安慶市近十年短時(shí)強(qiáng)降水特征及其天氣學(xué)模型

張 麗，葛紅衛(wèi)，金高松，董方有，黃 洋

(安徽省安慶市氣象局，安徽 安慶 246003)

0 引言

安慶地處中低緯度地區(qū)，冷暖氣團(tuán)活動(dòng)和交匯都比較頻繁，并且地形復(fù)雜多樣，各種災(zāi)害性天氣頻繁發(fā)生。短時(shí)強(qiáng)降水是春、夏季本地經(jīng)常出現(xiàn)的一種強(qiáng)對(duì)流性天氣，在全球變暖的大背景下，短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生更是呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)[1]。區(qū)域性的短時(shí)強(qiáng)降水常造成嚴(yán)重的山體滑坡或城市內(nèi)澇，對(duì)農(nóng)業(yè)、旅游業(yè)、交通運(yùn)輸以及人民生產(chǎn)生活等會(huì)造成嚴(yán)重危害，如：2015年6月28日，安慶市迎江區(qū)及樅陽(yáng)縣發(fā)生短歷時(shí)強(qiáng)降水，持續(xù)僅3 h，兩地受災(zāi)人口就達(dá)16萬(wàn)人，農(nóng)作物絕收面積1 133 hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失1.2億元；7月24日，全市出現(xiàn)暴雨天氣，局部出現(xiàn)降水量150 mm以上的特大暴雨，最大小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)142.7 mm，全市受災(zāi)人口65.7萬(wàn)人，因?yàn)?zāi)失蹤3人，農(nóng)作物絕收4 345 hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失2.6億元(數(shù)據(jù)來(lái)源于安慶市救災(zāi)辦)。鑒于短時(shí)強(qiáng)降水的高致災(zāi)性，氣象工作者一直將其作為研究重點(diǎn)[2-6]。近年來(lái)，氣象學(xué)者和專家對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的研究逐漸增多，樊李苗等[7]通過(guò)對(duì)多個(gè)過(guò)程的探空數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分類和對(duì)比分析，將中國(guó)的短時(shí)強(qiáng)降水、強(qiáng)冰雹、雷暴大風(fēng)以及混合型強(qiáng)對(duì)流天氣等4種強(qiáng)對(duì)流天氣加以有效區(qū)分；王佳津等[8]分析了四川區(qū)域暴雨過(guò)程中短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)的空間分布特征；周玉都等[9]對(duì)廊坊市短時(shí)強(qiáng)降水的特征和成因進(jìn)行了詳細(xì)分析；楊雪艷等[10]總結(jié)出了吉林省3類短時(shí)強(qiáng)降水的中尺度特征及概念模型。近年來(lái)，氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化迅速發(fā)展，氣象衛(wèi)星和多普勒天氣雷達(dá)資料更多的應(yīng)用到業(yè)務(wù)中，為深入分析短時(shí)強(qiáng)降水也提供了更多的依據(jù)，并且取得了較多有價(jià)值的成果[11-16]，數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的精細(xì)化也逐漸運(yùn)用到短時(shí)強(qiáng)降水的研究中[17]。

短時(shí)強(qiáng)降水具有降水強(qiáng)度大、局地性強(qiáng)的特點(diǎn)，并且從出現(xiàn)到結(jié)束發(fā)展十分迅速，短時(shí)強(qiáng)降水通常是由中小尺度天氣系統(tǒng)造成的，預(yù)報(bào)難度較大，多年來(lái)，對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)、預(yù)警一直是預(yù)報(bào)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[18-20]。本文利用2005—2017年安慶市8個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站逐時(shí)降水量的觀測(cè)資料，分析安慶地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生的時(shí)間、空間分布特征，并結(jié)合常規(guī)高空探測(cè)資料，建立主要天氣學(xué)模型，以期為本地短時(shí)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)提供參考。

