張武龍 康 嵐 楊康權(quán) 銀 航

1 四川省氣象臺(tái)，成都 610072 2 高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072

提 要： 利用2007—2017年5—9月四川盆地84個(gè)國(guó)家自動(dòng)站逐小時(shí)觀測(cè)資料和時(shí)間間隔6 h的ERA-Interim再分析資料，分析了四川盆地不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展所需的熱力、水汽和垂直風(fēng)切變等條件，并對(duì)不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水的環(huán)境物理量特征進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，極端短時(shí)強(qiáng)降水的抬升凝結(jié)高度、自由對(duì)流高度和平衡高度(EL)均高于普通短時(shí)強(qiáng)降水，EL可以較好地區(qū)分極端短時(shí)強(qiáng)降水和普通短時(shí)強(qiáng)降水，約75%的極端短時(shí)強(qiáng)降水和普通短時(shí)強(qiáng)降水分別發(fā)生在EL高于258.6和658.2 hPa的環(huán)境下。極端短時(shí)強(qiáng)降水的對(duì)流有效位能(CAPE)和對(duì)流抑制能量值同樣高于普通短時(shí)強(qiáng)降水，約50%的極端短時(shí)強(qiáng)降水和普通短時(shí)強(qiáng)降水的CAPE值分別高于792.5和451.9 J·kg-1。不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水的850和500 hPa 假相當(dāng)位溫差(θse850-θse500)差異顯著，極端短時(shí)強(qiáng)降水的θse850-θse500數(shù)值明顯高于普通短時(shí)強(qiáng)降水，10℃可做為區(qū)分二者的參考閾值。約50%的短時(shí)強(qiáng)降水大氣整層可降水量(PW)超過(guò)58 mm，不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水的PW差異不明顯，但極端短時(shí)強(qiáng)降水具有較為明顯的上干下濕垂直分布特征。垂直風(fēng)切變和上升運(yùn)動(dòng)對(duì)四川盆地不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水的區(qū)分沒(méi)有明確的指示意義。

引 言

短時(shí)強(qiáng)降水又稱(chēng)短歷時(shí)強(qiáng)降水，主要指發(fā)生時(shí)間短、降水效率高的對(duì)流性降雨，1 h降水量達(dá)到或超過(guò)20 mm(孫繼松等,2014)。短時(shí)強(qiáng)降水作為我國(guó)經(jīng)常發(fā)生的強(qiáng)對(duì)流天氣之一，它導(dǎo)致的主要災(zāi)害包括暴洪、地質(zhì)災(zāi)害、城市內(nèi)澇等。四川盆地位于我國(guó)西南地區(qū)，受其地理位置、地形特征以及冬夏季風(fēng)環(huán)流的影響，降水季節(jié)差異大，干濕季分明，降水主要集中在暖季5—9月(張武龍等,2014;2015)。短時(shí)強(qiáng)降水是四川盆地5—9月主要的災(zāi)害性天氣之一(陳永仁和李躍清,2013;王佳津等,2015;陳貝等,2016)。例如，2013年6月29日至7月1日，遂寧市普降大暴雨，部分地方出現(xiàn)特大暴雨，強(qiáng)降水持續(xù)兩天三夜，過(guò)程雨量最大達(dá)623.5 mm，小時(shí)最大雨量為95.1 mm，這使得城市低洼地段積水嚴(yán)重，城市內(nèi)澇、山地滑坡、道路中斷等災(zāi)情突出，造成8人因?yàn)?zāi)死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)28.49億元(孫俊等,2014)。2018年7月2日，成都蒲江縣境內(nèi)出現(xiàn)了短時(shí)暴雨，04—08時(shí)4 h內(nèi)最大降水量達(dá)241.1 mm，最大小時(shí)雨量為107.8 mm。受暴雨和洪水影響，蒲江縣大量果樹(shù)、農(nóng)田、民房等進(jìn)水被淹，災(zāi)害致14 082 人受災(zāi)，緊急轉(zhuǎn)移被困民眾9 565人，直接經(jīng)濟(jì)損失約達(dá)3 426.46萬(wàn)元[http:∥news.163.com/(2018-07-03)]。短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)對(duì)于社會(huì)生產(chǎn)生活、防災(zāi)減災(zāi)、政府部門(mén)的應(yīng)急決策都是十分重要的，它一直是短時(shí)臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)(孫繼松和陶祖鈺,2012;俞小鼎,2013)。

