劉紅雙,楊 熠,孫文超,張云秋,唐 海,張強宜

(1.貴州省遵義市氣象局,貴州 遵義 563000;2.黑龍江省伊春市湯旺縣氣象局,黑龍江 湯旺 153038)

0 引言

短時強降水一般由對流降水形成,且為典型的中小尺度系統(tǒng)驅(qū)動,其造成的衍生災(zāi)害往往表現(xiàn)為局地而短促,如山體崩塌、滑坡、城市道路積水、暴洪[1]。極端短時強降水(≥50 mm·h-1) 帶來的暴雨洪澇或次生災(zāi)害,往往給人民生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。強對流天氣過程常伴有雷暴大風(fēng)、冰雹、龍卷或者對流性暴雨等災(zāi)害,且多數(shù)強對流天氣的臨近預(yù)警提前時間通常不超過2 h[2]。如2012年7月21日的北京特大暴雨過程,短時間內(nèi)造成市區(qū)嚴(yán)重內(nèi)澇,郊區(qū)山洪暴發(fā),給人民生命財產(chǎn)造成巨大損失,直接經(jīng)濟損失達118.35億元[3]。遵義市位于貴州省西北部,處于云貴高原向湖南丘陵和四川盆地過渡的斜坡地帶,地形復(fù)雜,持續(xù)性暴雨引發(fā)的洪澇和突發(fā)性局地暴雨引發(fā)的泥石流等各種自然災(zāi)害時有發(fā)生[4]。2014年8月11日遵義習(xí)水良村出現(xiàn)特大暴雨,累計雨量達333.2 mm,強降雨疊加特殊地形地貌,造成了嚴(yán)重山洪、滑坡、泥石流,導(dǎo)致財產(chǎn)損失慘重,因災(zāi)死亡13人[5]。周明飛等[6]通過對短時強降水個例分析發(fā)現(xiàn),850 hPa平均比濕超過14 g·kg-1,700 hPa平均比濕超過10 g·kg-1,在短時強降水發(fā)生前均出現(xiàn)一定量級的對流有效位能,且高的K指數(shù)對短時強降水有較好的指示意義。田付友等[7]研究我國中東部不同級別短時強降水天氣的環(huán)境物理量指出,短時強降水量值越大其所需的大氣溫度和不穩(wěn)定能量條件越高,這為預(yù)報不同級別短時強降水天氣提供了必要的消空條件。王婧羽等[8]研究河南省雨季短時強降水時空分布特征發(fā)現(xiàn),地形對降水的增幅作用顯著且主要通過短時強降水發(fā)生頻次的增加來實現(xiàn)。楊熠等[9]利用2010—2019年遵義市13個國家氣象觀測站數(shù)據(jù)研究得出4—8月中有接近3/4的短時強降水發(fā)生在夏季,強降水發(fā)生高概率站點與地面輻合、城市熱島中心對應(yīng),表現(xiàn)出邊界層輻合、城市熱島效應(yīng)及山區(qū)地形都是午后短時強降水重要的觸發(fā)因子[10-13]。因此,深入認識遵義市短時強降水的空間分布及時間變化情況,對于提高遵義地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)能力具有重要意義。

前人很少利用區(qū)域站和高精度地形資料進行研究。本文以遵義作為研究區(qū)域,利用遵義市2016—2020年夏季國家站和氣象自動站過去1 h降水量資料,分析遵義市夏季短時強降水時空特征,疊加12.5 m×12.5 m地形,深入研究遵義市夏季短時強降水時空特征,并利用再分析資料統(tǒng)計午后及后半夜短時強降水發(fā)生前的物理量特征,為進一步提高遵義市短時強降水預(yù)報服務(wù)和防災(zāi)減災(zāi)能力提高參考。

1 資料與方法

資料:(1)貴州省信息中心提供的2016—2020年6—8月遵義市13個國家站和539個自動站過去1 h降水觀測數(shù)據(jù);(2)再分析資料為ERA5,時間間隔為1 h,空間分辨率為0.25°×0.25°,用于計算物理量。

方法:鑒于遵義市氣象監(jiān)測站是逐年增加建設(shè),本文只統(tǒng)計2016—2020年夏季均有數(shù)據(jù)的站點。本文短時強降水個例定義為:6—8月逐日00—23時(北京時,下同)遵義市達到或超過5個監(jiān)測站出現(xiàn)1 h雨量≥20 mm。2016—2020年共計挑選個例162個,且每次個例均有相同站點,共計306個站點滿足條件。本文白天(晝雨)指08—20時,夜間(夜雨)指20—08時。