1 資料與方法

短時(shí)強(qiáng)降水是指降雨量達(dá)到或超過(guò)某一量值的天氣現(xiàn)象。短時(shí)強(qiáng)降水的小時(shí)降雨量值在不同的氣象臺(tái)站有不同的規(guī)定，為了統(tǒng)計(jì)方便，根據(jù)中國(guó)氣象局氣辦發(fā)(2010)19號(hào)文件下發(fā)的《全國(guó)短時(shí)、臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)規(guī)定》以及預(yù)警信號(hào)發(fā)布規(guī)定等，本文中短時(shí)強(qiáng)降水的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為1 h內(nèi)降水量≥20.0 mm的降水過(guò)程。

資料來(lái)自于安慶地區(qū)8個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站2005—2017年4—9月逐小時(shí)降水量以及Micaps高空探空資料。一天中一個(gè)氣象觀測(cè)站出現(xiàn)多次短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)，將站次累加統(tǒng)計(jì)。

2 短時(shí)強(qiáng)降水時(shí)空分布特征

2.1 空間分布特征

已有研究表明，城市化與城市降水有密切的聯(lián)系，一般認(rèn)為，城區(qū)較縣郊地區(qū)更容易出現(xiàn)局地對(duì)流性天氣，從而局地短時(shí)強(qiáng)降水天氣也較郊區(qū)偏多[21-23]。地理位置也會(huì)造成短時(shí)強(qiáng)降水分布差異。從表1看到，山區(qū)岳西站和城區(qū)安慶站短時(shí)強(qiáng)降水總次數(shù)超過(guò)100次，桐城位于安慶市最北部，短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)最少；太湖、潛山地處山區(qū)，但短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)比沿江地區(qū)的宿松、望江等地偏多。

表1 2005—2017年安慶市年短時(shí)強(qiáng)降水總時(shí)次空間分布Tab.1 Spatial distribution characteristics of total short-term heavy rainfall from 2005 to 2017 in Anqing City

2.2 時(shí)間分布特征

圖1給出了安慶市2005—2017年逐年短時(shí)強(qiáng)降水的總次數(shù)。由圖1看出，年次數(shù)具有明顯的差異，其中2006—2009年為低谷期，2011年起逐年遞增，到2016年達(dá)到峰值。各市縣年短時(shí)強(qiáng)降水的次數(shù)分布也不均勻，沒(méi)有明顯線性變化趨勢(shì)，以2006年和2011年次數(shù)為最少；以2016年次數(shù)為最多，且以安慶城區(qū)的16次為最多，見(jiàn)表2。

安慶市短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在4—9月，其中7月出現(xiàn)站次最多，13 a來(lái)共出現(xiàn)226站/次，6月和8月次之，且6—8月出現(xiàn)總次數(shù)占總次數(shù)的75%(圖2a)。各市縣月短時(shí)強(qiáng)降水總站次除潛山峰值出現(xiàn)在6月外，其它各地均出現(xiàn)在7月；此外，岳西縣9月短時(shí)強(qiáng)降水次數(shù)較其他市縣異常偏多，這是因?yàn)?005年岳西遭受“泰利臺(tái)風(fēng)”的影響，2—3日連續(xù)出現(xiàn)了多個(gè)時(shí)次的短時(shí)強(qiáng)降水(圖2b)。

圖1 安慶市2005—2017年短時(shí)強(qiáng)降水年分布Fig.1 Year distribution characteristics of Short-term heavy precipitation from 2005 to 2017 in Anqing City

表2 2005—2017年安慶市各市縣短時(shí)強(qiáng)降水年分布(站/次)
Tab.2Annualdistributionofshort-termheavyprecipitationinvariouscitiesandcountiesofAnqingCityfrom2005to2017

岳西桐城太湖潛山懷寧宿松望江安慶2005年15646841072006年495425372007年3661064282008年1055383242009年7828106532010年105125458162011年544438632012年9171077372013年 6212786572014年6126885652015年771013577102016年117101315155142017年7477271212