短時(shí)強(qiáng)降水是由中小尺度系統(tǒng)激發(fā)產(chǎn)生的，但以大尺度環(huán)境場(chǎng)為背景，大尺度環(huán)境參數(shù)配置影響或制約著中小尺度系統(tǒng)的發(fā)展演變過(guò)程(Doswell Ⅲ,1987;張京英等,2010;郝瑩等,2012)。一般認(rèn)為，短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生發(fā)展需要熱力不穩(wěn)定層結(jié)、充足的水汽、較強(qiáng)的抬升運(yùn)動(dòng)和適當(dāng)?shù)拇怪憋L(fēng)切變條件(孫繼松等,2014)，然而不同地區(qū)所需環(huán)境條件以及各類(lèi)對(duì)流參數(shù)閾值不盡相同(鄭媛媛等,2011)。近年來(lái)，許多國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究(Brenner,2004;Bhowmik et al,2008;Dimitrova et al,2009;Myoung and Nielsen-Gammon,2010;Raymond and Flores,2016)。樊李苗和俞小鼎(2013)研究了中國(guó)短時(shí)強(qiáng)降水、強(qiáng)冰雹、雷暴大風(fēng)以及混合型強(qiáng)對(duì)流天氣的環(huán)境參數(shù)特征并進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)不同類(lèi)型強(qiáng)對(duì)流天氣進(jìn)行了區(qū)分。郁珍艷等(2011)指出在華北冷渦背景下，最大抬升指數(shù)和抬升凝結(jié)高度對(duì)京津冀地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生有很好的表征。韓寧和苗春生(2012)對(duì)陜甘寧三省(自治區(qū))短時(shí)強(qiáng)降水的物理量特征進(jìn)行了研究，并總結(jié)了天氣學(xué)概念模型。沈澄等(2016)利用江蘇省三個(gè)探空站的資料分析了不同類(lèi)型的物理量參數(shù)對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的指示意義。仇娟娟和何立富(2013)的研究表明在蘇浙滬地區(qū)0℃層高度、850與500 hPa溫差、K指數(shù)、可降水量和高空風(fēng)切變等參數(shù)可較好區(qū)分短時(shí)強(qiáng)降水和冰雹天氣。龐古乾等(2012)和陳元昭等(2016)就珠江三角洲地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了細(xì)致的分析，為珠三角地區(qū)的短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)提供了有意義的參考。前人的研究成果多集中在華東、華南等地，對(duì)于西南地區(qū)或四川盆地的研究尚不多見(jiàn)。

為了分析短時(shí)強(qiáng)降水的極端性，俞小鼎(2013)將1 h雨量≥50 mm的降水事件稱(chēng)為極端短時(shí)強(qiáng)降水，它較普通的短時(shí)強(qiáng)降水(1 h雨量介于20～50 mm)更具有持續(xù)時(shí)間短、突發(fā)性強(qiáng)、可預(yù)報(bào)性低等特點(diǎn)(王叢梅等,2018)。然而，目前針對(duì)極端短時(shí)強(qiáng)降水(如1 h雨量≥50 mm，甚至超過(guò)80 mm)的環(huán)境物理量特征的系統(tǒng)性研究仍較為缺乏(田付友等,2017)。本文通過(guò)分析四川盆地不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展所需的熱力、水汽和垂直風(fēng)切變等條件，對(duì)比不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水的環(huán)境物理量特征，為四川盆地短時(shí)強(qiáng)降水潛勢(shì)預(yù)報(bào)提供一定的參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用觀測(cè)資料包括四川省156個(gè)國(guó)家自動(dòng)站的逐小時(shí)降水量、本站氣壓、風(fēng)場(chǎng)、相對(duì)濕度、氣溫和露點(diǎn)資料。其中，位于盆地內(nèi)的站點(diǎn)有84個(gè)，平均海拔為417.5 m，如圖1所示。此外，還用到了歐洲數(shù)值預(yù)報(bào)中心(ECWMF)再分析資料ERA-Interim，包括緯向風(fēng)、經(jīng)向風(fēng)、氣溫、露點(diǎn)、位勢(shì)高度等信息，時(shí)間分辨率為6 h，水平空間分辨率為0.25°×0.25°，垂直方向從1 000～10 hPa共32個(gè)氣壓層。所有資料長(zhǎng)度為2007—2017年的5—9月。