遵義市地形和306個監(jiān)測站分布如圖1所示,遵義市北部大婁山呈東北—西南走向,海拔多在1000～1500 m之間,不少山峰超過1500 m,最高為桐梓縣箐壩大山2028 m,而在西部邊緣的赤水河谷最低海拔在200 m左右,高低落差達1500 m。

圖1 遵義市地形及306個氣象監(jiān)測站空間分布圖(藍色點為代表站)

2 遵義市短時強降水時空分布特征

2.1 時間分布特征

圖2為遵義市2016—2020年夏季短時強降水站次和月份站次的逐小時變化。從夏季短時強降水日變化可知,夜間是遵義發(fā)生短時強降水的高發(fā)時段,峰值在03時,達到321站次,04時也達到319站次,夜間(21—08時)夏季短時強降水平均達到了233.9次,而白天(09—20時)僅有137.5站次,為夜間的58.9%,白天短時強降水的峰值在19時,有206站次,09—15時短時強降水<150站次,因而遵義夏季短時強降水有明顯的雙峰結(jié)構(gòu),夜間多于白天,09—15時為遵義短時強降水站次最少時段,特別是11—13時,短時強降水<100站次。

圖2 遵義市2016—2020年夏季短時強降水站次逐小時變化

從月份來看,6月短時強降水的日變化在夜間峰值較為明顯,在03時達到176站次,為夏季的54.8%,04時為162站次,為夏季的50.7%,與夏季夜間短時強降水變化較為接近,在白天(09—20時),短時強降水的峰值不明顯,分別在09時、14時、20時達到50站次,最高為09時為63站次,10—23時短時強降水均在50站次附近,特別是17—18時低于30站次。7月短時強降水日變化表現(xiàn)為雙峰結(jié)構(gòu),夜間短時強降水峰值在02時,為112站次,平均為85.1站次,白天峰值在19時,為96站次,平均為41.4站次,在08—15時,短時強降水<50站次,特別是09—14時低于20站次,最低為13時為7站次。8月短時強降水的峰值主要在白天,且多在午后,白天短時強降水的峰值在18時為92站次,白天平均為52.9站次,夜間僅在04時出現(xiàn)52站次,其余時段均低于50站次,最低為06時的26站次。從夜間發(fā)生的短時強降水來看,有明顯的月分布特征,站次從高到低排序依次為:6月、7月和8月,可能與副熱帶高壓的位置有很大關(guān)系,6—7月在副高外圍,出現(xiàn)短時強降水多,8月副高北抬控制,發(fā)生短時強降水概率減少,但午后發(fā)生強對流的概率較大。

綜上,遵義夏季短時強降水日變化呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu),夜間的峰值主要發(fā)生在6月,白天峰值貢獻主要來自7—8月。夏季、6月和7月的短時強降水是夜間多于白天,而8月則是白天多于夜間,且多為午后強對流。

從圖3可知,遵義市夏季短時強降水最大為163.3 mm·h-1,僅有6站次在100 mm·h-1以上,絕大多數(shù)在60 mm·h-1以下,午后和后半夜的數(shù)值離散度較大。從均值來看,最大在14時為33.1 mm·h-1,最低在20時為28.0 mm·h-1,長達14 h在30 mm·h-1以上。從異常值來看,夜間的異常值數(shù)量大于白天,80 mm·h-1以上異常值夜間有15站次,白天僅有8站次。

圖3 遵義市2016—2020年夏季短時強降水箱線圖(“★”表示均值,“+”表示異常值)

遵義有14個縣(市/區(qū))(下文統(tǒng)稱為縣),且地形差異大,為了在服務(wù)中更具針對性,進一步統(tǒng)計各縣的夏季短時強降水日變化(表1)。從各縣均值來看,最高為習(xí)水29.7站次,夜雨均值也為最高42.1站次,且夜雨明顯高于晝雨;最低為余慶6.7站次,夜雨也為最低為6.9站次。晝雨均值最低為紅花崗區(qū)4.8站次,最高為桐梓23.6站次。習(xí)水、正安、道真、務(wù)川、匯川、紅花崗等6個縣的夜雨均值明顯高于晝雨,且在晝雨的1倍以上,僅有鳳岡和湄潭的夜雨均值低于晝雨均值,偏高僅在2站次,可能與遵義市西高東低的地形分布有關(guān)。從各縣日變化最大值來看,赤水01時(25站次)、仁懷02時(45站次)、習(xí)水03時(86站次)、桐梓04時(63站次)、道真04時(20站次)、正安05時(39站次)、綏陽05時(19站次)、務(wù)川06時(24站次)、播州07時(24站次)、匯川03時(27站次、07時19站次為次大值)、紅花崗08時(18站次)、湄潭14時(27站次,09時20站次為次大值)、鳳岡14—15時(20站次,在01時15站次為次大值)、余慶在16和22時(16站次,00時10站次,10時8站次),遵義市夏季短時強降水的日變化最大值自西北向東南由01時變?yōu)?9時,主要與降水系統(tǒng)多數(shù)自西向東影響遵義市有關(guān),在00—01時余慶和鳳岡都有1個相對大的值,可能與降水系統(tǒng)從余慶—鳳岡影響有關(guān)。