圖2 2005—2017年4—9月安慶短時(shí)強(qiáng)降水總站次月分布(a)以及各市縣逐月站次變化(b)Fig.2 Monthly variation of the number of stations of short-time heavy precipitation for Anqing (a)and various cities and counties (b)from 2005 to 2017

安慶市短時(shí)強(qiáng)降水日分布具有明顯的單峰型特征，高峰期主要發(fā)生在午后到傍晚，19時(shí)至次日02時(shí)為低發(fā)時(shí)段，其余時(shí)段差異不大(圖3)。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)午后至傍晚受日照影響，地面溫度升高，是一天之中最熱時(shí)段，近地層常常會(huì)形成絕對(duì)不穩(wěn)定的層結(jié)，導(dǎo)致對(duì)流容易發(fā)展，如有充足的水汽條件配合就容易出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水。

圖3 2005—2017年安慶市短時(shí)強(qiáng)降水日變化特征Fig.3 Daily variation of the number of stations of short-time heavy precipitation from 2005 to 2017 in different districts of Anqing

短時(shí)強(qiáng)降水天氣與暴雨密切相關(guān)，二者既有區(qū)別又有聯(lián)系，在一次暴雨天氣過(guò)程中，起主要作用的經(jīng)常是幾個(gè)時(shí)次的短時(shí)強(qiáng)降水的累積[3]，但是并不是所有的短時(shí)強(qiáng)降水天氣最后都能形成暴雨，如果沒(méi)有較強(qiáng)天氣尺度系統(tǒng)支撐，中小尺度系統(tǒng)雖然可以造成局地的短時(shí)強(qiáng)降水，但沒(méi)有充足的水汽供給或維持時(shí)間較短也不能形成暴雨。2005—2017年安慶8個(gè)市縣累計(jì)出現(xiàn)短時(shí)強(qiáng)降水599 d，其中日降水量達(dá)到暴雨量級(jí)的有375 d，即有62.6%的短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程日降水量可以達(dá)到暴雨量級(jí)。

由圖4看出，安慶市短時(shí)強(qiáng)降水以20～30 mm/h的降雨強(qiáng)度為主，占總發(fā)生次數(shù)的63.4%。雨強(qiáng)≥50 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水也有較多發(fā)生，13 a只有2009年和2013年沒(méi)有出現(xiàn)。由圖4還可以看出，短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)呈上升趨勢(shì)；2009年以前只有一年超過(guò)了60 mm/h，2010年至今只有2 a在60 mm/h以下，并且有2個(gè)站/次小時(shí)降雨量超過(guò)90 mm。由此可見(jiàn)，2010年以后雨強(qiáng)≥50 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生次數(shù)呈增多趨勢(shì)，且強(qiáng)度也呈增強(qiáng)趨勢(shì)。

圖4 2005—2017年安慶雨強(qiáng)>50 mm/h的強(qiáng)降水出現(xiàn)站次、所占比例及1 h降水量極值Fig.4 The Number of stations of short-time heavy precipitation more than 50 mm/h and the proportion to all stations and 1 hour rainfall extreme value from 2005 to 2017 in Anqing

3 主要天氣學(xué)模型

為了建立安慶市短時(shí)強(qiáng)降水天氣學(xué)模型，首先利用常規(guī)高空探測(cè)、地面觀測(cè)等資料，對(duì)發(fā)生在2005—2017年的短時(shí)強(qiáng)降水個(gè)例進(jìn)行環(huán)流形勢(shì)分析，鑒于單站短時(shí)強(qiáng)降水影響系統(tǒng)不明顯，不便于環(huán)流型的歸納和概念模型的建立，并且對(duì)其進(jìn)行天氣學(xué)分析意義不大。本文剔除單站短時(shí)強(qiáng)降水事件，分析2站及以上發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降水的126個(gè)個(gè)例。按照歸納共性、排除個(gè)性的原則，將短時(shí)強(qiáng)降水天氣模型概括為：冷鋒型、短波槽型、臺(tái)風(fēng)低壓型、副高控制型及其它型共計(jì)5個(gè)類型，其中短波槽型占比最多，為64.3% ，其次是冷鋒型(見(jiàn)表3)。

