值大于410J·kg-1，超過1000J·kg-1的占52%，超過2000J·kg-1的占20%。CIN是氣塊獲得對流潛勢必須克服的能量臨界值，CIN值越小，越有利于強對流的發(fā)生[16]。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，75%的CIN集中在120J·kg-1以下，CIN值為0的事件占15.2%。因此，410J·kg-1和120J·kg-1可分別作為短時強降水的CAPE和CIN的臨界值。 從天氣分型來看(圖6)，副高型需要的CAPE值最大，需要克服的CIN也最大，即同等能量條件下，副高型天氣系統(tǒng)最不易出現(xiàn)短時強降水。

5.4 0℃層和-20℃層高度

0℃層是云中水滴凍結的最低高度，而-20℃層是大水滴自然成冰的溫度。南平市出現(xiàn)短時強降水時的0℃層平均高度約5.3km，-20℃層平均高度約8.7km，較冰雹對應高度層高度[17]分別高出約0.9km和1.0km，短時強降水的0℃層和-20℃層明顯更高，更易使云中固態(tài)降水融化形成大雨滴降落地面。計算4種天氣型0℃層和-20℃層平均高度，冷槽型：5.3km、8.7 km，暖切型：5.2 km、8.6 km，副高型：5.2 km、8.6 km，熱帶低值系統(tǒng)型：5.4 km、8.8 km，可知熱帶低值系統(tǒng)型0℃層和-20℃層高度最高，其次是冷槽型，暖切型和副高型高度最低，但4種分型天氣產生短時強降水時0℃層和-20℃層平均高度均高于冰雹天氣。綜上，南平短時強降水和冰雹天氣下0℃層和-20℃層高度差異明顯，區(qū)分度較好，可用于實際預報中區(qū)分兩種強對流天氣。

5.5 環(huán)境物理量預警指標

綜上分析，篩選出相關性較好的溫度露點差T-Td和比濕q(水汽條件)、K指數(shù)與SI指數(shù)及850hPa與500hPa的溫差△T85和假相當位溫差△θse85(不穩(wěn)定條件)、對流有效位能CAPE和對流抑制有效位能CIN(能量條件)，以及0℃和-20℃層高度等10個環(huán)境場物理量參數(shù)，可以看出不同天氣型的物理量差異明顯，表2以各物理量箱線圖75%的區(qū)分度給出了4種分型天氣的物理量參數(shù)預警指標。

從水汽條件來看，冷切型水汽要求最高，熱帶低值系統(tǒng)型要求最低；穩(wěn)定度條件方面，副高型最不穩(wěn)定，熱帶低值系統(tǒng)型最穩(wěn)定。能量條件方面，副高型天氣產生短時強降水需要的CAPE值最大，需要克服的CIN也最大，熱帶低值系統(tǒng)型需要的CAPE值最小，克服的CIN也適中。0℃層和-20℃層高度方面，熱帶低值系統(tǒng)型高度最高。綜合來看，同等的水汽條件、不穩(wěn)定條件、能量條件下，熱帶低值系統(tǒng)型天氣最易發(fā)生短時強降水，副高型天氣最不易發(fā)生短時強降水。

表2 4種天氣型的短時強降水的物理量參數(shù)預警指標

6 結論

①南平市短時強降水的日變化呈現(xiàn)明顯的“單峰型”特征。午后到上半夜(13時～次日01時)是短時強降水的易發(fā)時段，集中了84.7%的頻次，峰值出現(xiàn)在17時；下半夜至上午(02時～12時)為低發(fā)時段，極小值出現(xiàn)在05時。

②夏季短時強降水在南平各地均有出現(xiàn)，易發(fā)地段主要集中在南平市的東南部及西北部，約一半的短時強降水出現(xiàn)在延平、建甌、浦城，最大小時雨強為111.5mm·h-1，出現(xiàn)在順昌洋口鎮(zhèn)將軍村。

③發(fā)生短時強降水的天氣系統(tǒng)分4類分別是副高型、冷槽型、暖切型、熱帶低值系統(tǒng)型，其中副高型出現(xiàn)次數(shù)最多，占40.6%。

④短時強降水發(fā)生在850hPa的T-Td≤5℃、q≥12g·kg-1、K≥36℃、SI≤0℃、△T85≥20 ℃和△θse85≥5K的環(huán)境場中，接近一半的短時強降水事件發(fā)生在上干、下濕的層結結構中。410J·kg-1和120J·kg-1可分別作為短時強降水的CAPE和CIN的臨界值，其中副高型天氣產生短時強降水需要的CAPE值最大、要克服的CIN也最大。發(fā)生短時強降水時，0℃層和-20℃層平均高度均高于冰雹天氣，其中熱帶低值系統(tǒng)型天氣高度最高。同等的水汽條件、不穩(wěn)定條件、能量條件下，熱帶低值系統(tǒng)型天氣最易發(fā)生短時強降水，副高型天氣最不易發(fā)生短時強降水。