表1 遵義市14個縣(市、區(qū))2016—2020年夏季短時強降水站次逐小時變化

從日變化的結(jié)構(gòu)來看,赤水、習(xí)水、桐梓、道真、務(wù)川、播州、鳳岡等白天、夜間均有1個峰值,雙峰結(jié)構(gòu)較為明顯,而湄潭、余慶、綏陽雙峰結(jié)構(gòu)不明顯,仁懷日變化有明顯的4峰結(jié)構(gòu),分別在02時、10時、18時、22時有1個峰值。

2.2 空間分布特征

圖4a給出了遵義市2016—2020年夏季發(fā)生短時強降水站次空間分布,有4站超過25站次,均在遵義市赤水河谷和婁山山脈,有35站超過20站次,僅有4站位于遵義市東南部,其余均在赤水河谷及婁山山脈,同時發(fā)現(xiàn)在西部、北部地區(qū)發(fā)生短時強降水的概率較高,而在中部、東部發(fā)生強降水的概率相對較低。西部主要集中在河谷地帶,北部主要集中在婁山山脈,體現(xiàn)了特殊地形對強降水有增幅作用,而中部、東部地勢較平坦,山脈高低落差也不大,所以發(fā)生短時強降水站次相對較少。從逐月的空間分布來看,6月(圖4b)發(fā)生短時強降水的站次最多,平均每個站點有6.1站次,正安瑞溪站達到了19站次,共有21站超過10站次,主要集中在遵義市西北部習(xí)水(4站)和桐梓(5站),南部湄潭(3站)和紅花崗(2站)也有分布,集中在海拔相對高的地方。7月(圖4c)發(fā)生短時強降水的站次次之,平均每個站點有5.1站次,也是以北部居多,沿婁山山脈分布,有9站超過10站次,東南部僅有1站超過10站次。8月(圖4d)發(fā)生短時強降水的站次最少,平均每個站點有3.7站次,只有赤水的2個站點超過10站次,大于5站次也主要在遵義市西部邊緣和北部,這可能和西太平洋副高西伸北抬有關(guān)。

圖4 遵義市2016—2020年夏季(a)、6月(b)、7月(c)、8月(d)短時強降水站次空間分布

2.3 不同量級短時強降水時空分布

為進一步了解不同量級短時強降水的日變化特征,根據(jù)統(tǒng)計可知,對于30 mm·h-1及以上量級(圖5a):夏季主要發(fā)生在00—07時(03時最多),其次是18—19時,最少是11—13時。其中,6月的日變化情況和夏季一致,7月主要發(fā)生在17—23時,其次是00—05時,最少是08—15時,8月主要發(fā)生在15—21時,其次是09—11時,最少是22—23時。

對于40 mm·h-1及以上量級(圖5b):夏季主要發(fā)生在01—05時(03時最多),其次是18—19和23—00時,最少是11—12時。其中,6月主要發(fā)生在01—07時,其次是13—14時,最少是09—12時;7月主要發(fā)生在22—01時,其次是04—05和18—19時,最少是09—14時;8月主要發(fā)生在09—10時,其次是16—19時,最少是11—13時。

對于50 mm·h-1及以上量級(圖5c):夏季主要發(fā)生在23—05時(04時最多),其次是18—19時,最少是11時和15—16時。其中,6月的日變化情況和夏季一致,7月主要發(fā)生在22—23時,其次是18—19和04—05時,最少是06—11時,8月主要發(fā)生在10時,其次是04時和18—19時,最少是11時和22時。

對于80 mm·h-1及以上量級(圖5d):夏季主要發(fā)生在04時和19時(04時最多),然后是03時、07時和22時,最少是06時、08—09時、13時、16時及20—21時。