表3 短時(shí)強(qiáng)降水天氣不同天氣學(xué)模型個(gè)數(shù)及占總樣本的比例Tab.3 The number of different meteorological models in short-term heavy precipitation and the proportion of total samples

3.1 短波槽型

短波槽型短時(shí)強(qiáng)降水的形勢(shì)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征為：在200 hPa上，由甘肅經(jīng)河套到渤海有一條高空急流帶，約70%的個(gè)例有低空急流存在；500 hPa在河套附近到川西或者在陜南到鄂西為一短波槽，淮河以南處在西南氣流中；700 hPa和850 hPa均存在暖濕切變，江淮之間為大片的相對(duì)濕度高值區(qū)，安慶市上空的濕層伸展到400 hPa附近(圖5a)；地面有輻合線存在(圖5b)。隨著500 hPa短波槽東移，低空切變線南壓或北抬，高低空急流耦合以及由槽后鍥入的小股干冷空氣共同作用下，輻合上升加強(qiáng)，產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水。

圖5 短波槽型高低空配置(a)和地面形勢(shì)(b)Fig.5 High and low altitude configuration and ground situation of Short wave slot type

3.2 冷鋒型

冷鋒型短時(shí)強(qiáng)降水的形勢(shì)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征為：200 hPa在35～45°N、95～115°E之間有一條急流軸，急流軸中心風(fēng)速超過(guò)32 m/s；500 hPa在河套地區(qū)或河套東部為低槽區(qū)，槽后有冷中心，安慶處于槽前西南氣流中；700 hPa和850 hPa受淺槽或暖濕切變線影響，且還存在12 m/s以上的西南低空急流，925 hPa存在>8m/s超低空急流(圖6a)，低空急流和超低空急流為短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生提供充足的水汽和強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，此外，華南到華中為大片T-Td≤2 ℃的高濕區(qū)，安慶市上空的濕層從近地面可伸展到300 hPa附近。由于高空槽后冷空氣南下導(dǎo)致溫度和濕度梯度明顯增大，在地面低壓的西北側(cè)形成一條能量鋒區(qū)(圖6b)。由此可見(jiàn)，高低空均存在急流且濕層深厚，鋒區(qū)導(dǎo)致了邊界層輻合線的形成，激發(fā)了短時(shí)強(qiáng)降水。

圖6 冷鋒型高低空配置(a)和地面形勢(shì)(b)Fig.6 High and low altitude configuration and ground situation of Cold front type

3.3 臺(tái)風(fēng)低壓型

臺(tái)風(fēng)低壓型短時(shí)強(qiáng)降水的形勢(shì)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征為：300 hPa以下在22～30°N 、100～110°E范圍內(nèi)有一個(gè)臺(tái)風(fēng)減弱后的熱低壓，200 hPa西南急流位于華北到東北地區(qū)，急流中心風(fēng)速大于60 m/s，個(gè)別個(gè)例無(wú)高空急流，但臺(tái)風(fēng)低壓的東北側(cè)存在中心風(fēng)速16 m/s以上的低空急流和中心風(fēng)速12 m/s以上的超低空急流；副高(588 dagpm線，下同)位于東南沿海，四川盆地以西受大陸高壓控制，河套附近為低壓冷槽區(qū)(圖7a)，此外，安慶市上空的濕層(T-Td≤4℃)可以伸展到500 hPa附近；T850-500>21 ℃，安慶上空為高溫高濕的不穩(wěn)定層結(jié)；地面上，減弱的臺(tái)風(fēng)低壓中心位于江西南部，安慶地區(qū)處在臺(tái)風(fēng)倒槽中(圖7b)，河套地區(qū)短波槽引導(dǎo)弱冷空氣南下，與臺(tái)風(fēng)倒槽西北側(cè)的暖濕氣流結(jié)合，觸發(fā)局地短時(shí)強(qiáng)降水，當(dāng)觸發(fā)地為山區(qū)輻合抬升的有利地形時(shí)，小時(shí)雨強(qiáng)將更加強(qiáng)烈。