前人的研究多使用探空觀測(cè)資料計(jì)算環(huán)境物理量(樊李苗和俞小鼎,2013;龐古乾等,2012;沈澄等,2016;陳元昭等,2016)，而我國(guó)探空站的空間分辨率為200～300 km，探空觀測(cè)時(shí)間間隔為12 h，分別為08時(shí)和20時(shí)(北京時(shí)，下同)，僅用兩個(gè)時(shí)次的觀測(cè)探空很難代表短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生時(shí)的環(huán)境物理量特征。并且，如果出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水的地點(diǎn)距探空站較遠(yuǎn)，用其附近或者上游的探空代替當(dāng)?shù)靥娇?，也可能?huì)存在較大的誤差。為了解決常規(guī)探空資料時(shí)空分辨率太粗的問(wèn)題，在計(jì)算物理量時(shí)使用了更高時(shí)空分辨率的ERA-Interim資料，其時(shí)間間隔為6 h，分別為02、08、14和20時(shí)。

1.2 樣本選取

在四川天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，按照中央氣象臺(tái)的業(yè)務(wù)規(guī)定，將四川盆地單站1 h降水量>20 mm的降水事件定義為短時(shí)強(qiáng)降水。本文短時(shí)強(qiáng)降水樣本的篩選遵循以下原則：①為了配合ERA-Interim資料的時(shí)間分辨率，分四個(gè)時(shí)段(即為02—08時(shí)、08—14時(shí)、14—20時(shí)和20時(shí)至次日02時(shí))統(tǒng)計(jì)樣本，以匹配樣本發(fā)生前一時(shí)刻的ERA-Interim資料；②如同一時(shí)段內(nèi)同一自動(dòng)站出現(xiàn)多次1 h降水量在20 mm及以上的降水，則只記為一個(gè)樣本，并以最大小時(shí)降水量為準(zhǔn)；③將前兩步篩選出來(lái)的樣本按照不同強(qiáng)度劃分為三種類(lèi)型，即T型(1 h降水量介于20～50 mm)、F型(1 h降水量介于50～80 mm)和E型(1 h降水量>80 mm)。需要說(shuō)明的是，氣候統(tǒng)計(jì)表明四川盆地單站1 h降水量>20 mm的降水事件年均發(fā)生次數(shù)約為3～6次(Zhang and Zhai,2011;毛冬艷等,2018)；1 h降水量>50 mm的降水事件發(fā)生概率較低(毛冬艷等，2018)，四川盆地大部分地方五年一遇的小時(shí)降水量為50 mm左右(李建等，2013)；1 h降水量>80 mm的降水事件發(fā)生概率更低，Zheng et al(2016)統(tǒng)計(jì)顯示四川盆地大多數(shù)測(cè)站五十年一遇的小時(shí)降水量為80 mm左右。據(jù)此，本文以50 mm為界區(qū)分普通短時(shí)強(qiáng)降水和極端短時(shí)強(qiáng)降水，將T型短時(shí)強(qiáng)降水亦稱(chēng)為普通短時(shí)強(qiáng)降水，將1 h降水量>50 mm的短時(shí)強(qiáng)降水稱(chēng)為極端短時(shí)強(qiáng)降水，并以80 mm為界將極端短時(shí)強(qiáng)降水細(xì)分為F型和E型。

根據(jù)上述本篩選原則，統(tǒng)計(jì)得到的2007—2017年5—9月四川盆地發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水事件的空間分布。如圖1所示，四川盆地大多數(shù)測(cè)站短時(shí)強(qiáng)降水事件年平均發(fā)生頻次為3～6次，與前人研究一致。其中，單站頻次最高為8次，出現(xiàn)在盆地西南部。2007—2017年5—9月四川盆地T型、F型、E型短時(shí)強(qiáng)降水樣本總數(shù)分別為3 358、192和14個(gè)。利用三種類(lèi)型短時(shí)強(qiáng)降水在每個(gè)月和每個(gè)時(shí)間段發(fā)生的次數(shù)，分別除以各自的樣本總數(shù)，可得到三種類(lèi)型短時(shí)強(qiáng)降水相對(duì)頻率的月變化、日變化特征(圖2)。圖2a表明，四川盆地T型短時(shí)強(qiáng)降水主要發(fā)生在7、8月，相對(duì)頻率合計(jì)超過(guò)70%，尤其在7月最高。同樣的，超過(guò)75%的F型和80%的E型短時(shí)強(qiáng)降水也主要發(fā)生在7、8月。對(duì)于日變化而言(圖2b)，約65%左右的T型短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在02—08時(shí)和20時(shí)至次日02時(shí)兩個(gè)時(shí)間段。在這兩個(gè)時(shí)間段，出現(xiàn)F型和E型短時(shí)強(qiáng)降水的相對(duì)頻率分別超過(guò)70%和85%，表明四川盆地三種類(lèi)型短時(shí)強(qiáng)降水均主要出現(xiàn)在夜間。