從空間分布來看,50 mm·h-1及以上量級主要分布在西部和南部(圖5e)的河谷和迎風(fēng)坡,比較離散,位于河谷發(fā)生次數(shù)最多。

3 午后及后半夜短時強降水物理量分析

綜上,遵義市夏季短時強降水在午后和后半夜分別有一個峰值,為了解遵義夏季不同下墊面短時強降水物理量的區(qū)別,本文選取了夏季短時強降水超過20站次的寶源(500 m)、敖溪(795 m)、進化(836 m)、涼井(979 m)、麻溝(1002 m)、新木(1046 m)和太平(1098 m)7個代表站(圖1藍色點)進行物理量分析,7個站點海拔高度在500～1098 m,有河谷、丘陵和高山站點。分析參數(shù)包括對流有效位能(CAPE)、K指數(shù)(K)、抬升指數(shù)(LI)、850 hPa與500 hPa溫差(T850-500)、大氣可降水量(PW)、850 hPa比濕(q850)等。分析時間為14時和02時物理量,其中14時物理量是7個代表站在14—20時內(nèi)出現(xiàn)短時強降水的對應(yīng)14時的物理量,02時物理量是7個代表站在02—08時內(nèi)出現(xiàn)短時強降水的對應(yīng)02時的物理量。

從圖6可知,午后短時強降水發(fā)生前,7個代表站的CAPE均值在700 J·kg-1以上(圖6a),均值最大在寶源站點1511 J·kg-1,最低為涼井站點781 J·kg-1,CAPE的極大值為寶源站點3287 J·kg-1,極小值為新木站點52 J·kg-1。代表站的K均值在31 ℃以上(圖6b),均值最大在敖溪站點33.6 ℃,均值最小在太平站點31.1 ℃,寶源和太平的K離散度較大,寶源區(qū)間在27.1～35.5 ℃,太平區(qū)間在26.6～33.9 ℃,K的極大值為36.1 ℃,極小值為26.6 ℃。代表站的LI絕大多數(shù)均低于-1 ℃(圖6c),均值最低為寶源站點-2.5 ℃,均值最高為太平的-1.5 ℃,寶源和敖溪的LI離散度較大,寶源站點區(qū)間在-5～-0.5 ℃,敖溪站點區(qū)間在-4～0.3 ℃,LI的極大值為0.3 ℃,極小值為-5 ℃。代表站的850 hPa與500 hPa溫差均值在23 ℃以上(圖6d),均值最高為麻溝的25.5 ℃,均值最低為進化站點23.5 ℃,850 hPa與500 hPa溫差的極大值為27.8 ℃,極小值為20.5 ℃。代表站的大氣可降水量在56 mm以上(圖6e),均值最高為進化站點72.0 mm,均值最低為太平站點63.9 mm,敖溪的PW離散度最大,區(qū)間在58.7～79 mm,PW的極大值為79.6 mm,極小值為56.6 mm。代表站的850 hPa比濕在14 g·kg-1以上(圖6f),均值均在16 g·kg-1左右,寶源的q850離散度最大,區(qū)間在14.7～18 g·kg-1,q850的極大值為18.4 g·kg-1,極小值為14.5 g·kg-1。

圖6 各代表站點午后短時強降水14時物理量:(a)對流有效位能(CAPE)、(b)K指數(shù)(K)、(c)抬升指數(shù)(LI)、(d)850 hPa與500 hPa溫差(T850-500)、(e)大氣可降水量(PW)、(f)850 hPa比濕(q850)(“★”表示均值,“+”表示異常值)

綜上,高海拔地區(qū)站點午后短時強降水對CAPE、K、LI要求更低,低海拔地區(qū)站點則需要更強的抬升條件和中低層暖濕條件,而850 hPa與500 hPa溫差則是高海拔地區(qū)高于低海拔地區(qū)。