圖7 臺(tái)風(fēng)低壓型高低空配置(a)和地面形勢(shì)(b)Fig.7 High and low altitude configuration and ground situation of Low pressure type

3.4 副高控制型

副高控制型短時(shí)強(qiáng)降水的形勢(shì)場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征為：200 hPa青藏高原為南亞高壓控制；500 hPa低槽位于東北地區(qū)，長(zhǎng)江以南地區(qū)以及華中受副高控制，850和925 hPa有切變線存在,700 hPa可能存在低槽或切變線(圖8a)，安慶上空的濕層伸展到500 hPa左右，T850-500>21 ℃，存在中性不穩(wěn)定；地面上在沿江地區(qū)存在明顯的輻合線(圖8b)；低層或近地面有弱冷空氣楔入，與低層切變、地面輻合線相互作用，產(chǎn)生短時(shí)強(qiáng)降水。本型多出現(xiàn)在7月中旬—8月下旬。

圖8 副高型高低空配置(a)和地面形勢(shì)(b)Fig.8 High and low altitude configuration and ground situation of Subtropical high-pressure type

4 結(jié)論

通過(guò)上述分析，得出以下結(jié)論：

①安慶市2005—2017年短時(shí)強(qiáng)降水空間分布具有城區(qū)最多、山區(qū)次多、平原最少的特征。

②2005—2017年，全市逐年短時(shí)強(qiáng)降水總次數(shù)差異明顯，總體上沒(méi)有顯著的線性變化趨勢(shì)，但2011—2016年呈逐年遞增趨勢(shì)。各市縣年短時(shí)強(qiáng)降水站次分布不均，以2016年次數(shù)為最多。短時(shí)強(qiáng)降水主要發(fā)生在4—9月，以7月為最多；短時(shí)強(qiáng)降水日分布具有單峰型特征，主要發(fā)生在午后到傍晚。安慶市短時(shí)強(qiáng)降水以20～30 mm/h的強(qiáng)度為主，雨強(qiáng)≥50 mm/h的短時(shí)強(qiáng)降水的發(fā)生次數(shù)雖然少，但是呈增多趨勢(shì)，且降水強(qiáng)度也呈增強(qiáng)趨勢(shì)。

③安慶市短時(shí)強(qiáng)降水天氣模型可分為冷鋒型、短波槽型、臺(tái)風(fēng)低壓型、副高控制型，以短波槽型占比為最多。短波槽型模型為高空短波槽東移、低空切變線影響、高低空急流耦合以及槽后小股干冷空氣共同作用；冷鋒型模型為鋒區(qū)導(dǎo)致邊界層輻合線形成，從而激發(fā)短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生；臺(tái)風(fēng)低壓型模型為河套地區(qū)短波槽引導(dǎo)弱冷空氣南下，與臺(tái)風(fēng)倒槽西北側(cè)的暖濕氣流結(jié)合，觸發(fā)局地短時(shí)強(qiáng)降水發(fā)生；副高控制型模型為低層或近地面弱冷空氣楔入與低層切變、地面輻合線相互作用。無(wú)論哪種類型的短時(shí)強(qiáng)降水，大部分個(gè)例均有高低空急流或者超低空急流存在，同時(shí)安慶上空濕層深厚，大氣為不穩(wěn)定層結(jié)。