圖1 2007—2017年5—9月四川盆地短時(shí) 強(qiáng)降水事件年平均發(fā)生頻次分布 (紅色數(shù)字代表站點(diǎn)位置和發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水 事件的次數(shù)，填色代表海拔高度)Fig.1 Distribution of annual mean frequency of flash-rain events in Sichuan Basin between May and September during 2007-2017 (Red number denotes the location of meteorological stations and the occurrence times of flash-rain, colored shows altitude)

1.3 物理量計(jì)算

研究表明，ECWMF再分析資料ERA-40對(duì)于中高層的溫度、位勢(shì)高度、風(fēng)場(chǎng)都有較好的再現(xiàn)能力，而對(duì)于中低層的描述能力一般(趙天保和符淙斌,2009a;2009b;支星和徐海明,2013a;2013b;趙佳瑩和徐海明，2014a;2014b)。ERA-Interim資料作為ECMWF最新的大氣再分析資料，相較于ERA-40在許多方面都有了穩(wěn)步的提高(趙天保等,2010;Dee et al,2011)。本文以ERA-Interim資料為基礎(chǔ)，利用地面自動(dòng)站的觀測(cè)資料對(duì)其輔以修正，重構(gòu)探空數(shù)據(jù)。修正的算法參考Johnson and Bresch(1991)。舉例說(shuō)明重構(gòu)探空的過(guò)程，假設(shè)某一樣本發(fā)生的時(shí)間為16時(shí)，那么對(duì)應(yīng)的ERA-Interim資料時(shí)間為該樣本發(fā)生前一時(shí)刻14時(shí)，再取離樣本最近一個(gè)格點(diǎn)的1 000～10 hPa共32層的探空信息，刪除低于站點(diǎn)海拔高度的層次，并利用出現(xiàn)該樣本站點(diǎn)14時(shí)的溫壓濕風(fēng)地面觀測(cè)資料對(duì)探空資料進(jìn)行修正，得到重構(gòu)的探空數(shù)據(jù)，最后利用重構(gòu)的探空數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算相關(guān)物理量。大氣環(huán)境物理量特征研究有助于了解強(qiáng)對(duì)流發(fā)生的物理過(guò)程，許多參數(shù)在天氣預(yù)報(bào)中有很好的指示意義。本研究通過(guò)對(duì)比諸多物理量參數(shù)在不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水樣本中的值域分布特征，最終選取了表1中16個(gè)對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展所需的熱力、水汽和垂直風(fēng)切變等條件有代表性的、對(duì)不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水的區(qū)分有重要意義的物理量進(jìn)行著重分析。

表1 物理量列表Table 1 List of convective parameters

圖2 2007—2017年5—9月四川盆地三種類(lèi)型短時(shí)強(qiáng)降水相對(duì)頻率的月變化(a)和日變化(b)Fig.2 Monthly (a) and diurnal (b) variations of relative frequency for three types of flash-rain in Sichuan Basin between May and September during 2007-2017