從圖7可知,后半夜短時強降水發(fā)生前,7個代表站的CAPE均值在240 J·kg-1以上(圖7a),均值最大在寶源站的725 J·kg-1,最低為太平站的240 J·kg-1,CAPE的極大值為寶源站的1657 J·kg-1,極小值為涼井站的7 J·kg-1,與14時相比,02時均值和極大值均明顯偏小,可能與夜間地面溫度降低有關(guān)。代表站的K均值在32 ℃以上(圖7b),均值最大在寶源站的34.7 ℃,均值最小在敖溪站點32.7 ℃,K的極大值為36.7 ℃,極小值為27.8 ℃,與14時相比,02時均值和極大值均偏高,均值偏高在1 ℃以上。代表站的LI絕大多數(shù)均高于-3 ℃(圖7c),均值最低為敖溪站的-1.1 ℃,均值最高為太平站的0.7 ℃,LI的極大值為2.8 ℃,極小值為-2.5 ℃,與14時相比,02時均值和極大值均偏高,均值有4個代表站高于0 ℃,因而02時抬升指數(shù)指示意義不好。代表站850 hPa與500 hPa溫差均值在20 ℃以上(圖7d),均值最高為敖溪站的23.9 ℃,均值最低為麻溝站的20.3 ℃,850 hPa與500 hPa溫差的極大值為26.9 ℃,極小值為19.2 ℃。代表站的大氣可降水量在54 mm以上(圖7e),均值最高為太平站的74.9 mm,均值最低為敖溪站的62.3 mm,PW的極大值為82.3 mm,極小值為54.4 mm,與14時相比,02時高海拔地區(qū)的站點均值均有增加,低海拔地區(qū)站點有所減小,即高海拔地區(qū)站點對大氣可降水量的要求變高。代表站的850 hPa比濕在14 g·kg-1以上(圖7f),均值均在14 g·kg-1以上,均值最高為寶源站的16.5 g·kg-1,均值最低為敖溪站的14.6 g·kg-1,q850的極大值為17.8 g·kg-1,極小值為13.7 g·kg-1,與14時相比,02時對水汽要求變低。

圖7 各代表站點后半夜短時強降水02時物理量:(a)對流有效位能(CAPE)、(b)K指數(shù)(K)、(c)抬升指數(shù)(LI)、(d)850 hPa與500 hPa溫差(T850～500)、(e)大氣可降水量(PW)、(f)850 hPa比濕(q850)(“★”表示均值,“+”表示異常值)

綜上,與14時相比,后半夜發(fā)生強降水對CAPE、LI、T850-500等要求變低,且抬升指數(shù)有4個站均值高于0 ℃,指示意義沒有午后好,后半夜短時強降水K指數(shù)的要求變高,大氣可降水量要求也是變高的,但主要是高海拔站點變高。

4 小結(jié)

綜上,通過對遵義市2016—2020年夏季短時強降水的時空分布特征進行分析,并利用ERA5再分析資料分析午后和后半夜物理量特征,得到以下結(jié)論:

(1)遵義夏季短時強降水日變化呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu),夜間的峰值主要發(fā)生在6月,白天峰值主要在7—8月。6月和7月的短時強降水夜間多于白天,而8月則是白天多于夜間,且多為午后強對流。遵義市夏季短時強降水最大為163.3 mm·h-1,是遵義區(qū)域站有氣象記錄以來最大值,夜間異常值的數(shù)量大于白天。

(2)有6個縣的夜雨均值明顯高于晝雨,且在晝雨的1倍以上,僅有鳳岡和湄潭的夜雨均值低于晝雨均值,有7個縣日變化雙峰結(jié)構(gòu)較為明顯,仁懷有明顯的4峰結(jié)構(gòu),可能與遵義市西高東低的地形分布有關(guān)。夏季短時強降水的日變化最大值自西北向東南由01時變?yōu)?9時,主要與降水系統(tǒng)多數(shù)自西向東影響遵義市有關(guān)。

(3)遵義市夏季短時強降水平均站次6—8月逐漸減少,10站次以上站點逐漸北推且減少,可能與西太平洋副高西伸北抬有關(guān),在西部、北部地區(qū)發(fā)生短時強降水的概率較高,而在中部、東部發(fā)生強降水的概率相對較低,西部主要集中在河谷地帶,北部主要集中在婁山山脈。

(4)30 mm·h-1、40 mm·h-1、50 mm·h-1、80 mm·h-1及以上量級的夏季短時強降水日變化也有明顯的雙峰結(jié)構(gòu),50 mm·h-1及以上量級短時強降水主要分布在西部和南部的河谷和迎風(fēng)坡,位于河谷發(fā)生次數(shù)最多。

(5)午后短時強降水發(fā)生前,CAPE均值最低781 J·kg-1,K均值最小為31.1 ℃,LI均值最高-1.5 ℃,850 hPa與500 hPa溫差均值在23 ℃以上,大氣可降水量在56 mm以上,高海拔站點午后短時強降水對CAPE、K、LI要求更低,低海拔站點需要更好的抬升和中低層暖濕條件,而850 hPa與500 hPa溫差則是高海拔站點高于低海拔站點。

(6)與午后相比,后半夜發(fā)生短時強降水對CAPE、LI、T850-500等要求變低,且抬升指數(shù)有4個站均值高于0 ℃,指示意義沒有午后好,后半夜短時強降水K指數(shù)的要求變高,大氣可降水量要求也是變高的,但主要是高海拔站點變高。