2 物理量特征分析

2.1 抬升凝結(jié)、自由對(duì)流和平衡高度

圖3a給出了四川盆地短時(shí)強(qiáng)降水LCL的盒須圖分布，統(tǒng)計(jì)結(jié)果差異明顯，同一百分位點(diǎn)的LCL值隨小時(shí)雨強(qiáng)增大而減小，T型、F型、E型短時(shí)強(qiáng)降水LCL的中值分別為926.4、918.0和900.3 hPa。LCL是未飽和濕空氣塊干絕熱上升達(dá)到飽和的高度，它與近地層的相對(duì)濕度有關(guān)。高的LCL更容易發(fā)生極端強(qiáng)對(duì)流天氣，雷暴大風(fēng)和冰雹的LCL高度就明顯高于短時(shí)強(qiáng)降水。T型、F型、E型短時(shí)強(qiáng)降水LFC的值域分布(圖3b)與LCL相似。三種類(lèi)型LFC的第25%分位值較為接近，75%的短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生在LFC高于952.6 hPa的環(huán)境下。F型、E型的LFC中值分別為772.6和758.1 hPa，明顯高于T型的827.3 hPa。LFC和LCL都是受外力抬升達(dá)到的高度，LFC和LCL越高，說(shuō)明空氣塊需要的外力抬升就越強(qiáng)，即極端短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生需要更強(qiáng)的多尺度天氣系統(tǒng)共同抬升作用。T型、F型、E型短時(shí)強(qiáng)降水EL的差異較LCL和LFC更加顯著，可以較好地區(qū)分極端短時(shí)強(qiáng)降水和普通短時(shí)強(qiáng)降水(圖3c)。F型、E型EL的第25%分位值分別為258.6和257.2 hPa，遠(yuǎn)高于T型的658.2 hPa。EL越高，對(duì)流發(fā)展的高度越高，當(dāng)對(duì)流發(fā)展高度達(dá)到258.6 hPa左右的時(shí)候，配合其他環(huán)境物理量條件，可考慮極端短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的可能。

2.2 熱力條件

本文主要選取了CAPE、CIN、LI、T850-T500、θse850、θse850-θse5006種表征熱力條件的對(duì)流參數(shù)。為了便于對(duì)比，分析中也給出了利用1979—2017年5—9月ERA-Interim再分析月平均資料計(jì)算所得的四川盆地所有站點(diǎn)氣候平均態(tài)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

CAPE是強(qiáng)對(duì)流天氣分析預(yù)報(bào)中最常用的一個(gè)環(huán)境參數(shù)。在發(fā)生深厚濕對(duì)流的環(huán)境里，CAPE是與環(huán)境聯(lián)系最密切的熱力學(xué)變量(Doswell Ⅲ and Rasmussen,1994;DeMott and Randall,2004)。T型、F型、E型短時(shí)強(qiáng)降水CAPE的中值分別為451.9、792.5、1 525.6 J·kg-1(圖4a)，均高于氣候平均態(tài)(127.5 J·kg-1)。并且，極端短時(shí)強(qiáng)降水的CAPE值明顯高于普通短時(shí)強(qiáng)降水，E型也顯著高于F型。華東、華南發(fā)生50 mm·h-1以上短時(shí)強(qiáng)降水的CAPE值分別在1 300和1 500 J·kg-1左右(仇娟娟和何立富,2013;陳元昭等,2016)，高于四川盆地F型，與E型的CAPE中值相當(dāng)，這可能與沿海地區(qū)低層有更暖濕氣流的輸送有關(guān)。CIN是起始抬升高度與LFC之間的層結(jié)曲線(xiàn)與狀態(tài)曲線(xiàn)所圍的面積。它的存在一方面能抑制對(duì)流，另一方面也是對(duì)低層不穩(wěn)定能量進(jìn)行儲(chǔ)存和積累。前文提到空氣塊要達(dá)到LFC需要一定的外力抬升，即是需要克服CIN做功。圖4b表明，CIN的氣候平均態(tài)接近于0 J·kg-1，E型短時(shí)強(qiáng)降水CIN的中值高于F型，F(xiàn)型高于T型。對(duì)于普通短時(shí)強(qiáng)降水而言，CIN值較小，對(duì)流抑制作用較小，不穩(wěn)定能量不容易在低層聚集，從而使對(duì)流不能發(fā)展到較強(qiáng)的程度；相反的，極端短時(shí)強(qiáng)降水CIN值較大，不穩(wěn)定能量在低層大量聚集，雖然對(duì)流抑制作用較大，但一旦沖破抑制，對(duì)流便能得到充分發(fā)展。

圖3 2007—2017年5—9月四川盆地三種類(lèi)型短時(shí)強(qiáng)降水的LCL(a)、LFC(b)和EL(c)的盒須圖分布 (下端和上端的短橫線(xiàn)分別表示第5%和第95%分位值，盒子表示有50%的該類(lèi)事件出現(xiàn)在這一范圍內(nèi)， 盒子自下而上的三條橫線(xiàn)分別表示第25%、第50%和第75%分位值)Fig.3 Box and whiskers graph of LCL (a), LFC (b), and EL (c) for three types of flash-rain in Sichuan Basin between May and September during 2007-2017 (Symbols “-” located at the lower and upper positions represent the 5th and 95th percentiles, respectively； boxes denote scope of 50% of the events emerged； three horizontal lines from lower to upper positions in the box denote the 25th, 50th and 75th percentiles, respectively)

圖4 同圖3，但為CAPE(a)和CIN(b) (橫虛線(xiàn)表示1979—2017年5—9月的氣候平均態(tài)，下同)Fig.4 Same as Fig.3, but for CAPE (a) and CIN (b) (The horizontal dashed line denotes climatology between May and September during 1979-2017, same as below)

LI<0℃表示中低層大氣層結(jié)不穩(wěn)定，LI指數(shù)越小則越不穩(wěn)定。由于大氣常處在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，四川盆地LI指數(shù)的氣候平均態(tài)為1.9℃(圖5a)。T型、F型、E型短時(shí)強(qiáng)降水LI指數(shù)的中值分別為-1.2、-2和-3.5℃，LI指數(shù)負(fù)值越大，發(fā)生極端短時(shí)強(qiáng)降水的可能性就越大。三種類(lèi)型LI指數(shù)的第25%分位值分別為0.5、-0.6和-1.1℃。這說(shuō)明T型短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前，LI指數(shù)可能為正值；而超過(guò)75%的F型短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前，LI指數(shù)需要低于-0.6℃，超過(guò)75%的E型短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生前，LI指數(shù)需要低于-1.1℃。圖5a還表明幾乎所有的E型都發(fā)生在LI指數(shù)低于0℃的環(huán)境下。LI指數(shù)的正負(fù)無(wú)法決定有無(wú)普通短時(shí)強(qiáng)降水出現(xiàn)，卻能在一定程度上反映有無(wú)極端短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的可能。T型、F型、E型短時(shí)強(qiáng)降水T850-T500的盒須圖分布與LI指數(shù)相似，同一百分位點(diǎn)的T850-T500值隨小時(shí)雨強(qiáng)增大而增大(圖5b)。樊李苗和俞小鼎(2012)研究表明，雷暴大風(fēng)、冰雹的T850-T500明顯大于短時(shí)強(qiáng)降水。F型、E型T850-T500的中值分別為23.6、24.1℃，大于T型的中值(23.2℃)，更大于氣候平均態(tài)(22.2℃)，說(shuō)明溫度遞減率越大，越有利于極端強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生。四川盆地三種類(lèi)型短時(shí)強(qiáng)降水K指數(shù)的中值都在40℃左右，75%的短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生在K指數(shù)大于37.7℃的環(huán)境下，三者差別不大(圖略)。

圖6給出了四川盆地短時(shí)強(qiáng)降水的θse850、θse850-θse500盒須圖分布。假相當(dāng)位溫是綜合反映溫濕狀況的物理量，θse850通常被看作是低層能量的積累。圖6a表明，T型、F型、E型短時(shí)強(qiáng)降水θse500的中值分別為83.3、85.4和87.5℃，θse850的氣候平均態(tài)為69.3℃。明顯的，E型高于F型，F(xiàn)型高于T型，說(shuō)明極端短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生需要更大的低層能量積累。θse850-θse500表征的是中低層的潛在熱力不穩(wěn)定。T型、F型、E型短時(shí)強(qiáng)降水的θse850-θse500的值域分布特征(圖6b)與θse850類(lèi)似，但三種類(lèi)型短時(shí)降水的差異更加顯著，三者的θse850-θse500中值分別為10.1、13.6和16.0℃，均明顯高于氣候平均態(tài)(1℃)。75%的F型短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生在θse850-θse500>10℃的環(huán)境下，75%的E型發(fā)生在θse850-θse500>11.2℃情況下，50%的T型發(fā)生在θse850-θse500<10.1℃情況下。θse850-θse500不僅可以判別有無(wú)短時(shí)強(qiáng)降水天氣的出現(xiàn)，還可以作為區(qū)分不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水的參考。

圖5 同圖3，但為L(zhǎng)I(a)和T850-T500(b)Fig.5 Same as Fig.3, but for LI (a) and T850-T500(b)

圖6 同圖3，但為θse850(a)和θse850-θse500(b)Fig.6 Same as Fig.3, but for θse850(a) and θse850-θse500(b)

2.3 水汽條件

水汽是短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的基本條件之一。本文主要分析以下4種表征水汽條件的對(duì)流參數(shù)：PW、(T-Td)700、(T-Td)500、RH700-RH500。

圖7a給出了四川盆地短時(shí)強(qiáng)降水PW的盒須圖分布，T型、F型、E型短時(shí)強(qiáng)降水PW的中值分別為58、58和57 mm。雖然三種類(lèi)型短時(shí)強(qiáng)降水的PW統(tǒng)計(jì)結(jié)果差異不明顯，但均顯著高于氣候平均態(tài)24.6 mm。這說(shuō)明潮濕的大氣環(huán)境非常有利于短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生，但無(wú)法決定短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度。地面比濕的盒須圖表現(xiàn)出E型普遍高于F型，F(xiàn)型高于T型的值域分布特征，但實(shí)際上三者差別不大，75%的短時(shí)強(qiáng)降水都發(fā)生在地面比濕大于16.7 g·kg-1的環(huán)境下(圖略)。

(T-Td)700和(T-Td)500的盒須圖分布如圖7b、7c所示。T型、F型、E型短時(shí)強(qiáng)降水的(T-Td)700和(T-Td)500的值域分布特征為第25%、第50%、第75%分位值隨小時(shí)雨強(qiáng)增大而增大。地面的溫度露點(diǎn)差也表現(xiàn)出相同的特征(圖略)。溫度露點(diǎn)差表征的是空氣中水汽的飽和程度，即干濕程度。對(duì)于氣候平均態(tài)而言，整層溫度露點(diǎn)差較大，空氣處于不飽和的狀態(tài)，不易形成降水；對(duì)于穩(wěn)定性降水而言，整層溫度露點(diǎn)差越小，空氣越飽和，水汽越容易凝結(jié)，從而成云致雨，這樣產(chǎn)生的小時(shí)雨強(qiáng)通常偏??；而對(duì)于對(duì)流性降水而言，需要的是下層較濕、中上層較干的水汽垂直分布，即上干下濕的不穩(wěn)定層結(jié)特征，這樣產(chǎn)生的小時(shí)雨強(qiáng)通常偏大。從近地層到中高層，極端短時(shí)強(qiáng)降水的溫度露點(diǎn)差與普通短時(shí)強(qiáng)降水的差距隨著高度的增加而增大，這使得極端短時(shí)強(qiáng)降水具有較為明顯的上干下濕垂直分布特征。如圖7d所示，T型、F型、E型短時(shí)強(qiáng)降水RH700-RH500的中值分別為5.6%、7.9%和12.8%。

圖7 同圖3，但為PW(a)、(T-Td)700(b)、(T-Td)500(c)、RH700-RH500(d) Fig.7 Same as Fig.3, but for PW (a), (T-Td)700(b), (T-Td)500(c), RH700-RH500(d)

2.4 垂直風(fēng)切變和上升運(yùn)動(dòng)

垂直風(fēng)切變是影響對(duì)流發(fā)生發(fā)展的重要因子。與雷暴大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)對(duì)流天氣不同，短時(shí)強(qiáng)降水一般發(fā)生在適當(dāng)?shù)拇怪憋L(fēng)切變條件下。T型、F型、E型短時(shí)強(qiáng)降水SHR3的中值較為接近，分別為6.4、6.0和6.6 m·s-1(圖8a)，大于氣候態(tài)平均值(3.3 m·s-1)。T型、F型、E型短時(shí)強(qiáng)降水SHR6的中值分別為6.4、6.2和5.5 m·s-1，隨小時(shí)雨量增大而減小(圖8b)。SHR3和SHR6對(duì)不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水的區(qū)分均沒(méi)有明顯的指示意義。田付友等(2017)在對(duì)我國(guó)中東部短時(shí)強(qiáng)降水的研究中，得到了相同的結(jié)論。

在平時(shí)預(yù)報(bào)中，常使用700 hPa垂直速度(ω700)表征中低層垂直上升運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱，負(fù)值越大，垂直上升運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)；反之，若ω700為正值，則為下沉運(yùn)動(dòng)。從圖8c中可以看到，ω700的氣候平均態(tài)值為3.0×10-2Pa·s-1，表明大氣常處于下沉運(yùn)動(dòng)中；T型和F型短時(shí)強(qiáng)降水ω700的值域分布接近，強(qiáng)于E型短時(shí)強(qiáng)降水。T型、F型、E型短時(shí)強(qiáng)降水850 hPa垂直速度的盒須圖分布與ω700類(lèi)似，850 hPa垂直速度中值均在14×10-2Pa·s-1左右，差異較小(圖略)。這說(shuō)明垂直上升運(yùn)動(dòng)對(duì)極端短時(shí)強(qiáng)降水和普通短時(shí)強(qiáng)降水的區(qū)分并不顯著。造成這樣的原因可能有兩個(gè)，一是極端短時(shí)強(qiáng)降水是由中小尺度，或者更小尺度系統(tǒng)激發(fā)產(chǎn)生的，大尺度上升運(yùn)動(dòng)無(wú)法反映出小尺度系統(tǒng)的抬升作用，二是ERA-Interim資料的時(shí)間分辨率對(duì)于產(chǎn)生極端短時(shí)強(qiáng)降水的小尺度系統(tǒng)的生命周期而言還是不夠的。

圖8 同圖3，但為SHR3(a)、SHR6(b)、ω700(c)Fig.8 Same as Fig.3, but for SHR3(a), SHR6(b), ω700(c)

3 結(jié)論與討論

本文利用2007—2017年5—9月四川盆地84個(gè)國(guó)家自動(dòng)站逐小時(shí)觀測(cè)資料和時(shí)間間隔6 h的ERA-Interim再分析資料，分析了四川盆地不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生發(fā)展所需的熱力、水汽和垂直風(fēng)切變等條件，并對(duì)不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水的環(huán)境物理量特征進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：

(1)四川盆地大多數(shù)測(cè)站短時(shí)強(qiáng)降水事件年平均發(fā)生次數(shù)為3～6次，主要發(fā)生在7、8月，且多集中在夜間。

(2)不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水的LCL差異明顯，同一百分位點(diǎn)的LCL值隨小時(shí)雨強(qiáng)增大而減小，LFC也表現(xiàn)出類(lèi)似的特征。EL較LCL和LFC的差異更加顯著，可以較好地區(qū)分極端短時(shí)強(qiáng)降水和普通短時(shí)強(qiáng)降水，約75%的極端短時(shí)強(qiáng)降水和普通短時(shí)強(qiáng)降水分別發(fā)生在EL高于258.6和658.2 hPa的環(huán)境下。

(3)極端短時(shí)強(qiáng)降水的CAPE和CIN值同樣高于普通短時(shí)強(qiáng)降水，約50%的極端短時(shí)強(qiáng)降水和普通短時(shí)強(qiáng)降水的CAPE值分別高于792.5和451.9 J·kg-1。不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水的θse850-θse500差異顯著，極端短時(shí)強(qiáng)降水的θse850-θse500明顯高于普通短時(shí)強(qiáng)降水，10℃可做為區(qū)分二者的參考閾值。

(4)約50%的短時(shí)強(qiáng)降水PW值大于58 mm，不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水的PW差異不明顯。絕對(duì)濕度的大小無(wú)法決定短時(shí)強(qiáng)降水的強(qiáng)度，但濕層的垂直分布卻對(duì)不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水的區(qū)分有較好的指示意義，極端短時(shí)強(qiáng)降水具有較為明顯的上干下濕垂直分布特征。垂直風(fēng)切變和上升運(yùn)動(dòng)對(duì)不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水的區(qū)分沒(méi)有明確的指示意義。

從以上分析可以看出，大尺度的環(huán)境物理量特征可以在一定程度上對(duì)四川盆地不同強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降水加以區(qū)分，為短時(shí)強(qiáng)降水的潛勢(shì)預(yù)報(bào)提供參考依據(jù)。在中短期預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中，短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣的客觀化預(yù)報(bào)產(chǎn)品也多是基于環(huán)境物理量值域分布特征，并利用指標(biāo)疊套法、配料法、隸屬函數(shù)轉(zhuǎn)換法等方法進(jìn)行研發(fā)(郝瑩和魯俊,2011;陳永仁等,2017;沈澄等,2016)。但需要說(shuō)明的是，短時(shí)強(qiáng)降水是多尺度系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，在了解大尺度環(huán)境物理量特征的基礎(chǔ)上，還需結(jié)合衛(wèi)星、雷達(dá)、地面自動(dòng)站氣象要素等資料綜合分析中小尺度系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展過(guò)程，才能做好短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)，特別是對(duì)極端短時(shí)強(qiáng)降水的臨近預(yù)報(bào)(郝瑩等,2012;俞小鼎,2013;段鶴等,2014)。